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문제 정의
- 하지만 리오셀의 생분해성에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 리오셀의 생분해성을 비스코스레이온과 비교평가하고, 친수성과 결정화도 등의 요인과 관련지어 설명하고자 하였다.
- 본 연구에서는 비스코스 레이온과 리오셀을 시료로 하여 이들의 생분해성을 평가하고자 하였다. 결정화도와 친수성이 생분해성에 미치는 영향 살피기 위해 X-ray 회절 곡선을 이용해 결정화도를 계산하였고, 수분율을 측정 하였다.
- 시료를 셀룰라아제로 12시간 분해시킨후 분해용액의 총유기탄소량(TOC, Total Organic Carbon)을 통하여 분해성을 평가하고자 하였다. 짧은 시간에 실험을 진행시킬 수 있다는 장점을 갖고 있지만 실제 폐기시 일어나는 생분해의 거동과는 다소 차이를 보일 수 있다는 단점이 있다.
제안 방법
- 1>의 X-ray 회절곡선을 이용하여 simple indices를 통해 계산된 결정화도이다. 20 = 12°, 20°, 21.5° 부근의 101, 101, 002 평면의 회절 강도를 결정 영역을 대표하는 값으로 설정하고, 2θ= 20.5°에서 비결정 영역을 대표하는 회절 강도 값으로 설정하여 이 값들을 대입 하여 결정화도를 계산하였다.
- X-ray Diffractometer(M 18XHF22-SRA, Mac Science Co.)를 사용하여 40kV, 200mA의 조건하에서 scanning speed 5°/min으로 5°〜40°의 범위에서 2θ를 측정하여 시료의 회절 패턴으로부터 시료들의 결정화도를 계산하 였다.
- 본 연구에서는 비스코스 레이온과 리오셀을 시료로 하여 이들의 생분해성을 평가하고자 하였다. 결정화도와 친수성이 생분해성에 미치는 영향 살피기 위해 X-ray 회절 곡선을 이용해 결정화도를 계산하였고, 수분율을 측정 하였다. 토양매립법 , 활성 하수슬러지법 , 효소가수분해를 통하여 분해 거동을 살펴보았다.
- 생분해 전후의 시료의 형태 변화를 주사전자현미경 (JEOL, JSMT-200)과 카메라를 사용하여 기 록하였다.
- 하지만 무게변화로 생분해성 평가 하는 방법에 비해 비교적 간단하게 생분해성을 평가 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이 실험에서는 같은 조건으로 매립된 4개 이상의 시료의 인장강도를 평가 하여 그 중 오차 범위 안에 들어가는 4개의 값을 유효한 것으로 취하여 인장강도 소실율을 계산하였다.
- 활성하수슬 러지는 중랑천 하수처리사업소에서 채취하여 배양, 교반 후 침전시킨 상등액을 취하여 접종액으로 사용하였다. 이 장치를 통해 얻어진 이론적 이산화탄소 발생량에 대한 실제 이산화탄소 발생량의 백분율(%) 로 생분해도를 계산하였다.
- 결정화도와 친수성이 생분해성에 미치는 영향 살피기 위해 X-ray 회절 곡선을 이용해 결정화도를 계산하였고, 수분율을 측정 하였다. 토양매립법 , 활성 하수슬러지법 , 효소가수분해를 통하여 분해 거동을 살펴보았다. 이 들의 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- Enzyme: Trichodema viride로부터 얻은 'Cellulase' (C-1794, SIGMA-ALDRICH CHEMICAL CO.)를 사용하였다.
- 리오셀은 수산화나트륨(NaOH) 용액으로 정련된 것을 한일합섬으로부터 제공받아 사용하였다. 레이온은 시판 직물 두 종류를 10%(o.
- ASTM D 5209-92에 따라서 이산화탄소 제거장치와 이산화탄소 포집장치를 구성하였다. 활성하수슬 러지는 중랑천 하수처리사업소에서 채취하여 배양, 교반 후 침전시킨 상등액을 취하여 접종액으로 사용하였다. 이 장치를 통해 얻어진 이론적 이산화탄소 발생량에 대한 실제 이산화탄소 발생량의 백분율(%) 로 생분해도를 계산하였다.
데이터처리
- 생분해성에 영향을 미칠 것으로 추정되는 셀룰로스 섬유의 물성치와 본 연구를 통해 얻어진 실제 시료의 생분해도의 상관관계를 SPSS 통계분석 프로그램을 통해 상관관계 분석을 실시한 결과를에 나타내었다.
이론/모형
- control은 시료를 넣지 않고 완충용액과 효소용액을 사용하였다. 37℃의 항온기에서 소정시간 동안 분해시킨 후, 0.2 gm 의 멤브레인 필터로 분해용액을 여과하고 Jana 3000을 사용하여 NPOC(Non-Purgeable Organic Carbon)법으로, 여과된 수용액 중의 총유기탄소량(total organic carbon, TOC)을 측정 하였다.
- AATCC Technical Method 30-1993에 제시된 실험 방법을 참고하였으며 토양매립 시험 후 인장강도 소실율을 통하여 생분해성을 평가하였다.
- ASTM D 5209-92에 따라서 이산화탄소 제거장치와 이산화탄소 포집장치를 구성하였다. 활성하수슬 러지는 중랑천 하수처리사업소에서 채취하여 배양, 교반 후 침전시킨 상등액을 취하여 접종액으로 사용하였다.
- KS K 0220 오븐법에 준하여 수분율을 측정 하였다.
성능/효과
- 1. 토양매립법에서는 R-1 이 가장 높은 생분해도를 나타냈고 R-2, L-l, L-4, L-3, L-2의 순으로 나타났다. 현미경사진을 통해서도 이와 같은 결과를 알 수 있었으며 대부분의 시료에서 미생물이 많이 발생한 것이 관찰되었다.
- 2. 활성하수슬러지법의 결과는 1차 실험에서 R-1 >R-2>L-l>L-4>L-3>L-2의 순으로 2차시험에서 R-l>R-2>L-l>L-3>L-4>L-2의 순으로 나타났으며 분해 후의 사진에서는 시료들에 변색이 일어나고 구멍이 관찰되었다.
- 3. 효소가수분해에서는 R-l>R-2>L-2>L-l>L-4 >L-3의 순으로 나타났다. a-셀룰로스 함량이 낮은 L-2가 리오셀 중 가장 높은 생분해도를 보였다.
- 4. 생분해성에 영향을 미칠 것으로 추정되는 셀룰로오스 섬유의 물성치와 활성하수슬러지법, 효소가 수분해법 등의 실험을 통해 얻어진 실제 시료의 생분해도의 상관관계를 분석한 결과, 결정화도와 수분율이 생분해도와 가장 높은 상관관계를 나타내었다.
- 모든 시료들의 표면에서 많은 미생물로 인한 분해의 흔적을 확인할 수 있었다. 레이온의 경우 미생물이 섬유를 완전히 뒤덮고 있어 리오셀에 비해 분해가 더 많이 일어난 것을 알 수 있었고 이는 레이온이 리오셀보다 더 높은 인장강도 소실율을 보인 경향과도 일치한다.
- 69%로 가장 높은 결정화도를 나타냈고 L-4>L-2>L-l>R-2> R-1 의 순으로 나타났다. 리오셀 중에서는 DP가 높고, a-셀룰로스 함량이 큰 시료가 결정화도가 높은 것으로 나타 났다.
- 5>는 토양매립으로 인한 외관의 변화를 살펴보기 위하여 매립전의 시료와 48일 매립으로 분해된 시료를 주사전자현미경을 통하여 5000배율로 촬영한 사진이다. 모든 시료들의 표면에서 많은 미생물로 인한 분해의 흔적을 확인할 수 있었다. 레이온의 경우 미생물이 섬유를 완전히 뒤덮고 있어 리오셀에 비해 분해가 더 많이 일어난 것을 알 수 있었고 이는 레이온이 리오셀보다 더 높은 인장강도 소실율을 보인 경향과도 일치한다.
- 왼쪽이 분해전의 시료의 모습이고 오른쪽이 분해 후의 시료의 모습이다. 모든 시료들이 미생물들에 의해 변색된 것을 확인할 수 있으며 레이온에서는 시료에 구멍난 모습도 확인 할 수 있다. 활성하수슬러지법의 이산화탄소 정량에서 레이온이 리오셀에 비해 생분해가 많이 일어난 것을 확인할 수 있었는데 이는 사진에 나타난 시료의 구멍을 통해서 다시 한번 확인 할 수 있다.
- 생분해성에 영향을 미칠 것으로 추정되는 셀룰로스 섬유의 물성치와 본 연구를 통해 얻어진 실제 시료의 생분해도의 상관관계를 SPSS 통계분석 프로그램을 통해 상관관계 분석을 실시한 결과를<Table 2>에 나타내었다. 생분해성에 관계가 있을 것으로 추정 되는 리오셀과 비스코스 레이온 섬유의 물성은 a-셀 룰로스 함량, 중합도, 결정화도, 수분율 등이었으나 상관관계 분석 결과 결정화도와 수분율이 전반적인 시료의 생분해도에 가장 높은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 토양 매립에 의한 인장강도 소실율과 효소가수분해에 의한 TOC량의 상관관계에서는 중합도, 결정화도, 수분율 모두 높은 상관을 나타내었다.
- 이러한 이유로 인해 상대적으로 결정화도가 낮고 수분율이 높은 비스코스 레이온이 리오셀에 비해 생분해성이 좋다는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 제조공정에서는 무독성 용매인 NMMO를 사용하여 회수하는 리오셀이 비스코스 레이온보다 친환경적이지만 폐기공정에서 요구되는 생분해는 비스코스 레이온이 리오셀보다 유리하여 더 친환경적이라는 것을 확인할 수 있었다. 염색된 시료에서는 다른 경향을 보였으므로 염료나 첨가제의 존재가 직물의 생분해성에 미치는 영향에 대한 규명이 요구된다.
- 결정영역에 비해 조밀하지 않은 비결정영역의 구조적 특징으로 인해 생분해가 비결정영역에서 우선적이고 선택적으로 일어나며, 수분이 미생물이나 효소의 접근성과 활동성에 큰 영향을 미치기 때문으로 생각된다. 이러한 이유로 인해 상대적으로 결정화도가 낮고 수분율이 높은 비스코스 레이온이 리오셀에 비해 생분해성이 좋다는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 제조공정에서는 무독성 용매인 NMMO를 사용하여 회수하는 리오셀이 비스코스 레이온보다 친환경적이지만 폐기공정에서 요구되는 생분해는 비스코스 레이온이 리오셀보다 유리하여 더 친환경적이라는 것을 확인할 수 있었다.
- 이상의 결과를 토대로 레이온과 리오셀을 시료로 한 본 연구에서는 토양매립법, 활성하수슬러지법, 효소가수분해 통해 결정화는 낮을수록 수분율은 높을수록 생분해에 유리하다는 알 수 있었다. 결정영역에 비해 조밀하지 않은 비결정영역의 구조적 특징으로 인해 생분해가 비결정영역에서 우선적이고 선택적으로 일어나며, 수분이 미생물이나 효소의 접근성과 활동성에 큰 영향을 미치기 때문으로 생각된다.
- 전체적으로 리오셀이 레이온보다 현저하게 높은 결정화도를 나타내었다. L-3이 43.
- 토양매립법의 결과와 마찬가지로 전반적으로 레이온이 리오셀보다 생분해도가 높게 나타났다. 레이온이 리오셀에 비해 결정화도는 낮고 수분율이 높다는 것이 이 결과에 영향을 미친 것으로 생각된다.
- 생분해성에 관계가 있을 것으로 추정 되는 리오셀과 비스코스 레이온 섬유의 물성은 a-셀 룰로스 함량, 중합도, 결정화도, 수분율 등이었으나 상관관계 분석 결과 결정화도와 수분율이 전반적인 시료의 생분해도에 가장 높은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히 토양 매립에 의한 인장강도 소실율과 효소가수분해에 의한 TOC량의 상관관계에서는 중합도, 결정화도, 수분율 모두 높은 상관을 나타내었다. 효소가수분해 실험 결과 리오셀 시료간의 생분해성 차이는 a-셀룰로스 함량 차이에 의한 것으로 사료되 었으나 실험에서 사용된 시료 전체의 결과는 a-셀룰 로오스 함량과의 상관 계수가 다소 낮게 나타났다.
- 모든 시료들이 미생물들에 의해 변색된 것을 확인할 수 있으며 레이온에서는 시료에 구멍난 모습도 확인 할 수 있다. 활성하수슬러지법의 이산화탄소 정량에서 레이온이 리오셀에 비해 생분해가 많이 일어난 것을 확인할 수 있었는데 이는 사진에 나타난 시료의 구멍을 통해서 다시 한번 확인 할 수 있다.
- 특히 토양 매립에 의한 인장강도 소실율과 효소가수분해에 의한 TOC량의 상관관계에서는 중합도, 결정화도, 수분율 모두 높은 상관을 나타내었다. 효소가수분해 실험 결과 리오셀 시료간의 생분해성 차이는 a-셀룰로스 함량 차이에 의한 것으로 사료되 었으나 실험에서 사용된 시료 전체의 결과는 a-셀룰 로오스 함량과의 상관 계수가 다소 낮게 나타났다.
후속연구
- 염색된 시료에서는 다른 경향을 보였으므로 염료나 첨가제의 존재가 직물의 생분해성에 미치는 영향에 대한 규명이 요구된다. 또, 좀 더 다양한 범위로 a-셀룰로스를 함유한 시료의 물성실험과 생분해실험이 동시에 이루어진다면 적절한 내구성을 지니면서 생분해에도 유리한 a-셀룰로스 함량을 밝힐 수 있으리라 기대된다.
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