Experimental Study on Release of Plastic Particles from Coastal Sediments into Water Body

Abstract

The increasing global plastic production and indiscreet use of these products lead to aggravation of plastic pollution which is regarded as the main destroyer of the marine ecosystem. Millions of tons of them are dumped into the oceans, and they can now be found in every ocean in the world. As it shows the seriousness of environmental pollution, serval related studies are currently underway. However, most of them are for studying the real condition of the pollution in the marine environments, and there are few studies on transport of plastics in near-shores and coastal areas. Nevertheless, physical basis of plastic behavior therein has to be studied to resolve the problems, because they experience interactions with various factors, such as waves, winds, sands, human activities, etc. in coastal regions. Accordingly, this study focused on investigation of release of the plastic particles from coastal sediments into fluids by carrying out a set of experiments.

To reach the purpose, an oscillating water tunnel was newly designed and built at Seoul National University that is a kind of u-tubed closed conduit. An actuator drives a bidirectional piston that can generate an oscillatory motion instantaneously. The generated flow is uniform in the x-direction with no vertical velocity component, and it can have a high Reynolds number. Moreover, it can generate sediment transport with a detachable sediment basin in the middle of the bottom part of the tunnel. Thus, the experimental cases consist of different 14 flow conditions and 3 plastic particle sizes.

As a result, bedform change played an important role in the release of the particles. Consequently, the threshold value for sediment transport and release could be estimated by expressing the Reynolds number and the sand mobility number. In this study condition, it was as Re_cr=5.5×10^4 and ψ_cr=7.25. As the bedform changes above the critical value, particles in sediments will be released into water body. Also, the flow with the larger Reynolds number results in more releases. The effect of the particle size on the release was studied as well. It showed that the smaller plastics have a higher probability of release than the larger ones. In conclusion, this study can contribute to solving marine plastic pollution by offering an understanding of the relation between the flows, the sediments, and the plastics.

1970년대 이후로 급증한 플라스틱 사용량은 플라스틱 환경 오염을 가속화하였으며, 이로 인한 해안해양 환경으로의 플라스틱 유출이 지속적으로 발생하고 있다. 이 환경 오염 심각성은 전세계 곳곳에서 발견되고 있는 플라스틱으로 인해 2000년 후반부터 인지되고 많은 관심을 받으며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다. 육지에서 배출된 대부분의 플라스틱 폐기물은 해안 환경으로 유입되어 장기간 체류하게 된다. 그 과정에서 플라스틱들은 다양한 요인과의 상호작용을 통하여 물리적화학적 반응을 하게 된다. 이러한 반응은 플라스틱 폐기물을 더 작아지게 만들고, 작아진 플라스틱 조각들은 해안에 퇴적되거나 해양으로 유출됨으로써 관리 및 처리함에 있어 많은 어려움을 야기한다. 해안 지역에서 발생하는 여러 요인들과 플라스틱 간 상호작용의 이해가 중요함에도 불구하고, 현재 이루어지고 있는 해안해양 환경 내 플라스틱 관련 연구는 얼마나 플라스틱으로 인해 해양이 오염됐는지를 보여주는 오염도 보고 연구가 대부분의 비중을 차지하고 있다. 더불어, 환경 내 플라스틱의 물리적 거동과 관련된 기초 연구가 필요하다. 이에 따라, 이러한 연구 배경 및 필요성을 가지고 본 연구는 해안 환경 내 플라스틱의 거동을 파악하고자 진행되었다. 특히, 해안 유사 내부에 분포되어 있는 플라스틱 입자가 수체로 방출되어지는 과정에서 드러나게 되는 특성을 실험을 통하여 알아보고자 하였다. 해당 연구의 목적을 달성하기 위하여 해안 왕복흐름과 유사 이동을 실험실 규모에서 구현하기 위하여 왕복흐름발생장치를 설계 및 구축하였으며, 이렇게 구현한 흐름의 레이놀즈 수와 플라스틱 입자의 크기를 매개변수로 하여 이에 따른 입자의 방출 특성을 분석하였다.

왕복흐름발생장치는 서울대학교 해안공학연구실에 구축되었으며, 또한 설계한 실험 모두 수행되었다. 그 결과, 흐름이 유사에 전달하는 에너지로 인하여 발생하게 되는 하상 변화가 플라스틱 입자 방출에 가장 큰 역할을 한다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 하상 변화에 관한 임계값과 입자의 방출에 관한 임계값은 동일하게 보고, 본 실험 조건 하에 산정된 값은 대략 Re_cr=5.5×10^4, ψ_cr=7.25, 또는 Fr_cr=2.69이다. 즉, 해당 임계값을 초과하는 조건에서 하상이 변화하게 될 것이고, 그에 따라 유사 내부에 있는 플라스틱 입자가 수체로 방출될 것이다. 흐름 레이놀즈 수가 커질수록 하상 변화가 더욱 적극적으로 발생하게 되고 그에 따른 입자 방출 또한 많이 발생하게 되는 것을 실험을 통해 관찰하였다. 더불어, 입자의 크기와 플라스틱 입자의 방출 간의 인과관계를 찾을 수 있었다. 실험에서 사용된 입자의 크기는 3 mm, 6 mm, 8 mm로 총 세가지이며, 입자의 크기가 작을수록 큰 입자의 비하여 방출에 있어서 더 유리하다는 것을 알 수 있었다. 이와 같이, 실험을 통하여 플라스틱 입자의 방출되는 과정에서 알 수 있는 특성들을 파악 및 분석하였다. 이렇게 밝혀진 해안 내 플라스틱 입자의 거동 특성은 해안해양 플라스틱 오염 문제와 관련된 기초 연구로써 해당 문제 해결에 기여될 수 있을 것이다.