부식철편에 있어서 철환원능력을 갖춘 세균의 활동에 의한 부식생성물의 변화 A Study on the Change of the Corrosion Products by the Activity of Iron Reducing Bacteria for Corrosion Carbon Steel원문보기
토양 중에 존재하는 철환원능력을 갖춘 세균은 철제유물의 부식생성물을 에너지원으로 이용할 수 있다. 이러한 세균의 활동은 부식생성물의 변화를 초래하여 유물의 부식을 촉진시키는 부식생성물의 판단을 어렵게 할 수 있다. 본 연구의 목적은 철환원세균이 부식생성물에 일으키는 변화를 조사하여, 철제유물의 부식에 관한 이해를 높이고자 한다. 실험은 출토철제유물을 재현하기 위해서 부식촉진인자 중에서 가용성염류(염화물이온, 황산이온)를 이용하여 부식시킨 철편을 준비하였다. 이 부식철편을 세균이 존재하는 배지에서 42일간 배양하였다. 실험 후, 부식철편의 부식생성물은 SEM, EDS, XRD를 이용하여 관찰, 분석을 실시하였다. 관찰결과, 부식철편이 세균의 활동으로 인해 녹색으로 변화하였으며 부식철편에 판상 결정과 마름모꼴 결정이 새롭게 생성된 사실을 알게 되었다.
토양 중에 존재하는 철환원능력을 갖춘 세균은 철제유물의 부식생성물을 에너지원으로 이용할 수 있다. 이러한 세균의 활동은 부식생성물의 변화를 초래하여 유물의 부식을 촉진시키는 부식생성물의 판단을 어렵게 할 수 있다. 본 연구의 목적은 철환원세균이 부식생성물에 일으키는 변화를 조사하여, 철제유물의 부식에 관한 이해를 높이고자 한다. 실험은 출토철제유물을 재현하기 위해서 부식촉진인자 중에서 가용성염류(염화물이온, 황산이온)를 이용하여 부식시킨 철편을 준비하였다. 이 부식철편을 세균이 존재하는 배지에서 42일간 배양하였다. 실험 후, 부식철편의 부식생성물은 SEM, EDS, XRD를 이용하여 관찰, 분석을 실시하였다. 관찰결과, 부식철편이 세균의 활동으로 인해 녹색으로 변화하였으며 부식철편에 판상 결정과 마름모꼴 결정이 새롭게 생성된 사실을 알게 되었다.
Bacteria with ability for iron reduction in the soil can use corrosion products of iron remains as energy source. The activities of this bacteria cause the change of corrosion products. As a result, it can be difficult to identify corrosion products promoting corrosion of iron remains. The purpose o...
Bacteria with ability for iron reduction in the soil can use corrosion products of iron remains as energy source. The activities of this bacteria cause the change of corrosion products. As a result, it can be difficult to identify corrosion products promoting corrosion of iron remains. The purpose of this study, is to investigate the change in corrosion products that bacteria causes and to improve understanding about the corrosion of iron remains. To simulate corroded condition of excavated iron remains, carbon steel corroded by solution of NaCl and $Na_2SO_4$ was prepared. Then the prepared carbon steel was immersed in a liquid medium with bacteria. The incubation period was 42days. After experiment, the carbon steel was analyzed by SEM-EDS, X-ray diffraction method. The result is that the carbon was changed to green because of activity of bacteria and that the plate crystal and lozenge crystal were generated on the corrosion specimen. Also, we confirmed that the activities of bacteria differenciated colors and forms of corrosion products.
Bacteria with ability for iron reduction in the soil can use corrosion products of iron remains as energy source. The activities of this bacteria cause the change of corrosion products. As a result, it can be difficult to identify corrosion products promoting corrosion of iron remains. The purpose of this study, is to investigate the change in corrosion products that bacteria causes and to improve understanding about the corrosion of iron remains. To simulate corroded condition of excavated iron remains, carbon steel corroded by solution of NaCl and $Na_2SO_4$ was prepared. Then the prepared carbon steel was immersed in a liquid medium with bacteria. The incubation period was 42days. After experiment, the carbon steel was analyzed by SEM-EDS, X-ray diffraction method. The result is that the carbon was changed to green because of activity of bacteria and that the plate crystal and lozenge crystal were generated on the corrosion specimen. Also, we confirmed that the activities of bacteria differenciated colors and forms of corrosion products.
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문제 정의
예를 들어, Fe(Ⅲ)부식생성물 중에서 β‐FeOOH은 생성과정에서 염화물이온이 관여하며 그 이온은 철제 유물의 부식을 촉진시키는 원인으로 알려져 있다6 . 따라서, 염화물이온에 의해 생성되는 부식생성물의 색상과 형상에 관한 특징은 유물의 부식상태를 파악할 수 있는 정보를 제공해준다. 하지만 이러한 부식생성물이 매장환경에 존재하는 세균과 같은 다른 부식인자의 영향을 받을 경우, 그 색상과 형상의 변화에 관해 조사한 연구가 드물기 때문에 유물의 부식상태를 판단하기가 어려워진다.
이러한 연구를 통하여 세균이 가용성 염류의 부식생성물의 색상과 형상에 일으키는 변화를 관찰하고, 철제유물에서 세균의 활동을 파악할 수 있는 정보를 제공한다. 또한 세균이 생성하는 부식생성물의 EDS, XRD 분석으로 생성물의 형성과정을 유추하여 유물이 그 생성물의 형성에 관여하는 요인을 확인하고자 한다.
본 논문에서는 철환원세균이 부식생성물에 일으키는 변화를 조사하여, 철제유물의 부식에 관한 이해를 높일 수있도록 하기 위해서 가용성 염류로 부식시킨 철편을 철환원세균이 존재하는 배지에서 배양하였다. 배양 후, 부식생성물의 관찰, 분석을 통해서 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구의 목적은, 철환원세균이 부식생성물에 일으키는 변화를 조사하여, 철제유물의 부식에 관한 이해를 높이고자 한다. 연구목적에 따라서 철제유물의 부식촉진인자 중에서 가용성염류인 염화물이온, 황산이온으로 부식시킨 철편을 철환원능력을 갖춘 세균(이하 철환원세균으로 칭함) 이 존재하는 배지에서 배양하였다.
특히, 금속공학 분야에서는철, 스테인레스, 동 등과 같은 순수한 금속재료가 세균의 영향으로 인해 발생하는 부식에 관한 연구가 이루어지고 있다1,2,3,4,5. 이러한 연구 성과로 금속 철에 있어서 세균이 발생시키는 부식 메커니즘에 관한 정보를 얻을 수 있다. 한편 문화재 보존과학분야에서 철제유물은 수백 년 이상 토양 속에서 매장되어 부식이 진행 되어있는 상태이다.
연구목적에 따라서 철제유물의 부식촉진인자 중에서 가용성염류인 염화물이온, 황산이온으로 부식시킨 철편을 철환원능력을 갖춘 세균(이하 철환원세균으로 칭함) 이 존재하는 배지에서 배양하였다. 이러한 연구를 통하여 세균이 가용성 염류의 부식생성물의 색상과 형상에 일으키는 변화를 관찰하고, 철제유물에서 세균의 활동을 파악할 수 있는 정보를 제공한다. 또한 세균이 생성하는 부식생성물의 EDS, XRD 분석으로 생성물의 형성과정을 유추하여 유물이 그 생성물의 형성에 관여하는 요인을 확인하고자 한다.
제안 방법
분석조건은 전압 20kV 이다. X선 회절 분석기(XRD; (株)リガク製 RINT-2100)로 부식생성물을 조사하였으며, 분석 시 Target은 Cu를 사용하였고 분석조건은 전압 40kV, 전류 20mA 이다.
5mm 이다. 또한 부식생성물의 원소를 알아보기 위해서 에너지 분산형 X선 형광 분광기(EDS;(株)明石製作所製 DS-130)로 분석을 실시하였다. 분석조건은 전압 20kV 이다.
일본원자력연구소 주변의 토양을 채취하여 액체배지인 철환원세균 배지에서 철환원세균을 배양하였다. 배양 후, 철환원세균이 존재하는 배지 10mL에 Bipyri-dine용액 0.1mL 을 첨가하여 Absorption Spectrophoto Meter(540nm) 으로 세균의 철 환원능력을 확인하였다.
배양조건은 30℃ 의 항온기에서 42일간이다. 비교시료로서 세균이 존재하지 않는 실험을 실시하기 위해서, VIAL용기에 배지 30mL 을 넣은 후에 부식철편을 첨가하였다. 배양조건은 철환원 세균이 존재하는 배지에서의 실험조건과 동일하다.
실험 중에 철환원세균 이외의 세균에 의한 영향을 억제하기 위해서, 실험 작업은 무균박스 내에서 실시하였다. 실험 작업의 순서는 다음과 같다.
이 철편의 부식을 촉진시키기 위해서 3% NaCl, 3% Na2SO4 용액에 (pH5) 2시간 담근 후, 24시간동안 25℃/95% RH 데시케이터에서 방치하는 작업을 3일간 실시하였다. 실험 중에 철환원세균 이외의 세균의 영향을 억제하기 위해서, 실험에 사용하는 부식철 편과 액체배지인 철환원세균 배지8 (Table 1), VIAL용기는 121℃/20분간 멸균 처리하였다.
용액에 담그고 대기 중에서 10일간 부식시켰다. 이 철편의 부식을 촉진시키기 위해서 3% NaCl, 3% Na2SO4 용액에 (pH5) 2시간 담근 후, 24시간동안 25℃/95% RH 데시케이터에서 방치하는 작업을 3일간 실시하였다. 실험 중에 철환원세균 이외의 세균의 영향을 억제하기 위해서, 실험에 사용하는 부식철 편과 액체배지인 철환원세균 배지8 (Table 1), VIAL용기는 121℃/20분간 멸균 처리하였다.
대상 데이터
일본원자력연구소 주변의 토양을 채취하여 액체배지인 철환원세균 배지에서 철환원세균을 배양하였다. 배양 후, 철환원세균이 존재하는 배지 10mL에 Bipyri-dine용액 0.
철편의 크기는 20×20×2mm 삼각형의 탄소강이며, 철편은 연마한 후에 3% NaCl, 3% Na2SO4 용액에 담그고 대기 중에서 10일간 부식시켰다.
성능/효과
1. 세균이 존재하는 배지에서 배양한 NaCl 및 Na2SO4에 의한 부식철편은 전면이 녹색을 나타냈으며, 세균의 활동이 부식철편의 색상 변화에 영향을 끼치는 사실을 알 수있었다.
2. 세균이 존재하는 배지에서 배양한 부식철편에는 새롭게 장방형의 판상 결정과 마름모꼴 결정이 관찰되었다. 결정의 EDS 분석에서 판상 결정의 생성에는 Fe, O 이외에 P, K가 관여하며, 마름모꼴 결정의 생성에는 Fe, O 이외에 P, Mg가 관여하는 사실을 알 수 있었다.
3. 세균이 존재하는 배지에서 생성된 결정의 생성에는 P이 필요하며, 철제유물의 매장환경에서 P의 확인은 세균의 활동을 추정할 수 있는 요소가 될 수 있다.
4. 세균이 존재하는 배지에서 배양한 염화물에 의한 원형 부식생성물이 판상 결정의 생성으로 붕괴되어, 보존처리 과정에서 그 부식생성물의 식별을 어렵게 할 수 있다.
5. 장방형의 판상 결정이 부식철편의 전면에 생성된 점에서, 철환원세균은 부식촉진인자에 의해 특징적으로 생성되는 부식생성물에 우선적으로 접촉하지 않고, Fe3O4에서 그 활동을 시작한다고 생각한다.
6. 세균이 존재하는 배지에 배양한 부식철편에서는 γ-Fe2O3의 입방체 결정은 확인되지 않았지만 XRD 분석에서 γ-Fe2O3가 검출되었다.
세균이 존재하는 배지에서 배양한 부식철편에는 새롭게 장방형의 판상 결정과 마름모꼴 결정이 관찰되었다. 결정의 EDS 분석에서 판상 결정의 생성에는 Fe, O 이외에 P, K가 관여하며, 마름모꼴 결정의 생성에는 Fe, O 이외에 P, Mg가 관여하는 사실을 알 수 있었다.
세균이 존재하지 않는 배지에서 배양한 부식철편은 염화물 이온에 의해서 생성되는 원형의 부식생성물 이외에 새롭게 생겨난 부식생성물은 확인되지 않았다(Figure 6-a, b). 부식생성물의 관찰에서 철환원세균이 존재하는 배지에서 배양한 부식철편에서 보인 판상 결정과 마름모꼴 결정의 생성은 세균의 활동과 관계가 있음을 알게 되었다.
균이 존재하지 않는 배지에서 배양한 NaCl 및 Na2SO4에 의한 부식철편의 전면이 갈색을 나타냈다(Figure 1-c, d). 세균의 활동 유무에 따라서 NaCl 및 Na2SO4에 의한 부식철편의 색상에 변화가 일어나는 사실을 알게 되었다.
세균이 존재하는 배지에서 배양한 부식철편을 관찰한 결과, NaCl에 의한 부식생성물과 그 주변에 새롭게 생겨난 부식생성물이 확인되었다(Figure 2-a). 배양 후에 생겨난 부식생성물은 약 40㎛의 장방형의 판상 결정으로, 염화물에 의해서 특징적으로 생성되는 원형 부식생성물의 내부와 그 주변에서 관찰되었다.
세균이 존재하지 않는 배지에서 배양한 부식생성물을 EDS 분석한 결과, Fe, O 이외에 P, K가 검출되었다(Figure 7). 이 결과는 세균이 존재하는 배지에서 배양한 부식철편에 생성된 판상 결정과 동일하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토양 중에서 금속 철의 부식을 촉진하는 요인은 무엇인가?
토양 중에서 금속 철의 부식을 촉진시키는 요인은 가용성염류, pH, 세균 등이 있다. 이러한 요인 중에서 세균의 활동은 미생물 생태학을 비롯하여 농업, 공업 등과 같은 다양한 분야에서 연구되고 있다.
철제유물을 대상으로 하는 세균의 연구가 필요한 이유는 무엇인가?
한편 문화재 보존과학분야에서 철제유물은 수백 년 이상 토양 속에서 매장되어 부식이 진행 되어있는 상태이다. 따라서 금속공학 분야의 연구 성과로는 철제유물이 세균의 활동으로 인해 발생되는 부식현상과 그 원인을 조사하기에 자료가 부족하기 때문에, 철제유물을 대상으로 세균의 연구가 필요하다.
철제유물의 부식생성물이 철제 유물의 부식에 어떠한 영향을 미치는가를 파악하기 위해서 중요한 것은 무엇인가?
철제유물의 부식생성물은 부식과정에서 생겨난 생성물이며, 이 생성물은 주위의 부식요인(산소, 수분 등)과 반응 하여 철제유물의 부식을 진행시킨다. 부식생성물이 철제 유물의 부식에 어떠한 영향을 미치는 가를 파악하기 위해서는, 부식생성물의 생성과정과 그 변화를 조사하는 것이 중요하다. 예를 들어, Fe(Ⅲ)부식생성물 중에서 β‐FeOOH 은 생성과정에서 염화물이온이 관여하며 그 이온은 철제 유물의 부식을 촉진시키는 원인으로 알려져 있다6 .
H. Yoshikawa, S. Lee and T. Matsui, "A sampling method and data evaluation of archaeological samples to support long-term corrosion prediction". Corrosion, 65, p229, (2009).
土？微生物？究？, "新編土？微生物？？法". 養賢堂, p395, (1997).
江本義理, "文化財を守る". アグネ技術センタ-, p73-74, (1993).
E. Herrero, M.V. Cabanas, M. Vallet-Regi, J.L. Martinez, J.M. Gonzalez-Calbet, "Influence of synthesis conditions on the $\gamma-Fe_{2}O_{3}$ properties". Solid State Ionics, 101-103, p213-219, (1997).
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