KR101779935B1 - 박테리아 슬라임 기반 콘크리트 보호 코팅재 개발 - Google Patents
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Abstract
슬라임 형성이 가능한 박테리아를 이용한 박테리아 슬라임 기반의 코팅재가 개시된다. 본 발명은 슬라임 형성 박테리아를 흡착시킨 흡착재 및 결합재를 포함하는 코팅재를 제공한다.
Description
본 발명은 콘크리트 보호용 소재 기술에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 박테리아 슬라임 기반 콘크리트 보호 코팅재에 관한 것이다.
오수·분뇨 및 축산폐수와 같은 부식성 환경에 노출된 콘크리트는 각종 열화현상과 화학적 침식으로 인해 내구 수명이 20~30년 미만으로 구조물의 사용성과 안전성 저하에 문제를 발생시킨다(김종필, 2005). 이로 인해 선진국의 경우에는 콘크리트의 내구설계에 대한 관련된 기준 및 코드를 규정하고 체계적인 시스템을 구축하여 적용하고 있다(ACI 318-11, 2011; ACI 201.2R-08, 2008; BS EN 7543, 2003). 미국의 ACI 318-11(2011) 기준의 경우는 콘크리트의 내구설계를 구조설계의 일부분으로 취급하였으며, ACI 201. 2R-08(2008)는 콘크리트가 동결융해, 화학적인 침식, 마모 및 알칼리 골재반응 등에 의해 영향을 받는 경우에 대한 손상기구와 이에 따라 요구되는 대책들을 제시하였다. BS EN 7543(2003)에서는 구조물의 내구성을 예측하기 위해 필요한 지침, 목표내구연한 및 설계내구연한 등에 대한 개략적인 과정을 제시하고 있다. 한편 국제 표준화기구인 ISO(2004)에서는 TC71/SC7을 중심으로 화학적 침식에 의한 콘크리트의 열화에 따른 보수와 보강에 대한 연구를 진행하고 있지만 현재까지는 제정된 규격이 없는 실정이다. 국내의 경우에는 건설 교통부와 한국콘크리트학회의 주관하에 2004년도에 '콘크리트표준시방서-내구성편'을 제정하였다. 이와 같이 내구년 향상을 위한 다양한 정책적·사회적 요구사항과 맞물려 건설 산업에서는 부식환경에 노출된 콘크리트의 경우 유지관리 측면에서 코팅재료의 적용성이 크게 증가할 것으로 기대하고 있다(김성수, 2013).
해수에 의한 염해와 토양 중의 황산 등의 화학적 침식으로 인해 콘크리트 코팅재의 사용이 급증하고 있다. 황산염에 의한 콘크리트의 내구성 저하는 다른 화학적 침식에 의한 요인에 비하여 크다고 알려져 있다(Al-Amoudi, 2002). 이에 내투수성이 강한 에폭시, 우레탄, 아크릴과 같은 유기계 코팅재가 콘크리트 부식제어를 위해 일반적으로 사용되고 있다(천병식, 2004). 하지만 콘크리트와 코팅재의 접착 면에 형성된 코팅 막은 콘크리트 내부의 존재하는 수분이 외부로 증발되는 것이 어려워 코팅 막 탈락현상이 발생된다. 또한 동절기 시공 시에는 코팅 막 경계면에 형성된 수분이 얼어 경계면에서 팽창압이 발생된다(김성수, 2003). 이로 인해 콘크리트 균열 및 변형이 발생되어 내구년수 증가에 대한 효율성이 현저히 저하된다. 또한 유기계 코팅재는 환경오염 및 유해물질이 다량 포함하여 전 세계적으로 사용 원료 및 제조 공정을 엄격하게 규제하고 있다. 이에 따라 이미 유럽 등의 선진국에서는 중금속 및 휘발성 유기화합물(VOCs; Volatile Organic Compounds)을 포함하지 않은 친환경 코팅재가 개발되고 상용화되고 있다(Bazant 등, 1994). 반면 국내 도료(코팅) 업계에서는 60% 이상이 해외 기술에 의존하고 있는 실정이다(한국과학기술정보연구원). 따라서 기술적·환경적 요구사항에 대응할 수 있는 새로운 친환경 코팅재 개발에 대한 국내기술이 필요하다. 또한 국내 건설산업에서 로우테크(Low-tech) 이미지를 탈피하기 위해서는 첨단기술(Bio/Nano/Eco)을 접목한 새로운 개념의 건설재료 기술전략이 필요하다.
최근에는 콘크리트 구조물의 목표 성능과 내구수명을 유지하기 위하여 미생물의 탄산칼슘형성작용을 이용한 콘크리트의 표면코팅, 균열보수 및 자기치유 콘크리트와 같은 신기술에 대한 연구가 진행되고 있다(Achal, 2009; DeMuynck, 2008; 김화중, 2010). 하지만 미생물을 이용한 콘크리트는 원천기술 개발단계이며 이미지 분석(Image analysis)을 통한 정성적인 평가가 대부분이다. 또한 미생물을 이용한 콘크리트 연구는 대부분 바실러계의 미생물을 이용한 균열치료에 중점을 두고 있으며 코팅재에 대한 연구는 없는 실정이다. 특히 미생물에 의한 슬라임 막은 기존 코팅재료의 단점을 해결하면서 콘크리트 구조체의 부식저항성 향상을 기대할 수 있지만 아직 이에 대한 검증 연구는 매우 미흡한 실정이다. 이하에서는 미생물에 의한 슬라임 막의 활용 기술의 기존 선행기술 대비 차이점을 보다 명확히 이해하기 위해 기존 선행연구 내용을 좀 더 자세히 설명한다.
대부분의 연구에서는 미생물의 생체광물형성작용(Biomineralization)을 이용한 균열 치유, 내구성 향상 및 자기치유 콘크리트에 대한 연구와 수질정화가 가능한 미생물을 적용한 연구들 위주로 진행되었다.
미생물의 생체광물형성작용을 통한 콘크리트는 많은 연구자들(Ramachandra, 2001; De Belie, 1995; Ghosh, 1989; Jonkers, 2003; 김화중, 2011)에 의해 수행되었다. 미생물이 형성한 광물 석출로 콘크리트의 균열 치유에 대해 증명하였으며, 이를 바탕으로 내구성 향상을 위해 모르타르에 적용한 다양한 사례들이 있다(Ramachandra, 2001; Ghosh, 1989; 김화중, 2011). 수질정화를 위해 미생물을 적용한 콘크리트에 있어서는 수중이나 해양에 설치되는 콘크리트 제품 및 블록에 생물막(Biofilm)을 형성하는 미생물을 흡착시키는 기술을 이용한 수질정화효과에 관한 연구가 진행되고 있다(안태웅, 2009; 김화중, 2009). 하지만 대부분의 연구는 기초적인 실험을 통해 그 가능성만 소개되고 있다. 또한 정확한 근거제시 및 평가방법에 대해서는 연구자에 따라 상이하며, 미생물에 관련된 요소기술이 매우 중요한데 이에 대한 기술자료 및 관련연구는 매우 미흡하다. 또한 본 발명에서 사용된 박테리아의 요소기술과 이를 적용한 콘크리트의 관련 연구 및 국내·외 기술은 매우 미흡한 실정이다. 따라서 이하에서는 미생물의 생체광물형성작용을 통한 콘크리트와 수질정화를 위한 미생물 콘크리트에 대해 설명하며, 이를 통해 기존 연구에서 적용된 미생물과 미생물을 활용한 콘크리트의 대한 연구동향 및 문제점을 파악하기로 한다.
먼저, 생체광물형성작용을 이용한 미생물 콘크리트에 관한 선행연구를 살펴보면, 대부분의 미생물을 활용한 콘크리트 연구에 있어 표면에 발생된 균열 치유, 미생물 모르타르 및 자기치유 콘크리트 개발에 관한 연구가 진행되었으나, 콘크리트는 강 알칼리성(pH 12~13)으로 인해 미생물의 생존성에 한계가 있다. 이를 극복하기 위해서는 강 알카리성 환경에서 생존가능한 미생물의 분리 및 배양기술이 필요할 것으로 판단된다. 또한 대부분의 연구자들은 이미지 분석(Image analysis), 주사전자현미경(SEM), X-선 회절분석(XRD) 및 역학적 특성 평가를 통해서 가능성을 제시하고 있으며, 이를 다양한 환경하의 노출된 콘크리트에 적용하기 위해서는 내구성 및 정량적인 평가가 필요하다.
생체광물형성을 이용한 탄산칼슘 석출은 Boquet 등(1973)에 의해 처음으로 보고되었다. Boquet는 실험실 조건에서 미생물에 의해 탄산칼슘 침전을 유도하여 석출하였으며, Adolphe 및 Billy(1974)는 응회암과 석회암에서 분리한 미생물을 이용하여 탄산칼슘 석출을 실험하였으며, 미생물에 의해 형성된 탄산칼슘은 부식에 대해 큰 저항성을 가진다고 보고하였다. 이러한 생물생체광물형성을 이용한 탄산칼슘 석출은 생물유도광물형성과 생물제어광물형성의 두 가지 메커니즘에 의해 일어난다.
생물유도광물형성 과정은 미생물이 광물 입자의 생성과 성장에 관여하지 않지만 주변 환경 조건에 변화를 줌으로써 탄산칼슘 형성을 유도한다. 따라서 생물유도광물형성은 주변 환경 조건에 따라 광물의 형태와 종류가 달라진다(Lowenstan and Weiner, 1989). Barissant(2003)는 미생물의 세포 외벽에 고분자 물질(EPS, Extra polymeric substances)이 탄산칼슘의 형상과 광물 구조를 결정하는데 큰 역할을 한다고 보고하였다. Barissant(2003)는 고분자 물질을 형성하는 미생물의 혼입량이 증가할수록 방해석(Calcite)뿐만 아니라 바라이트(vaterite)와 아고나이트(aragonite) 등의 다양한 광물을 석출한다고 보고하였다. 생물제어광물형성 과정은 미생물에 의해 독립적으로 지배된다. 미생물은 광물 형성에 필요한 요소들을 조절하여 광물화 형성에 참여하며 미생물 종류에 따라 주변 환경조건과는 독립적으로 특정한 광물과 결정 구조를 형성한다. Bazylinski(2007)는 철(Ⅲ)환원 미생물에 의한 자철석(Magnetite) 형성과 해양에 서식하는 단세포 플랑크톤의 일종인 인편 모조류와 규산화 형태로 이루어진 단세포의 규조류에서는 실리카 침전물이 석출되는데, 이는 생물제어를 통한 광물형성에 속한다고 보고하였다.
균열치유의 경우 Ramachandran(2001)는 생체광물형성작용이 가능한 박테리아인 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)를 이용하여 균열치유에 대한 가능성을 평가하였다. Ramachandran은 균열이 발생한 표면에서 방해석(Calcite)이 생성되었으며, 이로 인해 박테리아를 활용한 균열 보수에 대한 가능성을 제시하였다. 하지만 호기성 박테리아의 경우에는 생장조건으로 산소가 필요하며, 강 알카리성인 콘크리트에서는 활성도가 저하된다고 보고하였다.
De Belie 및 De Muynck(2009)는 강 알카리성인 콘크리트에서 박테리아를 보호하기 위해 바실러스 스파리쿠스(Bacillus spharicus)를 실리카 졸에 흡착하여 사용하였다. 또한 박테리아의 최적의 생존환경과 탄산칼슘 석출을 조성하기 위해 우레아 및 염화칼슘 용액을 혼입하였다. 실험결과 에폭시 수지를 사용하여 균열을 치유한 실험체와 비슷한 효과를 나타내었다.
Muynck(2010) 및 Jonkers(2011)는 미생물의 생체광물형성작용을 통한 콘크리트의 균열치유에 대한 메커니즘을 규명하였다. 미생물이 균열을 통해 수분과 공기가 유입되면 내성포자로 존재하던 미생물은 활성화되고 세포 외벽이 음전하를 띄기 때문에 표면 주위에서 Ca2 +를 포함한 양이온을 유인해서, 자신의 표면에 탄산칼슘을 석출시켜 균열부위를 치유한다고 보고하였다.
김화중(2010)은 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)와 콘크리트 구조물에서 분리한 스포로사르시나 솔리(Sporosarcina soli), 바실러스 마실리엔시스(Bacillus massiliensis), 아쓰로박터 크리스탈로포이에테스(Arthrobacter crystallopoietes), 리신바실러스 푸시포르미스(Lysinibacillus fusiformis)를 사용하여 모르타르의 균열의 충전 가능성을 제시하였다. 저자는 콘크리트의 표면과 균열 부위에 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)를 우레아를 포함한 pH 6.8의 수용액 상태에서 1일 100㎕씩 5회 주입하였다. 동일한 위치에서 20일 동안 현미경으로 관찰하였으며, 실험결과 박테리아의 생체광물형성작용을 통한 탄산칼슘 석출로 인해 균열부가 충전되었으며, 균열의 폭이 작을수록 충전효과는 더 크게 나타났다.
미생물 모르타르의 경우, Ramachandran(2001)은 포틀랜드 시멘트 모르타르의 압축강도를 향상시키기 위해 생체광물형성작용이 가능한 박테리아를 사용하였으며, 박테리아 종류와 배지 혼입에 따른 영향에 대해 평가하였다. 탄산칼슘을 석출이 가능한 슈도모나스 에루고노사(Pseudomonas aerugonosa)를 혼입한 시험체에서는 압축강도의 증진효과가 나타나지 않았으라, 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii)를 혼입한 시험체의 압축강도는 재령 28일에서 박테리아를 무 혼입한 시험체에 비해 약 18% 크게 나타났다. 또한 XRD 분석 결과 박테리아에 의한 탄산칼슘 석출에 대한 영향은 나타나지 않았다. 저자는 높은 pH와 낮은 산소량으로 인해 박테리아의 활성도 및 생존이 저하된 것으로 보고하였다.
Ghosh(2005)는 슈와넬라(Shewanella) 박테리아를 혼입한 모르타르의 압축강도와 내부 공극 분포를 평가하였다. 슈와넬라(Shewanella)는 세포 외벽에 철을 환원시키는 박테리아의 일종으로, 이전 연구와는 대조적으로 생체광물형성작용을 유도하지 않았다. 실험결과, 압축강도는 재령 28일에서 박테리아를 무 첨가한 시험체에 비해 슈와넬라(Shewanella)를 첨가한 시험체에서 약 25% 크게 나타났다. 또한 모르타르의 내부 공극분포는 슈와넬라(Shewanella)를 첨가한 시험체에서 공극 사이즈가 작아지는 경향을 나타내었다. 이에 저자는 박테리아에 의해 모르타르 내부에 생성된 자철석은 압축강도 향상에 기여한 것으로 보고하였다.
김화중(2010)은 생체광물형성작용이 가능한 미생물 종류와 양생 방법에 따른 모르타르의 압축강도를 평가하였다. 재령 28일에서 압축강도는 바실러스 마실리엔시스(Bacillus massiliensis)를 혼입한 모르타르에서 일반 모르타르에 비해 약 8.9% 크게 나타났으며, 아쓰로박터 크리스탈로포이에테스(Arthrobacter crystallopoietes)는 약 40.3% 크게 나타났다. 저자는 혼입된 미생물에 의해 생성된 광물 구조 및 형상이 달라지므로, 모르타르의 압축강도는 영향을 받을 수 있다고 보고하였다. 또한 수중 양생한 경우에는 기중 양생한 시험체에 비해 압축강도가 크게 나타났으며, 우레아-염화칼슘(Urea-CaCl2)배지에서 수중 양생한 시험체에서 가장 우수한 압축강도 발현특성을 보였다.
자기치유 콘크리트의 경우 Jonkers 및 Schlangen(2008)은 균열 발생 이전에는 강 알칼리성인 콘크리트 내부 환경과 시멘트 수화반응과 같은 물리·화학적 반응에 견딜 수 있는 박테리아를 선정하기 위해 이전 연구를 바탕으로 알칼리 상태에서 포자를 형성하는 바실러스(Bacillus), 바실러스 슈도퍼머스(Bacillus pesudofirmus) DSM 8715 및 바실러스 코니(Bacillus cohnii) DSM을 이용하였다. 많은 양의 박테리아 첨가로 인해 모르타르의 압축강도는 약 10% 낮게 나타났다. 또한 미생물에 의한 광물 석출 평가를 위해 ESEM을 분석하였다. 실험 결과, 7일 양생한 시험체는 박테리아를 무 혼입한 시험체에 비해 탄산칼슘 석출이 크게 나타났지만, 28일 이후에는 탄산칼슘 석출에 대한 별다른 영향을 나타내지 않았다.
다음으로, 자기 정화 콘크리트에 관한 선행연구를 살펴보면, 수질정화가 가능한 미생물을 활용한 콘크리트는 수질오염물질을 정화할 수 있는 미생물을 동정 및 분리하고, 이를 콘크리트에 적용한 기술이다. 기존의 연구에서는 내부에 연속적인 공극구조를 가진 포러스 콘크리트를 이용하여 어패류의 서식환경을 제공할 수 있는 환경저감형 콘크리트가 개발되고 있다(김세원, 2001). 하지만 기존의 연구에서는 기능적인 측면에 중점을 두고 있으며, 강 알카리성인 콘크리트에 적용된 미생물의 생장 및 활성도에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다. 특히 해양 및 하천구조물의 경우에는 유속에 의한 미생물의 탈락현상이 발생할 수 있으며, 이를 고정화 할 수 있는 기술이 매우 중요하다.
김태훈(2011)은 유용미생물군인 광합성 세균, 효모균, 유산균, 방선균, 사상균 등을 연속공극이 형성된 다공성 콘크리트에 적용시켰으며, 미생물을 혼입하지 않은 시험체와 비교하여 수질정화능력을 평가하였다. 실험결과, 부유물질 제거효율은 80%로 가장 우수한 효과를 보였으며, 이는 다공성 콘크리트에 흡착된 미생물이 생물막(Biofilm)을 형성하여 유기물질을 분해한 것으로 판단된다(김세원, 2001). 따라서 저자는 유기물 분해가 탁월하고 다양한 환경에 적응성이 뛰어난 것으로 알려진 유용미생물을 활용하여 수중이나 수변에 설치되는 콘크리트 블록 및 구조물에 흡착하여 생물막(biofilm)을 형성함으로써 고정화된 유용미생물들에 의해 오염원인 다량의 유기물질을 신속하고 지속적으로 분해시킬 수 있다고 보고하였다.
김화중(2011)은 폐수 분해능이 뛰어난 미생물을 선정하기 위해 이전 연구를 바탕으로 미생물을 선정하였다. 또한 미생물의 고정화를 위해 천연 제올라이트에 흡착하여 시멘트 벽돌을 제작하였다. 양이온으로 구성된 제올라이트의 표면은 음이온으로 구성된 미생물 세포벽과 정전기적으로 흡착된다. 실험결과, 부유물질제거효율(SS)은 낫토균과 대구 S환경 사업소에서 분리동정한 미생물이 가장 효과적이었으며, 생물학적 요구량(BOD)은 박테리아를 적용한 모든 실험체에서 감소하였다. 또한, 총 질소(N)는 된장균을 혼입한 시험체를 제외하고 모두 50.19%~51.20%의 제거효율을 나타냈다. 저자는 제올라이트 및 시멘트 벽돌의 내부와 외부에 질산화 미생물에 의한 생물막 형성으로 질소의 제거가 나타나는 것으로 보고하였다. 총 인(P)은 박테리아를 적용한 실험체에서 모두 제거효율이 나타났다.
다음으로, 슬라임 콘크리트에 관한 선행연구를 살펴보면, Soleimani 등(2014)은 내황산성을 향상시키기 위하여 대장균(Escherichia coli) DH5α 박테리아 슬라임을 이용하였으며 특수 제작된 장치를 사용하여 모르타르 표면에 슬라임을 형성하였다. 이를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)을 이용하였으며, 또한 공초점 레이저 현미경(Confocal Laser Scanning Microscopy; CLSM)를 이용하여 황산(pH 5)에 노출된 모르타르 표면에서 박테리아 및 슬라임의 거동을 평가하였다. 실험결과 슬라임은 73.5% 생성되었으며 슬라임 두께는 56.9㎛로 나타났다.
이와 같이, 기존 연구에서는 박테리아를 활용한 친환경 콘크리트는 목표 성능과 수명을 꾸준히 유지할 수 있는 자기치유 콘크리트 및 수질정화용 콘크리트에 대한 연구가 주로 이루어지고 있으나, 박테리아 요소기술 및 박테리아의 슬라임 형성에 기반한 코팅재에 관련된 국내·외 특허 및 유사연구는 거의 없는 실정이다.
본 발명은 박테리아와 콘크리트 기술을 융합하는 기초기술로서 슬라임(글라이코 캘리스 막) 박테리아를 활용한 코팅재를 제시하고, 이를 기반으로 콘크리트 내황산 거동에 대한 박테리아 슬라임 기반의 코팅재의 영향을 평가하고자 하며, 이를 위한 본 발명의 목적은 슬라임 형성이 가능한 최적의 박테리아를 선정하고자 하고, 슬라임 생성을 위한 박테리아의 배양 및 최적의 배지조건 제시하고자 하고, 슬라임이 형성된 박테리아의 고정화를 위한 최적의 흡착재를 제시하고자 하고, 박테리아 슬라임 기반의 코팅재 기술을 정립하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 슬라임 형성 박테리아를 흡착시킨 흡착재 및 결합재를 포함하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 슬라임 형성 박테리아는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus), 홍색황세균(purple sulfur bacteria), 녹색황세균(green sulfur bacteria), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 흡착재는 고 흡수성 수지, 고 다공성 수지, 팽창질석, 펄라이트 및 규조토로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 결합재는 황토 기반 결합재, α-반수석고, 고로슬래그, 플라이애쉬, 보통 포틀랜드 시멘트 및 마그네시아-인산염 결합재로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
상기 마그네시아-인산염 결합재는 인산염 함량이 10~50중량%인 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 인산염은 인산칼륨(KH2PO4), 이인산칼슘(Ca(H2PO4)2), 인산나트륨(NaH2PO4), 인산암모늄(NH4H2PO4), 인산이칼륨(K2HPO4), 인산칼슘(CaHPO4), 인산이나트륨(Na2HPO4) 및 인산이암모늄((NH4)2HPO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 마그네시아-인산염 결합재는 상기 마그네시아-인산염 복합체 100중량부에 대하여 지연제 1~10중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 슬라임 형성 박테리아에 의해 형성된 이산화규소(SiO2)가 공극을 차폐시키는 내부구조를 가지는 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 콘크리트 구조체 표면의 화학적 침식 방지를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 콘크리트 구조체는 하수관거인 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 화학적 침식은 황산에 의한 것임을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
또한 상기 콘크리트 구조체 표면에 0.5~10mm 두께로 도포되는 것을 특징으로 하는 코팅재를 제공한다.
상기 또 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 슬라임 형성 박테리아를 배양하여 슬라임을 형성시키는 단계; 상기 슬라임이 형성된 박테리아의 고정을 위해 흡착재를 이용하여 상기 슬라임이 형성된 박테리아를 흡착시키는 단계; 및 상기 박테리아가 흡착된 흡착재를 결합재와 혼합하는 단계;를 포함하는 코팅재 제조방법을 제공한다.
또한 상기 슬라임 형성 박테리아는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus), 홍색황세균(purple sulfur bacteria), 녹색황세균(green sulfur bacteria), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus), 홍색황세균(purple sulfur bacteria) 및 녹색황세균(green sulfur bacteria)은 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.1~5g, 디소듐 숙시네이트 헥사하이드레이트(Disodium succinate hexahydrate) 1~50g, 무수에탄올(Absolute ethanol) 0.1~5㎖, 구연산철 용액(Ferric citrate solution) 0.1~5㎖, 인산이수소칼륨(KH2PO4) 0.1~5g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO4.7H2O) 0.1~5g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~5g, 염화암모늄(NH4Cl) 0.1~5g 및 염화칼슘이수화물(CaCl2.2H2O) 0.01~0.5g를 포함하는 배지에서 pH 5~9 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)는 정제수 1ℓ 기준으로 동물 조직의 펩신 소화물(Peptic digest of animal tissue) 1~10g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~3g, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g 및 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~3g을 포함하는 배지에서 pH 4~10 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 배양에 사용된 탄소원은 말토오스(Maltose), 덱스트로오스(Dextrose) 및 프룩토오스(Fructose)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 흡착재는 고 흡수성 수지, 고 다공성 수지, 팽창질석, 펄라이트 및 규조토로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 흡착 시 사용되는 상기 슬라임이 형성된 박테리아의 상기 흡착재에 대한 혼입양은 박테리아 배양액 중량 기준으로 상기 흡착재가 상기 고 흡수성 수지 또는 고 다공성 수지일 경우 50~200배이고, 상기 흡착재가 상기 팽창질석, 펄라이트 또는 규조토일 경우 5~20배인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 흡착은 망사눈의 크기가 100㎛~5mm 및 두께가 0.5~50mm인 망사형의 흡착 패드에 상기 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 상기 박테리아의 배양액에 침지시키는 단계를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 흡착 패드의 소재는 강재인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 흡착재를 이용한 흡착은 상기 망사형의 흡착 패드에 상기 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 상기 박테리아의 배양액 중에 부유시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한 상기 흡착 패드는 상기 흡착 패드 하단에 연결된 평형추에 의해 부유되고, 상기 평형추의 무게는 하기 수학식 1에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
[수학식 1]
(수학식 1에서, d는 흡착 패드의 침지 깊이, WL은 적재하중, WS는 고정하중, L 및 B는 흡착 패드의 길이 및 폭, γw는 배양액의 단위용적 중량이다.)
또한 상기 박테리아가 흡착된 흡착재 및 상기 결합재의 혼합 시 상기 결합재의 사용량은 상기 박테리아가 흡착된 흡착재 중량의 0.5~3배인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 콘크리트 내화학성을 고려한 최적의 슬라임 형성 박테리아 및 최적의 슬라임 형성 조건을 제공할 수 있다.
또한 기존 콘크리트 배합 시 단순 투입이 아닌 박테리아 자가영양 생존환경을 위한 최적의 흡착방법을 제공할 수 있다.
또한 박테리아 생장환경을 고려한 pH 8~10 수준의 최적 결합재의 활용 기술을 제공할 수 있다.
또한 박테리아 투입을 위한 종래기술에 비해 경제적이고 다량의 박테리아를 용이하면서도 실질적인 흡착이 가능하도록 하는 방법을 제공할 수 있다.
또한 콘크리트 하수관거의 화학적 침식에 대한 메커니즘과 슬라임 형성 박테리아의 내황산성 메커니즘을 고려한 새로운 개념의 콘크리트 내화학성과 내구성을 향상시키는 코팅재 기술을 제공할 수 있다.
도 1은 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris) 및 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus)에서 세포 주변에 슬라임(glycocalyx) 막을 형성하고 있는 것을 나타낸 사진,
도 2는 황산에 의한 콘크리트의 성능저하 메커니즘을 나타낸 모식도,
도 3은 슬라임을 형성한 박테리아 기반의 코팅재 메커니즘을 나타낸 모식도 및 코팅재 내부 미세구조의 SEM 분석 사진,
도 4는 본 발명의 실시예에서 박테리아 흡착을 위한 흡착 패드(a)와 흡착 패드가 침지된 배양액 통(b)을 예시적으로 나타낸 모식도,
도 5는 본 발명의 실시예에서 배양된 박테리아의 7일 후 변화된 모습을 나타낸 사진,
도 6은 본 발명의 실시예에서 배양된 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 슬라임 막의 형상 및 구조에 대한 현미경 사진,
도 7은 본 발명의 실시예에서 각 배지에 따른 슬라임 막을 동결 건조하여 나타낸 사진,
도 8은 본 발명의 실시예에서 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus) 및 슬라임 생성량을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 실시예에서 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 슬라임 구성비를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 실시예에서 고 흡수성 수지의 표면구조를 나타낸 사진,
도 11은 본 발명의 실시예에서 고 다공성 수지의 표면구조를 나타낸 사진,
도 12는 본 발명의 실시예에서 팽창질석의 표면구조를 나타낸 사진,
도 13은 본 발명의 실시예에서 펄라이트의 표면구조를 나타낸 사진,
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시예에서 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)에 대한 흡착재별 표면 조직의 관찰결과를 나타낸 사진,
도 15는 본 발명의 실시예에서 황토기반 결합재의 X선 회절 분석(XRD) 결과를 나타낸 그래프,
도 16은 본 발명의 실험예 1에서 황산 5% 용액에 침지된 콘크리트의 황산 침투깊이 측정방법을 설명하는 모식도 및 사진,
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 실험예 1에서 코팅재의 박테리아 혼입 유무 및 배지 종류에 따른 X선 회절분석(XRD) 패턴을 나타낸 그래프,
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 실험예 1에서 코팅재의 박테리아 혼입 유무 및 배지 종류에 따른 내부 미세구조를 나타낸 사진,
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산 침지에 따른 침지일수별 시험체의 외관 상태를 나타낸 사진,
도 20은 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산 침투깊이를 관찰한 결과를 나타낸 사진,
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 반응생성물의 주요 회절 피크를 분석한 결과를 나타낸 그래프,
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 조직구조 및 화학적 구성원소 분석 결과를 나타낸 사진,
도 23은 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산 침지일수별 중량 변화를 나타낸 그래프,
도 24는 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비를 나타낸 그래프,
도 25 및 도 26은 각각 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산 침지일수 28일에서 시험체 중앙부의 동 탄성계수 저하비 및 표면부의 동 탄성계수 저하비를 나타낸 그래프,
도 27a 및 도 27 b은 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산 침지에 따른 침지일수별 시험체의 외관 상태를 나타낸 사진,
도 28은 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산 침투깊이를 관찰한 결과를 나타낸 사진,
도 29a 및 도 29b는 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 반응생성물의 주요 회절 피크를 분석한 결과를 나타낸 그래프,
도 30a 및 도 30b는 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 조직구조 및 화학적 구성원소 분석 결과를 나타낸 사진,
도 31은 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산 침지일수별 중량 변화를 나타낸 그래프,
도 32는 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비를 나타낸 그래프,
도 33 및 도 34는 각각 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산 침지일수 28일에서 시험체 중앙부의 동 탄성계수 저하비 및 표면부의 동 탄성계수 저하비를 나타낸 그래프,
도 35a 및 도 35b는 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산 침지에 따른 침지일수별 시험체의 외관 상태를 나타낸 사진,
도 36은 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산 침투깊이를 관찰한 결과를 나타낸 사진,
도 37a 및 도 37b는 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 반응생성물의 주요 회절 피크를 분석한 결과를 나타낸 그래프,
도 38a 및 도 38b는 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 조직구조 및 화학적 구성원소 분석 결과를 나타낸 사진,
도 39는 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산 침지일수별 중량 변화를 나타낸 그래프,
도 40은 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비를 나타낸 그래프,
도 41 및 도 42는 각각 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산 침지일수 28일에서 시험체 중앙부의 동 탄성계수 저하비 및 표면부의 동 탄성계수 저하비를 나타낸 그래프,
도 43은 본 발명의 실험예 1에서 기존 기술과의 비교에 있어 황산침지에 따른 시험체의 침지일수별 외관 상태를 나타낸 사진,
도 44는 본 발명의 실험예 1에서 기존 기술과의 비교에 있어 황산 침지일수별 중량 변화를 나타낸 그래프,
도 45는 본 발명의 실험예 1에서 기존 기술과의 비교에 있어 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비를 나타낸 그래프,
도 46 및 도 47은 각각 본 발명의 실험예 1에서 기존 기술과의 비교에 있어 황산 침지일수 28일에서 시험체의 중앙부의 동 탄성계수 저하비 및 표면부의 동 탄성계수 저하비를 나타낸 그래프,
도 48은 본 발명의 실험예 2에서 황산침지에 따른 시험체의 침지일수별 외관 상태를 나타낸 사진,
도 49는 본 발명의 실험예 2에서 침지 재령에 따른 시험체의 압축강도의 변화를 나타낸 그래프,
도 50은 본 발명의 실험예 2에서 침지 재령에 따른 시험체의 질량 변화를 나타낸 그래프,
도 51은 본 발명의 실험예 2에서 황산 5% 수용액 침지 28일 이후 박테리아의 흡착성 평가를 위한 미세구조 분석결과를 나타낸 사진,
도 52는 본 발명의 실험예 3에서 침지 재령에 따른 시험체의 질량 변화를 나타낸 그래프,
도 53은 본 발명의 실험예 3에서 침지 재령에 따른 시험체의 압축강도의 변화를 나타낸 그래프,
도 54는 본 발명의 실험예 4에서 침지 재령 7일 후 채취된 코팅재 표면의 시료를 배지에 재접종(계대배양)하여 군락의 형성을 확인한 결과를 나타낸 사진,
도 55는 본 발명의 실험예 4에서 마그네시아-인산염 복합체 조성에 따른 시험체의 압축강도 및 pH 측정결과를 나타낸 그래프,
도 56은 본 발명의 실험예 4에서 인산염 종류에 따른 압축강도 및 pH 측정결과를 나타낸 그래프.
도 2는 황산에 의한 콘크리트의 성능저하 메커니즘을 나타낸 모식도,
도 3은 슬라임을 형성한 박테리아 기반의 코팅재 메커니즘을 나타낸 모식도 및 코팅재 내부 미세구조의 SEM 분석 사진,
도 4는 본 발명의 실시예에서 박테리아 흡착을 위한 흡착 패드(a)와 흡착 패드가 침지된 배양액 통(b)을 예시적으로 나타낸 모식도,
도 5는 본 발명의 실시예에서 배양된 박테리아의 7일 후 변화된 모습을 나타낸 사진,
도 6은 본 발명의 실시예에서 배양된 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 슬라임 막의 형상 및 구조에 대한 현미경 사진,
도 7은 본 발명의 실시예에서 각 배지에 따른 슬라임 막을 동결 건조하여 나타낸 사진,
도 8은 본 발명의 실시예에서 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus) 및 슬라임 생성량을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 실시예에서 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 슬라임 구성비를 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 실시예에서 고 흡수성 수지의 표면구조를 나타낸 사진,
도 11은 본 발명의 실시예에서 고 다공성 수지의 표면구조를 나타낸 사진,
도 12는 본 발명의 실시예에서 팽창질석의 표면구조를 나타낸 사진,
도 13은 본 발명의 실시예에서 펄라이트의 표면구조를 나타낸 사진,
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시예에서 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)에 대한 흡착재별 표면 조직의 관찰결과를 나타낸 사진,
도 15는 본 발명의 실시예에서 황토기반 결합재의 X선 회절 분석(XRD) 결과를 나타낸 그래프,
도 16은 본 발명의 실험예 1에서 황산 5% 용액에 침지된 콘크리트의 황산 침투깊이 측정방법을 설명하는 모식도 및 사진,
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 실험예 1에서 코팅재의 박테리아 혼입 유무 및 배지 종류에 따른 X선 회절분석(XRD) 패턴을 나타낸 그래프,
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 실험예 1에서 코팅재의 박테리아 혼입 유무 및 배지 종류에 따른 내부 미세구조를 나타낸 사진,
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산 침지에 따른 침지일수별 시험체의 외관 상태를 나타낸 사진,
도 20은 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산 침투깊이를 관찰한 결과를 나타낸 사진,
도 21a 및 도 21b는 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 반응생성물의 주요 회절 피크를 분석한 결과를 나타낸 그래프,
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 조직구조 및 화학적 구성원소 분석 결과를 나타낸 사진,
도 23은 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산 침지일수별 중량 변화를 나타낸 그래프,
도 24는 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비를 나타낸 그래프,
도 25 및 도 26은 각각 본 발명의 실험예 1에서 제1 그룹의 황산 침지일수 28일에서 시험체 중앙부의 동 탄성계수 저하비 및 표면부의 동 탄성계수 저하비를 나타낸 그래프,
도 27a 및 도 27 b은 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산 침지에 따른 침지일수별 시험체의 외관 상태를 나타낸 사진,
도 28은 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산 침투깊이를 관찰한 결과를 나타낸 사진,
도 29a 및 도 29b는 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 반응생성물의 주요 회절 피크를 분석한 결과를 나타낸 그래프,
도 30a 및 도 30b는 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 조직구조 및 화학적 구성원소 분석 결과를 나타낸 사진,
도 31은 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산 침지일수별 중량 변화를 나타낸 그래프,
도 32는 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비를 나타낸 그래프,
도 33 및 도 34는 각각 본 발명의 실험예 1에서 제2 그룹의 황산 침지일수 28일에서 시험체 중앙부의 동 탄성계수 저하비 및 표면부의 동 탄성계수 저하비를 나타낸 그래프,
도 35a 및 도 35b는 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산 침지에 따른 침지일수별 시험체의 외관 상태를 나타낸 사진,
도 36은 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산 침투깊이를 관찰한 결과를 나타낸 사진,
도 37a 및 도 37b는 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 반응생성물의 주요 회절 피크를 분석한 결과를 나타낸 그래프,
도 38a 및 도 38b는 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 콘크리트 표면에서 채취한 시료의 조직구조 및 화학적 구성원소 분석 결과를 나타낸 사진,
도 39는 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산 침지일수별 중량 변화를 나타낸 그래프,
도 40은 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비를 나타낸 그래프,
도 41 및 도 42는 각각 본 발명의 실험예 1에서 제3 그룹의 황산 침지일수 28일에서 시험체 중앙부의 동 탄성계수 저하비 및 표면부의 동 탄성계수 저하비를 나타낸 그래프,
도 43은 본 발명의 실험예 1에서 기존 기술과의 비교에 있어 황산침지에 따른 시험체의 침지일수별 외관 상태를 나타낸 사진,
도 44는 본 발명의 실험예 1에서 기존 기술과의 비교에 있어 황산 침지일수별 중량 변화를 나타낸 그래프,
도 45는 본 발명의 실험예 1에서 기존 기술과의 비교에 있어 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비를 나타낸 그래프,
도 46 및 도 47은 각각 본 발명의 실험예 1에서 기존 기술과의 비교에 있어 황산 침지일수 28일에서 시험체의 중앙부의 동 탄성계수 저하비 및 표면부의 동 탄성계수 저하비를 나타낸 그래프,
도 48은 본 발명의 실험예 2에서 황산침지에 따른 시험체의 침지일수별 외관 상태를 나타낸 사진,
도 49는 본 발명의 실험예 2에서 침지 재령에 따른 시험체의 압축강도의 변화를 나타낸 그래프,
도 50은 본 발명의 실험예 2에서 침지 재령에 따른 시험체의 질량 변화를 나타낸 그래프,
도 51은 본 발명의 실험예 2에서 황산 5% 수용액 침지 28일 이후 박테리아의 흡착성 평가를 위한 미세구조 분석결과를 나타낸 사진,
도 52는 본 발명의 실험예 3에서 침지 재령에 따른 시험체의 질량 변화를 나타낸 그래프,
도 53은 본 발명의 실험예 3에서 침지 재령에 따른 시험체의 압축강도의 변화를 나타낸 그래프,
도 54는 본 발명의 실험예 4에서 침지 재령 7일 후 채취된 코팅재 표면의 시료를 배지에 재접종(계대배양)하여 군락의 형성을 확인한 결과를 나타낸 사진,
도 55는 본 발명의 실험예 4에서 마그네시아-인산염 복합체 조성에 따른 시험체의 압축강도 및 pH 측정결과를 나타낸 그래프,
도 56은 본 발명의 실험예 4에서 인산염 종류에 따른 압축강도 및 pH 측정결과를 나타낸 그래프.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 슬라임 형성 박테리아를 흡착시킨 흡착재 및 결합재를 포함하는 코팅재를 개시하며, 상기 코팅재는 슬라임 형성 박테리아를 배양하여 슬라임을 형성시키는 단계; 상기 슬라임이 형성된 박테리아의 고정을 위해 흡착재를 이용하여 상기 슬라임이 형성된 박테리아를 흡착시키는 단계; 및 상기 박테리아가 흡착된 흡착재를 결합재와 혼합하는 단계;를 포함하여 제조된다.
본 발명에서 활용 가능한 박테리아로서 슬라임 형성이 가능한 박테리아라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 예컨대 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus), 홍색황세균(purple sulfur bacteria), 녹색황세균(green sulfur bacteria), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis), 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) 등(이상 국가지정 연구소재 미생물 거점센터에서 보유)이 사용될 수 있다. 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 경우 호기와 혐기성 조건에서도 생장활동이 가능하다. 정정화(2010)는 하·폐수 처리시설물의 질소와 인을 제거하기 위해 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)를 이용한 바 있다.
도 1에서는 상기 박테리아 중 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris) 및 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus)에서 세포 주변에 슬라임(glycocalyx) 막을 형성하고 있는 것을 나타내고 있다.
본 발명에 따른 코팅재는 콘크리트 구조체 표면의 화학적 침식 방지를 위해 사용될 수 있으며, 이하에서는 일례로서 황산에 의한 콘크리트의 성능저하 메커니즘과 슬라임 박테리아 기반의 코팅재 메커니즘에 대해 설명한다.
도 2는 황산에 의한 콘크리트의 성능저하 메커니즘을 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 황산환경에 노출된 콘크리트의 부식단계는 크게 3단계로 구분될 수 있다. 1단계에서는 오·폐수에 함유된 유기화합물 중 황산이온(SO4 2 -)이 황환원세균(SRB; Sulfate Reducing Bacteria)에 의해 황화수소(H2S)로 형성되며, 이는 황산화 세균에 의해 산화되어 황산(H2SO4)이 된다(하기 반응식 1 참조). 2단계에서는 생성된 황산과 시멘트 성분인 수산화칼슘(Ca(OH)2)이 반응하여 이수석고(CaSO4·2H2O)를 생성한다(하기 반응식 2 참조). 3단계에서는 생성된 이수석고와 알루민산삼칼슘(C3A)이 반응하여 에트링가이트(Ettringite)를 생성한다(하기 반응식 3 참조). 이와 같이, 시멘트 수화물과 반응하여 생성된 에트링게이트(Ettringite), 이수석고(Gypsum)는 콘크리트의 팽창 및 연화작용을 발생시키며 조직구조의 파괴 및 균열을 발생시킨다.
[반응식 1]
H2S + 2O2 → H2SO4
[반응식 2]
Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4·2H2O
[반응식 3]
CaSO4 + 3CaO3Al2O3 + 26H2O → CaO3Al2O3·3CaSO4·32H2O
도 3은 슬라임을 형성한 박테리아 기반의 코팅재 메커니즘을 나타낸 모식도 및 코팅재 내부 미세구조의 SEM 분석 사진이다.
도 3을 참조하면, 슬라임 형성 박테리아(Rhodobater capsulatus)는 신진대사활동을 통해 세포 주변에 슬라임(Glycocalyx)을 형성하며, 이로 인해 이온교환 표면의 부피가 확장되고 미생물의 집락(Colony) 및 군집형태를 나타낸다. 이러한 박테리아의 특성은 주변의 환경으로부터 칼슘을 포함한 다양한 이온들(수중에 용해된 규소, 마그네슘, 칼슘 등의 원소)을 유인한다. 코팅재 내부에 형성된 실리카 성분(SiO2)과 소량의 탄산칼슘(CaCO3)은 무기물과 유기물이 결합되어 합성된 광물로서 순수 화학적 개념의 석출이 아닌 미생물 신진대사 작용이 동반되는 생화학적 개념의 석출 반응이다(Kim, 2009). 이와 같이 형성된 슬라임 막에 의해 코팅재의 내부조직은 치밀해지고 투수성이 낮아지므로 황산염과 같은 유해물질이 외부로부터 침입하는 것을 방지하게 된다. 더욱이 코팅재 내부로 황산염이 침투하였다 하더라도 코팅재 내부에 형성된 실리카 성분(SiO2) 등 유-무기계 광물은 미세한 입자로 내부 공극을 충진시키고, 재령이 증가함에 따라 포졸란 반응에 의해 내부 조직이 치밀해지고 내구성능을 증진시키는데 효과적이다. 따라서 박테리아의 종 특이성과 배지(효소)는 광물결정의 특징을 결정하여 코팅재의 내구성 및 치밀도 향상에 종 특이성과 배지(효소) 효과를 부여하는 것으로 판단된다.
한편, 상기 박테리아 중 홍색황세균(purple sulfur bacteria) 및 녹색황세균(green sulfur bacteria)의 경우에는 황화수소를 전자 공여체(electron donor)로 사용하여 혐기나 통성혐기 조건에서 황화수소를 분해할 수 있어 보다 유리하게 채용될 수 있으며, 로도박터 캡슐라투스(Rhodobater capsulatus)의 경우에는 하폐수 처리시설물의 질소와 인을 제거하기 위해 사용되는 박테리아로서, 이로 인해 슬라임 박테리아 기반의 코팅재에서 자기정화 기능까지 부여할 수 있다.
본 발명에서는 상기 박테리아의 최적 배양환경을 조성하기 위하여 특수한 배지 조성에 대해 연구한 결과를 토대로 각 박테리아의 특성에 따라 접종 배양 시 효율이 우수한 최적의 배지 조성과 배양 조건을 제시한다.
구체적으로, 상기 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus), 홍색황세균(purple sulfur bacteria) 및 녹색황세균(green sulfur bacteria)은 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.1~5g, 디소듐 숙시네이트 헥사하이드레이트(Disodium succinate hexahydrate) 1~50g, 무수에탄올(Absolute ethanol) 0.1~5㎖, 구연산철 용액(Ferric citrate solution) 0.1~5㎖, 인산이수소칼륨(KH2PO4) 0.1~5g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO4.7H2O) 0.1~5g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~5g, 염화암모늄(NH4Cl) 0.1~5g 및 염화칼슘이수화물(CaCl2.2H2O) 0.01~0.5g를 포함하는 배지에서 pH 5~9 조건으로 배양되는 것이 바람직하고, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~2g, 디소듐 숙시네이트 헥사하이드레이트(Disodium succinate hexahydrate) 5~20g, 무수에탄올(Absolute ethanol) 0.2~1㎖, 구연산철 용액(Ferric citrate solution) 0.5~2㎖, 인산이수소칼륨(KH2PO4) 0.2~1g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO4.7H2O) 0.2~1g, 염화나트륨(NaCl) 0.2~1g, 염화암모늄(NH4Cl) 0.2~1g 및 염화칼슘이수화물(CaCl2.2H2O) 0.02~0.1g를 포함하는 배지에서 pH 6~8 조건으로 배양되는 것이 더욱 바람직하다.
또한 상기 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)는 정제수 1ℓ 기준으로 동물 조직의 펩신 소화물(Peptic digest of animal tissue) 1~10g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~3g, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g 및 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~3g을 포함하는 배지에서 pH 4~10 조건으로 배양되는 것이 바람직하고, 동물 조직의 펩신 소화물(Peptic digest of animal tissue) 3~7g, 효모 추출물(Yeast extract) 1~2g, 염화나트륨(Sodium chloride) 3~7g 및 쇠고기 추출물(Beef extract) 1~2g을 포함하는 배지에서 pH 6~8 조건으로 배양된 것이 더욱 바람직하다.
이때 상기 배지에 사용되는 탄소원으로는 말토오스(Maltose), 덱스트로오스(Dextrose) 또는 프룩토오스(Fructose)가 배지 중량에 대하여 0.1~1% 비율로 사용될 수 있으며, 박테리아의 생장속도 및 슬라임 생성량을 고려할 때 바람직하게는 말토오스(Maltose)가 0.2~0.5% 비율로 사용될 수 있다.
본 발명에서 슬라임 형성 박테리아의 흡착을 위한 재료로서는 다공성의 양이온 교환능력이 우수한 소재가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 고 흡수성 수지, 고 다공성 수지, 팽창질석, 펄라이트, 규조토 등이 사용될 수 있다.
박테리아를 콘크리트 제조 환경에 사용할 경우 박테리아를 단순 사용하게 되면 콘크리트 경화 후 수분이 없기 때문에 생장이 둔화되거나 사멸하게 된다. 경화된 콘크리트 내부에서도 박테리아가 생장할 수 있는 환경을 조성하기 위하여, 본 발명에서는 무수한 기공에 의한 다공질 구조(유효 수분율 40부피% 이상 및 공극률 50% 이상)를 가져 뛰어난 수분 흡수력과 보습력을 지닌 재료를 이용하여 박테리아를 흡착시켜 사용하도록 한다.
본 발명에 제시된 상기 박테리아 흡착 재료들은 재료 표면에 존재하는 교환성 양이온(Mg2 +, Ca2 + 등)에 의하여 유기물을 흡착하는 성질이 있어 박테리아 및 박테리아 생장에 필요한 유기성 영양분(배지 성분)을 흡수한다. 또한 pH가 6~9로서 박테리아가 생장하기 위한 최적 환경 조성에 가장 이상적인 재료이다.
상기 흡착재를 이용한 박테리아의 흡착에는 침지 공정이 이용될 수 있다. 이 경우 박테리아의 최적 흡수 효율을 위한 침지 조건에 있어서는 상기 흡착 시 사용되는 상기 슬라임이 형성된 박테리아의 상기 흡착재에 대한 혼입양은 박테리아 배양액 중량 기준으로 상기 흡착재가 상기 고 흡수성 수지 또는 고 다공성 수지일 경우에는 50~200배인 것이 바람직하고, 100~150배인 것이 더욱 바람직하며, 상기 흡착재가 상기 팽창질석, 펄라이트 또는 규조토일 경우에는 5~20배인 것이 바람직하고, 10~15배인 것이 더욱 바람직하다. 또한 박테리아 배양액에 흡착재를 침지 후 습도 40~80% 및 온도 5~40℃ 조건에서 1~10일간 보관하여 수행되는 것이 바람직하고, 침지 후 습도 50~70% 및 온도 10~30℃ 조건에서 2~5일간 보관하여 수행되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상기 흡착재는 비중이 1.0 미만으로 배양액에 침지 시 부유한다. 따라서 본 발명에서는 박테리아의 효과적인 흡착 방법이 고려되며, 도 4에 박테리아 흡착을 위한 흡착 패드(a)와 흡착 패드가 침지된 배양액 통(b)을 예시적으로 나타내었다.
도 4를 참조하면, 개폐형 클립(110)을 통해 흡착재를 투입 및 배출시키게 되고, 복수의 흡착 패드(120) 사용 시 연결용 강봉(130)을 이용하여 각 흡착 패드(120)를 연결하며, 흡착 패드(120)가 일정 간격을 유지하면서 부유하도록 평형추(140)가 최하단 흡착 패드(120)에 연결된다. 그 밖에 도 4에서는 타 박테리아에 의한 오염을 방지하기 위한 나사식의 개폐형 뚜껑(150), 나사식 개구부(160) 및 고리형 핀(170)을 도시하고 있다.
팽창질석 등 흡착재를 넣을 수 있는 망사형 흡착 패드는 알루미늄 등의 강재를 이용하여 제작하는 것이 바람직한데, 망사의 사이즈는 사용되는 흡착재의 입도 크기를 고려하여 결정하되, 바람직하게 사용될 수 있는 흡착재 및 박테리아의 종류를 고려하여 망사눈의 크기는 100㎛~5mm 및 망사형 흡착 패드의 두께는 0.5~50mm 범위의 것을 사용하며, 바람직하게는 망사눈의 크기는 300㎛~3mm 및 망사형 흡착 패드의 두께는 1~30mm 범위, 더욱 바람직하게는 망사눈의 크기는 500㎛~1mm 및 망사형 흡착 패드의 두께는 2~10mm 범위의 것을 사용할 수 있다.
망사형 흡착 패드의 길이 및 폭은 배양액 통의 지름에 따라 변화된다. 망사형 흡착 패드에는 흡착재의 투입과 배출을 자유롭게 할 수 있도록 개폐형 클립이 설치되고, 고정을 위하여 고리형 핀이 설치된다. 망사형 흡착 패드는 알루미늄 등의 강봉을 이용하여 서로 연결된다. 또한 망사형 흡착 패드의 최하부층에는 부유 방지를 위한 평형추를 설치하는데, 침지 깊이 설계를 위한 평형추의 무게는 하기 수학식 1로부터 결정된다.
[수학식 1]
수학식 1에서, d는 흡착 패드의 침지 깊이, WL은 적재하중, WS는 고정하중, L 및 B는 흡착 패드의 길이 및 폭이며, γw는 배양액의 단위용적 중량이다. 목표 침지 깊이(d)의 설정을 위한 요소 중 고정하중(WS)은 흡착 패드의 체적 및 비중에 따라 변화할 수 있으며, 이에 따라 적재하중(WL)을 평형추로서 유동적으로 변화하여 목표 침지 깊이를 확보할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 흡착재를 이용한 박테리아 흡착은 망사형의 흡착 패드(120)에 흡착재를 투입한 후 흡착 패드(120)를 박테리아의 배양액 중에 부유시켜 수행되도록 하여, 흡착 패드(120)에 담긴 흡착재가 배양액 수심의 중간부에서 부유하고 박테리아 및 유기성 영양분(배지 성분)을 고르게 흡착하도록 할 수 있다.
상기 흡착재를 이용하여 박테리아를 흡착시킨 후 박테리아가 흡착된 흡착재를 결합재와 혼합함으로써 최종 코팅재가 제조된다.
상기 결합재로는 특히 콘크리트 하수관거의 화학적 침식에 대한 메커니즘과 슬라임 형성 박테리아의 내황산성 메커니즘을 고려할 때 황토 기반 결합재, α-반수석고, 고로슬래그, 플라이애쉬, 보통 포틀랜드 시멘트 또는 마그네시아-인산염 결합재가 사용될 수 있고, 바람직하게는 황토 기반 결합재, α-반수석고 또는 마그네시아-인산염 결합재가 사용될 수 있고, 박테리아 지속 생장성을 더욱 고려할 때 가장 바람직하게는 마그네시아-인산염 결합재가 사용될 수 있다.
상기 마그네시아-인산염 결합재는 산화마그네슘(MgO)과 인산염(PO4 -)의 반응에 의해 마그네시아-인산염 복합체가 형성되어 경화되는 특성을 나타낸다. 마그네시아-인산염 결합재의 pH 및 강도발현 특성은 산화마그네슘과 인산염의 배합비율에 가장 큰 영향을 받는다. 또한 혼화재 다량치환 시멘트(시멘트 10~20%)는 장기적으로 pH 저감을 기대할 수 있으며, 소요 압축강도(부착강도) 발현도 가능하다. 따라서 박테리아의 지속적 생장을 위한 적정 pH(8~10)를 유지하고 콘크리트 구조체와의 소요 부착강도를 확보할 수 있는 결합재로서 마그네시아-인산염 복합체를 코팅재의 주요 결합재로 이용하는 것이 바람직하다.
한편, 코팅재의 효율성과 접착강도는 각각 박테리아 혼입 및 생장율과 결합재 강도 및 양에 의해 결정되므로 박테리아를 포함하는 흡착재와 결합재, 그리고 잔골재(필요 시)의 혼합비율은 코팅재의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소이다. 특히 결합재의 응결시간은 하수관거의 코팅 시공에서 가장 중요한 성능 중의 하나이므로 이를 제어할 수 있어야 한다. 따라서 소요 성능(플로우, 압축강도 및 내황산성 등)에 대한 코팅재 구성요소들의 배합설계가 매우 중요하다.
여기서, 상기 박테리아가 흡착된 흡착재 및 상기 결합재의 혼합 시 결합재의 사용량은 상기 결합재가 황토 기반 결합재일 경우 박테리아가 흡착된 흡착재 중량의 0.5~3배인 것이 바람직하고, 1~1.5배인 것이 더욱 바람직하며, 상기 결합재가 α-반수석고, 고로슬래그, 플라이애쉬, 보통 포틀랜드 시멘트 또는 마그네시아-인산염 결합재일 경우 박테리아가 흡착된 흡착재 중량의 0.5~3배인 것이 바람직하고, 1.5~2.5배인 것이 더욱 바람직하다.
박테리아가 흡착된 흡착재와 결합재를 계량하여 배합 용기에 넣고 충분히 혼합하여 최종 제조되는 코팅재는 화학적 침식에 노출되는 콘크리트 구조체 표면에 도포되어 화학적 침식 방지를 위해 사용된다. 이때 코팅재의 장기간 성능 구현과 함께 재료 경제적 측면에서 도포 두께를 0.5~10mm로 하는 것이 바람직하고, 2~4mm로 하는 것이 더욱 바람직하다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
슬라임
박테리아
본 실시예에서는 슬라임 형성 가능한 박테리아로 국가지정 연구소재 미생물 거점센터에서 보유하고 있는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis) 박테리아를 사용하였다.
로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus) 및 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris)를 배양하기 위한 기본배지를 하기 표 1에 나타내었고, 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 배양하기 위한 기본배지를 하기 표 2에 나타내었다.
로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 경우 상기 배지를 기본으로 탄소원(dextrose, maltose 및 frutose)을 각각 배지 중량에 대하여 0.3%씩 넣고, pH를 6.8로 조절한 뒤, 0.1%(v/v)의 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)를 각각의 탄소원에 따라 접종하여 배양하였다. 접종된 박테리아는 혐기 조건하에서 조도 2,000lux, 30℃에서 7일 동안 인큐베이터를 이용하여 배양되었다. 도 5에서는 배양된 박테리아의 7일 후 변화된 모습을 나타내고 있으며, 육안으로 배지색의 변화를 관찰하여 배양상태를 확인하였다.
배양된 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 슬라임 막의 형상 및 구조를 확인하기 위하여 현미경 관찰을 하였다. 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 슬라임 막과 세포를 구분하기 위해 Maneval's staining method 방법을 이용하여 염색하였다. 도 6에 현미경 관찰결과를 나타내었으며, 분홍색으로 염색된 부분은 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 세포이며, 세포를 둘러싸고 있는 흰색부분은 슬라임(glycocalyx) 막이다.
배지에 따른 박테리아의 생장속도 및 슬라임 생성량을 평가하기 위해 다음과 같이 실험을 진행하였다. 배양된 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)를 1,000ppm에서 30분 동안 원심분리하여 얻어진 상등액을 에탄올과 1:1(v/v)로 넣고 4℃에서 12시간 동안 침전시켜 슬라임 막을 분리하였다.
도 7은 각 배지에 따른 슬라임 막을 동결 건조하여 나타낸 사진이고, 도 8은 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus) 및 슬라임 생성량을 나타낸 그래프이고, 도 9는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 슬라임 구성비를 나타낸 그래프이다.
실험결과 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)는 도 8에 나타낸 바와 같이 말토오스에서 0.89g/L로 생장속도가 가장 빠르게 나타났다. 또한 말토오스에서 배양한 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)의 슬라임은 약 0.25g/L로 가장 많은 생성량을 나타냈다. 특히 도 9에 나타낸 바와 같이 말토오스에서 배양한 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)가 1개의 세포 당 가장 많은 슬라임을 생성하였다. 하지만 프룩토오스에서 배양한 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)는 0.3g/L로 가장 적은 생장속도를 나타낸 반면, 한 세포당 슬라임은 약 21%로 덱스트로오스에서 배양한 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)와 비슷한 생성량을 나타냈다.
슬라임
박테리아 기반의
흡착재
슬라임이 형성된 박테리아를 고정화하고 유기영양분(배지)의 흡착을 위하여 우선 흡착성능이 우수한 흡착재별 특성을 평가하였다. 본 실시예에서 평가된 흡착재는 4가지로서 T사의 고 흡수성 수지(Hydrogel), T사의 고 다공성 수지(Hydrogel), S사의 팽창질석, S사의 펄라이트를 사용하였다. 일반적으로 박테리아는 재료의 표면 조직, 비표면적 및 표면소수성에 의해 흡착에 대한 영향을 받는다(pederesn, 1990; Kidda et al., 1992).따라서 본 실시예에서는 박테리아를 흡착하기 전에 각각의 흡착재의 표면구조와 비표면적으로 평가하였다. 표면구조는 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰되었다.또한 비표면적은 BET(Brunauer, Emmett, Teller)를 이용하여 평가되었다.
먼저, 고 흡수성 수지는 카르복실기(COO-) 등과 같은 친수성 고분자를 가교하여 만들어진 3차원 망상구조물이다(황준석, 2008). 고 흡수성 수지는 친수성으로 인해 자기 중량의 수 백배의 물을 흡수하며 팽창하는 성질을 가진다. 하지만 이는 가교구조에 의해 물에 용해되지 않는 성질을 가지고 있다(박상범, 1994). 고 흡수성 수지의 표면구조는 도 10에 나타낸 바와 같이, 표면 공극이 존재하지 않지만 내부는 수백 ㎛ 이상의 공극들이 벌집모양으로 존재하고 있다. 이로 인해 고 흡수성 수지는 내부 확산에 의한 흡수, 흡착 및 팽창을 하게 된다(황준석, 2008). 고 흡수성 수지의 비표면적은 0.11㎡/g으로 측정되었다.
다음으로, 고 다공성 수지는 고 흡수성 수지(Hydrogel)의 분쇄를 통해 표면에 다양한 크기의 공극이 존재하며 모세관현상에 의한 빠른 흡수, 흡착 및 팽윤이 가능하다. 특히 고 다공성 수지는 도 11에 나타낸 바와 같이, 공극들이 서로 연결된 다공성 구조를 나타낸다. 고 다공성 수지의 비표면적은 3.54㎡/g으로 측정되었다.
다음으로, 팽창질석은 도 12에 나타낸 바와 같이, 층과 층 사이가 빗살층으로 형성되어 있는 표면구조를 나타낸다. 이는 질석을 900~1,000℃로 가열하면 팽창되면서 층 사이에 있던 수분이 증기로 변하면서 형성된 구조이다(송재홍, 2009). 팽창질석의 물리적 특성과 화학 조성을 하기 표 3에 나타내었다.
다음으로, 펄라이트(Perlite)는 원석을 8~12메쉬 이하로 분쇄하여 1,000℃ 이상으로 가열하면 펄라이트에 함유된 휘발유 성분이 변하면서 연화된 입자의 내부에서 팽창하여 내구기공이 형성된다. 펄라이트의 표면구조는 도 13에 나타낸 바와 같이, 유리질의 피막이 둘러싸인 형상을 갖는다. 펄라이트의 화학 조성 및 물리적 특성을 각각 하기 표 4 및 표 5에 나타내었다.
슬라임 기반의 박테리아를 고정화시키기 위하여 각각의 흡착재를 배양된 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)에 24시간 동안 침지하여 흡착하였다. 구체적으로, 도 4를 참조하여 배양액 통에 상기 각 제조된 박테리아 배양액을 넣고, 정량된 흡착재를 흡착 패드(망사눈의 크기 700×700㎛, 패드 두께 5mm, 5단 연결)에 투입하고 배양액 통에 침지 및 부유(평형추 무게는 상기 수학식 1에 따라 결정)시킨 후 뚜껑을 닫아 습도 60% 및 온도 20℃의 환경에서 72시간 동안 보관하였다. 이후, 배양액 통으로부터 흡착 패드를 꺼내어 개폐형 클립을 통해 박테리아가 흡착된 흡착재를 회수하였다.
이때 박테리아가 흡착된 흡착재 제조 시 흡착패드의 평균 침지 깊이(d)는 적재하중(WL) 10kg(5kg 평형추 2개), 고정하중(WS) 10kg(2kg 흡착패드 5개), 흡착패드 크기(L×B = 0.3m×0.3m), 배양액의 단위용적 중량(γw) 1,000kg/㎥으로부터 약 0.22m로 결정하였다.
상기 제조된 박테리아가 흡착된 흡착재로서 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 흡착시킨 흡착재의 흡착 성능을 평가하기 위해 주사전자현미경(SEM) 분석 결과를 도 3(팽창질석 사용) 및 도 4(고 흡수성 수지 사용, 내부 및 표면 구조형상 관찰)에 나타내었다. 도 3에서는 비교를 위해 미생물을 사용하지 않은 경우에 대한 결과를 함께 나타내었다. 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 박테리아의 양호한 흡착 상태(원 부분 참조)를 보이는 것을 알 수 있다.
또한 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)에 대해서는 박테리아 흡착을 평가하기 위하여 흡착재별 표면 조직을 1,000~10,000배율의 주사전자현미경(SEM)을 통해 관찰하였고, 그 결과를 도 14a 및 도 14b에 나타내었다. 실험결과, 모든 흡착재에서는 슬라임을 형성한 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)가 흡착된 것을 확인할 수 있었으며, 고 다공성 수지에서는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)가 군집형태로 관찰되었다. 또한 이는 팽창질석에서도 비슷한 형상을 나타냈다.
박테리아가 흡착된 재료기반의
코팅재
전술한 바와 같이, 슬라임 형성이 가능한 박테리아 중 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)에 대하여 슬라임 생성량 및 생장평가를 통해 최적의 배지조건으로 선정된 말토오스와 덱스트로오스를 이용하여 7일 동안 배양하였고, 배양된 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)를 고정화하기 위해서 표면 조직 및 비표면적이 우수한 고 다공성 수지를 이용하여 24시간 동안 침지하여 흡착하였다. 이후, 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)가 흡착되어 슬라임을 형성한 고 다공성 수지와 황토기반 결합재를 이용하여 코팅재를 제조하였다.
황토기반 결합재는 슬라임 박테리아 기반의 코팅재를 제조하기 위해 사용된 결합재로, C사의 황토기반 결합재를 사용하였다. 사용된 황토기반 결합재의 화학적 조성비(X선 형광분석기; XRF) 및 X선 회절 분석(XRD) 결과를 각각 하기 표 6 및 도 15에 나타내었다. 사용된 황토기반 결합재는 850℃에서 소성되었으며, 화학적 조성비와 X선 회절을 측정한 결과 주요성분은 SiO2와 C3A(Al2O3)로 구성되어 있다. 또한 20℃ 이하, 55℃ 이상에서는 비정형의 결정상인 비정형 피크를 나타냈다. 비중과 분말도는 각각 2.8과 3,200㎠/g이다.
박테리아가 흡착된 고 다공성 수지와 황토기반 결합재(황토 시멘트)를 계량하여 배합 용기에 넣어 3분 이상 충분히 혼합한 후 코팅재를 제조하고, 콘크리트에 붓을 이용하여 도포하는 방법으로 이하의 실험을 진행하였다. 코팅재가 도포된 콘크리트의 두께는 12시간 건조 후 버니어캘리퍼스를 이용하여 측정하였고, 오차범위는 ±0.5mm로 하였다.
실험예
1(활용 박테리아:
로도박터
캡슐라투스(
Rhodobacter
capsulatus
))
슬라임 박테리아 코팅재가 도포된 콘크리트의 내 황산성 평가를 위하여 코팅재 배합실험을 총 3그룹으로 분류하여 총 18배합의 실험을 진행하였다. 콘크리트의 코팅재 배합을 위한 각 그룹에서의 배합상세를 하기 표 7에 나타내었다.
각 그룹의 변수는 결합재 치환율, 흡착재의 박테리아 혼입양, 코팅재의 두께이다. 제1 그룹은 결합재의 치환율을 주요 변수로 하였으며, 흡착재에 대한 박테리아 혼입양 100배 중량에서 치환율의 범위는 1~2로 설정하였다. 제2 그룹은 제1 그룹의 실험결과를 통해 결정된 결합재 치환율로 고정하였으며, 주요 변수는 흡착재에 대한 박테리아 혼입양으로, 범위는 50~200배 중량이다. 제3 그룹은 제1 그룹 및 제2 그룹의 시험결과에 따라 결합재 치환율과 흡착재의 박테리아 혼입율을 고정하였으며, 코팅 두께를 주요 변수로 범위는 0.5~3mm이다. 모든 그룹에서 코팅재를 도포하지 않은 콘크리트와 박테리아를 혼입하지 않은 코팅재를 각각 비교하여 분석하였다. 기존 기술과의 비교 분석 결과는 후술하기로 한다.
본 실험예에서 코팅재를 도포하기 위한 콘크리트의 배합상세는 하기 표 8에 나타내었다. 물-시멘트비는 하수시설용 현장타설 콘크리트의 설계 강도를 고려하여 0.45로 하였다. 사용된 시멘트는 국내 S사의 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 잔골재와 굵은 골재는 각각 최대직경 5mm 이하의 천연모래와 최대직경 25mm의 부순자갈을 이용하였다. 사용된 모래와 부순 자갈의 밀도는 각각 2.62 및 2.6이며,조립률은 각각 2.5 및 6.3이다. 배합 시 이용된 골재들의 수분상태는 표면건조포화상태가 유지되도록 하였다.
콘크리트의 배합에는 300리터 용량의 강제식 믹서기를 사용하였다. 배합방법을 간략히 설명하면, 먼저 300리터의 배합 용기에 굵은 골재와 잔골재를 투입하여 1분간 건비빔을 실시하고 시멘트를 투입하여 다시 1분 30초간 건비빔을 실시하였다. 마지막으로 물을 투입하여 약 2분간 배합하였다. 모든 배합에는 감수제 및 공기연행제를 첨가하지 않았다. 콘크리트의 내황산성 평가를 위해 Φ100×200원형 공
시체 몰드에 타설하였다. 타설된 공시체를 1일 후 탈형하여 항온항습 환경에서 재령 28일까지 양생을 실시하였다. 양생온도는 20±2℃이며 습도는 60±5%이다.
상기 제조된 코팅재와 코팅재가 코팅된 콘크리트 성능에 대한 평가방법은 다음과 같다.
[코팅재 평가방법]
(1) 수화생성물
코팅재의 수화생성물을 평가하기 위하여 콘크리트와 박테리아 혼입 유무에 따라 재령 28일에 시료를 채취하였다. 채취한 시료에 대하여 X선 회절분석(XRD)을 측정하기 위해 1mm 이하로 분쇄하였다. X선 회절분석(XRD)은 X선이 각도에 따라 시료표면의 결정층에 의해 산란되어 회절상을 얻을 수 있는 분석 장치이다. 이를 이용하여 각 시료의 수화반응 생성물의 주요 회절 피크를 분석하였다.
(2) 내부 미세구조 및 원소분석
채취된 시료의 내부 미세구조 및 화학적 구성원소를 분석하기 위하여 주사전자현미경(SEM) 및 원소분석기(EDS)를 이용하였다. 시료에 전자선을 방출하여 5,000~30,000배율로 내부 미세구조를 확인하였다. 또한, 전자선 조사 시 방출되는 X선 에너지를 이용하여 표면에 함유된 원소의 종류와 함량을 조사하였다.
[콘크리트 성능 평가방법]
주요 변수에 따라 코팅재가 도포된 콘크리트의 황산 저항성을 평가하기 위하여 JIS K 8951 기준에 준하여 화학시료용액에 침지하였다. 화학시료용액으로 황산을 5%의 농도로 증류수에 용해시켜 제조하여 사용하였으며, 제조된 황산 용액의 농도가 묽어지는 점을 고려하여 14일에 한번 씩 용액을 교체하였다.
(1) 외관 조사
황산 5% 용액에 침지된 콘크리트의 침지일수별 성능저하를 평가하기 위해 용액에 침지 전과 침지 1일, 3일, 7일 및 28일에 시험체에 대하여 육안으로 외관 변화를 평가하였다.
(2) 황산 침투깊이
황산 5% 용액에 침지된 콘크리트의 황산 침투깊이 측정을 위해 도 16에 나타낸 바와 같이, 침지일수 28일에서 단면을 잘라 침식깊이를 관찰하였다.
(3) 황산에 침식된 콘크리트의 표면구조 및 반응생성물
황산 5% 용액에 침지된 콘크리트의 표면구조 및 반응생성물 평가를 위해 도 16에 나타낸 바와 같이, 침지일수 28일에서 표면(0~1cm)의 시료를 채취하였다. 채취된 시료의 반응생성물을 평가하기 위하여 X선 회절분석(XRD) 장치를 이용하였다. 또한 내부 미세구조 및 표면에 함유된 원소의 종류와 함유량을 평가하기 위하여 전자현미경(SEM) 및 원소분석기(EDS)를 이용하였다.
(4) 중량
중량 측정을 위해 침지일수 1일, 3일, 7일 및 28일에 황산 5% 용액에 침지된 몰드를 꺼내어 사용하였다. 용액이 제거된 몰드에 대하여 수건 등으로 겉 표면의 물기를 제거하여 건조로 안에서 105±5℃의 온도로 절건시켜 1g 단위인 저울을 사용하여 질량 W(g)를 측정하였다. 또한 코팅재의 중량을 무시하기 위하여 하기 수학식 2와 같이, 황산용액에 침지하기 전의 질량 대비 침지일수별 중량의 비로 나타내었다.
[수학식 2]
수학식 2에서 W는 중량(%)을, Wt는 침지일수별 공시체의 질량(kg)을, W0는 침지 전의 공시체 질량(kg)을 나타낸다.
(5) 압축강도
압축강도 평가를 위해 KS(2013)에 따라 Φ100×200몰드를 사용하여 침지일수 1일, 3일, 7일 및 28일에 용액에 침지된 몰드를 꺼내어 사용하였다. 용액이 제거된 몰드를 수건 등으로 겉 표면의 물기를 제거하여 건조로 안에서 105±5℃의 온도로 절건시킨 후 500kN 용량의 만능재료시험기를 이용하여 콘크리트의 압축강도를 측정하였다. 또한 황산 침지일수별 압축강도의 저하를 평가하기 위하여 황산 5% 용액에 침지하기 전의 압축강도를 평가하였다.
(6) 동 탄성계수
동 탄성계수 평가를 위해 KS(2013)에 따라 1차 공명 진동수를 통해 동 탄성계수를 평가하였다. 측정은 침지일수 28일에 용액에 침지된 몰드를 꺼내어 사용하였다. 측정 장치로 500~10,000Hz 용량의 공명주파수 측정기기(ERUDITE)를 사용하여 측정하였다. 측정부위는 황산에 침식된 시험체의 중앙부와 표면부의 열화 정도를 비교하기 위하여 중앙부와 표면부를 각각 3번씩 측정하여 평균값으로 산출하였다.또한 공명주파수 시험에 의한 동 탄성계수는 수학식 3 및 수학식 4에 의해 산정되었다.
[수학식 3]
[수학식 4]
수학식 3에서 Ep는 동탄성계수(MPa)를, W는 공시체의 질량(kg)을, F는 종 진동의 1차 공명 진동수(Hz)를 나타내고, 수학식 4에서 L은 공시체의 길이(mm)를, A는 공시체의 단면적(㎟)을 나타낸다.
코팅재
평가 결과
(1) 수화생성물
코팅재의 박테리아 혼입 유무 및 배지 종류에 따른 X선 회절분석(XRD) 패턴을 도 17a 및 도 17b에 나타내었다. 본 평가 대상이 되는 박테리아가 혼입된 코팅재는 말토오스 및 덱스트로오스에서 각각 7일 동안 배양된 박테리아가 사용되고, 고 다공성수지 대비 박테리아 혼입양은 100배 중량으로 하여 24시간 동안 침지하여 흡착시키고, 흡착재-결합재비는 1:1.5로 하여 제조된 것이다. 한편, 박테리아가 혼입되지 않은 코팅재는 고 다 공성수지를 증류수에 침지하여 흡수시켰다. 고 다공성 수지 대비 증류수양 및 흡착재-결합재비는 동일하게 하였다.
X선 회절분석(XRD) 결과 박테리아가 혼입되지 않은 코팅재는 10℃ 부근에서 석고(Gypsum)의 결정상이 확인되었다. 형성된 석고(Gypsum)는 코팅재의 연화작용(Softening reaction)을 유발하며 이는 수화반응생성물인 규산삼칼슘(C3S)과 반응하여 에트링가이트(Ettringite)를 형성한다. 따라서 박테리아가 혼입되지 않은 코팅재는 형성된 석고와 에트링가이트로 인해 체적이 증가하고 이에 따라 팽창 및 균열이 발생할 가능성이 높다. 한편, 박테리아를 혼입한 코팅재에서는 다량의 실리카 성분인 규산염 광물(SiO2, Quartz)이 형성되었다. SiO2는 0.1~1㎛의 입도를 지닌 미세한 입자로서 반응성이 크고 시멘트 입자의 공극을 충전하는 효과가 있다. 이로 인해 후술하는 바와 같이, 박테리아를 혼입한 시험체에서 더 높은 압축강도를 보이는데 이는 코팅재에서 SiO2로 인해 내부치밀도가 향상되었기 때문인 것으로 판단된다(Shiand Day, 2001). 또한 Ghosh(2009)는 단백질을 세포 주변에 형성한 슈와넬라(Shewanella) 박테리아를 혼입한 모르타르에서 SiO2가 석출되었으며 이로 인해 강도가 증진되었다고 보고하였다. 하지만 현재 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)에 의해 형성된 SiO2에 관해서는 보고된 바가 없다. 따라서 박테리아에 의해 형성된 외부물질인 슬라임, 단백질, 아미노산 등에 의해 새로운 유기-무기광물(organic-inorgainc crystal)들이 형성될 것으로 기대된다. 또한 말토오스 배지에서 배양한 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)를 혼입한 코팅재에서는 탄산칼슘 강도(CaCO3 Intensity) 피크의 수가 박테리아를 무 혼입한 코팅재에 비해 증가하였으나 덱스트로오스 배지는 별다른 영향을 나타내지 않았다. 따라서 박테리아의 종 특이성과 배지(효소)는 광물결정의 특징을 결정하며 코팅재의 내구성 향상에 종 특이성과 배지(효소) 효과를 부여할 수 있을 것으로 기대된다.
(2) 내부 미세구조
코팅재의 박테리아 혼입 유무 및 배지 종류에 따른 내부 미세구조를 도 18a 및 도 18b에 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 코팅재의 경우에는 다수의 내부 미세공극, 석고 및 에트링가이트(Ettringite)가 존재하였다. 반면 박테리아를 혼입한 코팅재는 내부의 미세공극들이 거의 보이지 않았으며, 이는 형성된 SiO2로 인해 치밀도가 향상되었기 때문이다(Shi and Day, 2001). 또한 코팅재 내부에서 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus) 콜로니(Colony)를 형성하고 군집형태로 나타나 있다.
콘크리트 성능 평가 결과(제1 그룹)
(1) 외관 변화
제1 그룹의 주요 변수는 박테리아 흡착재-결합재비이며, 황산 침지에 따른 침지일수별 시험체의 외관 상태를 도 19a 및 도 19b에에 나타내었다. 무 코팅 시험체(C)의 외관 변화의 경우 침지일수가 증가할수록 페이스트가 없어져 골재가 노출되었다. 또한 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G1-B1, G1-B1.5 및 G1-B2.0)의 침지일수별 외관 변화의 경우 흡착재-결합재비가 감소함에 따라 코팅재의 박리가 심하게 나타났으며 흡착재-결합재비가 1.0인 시험체에서는 침지일수 28일에서 시험체 C와 비슷한 외관 상태를 나타냈다. 슬라임 박테리아 기반의 시험체의 침지일수별 외관 변화의 경우 흡착재-결합재비가 1.0인 시험체가 침지일수가 증가할수록 모서리 부분에서 코팅재 박리가 나타났으나, 흡착재-결합재비가 1.5 및 2.0인 시험체에서는 침지일수에 따른 황산침식에 대한 영향은 미미하였다.
(2) 황산 침투깊이
도 20에서는 결합재 치환율에 따라 시험체의 황산 침투깊이를 관찰하기 위해 침지일수 28일에서 Φ100×200mm 공시체의 단면을 4등분하고 단면을 잘라 이미지 분석을 수행한 결과를 나타내고 있다. 침투깊이는 공시체의 표면에서부터 백색의 탈색현상이 발생된 지점까지의 거리로 하였다. 코팅재를 도포하지 않은 시험체(C)는 표면에서 약 3.39mm가 백색으로 탈색되었다. 또한 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G1-B1.0, G1-B1.5 및 G1-B2.0)의 경우에는 결합재 치환율이 감소함에 따라 백색의 탈색현상이 더 크게 나타났다. 반면 박테리아를 혼입한 모든 시험체에서는 코팅재 탈락현상과 상관없이 콘크리트 표면에서 백색의 탈색현상이 나타나지 않았다.
(3) 표면 미세구조 및 반응생성물
X선 회절분석(XRD)을 이용하여 콘크리트 표면(0~1cm)에서 채취한 시료의 반응생성물의 주요 회절 피크를 분석한 결과를 도 21a 및 도 21b에 나타내었고, 주사전자현미경(SEM) 및 원소분석기(EDS)를 이용하여 채취한 시료의 조직구조 및 화학적 구성원소 분석 결과를 도 22a 내지 도 22c에 나타내었다. 모든 시험체에서는 주요 반응생성물인 석고(Gypsum; CaSO4·H2O), 석영(Quartz; SiO2) 및 이산화황(SulfurOxide; SO2)을 나타내는 피크가 생성되었다. 특히 코팅재를 도포하지 않은 시험체(C) 반응생성물인 석고(CaSO4·H2O) 및 이산화황(SO2)의 강도(Intensity)가 강하게 형성되었으며 내부 미세구조에서도 다량의 석고(CaSO4·H2O) 및 에트링가이트(Ettringite)의 형상이 확인되었다. 이로 인해 C 시험체는 다른 시험체에 비해 낮은 압축강도를 나타낸 것으로 판단된다. 또한 박테리아를 무 혼입한 시험체(G1-B1.0, G1-B1.5 및 G1-B2.0)는 흡착재-결합재비와 상관없이 C 시험체와 비슷한 경향을 나타내었다. 반면 박테리아를 혼입한 시험체는 흡착재-결합재비가 증가할수록 C 시험체에 비해 석영(SiO2)의 피크의 수와 강도(Intensity)가 강하게 형성되었다. 내부 미세구조에서는 흡착재-결합재비가 증가할수록 내부 치밀도가 향상되었고, 소량의 에트링가이트(Ettringite) 형상이 확인되었다. 또한 EDS 분석결과 박테리아를 혼입한 시험체에서는 Si 원소가 높게 나타나는 경향을 나타냈으며 배지 성분으로 인해 Mg, Na, Cl 및 P 등이 추가로 확인되었다.
(4) 중량 변화
도 23에는 제1 그룹의 황산 침지일수별 중량 변화를 나타내었다. 코팅재를 도포하지 않은 시험체(C)는 침지일수 7일에서 28일 사이에 약 6~11%의 중량 감소를 나타냈다. 또한 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G1-B1.0, G1-B1.5 및 G1-B2.0)는 침지일수 3일에서 흡착재-결합재비가 감소할수록 감소하는 경향을 나타냈으며, 침지일수 28일에서는 흡착재-결합재비가 1.5인 시험체에서 약 4%로 가장 크게 감소하였다. 반면, 말토오스에서 배양한 박테리아가 혼입된 시험체는 침지일수 3일에서 중량 변화에 대하여 흡착재-결합재비에 따른 별다른 영향을 나타내지 않았다. 하지만 침지일수 28일에서는 흡착재-결합재비가 1.0인 시험체에서 약 8%로 가장 급격한 감소가 나타났다. 덱스트로오스에서 배양된 박테리아를 혼입한 시험체의 경우 침지일수별 중량 변화에 있어 흡착재-결합재비의 영향은 미미하였다.
(5) 압축강도
도 24에는 제1 그룹의 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비(fck/fck (0))를 나타내었다. 여기서 fck는 침지일수에 따른 시험체의 압축강도이며, fck(0)는 황산 침지 전 시험체의 압축강도이다. 코팅재를 도포하지 않은 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수 28일에서 약 18%로서 급격한 강도저하를 나타냈다. 반면 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G1-B1.0, G1-B1.5 및 G1-B2.0)의 압축강도 저하비는 흡착재-결합재비 및 침지일수와 상관없이 비슷하게 나타났다. 한편 덱스트로오스 배지에서 배양한 박테리아를 혼입한 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수가 증가할수록 흡착재-결합재비와 상관없이 증가하거나 비슷한 경향을 나타냈다. 반면 말토오스 배지에서 배양한 박테리아를 혼입한 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수 및 흡착재-결합재비와 상관없이 코팅재를 도포하지 않은 시험체에 비해 약 22~35% 높게 나타났으며, 박테리아를 혼입하지 않은 시험체에 비해서는 약 3~10% 높게 나타났다. 이는 박테리아가 형성한 슬라임(glycocalxy) 및 실리카 성분(SiO2)으로 인해 코팅재의 내부치밀도가 향상되었기 때문이다.
(6) 동 탄성계수
황산 침지일수 28일에서 시험체 중앙부의 동 탄성계수 저하비(Ed_c/Ed_c(0)) 및 표면부의 동 탄성계수 저하비(Ed_s/Ed_s(0))를 각각 도 25 및 도 26에 나타내었다. 여기서 Ed_c는 침지일수 28일에서 중앙부의 동 탄성계수, Ed_s는 표면부의 동 탄성계수, Ed_c(0)는 황산에 침식되지 않은 C 시험체에서 중앙부의 동 탄성계수, Ed_s(0)는 황산에 침식되지 않은 C 시험체에서 표면부의 동 탄성계수이다. 코팅재를 도포하지 않은 시험체(C)의 중앙부의 동 탄성계수 저하비는 약 33%, 표면부의 동 탄성계수 저하비는 약 50%로 가장 급격한 감소를 나타냈다. 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G1-B1.0, G1-B1.5 및 G1-B2.0)의 중앙부의 동 탄성계수 저하비는 흡착재-결합재비가 감소할수록 낮게 나타났으며, 표면부의 동 탄성계수 저하비는 흡착재-결합재비와 상관없이 약 27~31% 낮게 나타났다. 반면 박테리아를 혼입한 시험체의 중앙부의 동 탄성계수 저하비는 배지 종류와 상관없이 흡착재-결합재비가 증가할수록 높게 나타났으며, 표면부의 동 탄성계수 저하비는 G1-M1.0인 시험체를 제외하고 모두 높게 나타났다.
콘크리트 성능 평가 결과(제2 그룹)
(1) 외관 변화
제2 그룹의 주요 변수는 박테리아 혼입양이며, 황산침지에 따른 콘크리트의 외관 상태를 도 27a 및 도 27b에 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G2-W50, G2-W100 및 G2-W200)는 증류수 혼입양과 상관없이 침지일수 28일에서 표면에서 코팅재의 박리가 발생하여 콘크리트가 노출되었다. 반면 슬라임 박테리아 기반의 시험체는 흡착제 대비 박테리아 혼입양 50배 중량을 제외하고 침지일수 7일까지 별다른 영향을 나타내지 않았으며, 침지일수 28일에는 배지 종류와 흡착재 대비 박테리아 혼입양과 상관없이 표면에서 약간의 코팅재 박리가 발생하였다.
(2) 황산 침투깊이
도 28에 침지일수 28일에서 흡착재 대비 박테리아 혼입양에 따라 시험체의 황산 침투깊이를 관찰하기 위해 단면을 잘라 이미지 분석한 결과를 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 모든 시험체(G2-W50, G2-W100 및 G2-W200)에서는 콘크리트의 표면이 백색으로 탈색현상이 발생하였으며, 흡착재 대비 증류수 혼입양이 50배인 G2-W50 시험체에서는 약 3.71mm로 가장 크게 발생하였다. 반면 박테리아가 혼입된 시험체는 흡착재 대비 박테리아 혼입양 100배 중량 이하에서 코팅막 탈락현상이 나타났으나, 콘크리트 표면에서 백색의 탈색현상은 나타나지 않았다. 이는 박테리아가 형성한 내부 슬라임 형성 및 실리카 성분(SiO2)으로 인해 내부치밀도가 향상되었기 때문으로 판단된다.
(3) 내부 미세구조 및 반응생성물
도 29 및 도 30에는 각각 제2 그룹의 주요변수에 따른 반응생성물의 주요 회절피크(XRD) 및 표면구조(SEM)와 원소 분석결과(EDS)를 나타내었다. 분석결과 박테리아를 무 혼입한 시험체는 흡착재 대비 증류수 혼입양과 상관없이 석고 및 이산화황의 강도(Instensity)가 강하게 생성되었다. 이는 내부 미세구조에서도 침상형의 에트링가이트(Ettringite) 형상이 확인되었으며 원소 분석결과 다량의 S(황) 원소가 측정되었다. 이와 같은 반응생성물은 콘크리트의 팽창 및 연화작용을 발생시키며, 조직구조의 파괴 및 균열을 발생시킨다. 반면 박테리아를 혼입한 시험체는 흡착재 대비 박테리아 혼입양이 증가할수록 SiO2의 피크의 수와 강도(Intensity)는 증가하는 경향을 나타냈으며, 내부구조에서 다량의 슬라임(Slime) 막 형성 및 내부치밀도가 향상된 것을 확인하였다. 또한 EDS 분석결과 제1 그룹과 마찬가지로 박테리아를 흡착재 중량 대비 200배 혼입한 G2-M200, G2-D200인 시험체에서는 SiO2로 인해 Si 원소가 높게 나타나는 경향을 나타냈으며, 배지 및 박테리아로 인해 Mg, Na, Cl 및 P 등이 추가로 확인되었다.
(4) 중량 변화
도 31에는 흡착재 대비 박테리아 혼입양에 따른 침지일수별 중량 변화를 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G2-W50, G2-W100 및 G2-W200)의 중량 변화는 침지일수에 따라 흡착재 대비 증류수 혼입양이 증가할수록 중량이 감소하였다. 반면 박테리아를 혼입한 시험체의 침지일수 3일에서 중량 변화의 경우 배지 유무 및 박테리아 혼입양에 대한 영향은 미미하였다. 하지만 침지일수 28일에서는 흡착재 중량 대비 박테리아가 50배 혼입된 G2-M50, G2-D50인 시험체가 박테리아를 혼입한 다른 시험체에 비해 가장 많은 중량 감소를 나타냈다.
(5) 압축강도
도 32에는 제2 그룹의 황산침지에 따른 압축강도 저하비(fck/fck (0))를 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G2-W50, G2-W100 및 G2-W200)의 압축강도 저하비는 침지일수 7일에서 흡착재 대비 증류수 혼입율과 상관없이 약 9~11%가 증가하였으며, 침지일수 28일에서는 약 12~15% 증가하였다. 침지일수 3일에서 박테리아를 혼입한 시험체의 압축강도 저하비는 박테리아 혼입양 및 배지 유무에 대한 영향은 크지 않았다. 하지만 박테리아를 혼입한 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수 28일에서 코팅재를 도포하지 않은 시험체에 비해 약 30% 높게 나타났다. 또한 흡착재 대비 박테리아 혼입율이 100%인 시험체의 압축강도 저하비는 흡착재 중량 대비 증류수 혼입양이 100배인 시험체에 비해 약 4% 높게 나타났다. 이는 박테리아가 형성한 슬라임(glycocalxy) 및 실리카 성분(SiO2)로 인해 코팅재의 내부치밀도가 향상되었기 때문이다.
(6) 동 탄성계수
도 33 및 도 34에는 각각 황산침지일수 28일에서 제2 그룹의 주요변수에 따른 각 시험체의 중앙부의 동 탄성계수 저하비(Ed_c/Ed_c(0)) 및 표면부의 동 탄성계수 저하비(Ed_s/Ed_s(0))를 나타내었다. 중앙부의 동 탄성계수 저하비는 모든 배합에서 약 0.97~1.08 범위로 비슷한 수준에 있었다. 반면 표면부의 동 탄성계수 저하비는 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G2-W50, G2-W100 및 G2-W200)에서 흡착재 대비 증류수 혼입양이 증가할수록 감소하였다. 이는 물-결합재비의 증가로 인해 코팅재의 강도가 저하되었기 때문이다. 반면 박테리아를 혼입한 시험체의 중앙부의 동 탄성계수 저하비는 배지 종류와 상관없이 흡착제 대비 박테리아 혼입양이 증가할수록 증가하였다. 또한 박테리아를 혼입한 시험체의 표면부의 동 탄성계수 저하비는 약 1.00~1.05 범위로 침지 전과 비슷한 수준을 나타내었다.
콘크리트 성능 평가 결과(제3 그룹)
(1) 외관 변화
황산침지에 따른 시험체의 침지일수별 외관 상태를 도 35a 및 도 35b에 나타내었다. 앞서 실험을 통해 침지일수 1일에서 황산침지에 대한 콘크리트의 외관은 별다른 변화를 나타내지 않았기 때문에 측정하지 않았다. 침지일수 7일에서 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G3-C0.5, G3-C1.0 및 G3-C3.0)의 외관변화는 코팅 두께가 0.5mm인 시험체를 제외하고 코팅 두께에 대한 별다른 영향을 나타내지 않았다. 또한 박테리아를 혼입한 모든 시험체에서도 코팅 두께 및 배지 종류에 대한 영향은 미미하였다. 반면 침지일수 28일에서 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G3-C0.5, G3-C1.0 및 G3-C3.0)의 외관 변화는 박테리아를 혼입한 시험체에 비해 코팅재 탈락현상이 크게 나타났다. 특히 코팅 두께가 0.5mm인 G3-C0.5 시험체는 코팅재가 박리되어 콘크리트가 노출되었다. 한편 박테리아를 혼입한 시험체의 외관변화는 코팅 두께가 얇을수록 코팅재의 박리현상이 크게 나타났다.
(2) 황산 침투깊이
도 36에 침지일수 28일에서 코팅 두께에 따른 시험체의 황산 침투깊이를 관찰하기 위해 단면을 잘라 이미지 분석한 결과를 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 모든 시험체(G3-C0.5, G3-C1.0 및 G3-C3.0)에서는 침지일수 7~28일에서 코팅막 탈락으로 인해 표면이 노출되었다. 이로 인해 코팅 두께가 1.0mm 이하인 시험체의 황산 침투깊이는 약 2.99~2.15mm로 무 코팅 시험체(C)와 비슷하게 측정되었다.반면 박테리아를 혼입한 시험체는 코팅막 탈락현상에도 불구하고 황산 침투깊이는 측정되지 않았다.
(3) 표면구조 및 반응생성물
도 37 및 도 38에서는 각각 제3 그룹의 주요변수에 따른 반응생성물의 주요 회절피크(XRD) 및 표면구조(SEM)와 원소분석결과(EDS)를 나타내었다. 분석결과 모든 시험체에서 주요 반응생성물인 석고(Gypsum; G), 석영(Quartz; Q), 이산화황(Sulfur Oxide; S) 및 탄산칼슘(CaCO3)을 나타내는 피크가 생성되었다. 특히 박테리아 혼입 유무에 상관없이 코팅두께 1mm 이하에서는 반응생성물인 석고 및 이산화황의 강도(Intensity)가 강하게 형성되었으며, 내부 미세구조에서도 다량의 석고 및 에트링가이트(Ettringite)의 형상이 확인되었다. 또한 EDS 분석결과 석고 및 에트링가이트를 형성하기 위한 칼슘의 소모로 인해 회절 피크는 비교적 낮게 나타났다. 한편 코팅 두께가 3.0mm인 박테리아를 혼입한 시험체는 배지 종류와 상관없이 SiO2의 강도(Intensity)가 증가하는 경향을 나타냈다. 이로 인해 다른 시험체에 비해 높은 압축강도 및 내황산성 향상을 나타낸 것으로 판단된다. 또한 EDS 분석결과 제1 그룹 및 제2 그룹과 마찬가지로 Si 원소가 높게 나타나는 경향을 나타냈으며, 배지 및 박테리아로 인해 Mg, Na, Cl 및 P 등이 추가로 확인되었다.
(4) 중량 변화
도 39에는 제3 그룹의 황산 침지일수별 중량 변화를 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G3-0.5, G3-1.0 및 G3-3.0)는 침지일수 3일에서 코팅 두께와 상관없이 별다른 변화를 나타내지 않았다. 반면 침지일수 28일에서는 코팅재 두께가 0.5mm인 시험체에서 약 8%로 가장 크게 중량이 감소하였다. 한편 침지일수별 박테리아를 혼입한 시험체는 배지 종류 및 코팅 두께와 상관없이 박테리아를 무 혼입한 시험체에 비해 약 1~2% 높게 나타나거나 비슷한 경향을 나타냈다.
(5) 압축강도
도 40에는 제3 그룹의 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비(fck/fck (0))를 나타내었다. 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(G3-0.5, G3-1.0 및 G3-3.0)의 압축강도 저하비는 코팅 두께 0.5mm를 제외하고 침지일수가 증가할수록 약 8~10%로 증가하였다. 말토오스 배지에서 배양한 박테리아를 혼입한 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수 3일에서 코팅 두께가 증가할수록 증가하는 경향을 나타냈으며, 덱스트로오스 배지에서도 비슷한 경향을 나타냈다. 또한 침지일수 28일에서의 압축강도 저하비는 배지 종류와 상관없이 코팅 두께가 1.0mm 이상인 시험체에서 가장 크게 나타났다. 이에 따라 박테리아를 혼입한 G3-M3.0인 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수 28일에서 코팅재를 도포하지 않은 시험체의 에 비해 약 36% 높게 나타났으며 박테리아를 혼입하지 않은 G3-3.0인 시험체에 비해서는 약 4~6% 높게 나타났다. 이는 코팅재에 형성된 슬라임 막 및 내부치밀도의 향상으로 인해 황산의 침투가 억제되어 압축강도가 향상된 것으로 판단된다.
(6) 동 탄성계수
도 41 및 도 42는 각각 황산 침지일수 28일에서 코팅 두께에 따른 시험체의 중앙부의 동 탄성계수 저하비(Ed_c/Ed_c(0)) 및 표면부의 동 탄성계수 저하비(Ed_s/Ed_s(0))를 나타내었다. 중앙부의 동 탄성계수 저하비는 박테리아 혼입 유무와 상관없이 비슷한 경향을 나타내었다. 한편 코팅 두께가 1.0mm 이하인 시험체에서의 표면부의 동 탄성계수 저하비는 박테리아 혼입 유무 및 배지 종류와 상관없이 비슷한 경향을 나타내었다. 하지만 코팅 두께가 3mm인 시험체에서의 표면부의 동 탄성계수 저하비는 말토오스에서 배양한 박테리아를 혼입한 시험체가 박테리아를 혼입하지 않은 시험체에 비해서는 약 21% 높게 나타났다. 또한 덱스트로오스에서 배양된 박테리아를 혼입한 G3-D3.0인 시험체에 비해서는 약 8% 높게 나타났다. 이는 박테리아가 생성한 슬라임양 및 황산침식에 따른 반응생성물로 인한 차이로 판단된다.
기존 기술과의 비교분석 결과
이하에서는 콘크리트 내 황산거동에 대한 종래 에폭시 코팅재와 본 발명을 비교하기 위하여 총 4 배합을 실험한 결과를 설명한다. 실험체명은 에폭시 코팅재를 도포한 콘크리트는 'Epoxy', 박테리아를 무 혼입한 코팅재를 'Hwangtoh', 말토오스 배지에서 배양된 박테리아를 혼입한 코팅재를 도포한 콘크리트를 'Maltose', 덱스트로오스 배지에서 배양된 박테리아를 혼입한 코팅재를 도포한 콘크리트를 'Dextroes'로 나타내었다. 에폭시 코팅재는 S사 제품을 사용하였으며 에폭시 수지와 아민계 경화제를 1:1로 혼합하여 도포하였으며, 주성분 및 물리적 특성은 하기 표 9에 나타내었다. 슬라임 박테리아 기반의 코팅재는 앞서 실험을 통해 하기 표 10에 나타낸 바와 같이 선정하였으며, 박테리아 혼입 여부에 따른 코팅재의 성능을 평가하기 위하여 모든 조건을 동일하게 하여 추가 배합을 실시하였다. 모든 실험체는 붓으로 동일하게 도포되었다. 또한 코팅 두께를 동일하게 하기 위하여 에폭시 코팅재를 1회 도포하고 12시간 건조한 뒤 2회 도포하였다. 코팅 두께는 1.0mm±0.05mm로 고정되었다. 콘크리트의 내황산성을 평가하기 위하여 JIS K 8951 기준에 따라 황산 5% 용액에 침지된 콘크리트의 침지일수별 외관 변화, 중량 변화, 압축강도 및 동 탄성계수를 평가하였다.
(1) 외관 변화
황산침지에 따른 시험체의 침지일수별 외관 상태를 도 43에 나타내었다. 코팅재를 도포하지 않은 시험체(Control)의 외관 변화는 침지일수가 증가할수록 페이스트가 없어져 골재가 노출되었다. 침지일수 7일에서 에폭시 코팅재가 도포된 콘크리트의 외관은 갈라짐 및 부풀림 현상이 발생하였다. 반면 박테리아를 혼입한 코팅재가 도포된 콘크리트는 별다른 변화를 나타내지 않았다. 침지일수 28일에서 에폭시를 도포한 콘크리트의 외관변화는 코팅재 탈락현상이 탈생하였으며, 박테리아를 무 혼입한 코팅재를 도포한 콘크리트도 비슷한 경향을 나타냈다. 하지만 슬라임 박테리아 기반의 코팅재를 도포한 콘크리트의 외관은 코팅재의 탈락현상이 발생하였지만 이는 타 시험체에 비해 작게 나타났다.
(2) 중량 변화
도 44에는 황산 침지일수별 중량 변화를 나타내었다. 코팅재를 도포하지 않은 시험체(Control)는 침지일수 7일에서 28일 사이에 약 6~11%의 중량 감소를 나타냈다. 또한 에폭시 코팅재를 도포한 콘크리트(Epoxy)는 침지일수 28일에서 약 5%로 급격한 중량 감소를 나타냈다. 한편 코팅재를 도포하지 않은 시험체(Control)를 제외한 모든 시험체의 침지일수별 중량은 침지일수 28일에서 약 5~6%의 감소로 비슷한 경향을 나타냈다.
(3) 압축강도
도 45에는 황산침지에 따른 침지일수별 압축강도 저하비(fck/fck (0))를 나타내었다. 코팅재를 도포하지 않은 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수 28일에서 약 22%의 강도 저하를 나타냈다. 에폭시 코팅재를 도포한 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수가 증가할수록 감소하였다. 반면 박테리아를 혼입한 시험체의 압축강도 저하비는 침지일수가 증가할수록 증가하였으며, 침지일수 28일에서 압축강도 저하비는 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(Hawngtoh)에 비해 약 5~6% 높게 나타났으며, 에폭시 코팅재를 도포한 시험체에 비해서는 약 26~27%로 크게 나타났다. 이는 침지일수에 따른 코팅재의 반응생성물, 박테리아가 형성한 슬라임 막 및 실리카 성분으로 인해 내부치밀도가 향상되었기 때문이다.
(4) 동 탄성계수
도 46 및 도 47에는 각각 황산 침지일수 28일에서 시험체의 중앙부의 동 탄성계수 저하비(Ed_c/Ed_c(0)) 및 표면부의 동 탄성계수 저하비(Ed_s/Ed_s(0))를 나타내었다. 중앙부의 동 탄성계수 저하비는 코팅재를 도포하지 않은 시험체(Control)를 제외하고 모든 시험체에서 약 0.97~1.06 범위로 비슷하게 나타났다. 반면 표면부의 동 탄성계수 저하비는 에폭시 코팅재를 도포한 시험체가 박테리아를 혼입하지 않은 시험체(Hawngtoh)에 비해 약 6% 높게 나타났지만, 박테리아를 혼입한 시험체에 비해서는 약 9% 낮게 나타났다.
실험예
2(활용 박테리아:
로도슈도모나스
팔루스트리스(
Rhodoseudomonas
palustris
) 및
바실러스
터린지엔시스
(
Bacillus
thuringiensis
))
로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris) 및 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis)에 대하여 박테리아 혼입 코팅재 제작을 위한 결합재로 비중 2.67g/㎤의 α-반수석고(α-hemihydrate gypsum) 및 비중 2.91g/㎤의 고로슬래그(blast furnace slag; GGBS)를 1:1 중량비로 혼합한 결합재를 흡착재가 침지된 배양액과 2.2:1(흡착재-결합재비가 2.2)의 중량비로 사용(흡착재는 상기 팽창질석을 박테리아 배양액:팽창질석 중량비 10:1로 사용)한 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하였으며, 실험결과는 다음과 같다.
(1) 외관 변화
황산침지에 따른 시험체의 침지일수별 외관 상태를 도 48에 나타내었다. 모든 시험체는 침지 재령 1일 및 3일에서 뚜렷한 외관 변화를 나타내지 않았다. 침지 재령 7일 이후 콘크리트 시험체(OPC) 및 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis)를 혼입한 코팅재를 사용한 시험체는 외관의 침식이 나타났으며, 특히 콘크리트 시험체(OPC)의 경우 재령 28일에서는 눈에 띄는 외관 침식을 나타냈다. 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris)를 혼입한 코팅재를 사용한 시험체는 눈의 띄는 외관 변화를 나타내지 않았다.
(2) 압축강도
침지 재령에 따른 시험체의 압축강도의 변화를 도 49에 나타내었다. 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris) 및 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis)를 혼입한 코팅재를 사용한 경우 침지 재령 7일까지 각각 약 45% 및 25%의 압축강도 증가를 나타냈으며, 이후 침지 재령 28일까지 45%의 압축강도 감소를 나타냈다. 반면 콘크리트 시험체(OPC)의 경우 침지 재령 7일에서 약 5%, 침지 재령 28일에서 약 10%의 압축강도 감소를 나타냈다.
(3) 질량 변화
침지 재령에 따른 시험체의 질량 변화를 도 50에 나타내었다. 모든 시험체는 침지 재령 증가에 따라 질량의 감소를 나타냈다. 콘크리트 시험체(OPC)의 경우 침지 재령 28일에서 약 12%의 질량 감소를 나타냈으며, 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris) 및 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis)를 혼입한 코팅재를 사용한 경우 침지 재령 28일에서 약 5%의 질량 감소를 나타냈다.
(4) 미세구조 분석(SEM)
황산 5% 수용액 침지 28일 이후 박테리아의 흡착성 평가를 위한 미세구조 분석결과를 도 51에 나타내었다. 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris) 및 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis)를 혼입한 코팅재에서 입자표면의 박테리아 군집 형성을 확인할 수 있었다.
실험예
3(활용 박테리아: 로도박터 캡슐라투스(
Rhodobacter capsulatus
), 로도슈도모나스
팔루스트리스
(
Rhodoseudomonas
palustris
),
바실러스
터린지엔시스(
Bacillus
thuringiensis
) 및
바실러스
서브틸리스
(
Bacillus
subtilis
))
로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)에 대하여 박테리아 혼입 코팅재 제작을 위한 결합재로 비중 3.15g/㎤의 보통포틀랜드시멘트(ordinary portalnd cement; OPC) 및 비중 2.91g/㎤의 고로슬래그(blast furnace slag; GGBS)를 1:1 중량비로 혼합한 결합재를 흡착재가 침지된 배양액과 2.2:1(흡착재-결합재비가 2.2)의 중량비로 사용(흡착재는 상기 팽창질석을 박테리아 배양액:팽창질석 중량비 10:1로 사용)한 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하였으며, 실험결과는 다음과 같다.
(1) 질량 변화
침지 재령에 따른 시험체의 질량 변화를 도 52에 나타내었다. 황산용액 침지 재령 7일에서의 질량 변화는 배합수로서 물 및 박테리아 배지만을 활용한 경우 약 4%의 질량이 감소하였으며, 박테리아 접종 배양액을 배합수로서 활용한 경우 약 3~8%의 질량이 감소하였다.
(2) 압축강도
침지 재령에 따른 시험체의 압축강도의 변화를 도 53에 나타내었다. 배합수로서 물 및 박테리아 배지만을 활용한 시험체는 침지 재령이 증가할수록 압축강도가 감소한 반면, 박테리아 접종 배양액을 배합수로서 활용한 시험체의 경우 침지 재령이 증가할수록 압축강도의 감소는 나타나지 않았다.
실험예
4(활용 박테리아:
로도박터
캡슐라투스
(
Rhodobacter
capsulatus
),
로도슈도모나스
팔루스트리스
(
Rhodoseudomonas
palustris
),
바실러스
터린지엔시
스(
Bacillus
thuringiensis
) 및
바실러스
서브틸리스
(
Bacillus
subtilis
))
로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)에 대하여 박테리아 혼입 코팅재 제작을 위한 결합재로 비중 2.67g/㎤의 α-반수석고(α-hemihydrate gypsum) 및 비중 2.91g/㎤의 고로슬래그(blast furnace slag; GGBS)를 1:1 중량비로 혼합한 결합재를 흡착재가 침지된 배양액과 2.2:1(흡착재-결합재비가 2.2)의 중량비로 사용(흡착재는 상기 팽창질석을 박테리아 배양액:팽창질석 중량비 10:1로 사용)한 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 코팅재를 제작하였으며, 황산부식 환경에서의 박테리아 지속 생장성을 평가하기 위하여 JSTM C 7401에 따라 황산 5% 용액에 침지하였다. 침지 재령 7일 후 코팅재 표면의 시료를 채취하였으며, 이를 배지에 재접종(계대배양)하여 군락의 형성을 확인하였고, 그 결과를 도 54에 나타내었다.
도 54를 참조하면, 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris) 및 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis)를 혼입한 코팅재의 시료의 경우 박테리아 군락이 확인되지 않았으며, 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 혼입한 코팅재의 시료를 채취한 경우에는 비교적 많은 박테리아 군락형성을 확인할 수 있어, 황산부식 환경에 노출된 슬라임 형성 박테리아의 지속 생장성 측면에서는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)가 유리한 것을 확인하였다.
실험예
4(활용 박테리아:
로도박터
캡슐라투스
(
Rhodobacter
capsulatus
), 활용
결합재
: 마그네시아-인산염 복합체)
상기 결합재 중 황토 기반 결합재, α-반수석고, 고로슬래그, 플라이애쉬 및 보통 포틀랜드 시멘트의 경우 시멘트 조성으로 인해 상기 흡착재의 사용에도 불구하고 pH 상승으로 인해 박테리아의 생장 지속성을 완벽히 구현하기는 어렵다.
반면, 마그네시아-인산염 복합체의 경우 pH 7~9의 중성 수준의 pH를 나타내며, 초기반응속도가 매우 빠른 편으로 타설 5~15분 이내에 응결이 시작되어, 높은 초기강도 발현률을 구현할 수 있다. 또한 마그네시아-인산염 복합체의 접착강도는 일반 시멘트 대비 높은 수준이며, 시멘트 콘크리트를 모재로 사용 시 높은 접착강도로 접착계면이 아닌 모재에서 파괴된다. 또한 보수계면의 수분 상태에 따른 부착강도 손실이 적고(일반적으로 보수계면은 습윤상태임), 양생온도에 대한 강도발현 영향성이 적다. 또한 상하수도 보수공사는 겨울철에 진행되며, 내부 온도는 평균 0~5℃ 수준인데, 일반 시멘트 콘크리트의 경우 온도가 낮은 환경에서 강도발현은 현저히 느리다. 반면, 마그네시아-인산염 복합체는 강도발현이 양생온도에 큰 영향을 받지 않으므로 보수 시기에 따른 품질저하 염려가 없다. 따라서 본 발명에서는 마그네시아-인산염 복합체가 본 발명에 따른 코팅재의 결합재로서 충분한 역할을 수행할 것으로 직시하였다.
본 실험예에서는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus)에 대하여 박테리아 혼입 코팅재 제작을 위한 결합재로 다양한 조성(하기 표 11 참조)의 마그네시아-인산염 복합체를 흡착재가 침지된 배양액과 2:1(흡착재-결합재비가 2)의 중량비로 사용(흡착재는 상기 팽창질석을 박테리아 배양액:팽창질석 중량비 10:1로 사용)한 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 코팅재를 제작하고, 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하였고, 시험체의 압축강도 및 pH를 측정한 결과를 도 55에 나타내었다.
도 55를 참조하면, 높은 압축강도 및 10 미만의 pH 유지 성능 구현을 위해 마그네시아-인산염 복합체의 인산염 함량은 20~40중량%인 것이 바람직하고, 30~40중량%인 것이 더욱 바람직한 것을 알 수 있으며, 이때 마그네시아-인산염 복합체의 빠른 초기반응속도를 고려하여 지연제(Borax)가 상기 마그네시아-인산염 복합체 100중량부에 대하여 1~10중량부 함량으로 첨가되는 것이 바람직하고, 3~5중량% 수준으로 첨가되는 것이 더욱 바람직한 것을 확인할 수 있다.
한편, 인산염 종류에 따른 압축강도 및 pH에 대한 영향을 알아보기 위해 하기 표 12에 나타낸 4종의 1인산염 및 4종의 2인산염을 사용하여 실험예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하였고, 시험체의 압축강도 및 pH를 측정한 결과를 도 56에 나타내었다.
도 56을 참조하면, 대체로 2인산염보다는 1인산염을 사용할 경우 우수한 압축강도 및 pH를 나타내었으며, 1인산염 중 인산나트륨(NaH2PO4) 또는 인산암모늄(NH4H2PO4)을 사용하는 것이 가장 바람직한 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
110: 개폐형 클립 120: 흡착 패드
130: 연결용 강봉 140: 평형추
150: 개폐형 뚜껑 160: 나사식 개구부
170: 고리형 핀 210: 콘크리트 구체
130: 연결용 강봉 140: 평형추
150: 개폐형 뚜껑 160: 나사식 개구부
170: 고리형 핀 210: 콘크리트 구체
Claims (24)
- 슬라임 형성 박테리아를 흡착시킨 흡착재 및 마그네시아-인산염 결합재를 포함하는 코팅재로서, 상기 마그네시아-인산염 결합재는 마그네시아-인산염 100중량부에 대하여 20~40중량부의 인산염 및 60~80중량부의 마그네시아를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅재.
- 제1항에 있어서,
상기 슬라임 형성 박테리아는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus), 홍색황세균(purple sulfur bacteria), 녹색황세균(green sulfur bacteria), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodoseudomonas palustris), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코팅재. - 제1항에 있어서,
상기 흡착재는 고 흡수성 수지, 고 다공성 수지, 팽창질석, 펄라이트 및 규조토로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코팅재. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 인산염은 인산칼륨(KH2PO4), 이인산칼슘(Ca(H2PO4)2), 인산나트륨(NaH2PO4), 인산암모늄(NH4H2PO4), 인산이칼륨(K2HPO4), 인산칼슘(CaHPO4), 인산이나트륨(Na2HPO4) 및 인산이암모늄((NH4)2HPO4)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 코팅재. - 제1항에 있어서,
상기 마그네시아-인산염 결합재는 상기 마그네시아-인산염 결합재 100중량부에 대하여 지연제 1~10중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅재. - 제1항에 있어서,
상기 슬라임 형성 박테리아에 의해 형성된 이산화규소(SiO2)가 공극을 차폐시키는 내부구조를 가지는 것을 특징으로 하는 코팅재. - 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
콘크리트 구조체 표면의 화학적 침식 방지를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 코팅재. - 제9항에 있어서,
상기 콘크리트 구조체는 하수관거인 것을 특징으로 하는 코팅재. - 제9항에 있어서,
상기 화학적 침식은 황산에 의한 것임을 특징으로 하는 코팅재. - 제9항에 있어서,
상기 콘크리트 구조체 표면에 0.5~10mm 두께로 도포되는 것을 특징으로 하는 코팅재. - 슬라임 형성 박테리아를 배양하여 슬라임을 형성시키는 단계;
상기 슬라임이 형성된 박테리아의 고정을 위해 흡착재를 이용하여 상기 슬라임이 형성된 박테리아를 흡착시키는 단계; 및
상기 박테리아가 흡착된 흡착재를 마그네시아-인산염 결합재와 혼합하는 단계;
를 포함하는 코팅재 제조방법으로, 상기 마그네시아-인산염 결합재는 마그네시아-인산염 100중량부에 대하여 20~40중량부의 인산염 및 60~80중량부의 마그네시아를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅재 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 슬라임 형성 박테리아는 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus), 홍색황세균(purple sulfur bacteria), 녹색황세균(green sulfur bacteria), 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법. - 제14항에 있어서,
상기 로도박터 캡슐라투스(Rhodobacter capsulatus), 로도박터 블라스티쿠스(Rhodobacter blasticus), 로도박터 스페로이데스(Rhodobacter sphaeroides), 로도슈도모나스 팔루스트리스(Rhodopseudomonas palustris), 루브리비바스 겔라티노수스(Rubrivivax gelatinosus), 홍색황세균(purple sulfur bacteria) 및 녹색황세균(green sulfur bacteria)은 정제수 1ℓ 기준으로 효모 추출물(Yeast extract) 0.1~5g, 디소듐 숙시네이트 헥사하이드레이트(Disodium succinate hexahydrate) 1~50g, 무수에탄올(Absolute ethanol) 0.1~5㎖, 구연산철 용액(Ferric citrate solution) 0.1~5㎖, 인산이수소칼륨(KH2PO4) 0.1~5g, 황산마그네슘 7수화물(MgSO4.7H2O) 0.1~5g, 염화나트륨(NaCl) 0.1~5g, 염화암모늄(NH4Cl) 0.1~5g 및 염화칼슘이수화물(CaCl2.2H2O) 0.01~0.5g를 포함하는 배지에서 pH 5~9 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법. - 제14항에 있어서,
상기 바실러스 터린지엔시스(Bacillus thuringiensis) 및 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)는 정제수 1ℓ 기준으로 동물 조직의 펩신 소화물(Peptic digest of animal tissue) 1~10g, 효모 추출물(Yeast extract) 0.5~3g, 염화나트륨(Sodium chloride) 1~10g 및 쇠고기 추출물(Beef extract) 0.5~3g을 포함하는 배지에서 pH 4~10 조건으로 배양된 것을 특징으로 하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 배양에 사용된 탄소원은 말토오스(Maltose), 덱스트로오스(Dextrose) 및 프룩토오스(Fructose)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 흡착재는 고 흡수성 수지, 고 다공성 수지, 팽창질석, 펄라이트 및 규조토로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 방법. - 제18항에 있어서,
상기 흡착 시 사용되는 상기 슬라임이 형성된 박테리아의 상기 흡착재에 대한 혼입양은 박테리아 배양액 중량 기준으로 상기 흡착재가 상기 고 흡수성 수지 또는 고 다공성 수지일 경우 50~200배이고, 상기 흡착재가 상기 팽창질석, 펄라이트 또는 규조토일 경우 5~20배인 것을 특징으로 하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 흡착은 망사눈의 크기가 100㎛~5mm 및 두께가 0.5~50mm인 망사형의 흡착 패드에 상기 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 상기 박테리아의 배양액에 침지시키는 단계를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제20항에 있어서,
상기 흡착 패드의 소재는 강재인 것을 특징으로 하는 방법. - 제20항에 있어서,
상기 흡착재를 이용한 흡착은 상기 망사형의 흡착 패드에 상기 흡착재를 투입한 후 상기 흡착 패드를 상기 박테리아의 배양액 중에 부유시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제20항에 있어서,
상기 흡착 패드는 상기 흡착 패드 하단에 연결된 평형추에 의해 부유되고, 상기 평형추의 무게는 하기 수학식 1에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
[수학식 1]
(수학식 1에서, d는 흡착 패드의 침지 깊이, WL은 적재하중, WS는 고정하중, L 및 B는 흡착 패드의 길이 및 폭, γw는 배양액의 단위용적 중량이다.) - 제13항에 있어서,
상기 박테리아가 흡착된 흡착재 및 상기 마그네시아-인산염 결합재의 혼합 시 상기 마그네시아-인산염 결합재의 사용량은 상기 박테리아가 흡착된 흡착재 중량의 0.5~3배인 것을 특징으로 하는 방법.
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