토양환경기술사시험자료집 - 지하수일반/지하수오염 및 정화(11)

※ 지하수에 용존하는 용질(용해상오염물질)의 이동기작

 

1. 확산(Diffusion)

      (1) 정의

             1) 농도(분압)의 평형작용

             2) 농도차이(농도구배)에 의한 용질의 이동

             3) 고농도에서 저농도로 이동하여 평형을 이루게 됨

                 (참고)

                  식물뿌리와 확산작용

                  (확산작용은 토양에서 뿌리로 산소와 양분을 공급하는 주요 기작 중 하나이다)

                    1) 집단류(동)(Mass Flow)

                           물질 수송 유형에서 확산과 대비되는 개념으로 토양에서는 토양용액 또는 공기

                           등의 상변화 없는 물질 전체의 이동유형에 해당된다. 칼슘, 마그네슘, 질소 등은

                           집단류(동)에 의해 공급된다.

                    2) 뿌리차단

                    3) 확산 : 집단류와 뿌리차단으로 양분이 공급되어 뿌리 근처에 농도구배가 발생하면 

                                 확산으로 양분이 공급된다. 인산과 칼륨 등은 확산에 의해 공급된다.

      (2) Fick의 제1법칙(정상류)

           (확산방정식)

           용질의 확산이 일어나는 방향에 수직인 단위면적을 통하여 단위시간당 확산하는 용질의 양은

           그 지점에서 농도(분압)의 기울기에 비례한다는 법칙을 설명하는 방정식.

             F = - D × dC/dx 

                                       F : 단위시간, 단위면적 당 용질흐름율(질량/면적/시간)

                                       D : 확산계수(㎠/sec) (면적/시간)

                                       C : 용질농도(mol/㎤) (질량/부피)

                                        x : 확산방향으로의 거리(㎝)

                                       dC/dx  : 농도구배

      (3) Fick의 제2법칙(부정류)

           dC/dt = - D × d2C/dx2

 

2. 이송[이류(Advection)]

      (1) 정의

             1) 용질이 지하수의 유동에 따라 운반되는 과정

             2) 압력구배(수리경사)에 의한 용질의 이동으로서, 지하수흐름속도는 Darcy의 법칙이

                 적용된다.

      (2) Darcy에 의한 흐름속도

             vx = -K/ne × dh/dl

                                           vx : 평균선속도

                                            K : 수리전도도

                                           ne : 유효공극율

                                                 (서로 연결되어 있는 공극의 부피 / 토양이나 암석의 전체 부피)

                                           dh/dl : 수두구배

 

3. 분산(Dispersion)   ↔  응집

      (1) 정의

             1) 용질이 다공질 기질을 통해 이동하면서 희석(용질이 분산매 중에서 균일하게 흩어져

                 안정된 상태)되어 그 농도가 낮아지는 것.

             2) 흡착 등 물리적, 화학적반응에 의해 용질이동이 지연되어 용질이 이송의 속도만큼 빨리

                 이동하지 못함 → 지연효과(Retardation)

 

      (2) 종류

             1) 기계적분산

                                기계적분산계수 = aL × vx

                                                                         aL : 동력학적 분산도

                                                                          vx : 평균선속도

                      - 종분산

                              (종분산의 요인)

                               - 공극내 마찰크기의 차이 : 공극의 중심부에서 흐르는 유체가 더 빨리 흐른다.

                               - 경로크기의 차이 : 유체의 일부가 더 긴 이동경로를 갖는다.

                               - 공극크기의 차이 : 큰 공극을 흐르는 유체가 더 빨리 흐른다.

                                     종분산계수  DL =  aLvx +  D*   (D* : 분자확산계수)   

                      - 횡분산

             2) 수리동력학적분산(Hydrodynamic Dispersion)

                    지하수환경내에 유입된 오염물질은 이류에 의한 지하수동수구배에 따라 흐를

                    것이라고 예상되는 이동경로로부터 이탈하여 분산 및 확산되는 경우가 있는데,

                    이를 수리(동력학적)분산이라 한다. 

                          수리동력학적 분산 = 분자확산 + 기계적분산  (Dh = Dd + Dm)