환경오염물질에 의한 화강암 표면에서의 염의 생성에 관한 연구 - TiO2의 영향을 중심으로 - Formation of Salty Materials on Granite Surface by Environmental Pollutants - Effects of TiO2 -원문보기
대부분의 석조문화재는 실외에 노출되어 있어 외관이 크게 변형되어졌고, 특히 최근의 산업화와 환경오염물질의 영향으로 풍화가 가속화되고 있다. 본 연구에서는 석조문화재의 풍화에 미치는 환경영향을 알아보기 위해 해수와 대기오염물질에 신선한 화강암을 노출 후 물리 화학적 특성을 조사하였고, 석조문화재 보존 방법의 일환으로 화강암에 $TiO_2$광촉매를 코팅한 후 코팅이 화강암의 풍화에 미치는 영향도 조사하였다. 인공풍화 실험 후 화강암 표면의 광물질 조성 변화를 확인할 수 있으며, 수분흡수율은 약간 증가하여 해수와 대기오염물질이 화강암의 풍화에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. $TiO_2$ 광촉매를 화강암에 코팅한 경우 $TiO_2$ 광촉매를 코팅하지 않은 경우보다 해수와 대기오염물질에 의한 화강암의 물리적 특성 변화(수분 흡수율 등)가 적어 화강암의 풍화방지에 효과적임을 알 수 있었다.
대부분의 석조문화재는 실외에 노출되어 있어 외관이 크게 변형되어졌고, 특히 최근의 산업화와 환경오염물질의 영향으로 풍화가 가속화되고 있다. 본 연구에서는 석조문화재의 풍화에 미치는 환경영향을 알아보기 위해 해수와 대기오염물질에 신선한 화강암을 노출 후 물리 화학적 특성을 조사하였고, 석조문화재 보존 방법의 일환으로 화강암에 $TiO_2$ 광촉매를 코팅한 후 코팅이 화강암의 풍화에 미치는 영향도 조사하였다. 인공풍화 실험 후 화강암 표면의 광물질 조성 변화를 확인할 수 있으며, 수분흡수율은 약간 증가하여 해수와 대기오염물질이 화강암의 풍화에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. $TiO_2$ 광촉매를 화강암에 코팅한 경우 $TiO_2$ 광촉매를 코팅하지 않은 경우보다 해수와 대기오염물질에 의한 화강암의 물리적 특성 변화(수분 흡수율 등)가 적어 화강암의 풍화방지에 효과적임을 알 수 있었다.
Because the stone cultural properties located outdoors, they have been altered and deteriorated in external appearance due to environmental factors such as acid rain, extreme change in temperature, and salts. Damage to stone cultural properties is accelerated particularly due to recent industrial de...
Because the stone cultural properties located outdoors, they have been altered and deteriorated in external appearance due to environmental factors such as acid rain, extreme change in temperature, and salts. Damage to stone cultural properties is accelerated particularly due to recent industrial development and environmental pollution. An experimental study was conducted to evaluate the effect of environmental contaminants(sea water and air pollutants such as, $SO_2$, NO, $CO_2$) on the weathering of granite. And as part of the developing of conservation method, $TiO_2$ catalyst was prepared and tested. After expose a granite to sea water and air pollutants, the mineral compositions of the tested granite surface were lower then that of the fresh granite. And absorption capacity of the weathered granite was steadily increased. From these results, it was expected that granite could be weathered by sea water and air pollutants. For the $TiO_2$ coated granite, absorption capacity was slightly enhanced compared to the $TiO_2$ non-coated granite. Therefore, the $TiO_2$ coating method tested in this study considered to be a viable method to assist in the conservation of granite from environmental contaminants.
Because the stone cultural properties located outdoors, they have been altered and deteriorated in external appearance due to environmental factors such as acid rain, extreme change in temperature, and salts. Damage to stone cultural properties is accelerated particularly due to recent industrial development and environmental pollution. An experimental study was conducted to evaluate the effect of environmental contaminants(sea water and air pollutants such as, $SO_2$, NO, $CO_2$) on the weathering of granite. And as part of the developing of conservation method, $TiO_2$ catalyst was prepared and tested. After expose a granite to sea water and air pollutants, the mineral compositions of the tested granite surface were lower then that of the fresh granite. And absorption capacity of the weathered granite was steadily increased. From these results, it was expected that granite could be weathered by sea water and air pollutants. For the $TiO_2$ coated granite, absorption capacity was slightly enhanced compared to the $TiO_2$ non-coated granite. Therefore, the $TiO_2$ coating method tested in this study considered to be a viable method to assist in the conservation of granite from environmental contaminants.
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문제 정의
본 연구에서는 석조문화재와 동일 재질의 화강암을 인위적으로 모사한 대기오염물질 및 수분과 해수에 연속적으로 노출(1cm×1cm×1cm 소형시료 : 6개월, 3cm×3cm×3cm 대형시료 : 12개월) 구성 성분의 조성 변화, 수분흡수율 및 광물의 용출 특성 등을 살펴보았다.
본 연구에서는 해안선 인근지역에 위치한 석조물의 풍화에 미치는 해수 및 대기오염물질의 영향을 알아보기 위해 화강암을 해수 및 대기오염물질에 노출시킨 후 화강암의 특성을 조사하였다. 또한 석조문화재 보존 방법의 일환으로 화강암에 TiO2 광촉매를 코팅한 후 코팅이 화강암의 풍화에 미치는 영향도 조사하였으며, 이상의 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이와 같이 외부의 물리적/화학적 오염원이나 자연적인 풍화작용으로 화강암은 원래의 특성이 변화되어 강도나 밀도 및 조성 변화 등의 물리적 특성 변화를 야기한다. 이에 본 연구에서는 화강암에 대한 수분과 염분 및 대기오염물질의 영향을 실험한 후 화강암 표면의 원소 구성성분 변화, 염의 생성 여부 및 수분흡수율 등을 분석하여 화강암의 풍화 정도를 파악하고자 한다. 또한 장기적으로는 석조문화재의 보존이 연구의 최종 목적이므로 보존방법의 일환으로 sol-gel법을 이용하여 제조한 TiO2 코팅sol[5,6]을 화강암에 코팅하여 TiO2의 코팅이 화강암의 수분흡수율 변화에 어느 정도 영향을 미치는지 실험 전․후의 물리적 특성 변화를 통해 살펴보고자 한다.
제안 방법
본 연구에서는 해안선 인근지역에 위치한 석조물의 풍화에 미치는 해수 및 대기오염물질의 영향을 알아보기 위해 화강암을 해수 및 대기오염물질에 노출시킨 후 화강암의 특성을 조사하였다. 또한 석조문화재 보존 방법의 일환으로 화강암에 TiO2 광촉매를 코팅한 후 코팅이 화강암의 풍화에 미치는 영향도 조사하였으며, 이상의 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이에 본 연구에서는 화강암에 대한 수분과 염분 및 대기오염물질의 영향을 실험한 후 화강암 표면의 원소 구성성분 변화, 염의 생성 여부 및 수분흡수율 등을 분석하여 화강암의 풍화 정도를 파악하고자 한다. 또한 장기적으로는 석조문화재의 보존이 연구의 최종 목적이므로 보존방법의 일환으로 sol-gel법을 이용하여 제조한 TiO2 코팅sol[5,6]을 화강암에 코팅하여 TiO2의 코팅이 화강암의 수분흡수율 변화에 어느 정도 영향을 미치는지 실험 전․후의 물리적 특성 변화를 통해 살펴보고자 한다.
본 연구에서는 석조문화재와 동일 재질의 화강암을 인위적으로 모사한 대기오염물질 및 수분과 해수에 연속적으로 노출(1cm×1cm×1cm 소형시료 : 6개월, 3cm×3cm×3cm 대형시료 : 12개월) 구성 성분의 조성 변화, 수분흡수율 및 광물의 용출 특성 등을 살펴보았다. 반응기 내부로 수분 및 해수의 공급방식은 질소가스를 이용하여 그림 1과 같이 연속 bubbling하여 증기압만큼 주입되도록 하였으며, 모사 대기오염물질은 MFC(Mass Flow Controller, Model 5850E, BROOKS instrument inc., England)를 이용하여 500 ㎖/min(SO2 10ppm, NO2 10ppm, CO2 1%, airbalance)으로 정량 주입하였다.
실험 전 · 후 화강암 표면의 원소 조성은 시료당 15회의 측정을 수행한 후 통계적으로 분석하였다.
해수 및 TiO2 광촉매 코팅이 석재의 풍화에 미치는 영향을 파악하기 위해 실험 전 · 후 석재 표면의 구성광물성분의 농도를 분석하였다.
화강암 시료의 형태는 정육면제 형태로 제작하였으며, 실험 전 · 후의 분석은 한서대학교 기술혁신센터에 의뢰하여 SEM-EDX분석을 하였고 수분흡수율은 한국공업규격 KS-F 2518, 2519(석재의 물리적 시헙법)에 준하여 실시하였으며, 이온 분석은 FITI 시험연구원에 의뢰하여 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS, X-series, VG Elemental Ltd.)를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
코팅 상태는 SEM, UV-Vis spectrophotometer를 이용하여 평가하였다. 또한 해수는 경주 인근 해역에서 채취하였으며, 본 실험에 사용된 신선한 화강암의 조성과 해수의 수질화학적 특성은 표 1 및 표 2와 같다.
본 연구에 사용된 신선한 화강암은 경주에 위치한 석재회사에 의뢰하여 국제암반공학회에서 제안한 6단계의 기준 중 F(Fresh) 등급의 화강암 석재를 선택하였다[7]. 화강암 시료의 형태는 정육면제 형태로 제작하였으며, 실험 전 · 후의 분석은 한서대학교 기술혁신센터에 의뢰하여 SEM-EDX분석을 하였고 수분흡수율은 한국공업규격 KS-F 2518, 2519(석재의 물리적 시헙법)에 준하여 실시하였으며, 이온 분석은 FITI 시험연구원에 의뢰하여 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS, X-series, VG Elemental Ltd.
이론/모형
제조된 TiO2 sol은 spincoater를 이용하여 원하는 시료에 3회 코팅하였고 코팅 후에 500℃ 전 · 후에서 열처리하여 최적의 anatase 결정이 성장되도록 유도하였다[6]. 코팅 상태는 SEM, UV-Vis spectrophotometer를 이용하여 평가하였다. 또한 해수는 경주 인근 해역에서 채취하였으며, 본 실험에 사용된 신선한 화강암의 조성과 해수의 수질화학적 특성은 표 1 및 표 2와 같다.
성능/효과
1. Sol-gel 방법으로 제조한 TiO2 sol은 코팅 후에 500℃ 전 · 후에서 열처리하면 최적의 anatase 결정이 성장하는 것을 알 수 있었다.
2. 대기오염물질에 화강암을 노출 시 석재의 표면에서 황(S) 성분이 검출되었다. 이로부터 장석이 용해되어 생성된 Ca, Mg, Na와 황산화물이 결합하여 황화염(석고 등)을 침전시킨 것으로 판단된다.
3. 증류수에 노출시킨 화강암보다 해수에 노출시킨 화강암에서 sulfate(SO42-)농도가 더 많이 검출되었다. 이로부터 해수의 영향을 받는 지역에 위치한 석조문화재는 염에 의한 풍화가 더 빨리 풍화가 진행될 것으로 판단된다.
4. 해수 및 대기오염물질에 화강암을 노출시킨 후 TiO2 코팅하지 않은 화강암의 수분흡수율은 5.6538%, TiO2 코팅한 화강암의 평균 수분흡수율은 2.5514%로 신선한 화강암(0.4785%)에 비해 수분흡수율이 증가하였다. 이는 신선한 화강암이 해수의 작용으로 흡수율이 높아져 해수에 대한 내구성이 낮아질 수 있고 광촉매 코팅을 한 시료의 흡 수율이 코팅을 하지 않은 시료에 비해 흡수율의 증가가 상대적으로 낮아 화강암의 표면에 TiO2 코팅 처리를 하면 화강암의 풍화를 예방하는 효과가 있을 것으로 판단된다.
로 코팅 한 경우와 코팅하지 않은 경우) 전 · 후 암석 표면에 대한 구성광물의 성분 변화를 상자그림을 이용해서 분석한 결과이다. 그림 4와 그림 5에서 볼 수 있듯이, 암석 표면의 구성광물들은 대부분 실험 전의 신선한 화강암보다 실험 후 시료에서 낮은 농도값을 보였으며, TiO2로 코팅 한 경우 TiO2로 코팅하지 않은 경우보다 광물성분 변화율이 적어 TiO2가 해수 및 대기오염물질에 기인한 풍화속도를 완화시키는 것으로 나타났다. 실험 후 Na 및 K이온의 함량은 실험 전의 신선한 시료에 비해 낮게 검출되어 신선한 화강암과 풍화가 진행된 화강암의 일반적인 경향과 일치하는 결과를 얻었다[8].
또한 실험 전에는 석재의 표면에 존재하지 않았던 황(S) 성분이 실험 후에는 나타나 대기오염물질 중의 SO2가 석재의 표면에 침착했음을 알 수 있다. 또한 표 4의 결과와는 달리 TiO2 코팅한 경우에도 해수와 대기오염물질에 노출 시 화강암의 표면에 황(S) 성분이 검출되는 것으로 보아 증류수보다 해수가 화강암의 표면에서 염의 생성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 표 3과 표 5에서 볼 수 있는 바와 같이 황(S) 성분이 석재의 표면에서 검출되었다는 것은 SOx가 Ca, Mg, Na와 결합하여 황화염(석고 등)을 침전시킨 것으로 판단된다[3].
암석의 수분흡수율은 공극률과 밀접한 관계가 있는 것으로서, 내부의 수분이 침투하여 포화상태일 때의 함수율을 백분율로 나타낸 것이다. 본 연구결과 해수와 증류수에 노출했을 때 수분흡수율은 큰 차이를 보이지 않았으나 TiO2 코팅하지 않은 경우의 평균 수분흡수율은 5.6538%, TiO2 코팅한 경우의 평균 수분흡수율은 2.5514%로 신선한 화강암(0.4785%)에 비해 수분흡수율이 증가하였다. 이는 인공적인 풍화에 의해 공극과 절리가 발달하였기 때문으로 사료되며 또한 강제풍화로 인해 조암광물의 입자결합이 약해지고 암석의 강도가 낮아졌음을 의미한다[9,10].
본 연구에서 제조한 TiO2 sol은 코팅 후에 500℃ 전 · 후에서 열처리하면 최적의 anatase 결정이 성장하는 것을 알 수 있었다[5].
그림 4와 그림 5에서 볼 수 있듯이, 암석 표면의 구성광물들은 대부분 실험 전의 신선한 화강암보다 실험 후 시료에서 낮은 농도값을 보였으며, TiO2로 코팅 한 경우 TiO2로 코팅하지 않은 경우보다 광물성분 변화율이 적어 TiO2가 해수 및 대기오염물질에 기인한 풍화속도를 완화시키는 것으로 나타났다. 실험 후 Na 및 K이온의 함량은 실험 전의 신선한 시료에 비해 낮게 검출되어 신선한 화강암과 풍화가 진행된 화강암의 일반적인 경향과 일치하는 결과를 얻었다[8].
표 3과 표 4의 비교에서 알 수 있듯이, Na, Mg, Al 등은 강제풍화 실험 후 조성이 감소하고 K와 Fe 등은 증가하는 일반적인 화강암의 풍화경향[5]과 일치하는 결과를 얻었다. 또한 표 3에서 볼 수 있듯이, 강제 풍화 실험 전에는 석재의 표면에 존재하지 않던 황(S) 성분이 실험 후에는 나타나 대기오염물질 중의 SO2가 석재의 표면에 침착했음을 알 수 있으나 표 4와 같이 TiO2 촉매를 코팅한 경우에는 표면에 황(S) 성분이 검출되지 않아 대기오염물질의 석재 표면 침착에 TiO2가 어느 정도 긍정적인 역할을 한 것으로 판단된다.
용액의 분석은 각 시료의 크기가 다르기 때문에 증류수에 침수되는 시료의 표면적당 농도((mg/l/cm2)로 표시하였다. 표 6에서 볼 수 있듯이, 증류수에 노출한 석재의 표면에서 용출된 Na와 K 및 SO42-의 평균농도는 각각 0.7387 mg/l/cm2, 0.1186 mg/l/cm2, 2.8988 mg/l/cm2 이었으며 해수에 노출된 시료의 Na와 K 및 SO42-의 평균 농도는 각각 0.8700 mg/l/cm2, 0.1350 mg/l/cm2, 4.5900 mg/l/cm2 으로 나타나 증류수보다 해수에 노출된 석재의 표면에서 더 많은 중금속이 용출되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 증류수보다 해수에 노출시킨 화강암에서 sulfate(SO42-)농도가 더 많이 검출되어 석재의 표면에서 석고가 더 빨리 생성됨을 알 수 있으므로 해수의 영향을 받는 지역에 위치한 석조문화재는 염에 의한 풍화가 더 빨리 풍화가 진행될 수 있음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍화의 원인은?
국내의 석조문화재는 대부분 실외에 설치되어 있어 자연적인 풍화현상으로 원래의 모습과 형태가 크게 훼손되어지고 있다[1]. 풍화의 주요한 원인은 수분의 동결-융해, 해수에 기인한 염분, 계절에 따른 기온변화, 생물서식 및 환경오염물질 등이며, 이 요인들은 동시에 복합적으로 석조문화재에 영향을 미쳐 풍화현상을 가속화시킨다. 최근 에는 환경오염물질이 석조문화재의 훼손을 더욱 가속화 시키고 있어 석조문화재의 보존에 관한 과학적 연구가 시급히 요구되고 있다.
석조문화재의 훼손에 영향을 주는 대기오염물질은 어떤 것이 있는가?
석조문화재의 훼손에 영향을 주는 대기오염물질로는 SOx, NOx, HCl, CO2 및 에어로졸 등으로 지상에 건조된 상태 또는 빗물 및 수분에 녹은 상태로 침적하게 되며, 이와 같은 산성 강하물은 특히 대리석의 풍화를 촉진 시키는 것으로 알려지고 있다[2]. 산성비는 석조물과 반응하여 구성광물들을 용해하여 점토광물을 침전시키며, 또한 용존성 SOx는 장석이 용해되어 생성된 Ca, Mg, Na와 결합하여 황화염(석고 등)을 침전시킨다[3].
석재로 유입된 염 중 양이온과 음이온은 각 각 어디에 기인한 것인가?
석재에 피해를 주는 염은 주로 황산염, 질산염, 염산염, 그리고 탄산염 등이며, 석재 내부로 유입되는 염의 종류에는 석재 자체의 성분, 지하수에 용해된 형태, 해안지방에서는 해수의 분무, 도시환경에서는 겨울철 제설제 그리고 석재표면처리제 등을 통해서 석재로 유입된다. 석재에 피해를 주는 염의 양이온은 주로 암석 자체로부터 기인하는 반면, 음이온은 대부분 외부의 영향에 의해 침착되거나 또한 산성비와 같이 오염된 대기에서 기인한다[4].
참고문헌 (11)
한국문화재 보존과학회, "석조문화재 보존관리 연구", 2001.
김사덕, 황진주, 강재일 "대리석 문화재에 대한 산성비의 영향", 한국문화재보존과학회지, 제 7권 10호, 1998.
Krivacsy, Z., "Study of Humic-like Substances in Fog and Interstital Aerosol by Size-exclusion Chromatography and Capillary Electrophoresis", Atmospheric Environment, Vol. 34, pp. 4273-4281, 2000.
김현규, 정종현, 손병현, 이재성, "Sol-Gel 법에 의한 $TiO_2$ 의 합성과 결정화," 대한환경공학회 학술발표대회논문집, 부산 경성대학교, pp. 1234-1237, 2004.
E.T. Brown ed., ISRM(International Society for Rock Mechanics), "Rock characterization testing and monitoring", ISRM Suggested Methods, Pergamon Press, 1981.
손병현, 정종현, 김현규, 여환구, 오광중, "화강암의 풍화에 미치는 환경오염물질의 영향", 2004년 대한환경공학회 춘계학술연구발표회 논문집, 부산 경성대학교, 1361-1363, 2004.
김영화, 홍순호, "풍화현상에 수반되는 화강암의 물성 변화에 관한 연구", 광산지질, 제30권, pp. 221-232, 1990.
Lee, S. G., "Weathering of granite", Journal of the Geological Society of Korea, Vol 29, pp.396-413, 1993.
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