KR102657332B1 - 정(+)으로 대전된 나노 버블 분산액 - Google Patents

정(+)으로 대전된 나노 버블 분산액 Download PDF

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Abstract

[과제]정(+) 또는 부(-)로 대전된 나노 버블을 제공하고, 정(+) 또는 부(-)로 대전된 나노 버블의 미생물 및 식물의 성장에 대한 영향을 명확화하는 것을 과제로 한다.
[해결 수단]액체 중에 분산되고, 정(+)으로 대전되고, 평균 입경이 10 내지 500nm이며, 제타 전위가 20 내지 200mV인 나노 버블을 105 내지 1010개/cc 포함하는 나노 버블 분산액을 제공한다.

Description

정(+)으로 대전된 나노 버블 분산액{Positively Charged Nanobubble Dispersion}
본 발명은, 대전된 나노 버블 분산액, 그 제조 방법, 및 제조 장치, 및 해당 나노 버블 분산액을 이용하여 미생물 및 식물의 성장의 속도를 제어하는 방법에 관한 것이며, 보다 자세하게는, 대전성을 소유하는 나노 버블 분산액, 해당 나노 버블 분산액을 용이하며 저비용으로 제조하는 제조 방법, 및 제조 장치, 및 그 나노 버블 분산액을 이용하여 미생물 및 식물 성장의 속도를 제어하는 방법에 관한 것이다.
종래부터, 지름 1마이크로미터 미만의 기포(소위 나노 버블)를 포함하는 액체는, 버블의 부력이 상대적으로 작아서 버블이 액 중에 장기간 머무르는 것, 및 부의 대전성을 띠고 있는 것 등의 성질에 착목하여, 실리콘 웨이퍼의 세정, 양식업의 효율화 등의 분야에 있어서 활용되어 왔다.
또한, 나노 버블의 발생에 대해서는, 특허 문헌1에 개시되어 있는 것과 같이, 수중에서 발생시키는 방법이 제안되었다.
또한, 나노 버블을 이용하여 생물의 생리 활성에 변화를 미치는 기술이 주목받아 왔다.
예를 들면 특허 문헌 2에, 식물의 성장을 촉진시키는 등의 목적으로 이용이 가능하다는 취지가 기재되어 있다.
[특허 문헌1]특허 제4144669호 공보 [특허 문헌2]특개 2009-131769호 공보
지금까지의 나노 버블 기술에 있어서는, (1)나노 버블의 제조와 관련된 비용이나 에너지 코스트가 과도하게 높은 것, (2)정(+)으로 대전된 나노 버블을 발생시킬 수 없었던 것, (3)생물에 주는 영향이 명확하지 않아, 경제성과 함께 기술을 실시할 수 있는 분야가 한정되어 있었다.
(1)나노 버블의 제조와 관련된 비용에 대해서
종래는, 기액혼상류 중에서 팬을 고속 회전시키는 방법, 기액혼상류에 고압을 걸어서 누두 형상의 관에 도입하여 캐비테이션을 발생시키는 방법 등이 제안되어 왔으나, 장치의 구조가 복잡해져, 장치 1대 당의 가격이 비싸, 나노 버블 기술을 실시할 수 있는 분야가 한정되어 있었다.
또한, 액상 중에서 나노 버블을 발생시켰기 때문에, 액체에 의해 가동부가 큰 저항을 받게 되고, 많은 에너지를 낭비하고, 경제성의 관점에서 기술을 실시할 수 있는 분야가 한정되어 있었다.
(2)정(+)으로 대전된 나노 버블에 대해서
종래에는, 부(-)로 대전된 나노 버블밖에 발생시킬 수 없고, 이러한 나노 버블은, 정으로 대전된 이온이나 물질 표면에만 결합하므로, 기술을 실시할 수 있는 분야가 한정되어 있었다.
(3)생물에 주는 영향에 대해서
종래에는, 부(-)로 대전된 나노 버블밖에 발생시킬 수 없고, 나노 버블이 생물에 주는 영향이, 나노 버블 내에 봉입된 가스의 영향에 의한 것일지, 나노 버블이 소유하는 부(-)의 대전에 의한 것일지, 아니면 나노 버블이 물리적으로 충돌하는 것에 의한 것일지, 결론 내기 어려웠다.
관련 과제를 해결하기 위해서 본 발명은, 정(+) 및 부(-)로 대전된 나노 버블을 제공하는 것을 제1의 과제로 한다.
또한 본 발명은, 정(+) 및 부(-)로 대전된 나노 버블의 미생물 및 식물의 성장에 대한 영향을 명확화하는 것을 제2의 과제로 한다.
또한 본 발명은, 벽지나 산간부의 농업 시설에 있어서도 나노 버블 기술의 실시가 가능하도록, 운반 가능하며, 나노 버블을 사용 현지에 있어서 제조할 수 있는 나노 버블 제조 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
관련 과제를 해결하기 위한 본 발명은 미세 기포를 포함하는 대전된 나노 버블 분산액을 제공하는 것으로, 물에 분산된 미세 기포는 정(+)으로 대전되고, 평균 입경이 10nm 내지 500nm이며, 제타 전위가 10mV 내지 200mV인 나노 버블을 105 내지 1010개/cc 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 분산액에 있어서, 정(+)으로 대전된 미세 기포는 이산화탄소 가스를 포함하며, 이 분산액은 야생형의 클라미도모나스(NIES-2235, Chlamydomonas reinhardtii. 이하,「클라미도모나스」라고 한다.)의 성장을 촉진시키는데 사용된다.
또한, 본 발명은 미세 기포를 포함하는 대전된 나노 버블 분산액을 제공하는 것으로, 물에 분산된 미세 기포는 정(+)으로 대전되고, 평균 입경이 10nm 내지 500nm이며, 제타 전위가 10mV 내지 200mV이고, 나노 버블을 105 내지 1010개/cc 포함한다. 이 분산액에 있어서, 정(+)으로 대전된 미세 기포는 공기를 포함하며, 이 분산액은 소송채(Komatsuna) LED 광합성 모델과 무우(Radish) 광합성 모델의 성장을 촉진시키는데 사용된다.
또한, 본 발명은 미세 기포를 포함하는 대전된 나노 버블 분산액을 제공하는 것으로, 물에 분산된 미세 기포는 정(+)으로 대전되고, 평균 입경이 10nm 내지 500nm이며, 제타 전위가 10mV 내지 200mV이고, 나노 버블을 105 내지 1010개/cc 포함한다. 이 분산액에 있어서, 정(+)으로 대전된 미세 기포는 이산화탄소 가스 또는 공기를 포함하며, 이 분산액은 하우스 재배의 토마토 수확량을 증가시키는데 사용된다.
또한, 본 발명의 대전된 나노 버블 분산액 제조 방법을 이용하여, 양 이온성 물질 또는 음 이온성 물질과 결합 또는 괴리할 수 있다.
또한, 본 발명의 대전된 나노 버블 분산액 제조 방법을 이용하여, 나노 버블의 대전성에 의존하는 산화제 또는 환원제를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 대전된 나노 버블 분산액을 이용하여, 미생물의 증식을 촉진 또는 억제하고, 및 식물의 성장을 촉진 또는 억제할 수 있다.
종래는, 액상 중에서 나노 버블을 발생시키므로, 가동부가 액체에 의해 큰 저항을 받게 되고, 많은 에너지를 소비하고, 경제 합리성의 관점에서 기술을 실시할 수 있는 분야가 한정되어 있었다.
그렇지만, 본 발명에 있어서는, 나노 버블을 발생시키는 기구를 기상 내에 둘 수 있게 되고, 에너지의 소비량이 감소하여, 기술을 실시할 수 있는 분야가 큰 폭으로 넓어졌다.
본 발명의 나노 버블 제조 장치는, 간소한 구조로 나노 버블을 발생시킬 수 있으므로, 기술을 실시할 수 있는 분야가 대폭 넓어졌다. 또한, 소형 차량으로 반송할 수 있을 정도의 크기가 되었기 때문에, 사용 현장에서 나노 버블을 용이하며 저가로 제조할 수 있으므로, 벽지나 산간부의 농업 시설에 있어서도 나노 버블 기술의 실시가 가능하게 되었다.
본 발명에 있어서는, 소재와 액체와의 조합을 변화시키는 것에 의해, 정(+)의 대전을 가지는 나노 버블 및 부(-)의 대전을 가지는 나노 버블을 구분하여 만드는 것이 가능하게 되고, 용도에 따라 정(+) 또는 부(-)의 나노 버블을 공급하는 것이 가능하게 되었다.
또한, 정(+) 및 부(-)의 대전을 가지는 나노 버블을 구분하여 만드는 것이 가능하게 된 것에 의해, 나노 버블이 물질에 전자를 부여 또는 수용하는 성질이 있는 것이 밝혀졌다.
나노 버블이 전자를 부여 또는 수용하는 성질을 소유하는 것에 의해, 물과 공기만으로부터 소요의 산화력 또는 환원력을 가지고, 일정 시간 후에는 분해되는 산화제 및 환원제를 제조하는 것이 가능하게 되었다. 이에 의해, 산화제 또는 환원제를 대량으로 이용하면 토양에서 용탈시켜서 제거하는 것이 이론 상으로는 가능하여도, 나중에 심각한 ２차 오염이 발생하여 실시가 어려웠던 토양 중의 염분 제거나 방사성 물질의 제거 등도, 나노 버블 기술에 의해 실시 가능하게 되었다.
또한 본 발명은, 정(+)으로 대전된 나노 버블을 발생시킬 수 있어서, 나노 버블이 가지는 대전성이 생물에 주는 영향에 대해서, 비교 대조 실험하는 것이 가능해 졌다.
이 결과, 정(+) 또는 부(-)로 대전된 나노 버블을 활용하고, 미생물 및 식물의 증식·성장 등을 촉진 또는 억제하는 것이 가능하게 되었다. 본 발명에 개시되어 있는 나노 버블을, 예를 들면, 수돗물 또는 배양액 등에 도입하고, 미생물 혹은 식물의 뿌리 또는 잎에 흡수시키는 것으로, 성장의 촉진 또는 억제 효과를 기대할 수 있다.
한편, 미생물에는, 의약품의 제조, 바이오 연료의 제조, 양조 등 사회에 있어서 유용한 것도 있는가 하면, 병원균 등 유해한 것도 존재하나, 이들 미생물을 적절한 타이밍에 억제·증식시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예1의 정(+)으로 대전된 나노 버블 제타 뷰다.
도 2는 본 발명의 실시예1의 부(-)로 대전된 나노 버블 제타 뷰다.
도 3은 클라미도모나스에 공기를 봉입한 나노 버블을 이용하여 광합성 시켰을 때 얻어진 클로로필 생산량을 측정한 그래프다.
도 4는 클라미도모나스에 이산화탄소 가스 중을 봉입한 나노 버블을 이용하여 광합성 시켰을 때 얻어진 클로로필 생산량을 측정한 그래프다.
도 5는 클라미도모나스에 공기를 봉입한 나노 버블을 이용하여, 12시간의 암기를 마련하여 클로로필 생산량을 측정했을 때 얻어진 클로로필 생산량을 측정한 그래프다.
도 6은 소송채 LED 광합성 재배 모델에 있어서, 정 및 부로 대전된 나노 버블의 성장 촉진 효과를 비교한 도다.
도 7은 토마토의 하우스 재배 모델에 있어서의 정으로 대전된 나노 버블의 효과를 나타내는 그래프다.
이하에, 도면을 참조해서 본 발명의 실시의 형태를 상세하게 기재한다. 이 기재는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 이 기재에 의해 본 발명의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 기술적 범위에서 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 변경해서 실시하는 것이 가능하다.
본 발명의 정(+) 또는 부(-)로 대전된 나노 버블은, 평균 입경이 10nm 내지 500nm인 것이 바람직하고, 50nm~300nm인 것이 보다 바람직하다. 평균 입경이 500nm를 초과하면 기포의 부력이 커져서 버블끼리 쉽게 회합하게 되어 분산액이 불안정하게 되는 경우가 있고, 평균 입경이 10nm 미만의 버블은 본 발명의 방법으로는 만드는 것이 어렵다.
또한, 본 발명의 정(+) 또는 부(-)로 대전된 나노 버블은, 제타 전위가 10mV~200mV 또는 -10mV~-200mV인 것이 바람직하고, 50mV~150mV 또는 -50mV~-150mV인 것이 바람직하다. 10mv~-10mV(단, -10mV는 제외한다)의 나노 버블은, 대전된 효과가 충분하지 않고, -200mV 이하 또는 200mV를 초월해서 대전시키는 것은 어렵다.
또한, 본 발명의 나노 버블 분산액에 포함되는 대전된 기포의 개수는, 105~1010개/cc인 것이 바람직하고, 105~109개/cc인 것이 보다 바람직하다. 나노 버블 분산액에 포함되는 대전된 기포의 개수가 105개/cc 미만에서는 대전된 효과가 충분하지 않고, 109개/cc를 초과하는 나노 버블 분산액은 제조하는 것은 어렵다.
본 발명의 대전된 나노 버블은, 정(+)으로 대전시키는 것이 보다 바람직하다. 부(-)로 대전된 나노 버블도 대전되지 않은 나노 버블보다 우수한 성질을 나타내나, 정(+)으로 대전된 나노 버블은, 부(-)로 대전된 나노 버블보다 우수한 성질을 소유하는 것이 많다.
(나노 버블 분산액의 제조)
이하에서, 이용된 나노 버블은, 기포가 되는 기체 분위기 중에서 마이크로미터 사이즈로 미세화된 액체를 더욱 파쇄함으로써, 상기 액체로 둘러싸인 대전된 나노 버블을 생성시키고, 이를, 중력, 원심력, 전자기력, 등을 이용하여 포집함으로써 상기 액체로 대전된 나노 버블 분산액을 제조할 수 있다.
기체 분위기에 전기장을 인가해서 마이너스측을 접지함으로써 부(-)로 대전된 나노 버블을 생성시키고, 파쇄하는 부재를 접지함으로써 정(+)으로 대전된 나노 버블을 생성시킬 수 있다.
도 1에, 본 발명의 실시예1의 정(+)으로 대전된 나노 버블의 제타 전위와 그 제타 전위를 소유하는 버블의 빈도(제타 뷰)를 나타내고, 도 2에 실시예2의 부(-)로 대전된 나노 버블의 제타 뷰를 나타낸다.
(대전된 나노 버블의 효과)
본 발명의 대전된 나노 버블은, 양 이온성 물질 또는 음 이온성 물질과 결합 또는 괴리하는 물질을 제조하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 대전된 나노 버블은, 나노 버블이 전자를 부여 또는 수용하는 성질을 소유하는 것에 의해, 물과 공기만으로부터 소요의 산화력 또는 환원력을 가지고, 일정 시간 후에는 분해되는 산화제 및 환원제를 제조하는 것이 가능하게 되었다.
또한 본 발명의 대전된 나노 버블은, 정(+)으로 대전된 나노 버블을 발생시킬 수 있으므로, 나노 버블이 가지는 대전성이 생물에 주는 영향에 대해서, 비교 대조 실험을 하는 것이 가능해 졌다. 이 결과, 정(+) 또는 부(-)로 대전된 나노 버블을 활용하여, 미생물 및 식물의 증식·성장 등을 촉진 또는 억제하는 것이 가능하게 되었다. 본 발명에서 개시하는 나노 버블을, 예를 들면, 수돗물 또는 배양액 등에 도입하고, 미생물 혹은 식물의 뿌리 또는 잎에 흡수시키는 것으로, 성장의 촉진 또는 억제 효과를 기대할 수 있다.
[실시예 1] 정(+)으로 대전된 나노 버블의 제조
밀폐된 공기 분위기 중에 마이크로미터 사이즈로 미세화된 물을 공급하고, 인설하는 회전체끼리 서로 반대 방향으로 회전하도록 설치된 복수의 회전체를 이용하여 마이크로미터 사이즈로 미세화된 물을 더욱 파쇄하고, 생성한 미스트를 포집 함으로써, 물에 둘러싸여 정(+)으로 대전된 나노 버블을 얻을 수 있었다. 얻어진 나노 버블의 지름 별 밀도 및 전하 별 밀도를 Microtrac bel社의 나노 버블 전하측정을 이용하여, ZetaView+T. Ohdaira 하전 디스크법으로 계산하여 측정하고, 기포의 평균 입경은, 효고현의 Spring 9에 마련되고, Omega Lenz를 구비하는 Ultra-high voltage electron microscope을 이용하여 측정했다.
정(+)으로 대전된 나노 버블의 전하 별 밀도(제타 뷰)를 도 1에 개시한다.
[실시예 2] 부(-)로 대전된 나노 버블의 제조
밀폐된 공기 분위기 중에 고전압을 인가해서 마이너스측을 접지하고, 마이크로미터 사이즈로 미세화된 물을 공급하고, 이웃한 것끼리 반대 방향으로 회전하여 설치된 복수의 회전체를 이용해서 마이크로미터 사이즈로 미세화된 물을 더욱 파쇄하고, 생성한 미스트를 포집함으로써, 물로 둘러싸여 부(-)로 대전된 나노 버블을 얻을 수 있었다. 도 2에, 대전된 나노 버블의 전하 별 밀도를 나타낸다.
(나노 버블 분산액을 이용하여 미생물 및 식물의 성장의 속도를 제어하는 방법)
[실시예 3] 공기를 봉입한 나노 버블을 이용한 경우
야생형의 클라미도모나스(NIES-2235주 Chlamydomonas reinhardtii. 이하, 단순히 「클라미도모나스」라고 한다.)를 이용하여, 공기를 봉입하여 정(+)으로 대전된 나노 버블을 포함하는 배양액(플러스 군), 부(-)로 대전된 나노 버블을 포함하는 배양액(마이너스 군), 나노 버블을 포함하지 않는 배양액(대조군) 3종류로 나누고, 각 군의 클로로필 생산량을 측정했다.
·배양주: 클라미도모나스
미생물학명(NIES주 번호): MIES-2235주
배지: C배지(한천도 보틀도 같은 Ｃ배지)
구입원: 국립연구개발법인국립환경연구소 미생물계통보존시설
·클라미도모나스를, 평형 샬레를 이용하여, 거리 25cm의 표면에서 샬레 내의 미생물에 대하여, 광합성에 최적으로 알려진, 620나노미터에서 630나노미터의 파장 피크를 소유하는 빛을 연속 조사했다. 배지는 HSM 한천 배지를 이용하였다.
·나노 버블 시료
플러스 군, 실시예1에 기재한 방법으로, 단 탄산 가스 중에서 정(+)으로 대전된 나노 버블을 이용하여 배지를 제조했다.
마이너스 군, 실시예2에 기재한 방법으로, 단 탄산 가스 중에서 부(-)로 대전된 나노 버블을 이용해서 배지를 제조했다.
대조군, 나노 버블을 포함하지 않는 증류수를 이용하여 배지를 작성했다.
·배양한 클라미도모나스는 일정 시간마다 아세톤을 통한 클로로필 추출법을 이용하여 추출하여, 얻어진 클로로필을 분광 광도계(NanoDrop社 제품: ND-1000)로 측정했다.
·측정 결과를 도 3에 나타낸다.
도 3에 개시되어 있는 것과 같이, 플러스 군은 대칭군과 비교하여, 유도기 및 대수증식기에 있어서 증식 속도가 유의하게 증가했다. 마이너스 군은 대칭군과 비교하여, 증식 속도가 감소했다.
[실시예 4] 이산화탄소 가스를 봉입한 나노 버블 이용했을 경우
실시예3과 같이, 단 나노 버블 시료의 플러스 군 및 마이너스 군을 이산화탄소 가스 중에서 제조하고, 각 군의 클로로필 생산량을 측정했다.
측정 결과를 도 4에 나타낸다. 실시예1과 같이, 플러스 군은 대칭군보다 빠르게 증식하고, 마이너스 군은 대칭군보다 늦었다.
[실시예 5] 공기를 봉입한 나노 버블 이용하여, 암기를 12시간으로 했을 경우
실시예3과 같이, 단 12시간의 암기를 마련하고 클로로필 생산량을 측정했다.
측정 결과를 도 5에 나타낸다.
도 5에 개시되어 있는 것과 같이, 플러스 군은 대칭군보다 빠르게 증식하였으나, 마이너스 군은 대칭군과 증식 속도가 같았다.
[실시예 6] 소송채 LED 광합성 재배 모델
소송채를 이용하여 수경 재배로 대전된 나노 버블수의 효과를 비교했다.
재배 조건
온도 LED 소등 시 20℃, LED 점등 시 27℃
액상 비료 Hyponext
나노 버블수 실시예1, 2에 준해서 작성했다.
버블 평균 입자경 180nm(100~200nm)
버블 밀도 3.0×108(개/cc)
나노 버블 전하 측정 장치 Microtrac bel社
계산 방법 ZetaView+T. Ohdaira 하전 디스크법
파종 후, 28일째의 사진을 도 6에 나타낸다.
[실시예 7] 무우 광합성 모델에 의한 성장 차
무우를 이용하여 수경 재배로 대전된 나노 버블수의 효과를 비교했다. 결과를 표1에 나타낸다.
표1에 나타나 있는 것과 같이, 정(+)으로 대전된 나노 버블을 이용하였을 경우는, 컨트롤에 비해 1.7~2.2배의 성장 속도를 나타내고, 부(-)로 대전된 나노 버블을 이용하였을 경우는, 컨트롤에 비해 1.1~1.2배의 성장 속도를 나타냈다.
컨트롤 플라스나노버블 마이너스 나노버블
잔뿌리의 길이 100 222 108
본 뿌리의 체적 100 171 119
잎의 면적 100 165 117
[실시예 8] 토마토의 하우스 재배 모델에 있어서의 수확량 도 7에, 2017년 4월부터 정(+)으로 대전된 나노 버블 발생기를 도입한 토마토의 하우스 재배 모델에 있어서의, 2016년 12월 16일부터 2017년 6월 16일까지의 누적 집하량을 나타낸다.
도 7에 나타나 있는 것과 같이, 정(+)으로 대전된 나노 버블 발생기를 도입한 2017년 4월부터 수확량이 현저하게 증가하고, 2017년 4월까지는 컨트롤과 같은 수확량이었던 것이, 2017년 6월 16일까지 2개월 동안 11% 수확이 늘었다.

Claims (3)

  1. 정(+)으로 대전된 나노버블 분산액으로서,
    상기 분산액의 액체는 물이고,
    상기 액체는 105 내지 1010/cc의 나노버블을 포함하고,
    상기 나노버블은 이산화탄소를 포함하고, 평균 입경이 10nm 내지 500nm이고, 제타 전위가 20mV 내지 200mV이며,
    야생형의 클라미도모나스(NIES-2235, Chlamydomonas reinhardtii) 성장 촉진을 위해 사용되는, 정(+)으로 대전된 나노버블 분산액.
  2. 정(+)으로 대전된 나노버블 분산액으로서,
    상기 분산액의 액체는 물이고,
    상기 액체는 105 내지 1010/cc의 나노버블을 포함하고,
    상기 나노버블은 공기를 포함하고, 평균 입경이 10nm 내지 500nm이고, 제타 전위가 20mV 내지 200mV이며,
    소송채의 LED 광합성 재배 모델 및 무우의 광합성 모델에서 성장 촉진을 위해 사용되는, 정(+)으로 대전된 나노버블 분산액.
  3. 정(+)으로 대전된 나노버블 분산액으로서,
    상기 분산액의 액체는 물이고,
    상기 액체는 105 내지 1010/cc의 나노버블을 포함하고,
    상기 나노버블은 공기 또는 이산화탄소를 포함하고, 평균 입경이 10nm 내지 500nm이고, 제타 전위가 20mV 내지 200mV이며,
    온실에서 재배되는 토마토 수확량 증대를 위해 사용되는, 정(+)으로 대전된 나노버블 분산액.
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