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문제 정의
- 이 연구는 장석 반정을 포함한 화강반암을 활용한 주거환경과 에너지 효율을 제공하기 위한 건축 재료원 개발과 이에 요구되는 활용방안 연구를 위해 시도되었고 다공질 장석의 이온 흡착과 항균성 특성에 대해 기술하고 있다.
- 풍화를 받은 다공질 장석반암을 기반으로 소성, 분체, 기포 혼합 등의 경량화를 적용한 활용 방안을 위한 제한적 실험결과를 기술하였다. 이 실험 결과는 국내의 다양한 암석에서 산출되는 장석반암이 환경개선을 위한 자원으로서 잠재적 가치가 매우 높음을 제시하였다.
제안 방법
- 장석반암 분말과 보통포틀랜드시멘트의 배합비율을 9:1로 혼합한 후 여기에 경량기포를 혼합하여 지름×높이를 5 cm×10 cm로 한 원통형 시편을 제작하였다. 경량기포는 공시체체적의 30%와 40%가 되도록 150 mL(specimen A)와 200 mL(specimen B)를 혼합 하였고 건조 후 공시체의 밀도가 1.0과 0.8이 되도록 하였다. 경량기포를 혼합한 공시체는 밀도에 따라 투수성이 달라지며(Kim et al, 2015), 28일간 습윤건조한 장석반암 경량기포공시체를 1 m 높이의 투명원기 둥 하부에 설치한 후 부산시 일광면 소재의 일광광산에서 채위한 침출수를 투수시켜 여과와 중금속 흡착능을 실험하였다(Fig.
- 8이 되도록 하였다. 경량기포를 혼합한 공시체는 밀도에 따라 투수성이 달라지며(Kim et al, 2015), 28일간 습윤건조한 장석반암 경량기포공시체를 1 m 높이의 투명원기 둥 하부에 설치한 후 부산시 일광면 소재의 일광광산에서 채위한 침출수를 투수시켜 여과와 중금속 흡착능을 실험하였다(Fig. 2의 A). 여과 전과 후의 침출수의 중금속 함량은 부산대 공동험실습관의 ICP-OES 와 ICP-MS를 사용하였다.
- 다공질 장석의 흡착 실험은 재료의 활용과 연계하여 원통형 필터를 제작하고 광산침출수를 여과시켜 흡착과 투수성을 동시에 고찰하였다. 필터를 통과한 침출수에서 철(Fe), 망간(Mn), 알루미늄(Al)을 비롯한 중금속은 99% 이상 감소하였다.
- 시험균액은 멸균 완충액으로 전배양액에 희석하여 균수를 1.5-30×108 /mL로 조정하고 희석한 균액을 인산 완충 용액으로 1,000배 희석하여 제작하였다.
- 실험을 위해 다공질의 장석반암을 500ºC에서 소성하고 입자의 크기에 따라 분쇄하여 양이온치환용량을 분석하였다.
- 일광광산 침출수를 경량기포와 장석반암분말을 혼합하여 제작한 공시체에 통과시켜 침출수의 금속염의 농도변화를 관찰하였다. 여과 전과 후의 침출수의 중금속 함량은 부산대 공동험실습관의 ICP-OES와 ICP-MS를 사용하였다.
- 장석반암 분말과 보통포틀랜드시멘트의 배합비율을 9:1로 혼합한 후 여기에 경량기포를 혼합하여 지름×높이를 5 cm×10 cm로 한 원통형 시편을 제작하였다.
- 중금속 흡착과 병행하여 풍화정도가 다른 A, B, C 3개의 장석반암 분말 10g을 pH 3.03과 pH 10의 표준용액 50 mL에 혼합한 후 수소이온농도의 변화를 관찰하였다. 풍화정도를 판별하기 위하여 전암분석 결과를 이용하여 화강암류의 풍화지수 산정에 널리 이용되는 화학적변질지수(CIA: Chemical Index of Alteration)를 계산하였다(Nesbitt and Young, 1982).
- 항균도 실험은 쉐이크 플레스크법을 이용하였고 시험편과 대조편을 공시균으로 접종 및 배양시킨 후 일정량의 액체 속에 진탕시켜 배양된 세균을 추출한 후 액체 속에 존재하는 세균의 수가 측정되면, 항균성이 있는 시험편에서의 세균감소율이 계산하였다. 시험균액은 멸균 완충액으로 전배양액에 희석하여 균수를 1.
- 항균도의 전 배양액은 공시균을 육즙배지에 이식하여 35-37ºC 조건에서, Staphylococcus aureus(Gram 양성균)는 6-10시간, Klebsiella pneumoniae(Gram 음성균)은 16-20시간 진탕 배양하였다.
- 항균성 측정을 위해 억제대법(halo test, agar plate method)을 사용하였고 이 방법은 공시균을 접종한 한 천배지 위에 시험편을 올려 두고 배양한 후 시험편 주위에 세균의 성장이 억제되어 생긴 세균 저지대의 크기를 측정하여 평가한다. 시험편은 105ºC에서 10분간 습열멸균 처리한 직경 28 mm의 원형시험대를 사용하였다.
- 항균실험은 다공질 장석의 분말을 증류수 무게의 2%, 5%, 7%를 첨가하고 이를 가공된 섬유의 표면에 도포하여 시료를 제작(Fig. 3)한 후 항균성과 항균도를 측정하였다.
- 항균도의 전 배양액은 공시균을 육즙배지에 이식하여 35-37ºC 조건에서, Staphylococcus aureus(Gram 양성균)는 6-10시간, Klebsiella pneumoniae(Gram 음성균)은 16-20시간 진탕 배양하였다. 항균실험은 부산대학교 생산 기술연구소 시설을 이용하여 수행하였고, 다공질 장석의 항균도 측정은 한국표준시험연구원에 의뢰한 결과를 제시하였다.
대상 데이터
- 국내에서 반정상의 장석을 함유하는 암석의 종류는 다양하며 많은 경우가 화강반암 내지 석영반암으로 분류되어 있고 산성질 응회암내에 각력질 암편이나 광물로 포함되기도 한다. 본 연구에 활용된 장석을 포함한 충주지역의 화강반암에서는 회녹색의 기질에 홍색 또는 담홍색의 알칼리장석과 백색의 사장석, 그리고 무색의 석영이 반정상으로 나타난다. 특히 5- 7 mm 크기의 자형으로 발달하는 사장석과 알카리장석이 특징적이다(Fig.
- 시험편은 105ºC에서 10분간 습열멸균 처리한 직경 28 mm의 원형시험대를 사용하였다.
- 2의 A). 여과 전과 후의 침출수의 중금속 함량은 부산대 공동험실습관의 ICP-OES 와 ICP-MS를 사용하였다. Fig.
- 2의 A). 여과 전과 후의 침출수의 중금속 함량은 부산대 공동험실습관의 ICP-OES 와 ICP-MS를 사용하였다. Fig.
- 항균성과 항균도 실험에 사용한 공시균주는 Gram 양성균(positive bacteria: Staphylococcus aureus ATCC 6538)과 Gram 음성균(negative bacteria: Klebsiellapneumoniae ATCC 4352)를 사용하였다. 항균도의 전 배양액은 공시균을 육즙배지에 이식하여 35-37ºC 조건에서, Staphylococcus aureus(Gram 양성균)는 6-10시간, Klebsiella pneumoniae(Gram 음성균)은 16-20시간 진탕 배양하였다.
이론/모형
- 다공질 장석의 항균 실험은 쉐이크플레스크법을 적용하였고 증류수 중량 대비 1-9%의 장석분말 현탁액을 섬유와 직물에 도포하여 항균도를 평가하였다. 가공처리하지 않은 횐색 원단에서 35% Gram(+), 46.
- 양이온치환용량(Cation Exchange Capacity; CEC) 은 특정한 pH에서 전기적 인력에 의하여 다른 양이온과 교환이 가능한 형태로 흡착된 양이온의 총량을 지시하며, 개방된 환경에서 물질의 변화, 이동, 광물 의 풍화에 관계된다. 연구에서는 장석반암의 분체를 입자 크기에 따라 구분하여 한국임업진흥원(1N-초산 암모니움 침출법)과 제일분석센터(CEC 간이법; brown 법)에서 분석을 실시하였다.
- 03과 pH 10의 표준용액 50 mL에 혼합한 후 수소이온농도의 변화를 관찰하였다. 풍화정도를 판별하기 위하여 전암분석 결과를 이용하여 화강암류의 풍화지수 산정에 널리 이용되는 화학적변질지수(CIA: Chemical Index of Alteration)를 계산하였다(Nesbitt and Young, 1982). 신선한 화강암류의 화학적변질지수가 50 정도인 것에 비해 다공질 장석반암의 CIA는 67-72의 범위에 위치하며 풍화가 상당히 진행된 상태임을 지시한다 (Table 2).
성능/효과
- Fig. 7은 인산완충액 70 mL에 입경이 다른 장석분말을 0.8 g을 교반하여 측정한 항균도를 나타낸 것으로 평균입경 70 µm 이상의 입자에서 항균도는 Gram (+) 60.05%, Gram(−) 49.45%를 보였으며 평균입경 20 µm의 입자에서는 Gram(+) 80.48%, Gram(−) 86.28의 항균도가 관찰되었다.
- Table 5는 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 섬유에 1%와 2% 장석분말을 도포한 후 측정한 항균도를 나타낸 것으로 항균물질을 처리하지 않은 섬유에서 68% 정도의 항균도가 나타났으며, 장석 분말을 처리한 경우 Gram(+)는 95.55%와 97.43%, Gram(−)는 94.97%와 96.97%의 높은 항균도를 보여 장석분말을 도포했을 때 항균도가 증가되는 것을 보여준다.
- 2% 가 흡착되었다. 공시체 B를 통과하는 동안 침출수에 포함된 철(Fe), 망간(Mn), 알루미늄(Al)은 완전히 흡착되어 여과수에서 검출되지 않았고 구리(Cu)와 아연(Zn)은 각각 99.2%와 94.5%의 흡착율을 보였다 (Table 1). 이러한 흡착율은 다공성의 장석반암 분말이 위해 물질의 흡착에 효과적으로 사용될 수 있음을 보여준다.
- 필터를 통과한 침출수에서 철(Fe), 망간(Mn), 알루미늄(Al)을 비롯한 중금속은 99% 이상 감소하였다. 구리(Cu)와 아연 (Zn)의 흡착률은 0.8 kg/cm3의 밀도를 가지는 필터에 비해 1.0 kg/cm3의 필터에서 높게 측정되었는데 경량 기포의 첨가량이 많을수록 밀도는 감소하고 표면적은 증가하여 흡착율이 높아질 것으로 예상한 결과와 상이하였다. 투수성의 관점에서 경량기포가 증가할수록 투수성이 증가하며 침출수가 필터를 통과하는 시간이 감소한다.
- 분말의 농도가 5% 이상에서 항균도는 98.5% Gram(+), 99.2% Gram(−)를 보였고 7% 이상에서는 거의 동일한 항균도를 보여 항균을 위한 최소 배합은 5% 내외로 판단된다.
- 5, Table 2). 산성과 염기성의 표준용액의 실험에서 장석 반암 분말은 중성 내지 약염기성으로 수질을 개선하는 효과를 보였다.
- 세립질 모래 크기에서 양이온치환용량은 자연상태의 모래와 유사하거나 다소 높은 수준이었으나 평균 입경이 30 자연상태에 실트에 비해 2배 이상 증가하였고, 점토 입자에 가까운 10 µm의 입경에서는 114.6 meq/100 g으로 증가하였다.
- 투수성의 관점에서 경량기포가 증가할수록 투수성이 증가하며 침출수가 필터를 통과하는 시간이 감소한다. 실험에서 광산침출수가 저밀도의 필터를 통과하는 시간은 3분이었고 밀도가 큰 필터에서는 24 분이 소요되었다. 실험으로부터 다공질 장석 필터가 중금속 흡착에 양호한 성능을 보였고 탄산염계 시멘트는 대부분 불투수성을 보이는 것에 비해 경량기포와 혼합한 다공질의 장석반암은 일정한 투수성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
- 실험에서 광산침출수가 저밀도의 필터를 통과하는 시간은 3분이었고 밀도가 큰 필터에서는 24 분이 소요되었다. 실험으로부터 다공질 장석 필터가 중금속 흡착에 양호한 성능을 보였고 탄산염계 시멘트는 대부분 불투수성을 보이는 것에 비해 경량기포와 혼합한 다공질의 장석반암은 일정한 투수성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 즉 경량기포의 배합비율과 필터의 길이를 조절하여 여과시간을 제어할 수 있으므로 이를 통해 양질의 여과 필터로 활용될 수 있다.
- 풍화를 받은 다공질 장석반암을 기반으로 소성, 분체, 기포 혼합 등의 경량화를 적용한 활용 방안을 위한 제한적 실험결과를 기술하였다. 이 실험 결과는 국내의 다양한 암석에서 산출되는 장석반암이 환경개선을 위한 자원으로서 잠재적 가치가 매우 높음을 제시하였다. 따라서 앞으로 풍화과정에 따른 장석의 특성변화와 이를 활용하기 위한 연구 기반 구축을 위한 지속적인 연구개발이 필요하다.
- 30%의 항균도를 보였다. 장석반암 분말을 3%, 5%, 7%, 9%로 가공 처리하였을 때 항균도는 각각 93.30%, 98.30%, 99.12%, 99.97%로, 분말의 농도에 비례하여 항균도가 증가하였다. Gram positive bacteria와 Gram negative bacteria를 비교하여 보면 일반적으로 Gram negative bacteria에서 다소 높은 항균도가 관찰되었다.
- 2% Gram(−)를 보였고 7% 이상에서는 거의 동일한 항균도를 보여 항균을 위한 최소 배합은 5% 내외로 판단된다. 장석분말을 도포한 청색과 검정색 직물에 대한 항균도는 흰색 직물에 비해 다소 높은 항균도를 관찰할 수 있었는데, 이는 이 연구에서 확실치는 않으나 원단에 처리된 유색 염료의 영향인 것으로 추정된다.
- 3% Gram(−)의 항균도를 보인 것에 비해 3% 현탁액을 도포했을 때 항균도는 93% 이상이었다. 직물에 도포한 장석분말의 농도가 증가할수록 항균도는 증가하였고 7% 이후의 농도에서는 99.9%를 보였다. 황토, 카올린, 일라이트, 벤토나이트 등을 이용한 실용화 제품이 양산되고 있어, 친환경 소재로 소개된 광물인 제올라이트와 벤토나이트의 항균도를 장석의 항균도와 비교하였으나 제품군의 품위가 일정하지 않고 항균의 편차가 크게 나타나 결과로 제시하지 않았으나 다공질 장석의 항균도는 같은 농도 조건에서 5- 10% 이상 높은 것을 확인하였다.
- 9%를 보였다. 황토, 카올린, 일라이트, 벤토나이트 등을 이용한 실용화 제품이 양산되고 있어, 친환경 소재로 소개된 광물인 제올라이트와 벤토나이트의 항균도를 장석의 항균도와 비교하였으나 제품군의 품위가 일정하지 않고 항균의 편차가 크게 나타나 결과로 제시하지 않았으나 다공질 장석의 항균도는 같은 농도 조건에서 5- 10% 이상 높은 것을 확인하였다.
후속연구
- 침출수가 두 공시체를 통과하는데 소요된 시간은 8배 이상 차이가 나며 흡착률은 반응시간에 따른 것으로 판단된다. 그러나 장석분말의 흡착 특성을 정확하게 파악하고 가장 효율적인 방법을 규명하기 위해서는 분말의 크기, 온도, 반응시간 등 다양한 조건을 고려한 실험 분석이 필요할 것이다.
- 이 실험 결과는 국내의 다양한 암석에서 산출되는 장석반암이 환경개선을 위한 자원으로서 잠재적 가치가 매우 높음을 제시하였다. 따라서 앞으로 풍화과정에 따른 장석의 특성변화와 이를 활용하기 위한 연구 기반 구축을 위한 지속적인 연구개발이 필요하다.
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