본 연구에서는 선박 평형수 처리를 위하여 전기분해 방법을 이용한 살균 효과 및 전해 환원법에 의한 용액 중화에 대해 규명하고자 한다. 전기분해 장치에는 양이온만 선택적으로 통과시키기 위하여 분리막을 설치하였으며, 양극과 음극에는 티타늄 불용성 전극을 사용하였다. 전기분해후 살균처리 효과에 대한 분석은 인큐베이터 안에서 24시간 배양 후 관찰하였다. 전기분해 양극반응의 경우, 각 용액에서 수산기의 발생으로 강한 산성을 나타내었으며, 산화환원전위는 800 ~ 1200 mV까지 증가하였다. 음극반응에서는 pH 9 ~ 12로 알칼리 분위기를 나타내었으며, 산화환원전위는 -900 ~ -750 mV까지 감소하였다. 이를 통하여 양 음극반응을 통하여 선박평형수의 pH 조절이 가능한 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 전기분해에 의해 생성된 차아염소산에 의한 살균 작용과 높은 산화환원전위 환경에서 우수한 살균효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 선박 평형수 처리를 위하여 전기분해 방법을 이용한 살균 효과 및 전해 환원법에 의한 용액 중화에 대해 규명하고자 한다. 전기분해 장치에는 양이온만 선택적으로 통과시키기 위하여 분리막을 설치하였으며, 양극과 음극에는 티타늄 불용성 전극을 사용하였다. 전기분해후 살균처리 효과에 대한 분석은 인큐베이터 안에서 24시간 배양 후 관찰하였다. 전기분해 양극반응의 경우, 각 용액에서 수산기의 발생으로 강한 산성을 나타내었으며, 산화환원전위는 800 ~ 1200 mV까지 증가하였다. 음극반응에서는 pH 9 ~ 12로 알칼리 분위기를 나타내었으며, 산화환원전위는 -900 ~ -750 mV까지 감소하였다. 이를 통하여 양 음극반응을 통하여 선박평형수의 pH 조절이 가능한 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 전기분해에 의해 생성된 차아염소산에 의한 살균 작용과 높은 산화환원전위 환경에서 우수한 살균효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
In this study, we investigated the effect of sterilization and the neutralization of treated ballast water using seawater electrolysis. The electrolysis apparatus has a cation-selective membrane for passing the cation and a titanium electrode in each cell. We examined the sterilization effect after ...
In this study, we investigated the effect of sterilization and the neutralization of treated ballast water using seawater electrolysis. The electrolysis apparatus has a cation-selective membrane for passing the cation and a titanium electrode in each cell. We examined the sterilization effect after an incubation period of 24 hr. The oxidation reaction during electrolysis caused, the solution to become strongly acidic due to the generation of a hydroxyl group, and the oxidation reduction potentials(ORP) was increased to 800 - 1200mV. After the reduction reaction, the solution became alkaline(pH 9 - 12), and ORP was decreased to - 900 - - 750 mV. It might be possible to control the pH of ballast water through electrolysis. In addition, we demonstrated the effects of sterilization of ballast water containing generated hypochlorous acid using electrolysis under high ORP condition.
In this study, we investigated the effect of sterilization and the neutralization of treated ballast water using seawater electrolysis. The electrolysis apparatus has a cation-selective membrane for passing the cation and a titanium electrode in each cell. We examined the sterilization effect after an incubation period of 24 hr. The oxidation reaction during electrolysis caused, the solution to become strongly acidic due to the generation of a hydroxyl group, and the oxidation reduction potentials(ORP) was increased to 800 - 1200mV. After the reduction reaction, the solution became alkaline(pH 9 - 12), and ORP was decreased to - 900 - - 750 mV. It might be possible to control the pH of ballast water through electrolysis. In addition, we demonstrated the effects of sterilization of ballast water containing generated hypochlorous acid using electrolysis under high ORP condition.
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제안 방법
본 연구에서는 수돗물, 3% NaCl 수용액 및 바닷물을 대상으로 하여 전기 분해법에 의한 살균 효과를 검토하였으며, 전해 환원법에 의해 음극반응을 이용하여 용액의 중화를 시도하였다. 그리고 시간에 따른 산화환원전위(ORP, Oxidation-Reduction Potential) 및 pH를 측정하고 살균 효과를 평가하였다.
본 연구에서는 수돗물, 3% NaCl 수용액 및 바닷물을 대상으로 하여 전기 분해법에 의한 살균 효과를 검토하였으며, 전해 환원법에 의해 음극반응을 이용하여 용액의 중화를 시도하였다. 그리고 시간에 따른 산화환원전위(ORP, Oxidation-Reduction Potential) 및 pH를 측정하고 살균 효과를 평가하였다.
세가지 용액 모두 전기 분해 전 24시간 안정화를 실시하였으며, 용액의 용량은 1L로 하였다. 살균 효과 평가는 양극 반응 5분단위로 37℃의 인큐베이터(SLI-700, EYELA)에서 24시간동안 배양하여 관찰하였다.
용액은 수돗물, 3% NaCl 수용액 및 바닷물을 사용하였으며, 바닷물은 부산항 내의 연안에서 채취하였다. 세가지 용액 모두 전기 분해 전 24시간 안정화를 실시하였으며, 용액의 용량은 1L로 하였다. 살균 효과 평가는 양극 반응 5분단위로 37℃의 인큐베이터(SLI-700, EYELA)에서 24시간동안 배양하여 관찰하였다.
수돗물, 3% NaCl 수용액, 바닷물에 전기분해 양극반응및 음극반응을 각각 15분간 실시하였으며, 다음과 같은 pH, ORP의 변화 및 살균효과를 확인하였다.
전기분해 반응을 유도하기 위해 상온에서 ~ 40 V의 전압을 15분간 인가하였으며, 실시간으로 ORP (HM-31P, Toadkk)와 pH (HM-31P, Toadkk)를 측정하였다. 양극반응으로 인해 산화된 용액에 역전압을 가해줌으로써 음극반응을 유도하여 전기분해의 가역반응을 통해 중화작용을 실시하였다. 용액은 수돗물, 3% NaCl 수용액 및 바닷물을 사용하였으며, 바닷물은 부산항 내의 연안에서 채취하였다.
이 때 양극 및 음극은 티타늄에 백금코팅 처리한 불용성 전극을 사용하였으며, 전원장치로는 DC 0 ~ 50 V까지 출력이 가능한 3KW programmable power supply (TDP-3000, Techdine)를 사용하였다. 전기분해 반응을 유도하기 위해 상온에서 ~ 40 V의 전압을 15분간 인가하였으며, 실시간으로 ORP (HM-31P, Toadkk)와 pH (HM-31P, Toadkk)를 측정하였다. 양극반응으로 인해 산화된 용액에 역전압을 가해줌으로써 음극반응을 유도하여 전기분해의 가역반응을 통해 중화작용을 실시하였다.
대상 데이터
양극반응으로 인해 산화된 용액에 역전압을 가해줌으로써 음극반응을 유도하여 전기분해의 가역반응을 통해 중화작용을 실시하였다. 용액은 수돗물, 3% NaCl 수용액 및 바닷물을 사용하였으며, 바닷물은 부산항 내의 연안에서 채취하였다. 세가지 용액 모두 전기 분해 전 24시간 안정화를 실시하였으며, 용액의 용량은 1L로 하였다.
이 때 양극 및 음극은 티타늄에 백금코팅 처리한 불용성 전극을 사용하였으며, 전원장치로는 DC 0 ~ 50 V까지 출력이 가능한 3KW programmable power supply (TDP-3000, Techdine)를 사용하였다. 전기분해 반응을 유도하기 위해 상온에서 ~ 40 V의 전압을 15분간 인가하였으며, 실시간으로 ORP (HM-31P, Toadkk)와 pH (HM-31P, Toadkk)를 측정하였다.
성능/효과
1) pH, ORP의 변화 : 전기분해 양극반응의 경우, 세 용액 모두 H+ 발생으로 pH가 pH 2 ~ 3 강산성으로 변화하였으며, ORP는 800 ~ 1200 mV까지 증가하였다. 음극반응을 가해였을 때에는 분해반응으로 인하여 pH 9 ~ 12인 알칼리까지 변화하였으며, ORP는 -900 ~ -750 mV까지 감소하였다.
2) 살균효과 : NaCl 이 함유된 해수 및 3% NaCl 용액에서 짧은 시간에 균이 제거되는 것을 확인할 수 있었으며, 이것은 염의 함유된 용액에서 전기분해에 의해 생성된 HClO에 의한 살균작용과 높은 ORP 환경에서 우수한 살균 효과를 나타내었다.
각 용액에서의 시간의 경과에 따른 ORP의 변화에 확인결과, 수돗물은 219 mV에서 808 mV, 3% NaCl 수용액은 620 mV에서 1160 mV, 바닷물의 경우 709 mV에서 1159 mV으로 증가하였다. 특히, NaCl이 포함되어 있는 용액들에서는 5분사이에 급격한 전위변화를 나타내었으며 1200 mV 가까이에서 포화되는 경향을 나타내었으며, 수돗물의 경우 상대적으로 느린 변화를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 4에는 Robbs 등의 ORP, pH와 염소 농도의 상관관 계에 대한 연구결과를 나타내며, 전기분해에 의한 양극반응 생성물의 ORP는 염소농도에 따라 증가하는 경향을 확인 할 수 있었다[10]. 또한 pH가 낮을수록 ORP가 더욱 높은 값을 유지하였고, pH 8에서 pH 6으로 낮아질 경우, ORP 는 대략 200 mV의 증가하는 경향을 보였다. 이러한 염소농도 및 pH에 따른 ORP의 변화는 본 연구의 Figure 2 및 Figure 3의 결과와 일치한다.
전기분해 양극반응 후에는 pH 2 ~ 3의 강산성 상태였 으나, 역전압을 가하여 음극반응을 유도하였을 때에는 약 pH 9 ~ 12의 알칼리 상태로 변화하였다. 또한, ORP의 값이약 +800 ~ 1200 mV 이었던 것에 반해, 음극반응 후의 약 -900 ~ -750 mV로 변화한 것을 확인 할 수 있었다. 이는 양극반응에서 생성된 반응생성물이 음극반응에서 생성된 반응생성물에 의해 분해반응을 일으킨 것으로 사료된다[11].
음극반응을 가해였을 때에는 분해반응으로 인하여 pH 9 ~ 12인 알칼리까지 변화하였으며, ORP는 -900 ~ -750 mV까지 감소하였다. 이를 통하여 양극반응, 음극반응을 통하여 pH의 조절 가능한 것을 확인 할 수 있었다.
이는 양극반응에서 생성된 반응생성물이 음극반응에서 생성된 반응생성물에 의해 분해반응을 일으킨 것으로 사료된다[11]. 이를 통해 양극반응으로 인해 생성된 반응생성물 및 용액의 강산성 상태를 음극반응을 이용하여 용액의 pH를 조절할 수 있는 것을 확인하였다.
그리고 세가지 용액 모두 10분 후에는 균이 남아 있지 않았다. 이상의 결과로부터 전기분해에 의해, 살균처리가 가능한 것을 확인할 수 있었다. 이것은 염이 포함된 용액에서 전기분해에 의해 생성된 HClO에 의해 균의 산화작용과 ORP가 높을수록 살균효과가 빠르고 좋은 것으로 사료된다[7][12].
Figure 2는 수돗물, 3% NaCl 수용액 그리고 바닷물에서 전기분해 반응 전․후의 pH의 변화를 나타내었다. 전기분해 반응 결과, 수돗물은 pH 8.06에서 pH 3.23, 3% NaCl 수용액은 pH 7.74에서 pH 2.02, 바닷물의 경우 pH 8.85에서 pH 2.08으로 세 용액 모두 시간의 경과에 따라 pH는 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나 수돗물의 pH 변화는 바닷물과 3% NaCl 수용액에 비해 변화폭이 적게 나타났으며 이것은 물속에 용해되어 있는 NaCl의 유무에 기인한 것으로 사료 된다[7].
각 용액에서의 시간의 경과에 따른 ORP의 변화에 확인결과, 수돗물은 219 mV에서 808 mV, 3% NaCl 수용액은 620 mV에서 1160 mV, 바닷물의 경우 709 mV에서 1159 mV으로 증가하였다. 특히, NaCl이 포함되어 있는 용액들에서는 5분사이에 급격한 전위변화를 나타내었으며 1200 mV 가까이에서 포화되는 경향을 나타내었으며, 수돗물의 경우 상대적으로 느린 변화를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 각 용액별 시간에 따른 pH 변화거동과 일치하는 결과를 나타내며, 양극반응에서의 생성물 농도차이에 의한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박 평형수란?
선박 평형수는 유조선이나 화물선 등에서 하역 작업시 화물을 내리고 출항할 때 선박의 균형을 잡기 위하여 발라 스트 탱크에 채우는 물로써, 평형수를 별다른 처리 없이 항구에 방류하게 되면 타 지역의 생물들이 유입되어 심각한 생태계의 파괴를 유발할 수 있다. 그 동안 연간 50억 톤 이상의 선박 평형수의 유입으로 약 7,000종의 해양생물이 전세계로 이동되어 생태계에 교란을 주고 있으며, 외래종의 유입으로 발생하는 직접적인 단일 피해 금액이 연간 100억 US달러에 이르며 간접적인 피해까지 고려할시 1,000억 US 달러에 이를 것으로 추정된다[1][2].
선박 평형수의 유입으로 인한 문제점은 무엇인가?
선박 평형수는 유조선이나 화물선 등에서 하역 작업시 화물을 내리고 출항할 때 선박의 균형을 잡기 위하여 발라 스트 탱크에 채우는 물로써, 평형수를 별다른 처리 없이 항구에 방류하게 되면 타 지역의 생물들이 유입되어 심각한 생태계의 파괴를 유발할 수 있다. 그 동안 연간 50억 톤 이상의 선박 평형수의 유입으로 약 7,000종의 해양생물이 전세계로 이동되어 생태계에 교란을 주고 있으며, 외래종의 유입으로 발생하는 직접적인 단일 피해 금액이 연간 100억 US달러에 이르며 간접적인 피해까지 고려할시 1,000억 US 달러에 이를 것으로 추정된다[1][2].
선박 평형수 관리 협약에 대응하기 위해 어떠한 방식이 사용되고 있는가?
국제해사기구(IMO)는 이러한 문제를 방지하기 위해서 지난 2004년 선박 평형수 관리 협약(BWMS)을 제정하였고, 2017년 9월 8일부터 발효될 예정이다. 이러한 협약에 대응 하기 위하여 전 세계적으로 많은 선박 평형수 처리기술이 개발 및 승인되어지고 있다. 일반적으로 선박 평형수의 처리법에는 여과와 분리 같은 기계적 방식, 오존, 자외선 전류 및 열에 의한 물리적 방식, 살 생물제를 첨가하는 화학적 방식 또는 위의 방식을 조합한 하이브리드 방식이 있으며, 이 중 전기분해 방식이 많이 채택되어 이용되어져 오고 있다[3][4].
참고문헌 (12)
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S. G. Cheon, D. W. Park, and G. S. Kil, "Development of an ultra-violet lamp and a ballast for ship's ballast water treatment," Journal of the Korean Society for Marine Engineering, vol. 35, no. 5, pp. 675-681, 2011 (in Korean).
Lloyd's Register, Ballast Water Treatment Technologies and Current System Availability, London, pp. 3-13, 2012.
Lloyd's Register, Understanding Ballast Water Management, 3rd ed., London, United Kingdom, pp. 4-19, 2016.
E. C. Kim, J. H. Oh, and S. G. Lee, "Consideration on the concentration of the active substances produced by the ballast water treatment system," Journal of the Korean Society for Marine Environmental & Energy, vol. 15, no. 3, pp. 219-226, 2012.
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D. A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion, 2nd ed., New Jersey, USA : Prentice Hall, 1996.
L. B. Liao, W. M. Chen, and X. M. Xiao, "The generation and inactivation mechanism of oxidation-reduction potential of electrolyzed oxidizing water," Journal of Food Engineering, vol. 78, no. 4, pp. 1326-1332, 2007.
P. G. Robbs, J. A. Bartz, J. K. Brecht, and S. A. Sargent, "Oxidation-reduction potential of chlorine solutions and their toxicity to Erwinia carotovora subsp. carotovora and Geotrichum candidum," Plant Disease, vol. 79, no. 2, pp. 158-162, 1995.
H. Kiura, K. Sano, S. Morimatsu, T. Nakano, C. Morita, M. Yamaguchi, T. Maeda, and Y. Katsuoka, "Bactericidal activity of electrolyzed acid water from solution containing sodium chloride at low concentration, in comparison with that at high concentration," Journal of Microbiological Methods, vol. 49, no. 3, pp. 285-293, 2002.
T. V. Suslow, Oxidation-reduction potential (ORP) for water disinfection monitoring, control, and documentation, Califonia, USA : ANR Publication 8149, 2004.
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