KR20150101815A - 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트 제조방법은, 단위 체적당 결합재 16.4 ~ 22.0%와, 단위 체적당 사용수 12.9 ~ 17.3%와, 단위 체적당 골재 55.5%와, 공극 15.0 ~ 5.0%와 친수성 섬유 0.2%로 구성된 성형조성물로 이루어지며, 상기의 결합재는 시멘트 40 ~ 70 부피%와, 30 ~ 60 부피%의 산업부산물인 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 중 선택된 1종 또는 2 내지 3종의 혼합물로 이루어지며, 상기의 골재는 50 ~ 70 부피%의 5~13mm의 부순돌, 순환골재, 버텀애시, 슬래그 골재 중 선택된 1종 또는 2 내지 4종과, 30 ~ 50 부피 %의 3 ~ 10mm 다공질 천연 화산석의 혼합물로 이루어지며, 상기의 사용수는 유용미생물 배양액을 사용수 체적의 30 ~ 100%를 치환하여 사용되어지며, 상기 성형조성물을 믹서로 3분간 저속 혼합 후, 5분간 고속 혼합하여 성형틀에 넣어 성형 후 60℃의 조건으로 증기양생실에서 12 ~ 24시간 양생한 후 상온에서 7 ~ 30일 동안 양생시켜는 초기 알칼리 용출량을 저감시키는 양생단계를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 바실러스계 미생물과 미생물의 흡착 및 생식공간 확보, 강도와 내구성 개선을 위한 친수성 섬유보강제를 이용하여, 섬유가 스펀지와 같은 역할을 하여 소성수축 및 건조수축 균열에 영향을 주어 강도와 내구성이 개선되고, 섬유 복합체의 내부에 미세한 공극이 형성되어 수질정화에 효과가 있는 바실러스계 미생물의 흡착이 원활하고, 정착되어 생존할 수 있는 공간이 마련됨으로써, 다수의 생물막이 형성되어 수질정화효과를 높여줄 수 있게 되며, 산업부산물인 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카 퓸을 대량(시멘트 대비 최대 60%)으로 활용하여 담체 제조함으로써, 수화열이 저감되어 균열이 적게 일어나며, 초기 알칼리 용출이 낮아 양생기간이 단축되고, 시멘트를 사용량을 줄임으로써 제조단가 절감 및 탄소배출량을 줄일 수 있게 되고, 더불어, 고로슬래그, 플라이애시를 활용한 콘크리트 결합재(시멘트+산업부산물)를 사용함으로써 시멘트만을 사용한 기존의 콘크리트 결합재에 비하여 공극이 다공질 및 미세화하여 유용미생물의 생식공간 확보 및 장기간 흡착성능에 우수한 특성을 보일 수 있게 된다.

Description

친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트 및 그 제조방법{Water Purification Bio Concrete using Hidrophilic Fiber and Industrial By-Products and Manufacturing Methods of it}

본 발명은, 바실러스계 미생물의 흡착 및 생존성을 증가시키기 위하여 친수성 섬유와 산업부산물을 대량으로 활용한, 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 인구증가에 따른 오염물질의 유입 증가나, 국지성 호우 등으로 인한 점오염원의 발생빈도가 증가하여, 기존의 하수처리장 등의 신규건설 및 증설이 필요한 실정이나 관련 부서 예산 부족 및 건설부지 확보 등의 문제로 인하여 어려운 실정이다.

따라서 최근 담체 충진형 생물 정화방법이 새로이 부각되고 있는 상황이다. 담체 충진형 탈취법은 미생물균주의 분해능력과 서식환경을 제공하는 미생물 담체에 의하여 효율이 좌우된다. 특히 담체에 따라 미생물의 번식 및 밀도에 영향을 미치게 되어 매우 중요하다 할 수 있다.

즉, 도시 또는 농어촌지역의 호소나 하천 등의 수계환경에서 수질을 개선하기 위한 수질정화용 담체를 제조하는데 있어 수질정화성능 측면에서는 유용미생물의 담체로의 부착 및 적용 기술에 따라서 수질개선 능력이 큰 차이를 보이므로, 담체의 종류 및 부착성능을 높이기 위하여 담체를 여러번 미생물 배양액에 침지시키거나, 다공성의 활성탄 및 기타 담체를 사용하는 연구들이 진행되어 있다.

일예로, 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 "미생물 복합처리 시스템을 이용한 수질정화 콘크리트 및 그 제조방법"(한국 등록특허공보 제10-1188100호, 특허문헌 1)에는 골재를 TSB에 침지한 다음 이를 바실러스계 미생물 배양액에 침지한 다음, 이를 결합재, 혼합재,물과 혼합, 성형 양생한 후 미생물 배양액에 다시 침지시켜 2차 양생하는 제조방법이 공개되어 있다.

하지만 제조공정이 많고 복잡해질수록 불량률이 많고, 적절한 양생기간을 확보하기 어려워 현장에 적용하기 위한 수질정화용 담체를 대량으로 제조하는 것은 어려운 실정이다. 또한 콘크리트 자재의 경우 골재를 미생물에 침지시키는 과정도 공장의 제조공정상 시간이 소요됨에 따라 최종 생산품의 생산량이 줄어 단가가 상승하는 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

강도의 개선 측면에서는 수질정화용 담체의 경우 하중을 직접 견디는 구조체는 아니나, 호소나 하천 등 수계환경에 적용하게 되므로, 적절한 강도의 확보와 함께 사계절이 뚜렷한 국내 환경을 생각해보면 적절한 내구성능의 확보도 수질정화성능과 더불어 중요한 평가 항목 중의 하나이다.

종래의 기술들은 콘크리트 담체의 경우 시멘트량을 늘리거나, 실리카퓸 등을 일부 혼입하여 강도는 개선하는 연구가 대부분인 실정이고, 활성탄 및 기타 재료의 경우 강도 및 내구성능이 현저히 떨어져 수계환경에 적용 시 홍수 및 부유물에 파손되어 유지관리 비용이 발생하는 경우가 많다.

따라서 다양한 소재를 활용하여 본래의 목적인 수질정화성능을 높임과 동시에 강도와 내구성능을 확보할 수 있는 단순한 제조공정의 수질정화용 블록의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

한편, "섬유보강 투수콘크리트"(한국 등록특허공보 제10-0503948호, 특허문헌 2)에는 콘크리트 제조에 친수성 섬유를 첨가하여 투수콘크리트의 균열을 억제하는 효과를 갖도록 하는 기술이 공개되어 있다.

그러나, 이러한 특허문헌2의 경우 단순히 섬유 조직을 이용하여 콘크리트의 균열을 방지하도록 할 뿐, 직접적으로 수질을 정화하거나, 인위적으로 제공된 미생물의 담체 역할을 하는 기술은 아니다.

KR 10-1188100 (2012.09.27) KR 10-0503948 (2005.07.18)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 바실러스계 미생물과 미생물의 흡착 및 생식공간 확보, 강도와 내구성 개선을 위한 친수성 섬유보강제를 이용하여, 섬유가 스펀지와 같은 역할을 하여 소성수축 및 건조수축 균열을 방지하여 강도와 내구성이 개선되고, 섬유 복합체의 내부에 미세한 공극이 형성되어 수질정화에 효과가 있는 바실러스계 미생물의 흡착이 원활하고, 정착되어 생존할 수 있는 공간이 마련됨으로써, 다수의 생물막이 형성되어 수질정화효과를 높여줄 수 있게 하려는 것이다.

또, 산업부산물인 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카 퓸을 대량(시멘트 대비 최대 60%)으로 활용하여 담체 제조함으로써, 수화열이 저감되어 균열이 적게 일어나며, 초기 알칼리 용출이 낮아 양생기간이 단축되고, 시멘트를 사용량을 줄임으로써 제조단가 절감 및 탄소배출량을 줄이려는 것이다.

더불어, 고로슬래그, 플라이애시를 활용한 콘크리트 결합재(시멘트+산업부산물)를 사용함으로써 시멘트만을 사용한 기존의 콘크리트 결합재에 비하여 공극이 다공질 및 미세화하여 유용미생물의 생식공간 확보 및 장기간 흡착성능에 우수한 특성을 보일 수 있게 하려는 것이다.

본 발명의 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트의 제조방법은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 단위 체적당 결합재 16.4 ~ 22.0%와, 단위 체적당 사용수 12.9 ~ 17.3%와, 단위 체적당 골재 55.5%와, 공극 15.0 ~ 5.0%와 친수성 섬유 0.2%로 구성된 성형조성물로 이루어지며, 상기의 결합재는 시멘트 40 ~ 70 부피%와, 30 ~ 60 부피%의 산업부산물인 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 중 선택된 1종 또는 2 내지 3종의 혼합물로 이루어지며, 상기의 골재는 50 ~ 70 부피%의 5~13mm의 부순돌, 순환골재, 버텀애시, 슬래그 골재 중 선택된 1종 또는 2 내지 4종과, 30 ~ 50 부피 %의 3 ~ 10mm 다공질 천연 화산석의 혼합물로 이루어지며, 상기의 사용수는 유용미생물 배양액을 사용수 체적의 30 ~ 100%를 치환하여 사용되어지며, 상기 성형조성물을 믹서로 3분간 저속 혼합 후, 5분간 고속 혼합하여 성형틀에 넣어 성형 후 60℃의 조건으로 증기양생실에서 12 ~ 24시간 양생한 후 상온에서 7 ~ 30일 동안 양생시켜는 초기 알칼리 용출량을 저감시키는 양생단계를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 유용미생물 배양액은 된장과 낫토에서 채취하여 분리된 바실러스계 유용미생물을 각각 TSA배지에 7일간 배양 후 배양된 미생물을 다시 TSB배지에 배양시킨 다음 1 : 1의 중량비로 혼합하여 제조한 미생물 혼합액과 물, 수분과 당분이 3 : 7 ~ 2 : 8의 중량 비율로 혼합된 당밀을 1:20:1의 중량비로 혼합하여 35℃로 7일간 배양탱크에서 혼합-배양하여 준비하며, 상기 된장에서 추출한 비실러스계 유용미생물은 Bacillus atrophaeus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus cereus, Lysinibacillus fusiformic, Pseudochrobactrum saccharolyticm이고, 상기 낫토에서 추출한 바실러스계 유용미생물은 Bacillus subtilis, Bacillus tequilensis인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 친수성 섬유는 셀룰로오스로 제조된 친수성 섬유이며, 직경 0.014~0.016mm, 길이 2.5~3.0mm이며, 인장강도 480~500MPa, 비중 1.3~1.5 의 특성을 나타내며, 상기 친수성 섬유는 사용수에 30분간 침수시킨 다음 골재, 결합재와 혼합되는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 친수성 섬유가 사용수에 침수된 상태에서 상기 유용 미생물과 골재가 혼합된 후 믹서로 3분간 교반된 후 결합재를 혼합시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트는 상기 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해, 바실러스계 미생물과 미생물의 흡착 및 생식공간 확보, 강도와 내구성 개선을 위한 친수성 섬유보강제를 이용하여, 섬유가 스펀지와 같은 역할을 하여 소성수축 및 건조수축 균열에 영향을 주어 강도와 내구성이 개선되고, 섬유 복합체의 내부에 미세한 공극이 형성되어 수질정화에 효과가 있는 바실러스계 미생물의 흡착이 원활하고, 정착되어 생존할 수 있는 공간이 마련됨으로써, 다수의 생물막이 형성되어 수질정화효과를 높여줄 수 있게 된다.

또, 산업부산물인 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카 퓸을 대량(시멘트 대비 최대 60%)으로 활용하여 담체 제조함으로써, 수화열이 저감되어 균열이 적게 일어나며, 초기 알칼리 용출이 낮아 양생기간이 단축되고, 시멘트를 사용량을 줄임으로써 제조단가 절감 및 탄소배출량을 줄일 수 있게 된다.

더불어, 고로슬래그, 플라이애시를 활용한 콘크리트 결합재(시멘트+산업부산물)를 사용함으로써 시멘트만을 사용한 기존의 콘크리트 결합재에 비하여 공극이 다공질 및 미세화하여 유용미생물의 생식공간 확보 및 장기간 흡착성능에 우수한 특성을 보일 수 있게 된다.

도 1은 친수성 섬유의 전자현미경 사진.
도 2는 고로슬래그 미분말의 전자현미경 사진.
도 3은 수질정화 실험을 위한 인공수로 모형
도 4는 실시예 1과 비교예 1의 총질소량 제거율 그래프.
도 5는 실시예 1과 비교예 1의 총인량 제거율 그래프.

이하, 본 발명의 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트 및 그 제조방법에 대하여 첨부된 도면을 통해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트 제조방법은 친수성 섬유와 산업부산물을 포함하여 이루어진 성형조성물을 믹서로 3분간 저속 혼합 후, 5분간 고속 혼합하여 성형틀에 넣어 성형 후 60℃의 조건으로 증기양생실에서 12 ~ 24시간 양생한 후 상온에서 7 ~ 30일 동안 양생시켜는 초기 알칼리 용출량을 저감시키는 양생단계를 포함하여 구성되어 있다.

이때, 성형조성물은 결합재, 사용수, 골재, 친수성 섬유 및 잔량의 공극으로 이루어진다.

이러한 성형조성물의 구성은 수질정화용 콘크리트의 제조를 위해 유용 미생물의 정착을 위해 배양액에 원료 및 공정 중간 성형물을 여러 차례 침지시키는 종래의 방법 대신 미세한 공극이 다수 형성되어 있는 친수성 섬유와 산업부산물을 활용하여 보다 단순하면서도 신속한 제조가 가능해지도록 하는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 친수성 섬유는 콘크리트 제조시 우수한 분산력과 마감력 및 균열 억제 효과를 갖기 위해 사용된다.

본 발명에서는 이러한 친수성 섬유를 미생물의 흡착 및 생존성 증대를 위한 담체 역할을 하도록 하는 것을 주된 기능으로 삼으면서 콘크리트의 내구성을 유지하고, 소성수축 및 건조수축 균열이 적어지도록 한다.

이를 위한 친수성 섬유는 무작위적으로 친수성의 기능을 갖는 다양한 섬유를 사용할 수 있으나, 본 발명에서는 유용 미생물의 흡착 및 생존성 증대가 가장 중요한 기능의 하나인 바, 유용 미생물이 원할하게 정착되어 생존할 수 있는 공간을 마련하여 수질 정화에 효과를 높일 수 있도록 하기 위하여 친수성 섬유는 그 길이를 2.5 ~ 3.0mm로 한정하고, 직경은 0.014 ~ 0.016mm의 범위를 갖는 셀룰로오스 섬유로 이루어진 것이 바람직하다.

도 1은 이러한 셀룰로오스 섬유를 전자현미경으로 확대하여 나타낸 사진이다.

더불어, 콘크리트의 압축강도 저하 및 적정한 비중을 유지할 수 있도록 하기 위하여 인장강도 480 ~ 500MPa, 비중 1.3 ~ 1.5 의 특성을 나타내는 것이 바람직하다.

또한, 결합재를 순수 시멘트로 구성하지 아니하고, 시멘트와 산업부산물을 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

적용 가능한 산업부산물의 예로는 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 중 선택된 어느 하나 또는 2 내지 3종의 혼합물로 구성될 수 있다.

도 2는 고로슬래그 미분말의 전자현미경 사진이다.

도 1 및 도 2에 나타나 있는 바와 같이 친수성 섬유 및 산업 부산물에는 다수의 공극이 형성되어 있어 유용 미생물의 흡착 및 생존 공간을 확보해줄 수 있게 된다.

이러한 친수성 섬유와 결합재 원료인 산업부산물을 포함하는 성형조성물의 조성은 단위 체적당 결합재 16.4 ~ 22.0%와, 단위 체적당 사용수 12.9 ~ 17.3%와, 단위 체적당 골재 55.5%와, 공극 15.0 ~ 5.0%와 친수성 섬유 0.2%로 이루어짐이 바람직하다.

더불어, 상기의 결합재는 시멘트 40 ~ 70 부피%와, 30 ~ 60 부피%의 산업부산물인 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 중 선택된 1종 또는 2 내지 3종의 혼합물로 이루어지는 것이 좋다.

또한, 상기의 골재는 50 ~ 70 부피%의 5~13mm의 부순돌, 순환골재, 버텀애시, 슬래그 골재 중 선택된 1종 또는 2 내지 4종과, 30 ~ 50 부피 %의 3 ~ 10mm 다공질 천연 화산석의 혼합물로 이루어짐이 바람직하다.

여기서 사용수는 유용미생물 배양액 100% 원액으로 이루어지거나, 유용미생물 배양액을 사용수 체적의 30 ~ 100%를 치환하고, 잔량의 물로 구성될 수 있다.

유용미생물 배양액은 된장과 낫토에서 채취하여 분리된 바실러스계 유용미생물을 각각 TSA배지에 7일간 배양 후 배양된 미생물을 다시 TSB배지에 배양시킨 다음 1 : 1의 중량비로 혼합하여 제조한 미생물 혼합액과 물, 당밀을 1 : 20 : 1의 중량비로 혼합하여 35℃로 7일간 배양탱크에서 혼합-배양하여 준비한다.

당밀은 수분과 당분이 3 : 7 ~ 2 : 8의 중량 비율로 혼합된 것을 사용한다.

더불어, 상기 된장에서 추출한 비실러스계 유용미생물은 Bacillus atrophaeus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus cereus, Lysinibacillus fusiformic, Pseudochrobactrum saccharolyticm이고,

상기 낫토에서 추출한 바실러스계 유용미생물은 Bacillus subtilis, Bacillus tequilensis인 것을 특징으로 한다.

상기한 성형조성물은 각 원료를 한번에 혼합하여 사용할 수 있으나, 보다 바람지하기로는 친수성 섬유를 사용수에 30분간 침수시킨 다음 골재 및 결합재와 혼합하도록 하는 것이 좋다.

더 바람직하기로는 친수성 섬유가 침수된 상태에서 상기 유용 미생물과 골재가 혼합된 후 믹서로 3분간 교반된 후 결합재를 혼합시키는 것이 좋다.

즉, 충분히 침수된 친수성 섬유가 유용 미생물 및 골재와 혼합, 교반된 다음 결합재가 혼합됨으로써 유용 미생물이 고르게 분포될 수 있게 하는 것이다.

이하, 상기와 같이 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 제조방법에 의해 제조된 수질정화용 바이오 콘크리트와, 특허문헌 1의 미생물 복합처리 시스템을 이용한 수질정화 콘크리트의 성능을 평가하기 위하여 실시예와 비교예로 구분하여 실험한 결과에 대해 설명하면 아래와 같다.

<실시예 1> 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트의 제조

먼저, 된장에서 Bacillus atrophaeus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus cereus, Lysinibacillus fusiformic, Pseudochrobactrum saccharolyticm을 채취하여 분리한 후 이를 TSA 배지에 7일간 배양한 후 다시 TSB 배지에 배양하여 준비하였다.

이때, 각각의 미생물은 동일 중량이 되도록 준비하였다.

더불어 낫토에서 Bacillus subtilis, Bacillus tequilensis를 채취하여 분리한 후 이를 TSA 배지에 7일간 배양한 후 다시 TSB 배지에 배양하여 준비하였다.

된장과 낫토에서 채취하여 배양한 미생물의 총중량이 동일해지도록 한 후 이를 혼합하여 미생물 혼합액을 준비하였다.

더불어, 수분과 당분이 3 : 7의 중량비로 이루어진 당밀을 준비한 후, 미생물 혼합액, 물, 당밀이 1 : 20 : 1의 중량비가 되도록 하여 혼합한 후 35℃로 7일간 배양탱크에서 혼합-배양하여 유용미생물 배양액을 준비하였다.

한편, 평균 직경이 0.015mm, 길이 2.7mm이며, 인장강도 485MPa, 비중 1.42인 셀룰로오스 섬유 0.2L를 준비한 후 사용수 15.3L에 30분간 침수시켰다.

더불어, 결합재로 시멘트 10L와 고로슬래그 미분말 10L를 혼합하여 20L를 준비하였다.

한편, 5 ~ 13mm 크기의 부순돌 33.3L와 3 ~ 10mm 크기의 다공질 천연 화산석 22.2L%를 혼합하여 골재 55.5L를 준비하였다.

이어 준비된 골재와 유용미생물 배양액이 침수되어 있는 사용수와 골재를 혼합한 다음 믹서로 3분간 교반한 다음 준비된 결합재와 혼합하고, 이어 다시 믹서로 3분간 저속 혼합한 다음 5분간 고속 혼합하여 성형틀에 넣고 성형한 다음 60℃의 조건으로 증기양생실에서 12 ~ 24시간 양생한 후 상온에서 7 ~ 30일 동안 양생시켜는 초기 알칼리 용출량을 저감시켜 공극을 포함한 100L 부피인 실시예 1의 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트를 제조하였다.

<비교예 1> 미생물 복합처리 시스템을 이용한 수질정화 콘크리트 제조

먼저, 수질정화에 효과적인 미생물을 분리 및 배양하는 실험을 실시하여 바실러스퍼머스 계의 미생물을 준비하고, 미생물과 배양액을 1 : 2의 중량비로 혼합하여 준비하였다.

아울러, TSB를 준비하였다.

그런 다음 부순골재 796ℓ를 준비하고, 이를 TSB에 침지시켜 10 ~ 50℃로 1일에서 14일간 유지하였다.

아울러, TSB에 침지된 골재에 상기와 같이 준비된 바실러스퍼머스계 미생물 배양액에 침지시키고 동일한 온도 조건으로 14일간 유지하였다.

이어 결합재로써 시멘트 98ℓ를 준비하고, 혼화제 3ℓ를 준비하고, 상기 방법과 같이 별도의 미생물 배양액 34ℓ를 준비하고, 물 51ℓ를 준비한 후, 미생물 배양액에 침지된 골재와 미생물 배양액을 5분간 선 혼합한 후 결합재, 혼화제, 물을 혼합하여 성형조성물을 준비하였다.

이어 준비된 성형조성물을 성형틀에 투입한 후 습도 약 80 ~ 90%, 온도 20 ~ 25℃의 조건으로 양생실에서 1차로 18시간 동안 습윤 양생하였다.

한편, 또다른 별도의 바실러스 퍼머스계 미생물 배양액을 준비하고, 1차로 양생된 성형물을 침지시켜 10 ~ 50℃의 온도로 14일간 양생하고, 이를 꺼내 기건상태에서 상온에서 7일간 양생시켜 비교예 1의 수질정화 콘크리트를 제조하였다.

<실험예 1> 수질 정화 실험

상기 실시예 1과 비교예 1의 콘크리트를 가로, 세로 100mm, 높이 100mm의 정육면체 형상으로 제작하여 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 알루미늄으로 제작된 인공수로모형에 설치하였다.

원수는 경기도 내에 위치한 하수처리장에서 1차 처리된 하수를 채취하여 희석하여 사용하였으며, 인공수로에 체류시간 2시간으로 설정하여 원수를 유입하는 방법으로 실험을 진행하였으며, 0~84시간까지 시간의 경과에 따른 유출수의 총질소량(T-N), 총인량(T-P)을 측정하였다.

측정결과는 도 4의 총질소량 제거율 그래프, 도 5의 총인량 제거율 그래프로 나타냈다.

소거율의 단위는 %이며, 그래프 상에서 대조군은 비교예 1을, 실험군은 실시예 1을 지칭한다.

도 4 및 도 5에 나타나 있는 바와 같이 간이 84시간까지 경과하면서 T-N의 농도가 대조군의 경우 9.6~8.08mg/L, 실험군의 경우 9.6~6.9mg/L로 각각의 제거효율은 15.8%, 28.1%로 나타났다. 실험군의 경우가 대조군의 경우에 비하여 제거효율이 약 12%정도 높게 나왔다.

T-P의 실험결과를 살펴보면 시간이 84시간까지 경과하면서 T-N의 농도가 대조군의 경우 9.53~2.3mg/L, 실험군의 경우 9.53~0.68mg/L로 각각의 제거효율은 75.9%, 92.9%로 나타났다. 실험군의 경우가 대조군의 경우에 비하여 제거효율이 약 17%정도 높게 나왔다.

이는 친수성 섬유를 활용하여 콘크리트를 제조함으로 인하여 친수성 섬유와 시멘트 및 산업부산물의 결합에 의하여 내부의 미세한 공극이 고르게 분포되고, 섬유 조직간의 미세한 공간에서 생물막이 더 많이 생성되어 T-N, T-P의 제거성능이 높게 나온 것으로 판단된다.

<실험예 2> 강도 측정

실시예 1과 비교예 1의 콘크리트를 공시체로 제조하여 각 재령에 따라 KS F 2405 '콘크리트 압축강도 시험방법에 준하여 압축강도를 측정하여 표 1에 나타내었다.

대상	7일후	14일후	21일후	28일후	35일후
비교예 1	9.61	15.01	31.52	32.32	32.20
실시예 1	8.43	13.32	23.10	24.45	24.65

압축강도를 고찰하여 보면 실시예1의 압축강도가 비교예1에 비하여 28일 강도의 경우 약 24%정도 감소하였는데, 이는 비교예1와 달리 실시예에는 고로슬래그미분말을 대체하여 혼입하였기 때문에 강도가 감소한 것으로 판단된다.

하지만 수질정화용 콘크리트의 경우 구조적인 하중을 직접 부담하는 구조물이 아니므로, 21일 후 21MPa이상의 강도를 나타내는 것은 적절한 것으로 판단된다.

<실험예 3> 내화학성 측정

상기의 실시예1과 비교예1의 콘크리트를 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체로 제작하여 재령 28일 후 공시체를 1%의 황산 용액에 50일간 침지시켜 경과 시간에 따른 중량 변화율을 측정하여 표 2에 나타내었다.

단위는 %이다.

대상	10일후	20일후	30일후	40일후	50일후
비교예 1	99.83	94.15	86.26	83.22	80.52
실시예 1	99.85	95.98	89.98	87.54	85.12

실험결과를 살펴보면 50일까지 중량변화율이 비교예1의 경우 80.52%, 실시예1의 경우 85.12%로 실시예1이 비교예1에 비하여 약 5%정도 내화학성이 향상된 것으로 나타났다.

이는 고로슬래그 미분말의 경우 콘크리트 중에서 Ca(OH)2와 반응해 C-S-H겔을 형성하기 때문에 Ca(OH)2와 황산염 반응에 의한 팽창성 수화물의 생성량을 저감할 수 있어 보통의 콘크리트에 비해 내화학성이 증가하는 것으로 판단된다.

<실험예 4> 동결융해 실험

상기의 콘크리트를 가로, 세로 10cm, 높이 40cm의 공시체로 제작하여 재령 28일에서 KS F 2456:2008 급속 동결 융해에 대한 콘크리트의 저항 시험방법 중 방법 B에 준하여 동결융해실험을 실시하여 250 싸이클 후의 중량변화율을 측정하여 표에 나타내었다.

단위는 %이다.

대상	50사이클	100사이클	150사이클	200사이클	250사이클
비교예 1	99.83	88.64	79.32	75.34	70.86
실시예 1	99.85	88.98	81.35	77.84	75.24

실험결과를 고찰하여 보면 고로슬래그미분말의 높은 분말도 및 잠재수경성으로 인한 콘크리트 내부의 큰 공극이 작아지고 미세한공극으로 고르게 분포되면서 콘크리트 내부의 공극수가 동결융해를 반복하여 발생되는 동해에 대한 저항성이 향상된 것으로 판단된다.

이상, 살펴본 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트는 본 발명의 출원하여 등록받은 미생물 복합처리 시스템을 이용한 수질정화 콘크리트와 비교해 볼 때 T-N 제거율이 약 12% 우수하고, T-P제거율은 약 17% 정도 우수한 것으로 나타났다.

더불어, 수질정화용으로 사용되기에 적합한 압축강도를 가지면서 내화학성 및 동결융해에 대한 저항성이 보다 개선된 것을 알 수 있다.

특히, 종래의 수질정화용 콘크리트의 제조에 비해 공정이 대폭 간소화되어 생산성을 향상시킨 점이 주목할 만하다 할 것이다.

본 발명의 콘크리트는 상술한 수질정화 용도로 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 허용되는 압축강도의 범위 내에서, 또는 다양한 강도를 높여주는 다양한 첨가제를 사용하여 다양한 건축, 토목 현장의 콘크리트 제품에 적용되어 사용될 수도 있다 할 것이다.

Claims (5)

1. 수질정화용 바이오 콘크리트의 제조 방법에 있어서,
   단위 체적당 결합재 16.4 ~ 22.0%와, 단위 체적당 사용수 12.9 ~ 17.3%와, 단위 체적당 골재 55.5%와, 공극 15.0 ~ 5.0%와 친수성 섬유 0.2%로 구성된 성형조성물로 이루어지며,
   상기의 결합재는 시멘트 40 ~ 70 부피%와, 30 ~ 60 부피%의 산업부산물인 플라이애쉬, 실리카퓸, 고로슬래그 미분말 중 선택된 1종 또는 2 내지 3종의 혼합물로 이루어지며,
   상기의 골재는 50 ~ 70 부피%의 5~13mm의 부순돌, 순환골재, 버텀애시, 슬래그 골재 중 선택된 1종 또는 2 내지 4종과, 30 ~ 50 부피 %의 3 ~ 10mm 다공질 천연 화산석의 혼합물로 이루어지며,
   상기의 사용수는 유용미생물 배양액을 사용수 체적의 30 ~ 100%를 치환하여 사용되어지며,
   상기 성형조성물을 믹서로 3분간 저속 혼합 후, 5분간 고속 혼합하여 성형틀에 넣어 성형 후 60℃의 조건으로 증기양생실에서 12 ~ 24시간 양생한 후 상온에서 7 ~ 30일 동안 양생시켜는 초기 알칼리 용출량을 저감시키는 양생단계를 포함하여 구성된,
   친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유용미생물 배양액은 된장과 낫토에서 채취하여 분리된 바실러스계 유용미생물을 각각 TSA배지에 7일간 배양 후 배양된 미생물을 다시 TSB배지에 배양시킨 다음 1 : 1의 중량비로 혼합하여 제조한 미생물 혼합액과 물, 수분과 당분이 3 : 7 ~ 2 : 8의 중량 비율로 혼합된 당밀을 1:20:1의 중량비로 혼합하여 35℃로 7일간 배양탱크에서 혼합-배양하여 준비하며,
   상기 된장에서 추출한 비실러스계 유용미생물은 Bacillus atrophaeus, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus cereus, Lysinibacillus fusiformic, Pseudochrobactrum saccharolyticm이고,
   상기 낫토에서 추출한 바실러스계 유용미생물은 Bacillus subtilis, Bacillus tequilensis인 것을 특징으로 하는,
   친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 친수성 섬유는 셀룰로오스로 제조된 친수성 섬유이며,
   직경 0.014~0.016mm, 길이 2.5~3.0mm이며,
   인장강도 480~500MPa, 비중 1.3~1.5 의 특성을 나타내며,
   상기 친수성 섬유는 사용수에 30분간 침수시킨 다음 골재, 결합재와 혼합되는 것을 특징으로 하는,
   친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트의 제조방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 친수성 섬유가 사용수에 침수된 상태에서 상기 유용 미생물과 골재가 혼합된 후 믹서로 3분간 교반된 후 결합재를 혼합시키는 것을 특징으로 하는,
   친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트의 제조방법.
   
5. 친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트에 있어서,
   제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는,
   친수성 섬유와 산업부산물을 이용한 수질정화용 바이오 콘크리트.

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