Effects of Heavy Metal and Salinity on Electrical Conductivity in Fully Saturated Sand

1) School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University

포화된 사질토의 전기전도도에 중금속과 염분 농도가 미치는 영향

Effects of Heavy Metal and Salinity on Electrical Conductivity in Fully Saturated Sand

이 동 수¹⁾･ 홍 영 호¹⁾･ 홍 원 택¹⁾･ 채 광 석²⁾･ 이 종 섭^†

Dongsoo Lee ･ Young-Ho Hong ･ Won-Teak Hong ･ Kwang-Seok Chae ･ Jong-Sub Lee

Received: August 10

, 2017; Revised: August 24

, 2017; Accepted: September 11

, 2017

ABSTRACT : As the electrical property of fully saturated soils is dependent on the pore water, it has been commonly used for the detection of the contamination into the ground. The objective of this study is to investigate the electrical characteristics according to the salinity and the lead concentration in fully saturated soils. Fresh water and saline water with the salinity of 1%, 2% and 3%, which are mixed with 6 different lead solutions with the range of 0 ～10 mg/L, are prepared in the cylindrical cell incorporated with sensors for measuring electrical resistance and time domain reflectometry signal. Then, the dried sands are water-pluviated into the cell. The electrical resistance and the time domain reflectometry signal are used to estimate the electrical conductivity. Test results show that electrical conductivity determined from electrical resistance at the frequency of 1 kHz continuously increases with an increase in the lead concentration, thus it may be used for the estimation of the contaminant level. In addition, the electrical conductivity estimated by the time domain reflectometry changes even at very low concentration of lead, the variation rate decreases as the lead concentration increases. Thus, the time domain reflectometry can be used for the investigation of the heavy metal leakage.

This study demonstrates that complementary characteristics of electrical resistance and time domain reflectometry may be used for the detection of the leakage and contamination of heavy metal in coastal and marine environments.

Keywords : Electrical conductivity, Electrical resistance, Leakage, Saline water, Time domain reflectometry

요 지 : 포화된 흙의 전기적인 특성은 흙 주위에 있는 간극수의 전기전도도에 크게 의존하므로, 흙의 전기전도도 변화를 이용하여 지반속으로의 오염물 침투를 감지하는데 널리 활용되고 있다. 본 연구의 목적은 포화시료에 대해 염분비와 납의 농도 변화에 따른 흙의 전기적 특성 변화를 조사하는 것이다. 전기저항과 시간영역반사법 신호측정을 위한 센서를 매설한 원통형 셀 내부에 담수 및 염분 농도 1%, 2% 그리고 3%의 염수용액을 0～10mg/L 사이의 6가지 납 표준용액과 혼합하여 수용액을 준비하였다. 이후 수용 액 속에 건조시킨 모래시료를 수중강사법을 이용하여 조성하였다. 조성된 포화시료에 대해 셀 내부에 설치된 센서들로부터 전기저 항과 시간영역반사법 신호를 측정하고 이 결과로부터 전기전도도를 산정하였다. 실험 결과, 주파수 1kHz에서 측정된 전기저항으로 부터 산정한 전기전도도는 납의 농도가 증가함에 따라 연속적으로 증가하는 것으로 나타났으므로 전기저항으로부터 산정한 전기전 도도가 오염정도를 파악하기 위해 사용될 수 있는 것으로 나타났다. 또한 시간영역반사법으로부터 산정한 전기전도도의 경우 저농 도에서의 납의 농도 변화에도 전기전도도가 변화하지만, 납의 농도가 증가함에 따라 변화 정도는 점차 감소하는 것으로 나타났다.

즉, 시간영역반사법은 중금속 누출여부를 조사하는데 적합한 것으로 평가되었다. 본 연구는 전기저항과 시간영역반사법의 상호보완 적인 특성을 활용한다면 해안 및 해양환경에서도 중금속의 누출 및 오염을 감지할 수 있음을 보여준다.

주요어 : 전기전도도, 전기저항, 누수, 염수, 시간영역반사법 Journal of the Korean Geo-Environmental Society 18(10): 23～34. (October 2017) http://www.kges.or.kr

ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2017.18.10.23

1. 서 론

매년 국내 쓰레기 발생량이 증가함과 동시에, 매립장의 수명종료는 임박해 오고 있다. 그러나 국내 여건상 신규 매 립부지 확보는 어려운 실정이며, 이에 따른 대안인 폐기물 해상 처분장의 개발이 화두로 떠오르고 있다. 육상 매립시 설에서 침출수는 매립시설 자체의 안정성에도 영향을 주며,

외부 환경에의 유해성이 존재하기 때문에 다수의 연구가 수 행되어 왔다(Lee & Jones-Lee, 1996). 일반적으로 최상의 조 건에서 설계된 이 중 라이너 매립시설의 경우도 1차 라이너를 통해 206L/hectare/day의 침출수가 발생할 수 있다(Bonaparte

& Gross, 1990). 이와 같은 이유로 침출수는 매립지에서 지 속적인 문제로 작용하며, 이를 해결하기 위해서는 현장에서 장기간 모니터링을 수행해야 한다(Clément et al., 2010). 특

(a) (b)

Fig. 1. Heterogeneous electrical model: (a) Representation of current path through soil; (b) Three element AC model adopted from Smith and Arulanandan (1981)

히 해상에 위치한 폐기물 처분장의 경우 내부에서 발생한 침출수가 해상으로 유출될 시 해양환경에 직접적인 영향을 끼칠 수 있으므로, 침출수의 유출여부를 조기에 감지하는 기능은 필수적으로 갖춰야 할 중요한 요소이다.

일반적으로 지반오염조사는 흙이나 지하수를 샘플링하여 분석하는 방법이 대표적이지만, 운반 도중 샘플이 오염될 가 능성이 존재하고 많은 비용과 시간이 필요하다는 문제가 있 으며(Shang et al., 2004) 정확한 오염위치나 유출량 또한 산 정이 어렵다는 단점이 있다. 이와 같은 이유로 전기비저항이 나 유전율을 이용한 모니터링 연구가 진행되어왔으며, 이들 을 이용한 토양 및 지하수 오염을 조사하는 방법에 대해 관 심이 높아지고 있다(Kaya & Fang, 1997; Park et al., 2003).

유전율을 통한 지반조사의 경우 GRP(ground panatrating radar) 을 이용한 비파괴적인 지반조사방법에 대한 연구가 많이 진 행되어왔다. Evinemi et al.(2016)과 Thitimakorn et al.(2016) 은 GPR을 통해 지반의 형상 및 변화를 추정하였으며, 전기 비저항과 GPR을 통해 심층부의 투수계수를 추정하는 연구 도 수행되었다(Salako & Adepelumi, 2016). 그러나 획득한 신호위치의 불확실성과 신호처리의 난해함으로 지반오염조 사에는 이용되지 않고 있다. 일반적으로 지반이 중금속과 같 은 전도성 물질로 오염된 경우 비저항은 감소하는 경향을 띠게 된다(Oh et al., 2001). 그러나 해안지반처럼 해수와 인 접해 있어 매립장이 염수환경에 존재하는 경우는 지반 자체 가 매우 낮은 비저항을 가지며 오염물질이 전기전도도 변화 에 미치는 영향은 육상조건에 비해 상대적으로 미미하다.

이와 같은 이유로 전기적 특성을 이용한 염수환경에서의 지 반오염조사는 어렵다고 인식되고 있으며 이에 대한 연구도 부족한 실정이다.

본 논문에서는 염수로 포화된 지반환경을 모사하고 오염물 침투에 따른 전기적 특성을 평가하기 위한 방법으로써, 우선 전기저항측정법과 시간영역반사법(time domain reflectometry) 을 이용한 전기전도도 측정에 대한 원리에 대해 설명하였 다. 또한 전기저항과 시간영역반사법의 신호를 측정할 수 있는 전극이 설치된 셀을 제작하였으며, 납을 오염물로 이 용하여 보정 실험 및 본 실험을 수행하였다. 이를 바탕으로 각 염분 농도에서의 해석결과를 제시하고 비교 및 분석하여 해양이나 해안지반 같은 염수환경에서 전기적 특성을 이용 한 오염물 검측의 가능성을 제시하고자 한다.

2. 포화지반에서의 전기전도도

2.1 전기저항과 전기전도도 관계

흙은 물과 공기, 흙입자의 3상으로 구성되며, 흙에서의 전 류전도는 이 3상의 매질을 통해서 이루어진다. 그러나 공기 의 경우 절연내력이 매우 높기 때문에 낮은 전압에서는 전류 가 흐르지 않는다. 그러므로 전류의 흐름은 사실상 물과 흙입 자를 통해서만 흐른다고 할 수 있으며, Smith & Arulanandan (1981)은 포화토의 경우 흙입자만을 통한 전류흐름, 간극수 만을 통한 전류흐름, 흙입자와 간극수를 통한 전류흐름의 세 가지로 정의하였다. 흙으로 흐르는 전류경로를 회로도로 모사하여 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1(a)는 포화된 흙에서의 전류흐름경로를 나타낸 것으 로 Fig. 1(a)의 (1)은 간극수와 흙입자를 통한 흐름이며, (2) 는 간극수만을 통한 전류흐름, (3)은 흙입자만을 통한 전류 흐름이다. Fig. 1(b)는 Fig. 1(a)를 교류 전류가 흐르는 회로

도로 모사한 것이다. 포화된 시료 내에서의 회로는 Resister- Capaciter(RC) 회로로 가정하였다. 병렬연결된 회로도에서 전류는 저항이 낮은쪽에서 더 많이 흐르는 성질을 가지고 있으며 직렬연결된 경우는 같은 양의 전류가 흐르는데, 이 때의 합성저항은 Eq. (1)과 같이 표현할 수 있다.

1 c s p

t c s p

R      

(1)

여기서, Rt은 회로 전체의 합산저항이며 σc는 간극과 흙 입자의 합성 전기전도도, σs는 흙입자를 통한 전기전도도, σp는 간극의 전기전도도이다. c, s, p는 본래 흙입자와 간극 수의 기하학적인 관계에 의한 상수로, 여기서는 간단히 Fig.

1(b)의 회로도에 나타난 각 회로의 단면적비를 나타낸다.

회로도의 흙입자와 간극이 직렬연결된 것처럼 모사된 부분 은 교류회로에서 직렬로 연결된 두개의 RC 회로이므로 전 기전도도 σc는 교류전원의 주파수 및 흙입자와 간극수의 전 기전도도, 유전상수에 따른 함수로 표현되며 Eq. (2)와 같이 나타난다(Smith & Arulanandan, 1981).

2 2 2 2

1

(1 ) 1 1

s p p s s p p s

c v

d d S d d d d

       



 ^{⎡ ⎢ }  ^ 

^⎛ ⎜ ^  ^{ ⎞} ⎟ ^{⎤ ⎥}

⎜ ⎟

 ⎢ ⎣  ⎝  ⎠ ⎥ ⎦

(2) 이 때 S는 다음과 같이 표현된다.

2 2

2 2

1 1

p s p s

S v

d d d d

     

⎛ ⎞ ⎛ ⎞

⎜⎝   ⎟⎠  ⎜⎝   ⎟⎠ (3)

여기서, d는 Fig. 1(b)의 회로도에서 흙입자와 간극이 직 렬연결된 부분의 기하학적인 길이비를 나타내기 위한 계수 이며, ω는 교류회로의 각 진동수 εv는 진공에서의 유전상수 (8.910^-12 F/m)이며, εp와 εs는 각각 간극과 흙입자의 유전상 수이다. Eq. (1)로 표현된 식은 결국 Eq. (4)와 같이 각 부분 의 저항합으로 표현된다.

1 1 1 1

t c s p

R R R R

(4)

여기서, Rt은 회로 전체의 합산저항이며 Rc는 간극과 흙 입자을 통한 전류흐름의 저항, Rs는 흙을 통한 전류흐름의 저항, Rp는 간극만을 통한 전류흐름의 저항이다. 이때 간극 에 물과 같이 상대적으로 전기전도도가 높은 물질이 차 있

는 경우 Rs의 값은 Rp에 비해서 매우 높은 값을 갖게 되며 Eq. (4)는 Eq. (5)와 같은 과정을 통해 Eq. (6)으로 표현될 수 있다.

1 0 Rs 

(5) 1 1 1

t c p

R R R

(6)

흙 시료가 염수와 같이 상대적으로 높은 전기전도도를 가진 간극수로 포화된 경우 흙 시료의 합성저항은 흙입자의 저항보다는 간극수의 저항과 흐름경로에 지배적인 영향을 받게 되는데, Archie(1942)는 염수로 포화된 흙에서의 전기 저항을 간극수의 저항(Rp)과 형상 비저항 계수(F)의 곱으로 표현하였다.

t p

R F R  (7)

그러나 저항의 경우 측정 전극의 기하학적 형상이나 연 결 방식에 영향을 받기 때문에(Jung et al., 2011) 지반에서 측정된 전기저항은 지반의 고유 특성을 나타낼 수 있는 전 기전도도로 환산되어야 한다. 전기저항(R)과 전기전도도(σ) 의 관계는 Eq. (8)과 같이 표현될 수 있다(Kim et al., 2009).

1

  R

(8)

여기서 α는 형상계수로 실험을 통하여 결정되며, R은 측정 된 저항, σ는 전기전도도를 의미한다. 본 논문에서는 Eq. (8) 과 같은 전기저항과 전기전도도의 관계로부터 실험을 통해 측정된 전기저항값을 전기전도도로 환산하여 나타내었다.

2.2 시간영역반사법과 전기전도도 관계

시간영역반사법은 케이블 및 전극을 타고 전달되는 전류 가 흐름경로에서의 임피던스 변화에 의해 반사되는 신호를 측정하는 방법이다. 이는 매질의 전류기작에 따라 변화하기 때문에 유전상수 및 전기전도도에 따라 달라진다. 일반적인 시간영역반사법의 신호는 Fig. 2와 같이 나타난다. 그래프 의 형태를 바탕으로 측정 프로브에서 반사되는 신호가 되돌 아오는데 걸리는 시간인 Δt를 계산하고 이를 이용하여 유전 상수를 산정할 수 있다(Fellner-Feldegg, 1969; Noborio, 2001).

시간영역반사법은 일반적으로 유전상수의 변화를 이용해 흙

Fig. 2. Typical waveform of time domain reflectometry

Fig. 3. Time domain reflectometry waveforms of sands depending on porewater condition

의 함수비를 산정하기 위해 이용되었으며(Benson & Bosscher, 1999; O’Connor & Dowding, 1999; Hong et al., 2015), Topp et al.(1980)은 유전율과 체적함수비의 관계를 이용한 경험 식을 제시한 바 있다.

Jones et al.(2002)는 시간영역반사법의 반사된 신호형태 를 이용하여 물질의 전기전도도(σ)를 산정하였으며, 본 연 구에서는 시간영역반사법으로 획득한 신호를 이용하여 전 기전도도의 변화를 관찰하고자 하였다. Giese & Tiemann (1975)는 시간영역반사법의 신호로부터 Eq. (9)과 같은 전 기전도도(σ)를 계산하는 식을 제안하였다.

0 0 0

[S/ m] 1

c f

c Z V L Z V

  ⎛ ⎞

  ⎜⎜⎝  ⎟⎟⎠ (9)

여기서, ε는 진공에서의 유전상수(8.9×10^-12 F/m)이며 c 는 진공에서 빛의 속도(2.998×10⁸m/s), L은 전극의 길이(m) 이다. Z0 및 Zc의 경우 전극의 특성 임피던스(Ω), 케이블의 출력 임피던스(Ω)를 나타낸다. V0는 입력전원의 최저 반사 값(-250mV)으로부터 초기값까지의 크기이며, Vf는 입력전

원의 최저 반사값으로부터 신호 수렴값까지의 크기이다.

매질의 전기전도도에 따른 신호형상을 Fig. 3에 나타내 었다. 시간영역반사법을 이용한 신호해석을 위해서는 매질 의 전기전도도가 낮아 전극에서 매질로의 전류전도 시 특성 임피던스의 차이에 의한 반사파가 발생하여야 한다. Fig. 3 의 dried sand와 saturated sand의 경우, 반사된 신호값이 증 가하는 모습을 볼 수 있다. 그러나 염수에서의 신호측정결 과는 Fig. 3의 saline saturated sand에서와 같이 신호가 반사 되지 않고 소산되기 때문에 그래프의 임피던스 수렴값이 아 래로 향하게 된다. Fujiyasu et al.(2004)는 전류가 소산되는 환경에서의 시간영역반사법 신호 획득을 위해 시간영역반 사법의 프로브를 절연재료로 코팅하여 사용하는 연구를 진 행하였으며, epoxy-ceramic, enamel paint 등의 절연재료를 이용하여 프로브 주변을 코팅하면 신호의 민감도는 다소 떨 어지지만 전류의 소산 없이 신호 획득 및 분석이 가능함을 보였다. 그러나 코팅된 프로브의 정확한 특성 임피던스는 산정이 어려우므로, Eq. (9)을 이용해 정확한 전기전도도가 아닌 상대적인 전기전도도를 Eq. (10)과 같은 방법으로 산 정할 수 있다.

[S/ m] 0 1

f

K V

 ⎛V ⎞

 ⎜⎜⎝  ⎟⎟⎠ (10)

여기서, K는 코팅된 프로브와 케이블에 대한 상수이며, V₀는 입력전원의 최저 반사값(-250mV)으로부터 초기값까 지의 크기, Vf는 입력전원의 최저 반사값으로부터 신호 수 렴값까지의 크기이다.

3. 실험구성

3.1 측정시스템

본 연구에서는 포화시료의 전기저항 및 시간영역반사법 의 신호획득을 위한 원통형 셀을 Fig. 4와 같이 제작하였다.

셀은 전기전도에 영향을 주지 않는 MC나일론 재질로 구성 하였으며, 시료를 조성하기 위한 셀의 내경은 75mm, 높이 는 70mm이다. 셀의 내부는 흙 시료가 채워지며 셀의 내외 부로는 물이 통과할 수 있도록 설계하였다.

셀의 측면에는 전기저항을 측정할 수 있는 원기둥 형태 (직경: 5mm, 높이: 10mm)의 스테인리스 강 재질의 전극 2 개를 설치하였고, 바닥면에는 시간영역반사법의 신호측정을 위한 사각기둥 형태(가로: 2mm, 세로: 2mm, 높이: 70mm) 의 스테인리스 강 재질의 전극 3개를 설치하였다. 전기저항

(a) (b)

Fig. 4. Cell incorporated with electrical resistance probe and time domain reflectometry: (a) Side view; (b) Top view

Table 1. Index properties of silica sand

Material properties Value

Specific gravity, G

2.63

Coefficient of uniformity, C

1.47 Coefficient of curvature, C

1.02

Maximum void ratio, e

0.95

Minimum void ratio, e

0.65

Soil classification by USCS

SP

*

USCS : Unified Soil Classification System.

**

SP : Poorly graded sandy soil.

은 LCR미터(U1733C, Agilent)를 이용하여 측정하였고, 측 정주파수는 100Hz, 120Hz, 1kHz, 10kHz 그리고 100kHz로 5개 대역을 사용하였다. 시간영역반사법의 경우 Reflectometer (HL1101, Hyperlabs)에 연결하여 측정하였으며 신호의 획 득 데이터 수는 256개로 중첩(stacking)을 통해 고주파수의 잡음을 제거한 신호가 측정되도록 하였다. 또한 시간영역반 사법은 주변 매질의 전기전도도가 높은 경우 전극을 따라 에너지 손실이 발생해 반사된 데이터의 획득이 어려우므로 (Kim et al., 1999; Fujiyasu et al., 2004) 전극을 우레탄으로 절연코팅 하였다.

3.2 시료조성

흙 시료는 인조규사 5호사(30번체 통과 60번체 잔류)를 사용하였으며 사용된 시료의 기본 물성값은 Table 1에 정리 하였다. 비중병 및 최대, 최소간극비 시험 결과 비중은 2.63, 최대간극비는 0.95, 최소간극비는 0.65로 산정되었다. 체가 름 시험을 통하여 산정한 균등계수 및 곡률계수는 각각 1.47 과 1.02로 얻어졌으며, 통일분류법으로 시료를 분류하였을

경우 SP로 나타났다. 사용된 시료는 전기적인 특성이 없는 규암을 파쇄한 규사이며, 염분 및 기타 오염물을 제거하기 위하여 세척한 뒤 오븐에 건조하여 사용하였다.

실험용액의 경우 염분과 납의 미소한 농도차이에 의해서 전기전도도가 변화하기 때문에 일정한 염분 농도에서 납 농 도를 조절할 수 있도록 하였다. 먼저 용액은 담수 및 염분의 농도가 1%(σ=15mS/cm), 2%(σ=29mS/cm), 3%(σ=42mS/cm) 로써 총 4가지이며 납 표준용액(1,000ppm)을 이용하여 용 액 내에서 납의 농도를 0mg/L, 0.5mg/L, 1mg/L, 2mg/L, 5mg/L 그리고 10mg/L로 총 6가지 농도가 되도록 하였다. 즉 4가 지 용액에 대해 6가지 납의 농도를 적용하여 총 24 케이스 에 대해 실험을 수행하였다. 담수에 염분을 첨가하여 염분 농도를 조절한 뒤 표준용액을 첨가해 납 농도를 조절하는 방식으로 용액을 조성하였다. 납 표준용액은 납이 물에 이 온화되어 액상으로 존재하기 때문에 각 실험용액의 염분 농 도에 맞게 표준용액에도 염분을 첨가하였다.

매 실험마다 시료를 동일한 조건으로 모사하기 위해 다 음과 같은 방법으로 셀 내부에 시료를 조성하였다. 먼저 측 정 셀의 표면까지 실험용액을 채운다. 실험 용액의 양은 전 도되는 전류의 양에 영향을 줄 수 있으므로 항상 일정하게 유지하여야 하며, 시료가 충분히 포화될 수 있는 양이어야 한다. 이후 시료가 충분히 포화될 수 있도록 셀 내부에 준비 된 규사를 수중강사법으로 조성하였으며, 매 실험마다 간극 비는 0.7로써 상대밀도 74%가 되도록 유지하였다. 또한 전 기전도도는 온도에 영향을 많이 받기 때문에(Sawyer et al., 1994; Abu-Hassanein et al., 1996; Oh et al., 2001) 실험 시 용액의 온도는 12±1℃로 유지하였다.

Fig. 5. Frequency sweeping result of resistance probe using HP 4192A low frequency impedance analyzer with the input signal of 1.0 V. σ denotes the electrical conductivity of electrolyte

Fig. 6. Relationship between electrical resistance and electrical conductivity at the operating frequency of 100 kHz

3.3 사용주파수 선정 및 캘리브레이션

전기저항 측정에 맞는 안정적인 주파수 대역을 찾기 위해 저주파수 임피던스 분석기(low frequency impedance analyzer) 를 이용한 주파수 스윕과 전기전도도계를 이용한 캘리브레 이션을 수행하였다. 임피던스 분석기를 이용하여 100Hz～

1MHz의 범위에서 주파수 스윕을 수행하였고, 실험결과를 Fig. 5에 도시하였다. Fig. 5와 같이 1kHz～100kHz 사이의 주파수 대역에서의 전기저항값이 안정적으로 검측되었다.

이와 같은 이유로 LCR미터의 측정 주파수는 1kHz, 10kHz 그리고 100kHz를 선정하였으며, 추가적으로 100Hz와 120Hz 까지의 주파수에서 저항을 측정하였다.

측정된 전기저항값은 측정 시 사용된 장비의 내부저항이 나 케이블, 전극의 형상 등에 영향을 받기 때문에 물질 자체 의 고유한 성질인 전기전도도로 환산이 되어야 한다. 이를 위해 셀에 각기 다른 저항의 용액을 조성한 뒤 저항을 측정 하였으며, 전기전도도계를 이용해 용액의 실제 전기전도도

를 측정하였다. 저항과 전기전도도 측정 결과로부터 100kHz에 서 전기저항과 전기전도도의 캘리브레이션 결과를 예시로 Fig. 6에 나타내었다. 측정대상이 되는 농도범위 안에서 캘 리브레이션을 수행하였으며, 결정계수(R²) 값이 약 0.95 이 상이 되도록 측정된 저항과 전기전도도의 환산식을 결정하 였다.

4. 실험결과

4.1 전기저항을 이용한 전기전도도

전기저항으로부터 환산된 전기전도도는 주파수 대역에 따라 차이를 보였기 때문에 저주파수 대역(100Hz, 120Hz) 과 고주파수 대역(1kHz, 10kHz, 100kHz)의 두 가지로 나누 어 표기하였다. 먼저 저주파수 대역(100Hz, 120Hz)에 대해 각 염분 농도별로 납의 농도 변화에 따른 전기전도도의 변 화 실험 결과를 Fig. 7에 도시하였다. 담수에서의 측정결과, Fig. 7(a)에 나타난 것과 같이 납의 농도가 증가함에 따라 두 주파수 모두에서 전기전도도가 증가하는 것으로 나타났 다. 그러나 염분 농도 1% 이상의 경우, Fig. 7(b)～(d)에서 와 같이 1mg/L 이하의 납은 전기전도도값에 큰 변화를 주 지 못하였으며, 2mg/L 이상의 농도에서만 전기전도도에 영 향을 주는 것으로 평가되었다. 또한 모든 농도의 염수조건 에서 납 농도가 높아질수록 전기전도도의 증가폭이 감소하 여 수렴하는 형태의 경향을 보였다.

고주파수 대역(1kHz, 10kHz, 100kHz)에 대해 각 염분 농 도별 납의 농도 변화에 따른 전기전도도의 변화를 측정하여 Fig. 8에 도시하였다. 1kHz의 경우 저주파수 대역에서의 결 과와 마찬가지로 담수에서는 Fig. 8(a)에서와 같이 납의 농 도가 증가할수록 전기전도도가 증가하는 경향을 나타내었 다. 그러나 10kHz와 100kHz의 경우 그래프의 증가폭이 크 지 않은 형태를 보였다. 염수에서의 측정결과인 Fig. 8(b)～

(d)를 보면 10kHz와 100kHz의 경우 납의 농도에 따른 전기 전도도 변화는 미미하지만, 1kHz의 경우는 납의 농도가 증 가함에 따라 전기전도도가 증가하는 것으로 나타났다.

저주파수 대역(100Hz, 120Hz)의 경우(Fig. 7), 납의 농도가 증가할수록 전기전도도의 차이는 뚜렷했으나 실험 수행 시 측정되는 저항값이 불안정한 경향이 있었다. 이는 Fig. 5에서 와 같은 주파수 스윕에서도 나타나는 현상으로 저주파수의 경우 전극의 산화·환원 작용에 기인하는 것이다(Santamarina et al., 2001). 고주파수 대역의 10kHz와 100kHz의 경우 저 주파수 대역에 비해 상대적으로 안정적인 전기전도도 값을 보이지만, 변화폭은 크지 않은 것으로 평가되었다. 1kHz의 경우는 고주파수 대역으로 분류하였지만, 저주파수와 고주

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 7. Electrical conductivity of saline saturated sand according to lead concentration at low frequency (100 Hz, 120 Hz): (a) Tap water;

(b) 1% saline water; (c) 2% saline water; (d) 3% saline water

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 8. Electrical conductivity of saline saturated sand according to lead concentration at high frequency (1 kHz, 10 kHz, 100 kHz): (a)

Tap water; (b) 1% saline water; (c) 2% saline water; (d) 3% saline water

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 10. Time domain reflectometry signal of saturated sand as lead concentration: (a) Tap water; (b) 1% saline water; (c) 2% saline water;

(d) 3% saline water

Fig. 9. Time domain reflectometry signals measured in saturated sands according to salinity

파수의 경계로서 납의 농도가 1mg/L보다 높은 경우에도 납 의 농도가 증가할수록 전기전도도가 지속적으로 증가하는 저주파수 대역에서의 특징을 나타내었다.

4.2 시간영역반사법을 이용한 전기전도도

염분 농도에 따른 시간영역반사법의 신호변화를 조사하 기 위하여 담수와 염분 농도 1%, 2%, 3% 용액에 대하여 실험을 수행하여 획득한 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 담수 의 경우 반사된 신호가 200mV 이상까지 증가했지만, 염분 농도가 증가함에 따라 반사되는 신호값은 점차 감소하며 2%

와 3% 염분 농도에서는 0mV 이상으로 반사파 신호가 증가 하지 않는 것으로 나타났다.

염분과 납 수용액의 농도를 조절하면서 측정한 시간영역 반사법 신호를 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 10(a)와 같이 담 수에서 시간영역반사법 신호의 형상은 납 수용액의 농도와 상관없이 유사하지만, 용액 내의 납 농도가 증가함에 따라 신호가 수렴하는 Vf값이 작아지는 경향을 보인다. 염분농도 가 1%인 경우, Fig. 10(b)에서와 같이, 시간영역반사법 신호 의 수렴값인 Vf가 가장 크게 측정되었으며, 납의 농도가 증 가함에 따라 Vf가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 1% 염분

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 11. Relative electrical conductivity value estimated by time domain reflectometry signal according to lead concentration: (a) Tap water;

(b) 1% saline water; (c) 2% saline water; (d) 3% saline water

Fig. 10(c)와 (d)의 염분 농도 2%와 3%의 경우 조성한 실험 용액의 전기전도도가 높기 때문에 반사된 신호의 Vf 값이 0mV 이상으로 증가하지는 않았지만, 용액 내 납의 농도가 증가할수록 신호의 수렴값인 Vf가 작아지는 결과를 보였다.

Fig. 10과 같이 측정된 시간영역반사법의 신호로부터 Eq.

(10)을 이용하여 전기전도도를 산정할 수 있다. Eq. (10)에 서 Κ는 진공상태의 유전율, 빛의 속도, 전극의 길이 등에 영향을 받는 값으로 본 실험에서는 고정된 상수값이므로 이 를 배제하면 획득된 신호를 이용하여 각 용액 간 그리고 납 의 농도 변화에 따른 상대적인 전기전도도로 나타낼 수 있 다. Eq. (10)에서 K를 1로 가정하여 환산한 상대적인 전기 전도도 값을 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11(a)와 같이 담수 용액의 경우, 납의 농도가 증가함 에 따라 전기전도도가 거의 선형적으로 증가하는 경향을 보 인다. 용액 내 납이 없는 경우인 0mg/L에 비해 납 농도가 1mg/L인 경우 전기전도도가 2% 정도만 크지만 납의 농도

가 증가함에 따라 전기전도도가 증가하며 납 농도 10mg/L 의 경우에는 전기전도도가 20%까지 증가한다. 염수 용액의 경우, Fig. 11(b)～(d)에서와 같이 납의 농도가 증가함에 따 라 상대적인 전기전도도가 초기에는 급격히 상승하지만, 점 점 증가폭이 감소하여 전기전도도가 수렴하는 경향을 보인 다. Fig. 11(b)를 보면 1% 염수의 경우 납이 없는 경우인 0mg/L와 비교하였을 때, 1mg/L의 납 농도에서 전기전도도 가 약 5% 정도 증가하며, 5mg/L의 경우 전기전도도는 12%

까지 증가하였다. 이후 10mg/L의 경우 전기전도도 값이 줄 어들었지만 납 농도에 따른 전기전도도는 수렴하는 경향을 보였다. 2% 염수의 경우는 Fig. 11(c)에서와 같이 납 농도 0mg/L와 비교하였을 때 1mg/L에서는 전기전도도가 3% 정 도 증가하고, 2mg/L 이상의 납 농도에서는 전기전도도가 6% 정도까지 증가하는 것으로 나타났다. 2% 염수 역시 1%

염수와 유사한 경향을 보이며 납의 농도가 증가하면서 전기 전도도가 점차 수렴하는 경향을 나타내었다. 3% 염수인 경 우, Fig. 11(d)와 같이 0mg/L의 경우에 비해 1mg/L의 납 농 도에서는 전기전도도가 5% 정도 증가되었으며, 10mg/L의 농도에서는 전기전도도가 8% 이상 증가하였다. 염분 농도

Fig. 12. Normalized relative electrical conductivity estimated by time domain reflectometry signal

3%의 경우도 납 농도에 따른 전기전도도는 전체적으로 수 렴하는 경향을 보였다.

5. 분석 및 토의

본 연구에서는 전기저항과 시간영역반사법의 신호를 측 정하여 담수와 염수조건으로 조성된 시료에서 납의 농도변 화에 따른 시료의 전기적 특성변화를 조사하였다. 전기저항 으로부터 산정한 전기전도도와 시간영역반사법의 신호로부 터 환산한 전기전도도를 이용하여 실험결과를 분석하였다.

5.1 전기저항을 이용한 전기전도도

저주파수 대역(100Hz, 120Hz)에서의 결과를 보면, 담수 의 경우 Fig. 7(a)와 같이 전기전도도는 납의 농도가 증가함 에 따라 증가하며 증분 또한 증가하는 것으로 나타났다.

Gondouin et al.(1957)에 의하면, 물에 전도성 물질이 용해 된 경우 용해된 물질의 농도와 저항은 반비례 관계를 갖기 때문에, 용해된 물질의 농도가 증가함에 따라 저항이 감소 하지만, 저항의 감소폭이 줄어들었기 때문으로 판단된다. 염 수용액의 경우 Fig. 7(b)～(d)에서와 같이 모든 염분 농도(1%, 2%, 3%)에 대해서 납 농도가 2mg/L까지는 측정의 오차가 있긴 하지만, 납 농도가 증가함에 따라 전기전도도가 증가 하며 납의 농도가 2mg/L 이상에서는 전기전도도가 증가하 지만 증분은 점차 감소하여 전기전도도는 수렴하게 된다.

고주파수 대역(1kHz, 10kHz, 100kHz)에서의 경우, 담수 에서는 Fig. 8(a)에서와 같이 납의 농도가 증가함에 따라 전 기전도도가 증가하는 경향을 보였으며, 염수에서는 Fig. 8(b)～

(d)에서와 같이 사용주파수 1kHz의 경우를 제외하고는 전기 전도도의 증가는 미미한 것으로 나타났다. 사용주파수가 1kHz 인 경우, 담수와 염수 모두에서 납의 농도가 증가함에 따라 전기전도도가 증가하는 것으로 나타났다. 저주파수와 고주파 수를 비교하면, 전기저항으로부터 납의 농도를 검측하기 위 해서는 사용주파수는 1kHz 정도가 적당함을 알 수 있다.

5.2 시간영역반사법을 이용한 전기전도도

Fig. 11(a)～(d)에 나타낸 시간영역반사법으로부터 환산 된 전기전도도를 염분과 납이 첨가되지 않은 경우(0mg/L) 를 기준으로 정규화하여 Fig. 12에 나타내었다. 즉, Fig. 12 는 시간영역반사법으로부터 환산된 상대적인 전기전도도를 담수의 경우에 대해 정규화한 것으로, 염분의 농도가 증가할 수록 모든 납의 농도에서 전기전도도가 증가함을 알 수 있 다. 또한 각 염분 농도별 전기전도도는 납의 농도가 증가함

에 따라 전반적으로 증가함을 볼 수 있다. 담수의 경우, 납의 농도가 10mg/L까지 증가할 경우 시간영역반사법으로 환산 한 전기전도도는 10% 이상 증가하는 것으로 나타났다. 또한 시간영역반사법은 염분이 존재하는 경우(1～3%)에도, 매우 낮은 납 농도(2mg/L 이하)에서도 납이 없는 0mg/L의 경우 에 비해 전기전도도가 4～5% 이상 증가하는 것으로 나타났 다. 그러나 납의 농도가 높아질수록 전기전도도의 증가가 감 소하므로, 이는 시간영역반사법이 고농도보다는 저농도의 중금속 오염을 검측하는데 효과적일 수 있음을 보여준다.

5.3 전기저항 및 시간영역반사법 비교

전기저항측정으로부터 산정한 전기전도도와 시간영역반 사법으로 산정한 전기전도도는 서로 다른 특징이 있으며 다 음과 같은 차이가 있는 것으로 나타났다. 먼저 전기저항으 로부터 산정된 전기전도도의 경우, 저주파수 대역에서 시료 내 납 농도 증가에 따른 전기전도도의 증가는 상대적으로 크게 나타났다. 그러나 Fig. 5의 주파수 스윕 결과에서 알 수 있듯이 저주파수 대역(100Hz, 120Hz)의 경우 불안정한 측정값을 가지며 일정 오차범위 내에서의 결과를 제시해주 므로, 납 농도 1mg/L 이하의 저농도 영역에서는 해상도가 높지 않은 결과를 보였다. 낮은 주파수에서의 경우 전극과 시료의 사이에서 일어나는 전하 축적으로 인한 분극현상이 일어나며, 전극과 시료에서의 산화·환원 반응은 전하 축적 을 감소시킨다(Klein & Santamarina, 1997). 이는 측정 전극 과 시료 사이의 임피던스를 변화시키며 저항측정값이 불안 정하게 되는 원인으로 판단된다. 1kHz를 제외한 고주파수 대역(10kHz, 100kHz)의 경우, 납의 농도변화에 따른 전기 전도도의 증가량이 미미하므로, 상대적으로 안정적이며 선 형적인 증가형태를 보이는 1kHz의 주파수에서는 고농도의 납을 검측할 수 있을 것이라 사료된다.

시간영역반사법의 경우 신호의 민감도는 매우 높아 1mg/L 정도의 낮은 납 농도에서도 전기전도도의 증가가 발생하였 다. 그러나 우레탄으로 코팅된 전극을 사용하였기 때문에, 고농도 영역에서의 해상도가 떨어지는 결과를 보였다. 또한 시간영역반사법의 경우, 유전상수와 같은 물질의 전기적인 특성 차이로 신호가 변화하기 때문에, 전기저항을 통하여 환산된 전기전도도에 비해 저농도의 납에서도 전기전도도 의 증가가 높은 것으로 평가되었다.

위의 결과를 종합적으로 분석하면 해양 및 해안지반의 중 금속 오염을 검측할 때, 시간영역반사법은 저농도에서도 중 금속의 누출여부를 조사하는데 활용될 수 있으며, 전기저항 은 중금속에 의한 오염여부를 판별하기 위해 활용될 수 있다.

이 두 방법을 동시에 이용한다면 염수환경에서의 중금속의 누출과 오염을 효과적으로 파악할 수 있을 것으로 사료된다.

6. 요약 및 결론

본 논문에서는 해상 처분장에서의 침출수를 검측하기 위 한 지반오염조사방법으로써 흙의 전기적 성질에 대한 연구 를 수행하였다. 전기저항으로부터 전기전도도를 산정하는 이론과 시간영역반사법의 신호로부터 전기전도도를 환산하 는 방법에 대하여 기술하였다. 또한 실험을 수행하기 위한 실험용 셀을 제작하였다. 셀의 하부에는 시간영역반사법의 신호를 측정하기 위한 사각기둥 형태(가로: 2mm, 세로: 2mm, 높이: 70mm)의 전극 3개가 설치되었으며, 측면부에는 전기 저항을 측정하기 위한 원기둥 형태(직경: 5mm, 높이: 10mm) 의 전극 2개가 설치되었다. 제작한 셀에 실험 용액을 염분 농도 0%, 1%, 2%, 3%에 대해 납 농도(0～10mg/L)를 혼합 한 뒤 용액 속에 모래를 수중강사 시켜 조성하였으며, 상대 밀도는 74%가 되도록 하였다. 조성한 시료에 대하여 전기 저항과 시간영역반사법의 신호를 측정하여 전기전도도로 환산하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 저주파수 대역(100Hz, 120Hz)에서의 저항측정으로부터 환산한 전기전도도는, 납의 농도가 증가함에 따라 전기 전도도가 증가하는 것으로 나타났다. 담수에서는 납의 농도가 0mg/L에서 10mg/L까지 증가함에 따라 전기전 도도가 계속 증가하였다. 해수에서는 납의 농도가 0mg/L 에서 2mg/L까지 증가함에 따라 전기전도도가 전반적으 로 증가하지만, 납의 농도가 2mg/L 이상에서는 전기전 도도의 증가는 미미하여, 전기전도도는 납의 농도가 증 가함에 따라 수렴하게 된다. 그러나 저주파수에서는 전 극의 산화·환원 반응과 분극현상으로 인해 저항측정값

을 불안정하게 하는 것으로 판단되었다. 고주파수 대역 (1kHz, 10kHz, 100kHz)의 경우, 사용주파수 1kHz에서 는, 납의 농도가 증가함에 따라 담수와 해수에서 모두 전기전도도가 증가하지만, 그 이상의 주파수에서는 전 기전도도의 증가는 미미한 것으로 나타났다. 저주파수 와 고주파수의 비교로부터, 전기저항을 이용하여 납의 농도변화를 조사하기 위해서는 사용주파수 1kHz 정도 가 타당함을 알 수 있다.

(2) 시간영역반사법으로부터 환산한 전기전도도의 경우 1mg/L 정도의 매우 낮은 납 농도에서도 납이 포함되지 않은 경우에 비해 전기전도도가 4～5% 증가하는 것으로 나 타났다. 시간영역반사법은 전기저항과 달리 물질의 유 전상수와 같은 특성 차이로도 신호가 변화하기 때문에 전기저항을 통해 환산된 전기전도도에 비해 저농도의 납에서도 전기전도도 증가가 높은 것으로 추정된다. 그 러나 납의 농도가 증가할수록 전기전도도의 증분이 감 소하며 점차 수렴하였다. 이는 시간영역반사법이 저농 도의 중금속을 검측하는데 효과적일 것으로 판단된다.

(3) 전기저항을 이용한 검측방법과 시간영역반사법을 이용 한 검측방법은 서로 다른 특징을 가지며 상호 보완적인 관계가 있는 것으로 나타났다. 먼저 전기저항은 1kHz 의 주파수가 저주파수 대역과 고주파수 대역의 장점을 모두 가진 주파수로 고농도의 중금속 오염을 검측하는 데 효과적임을 보였다. 시간영역반사법의 경우 저농도 의 중금속에서도 전기전도도의 변화가 발생하므로 저 농도의 중금속 누출을 평가하는 데 효과적임을 보였다.

전기저항과 시간영역반사법으로부터 환산된 전기전도 도의 특성을 종합하면, 저농도에서는 시간영역반사법 으로 환산된 전기전도도를 이용해 중금속의 누출여부 를 평가할 수 있으며, 고농도에서는 전기저항으로부터 산정된 전기전도도를 이용하여 중금속에 의한 오염여 부를 평가할 수 있을 것으로 사료된다.

감사의 글

이 논문은 2017년 해양수산부 재원으로 한국해양과학기 술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구(폐기물 해상 최종처 리 기술 개발)이며, 이에 감사드립니다.

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