WO2013069830A1 - 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법 및 그에 의해 제조된 토양 - Google Patents

미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법 및 그에 의해 제조된 토양 Download PDF

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WO2013069830A1
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soil
microorganism
bio
fiber
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방상철
방숙희
최성록
이석진
이주호
김종선
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롯데건설
에코필
사우스다코다 마인즈 앤드 테크놀러지 스쿨
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    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing soil using microorganisms and the soil produced by the same, and more particularly, reinforced with a bio-binder having a high strength (high strength) by the bacteria and polymer fibers capable of producing urease (urease) A method of producing soil and a soil produced thereby.
  • urease producing bacteria have been used to correct the surface or bottom of permeable material. Specifically, the bacteria have been used to treat oil contaminants by decreasing the flow rate as the permeability and porosity of the permeable material decreases.
  • bio binders utilizing bacteria that produce urease are used as a binder by reducing the permeability and porosity, which is formed by ammonia formed as a product of the decomposition of urea by the urease enzyme.
  • conventional bio-binding agents are not yet strong enough to be used in materials of structures and residential buildings.
  • arid regions are those where precipitation is less than the possible evaporation.
  • the amount of possible evaporation is obtained by adding the amount of evaporation from the plant and the amount of evaporation from the ground when the grass is sufficiently supplied with moisture.
  • the desert soil representing the dry area is composed of sand mainly composed of silica and alumina. Due to the characteristics of the sand, the soil has a weak bonding strength, so it is weak for road use, and the soil is not sufficiently stored. It is difficult to grow In addition, due to the wind effect in the desert, the sand is lost, the topography changes, and the yellow dust phenomenon occurs more and more frequently. Conventionally, by reinforcing with a bio-binding agent using microorganisms to increase the soil strength and wind resistance, it is still lacking the strength and resistance to actually apply to the desert.
  • the problem to be solved by the present invention is a harmless to the human body and does not cause environmental pollution, and provides a method for producing soil reinforced with a bio-binding agent using a microorganism secured enough soil strength and wind resistance and the soil produced by it There is.
  • a method for preparing soil reinforced with a bio-binding agent using a microorganism of the present invention first prepares sand containing silica and alumina as a main component. Thereafter, combining the microorganism, urea, calcium ions and polymer fibers that produce urea to the sand with the sand.
  • the polymer fiber has a content of 0.05wt% to 5wt% with respect to the sand.
  • the microorganism preferably provides a CaCO 3 production rate of 1-7 ⁇ 10 ⁇ 9 (g CaCO 3 ppt cell ⁇ 1 hr ⁇ 1 ) at a standard state.
  • the microorganism is at least one selected from Bacillus, Sporosakina, Sporolactobacillus, Sporolactobacillus, Clostridium, and Desulfotomaculum. And may be either Sporosaki or Pastorii (Sporosarcina pasteurii) or a functional equivalent thereof.
  • the polymer fiber may be a biodegradable fiber in which the chain introduced into the fiber is cut and inorganicized, wherein the biodegradable fiber is polylactic acid (PLA), cellulose (Cellulose), milk It may be at least any one selected from the incorporated rayon, chitosan (chitosan) mixed fiber or rice straw. Among them, fiber or rice straw incorporating chitosan is preferable, and rice straw is more preferable.
  • the method may further include a step of surface treatment of the sand, wherein the surface treatment may be performed by using a plasma or a spray method, wherein the plasma Can be carried out in vacuum or at atmospheric pressure.
  • the particles attached to the sand by the spray method may be sand powder or functional particles.
  • the strength and wind of the soil is harmless to the human body and does not cause environmental pollution by using bacteria and polymer fibers that produce urease. Sufficient resistance to can be obtained.
  • FIG. 1 is a view showing an example of an apparatus for treating the surface of sand using an etchant in the method of producing soil reinforced with a bio-binding agent using a microorganism according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing one example of an apparatus for treating the surface of sand using the spray method in the method of producing soil reinforced with a bio-binding agent using a microorganism according to the present invention.
  • Embodiments of the present invention using bacteria and polymer fibers to produce urease, proposes a soil that is harmless to the human body and does not cause environmental pollution, the soil strength and wind resistance is sufficiently secured.
  • a method of increasing the strength of the soil by providing a fiber reinforcing effect by the polymer fibers by mixing the polymer fibers with the bio binder will be described in detail.
  • a method of treating the surface of the material in order to enhance the adhesion of the surface of the sand will ultimately propose a method of increasing the strength of the bio binder.
  • the soil proposed in the present invention is defined to include a binder and polymer fibers which bind the sand by bacteria producing urease and sand mainly composed of silica and alumina. This is because the object of the present invention is to improve the soil of the desert, the majority of the sand is mainly composed of silica and alumina, to enhance the bonding strength and support between the sand to increase the soil strength and resistance to the wind in the desert Because it is to make it.
  • Sand used in the present invention is composed mainly of silica and alumina, and has an average diameter of approximately 0.1 to 5 mm.
  • the main component of silica and alumina means that silica and alumina occupy at least 70% or more by weight in the sand-forming component.
  • the soil of the present invention is prepared by first preparing sand based on silica and alumina, and reacting and polymer fibers for a binder including microorganism, urea and calcium ions to produce urea in the sand. It is made by combining.
  • the polymer fiber has a content of 0.05wt% to 5wt% with respect to the sand.
  • the microorganism provides a CaCO 3 production rate of 1-7 ⁇ 10 ⁇ 9 (g CaCO 3 ppt cell ⁇ 1 hr ⁇ 1 ) at standard conditions.
  • the CaCO 3 production rate is the optimal value verified by experiments of the action of the microorganisms applied to the soil of the present invention.
  • the representative of CaCO 3 produced is calcite.
  • Bacteria that produce urease in the reactants of the binder of the present invention are added to the sand to form at least 33 g of calcite per liter.
  • the method used to determine the content of calcite is various.
  • One method measures the amount of carbon dioxide produced when a substance is treated with acid.
  • the amount of carbon dioxide generated can be determined by measuring the gas pressure (manometer method) or the volume change of the gas. Knowing the mass of the sample and the volume of the gas can determine the amount of carbonate present.
  • two methods for measuring the content of calcite are described in G.E. Rayment and F.R. Higginson, Onkata Press, Sydney, 1992, page 206-210, Chapter 19- "Soil Carbonate,” Australian Laboratory Handbook of Soil and Water Methods. " ) ".
  • the microorganisms used in the present invention may be ones capable of producing the original urease and / or may have one or more properties which may vary in particular for use in the method according to the present invention. Alternatively, it may be one having one or more properties which can produce urease by genetic modification or genetic engineering and / or can be changed to be useful for use in the method according to the invention.
  • Preferred microorganisms are from the Bacillacae family, specifically Bacillus, Sporosrcina, Sporolactobacillus, Clostridium and Desulfotomaculum. It is from a species selected from the list of species to include. More preferred microorganisms are Sporosarcina pasteurii or a functional equivalent thereof. Functional equivalents of Sporosaki or Pasteururi are bacteria which have at least one property in common with Sporosaki or Pasteurii, which can be usefully changed in the method according to the present invention. One of ordinary skill in the art can routinely identify such bacteria. Of course, other microbial combinations may be used if necessary.
  • Urea may be provided in various forms, preferably in an aqueous solution in water.
  • the calcium ions may be in various forms, and the calcium ions may be provided in the form of a salt such as calcium chloride.
  • the reactants may be added to the sand simultaneously or sequentially.
  • microorganisms may be applied to the sand followed by urea and calcium ions, which may be added separately or in combination prior to addition to the sand.
  • urea and calcium ions may be added to the sand following microorganisms that may be added sequentially or simultaneously.
  • the reactants can be mixed with the sand in various ways.
  • the reactants may enter the sand under pressure such as by flushing or injecting, spraying, dripping or trickling on or in the sand. Alternatively, depending on the size and shape of the sand, it can be immersed in the reactant.
  • the polymer fiber added to the present invention has a content of 0.05 wt% to 5 wt% with respect to the sand.
  • the content of the polymer fibers is less than 0.05wt%, the fiber reinforcement effect is not obtained, and when the content of the polymer fibers is greater than 5wt%, the polymer fibers are entangled with each other to form a ball, and the fiber reinforcement effect to be implemented in the present invention disappears.
  • the content of the polymer fiber may be determined according to the soil to be implemented in consideration of the type and content of the sand.
  • Biodegradable fiber refers to a fiber in which the chain introduced into the fiber by the microorganism is cut and inorganicized.
  • the biodegradable fiber contains polylactic acid (PLA), regenerated cellulose (Cellulose), and milk obtained from corn or potatoes.
  • PLA polylactic acid
  • Cellulose regenerated cellulose
  • milk obtained from corn or potatoes There is a rayon, chitosan (chitosan) incorporating fibers, rice straw, etc.
  • rice straw and chitosan-incorporated fibers are preferable, and rice straw is more preferable.
  • the strength of the soil was measured by a triaxial compression test (triaxial compression test), the triaxial compression test is a stress when the shear failure occurs by putting a cylindrical soil sample into the pressure cylinder by applying a side pressure with a liquid, As a test for determining the friction angle and adhesive force of the soil by measuring the degree of deformation, the soil strength by the friction angle was measured in the present invention.
  • the wind resistance was carried out a wind erosion test (g / cm2) indicating the amount of sand lost by the wind artificially applied to the soil of the present invention in g / cm2.
  • An embodiment of the present invention provides a method of treating the surface by etching sand or using a spray method.
  • the surface treated sand may be mixed with the surface treated sand at a constant ratio. This can be determined by considering the strength required for the soil of the present invention and the cost of treating the surface.
  • the etching may be performed by a method of surface treatment of sand.
  • the etching solution may be directly contacted with the surface of sand to be etched, and there may be a method of etching using plasma.
  • the method of contacting the etchant directly to the surface of the sand may be realized by spraying the etchant into the sand or by soaking the sand in the etchant for a predetermined time.
  • Plasma can improve surface tension, adhesion and adhesion, and any plasma method can be used as long as it can scratch the surface of the sand.
  • the plasma treatment can be broadly classified into a vacuum plasma treatment method and an atmospheric pressure plasma treatment method for treating a substrate under atmospheric pressure.
  • the surface treatment by the plasma of the present invention also includes a reactive ion etching method.
  • the reaction gas for forming plasma is preferably CFx.
  • sand is introduced into a vacuum chamber maintained in a vacuum or low pressure state, and ions and electrons generated through plasma ionization are dissociated to form a substrate using radicals that are electrically neutral and highly chemically reactive.
  • the plasma source may be a direct plasma or a remote plasma.
  • the atmospheric pressure plasma treatment method performs the required plasma treatment by directing the generated plasma source out of the apparatus and contacting the substrate under atmospheric pressure. Since the plasma treatment method is well known, a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 1 is a view showing an example of an apparatus 100 for treating a surface of sand using an etchant in a method for producing soil reinforced with a bio-binding agent using microorganisms according to an embodiment of the present invention.
  • a method of spraying the etchant among the various methods of etching has been presented.
  • the apparatus 100 for etching the surface of sand is divided into a part for supplying sand, a part for spraying an etchant, a part for transporting the injected sand, and a part for recovering the etchant and sand. Since the divided components are merely conceptual descriptions of the etching apparatus 100 of the present invention, various methods may be added to optimize the operation of each component in actual use. For example, the method may further include a method of causing vibration in a portion of the sand transporting portion so that the etching liquid is evenly sprayed on the surface of the sand to be transported.
  • the sand supplying part includes a sand reservoir 120 for storing the sand 105 and a sand inlet 122 for injecting the sand 105.
  • the part for spraying the etchant includes an etchant storage tank 110 for storing the etchant and an injection nozzle 112 for injecting the etchant.
  • the sand conveying part conveys the sand put into the belt 132 moving by the roller 130.
  • the recovering portion is installed in the mixing tank 140 and the mixing tank 140 for recovering the sand mixed with the etching liquid, and a filter 142 for separating the etching liquid is mounted. The etchant passed through the filter 142 is recovered to a separate etchant recovery tank 150.
  • the injection nozzle 110 for spraying the etchant may be moved or rotated left and right or up and down to allow the etchant to be evenly contacted with the sand to be transported.
  • the injected sand may be continuously or short-circuited in consideration of the extent to which the surface of the sand is etched by the sprayed etchant, the amount of sand injected, and the like.
  • the spraying method accelerates the powder to a non-melt state by the flow of the compressed gas flowing in the nozzle, and sprays the powder toward the surface of sand to adhere to the sand.
  • the powder for spraying may be a component only to increase the specific surface area of the sand and increase the surface roughness, and give a desired function to the sand, such as silver nanoparticles that act as antibacterial or titanium dioxide (TiO 2 ) that serves as a photocatalyst. It may be a particle, it may be a mixture of two components. Thus, the particle
  • FIG. 2 is a view showing one example of an apparatus 200 for treating a surface of sand using a spraying method in a method of preparing soil reinforced with a bio-binding agent using microorganisms according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus 200 for treating the surface of sand with powder is largely divided into a part for supplying sand, a part for spraying powder, a part for transporting the injected sand, and a part for recovering sand treated with powder Are distinguished. Since the divided components are merely conceptual descriptions of the powder processing apparatus 200 of the present invention, various methods may be added to optimize the operation of each component in actual use. For example, a method may be further added in which vibration is generated at a portion of the sand conveying material so that the powder is evenly sprayed on the surface of the sand being conveyed.
  • the sand supplying part includes a sand reservoir 220 for storing the sand 205 and a sand inlet 222 for injecting the sand 205.
  • the powder spraying part includes a powder reservoir 212 for storing the powder, an injection nozzle 214 for injecting the powder, and a pressurizing part 210 for increasing the kinetic energy of the powder by applying pressure or heat and pressure to the powder.
  • the sand is transported by the sand put into the belt 232 moving by the roller 230.
  • the sand surface-treated with the powder is recovered by the recovery tank 240.
  • the injection nozzle 214 for injecting the powder may be moved or rotated left and right or up and down so that the powder is uniformly contacted with the sand to be transported.
  • the injected sand may be continuously or short-circuited in consideration of the extent to which the surface of the sand is treated by the sprayed powder, the amount of sand injected, and the like. At this time, some of the surface of the sand treated by the powder may be damaged, some may be embedded powder.
  • Reactant 15 (ml / 100 g of sand) and urea containing about 10 7 bacteria / ml of sporosaki or pasteurie grown in vegetite acetate under sterile conditions as microorganisms producing 100 g of sand and urea.
  • urea containing about 10 7 bacteria / ml of sporosaki or pasteurie grown in vegetite acetate under sterile conditions as microorganisms producing 100 g of sand and urea.
  • Example 2 All conditions were the same as in Example 1 except that polypropylene fibers were mixed by 2 g and 4.5 g, respectively, to measure the soil strength.
  • sand powder main component SiO 2 , Al 2 O 3
  • the aperture was 4 ⁇ 6 mm as a standard laval type spray nozzle, and the throat gap
  • the powder was sprayed toward the surface of sand by the flow of a carrier gas of 30 atmospheres and 380 degreeC using air as a compressed gas using the nozzle of 1 mm).
  • Table 1 illustrates the relationship between the strength of the soil reinforced with a bio-binding agent using a microorganism according to an embodiment of the present invention and a comparative example without polymer fibers. At this time, the strength ratio is compared with soil composed of sand only. The friction angle ( ⁇ ) of soil consisting only of sand is 27.9 °.
  • Example 1 Table 1 division Polymer fiber (g / sand 100 g) Soil strength Friction angle ( ⁇ ) Strength ratio
  • Example 1 PP 0.25 39.2 ° ⁇ 0.25 1.54
  • Example 2 2 40.1 ° ⁇ 0.25 1.59
  • Example 3 4.5 39.1 ° ⁇ 0.25 1.53
  • Example 4 Straw 0.25 37.3 ° ⁇ 0.25 1.44
  • Example 5 2 38.1 ° ⁇ 0.25 1.48
  • Example 6 4.5 37.1 ° ⁇ 0.25 1.43
  • Example 7 Chitosan-containing 0.25 36.4 ° ⁇ 0.25 1.39
  • Example 8 2 37.3 ° ⁇ 0.25 1.44
  • Example 9 4.5 36.2 ° ⁇ 0.25 1.38
  • Example 10 PP 0.25 40.0 ° ⁇ 0.25 1.58
  • Example 11 2 40.9 ° ⁇ 0.25 1.63
  • Example 12 4.5 39.9 ° ⁇ 0.25 1.63
  • Example 13 PP 0.25 40.8 ° ⁇ 0.25 1.63
  • the conventional soil without the polymer fiber has a strength of 1.09 times compared to the soil consisting of only sand.
  • the polypropylene fibers were added and mixed as in Examples 1 to 3, they showed 1.53 to 1.59 times the strength of the sand-only soil. Accordingly, it can be seen that when the polypropylene fibers were mixed, the strength of the soil was significantly increased compared to the case where the fibers were not included.
  • 0.25 g of polypropylene fiber having an average length of 5 cm, width 1.2 mm and thickness 0.038 mm was mixed with 0.25 g of 100 g of sand.
  • the prepared soil was cured in an oven at 45 ° C. for 4 days, and then exposed to winds of 32, 48 and 64 km / hr for 2 minutes, and then the amount of lost sand was measured.
  • the amount of sand lost was measured under the same conditions as in Examples 16 to 18 without adding polypropylene fibers.
  • Table 2 illustrates the relationship with the comparative example that the polymer fiber does not contain the wind resistance of the soil reinforced with a bio-binding agent using a microorganism according to an embodiment of the present invention.
  • Examples 16 to 18 with the addition of polypropylene fibers had no amount of sand lost at wind speeds of 32, 48 and 64 km / hr, even though the reactants mixed 1 ml with respect to 100 g of sand.
  • Comparative Examples 7 to 8 without addition of polypropylene fiber require a bio binder of at least 2 ml at a wind speed of 32 km / hr, 5 ml at 48 km / hr, and 10 ml at 64 km / hr. It was.
  • the amount of bio binders for the soil to resist wind was increasing as wind speeds increased.
  • the bio binders applied to the present invention are the most expensive among the soils of the present invention. Therefore, it is desirable to reduce the amount of bio binder as much as possible to secure the desired wind resistance.
  • the reinforcement with the polymer fiber can significantly reduce the amount of bio binder used because the soil's resistance to wind is dramatically increased. In particular, by mixing the polymer fibers, it is possible to reduce the amount of the bio-binding agent to prevent the sand dust scattered by the wind during drying.
  • etching apparatus 1100 etching liquid storage tank

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Abstract

인체에 무해하고 환경오염을 일으키지 않고 토양의 강도와 바람에 대한 저항력이 충분하게 확보된 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법 및 그에 의해 제조된 토양을 제시한다. 그 방법 및 토양은 실리카와 알루미나를 주성분으로 하는 모래와 우레아(urea)를 생산하는 미생물, 요소(urea), 칼슘 이온 및 고분자 섬유를 결합시켜 제조하며, 이때, 고분자 섬유는 모래에 대하여 0.05wt%~5wt%의 함량을 갖는다. 또한 미생물은 표준 상태에서 1~7×10-9 (g CaCO3 ppt cell-1 hr-1)의 CaCO3 생성율을 제공하는 것이 바람직하다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 23.03.2012]　미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법 및 그에 의해 제조된 토양
본 발명은 미생물을 이용한 토양의 제조방법 및 그에 의해 제조된 토양에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우레아제(urease)를 생산할 수 있는 박테리아와 고분자 섬유에 의해 고강도(high strength)를 갖는 바이오 결합제로 보강된 토양을 제조하는 방법 및 그에 의해 제조된 토양에 관한 것이다.
토목용 및 건축용의 무기질의 결합경화제로 광범위하게 사용되는 범용 결합제는 석회석, 점토, 규석 등의 석회석 광물을 사용한다. 하지만 가공 후 독성이 그대로 남아 있어 인체에 해롭고, 상기 결합제로부터 유출되는 성분은 아토피 등 각종 질병을 유발하는 것으로 알려져 있다. 또한 토목 구조물 및 건축물을 폐기 처분할 때 발생하는 폐기물이 환경오염을 일으키는 원인이 되고 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여, 미생물, 특히 우레아제(urease)를 생산하는 박테리아를 활용한 바이오 결합제가 제시되었다.
원래, 우레아제를 생산하는 박테리아는 투과성 물질의 표면 또는 저면을 교정하는데 사용되어 왔다. 구체적으로, 상기 박테리아에 의해, 투과성 물질의 투수율 및 공극률이 줄어듦에 따라 유속이 감소되어 기름(oil) 오염물질을 처리하는 데 이용되어 왔다. 한편, 우레아제를 생산하는 박테리아를 활용한 바이오 결합제는 투수율 및 공극률을 감소시켜 결합제로 사용하는 것으로, 이는 우레아제 효소에 의한 요소(urea)의 분해의 산물로 형성된 암모니아에 의해 형성되는 것이다. 하지만 종래의 바이오 결합제는 구조물 및 주거용 건축물의 소재에 사용되기에는 아직 강도가 충분하지 않다.
한편, 강수량이 적은 데 반하여 증발량이 많아 초목이 거의 자랄 수 없는 불모의 토양인 건조지역은 현재 지구상에서 전 육지의 1/3 이상을 차지하고 있으며, 이러한 건조지역은 점차적으로 확대되어 가고 있는 실정이다. 건조지역의 확대는 사막화가 그 주요 원인이며, 특히 기후학적 관점으로부터 건조지역이란 강수량이 가능증발산량에 미치지 못하는 지역을 말한다. 가능증발산량은 녹초지에 수분이 충분히 공급되었을 때에 식물로부터의 증발량과 지면으로부터의 증발량을 합해서 얻어진다.
건조지역을 대표하는 사막의 토양은 실리카와 알루미나를 주성분으로 하는 모래가 대부분을 차지하고 있으며, 모래의 특성으로 인하여 상기 토양은 결합력이 약하여 도로로 이용하기에는 강도가 약하고, 수분을 충분하게 보존하지 못하여 식물이 자라기 어렵다. 또한 사막에서 일어나는 바람의 영향으로 모래가 유실되어 지형의 변화가 심하고, 황사 현상이 갈수록 자주 일어나고 있다. 종래에는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강하여 토양의 강도와 바람에 대한 저항력을 증가시키려고 하였으나, 아직은 사막에 실제로 적용하기에는 상기 강도와 저항력이 부족한 상태이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인체에 무해하고 환경오염을 일으키지 않고 토양의 강도와 바람에 대한 저항력이 충분하게 확보된 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법 및 그에 의해 제조된 토양을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법은 먼저 실리카와 알루미나를 주성분으로 하는 모래를 준비한다. 그후, 상기 모래에 우레아(urea)를 생산하는 미생물, 요소(urea), 칼슘 이온 및 고분자 섬유를 상기 모래와 결합시키는 단계를 포함한다. 이때, 상기 고분자 섬유는 상기 모래에 대하여 0.05wt%~5wt%의 함량을 갖는다. 또한 상기 미생물은 표준 상태에서 1~7×10-9(g CaCO3 ppt cell-1 hr-1)의 CaCO3 생성율을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 방법에 있어서, 상기 미생물은 바실러스(Bacillus), 스포로사키나(Sporosarcina), 스포로락토바실러스(Sporolactobacillus), 클로스트라듐(Clostridium) 및 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum) 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있으며, 스포로사키나 파스테우리이(Sporosarcina pasteurii) 또는 이의 기능적 균등물 중의 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 고분자 섬유는 상기 섬유 내에 도입된 사슬이 절단되어 무기물화되는 생분해성 섬유일 수 있으며, 이때 상기 생분해성 섬유는 폴리유산(Polylactic acid, PLA), 셀룰로오즈(Cellulose), 우유를 함입한 레이온, 키토산(Chitosan)을 혼입한 섬유 또는 볏짚 중에서 선택한 적어도 어느 하나일 수 있다. 이중에서 키토산을 혼입한 섬유 또는 볏짚이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 볏짚이다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 모래를 준비하는 단계 이후에, 상기 모래를 표면처리하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 표면처리는 플라즈마 또는 분사법을 이용하여 실시하는 것일 수 있고, 이때 상기 플라즈마는 진공 또는 대기압에서 실시할 수 있다. 또한 상기 분사법에 의해 상기 모래에 부착되는 입자는 모래 분말 또는 기능성 입자일 수 있다.
본 발명의 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법 및 그에 의해 제조된 토양에 의하면, 우레아제를 생산하는 박테리아와 고분자 섬유를 이용함으로써, 인체에 무해하고 환경오염을 일으키지 않고 토양의 강도와 바람에 대한 저항력이 충분하게 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법에 있어서, 식각액을 이용하여 모래의 표면을 처리하는 장치의 하나의 사례를 제시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법에 있어서, 분사법을 이용하여 모래의 표면을 처리하는 장치의 하나의 사례를 제시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예는, 우레아제를 생산하는 박테리아와 고분자 섬유를 이용하여, 인체에 무해하고 환경오염을 일으키지 않고 토양의 강도와 바람에 대한 저항력이 충분하게 확보된 토양을 제시한다. 구체적으로 고분자 섬유를 바이오 결합제에 혼합함으로써, 고분자 섬유에 의한 섬유강화 효과(fiber reinforcing effect)를 부여하여 토양의 강도를 증대시키는 방법을 상세하게 설명하기로 한다. 또한 모래의 표면의 접착력을 강화시키기 위하여 상기 물질의 표면을 처리하여 궁극적으로 바이오 결합제의 강도를 높이는 방법을 제시하기로 한다.
본 발명에서 제시하는 토양은 실리카와 알루미나를 주성분으로 하는 모래와 우레아제를 생산하는 박테리아에 의해 상기 모래를 결합시키는 결합제 및 고분자 섬유를 포함하는 것으로 정의한다. 이는 본 발명의 목적이 실리카와 알루미나를 주성분으로 하는 모래가 대부분을 차지하는 사막의 토양을 개선하기 위한 것이므로, 상기 모래 사이의 결합력과 지지력을 강화시켜 사막에서의 토양의 강도와 바람에 대한 저항력을 증가시키기 위한 것이기 때문이다.
본 발명에 적용되는 모래는 실리카와 알루미나를 주성분으로 하고, 대략 0.1~5㎜의 평균직경을 가진다. 여기서, 실리카와 알루미나를 주성분으로 한다는 것은 상기 모래를 이루는 성분 중에서 실리카와 알루미나가 중량%로 적어도 70% 이상을 차지하는 것을 지칭한다.
본 발명의 토양은 먼저 실리카와 알루미나를 주성분으로 하는 모래를 준비하고 상기 모래에 우레아(urea)를 생산하는 미생물, 요소(urea), 칼슘 이온을 포함하는 결합제를 위한 반응물 및 고분자 섬유를 상기 모래와 결합시켜 만들어진다. 이때, 상기 고분자 섬유는 상기 모래에 대하여 0.05wt%~5wt%의 함량을 갖는다. 바람직하게는, 상기 미생물은 표준 상태에서 1~7×10-9(g CaCO3 ppt cell-1 hr-1)의 CaCO3 생성율을 제공한다. 여기서, 상기 CaCO3 생성율은 본 발명의 토양에 적용되는 미생물의 작용을 실험에 의해 검증된 최적의 값이다. 이때, 생성되는 CaCO3의 대표적인 것이 방해석이다.
본 발명의 결합제를 이루는 반응물 중에서 우레아제를 생산하는 박테리아는 상기 모래에 첨가되어 1리터 당 적어도 33g의 방해석을 형성한다. 여기서, 방해석의 함량을 결정하는데 사용되는 방법은 다양하다. 그 중 하나의 방법은 물질을 산으로 처리했을 때 발생하는 이산화탄소의 양을 측정한다. 발생하는 이산화탄소의 양은 기체 압력(마노미터 법) 또는 기체의 부피 변화를 측정하여 결정될 수 있다. 샘플의 질량 및 기체의 부피를 알면 존재하는 탄산염의 양을 측정할 수 있다. 특히 방해석의 함량을 측정하기 위한 두 가지 방법은 G.E. Rayment 와 F.R. Higginson 저, 인카타 출판(Onkata Press), 시드니, 1992, "토양 및 물의 화학적 방법의 호주 실험 핸드북(Australian LaboratoryHandbook of Soil and Water Methods)"의 206-210면 제19장-"토양 탄산염(Soil Carbonate)"에서 찾아 볼 수 있다.
본 발명에 사용되는 미생물은 원래 우레아제를 생산할 수 있는 것일 수 있고 및/또는 특히 본 발명에 따른 방법에의 용도에 유용하도록 변할 수 있는 하나 또는 그 이상의 성질을 가진 것 일 수 있다. 다른 방법으로 이는 유전자 변형 또는 유전 공학에 의해 우레아제를 생산할 수 있고 및/또는 본 발명에 따른 방법에의 용도에 유용하도록 변할 수 있는 하나 또는 그 이상의 성질을 가진 것 일 수 있다.
바람직한 미생물은 아간균 과(Bacillacae family)로부터, 상세하게는 바실러스(Bacillus), 스포로사키나(Sporosarcina), 스포로락토바실러스(Sporolactobacillus), 클로스트라듐(Clostridium) 및 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum)을 포함하는 종의 목록에서 선택되는 종에서 온 것이다. 더욱 바람직한 미생물은 스포로사키나 파스테우리이(Sporosarcina pasteurii) 또는 이의 기능적 균등물이다. 스포로사키나 파스테우리의 기능적 균등물이란 적어도 하나의 성질이 스포로사키나 파스테우리이와 공통된 것으로서, 본 발명에 따른 방법에 유용하게 변화될 수 있는 박테리아를 말한다. 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자는 그러한 박테리아를 통상적으로 판별할 수 있다. 물론 필요하다면 다른 미생물의 조합도 사용될 수 있다.
요소(urea)는 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 물속의 수용성 용액으로 제공된다. 한편 칼슘 이온(Ca2+)에 의한 우레아제의 형성을 방해하는 것을 막을 수 있고 또한 요소에 의해 우레아제 속도가 증가되기 때문에 반응규모의 축소는 선형적으로 비례하지 않는다. 이때, 칼슘 이온은 다양한 형태가 가능하며, 칼슘 이온은 염화칼슘과 같은 염의 형태로 제공될 수 있다.
반응물은 상기 모래에 동시에 또는 순차적으로 첨가될 수 있다. 예를 들면, 모래에 첨가되기에 앞서 각각 또는 혼합하여 첨가될 수 있는 요소 및 칼슘 이온에 이어서 미생물을 상기 모래에 적용할 수 있다. 본 발명의 다른 양태에 있어 요소 및 칼슘 이온은 순차적으로 또는 동시에 첨가될 수 있는 미생물에 뒤이어 상기 모래에 첨가할 수 있다. 반응물은 상기 모래에 여러 가지 방법으로 혼합될 수 있다. 반응물은 분출(flushing) 또는 주입(injecting), 분사(spraying), 모래 위에 또는 속에 적하(dripping) 또는 점적(trickling)에 의한 것과 같은 압력 하에서 모래에 들어가게 할 수 있다. 택일적으로 모래의 크기 및 형태에 따라 이는 반응물에 담금(immersion)될 수 있다.
본 발명에 첨가되는 고분자 섬유는 상기 모래에 대하여 0.05wt%~5wt%의 함량을 갖는다. 고분자 섬유의 함량이 0.05wt%보다 작으면 섬유강화 효과를 얻을 수 없고, 5wt%보다 크면 고분자 섬유가 서로 엉켜 볼(ball) 형태가 되어 본 발명에서 구현하고자 하는 섬유강화 효과가 사라진다. 고분자 섬유의 함량은 상기 모래의 종류 및 함량 등을 고려하여 구현하고자 하는 토양에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 고분자 섬유는 생분해성 섬유를 적용할 수 있다. 생분해성 섬유는 미생물에 의해 섬유내의 도입된 사슬이 절단되어 무기물화 되는 섬유를 말하며, 생분해성 섬유로는 옥수수 또는 감자로부터 얻어지는 폴리유산(Polylactic acid, PLA), 재생 셀룰로오즈(Cellulose), 우유를 함입한 레이온, 키토산(Chitosan)을 혼입한 섬유, 볏짚 등이 있으며, 이중에서 볏짚 및 키토산을 혼입한 섬유가 바람직하며, 더욱 바람직한 것은 볏짚이다.
본 발명에 있어서, 토양의 강도는 삼축압축시험(triaxial compression test)에 의해 측정되었으며, 삼축압축시험은 원통형의 토양시료를 압력원통 안에 넣고 액체로 측압을 가하여 압축시켜 전단파괴가 일어날 때의 응력, 변형도 등을 측정하여 토양의 마찰각과 점착력을 결정하는 시험으로서 본 발명에서는 마찰각에 의한 토양강도를 측정하였다. 또한, 바람에 대한 저항력은 본 발명의 토양이 인위적으로 가해진 바람에 의해 유실되는 모래의 양을 g/㎠로 나타내는 바람 침식시험(wind erosion test)을 실시하였다.
선택적으로, 상기 본 발명의 토양의 강도를 높일 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 모래를 식각(etching)시키거나 분사(spray) 법을 이용하여 상기 표면을 처리하는 방법을 제시한다. 상기 표면 처리된 모래는 표면 처리되지 않은 모래와 일정한 비율로 혼합될 수 있다. 이는 본 발명의 토양에 요구되는 강도와 표면을 처리하는 비용을 고려하여 결정할 수 있다.
식각에 의해 모래를 표면처리하는 방법으로 실시할 수 있으며, 바람직하게는 식각액을 직접 모래의 표면에 접촉시켜 식각하는 방법과 플라즈마를 이용하여 식각하는 방법이 있을 수 있다. 식각액을 직접 모래의 표면에 접촉시키는 방법은 식각액을 모래에 분사하거나 모래를 일정한 시간 동안 식각액에 담가 이를 실현할 수 있다.
플라즈마는 표면장력과 접착력, 점착력을 향상시킬 수 있으며, 상기 모래의 표면에 흠집을 낼 수 있는 것이면 어떤 플라즈마 방식이든지 가능하다. 플라즈마 처리는 진공 플라즈마 처리방법과 대기압 하에서 기판을 처리하는 상압 플라즈마 처리방법으로 크게 분류할 수 있다. 본 발명의 플라즈마에 의한 표면처리에는 반응성 이온식각 방법도 포함된다. 특히, 본 발명의 모래는 주성분이 SiO2 또는 SiO2와 Al2O3의 혼합물이므로, 플라즈마를 형성하는 반응가스는 CFx계가 바람직하다.
진공 플라즈마 처리방법은 진공 또는 저압 상태로 유지되는 진공 챔버 내에 모래를 투입하고, 플라즈마 이온화 과정을 통해 생성된 이온과 전자들이 해리과정을 거쳐 전기적으로 중성이며 화학적 반응성이 매우 강한 라디칼을 이용하여 기판을 처리한다. 상기 플라즈마 소스는 다이렉트 플라즈마(direct plasma)이거나 또는 리모트 플라즈마(remote plasma)일 수 있다. 상압 플라즈마 처리방법은 생성된 플라즈마 소스를 상기 장치의 외부로 유도하여 대기압 하에 있는 기판에 접촉시킴으로써, 필요한 플라즈마 처리를 수행한다. 플라즈마 처리를 하는 방법은 이미 잘 알려진 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법에 있어서, 식각액을 이용하여 모래의 표면을 처리하는 장치(100)의 하나의 사례를 제시한 도면이다. 여기서는 식각하는 여러 방식 중에서 식각액을 분사시키는 방법을 제시하였다.
도 1을 참조하면, 모래의 표면을 식각하는 장치(100)는 모래를 공급하는 부분과, 식각액을 분사하는 부분과, 투입된 모래를 이송시키는 부분 및 식각액과 모래를 회수하는 부분으로 크게 구분된다. 상기 구분된 구성요소는 본 발명의 식각 장치(100)를 개념적으로 설명한 것에 불과하므로, 실제 사용할 때에는 각각의 구성요소의 동작을 최적화하기 다양한 방법을 부가할 수 있다. 예컨대, 모래를 이송하는 부분에 진동을 일으켜 식각액이 이송되는 모래의 표면에 골고루 분사되게 하는 방법을 더 부가할 수 있다.
모래를 공급하는 부분은 모래(105)를 저장하는 모래 저장조(120) 및 모래(105)를 투입하기 위한 모래 투입구(122)를 포함한다. 식각액을 분사하는 부분은 식각액을 저장하는 식각액 저장조(110) 및 식각액을 분사하는 분사노즐(112)을 구비한다. 모래를 이송하는 부분은 롤러(130)에 의해 움직이는 벨트(132)에 투입된 모래를 이송시킨다. 회수하는 부분은 식각액과 혼합된 모래를 회수하는 혼합조(140) 및 혼합조(140)에 설치되며 식각액을 분리하기 위한 필터(142)가 장착되어 있다. 필터(142)를 거친 식각액을 별도의 식각액 회수조(150)에 회수된다.
식각액을 분사하는 분사노즐(110)은 좌우 또는 상하로 이동하거나 회전하도록 하여, 식각액이 이송되는 모래에 골고루 접촉되게 할 수 있다. 투입된 모래는 분사되는 식각액에 의해 모래의 표면이 식각되는 정도, 투입된 모래의 양 등을 고려하여 연속적 또는 단락적으로 이송할 수 있다.
분사법은 준비된 분사용 분말을 노즐 내에 흐르는 압축가스의 유동에 의해 상기 분말을 비용융 상태로 가속하여 모래의 표면을 향하여 분사하여 모래에 부착되게 한다. 이때, 분사용 분말은 단지 모래의 비표면적을 넓히고 표면조도를 크게 하기 위한 성분일 수도 있고, 항균작용을 하는 은나노 입자 또는 광촉매의 역할을 하는 이산화티탄(TiO2)과 같은 모래에 원하는 기능을 부여하는 입자일 수 있으며, 두 가지 성분의 혼합물일 수 있다. 이와 같이, 모래에 특정한 기능을 부여하는 입자를 기능성 입자라고 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법에 있어서, 분사법을 이용하여 모래의 표면을 처리하는 장치(200)의 하나의 사례를 제시한 도면이다.
도 2에 의하면, 모래의 표면을 분말로 처리하는 장치(200)는 모래를 공급하는 부분과, 분말을 분사하는 부분과, 투입된 모래를 이송시키는 부분 및 분말로 처리된 모래를 회수하는 부분으로 크게 구분된다. 상기 구분된 구성요소는 본 발명의 분말 처리 장치(200)를 개념적으로 설명한 것에 불과하므로, 실제 사용할 때에는 각각의 구성요소를 동작을 최적화하기 다양한 방법을 부가할 수 있다. 예컨대, 모래를 이송하는 부분에 진동을 일으켜 분말이 이송되는 모래의 표면에 골고루 분사되도록 하는 방법을 더 부가할 수 있다.
모래를 공급하는 부분은 모래(205)를 저장하는 모래 저장조(220) 및 모래(205)를 투입하기 위한 모래 투입구(222)를 포함한다. 분말을 뿌리는 부분은 분말을 저장하는 분말 저장조(212) 및 분말을 분사하는 분사노즐(214) 및 분말에 압력 또는 열과 압력을 가하여 분말의 운동에너지를 증가시키는 가압부(210)를 구비한다. 모래를 이송하는 부분은 롤러(230)에 의해 움직이는 벨트(232)에 투입된 모래가 이송시킨다. 분말에 의해 표면 처리된 모래는 회수조(240)에 의해 회수된다.
분말을 분사하는 분사노즐(214)은 좌우 또는 상하로 이동하거나 회전하도록 하여, 분말이 이송되는 모래에 골고루 접촉되게 할 수 있다. 투입된 모래는 분사되는 분말에 의해 모래의 표면이 처리되는 정도, 투입된 모래의 양 등을 고려하여 연속적 또는 단락적으로 이송할 수 있다. 이때, 분말에 의해 처리된 모래의 표면은 일부는 표면이 손상될 수도 있고, 일부는 분말이 박혀 있을 수 있다.
<실시예 1>
모래 100g, 우레아(urea)를 생산하는 미생물로서 멸균조건에서 베지 마이트 아세트산염에서 배양한 스포로사키나 파스테우리이 약 107 bacteria/㎖를 포함하는 반응물 15(㎖/모래 100g) 및 요소(urea)를 포함한 나머지 물질을 혼합한 후, 평균길이 5㎝, 폭 1.2㎜, 두께 0.038㎜인 폴리프로필렌 섬유를 모래 100g에 대하여 0.25g를 혼합하여 4일 동안 경화시켰다. 그후, 삼축압축시험(GEOTAC사 제품, 모델명; sigma-1)에 의해 직경 7㎝, 길이 18㎝, 무게 155kg/m3의 토양을 2,250 psf의 구속력과 1.25㎜/분의 스트레인 속도(strain rate)의 조건에서 토양강도를 측정하였다.
<실시예 2~3>
모든 조건은 실시예 1과 동일하고, 다만 폴리프로필렌 섬유를 각각 2g, 4.5g만큼 혼합하여, 이에 대한 토양의 강도를 측정하였다.
<실시예 4~6>
모든 조건은 각각 실시예 1 내지 3과 동일하게 하고, 다만 고분자 섬유로 볏짚을 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 토양의 강도를 측정하였다.
<실시예 7~9>
모든 조건은 각각 실시예 1 내지 3과 동일하게 하고, 다만 고분자 섬유로 키토산을 함유한 아크릴 섬유를 사용하여 실시예 1과 같은 방법으로 토양의 강도를 측정하였다.
<실시예 10~12>
모든 조건은 각각 실시예 1 내지 3과 동일하게 하고, 모래를 도 1을 참조하여 설명한 방법을 이용하여 표면처리하였다. 이때, 식각액은 C2F6를 사용하였다.
<실시예 13~15>
모든 조건은 각각 실시예 1 내지 3과 동일하게 하고, 모래를 도 2를 참조하여 설명한 방법을 이용하여 표면처리하였다. 구체적으로, 평균입도가 0.4㎜인 모래 분말(주성분이 SiO2, Al2O3)을 제조하여, 표준 라발형(standard laval type) 분사노즐로서 어퍼쳐는 4×6㎜이고, 목부 갭(throat gap)은 1㎜인 노즐을 이용하여 압축가스로는 공기를 사용하여, 30기압, 380℃의 운반가스의 유동에 의해 상기 분말을 모래의 표면을 향해 분사시켰다.
<비교예 1>
모래 100g, 우레아(urea)를 생산하는 미생물로서 멸균조건에서 베지 마이트 아세트산염에서 배양한 스포로사키나 파스테우리이 약 107 bacteria/㎖를 포함하는 반응물 15(㎖/모래 100g) 및 요소(urea)를 포함한 나머지 물질을 혼합한 후, 4일 동안 경화시켰다. 그 후, 삼축압축시험 및 바람 침식시험으로 토양의 강도를 측정하였다.
<비교예 2~6>
모든 조건은 각각 실시예 1, 4, 7, 10 및 13과 동일하고, 다만 해당하는 각각의 고분자 섬유를 상기 모래에 대하여 5.5g를 혼합하였다.
표 1은 본 발명의 실시예에 의한 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 강도를 고분자 섬유를 포함하지 않은 비교예와의 관계를 설명한 것이다. 이때, 강도 비율(strength ratio)는 모래만으로 이루어진 토양과 비교한 것이다. 모래만으로 이루어진 토양의 마찰각(Φ)은 27.9°이다.
표 1
구분 고분자 섬유(g/모래 100g) 토양강도
마찰각(Φ) 강도비율
실시예 1 PP 0.25 39.2°±0.25 1.54
실시예 2 2 40.1°±0.25 1.59
실시예 3 4.5 39.1°±0.25 1.53
실시예 4 볏짚 0.25 37.3°±0.25 1.44
실시예 5 2 38.1°±0.25 1.48
실시예 6 4.5 37.1°±0.25 1.43
실시예 7 키토산 함유 0.25 36.4°±0.25 1.39
실시예 8 2 37.3°±0.25 1.44
실시예 9 4.5 36.2°±0.25 1.38
실시예 10 PP 0.25 40.0°±0.25 1.58
실시예 11 2 40.9°±0.25 1.63
실시예 12 4.5 39.9°±0.25 1.58
실시예 13 PP 0.25 40.8°±0.25 1.63
실시예 14 2 41.5°±0.25 1.67
실시예 15 4.5 40.6°±0.25 1.62
비교예 1 / 30.0°±0.25 1.09
비교예 2 PP 5.5 31.3°±0.25 1.15
비교예 3 볏짚 5.5 30.9°±0.25 1.13
비교예 4 키토산 함유 5.5 30.8°±0.25 1.26
비교예 5 PP 5.5 32.6°±0.25 1.20
비교예 6 PP 5.5 32.8°±0.25 1.21
표 1에 의하면, 고분자 섬유가 포함되지 않은 종래의 토양은 모래만으로 이루어진 토양에 비하여, 1.09배의 강도를 가진다. 그런데, 실시예 1 내지 3과 같이 폴리프로필렌 섬유를 첨가하여 혼합하면, 모래만으로 이루어진 토양에 비하여 1.53 내지 1.59배의 강도를 나타내었다. 이에 따라, 폴리프로필렌 섬유를 혼합하면, 토양의 강도가 상기 섬유를 포함하지 않은 경우에 비해 현저하게 증가되었음을 알 수 있었다.
이와 유사하게, 폴리프로필렌 섬유 대신에 볏짚을 넣은 실시예 4 내지 6 및 키토산을 함유한 실시예 7 내지 9에 의하면, 섬유강화 효과가 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다. 또한, 식각액으로 처리한 실시예 10 내지 12와 분사 처리된 실시예 13 내지 15에 의하면, 표면처리를 하지 않은 경우에 비해 토양의 강도가 크게 증대되었다. 이는 상대적으로 표면의 접착력이 약한 실리카와 알루미나를 주성분으로 하는 모래 사이의 결합력을 키우기 위해서는 표면처리가 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
그런데, 고분자 섬유를 5.5wt% 혼합한 비교예 2 내지 6에 의하면, 모래만으로 이루어진 토양에 비해 강도가 1.13~1.26배에 그치고 있었다. 즉, 비교예 1의 모래와 바이오 결합제으로 이루어진 토양은 모래만으로 이루어진 토양에 비해 강도의 증가는 본 발명의 실시예들에 비해 크지 않았다. 다시 말해, 고분자 섬유의 양이 5wt%보다 크면, 고분자 섬유가 서로 엉켜 볼(ball) 형태가 되어 본 발명에서 구현하고자 하는 섬유강화 효과가 사라지는 것을 확인할 수 있었다.
<실시예 16~18>
모래 100g, 우레아(urea)를 생산하는 미생물로서 멸균조건에서 베지 마이트 아세트산염에서 배양한 스포로사키나 파스테우리이 약 107 bacteria/㎖를 포함하는 반응물을 각각 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10(㎖/모래 100g) 및 요소(urea)를 포함한 나머지 물질을 혼합한 후, 평균길이 5㎝, 폭 1.2㎜, 두께 0.038㎜인 폴리프로필렌 섬유를 모래 100g에 대하여 0.25g를 혼합하여 4일 동안 경화시켰다. 그후, 제조된 토양을 오븐에서 45℃, 4일 동안 경화한 후에, 각각 32, 48 및 64㎞/hr의 바람에 2분 동안 노출시킨 다음에 유실된 모래의 양을 측정하였다.
<비교예 7~9>
폴리프로필렌 섬유를 첨가하지 않고 나머지는 실시예 16 내지 18과 동일한 조건으로 유실된 모래의 양을 측정하였다.
표 2는 본 발명의 실시예에 의한 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 바람에 대한 저항력을 고분자 섬유가 포함하지 않은 비교예와의 관계를 설명한 것이다.
표 2
구분 섬유 풍속(㎞/hr) 반응물(㎖/모래 100g)에 대한 바람 저항력(g/㎠)
0.05㎖ 0.1㎖ 0.5㎖ 1㎖ 2㎖ 3㎖ 5㎖ 10㎖
실시예 16 PP 32 0.21 0.14 0.02 0 0 0 0 0
실시예 17 48 / / / 0 0 0 0 0
실시예 18 64 / / / 0 0 0 0 0
비교예 7 / 32 0.26 0.18 0.02 0.01 0 0 0 0
비교예 8 48 / / / / 0.09 0.02 0 0
비교예 9 64 / / / / / 0.04 0.01 0
표 2에 따르면, 폴리프로필렌 섬유를 첨가한 실시예 16 내지 18은 반응물이 모래 100g에 대하여 1㎖을 혼합하여도, 32, 48, 64㎞/hr의 풍속에서 유실되는 모래의 양이 없었다. 이에 반해, 폴리프로필렌 섬유를 첨가하지 않는 비교예 7 내지 8은 풍속이 32㎞/hr의 경우에서는 적어도 2㎖, 48㎞/hr에서는 5㎖, 그리고 64㎞/hr에서는 10㎖의 바이오 결합제가 필요하였다. 즉, 폴리프로필렌 섬유와 같은 고분자 섬유를 첨가하지 않으면, 토양이 바람에 저항하기 위한 바이오 결합제의 양은 풍속이 커짐에 따라 더욱 많아지고 있었다.
본 발명에 적용되는 바이오 결합제는 본 발명을 이루는 토양 중에 상대적으로 가격이 가장 비싸다. 따라서 가능한 한 바이오 결합제의 양을 줄여서 원하는 바람에 대한 저항력을 확보하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예 16 내지 18에 의하면, 고분자 섬유로 보강하면 토양의 바람에 대한 저항력이 획기적으로 증가하므로 사용되는 바이오 결합제의 양을 줄일 수 있다. 특히, 고분자 섬유를 혼합함으로써, 건조 시에 바람에 의해 모래가 흩날리는 황사를 방지하기 위하여 투입되는 바이오 결합제의 양을 줄일 수 있다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
*부호의 설명*
100: 식각장치 1100: 식각액 저장조
112, 2140: 분사노즐 1200: 모래 저장조
1220: 모래 투입구 130, 2300: 롤러
132, 2320: 벨트 1400: 혼합조
1420: 필터 1500: 식각액 회수조
2120: 분말 저장조 2400: 회수조

Claims (11)

  1. 실리카와 알루미나를 주성분으로 하는 모래를 준비하는 단계;
    상기 모래에 우레아(urea)를 생산하는 미생물, 요소(urea), 칼슘 이온 및 고분자 섬유를 상기 모래와 결합시키는 단계를 포함하고,
    상기 고분자 섬유는 상기 모래에 대하여 0.05wt%~5wt%의 함량을 갖는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미생물은 표준 상태에서 1~7×10-9 (g CaCO3 ppt cell-1 hr-1)의 CaCO3 생성율을 제공하는 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 미생물은 바실러스(Bacillus), 스포로사키나(Sporosarcina), 스포로락토바실러스(Sporolactobacillus), 클로스트라듐(Clostridium) 및 데설포토마쿨룸(Desulfotomaculum) 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미생물은 스포로사키나 파스테우리이(Sporosarcina pasteurii) 또는 이의 기능적 균등물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고분자 섬유는 상기 섬유 내에 도입된 사슬이 절단되어 무기물화되는 생분해성 섬유인 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 생분해성 섬유는 폴리유산(Polylactic acid, PLA), 셀룰로오즈(Cellulose), 우유를 함입한 레이온, 키토산(Chitosan)을 혼입한 섬유 또는 볏짚 중에서 선택한 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모래를 준비하는 단계 이후에,
    상기 모래를 표면처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 표면처리는 플라즈마 또는 분사법을 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 플라즈마는 진공 또는 대기압에서 실시되는 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 분사법에 의해 상기 모래에 부착되는 입자는 모래 분말 또는 기능성 입자인 것을 특징으로 하는 미생물을 이용한 바이오 결합제로 보강된 토양의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중에 선택된 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 토양.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108841391A (zh) * 2018-03-30 2018-11-20 广西科技师范学院 一种土壤保水剂的制备方法
CN109652461A (zh) * 2019-01-18 2019-04-19 东南大学 一种提高微生物诱导碳酸钙产率的方法
CN111139084A (zh) * 2020-03-03 2020-05-12 江苏科技大学 一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法
CN114437730A (zh) * 2021-12-31 2022-05-06 中北大学 兼具养分缓控释和吸水保水功能的尿素醛基可生物降解高分子固沙材料

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9199880B2 (en) 2010-04-27 2015-12-01 Biomason, Inc. Methods for making construction materials using enzyme producing bacteria
US10717674B2 (en) 2010-04-27 2020-07-21 Biomason, Inc. Methods for the manufacture of colorfast masonry
FR2985746B1 (fr) * 2012-01-16 2014-03-07 Soletanche Freyssinet Procede pour la consolidation du sol
NL2015508B1 (en) * 2015-09-25 2017-04-20 Biobest Belgium N V Improved plant biological control by predatory mites.
CN109923090A (zh) 2016-10-31 2019-06-21 拜奥梅森股份有限公司 微生物加载的集料和制造方法
CA3066059A1 (en) 2017-04-25 2018-11-01 Biomason, Inc. Compositions and methods of biologically cemented structures for marine applications
EP3692008A4 (en) 2017-10-05 2021-07-07 BioMason, Inc. BIOCEMENT METHODS AND SYSTEMS
JP7258898B2 (ja) 2017-10-05 2023-04-17 バイオメゾン・インコーポレイテッド バイオセメンテーションの方法及びシステム
CL2018000789A1 (es) * 2018-03-27 2018-07-20 Aguamarina Spa Procedimiento para utilizar el relave como material de construcción dándole características impermeabilizantes y reduciendo su agrietamiento
CN109022326B (zh) * 2018-08-28 2021-05-18 云南大学 一株产尿素细菌及其应用
CN109320192A (zh) * 2018-11-06 2019-02-12 中国矿业大学 一种微生物改性充填材料及制备方法
CN113914094B (zh) * 2021-10-13 2023-12-22 江苏大学 一种碳酸钙/聚合物纳米纤维复合膜的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030036593A (ko) * 2001-05-07 2003-05-09 쿠니지 나카무라 생분해성 성형품, 입상 배양토, 및 고강도부재
KR20070093128A (ko) * 2004-12-20 2007-09-17 무어도치 유니버시티 미생물의 바이오시멘트화
KR20110091552A (ko) * 2002-10-15 2011-08-11 엔캡, 엘엘씨 토양 안정화 담체

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010275697A (ja) * 2009-05-26 2010-12-09 Taisei Corp 土壌安定化工法
NZ597891A (en) * 2009-08-03 2013-05-31 Univ Idaho In situ precipitation of calcium carbonate (caco3) by indigenous microorganisms to improve mechanical properties of a geomaterial
US8728365B2 (en) * 2010-04-27 2014-05-20 Biomason, Inc. Methods for making construction material using enzyme producing bacteria

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030036593A (ko) * 2001-05-07 2003-05-09 쿠니지 나카무라 생분해성 성형품, 입상 배양토, 및 고강도부재
KR20110091552A (ko) * 2002-10-15 2011-08-11 엔캡, 엘엘씨 토양 안정화 담체
KR20070093128A (ko) * 2004-12-20 2007-09-17 무어도치 유니버시티 미생물의 바이오시멘트화

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108841391A (zh) * 2018-03-30 2018-11-20 广西科技师范学院 一种土壤保水剂的制备方法
CN108841391B (zh) * 2018-03-30 2021-01-29 广西科技师范学院 一种土壤保水剂的制备方法
CN109652461A (zh) * 2019-01-18 2019-04-19 东南大学 一种提高微生物诱导碳酸钙产率的方法
CN109652461B (zh) * 2019-01-18 2022-01-25 东南大学 一种提高微生物诱导碳酸钙产率的方法
CN111139084A (zh) * 2020-03-03 2020-05-12 江苏科技大学 一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法
CN111139084B (zh) * 2020-03-03 2021-03-05 江苏科技大学 一种用于软基强化的微生物固化剂及其制备方法
CN114437730A (zh) * 2021-12-31 2022-05-06 中北大学 兼具养分缓控释和吸水保水功能的尿素醛基可生物降解高分子固沙材料
CN114437730B (zh) * 2021-12-31 2024-01-30 中北大学 兼具养分缓控释和吸水保水功能的尿素醛基可生物降解高分子固沙材料

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