자화장치와 퀀텀스틱을 이용한 노후터널의 배수공내 침전물 방지 방법
The Control Method of Scale in Drainage Pipe of Deteriorated Tunnel used Magnetic Field and Quantum Stick
남 중 우
1)
･ 이 창 기2)
･ 이 종 휘2)
･ 도 종 남2)
･ 천 병 식†
Nam, Joongwoo ･ Lee, Changgi ･ Lee, Jonghwi ･ Do, Jongnam ･ Chun, Byungsik
ABSTRACT : Clogging in drainage pipe is one of the important problems, so it needs a remedy urgently. Recently, scale in drainage pipe is removed by water jet cleaning and other treatment. But these treatments need much cost and regular management. The principal component of scale in drainage pipe is CaCO
3. It was observed the setting of CaCO
3by some kind of analysis such as SEM, XRD, visual and weight measuring analysis to solve these problems and prevent setting formation in drainage pipe. As a result, in case of magnetic, particle shape of CaCO
3is changed Aragonite from Calcite. Also in case of Quantum Stick, the amount of scale is reduced by expert inspector’s result. As a whole, Magnetic treatment and Quantum Stick have the effect for protecting of scale precipitation.
Keywords : Deteriorated Tunnel, Drainage system, Scale, CaCO
3, Magnetic field, Quantum Stick, SEM, XRD
요 지 : 배수공의 막힘 현상은 노후화된 터널의 가장 큰 문제점으로 보수·대책 공법이 시급한 실정이다. 현재는 Water Jet Cleaning 과 배수공내 초고압수를 분사하는 방식 등으로 배수공내 생성된 스케일을 제거하고 있다. 하지만 이러한 공법은 비용이 비싸고 주기적으로 관리가 필요하다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고 영구적으로 배수공내 침전물 생성을 방지하기 위하여 자화장치와 퀀텀스틱 신기술을 적용하여 배수공내 스케일의 주성분인 탄산칼슘(CaCO
3) 침전물을 SEM분석과 XRD분석을 통하여 관찰하였다. SEM분석과 XRD분석 결과, 자화장치를 적용하였을 경우 탄산칼슘(CaCO
3)의 생성입자가 Calcite에 서 Aragonite로 변화하는 것을 볼 수 있었으며, 퀀텀스틱의 경우에도 육안으로 관찰하였을 경우 스케일의 생성량이 확연히 줄어들었 음을 볼 수 있었다. 전반적으로, 자화장치와 퀀텀스틱을 이용하여 배수공 내 침전물 생성을 방지하는데 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
주요어 : 노후터널, 배수공, 침전물, 탄산칼슘, 자화장치, 퀀텀스틱, SEM, XRD 한국지반환경공학회 논문집
제12권 제11호 2011년 11월 pp. 59～64
1. 서 론
최근 노후화된 터널에 있어 배수재의 폐색 또는 배수공 침전물 등에 의해 막히는 현상이 발생하고 있다. 노후화된 터널은 대부분이 배수형 터널이며 장기적인 거동에 의해 배 수재의 압착과 폐색으로 배수시스템의 수리기능저하가 발 생한다(Reddi 등, 2002; Shin 등, 2002). 따라서 보수·보강, 터널 구조물에 대한 체계적인 유지 관리 등에 대한 사회적 요구가 증가하고 있다. 현재까지의 사례를 분석해 본 결과, 노후화된 터널에서의 가장 큰 문제점 중 하나는 터널 내 배 수공이 침전물 등에 의해 막히는 현상으로 이에 대한 보수·
대책 공법이 시급한 실정이다. 배수공의 막힘 현상을 일으 키는 원인으로는 크게 두 가지가 있다.
첫 번째로, 배수공내 유수에 의해 퇴적된 토사의 결정화
이다. 퇴적물의 결정화 원인은 터널 내 비점오염원이 퇴적 물 흡착수에 영향을 주어 흡착수의 전해질 농도가 변화하게 됨에 따른 침전이 일어나기 때문이다. 두 번째로 터널 내부 를 통하여 침출되는 지하수에 의해 콘크리트 구조물에서 용 출된 수산화칼슘(Ca(OH)2), 탄산칼슘(CaCO3)이 토사와의 포졸란 반응으로 인해 생성된 결정이다.
Klabunde 등(2001)에 의하면 비점오염원으로 인하여 입 자의 척력(zeta potential)은 감소한다. 척력이 감소하면 +, - 이온간 거리가 좁혀져서 입자들끼리 뭉치는 현상이 발생하 여 침전이 더 빠르게 유도된다.
따라서 본 연구에서는 노후터널 배수공 내 막힘 원인인 탄산칼슘의 침전 방지를 목적으로 자석(magnetic)을 부착한 형태의 자화장치와 퀀텀스틱을 적용하여 스케일 생성 방지 효과를 규명하고자 SEM(Scanning Electron Microscope)분
(a) Calcite (b) Aragonite
(c) Vaterite
사진 1. 탄산칼슘(CaCO
3) 입자별 형태(Nebel 등, 2008)
그림 1. 퀀텀스틱의 원리(천병식, 2011)
사진 2. Quantum Stick 확대 사진(천병식, 2011)
석과 XRD(X-ray Diffraction)분석을 수행하였다.2. 이론적 배경
2.1 탄산칼슘의 생성과정
탄산칼슘은 터널 내 비점오염원인 자동차의 배기가스에 서 나오는 CO2성분과 콘크리트 구조물에서 용출된 Ca(OH)2
성분의 화학반응으로 인하여 생성된다.
침전된 탄산칼슘의 결정체는 잘 알려진 바와 같이 결정 구조에 따라 Calcite, Aragonite 그리고 Vaterite로 구분된다 (Lyu 등, 2000; Park 등, 2006). Nebel 등(2008)의 연구결과 에 의하면 사진 1과 같이 Calcite는 입방체의 모양을 띄고, Aragonite는 침상형 바늘모양을 띄고 있으며 Vaterite는 육 각구조의 형상을 보이는 것으로 알려져 있다. 특히, Calcite 는 부착성이 강하여 제거가 용이하지 않은 반면에 Aragonite 는 부착성이 약해 유수의 흐름이나 충돌에 의해 제거가 용 이하다.
2.2 자화장치
Kobe 등(2001)과 Higashitani 등(1993)에 의하면 자화장 치는 탄산칼슘(CaCO3) 입자의 형태를 Calcite에서 Aragonite 로 변화시켜 물과 물속에 포함되어 있는 입자들이 배관이나 기계 내부 벽에 부착되지 않고 부유 상태로 흘러가게 하여 스케일 발생을 억제하는 장치이다(Gabrielli, 2001). 자화장 치는 기본적으로 자석(magnetic)을 사용한다. 해외문헌 및 국내외 기술을 살펴 본 결과 이미 어느정도 실용화되어 있 고, 저비용이며 설치 또한 간편하다.
2.3 퀀텀스틱 원리
퀀텀스틱 장치는 사진 2와 같으며 분자진동(브라운운동 효과)의 원리를 적용한 것으로서 기본 진동에 간섭진동을 주어 퀀텀스틱에서 발산하는 진동이 스케일의 생성을 억제, 제거하는 기술이다. 그림 1에 따르면 퀀텀스틱의 진동이 간 섭의 효과를 주어 물에 녹아 있는 스케일 성분들의 진동의 크기가 작아져 물의 표면장력이 감소하게 되며 즉, 물의 입 자를 세분화 시키는 효과가 있다. 물의 입자가 작아지면 물 의 포화도가 증가되고, 관 벽에 붙어 있는 스케일 등이 물속 으로 환원되면서 제거되어 스케일 생성이 억제되는 효과가 있다(천병식, 2011).
3. 실험 장치
본 연구에서는 노후터널 배수공에 발생하는 주요 스케일 성분인 탄산칼슘(CaCO3)이 생성되는 환경을 모사하였다.
이를 위해 Ca(OH)2가 터널을 통과하는 자동차에 의해 발생 되는 배기가스 주요성분인 CO2성분과 결합되는 과정을 나 타내기 위하여 혼합수조, 교반수조, 교반장치, 배관, 그리고 시험관으로 구성된 개방형 실험 장치를 제작하였다. 사진 3
사진 3. 실험장치 전경
그림 2. 실험장치 개요도
사진 4. 혼합수조 전경
그림 3. 탄산칼슘 생성에 따른 고결화 현상
및 그림 2와 같이 개방형 실내시험은 6일 동안 교반액을 일 정한 유량으로 배수공에 유출시키고, 1일은 스케일 형성이 촉진될 수 있도록 기건시키는 과정으로 63일간 실시하였다.
3.1 Ca(OH)
2
+H2
O 혼합수조Ca(OH)2+H2O 혼합수조는 내부에 직경 8mm의 투명관을 설치하여 침전물인 수산화칼슘을 제외하고 상등액만 교반 수조로 흘려보낼 수 있도록 고안하였다. 소석회(CaO, 물 중 량의 0.17%)와 물을 혼합하면 식 (1)과 같은 화학반응에 의 해 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 생성되는데, 사진 4와 같이 침전 된 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 제외시키고 상등액을 혼합수조 로 흘려보내는 구조로 제작되었다.
CaO + H2O ⇄ Ca(OH)2 (1)
3.2 CO
2
가스 주입터널 내부를 통과하는 자동차에서 발생되는 대기가스 주 요성분인 CO2 가스를 모사하기 위하여 CO2 가스 주입 수조 를 제작하였으며, 실험 시 가스의 농도가 교반수조를 채우 고 있는 수산화칼슘(Ca(OH)2)용액의 0.03
～
0.04%가 되도록 유지하였다. 교반수조로 주입되는 CO2 가스는 그림 3과 같 이 (Ca(OH)2)와 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)을 생성시키는 역할을 한다.3.3 교반장치 및 교반수조
교반장치는 탄산칼슘(CaCO3) 용액이 침전되지 않도록 분당 1,500rpm으로 교반을 시키도록 제작하였다. 교반수조 는 혼합수조에서 흘린 물을 저장하여 지속적으로 교반시키 는 역할을 하기 위하여 지름 400mm, 높이 700mm의 충분한 크기의 원통형 수조로 제작하였다.
3.4 시험관
시험관은 시험 시 요소기술을 적용하지 않은 관을 대조
표 1. 시험관의 종류
구분 CASE Ⅰ CASE Ⅱ CASE Ⅲ CASE Ⅳ
적용기술 미적용 자화장치 퀀텀스틱
(Pack#1)
퀀텀스틱 (Pack#2)
적용관 아크릴(
50mm)유량 0.2～0.5cc/s
온도 17℃
용존 CO2
가스 농도 0.03～0.04%
기울기 5°
사진 5. 자화장치 적용관(CASE Ⅱ)
사진 6. 퀀텀스틱 적용관(CASE Ⅲ, CASE Ⅳ)
표 2. 배수공의 무게변화 측정결과
구 분 1일차 30일차 63일차 증가량(율)
Case Ⅰ (무처리) 14.46N 14.57N 14.64N 0.18N (1.24%) Case Ⅱ (자화장치) 14.83N 14.90N 14.94N 0.11N
(0.74%) Case Ⅲ (Quantum
Stick Pack #1) 15.18N 15.25N 15.29N 0.11N (0.75%) Case Ⅳ (Quantum
Stick Pack #2) 15.00N 15.05N 15.07N 0.07N (0.48%)
군으로 설정하였고, 자화장치(700 Gauss), 퀀텀스틱 Pack
#1(물의 고유한 성질을 유지시키는 주파수를 가진 퀀텀스 틱), 퀀텀스틱 Pack #2(스케일 성분과 상쇄되는 주파수를 가진 퀀텀스틱)를 실험군으로 설정하였다. 이를 CASE Ⅰ
～
Ⅳ로 나타내면 표 1과 같다. 자화장치는 사진 5와 같이 고무 자석을 관 외부 전면에 부착하여 설치하였고, 퀀텀스틱은 사진 6과 같이 실로 매달아 관 저면에 설치하였다.
4. 실험 방법
4.1 SEM분석
SEM(Scanning Electronic Microscope)의 원리는 전자선이 시료면 위를 주사(scanning)할 때 시료에서 발생되는 여러 가지 신호 중 그 발생확률이 가장 많은 이차전자(secondary
electron) 또는 반사전자(back scattered electron)를 검출하는 것으로 대상 시료를 관찰, 고배율로 촬영이 가능하다. 본 연 구에서는 요소기술 적용별로 생성된 입자의 형상을 관측하 기 위해 각 CASE별로 채취한 스케일에 Electron beam을 주 사하여 입자형상을 관찰하였다.
4.2 XRD분석
X선을 결정에 부딪히게 하면 그 중 일부는 회절을 일으키 고 그 회절각과 강도는 물질구조상 고유한 것으로서 이 회절 X선을 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의 종류와 양에 관계되는 정보를 알 수 있는데, 이러한 원리를 활용하여 물질 의 구조에 관한 정보를 얻기 위한 분석방법이 XRD(X-Ray Diffractometer)분석이다.
5. 실험 결과 및 분석
5.1 스케일의 생성량 분석
각 배수공에서의 무게 변화를 측정한 결과는 표 2와 같다.
요소기술을 적용하지 않은 관에서의 무게 증가율은 1.24%
로 네 가지의 배수공 중 가장 많은 증가율로 나타났다. 자화 장치를 적용하였을 경우 0.74%, 퀀텀스틱 Pack #1을 적용 하였을 경우 0.75%로 약간의 효과가 있었음을 볼 수 있었 다. 또한 가장 효과가 있었던 요소기술은 퀀텀스틱 Pack #2 로 무게 증가율이 0.48%로 나타나 요소기술을 적용하지 않 은 배수공에서의 무게 증가율과 비교해 약 61% 정도의 스 케일 생성량이 감소한 것으로 나타났다.
5.2 육안분석
육안분석은 60시간, 228시간, 396시간, 588시간, 800시간 별로 관측을 실시하였다. 사진 7은 시험시작 후 800시간이 경과된 후 관내부에 생성된 스케일량을 육안으로 관찰한 결 과이다. CASE I과 비교하였을 때 자화처리를 한 CASEⅡ와
(a) CASE Ⅰ (b) CASE Ⅱ
(c) CASE Ⅲ (d) CASE Ⅳ
사진 7. 실험 종료 후 CASE별 생성된 스케일의 양
(a) 요소기술 미적용(CASE Ⅰ) (b) 자화장치 적용(CASE Ⅱ) 사진 8. 개방형 시험장치에서 CASE Ⅰ,Ⅱ의 SEM 분석 결과 (×20,000)
(a) CASE Ⅰ(미적용)
(b) CASE Ⅱ(자화장치)
그림 4. CASE Ⅰ과 CASE Ⅱ의 XRD 분석결과
스케일 성분과 상쇄되는 주파수를 주입한 퀀텀스틱 Pack #2 (CASE Ⅳ)의 경우 스케일의 생성량이 줄어드는 효과를 발 견할 수 있었다.
5.3 SEM 촬영
각 CASE에서 생성된 스케일을 채취하여 입자 형상을 SEM 분석을 통하여 나타내었다. 육안 관찰 결과 스케일의 생성량이 비교적 적었던 실험군의 CASEⅡ(자화장치 적용) 와 대조군으로 CASE Ⅰ(요소기술 미적용)을 20,000배 확대 하여 SEM 분석을 실시한 결과 사진 8과 같이 요소기술을 미적용하였을 경우에는 정육각형의 입방형을 띄는 Calcite 의 형태가 많았고 자화장치 요소기술을 적용한 CASE Ⅱ의
경우 얇은 침상형의 Aragonite입자들이 주로 생성되었던 것 으로 볼 수 있다. 따라서 자화장치를 적용할 경우 탄산칼슘 의 입자가 부착성이 약한 형태로 생성되어 스케일이 침전되 는 것을 방지하는 데 효과가 있는 것으로 볼 수 있다.
5.4 XRD 분석
XRD 분석결과 요소기술을 적용하지 않은 CASE Ⅳ에서 는 29°에서 peak점을 나타냈고, 자화장치를 적용한 CASE
Ⅱ에서는 26°, 29°, 46°에서 peak점을 나타내었다. Nebel 등 (2008)의 연구에 의하면 Calcite는 29°에서 Peak점을 나타냈 고, Aragonite는 26°, 46°에서 Peak점을 나타낸다고 발표한 바 있다. 이러한 연구결과로 미루어 보아 본 시험의 그림 4(a)에서는 Calcite가 생성이 되었고, 4(b)에서는 Calcite와 Aragonite가 혼합되어 생성이 되었다고 볼 수 있다. 이는 자 화장치의 자기장의 영향이 탄산칼슘(CaCO3)의 입자 형성 유형을 Calcite에서 Aragonite로 변화시켰다는 것으로 볼 수 있다.
6. 결 론
본 연구에서는 노후화된 터널의 배수공내 침전물 중 주 성분인 탄산칼슘(CaCO3)의 침전을 방지하기 위하여 자화장 치와 퀀텀스틱을 설치하였으며 각 분석기법을 실시하여 그 효과를 살펴본 결과는 다음과 같다.
(1) 각 배수공에서의 무게 변화를 측정한 결과, 요소기술을 적용하지 않은 관에서의 무게 증가율은 1.24%로 네 가 지의 배수공 중 가장 많은 증가율로 나타났다. 자화장치 를 적용하였을 경우 0.74%, 퀀텀스틱 Pack #1을 적용하 였을 경우 0.75%로 약간의 효과가 있었으며 퀀텀스틱
Pack #2는 무게 증가율이 0.48%로 나타나 가장 효과가 컸다.
(2) 육안으로 관찰하였을 시에는 미적용 관에서의 스케일 생성량과 비교하였을 때 자화처리를 한 CASEⅡ와 기 존의 메루스링과 동일한 주파수를 주입한 퀀텀스틱 Pack #2 (CASE Ⅳ) 의 경우 스케일의 생성량이 줄어드 는 효과를 발견할 수 있었다.
(3) CASEⅡ(자화장치 적용)와 대조군으로 CASE Ⅰ(요소 기술 미적용)을 SEM분석을 실시한 결과 요소기술을 미 적용하였을 경우에는 정육각형의 입방형을 띄는 Calcite 의 형태가 많았고, 자화장치 요소기술을 적용한 CASE
Ⅱ의 경우 얇은 침상형의 Aragonite입자들이 주로 생성 되었던 것으로 볼 수 있다.
(4) XRD 분석결과 요소기술을 적용하지 않은 CASE Ⅰ에서 는 29°에서 peak점을 나타냈고, 자화장치를 적용한 CASE Ⅱ에서는 26°, 29°, 46°에서 peak점을 나타내었다.
따라서 CASE Ⅰ에서는 Calcite가 생성이 되었고, CASE
Ⅱ에서는 Calcite와 Aragonite가 혼합되어 생성이 되었다 고 볼 수 있다. 이는 자화장치의 자기장의 영향이 탄산칼 슘(CaCO3)의 입자 형성 유형을 Calcite에서 Aragonite로 변화시켰다는 것으로 볼 수 있다.
감사의 글
본 연구는 2010년도 서울시 산학연 협력사업(ST100052) 에 의한 연구비 지원으로 수행되었음을 밝히며, 이에 감사 를 드립니다.
참 고 문 헌
