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문제 정의
- 또한 수분 방출에 대한 영향 범위, 배수성 등 실질적인 고려 사항에 대한 기초 연구는 미비한 실정이며 이에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 고흡수성 수지의 친수성에 대해 분석하고 이를 바탕으로 재사용성에 대한 검증을 실시하였다. 또한 토양 수분 함량에 대한 영향 및 수분 방출 거리에 대해서 분석하였으며 효율적인 혼합율에 대한 기준을 제시하였다.
- 본 연구는 고흡수성 수지의 수분 흡수, 증발 및 재흡수 특성을 파악하고 이를 바탕으로 재사용성에 대한 검증을 실시하였다. 또한 토양 수분 함량에 대한 영향 및 수분 방출 거리에 대해서 분석하였으며 효율적인 혼합율에 대한 기준을 제시하였다.
- 이 후 앞선 과정과 동일하게 반복하여 고흡수성 수지를 팽윤시켰다. 이 Cycle을 여러 번 반복하여 수분이 증발한 고흡수성 수지의 재사용 가능성을 확인하였다. Fig.
제안 방법
- 50 °C로 건조한 이유는 실제 기온보다 극심한 조건을 부여하기 위해서였고 이 후 수분을 흡수하기 전 고흡수성 수지의 자체 중량으로 감소할 때까지 측정하였으며 고흡수서 수지의 건조 중량 대비 수분 보유량으로 나타냈다
- 고흡수성 수지 1, 2, 3 g을 넣은 부직포를 수분 흡수량이 포화에 도달할 때까지 2시간 동안 팽윤시킨 후 상온에서 자연 건조한 경우와 50 °C 온도로 Drying oven에서 인위적으로 건조한 경우를 나누어 실험하였다.
- 2는 분말 형태의 고흡수성 수지와 수분을 흡수한 젤 형태의 모습을 도립형 광학현미경 (Inverted Light Microscope)을 이용하여 60 배 확대한 사진이다. 고흡수성 수지 입자가 수분을 흡수하여 부피가 팽창하고 젤 형태로 변화하였다.
- 고흡수성 수지에 흡수된 수분이 토양에 미치는 영향 거리를 파악하고자 50 cm 높이에서 시간 경과에 따라 사진을 촬영하였다. 이를 MediaCybernetics 社의 Image-pro plus 6.
- 고흡수성 수지의 혼합율은 기존 연구들을 참고하여 1.0 % 이하로 결정하였으며 0.2 %씩 간격으로 혼합하였다. 화강풍 화토와 고흡수성 수지의 혼합 시료를 직경 5 cm, 높이 40 cm PVC 재질의 통에 성형하였다.
- 따라서 배수가 불량한 0.6 % 이상의 혼합율은 제외하고 0.4 % 이하의 혼합율에 대하여 0.05 % 간격으로 0.0∼0.4 %의 9가지 경우에 대하여 분석하였다.
- 실온에서 고흡수성 수지 주변부로 확산되는 수분을 측정하기 위해 시간 경과에 따라 고흡수성 수지 반경 5, 10, 15, 20 mm 거리의 지점에서 각 채취한 토양의 수분 함량을 측정하였다. 또한 고흡수성 수지가 수분을 최대로 흡수했을 때 포화도 100 %로 정의하고 75 %, 50 %인 고흡수성 수지에 대해서도 동일하게 실험을 진행했다. 실험 조건은 Table 3과 같다.
- 따라서 본 연구에서는 고흡수성 수지의 친수성에 대해 분석하고 이를 바탕으로 재사용성에 대한 검증을 실시하였다. 또한 토양 수분 함량에 대한 영향 및 수분 방출 거리에 대해서 분석하였으며 효율적인 혼합율에 대한 기준을 제시하였다.
- 실온에서 고흡수성 수지 주변부로 확산되는 수분을 측정하기 위해 시간 경과에 따라 고흡수성 수지 반경 5, 10, 15, 20 mm 거리의 지점에서 각 채취한 토양의 수분 함량을 측정하였다. 또한 고흡수성 수지가 수분을 최대로 흡수했을 때 포화도 100 %로 정의하고 75 %, 50 %인 고흡수성 수지에 대해서도 동일하게 실험을 진행했다.
- 이에 대한 각 고흡수성 수지의 중량 조건 별 고흡수성 수지1 g 당 최대 수분 흡수량의 경향을 수식으로 표현하였다(Table 6). 추후 실험을 연속적으로 진행하여 고흡수성 수지의 재사용 횟수 및 수분흡수능의 감소 추이에 대하여 확인해야 한다.
- 5와 같다. 팽윤된 고흡수성 수지에 흡수된 수분이 근접한 토양에 전달되는 정도를 파악하기 위해 가로 50 cm, 세로 35 cm Pan에 깊이 2 cm로 완전 건조된 화강풍화토를 포설하고 각 지점마다 직경 3 cm 크기의 Hole에 팽윤된 고흡수성 수지를 넣었다. 이 때 고흡수성 수지 자체가 흡수한 수분만을 적용하기 위해서 상기 실험과 동일하게 10 분간 상온에서 방치하여 표면의 수분을 제거하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 고흡수성 수지는 현재 국내 L사에서 판매하고 있는 아크릴산 중합체, 나트륨염 (Sodium Polyacrylate)을 사용하였다. 고흡수성 수지는 수분을 흡수하기 전에 백색 분말 형태이며 수분을 흡수한 뒤는 젤 형태로 변화하면서 부피가 급격하게 팽창하는 특성을 가지고 있다 (Photo 1).
- 사용된 토양 시료는 서울시 안암동 지역에서 채취한 화강풍 화토로 4.75 mm 체 통과 시료를 사용하였다. 시료의 물리적 특성은 Table 2와 같다.
- 화강풍 화토와 고흡수성 수지의 혼합 시료를 직경 5 cm, 높이 40 cm PVC 재질의 통에 성형하였다. 혼합 시료는 15 cm 높이에 화강풍화토의 최대건조단위중량 19.03 kN/m3의 90 %에 해당되는 17.17 kN/m3 건조단위중량으로 제작하였다. 그리고 하부에 배수 조건을 구현하기 위해서 통 하단부에 2.
데이터처리
- 고흡수성 수지에 흡수된 수분이 토양에 미치는 영향 거리를 파악하고자 50 cm 높이에서 시간 경과에 따라 사진을 촬영하였다. 이를 MediaCybernetics 社의 Image-pro plus 6.0 프로그램을 이용하여 Fig. 6과 같이 촬영된 사진 상의 Pixel 당 거리 (1 pixel = 0.1852 mm)를 각 지점마다 측정하였고 이 때 사방으로 방출된 거리의 평균값으로 표현하였다.
이론/모형
- 시료의 물리적 특성은 Table 2와 같다. KS F 2302 기준에 따라 입도 분석을 하였으며 통일분류법 상으로 Well-graded sand with silt (SW-SM)으로 분류되었으며, 입도 분포곡선은 Fig. 3과 같다.
성능/효과
- 1. 본 연구에서 사용된 고흡수성 수지인 아크릴산 중합체, 나트륨염의 경우 최대 수분 흡수량은 고흡수성 수지 1 g 당 약 200 g이며 최대 수분 흡수량에 도달하는 시간은 1 g 기준 약8 분으로 나타났다.
- 2. 최대로 팽윤된 고흡수성 수지 1 g을 각각 자연 건조 조건과 50 °C의 인위 건조 조건에서 건조 시 자연 건조 조건은 약 550 시간 (약23일), 인위 건조 조건은 약24시간 후에 모두 증발하였다.
- 3. 고흡수성 수지를 3 회 재흡수 반복 후, 고흡수성 수지 1 g 당 최대 수분 흡수량은 고흡수성 수지 1 g은 약7.33 %, 고흡수성 수지 2 g은 약19.26 %, 고흡수성 수지 3 g은 약13.76 %감소하였다. 고흡수성 수지 재사용 시 최대 수분 흡수 능력이 감소하는 것으로 나타났다.
- 4. 포화도 100 %의 경우 인접한 토양 수분 함량이 최대 9 % 가량을 나타냈다. 포화도 75 %, 50 %의 경우 100 %에 비해 근접한 토양에 미치는 영향이 전체적으로 미미했다.
- 5. 고흡수성 수지의 최대 수분 방출 거리는 포화도 100 %에서 11.55 mm, 75 %에서 3.69 mm, 50 %에서 2.55 mm인 것으로 나타났다. 고흡수성 수지의 면적 대비 수분 방출 영역을 비율로 나타내면 포화도 100 %는 0.
- 6. 고흡수성 수지를 0.25 % 이하로 혼합했을 때 배수는 12 시간 전후로 완료되는 것으로 나타났으며 48 시간 경과 후 고흡수성 수지를 혼합하지 않은 경우 보다 토양 수분 함량이 1.2~2.3 배 증가한 것으로 나타났다. 또한 부피 팽창에 따른 건조단위중량은 약13~22 % 감소하지만 대표적인 밭작물의 단위중량과 유의 수준으로 나타났다.
- 7의 결과와 동일한 이유로 판단되었다. Powder 형태의 고흡수성 수지가 수분을 흡수하며 Hydrogel 형태로 변화한 후 건조시킬 때 고흡수성 수지의 중량에 따른 비표면적의 차이 및 입자간 비가역적 응집에 의한 것으로 판단되었다.
- 추후 실험을 연속적으로 진행하여 고흡수성 수지의 재사용 횟수 및 수분흡수능의 감소 추이에 대하여 확인해야 한다. 결과적으로 실제 토양에 고흡수성 수지를 이용할 때 보수 효과의 향상을 위해서 고르게 혼합시키는 것이 효율적인 것으로 판단되며 재사용 시 그 효과가 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 판단되었다.
- 고흡수성 수지 무게 (1, 2, 3 g)와 상관없이 고흡수성 수지 1 g 당 최대 수분 흡수량은 약200 g에 수렴하였고, 고흡수성 수지의 양에 따라 수렴되는 시간은 1 g은 약8 분, 2, 3 g은 약120분으로 나타났다 (Fig. 7). 공통적으로 수침 후5 분 내에서의 수분흡수능은 크게 차이를 보이지 않았다.
- 76 %감소하였다. 고흡수성 수지 재사용 시 최대 수분 흡수 능력이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 고흡수성 수지의 중량이 증가할수록 재흡수 과정에서 최대 수분 흡수량이 감소하는 것으로 나타났기 때문에 실제 토양에 적용 시 고르게 분포할 수 있도록 혼합하는 것이 중요하다고 판단되었다.
- 고흡수성 수지 혼합율 0.0∼0.4 %에 따른 배수 특성 실험 결과 혼합율이 증가할수록 배수율이 감소하였다 (Fig. 12).
- 고흡수성 수지와 근접할수록 토양 수분 함량이 높은 것으로 나타났다 (Fig. 10). 포화도 100 %의 경우 인접한 토양 수분 함량이 최대 9 % 가량을 나타냈다.
- 포화도 75 %, 50 %의 경우 수분 방출 거리가 큰 차이가 없었지만 포화도 100 %일 때 수분 방출 거리가 크게 증가하였다. 고흡수성 수지의 면적 대비 수분 방출 영역을 비율로 나타내면 포화도 100 %는 0.92, 75 %는 0.26 50 %는 0.18인 것으로 나타났다. 이에 따라 고흡수성 수지가 최대로 수분을 흡수하였을 때 수분 방출양, 토양 내 영향 범위 측면에서 효과적인 것으로 판단되었다.
- 그러나 48 시간 경과 후에도 고흡수성 수지와 근접한 토양에서 약1.5 ∼ 2.0 %의 토양 수분이 존재하는 것으로 보아 지속적인 수분 방출이 이루어지는 것으로 판단되었다.
- 11). 그리고 전체적으로 3 시간 이후의 측정값이 표면 증발에 의해 감소한 것으로 볼 때 실제 최대 수분 방출 거리는 3 시간 경과 시의 측정한 거리임을 알 수 있었다. 이에 포화도에 따른 수분 방출 특성 결과는 Table 7과 같다.
- , 2012)와 비교해보면 유의 수준이라 판단할 수 있다. 따라서 배수성능, 토양 수분흡수능, 건조단위중량 등을 고려하여 0.25 % 이하로 고흡수성 수지를 혼합하여 사용하는 것이 효율적이라고 판단되었다.
- 또한 부피 팽창에 따른 건조단위중량은 약13~22 % 감소하지만 대표적인 밭작물의 단위중량과 유의 수준으로 나타났다. 따라서 배수성능, 토양 수분흡수능, 건조단위중량 등을 고려하여 0.25 %이하로 고흡수성 수지를 혼합하여 사용하는 것이 적정하다고 판단되었다.
- 강우, 관개 등의 수분 공급이 발생하였을 때 토양 내로 물이 침투되는 동안 고흡수성 수지가 수분을 흡수하기 때문에 토양 하부로 자연 배수되는 물을 포집하는 역할을 한다. 따라서 토양 내 고흡수성 수지를 혼합시 토양 수분 함량을 증가시키는 순기능을 하는 것으로 판단되었다.
- 3 배 증가한 것으로 나타났다. 또한 부피 팽창에 따른 건조단위중량은 약13~22 % 감소하지만 대표적인 밭작물의 단위중량과 유의 수준으로 나타났다. 따라서 배수성능, 토양 수분흡수능, 건조단위중량 등을 고려하여 0.
- 포화도 100 %의 경우 인접한 토양 수분 함량이 최대 9 % 가량을 나타냈다. 또한 포화도가 높을수록 즉, 고흡수성 수지가 흡수한 수분 양이 최대일수록 인접한 토양에 방출하는 수분 양이 증가했다. 포화도 75 %, 50 %의 경우 100 %에 비해 근접한 토양에 미치는 영향이 전체적으로 미미했으며 실질적으로 반경 5 mm 이상의 경우 고흡수성 수지가 흡수한 수분의 영향을 받지 못하는 것으로 나타났다.
- 반면 공통적으로 포화도와 무관하게 시간 경과에 따라 고흡수성 수지에 인접한 토양의 수분 함량은 인접하지 않은 곳에 비해 상대적으로 일정 수준으로 지속되는 것을 확인하였으며 48 시간 경과 후에도 1.5~2.0 % 가량 유지되는 것으로 확인하였다. 이는 표면 증발에 의해 토양 수분 함량이 감소함에도 불구하고 고흡수성 수지가 비교적 지속적으로 수분을 방출하는 것으로 판단되었다.
- 그러나 다량의 고흡수성 수지가 응집되어 있을 경우 수분을 흡수할 수 있는 비표면적이 감소하고 이에 팽윤됨에 따라 최대 수분 흡수량으로 도달하는 시점이 연장되는 것으로 판단되었다. 수렴후 수분 흡수량이 변하지 않는 것으로 판단할 때 최대 수분 흡수량은 약200 g인 것으로 판단되었다.
- 포화도 75 %, 50 %의 경우 100 %에 비해 근접한 토양에 미치는 영향이 전체적으로 미미했으며 실질적으로 반경 5 mm 이상의 경우 고흡수성 수지가 흡수한 수분의 영향을 받지 못하는 것으로 나타났다. 이는 지속적이고 효과적인 수분 공급 측면에서 고려해봤을 때 고흡수성 수지를 혼합한 토양에 관개 시 고흡수성 수지의 수분 흡수량을 최대로 충족시킬수록 이 후 관개량, 관개 주기 등의 측면에서 효과를 극대화시킬 수 있을 것으로 판단되었다.
- 18인 것으로 나타났다. 이에 따라 고흡수성 수지가 최대로 수분을 흡수하였을 때 수분 방출양, 토양 내 영향 범위 측면에서 효과적인 것으로 판단되었다.
- 포화도 75 %, 50 %의 경우 100 %에 비해 근접한 토양에 미치는 영향이 전체적으로 미미했다. 즉, 근접한 토양일수록, 포화도가 높을수록 수분 방출 양과 최대 수분 방출 거리는 증가했다. 그러나 48 시간 경과 후에도 고흡수성 수지와 근접한 토양에서 약1.
- 초기 건조단위중량이 17.17 kN/m3에 비해 혼합 시료의 배수 완료 시점인 24 시간 경과 후 혼합율 0.05 %는 약 14.90 kN/m3 , 혼합율 0.25 %는 약13.34 kN/m3으로 약13 ∼ 22 %가량 건조단위중량이 감소하는 것으로 나타났다 (Fig. 13).
- 또한 포화도가 높을수록 즉, 고흡수성 수지가 흡수한 수분 양이 최대일수록 인접한 토양에 방출하는 수분 양이 증가했다. 포화도 75 %, 50 %의 경우 100 %에 비해 근접한 토양에 미치는 영향이 전체적으로 미미했으며 실질적으로 반경 5 mm 이상의 경우 고흡수성 수지가 흡수한 수분의 영향을 받지 못하는 것으로 나타났다. 이는 지속적이고 효과적인 수분 공급 측면에서 고려해봤을 때 고흡수성 수지를 혼합한 토양에 관개 시 고흡수성 수지의 수분 흡수량을 최대로 충족시킬수록 이 후 관개량, 관개 주기 등의 측면에서 효과를 극대화시킬 수 있을 것으로 판단되었다.
- 포화도가 높을수록 고흡수성 수지의 수분 방출 거리는 증가하는 것으로 나타났다 (Fig. 11). 그리고 전체적으로 3 시간 이후의 측정값이 표면 증발에 의해 감소한 것으로 볼 때 실제 최대 수분 방출 거리는 3 시간 경과 시의 측정한 거리임을 알 수 있었다.
후속연구
- 7. 본 연구의 결과를 통하여 고흡수성 수지를 실제 토양에 사용할 때 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다. 추후 가뭄 시 관개주기, 관개량 등의 개선을 위해 고흡수성 수지 처리에 따른 밭 토양에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- , 2015)실제 현장에서 혼합하여 사용 시 고흡수성 수지의 혼합율에 대한 기준이 필요하다. 또한 수분 방출에 대한 영향 범위, 배수성 등 실질적인 고려 사항에 대한 기초 연구는 미비한 실정이며 이에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 고흡수성 수지의 친수성에 대해 분석하고 이를 바탕으로 재사용성에 대한 검증을 실시하였다.
- 하지만 실제 고흡수성 수지를 사용할 때 수분 흡수 및 건조에 따른 수분흡수능에 대한 연구는 부족한 실정이다. 또한 실제 수분을 흡수한 고흡수성 수지가 토양 수분 함량에 얼마나 영향을 미치는지에 대한 정량적인 기초 자료는 부족하며 고흡수성 수지의 재사용 여부와 이때의 수분 흡수능이 동일한지에 대한 검증이 필요하다.
- 본 연구의 결과를 통하여 고흡수성 수지를 실제 토양에 사용할 때 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다. 추후 가뭄 시 관개주기, 관개량 등의 개선을 위해 고흡수성 수지 처리에 따른 밭 토양에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이에 대한 각 고흡수성 수지의 중량 조건 별 고흡수성 수지1 g 당 최대 수분 흡수량의 경향을 수식으로 표현하였다(Table 6). 추후 실험을 연속적으로 진행하여 고흡수성 수지의 재사용 횟수 및 수분흡수능의 감소 추이에 대하여 확인해야 한다. 결과적으로 실제 토양에 고흡수성 수지를 이용할 때 보수 효과의 향상을 위해서 고르게 혼합시키는 것이 효율적인 것으로 판단되며 재사용 시 그 효과가 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 판단되었다.
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