Enhanced Migration of Gasohol Fuels in Clay Soils and Sediments

Gasoline-ethanol(Gasohol)혼합액의 점토층 내 이동에 대한 연구

Clay soils typically have low hydraulic conductivities in the presence of high polarity pore fluid, such as water. Low polarity fluids, such as hydrocarbon fuels and halogenated organic solvents, typically cannot migrate into clay pores because they cannot displace the pore water. Oxygenated additives in gasoline, such as alcohols and methyl-tert-butyl ether, are increasingly used to control air pollution emissions. These relatively polar and highly water-soluble compounds may facilitate displacement of pore water and enhance migration of fuels and solvents through clay-rich soil strata. In the reported research, the migration of gasoline-alcohol fuel mixtures (gasohol) through consolidated clay was examined. Prepared kaolinite clay samples were consolidated from slurry, and various combinations of gasoline, alcohol, and water were applied to the clays under 152 Pa gauge pressure. Movement of the fluids into the clay samples was monitored by measur ing displaced pore fluid and by magnetic resonance imaging of the samples. The structures of selected samples were examined using environmental scanning electron microscopy. Results of the research suggest that alcohol added to hydrocarbon fuels can enhance migration through some clays significantly. Gasoline did not migrate appreciably into water saturated clay, even after 14 days under pressure. The gasohol mixture migrated readily into the clay in only 20 minutes. Increased hydraulic conductivity of the clay in the presence of gasohol is hypothesized to be due to the collapse of the clays pore structure when ethanol is present, creating larger pores. Increasing pore diameter decreases the capillary pressure needed for the gasohol to replace water and allows gasohol to migrate through the clay.

점토는 물과 같이 극성이 큰 유체가 존재할 때 매우 낯은 투수계수를 갖게된다. 따라서 극성이 매우 낮은 탄화수소계연료나 할로겐화 유기용제등은 간극수(pore water)를 밀어내지 못하기 때문에 점토공극내로 이동할 수 없다. 최근들어 대기오염 저감대책의 하나로 알콜이나 MTBE(methyl-tert-butyl ether)등과 같은 가솔린 산소첨가제의 사용량이 늘어나고 있는 추세에 있다. 이들 산소첨가제는 극성을 띠고 있으며 물에 대한 용해도가 매우 높기 때문에 간극수를 교체하여 가솔린이나 유기용제등의 점토층내 이동을 촉진시킬 가능성을 갖고 있다. 본 연구에서는 가솔린-알콜 혼합연료(gasohol)의 압밀점토층 내에서의 이동을 실험적으로 살펴보았다. 카올린슬러리를 압밀시켜 제조한 점토층에 가솔린, 알콜, 그리고 물의 혼합액을 152 Pa하에서 접촉시켰다. 점토층내로의 유체이동은 교체된 간극유체유량을 측정함으로써, 그리고 현상학적인 관찰은 핵자기 공명상(magnetic resonance image; MRI)을 측정해봄으로 추적하였다. 또한 점토시료의 구조는 environmental scanning electron microscopy (ESEM)를 이용하여 분석하였다. 연구결과를 볼 때 가솔린만 존재시 접촉 14일 이후에도 물로 포화된 점토층내로 가솔린이 이동하지 못한 반면 gasohol 혼합체는 접촉후 단 20분이내에 점토층을 완전 통과하여 탄화수소계연료에 첨가된 알콜이 점토층내로의 이동을 한층 강화하는 것으로 나타났다. Gasohol과 접촉시 이러한 점토의 투수계수 증가는 알콜로 인해 점토의 공극구조가 붕괴되어 더 큰 공극을 형성시켰기 때문인 것으로 판단되었다. 또한 공극직경(pore diameter)이 증가함으로 gasohol이 간극수를 교체하는데 필요한 모세압력이 감소되어 gasohol이 쉽게 점토증을 이동하게 되는 것이다.