최근 세라믹 다공체를 이용하여 적조 생물을 여과, 제거하려는 연구가 시도되고 있다. 하지만 해양 환경에서 1개월 이상이 경과하면 다공체 표면에 해양 생물 오손(biofouling)이 발생하여 기능이 저하되는 문제가 나타난다. 본 논문에서는 세라믹 다공체의 특성 변화 또는 표면 개질을 통하여 해양 생물 오손을 억제하는 방법에 대하여 연구하였다. 6 종류의 세라믹 다공체를 시험한 결과, 기공율과 흡수율이 낮을수록 생물 오손량이 낮게 나타났다. 또한 다공체 표면에 실리카 입자를 결합시켜 표면 거칠기를 증가시키면, 따개비 등의 대형 해양 생물로 인한 오손량을 감소시킬 수 있었다. 한편 세라믹 다공체 표면에 유리분말을 융착 코팅시키면 오히려 생물 오손량이 증가하였는데, 이는 유리에서 용출되어 나오는 무기질 성분 이온들이 미생물의 생육을 촉진했기 때문이다. 본 연구로부터 세라믹 다공체의 물리적 성질 및 표면 거칠기를 제어하면 위험 물질을 사용하지 않고도 친환경적으로 해양 생물 오손량을 줄일 수 있음을 확인하였으며, 따라서 본 결과를 향후 해양 구조물 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 세라믹 다공체를 이용하여 적조 생물을 여과, 제거하려는 연구가 시도되고 있다. 하지만 해양 환경에서 1개월 이상이 경과하면 다공체 표면에 해양 생물 오손(biofouling)이 발생하여 기능이 저하되는 문제가 나타난다. 본 논문에서는 세라믹 다공체의 특성 변화 또는 표면 개질을 통하여 해양 생물 오손을 억제하는 방법에 대하여 연구하였다. 6 종류의 세라믹 다공체를 시험한 결과, 기공율과 흡수율이 낮을수록 생물 오손량이 낮게 나타났다. 또한 다공체 표면에 실리카 입자를 결합시켜 표면 거칠기를 증가시키면, 따개비 등의 대형 해양 생물로 인한 오손량을 감소시킬 수 있었다. 한편 세라믹 다공체 표면에 유리분말을 융착 코팅시키면 오히려 생물 오손량이 증가하였는데, 이는 유리에서 용출되어 나오는 무기질 성분 이온들이 미생물의 생육을 촉진했기 때문이다. 본 연구로부터 세라믹 다공체의 물리적 성질 및 표면 거칠기를 제어하면 위험 물질을 사용하지 않고도 친환경적으로 해양 생물 오손량을 줄일 수 있음을 확인하였으며, 따라서 본 결과를 향후 해양 구조물 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
Recently, removing methods of red tide has been attempted by filtering the organisms using the ceramic porous bodies. However, the marine biofouling could be developed on the surfaces of porous ceramic body after use for more than one month, and it might decrease the function of the specimen. In thi...
Recently, removing methods of red tide has been attempted by filtering the organisms using the ceramic porous bodies. However, the marine biofouling could be developed on the surfaces of porous ceramic body after use for more than one month, and it might decrease the function of the specimen. In this paper, a method of inhibiting marine biofouling by changing the physical properties or surface-modification of ceramic porous body was studied. After experiment with six different ceramic porous bodies, it was found that the specimen of lower porosity and water absorption showed the least amount of biofouling. In addition, by increasing the surface roughness with silica particles bonded to the surface of specimen, the amount of biofouling caused by large marine life such as barnacle and mussel could be decreased. On the other hand, when the surface of specimen was coated and fused by glass powder, the amount of biofouling was rather increased. This might be due to eluted inorganic ions from the glass which can promote the growth of the microorganism. In conclusion, the environmental-friendly methods to reduce the amount of marine biofouling, such as controlling the physical properties and the surface roughness of the porous ceramics, can be possible without the use of dangerous substances. So it is expected for the results obtained to be applicable to a marine structure.
Recently, removing methods of red tide has been attempted by filtering the organisms using the ceramic porous bodies. However, the marine biofouling could be developed on the surfaces of porous ceramic body after use for more than one month, and it might decrease the function of the specimen. In this paper, a method of inhibiting marine biofouling by changing the physical properties or surface-modification of ceramic porous body was studied. After experiment with six different ceramic porous bodies, it was found that the specimen of lower porosity and water absorption showed the least amount of biofouling. In addition, by increasing the surface roughness with silica particles bonded to the surface of specimen, the amount of biofouling caused by large marine life such as barnacle and mussel could be decreased. On the other hand, when the surface of specimen was coated and fused by glass powder, the amount of biofouling was rather increased. This might be due to eluted inorganic ions from the glass which can promote the growth of the microorganism. In conclusion, the environmental-friendly methods to reduce the amount of marine biofouling, such as controlling the physical properties and the surface roughness of the porous ceramics, can be possible without the use of dangerous substances. So it is expected for the results obtained to be applicable to a marine structure.
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문제 정의
먼저 세라믹 다공체의 기공율 및 흡수율이 해양 생물 오손에 미치는 영향을 측정하기 위하여 6 종류의 시편에 대해 현장 실험을 수행하였다. 또한 세라믹 다공체의 표면 거칠기 변화 및 유리질 코팅이 생물 오손에 미치는 영향에 대해서도 연구, 분석하였다.
본 논문에서는 독성 물질을 사용하지 않고, 친환경적으로 세라믹 다공체의 해양 생물 오손을 억제시키기 방법에 대하여 연구하였다. 먼저 세라믹 다공체의 기공율 및 흡수율이 해양 생물 오손에 미치는 영향을 측정하기 위하여 6 종류의 시편에 대해 현장 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 물리적 특성이 다른 6 종류의 세라믹 다공체를 준비하여 시편의 흡수율 및 기공율에 따른 생물 오손 특성을 관찰하였다. 6 종류의 세라믹 다공체는 각각 A-1, A-2, A-3, A-4, A-5 그리고 A-6로 명명하였다.
세라믹 다공체 시편의 특성 변화 또는 표면 개질을 통하여 해양 생물 오손을 억제하는 방법에 대하여 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
본 논문에서는 독성 물질을 사용하지 않고, 친환경적으로 세라믹 다공체의 해양 생물 오손을 억제시키기 방법에 대하여 연구하였다. 먼저 세라믹 다공체의 기공율 및 흡수율이 해양 생물 오손에 미치는 영향을 측정하기 위하여 6 종류의 시편에 대해 현장 실험을 수행하였다. 또한 세라믹 다공체의 표면 거칠기 변화 및 유리질 코팅이 생물 오손에 미치는 영향에 대해서도 연구, 분석하였다.
세라믹 다공체 표면의 거칠기(roughness)를 변화시키기 위하여 시편 A-1 표면에 SiO2 입자를 결합시켰다. SiO2 입자를 시편표면에 결합하는 방법은 먼저 증류수에 물유리(First grade, Na2O 17~18 %, SiO2 36~38 %, Kanto chemical, Japan)가 55 wt% 혼합된 용액과 세라믹 시편을 함께 플라스틱 통 안에 넣고 70 rpm의 속도로 10분간 회전시켰다.
3에 나타내었다. 이때 입자 크기가 다른 2 종류의 SiO2 분말을 사용하였고, 각각에 대해 코팅량을 1 및 3 wt%로 변화를 주었다. SiO2 분말이 코팅되지 않은 시편 표면은 전체적으로 높낮이 차이가 별로 없이 평탄한 것을 알 수 있다.
8 mm였다. 이후 세라믹 다공체 시편을 전기 건조기에서 100oC에서 24시간 동안 건조시킨 후 이를 900oC로 예열된 전기로에서 10분간 열처리하여 SiO2 입자를 시편 표면에 단단히 결합시켰다.
세라믹 다공체의 흡수율은 한국산업규격 “KS F 2503: 굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험방법”에 의거하여 측정하였다. 표면 거칠기는 공초점 레이저 현미경(Confocal Laser Scanning Microscope, OLS3000-300mm autostage, OLYMPUS)을 이용하여 측정하였고 다공체 표면에서 4 곳을 측정한 뒤 그 평균값을 구하였다. 세라믹 다공체는 가로 15 cm, 세로 21 cm의 아크릴 판에 유기 접착제를 사용하여 붙인 후, 경상남도 거제시에 위치한 한국해양과학기술원 앞바다 수심 1 m 위치에 설치하였다.
세라믹 다공체는 가로 15 cm, 세로 21 cm의 아크릴 판에 유기 접착제를 사용하여 붙인 후, 경상남도 거제시에 위치한 한국해양과학기술원 앞바다 수심 1 m 위치에 설치하였다. 현장에서의 실험기간은 전체적으로 2014년 3~11월까지였으나, 시편 계열 별로 3개월씩만 관찰, 측정하였다. 시편에 발생된 생물 오손량은 한달에 1회 씩 측정하였으며, 다음 식(1)을 이용하여 계산하였다.
대상 데이터
6 종류의 세라믹 다공체를 경상남도 거제시 앞바다 수심 1 m 속에 설치하고 3개월 동안 월별로 생물 오손량을 측정하여 Fig. 2에 나타내었다. 처음 1개월 경과 시점까지는 모든 시편의 생물 오손량이 크지 않았다.
SiO2 입자를 시편표면에 결합하는 방법은 먼저 증류수에 물유리(First grade, Na2O 17~18 %, SiO2 36~38 %, Kanto chemical, Japan)가 55 wt% 혼합된 용액과 세라믹 시편을 함께 플라스틱 통 안에 넣고 70 rpm의 속도로 10분간 회전시켰다. SiO2 분말 입자(Kukje Mining Co., Korea, 99.6 %)는 그 입경이 0.3 mm 이하인 미세한 것과 0.3 mm 이상인 굵은 것의 2 종류를 사용하였다. 0.
3 mm. The specimens were first installed in the marine of Geoje-si, Gyeongsangnam-do in July, 2014.
Monthly amount of bio-fouling of 6 different porous ceramics. The specimens were first installed in the marine of Geoje-si, Gyeongsangnam-do in March, 2014.
Amount of bio-fouling for porous ceramics coated with two kinds of glasses, waste glass and water soluble glass. The specimens were first installed in the marine of Geoje-si, Gyeongsangnam-do in September, 2014.
본 연구에서 사용된 6 종류의 세라믹 다공체의 기공율, 흡수율 그리고 비중을 측정하여 Fig. 1에 나타내었다. 다공체 시편의 기공율과 흡수율은 서로 유사한 경향을 보였다.
세라믹 다공체 표면에 유리를 융착시켜 그에 따른 생물 오손량 변화를 관찰하기 위하여 2 종류의 유리 분말 즉, 소다라임 유리 및 수용성 유리를 사용하였으며 각각의 화학적인 조성을 Table 1에 나타내었다.
표면 거칠기는 공초점 레이저 현미경(Confocal Laser Scanning Microscope, OLS3000-300mm autostage, OLYMPUS)을 이용하여 측정하였고 다공체 표면에서 4 곳을 측정한 뒤 그 평균값을 구하였다. 세라믹 다공체는 가로 15 cm, 세로 21 cm의 아크릴 판에 유기 접착제를 사용하여 붙인 후, 경상남도 거제시에 위치한 한국해양과학기술원 앞바다 수심 1 m 위치에 설치하였다. 현장에서의 실험기간은 전체적으로 2014년 3~11월까지였으나, 시편 계열 별로 3개월씩만 관찰, 측정하였다.
이론/모형
세라믹 다공체의 흡수율은 한국산업규격 “KS F 2503: 굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험방법”에 의거하여 측정하였다.
성능/효과
7에 나타내었다. 2개월이 경과할 때 까지 유리 융착 코팅에 따른 생물 오손량 변화는 거의 나타나지 않았다. 그러나 3개월이 경과되면 생물 오손량은 원래 시편에 비해 유리가 융착 코팅된 시편에서 더 많이 나타났다.
6 종류 시편의 생물 오손량 그래프(Fig. 2)와 시편의 물리적인 특성(Fig. 1)을 비교해 보면, 시편의 기공율 및 흡수율이 낮을수록 생물 오손량이 낮은 것을 알 수 있다. 이는 흡수율이 낮을수록 생물 오손 초기 단계인 미생물 흡착이 잘 일어나지 않기 때문에 생물 오손량이 낮아진 것으로 생각된다.
6 종류의 세라믹 다공체를 시험한 결과, 기공율과 흡수율이 낮을수록 생물 오손량이 낮게 나타났다. 이는 생물 오손 초기에 부착되는 미생물/시편 간 결합력을 낮추었기 때문이다.
그러나 2개월이 경과되면 생물 오손량이 증가하기 시작하였고 3개월이 경과되면 모든 시편에서 생물 오손량이 급속이 증가하였다. 이는 시간 경과에 따라 점차 무게가 큰 따개비 또는 담치류 등 대형 해조류가 시편에 부착되기 때문이다.
2개월이 경과할 때 까지 유리 융착 코팅에 따른 생물 오손량 변화는 거의 나타나지 않았다. 그러나 3개월이 경과되면 생물 오손량은 원래 시편에 비해 유리가 융착 코팅된 시편에서 더 많이 나타났다. 이는 융착 코팅된 유리가 해수 속에서 내구성이 저하되면서 구성 성분 이온들이 용출되기 때문으로 생각된다.
이는 생물 오손 초기에 부착되는 미생물/시편 간 결합력을 낮추었기 때문이다. 또한 다공체 표면에 실리카 입자를 결합시켜 표면 거칠기를 증가시키면, 생물 오손량이 감소하였다. 이는 시편이 해양 속에서 3개월 가량 경과되면 따개비, 홍합류 등의 대형 해양 생물이 부착하게 되는데 이러한 생물의 시편 부착성을 저하시켰기 때문이다.
본 연구에서 사용된 세라믹 다공체 시편들은 대부분 구형이었으며, 평균 크기는 12 ± 5 mm이었다.
이를 Fig. 5의 표면 거칠기와 연관시켜 보면, 표면 거칠기 값이 클수록 3개월 경과 시 생물 오손 억제 효과가 큰 것으로 나타났다. 거칠기가 클수록 장기적 생물 오손 억제 효과가 큰 것은 해양에서 생물 오손은 미생물 부착으로 시작되지만 시간이 경과하면서 부착된 미생물을 먹잇감으로 하는 따개비나 홍합류 같은 대형 조류가 부착하기 때문이다.
코팅하지 않은 다공체 시편의 표면 거칠기는 약 100 µm 값을 나타냈으나 SiO2 분말을 코팅하면 분말 크기나 코팅량에 관계없이 표면 거칠기가 2배 이상 증가되었다.
그러나 3개월이 경과되면 SiO2 입자가 코팅된 시편의 생물 오손량이 코팅되지 않은 시편에 비해 낮은 값을 나타내었다. 특히 SiO2 코팅량이 증가할수록, 그리고 SiO2 입자 크기가 클수록 생물 오손량이 낮게 나타났다. 예를 들어 0.
이는 시편이 해양 속에서 3개월 가량 경과되면 따개비, 홍합류 등의 대형 해양 생물이 부착하게 되는데 이러한 생물의 시편 부착성을 저하시켰기 때문이다. 한편 세라믹 다공체 표면에 유리분말을 융착 코팅시키면 시편의 흡수율이 감소하였음에도 생물 오손량이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 장기간 해양 속에서 유리 내구성이 감소되면서 유리 성분들이 용출되어 나오기 때문이다.
후속연구
특히 수용성 유리를 융착한 시편의 경우, 3개월 경과된 뒤 생물 오손량이 가장 큰 것으로부터, 용출된 유리 성분들이 해양 생물 성장에 관여한 것으로 보인다. 그러나 이에 대한 정확한 분석은 추가적인 연구를 통해 밝혀야 할 것으로 판단된다.
즉 용출된 무기질 이온들이 미생물의 생육을 촉진하였기 때문으로 생각된다. 그러나 향후 생물/신소재 간 융합 연구를 추가적으로 수행해야만 더욱 확실한 결론을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구로부터 세라믹 다공체의 물리적 성질 및 표면 거칠기를 제어하면 위험 물질을 사용하지 않고도 친환경적으로 해양 생물 오손량을 줄일 수 있음을 확인하였으며, 따라서 본 결과를 향후 해양 구조물 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 향후 생물/신소재 간 융합 연구를 추가적으로 수행해야만 더욱 확실한 결론을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구로부터 세라믹 다공체의 물리적 성질 및 표면 거칠기를 제어하면 위험 물질을 사용하지 않고도 친환경적으로 해양 생물 오손량을 줄일 수 있음을 확인하였으며, 따라서 본 결과를 향후 해양 구조물 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
생물 오손이란?
하지만 세라믹 다공체 멤브레인은 물론 대부분의 인공 설치물들은 해양 환경에서 1개월 이상 노출되면 그 표면에 해양 생물 오손(biofouling)이 발생한다. 생물 오손이란 선박의 밑부분이나 발전소 터빈과 같은 해양 구조물 등에 미생물이 부착되면 이를 먹이로 하여 다양한 생물종이 연속적으로 부착됨으로서 구조물에 영향을 주는 현상을 뜻한다.
적조로 인해 어류들이 폐사하는 피해를 방지하기 위해 시도된 것은?
해마다 여름철이 되면 우리나라 연해에 적조가 발생하여 해양 가두리 양식장의 어류들이 폐사하면서 어민들이 큰 피해를 입고 있다[1-3]. 이러한 피해를 방지하기 위해 해양 가두리 양식장의 테두리에 세라믹 다공체가 채워진 멤브레인을 설치하고, 적조 생물을 여과, 제거하려는 연구가 최근 시도되고 있다[4, 5]. 하지만 세라믹 다공체 멤브레인은 물론 대부분의 인공 설치물들은 해양 환경에서 1개월 이상 노출되면 그 표면에 해양 생물 오손(biofouling)이 발생한다.
생물 오손의 문제점은?
해양 생물 오손의 발생 초기에는 미생물과 규조류가 부착되고 이후 시간이 경과함에 따라 따개비, 담치류, 다모류 등 대형 해조류가 부착되면서 점차 생물 오손량이 증가하게 된다[6, 7]. 생물 오손은 해양 구조물의 중량을 증가시켜 유효부력을 감소시킬 뿐 아니라, 구조물의 체적을 증가시켜 이에 작용하는 유체의 힘이 커지게 된다. 구조물에 작용하는 유체의 힘이 그 설계 강도를 초과하면 파괴 등의 문제를 야기하게 되므로, 생물 오손은 해양 구조물 설계 과정에서 중요한 고려 인자 중의 하나이다[8].
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