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문제 정의
- 본 연구는 기존의 단점을 해결하기 위해 개발된 벼 부산물인 왕겨와 쌀겨를 주성분으로 하는 생분해성 멀칭비닐의 표준 분해도 검정을 통한 분해력 검정과 포장 작물 재배의 적응성을 검정하기 위하여 수행하였다.
제안 방법
- 1. 천연고분자인 벼 부산물(왕겨와 쌀겨)을 이용하여 상업적으로 이용이 가능하고 생분해가 가능한 멀칭 비닐을 제조하였다.
- 기계적 물성 특성평가는 Stable micro system사의 TA-XT2 texture analyzer를 이용하여 인장강도와 인장력 등 기계적 물성을 측정하였다. 인장강도와 인장력은 ASTM (American society for testing and materials, 미국재료규격 시험협회) D882 규정과 KS M 3001규격에 의해 비닐 조각을 만들어 측정하였고, 시료당 3회 측정하여 평균치를 사용하였다.
- 밭작물의 생분해성 멀칭비닐 포장 피복시험에 의한 특성 검정을 위해서 국립식량과학원 기능성작물부 들깨 포장, 바이오에너지작물센터의 고구마 포장, 충청북도 괴산군 칠성면 농가 수수 포장을 이용하여 피복에 의한 생분해성 시험을 수행하였다. 시험구 면적은 가로 2 m 세로 4 m 이며 3반복으로 하였고, 대조를 위해 일반 농업용 멀칭비닐인 폴리에틸렌(LDPE, low density polyethylene, 0.
- 생분해도 시험은 시료의 호기성 퇴비화 조건에서의 생분해도 검정법(KS M 3100-1: 2003)에 따라 온도, 혼입공기, 습도가 조절되는 퇴비화 조건에서 시료중의 탄소가 이산화탄소로 전환되는 속도 및 전환율을 측정함으로서 유기화합물인 생분해성 비닐의 호기성 생분해도를 측정하는 방법으로 수행되었다. 분해되는 과정에서 이산화탄소, 물, 무기염류, 미생물 등은 최종 생분해 산물이라 말할수 있으며, 이때 이산화탄소 발생량을 연속적으로 주기적으로 측정하여 분해되는 정도를 비교하였다. 생분해도(DT)는 아래의 식과 같이 시료의 이론적 이산화탄소 발생량과 실제 시료로부터 발생하는 이산화탄소의 비율로 결정하였다.
- 분해되는 과정에서 이산화탄소, 물, 무기염류, 미생물 등은 최종 생분해 산물이라 말할수 있으며, 이때 이산화탄소 발생량을 연속적으로 주기적으로 측정하여 분해되는 정도를 비교하였다. 생분해도(DT)는 아래의 식과 같이 시료의 이론적 이산화탄소 발생량과 실제 시료로부터 발생하는 이산화탄소의 비율로 결정하였다.
- 생분해성 멀칭 비닐의 탄소함량 측정은 원소분석기(FLASH EA-1112)를 이용하여 시료 1 mg에 대한 열분해(1,800℃)를 통해 가스의 산화/환원 반응 결과를 열전도도검출기(TCD)를 이용하여 분석하였다. 이때 표준물질은 BBOT(2,5 Bis(5-tert-buthyl-benzoxazol-2-yl) thiophene 표품을 사용하였다.
- 생분해성 멀칭 비닐의 특성 검정에서 가장 중요한 표준 토양중의 생분해도를 검정하였다. 생분해도 검정은 시료의 호기성 퇴비화 조건에서의 생분해도 검정법(KS M 3100-1: 2003)인 “퇴비-퇴비화 조건에서 플라스틱의 호기성 생분해도 및 붕괴도 측정 – 제 1 부 : 적정에 의한 발생 이산화탄소의 정량법”을 적용하여 시험을 수행하였다.
- 기계적 물성 특성평가는 Stable micro system사의 TA-XT2 texture analyzer를 이용하여 인장강도와 인장력 등 기계적 물성을 측정하였다. 인장강도와 인장력은 ASTM (American society for testing and materials, 미국재료규격 시험협회) D882 규정과 KS M 3001규격에 의해 비닐 조각을 만들어 측정하였고, 시료당 3회 측정하여 평균치를 사용하였다.
- 작물 재배 기간에 따른 생분해성 비닐의 인장강도와 신장율을 비교하기위해 들깨와 고구마, 그리고 수수에 대해서 피복 시험을 수행하였다. 들깨는 밀양, 고구마는 무안, 그리고 수수는 괴산 지방의 농가와 식량과학원 시험포장에서 수행하였다.
- 생분해도 검정은 시료의 호기성 퇴비화 조건에서의 생분해도 검정법(KS M 3100-1: 2003)인 “퇴비-퇴비화 조건에서 플라스틱의 호기성 생분해도 및 붕괴도 측정 – 제 1 부 : 적정에 의한 발생 이산화탄소의 정량법”을 적용하여 시험을 수행하였다. 퇴비화 조건에 사용되는 표준 퇴비는 상명대학교에서 제조된 퇴비를 사용하여 시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 이때 표준물질은 BBOT(2,5 Bis(5-tert-buthyl-benzoxazol-2-yl) thiophene 표품을 사용하였다. 대조로 사용된 셀룰로오스는 TLC grade 20 um(Sigma-Aldrich)를 사용하였다.
- 작물 재배 기간에 따른 생분해성 비닐의 인장강도와 신장율을 비교하기위해 들깨와 고구마, 그리고 수수에 대해서 피복 시험을 수행하였다. 들깨는 밀양, 고구마는 무안, 그리고 수수는 괴산 지방의 농가와 식량과학원 시험포장에서 수행하였다. 생분해성 비닐의 재배기간에 따른 기계적 특성은 그림 4에서 보는 바와 같이 수수의 경우 초기 431 g의 강도가 한달 후는 325 g으로 줄어 들었고, 두달이 지나서는 253g까지 급속히 줄어들었다.
- 생분해성 멀칭비닐의 작물 재배에 따른 물리적 특성 변화를 관찰하기위해 우선 토양 피복전의 비닐을 대상으로 분석을 수행하였다. 표 6의 인장강도 비교에서 일반 멀칭비닐은 파단점까지의 최대 인장강도가 345 g이 나온 반면, 생분해성 멀칭비닐은 429 g으로서 인장강도가 우수함을 보였고, 신장율 비교에서도 74%와 171%로서 생분해성 멀칭비닐이 더 신장율이 우수함을 보였다.
- 밭작물의 생분해성 멀칭비닐 포장 피복시험에 의한 특성 검정을 위해서 국립식량과학원 기능성작물부 들깨 포장, 바이오에너지작물센터의 고구마 포장, 충청북도 괴산군 칠성면 농가 수수 포장을 이용하여 피복에 의한 생분해성 시험을 수행하였다. 시험구 면적은 가로 2 m 세로 4 m 이며 3반복으로 하였고, 대조를 위해 일반 농업용 멀칭비닐인 폴리에틸렌(LDPE, low density polyethylene, 0.03, 0.018 mm)를 사용하였다. 기타 재배방법과 시비는 작물 표준재배법과 농가의 관행재배에 준하여 시험을 수행하였다.
- 생분해성 멀칭 비닐의 탄소함량 측정은 원소분석기(FLASH EA-1112)를 이용하여 시료 1 mg에 대한 열분해(1,800℃)를 통해 가스의 산화/환원 반응 결과를 열전도도검출기(TCD)를 이용하여 분석하였다. 이때 표준물질은 BBOT(2,5 Bis(5-tert-buthyl-benzoxazol-2-yl) thiophene 표품을 사용하였다. 대조로 사용된 셀룰로오스는 TLC grade 20 um(Sigma-Aldrich)를 사용하였다.
- 전작물에 대한 포장재배시험과 표준 생분해성 검정을 위한 생분해성 멀칭비닐의 제조는 기존의 보고에서(Han et al., 2011) 상업적으로 제품 생산이 가능한 조건인 표 1의 혼합비율과 같이 120～200 mesh 크기의 왕겨 55%, 100～150 mesh 크기의 쌀겨와 생분해성 수지를 혼합하여 가장 얇은 두께인 0.03 mm에 폭 90～110 cm, 100 m, 200 m의 제품을 생산하여 시험에 사용하였다(그림 1).
이론/모형
- 2. Biodegradability of bio-degradable mulching film under the standard degradability test procedure.
- 018 mm)를 사용하였다. 기타 재배방법과 시비는 작물 표준재배법과 농가의 관행재배에 준하여 시험을 수행하였다.
- 생분해도 검정은 시료의 호기성 퇴비화 조건에서의 생분해도 검정법(KS M 3100-1: 2003)인 “퇴비-퇴비화 조건에서 플라스틱의 호기성 생분해도 및 붕괴도 측정 – 제 1 부 : 적정에 의한 발생 이산화탄소의 정량법”을 적용하여 시험을 수행하였다.
- 생분해도 시험은 국제규격 ISO 14855(1999)와 우리나라의 KS M3100-1(2003) 지침에 의한 퇴비화 조건에서 발생하는 이산화탄소의 양을 측정하여 유기 화합물인 플라스틱의 호기성 생분해도를 측정하는 방법으로 한국화학융합시험연구원의 생분해성 검정기(JSBDT-24)를 이용하여 분석하였다. 이 방법은 도시 고형폐기물 중 유기 성분들의 호기성 퇴비화 상황을 모사하기 위해 고안된 방법으로 시험방법은 시료중의 탄소가 이산화탄소로 전환되는 속도 및 전환율을 측정하는 방법에 의해 생분해율을 검정하는 방법이다.
- 생분해도 시험은 시료의 호기성 퇴비화 조건에서의 생분해도 검정법(KS M 3100-1: 2003)에 따라 온도, 혼입공기, 습도가 조절되는 퇴비화 조건에서 시료중의 탄소가 이산화탄소로 전환되는 속도 및 전환율을 측정함으로서 유기화합물인 생분해성 비닐의 호기성 생분해도를 측정하는 방법으로 수행되었다. 분해되는 과정에서 이산화탄소, 물, 무기염류, 미생물 등은 최종 생분해 산물이라 말할수 있으며, 이때 이산화탄소 발생량을 연속적으로 주기적으로 측정하여 분해되는 정도를 비교하였다.
- 표준퇴비에 대한 성분분석은 폐기물 공정시험방법(환경부 제2007-58호)과 비료의 품질검사 방법 및 시료채취기준(농촌진흥청 제2005-27호)에 따라 ICP(Inductively Coupled Plasma, PE5300-DV, Perkin Elmer, USA)를 사용하여 분석을 수행하였다.
성능/효과
- 2. 생분해성 멀칭 비닐의 특성 검정을 위한 표준 생분해도 측정결과 셀룰로오스 대비 75%의 생분해가 되어 친환경 기준을 충족함을 확인하였다.
- 3. 생분해성 멀칭 비닐의 기계적인 특성은 기존 멀칭비닐과 비교해서 인장강도와 인장력에서 우수함을 보였고, 파단점 비후 비교에서도 생분해성 비닐은 지속적인 힘을 유지시켜야 늘어나는 특성을 보였다.
- 4. 작물을 대상으로한 시험에서 기계화도 가능하며, 인장강도와 인장력을 통한 분해력 비교에서 작물에 따라 시간이 지남에 따라 인장강도와 인장력에 차이를 보임을 관찰할 수 있었고, 작물의 토양 피복도가 생분해에 영향을 미침을 확인하였다.
- , 2009)과 유사하여, 표 7에서 보는 바와 같이 2개월이 지난 시점에서의 작물에 의한 토양 피복도와 특성조사에서 유사한 경향을 보였다. 고구마는 전체 포장을 덮을 수준이었고, 들깨는 80% 수준이었고, 수수의 경우는 토양 이식이 늦어져 60% 수준의 피복도를 보였다.
- 단기 생분해도 측정법을 기준으로 45일째의 최종 생분해도 측정한 결과는 표 5에 나타낸 것과 같이 이론적인 셀룰로오스의 이산화탄소 발생량은 8.0727 g, 생분해성 멀칭비닐의 이산화탄소 발생량은 11.1137 g으로 계산되었고, 생분해도는 셀룰로오스가 74.5%, 생분해성 멀칭비닐은 55.5%의 생분해도를 나타내었다. 셀룰로오스의 분해도를 기준으로 생분해성 멀칭비닐의 최종 생분해도를 계산한 결과는 74.
- 분석결과는 표 4와 그림 2에 나타낸 것과 같이 7일이 경과한 시점에서 표준퇴비의 이산화탄소 발생량은 3.0 g, 표준 셀룰로오스의 이산화탄소 발생량은5.4 g이었고, 생분해성 멀칭비닐의 이산화탄소의 발생량은 6.1 g이었다. 이때 28.
- 5%의 생분해도를 나타내었다. 셀룰로오스의 분해도를 기준으로 생분해성 멀칭비닐의 최종 생분해도를 계산한 결과는 74.5%이었다. 이것은 친환경 기준[시료의 호기성 퇴비화 조건에서의 생분해도 검정법(KS M 3100-1: 2003) 결과 셀룰로오스 대비 70% 이상]을 충족하는 결과이다.
- 또한 퇴비화 과정에서 탄소는 미생물의 에너지원이며, 질소는 영양분으로 이용됨으로 적당한 비율은 매우 중요하여 호기성 퇴비화 조건에서의 생분해도 검정법(KS M 3100-1: 2003)은 퇴비화에 적당한 C/N율 기준을 30～40으로 규정하고 있다. 시험에 사용된 표준퇴비는 C/N율이 32로서 기준에 충족함을 확인하였다.
- 3%까지 줄어들었다. 작물 간의 비교에서는 수수에 피복하였을 경우 생분해가 급속도로 진행됨을 보였고, 고구마가 가장 늦게 분해되는 현상을 보였다. 이 현상은 작물의 피복도와 상관이 있을 것으로 사료되는데, 이것은 생분해성 비닐의 경우 햇빛, 자외선, 비, 바람 등에 영향을 받는 현상(Lee et al.
- 생분해성 멀칭비닐의 작물 재배에 따른 물리적 특성 변화를 관찰하기위해 우선 토양 피복전의 비닐을 대상으로 분석을 수행하였다. 표 6의 인장강도 비교에서 일반 멀칭비닐은 파단점까지의 최대 인장강도가 345 g이 나온 반면, 생분해성 멀칭비닐은 429 g으로서 인장강도가 우수함을 보였고, 신장율 비교에서도 74%와 171%로서 생분해성 멀칭비닐이 더 신장율이 우수함을 보였다. 이 결과는 기존의 Han et al.
- 이산화탄소 측정에 있어서 시료의 탄소함량은 매우 중요한 가변요인으로 시료의 탄소 함량을 측정한 결과는 표2와 같다. 표준 셀룰로오스 시료의 탄소함량은 44%인 반면, 생분해성 멀칭비닐은 탄소가 59.4% 함유되어 있음을 확인하였다.
후속연구
- 천연 고분자를 이용한 생분해성 비닐의 문제점은 일반 비닐과 비교해서 비싼 생산비, 강도 부족으로 인한 사용성 제한, 유통과정에서 저장에 따른 조기 분해로 상품성 상실, 그리고 천연고분자의 지속적인 원료 공급 부족이 문제시 되고 있다. 벼 부산물인 왕겨와 쌀겨를 이용하여 개발된 생분해성 멀칭 비닐은 옥수수 전분과 같이 정제과정에 의한 생산단가가 올라가는 문제와 생분해성 비닐의 횡과 종의 인장력 차이에 의한 강도 부족을 왕겨와 쌀겨의 단순 분쇄와 인장력 보완, 그리고 왕겨와 쌀겨의 경우 연중 지속적으로 공급됨으로 생분해성 멀칭 비닐 개발에 유리한 원료가 될 수 있을 것이라 사료된다.
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