Improvement of Fluid Penetration Efficiency in Soil Using Plasma Blasting

Plasma blasting by high voltage arc discharge were performed in laboratory-scale soil samples to investigate the fluid penetration efficiency. A plasma blasting device with a large-capacity capacitor and columnar soil samples with a diameter of 80 cm and a height of 60 cm were prepared. Columnar soil samples consist of seven A-samples mixed with sand and silt by ratio of 7:3 and three B-samples by ratio of 9:1. When fluid was injected into A-sample by pressure without plasma blasting, fluid penetrated into soil only near around the borehole, and penetration area ratio was less than 5%. Fluid was injected by plasma blasting with three different discharge energies of 1 kJ, 4 kJ and 9 kJ. When plasma blasting was performed once in the A-samples, penetration area ratios of the fluid were 16-25%. Penetration area ratios were 30-48% when blastings were executed five times consecutively. The largest penetration area by plasma blasting was 9.6 times larger than that by fluid injection by pressure. This indicates that the higher discharge energy of plasma blasting and the more numbers of blasting are, the larger are fluid penetration areas. When five consecutive plasma blasting were carried out in B-sample, fluid penetration area ratios were 33-59%. Penetration areas into B-samples were 1.1-1.4 times larger than those in A-samples when test conditions were the same, indicating that the higher permeability of soil is, the larger is fluid penetration area. The fluid penetration radius was calculated to figure out fluid penetration volume. When the fluid was injected by pressure, the penetration radius was 9 cm. Whereas, the penetration radius was 27-30 cm when blasting were performed 5 times with energy of 9 kJ. The radius increased up to 333% by plasma blasting. All these results indicate that cleaning agent penetrates further and remediation efficiency of contaminated soil will be improved if plasma blasting technology is applied to in situ cleaning of contaminated soil with low permeability.

플라즈마 발파를 이용한 토양 내 유체의 침투 효율 개선

고전압 아크 방전에 의한 플라즈마 발파의 유체 침투 효율을 검증하기 위해 실험실 규모의 토사 시료에 대하여 발파 시험을 실시하였다. 이 연구를 위해 대용량 축전기가 포함된 플라즈마 발파 장치와 직경 80 cm, 높이 60 cm 크기의 컬럼형 토사 시료를 제작하였다. 토사 시료로는 사질토와 실트를 7:3 비율로 섞은 A 시료 7개와 9:1 비율로 섞은 B 시료 3개가 제작되었다. A 시료에 플라즈마 발파 없이 수압만으로 유체를 주입했을 때는 시추공 주변으로 국소적인 침투만 발생되었고 침투면적비는 5% 이하로 분석되었다. 플라즈마 발파에 의한 유체 침투 시험은 1 kJ, 4 kJ 그리고 9 kJ의 방전 에너지로 실시되었다. A 시료에 대한 플라즈마 발파 시험에서 유체의 침투면적비는 1회만 발파하였을 때는 16~25%이고 5회 연속 발파 시에는 30~48%로 분석되어, 수압만으로 유체를 주입했을 때보다 침투면적이 최대 9.6배까지 넓어졌다. B 시료에 대한 5회 연속 플라즈마 발파 시험에서 유체의 침투면적비는 33~59%로 분석되어 동일 조건의 A 시료 시험에 비해 침투면적이 1.1~1.4배 정도 넓어졌다. 이러한 결과는 플라즈마 발파 시에 방전 에너지가 클수록, 발파 횟수가 증가할 수록 유체의 침투면적이 증가하며, 투수성이 큰 토양에서 플라즈마 발파가 더욱 효과적임을 보여준다. 유체 침투 효과를 삼차원적인 부피로 분석하기 위해 유체 침투반경을 계산하였다. 수압으로만 유체를 주입했을 때의 침투반경은 9 cm인 반면에, 9 kJ의 에너지로 5회 발파 시에는 침투반경이 27~30 cm로 계산되어 유체 침투 효과가 최대 333%까지 증가되었다. 이러한 연구결과는 투수성이 낮은 실제 오염토양에서 원위치 토양 세정을 실시할 때 플라즈마 발파 기술을 적용하면, 세정제의 전달범위가 증가되어 정화효율이 개선될 수 있다는 것을 보여준다.