1. 서 론
최근 지구온난화로 인해 지구평균해수면이 증가하는 추세이다(WMO, 2022). IPCC(2021)에 의하면 온실가스를 가장 많이 배출할 경우 2100년에는 해수면이 0.63-1.01m 상승할 것으로 예상하고 있다. 또한 KHOA(2022)에 따르면 대한민국의 연안의 경우 33년동안(1989-2021) 해수면이 평균 약 9.9cm씩 증가하였으며, 현재의 추세에서 최악의 경우 2050년까지 약 25cm, 2100년까지는 약 82cm까지 상승할 것으로 전망하고 있다. 해수면 상승은 연안침식 및 해안선 후퇴 등에 영향을 미친다. 삼면이 바다로 둘러싸인 국내의 경우 연안침식은 곧 국토 손실로 이루어질 가능성이 있고 연안지역의 위험성 또한 높아진다(Jang and Kim, 2009).
연안지역을 보호하는 호안공법 중에는 강성공법과 연성공법이 있다(Boswood and Murray, 2001). 방파제 등 구조물을 설치하는 방법을 강성공법이라고 하며, 강성공법과 달리 비구조적인 형식의 저감 공법을 연성공법이라고 한다. Kong et al.(2018)에 따르면 강성공법은 구조물을 설치함으로 해안을 구조적으로 보호하는 장점을 갖고 있으나, 침식위치 이동, 자연경관 훼손, 온실가스의 배출 등으로 친환경적이지 못하다는 단점을 가지고 있다(Choi et al., 2017). 연성공법은 양빈, 식생, 지하수위 조절 등을 활용한다. 이는 자연경관의 훼손이 적은 장점을 가지나, 효과가 일시적이기 때문에 유지관리 측면에서 지속적인 비용이 발생한다.
최근에는 시멘트를 사용하지 않는 미생물을 활용한 고결방법에 대해 연구가 이루어지고 있다. 이 방법 중 ‘미생물을 이용한 탄산칼슘 형성(microbially induced carbonate precipitation, MICP)’ 기술이 있다(Lee, 2013). 이 기술은 박테리아의 요소분해에 의해 형성되는 탄산칼슘(CaCO3)이 흙 입자 간 고결을 유도하여 지반의 강도와 강성을 증진시키게 된다. 요소와 칼슘이 용해된 약액에 미생물이 존재할 때 아래와 같은 반응식으로 탄산칼슘(CaCO3)이 생성된다(식 (1)).
사용되는 약액은 물과 비슷한 수준의 점성을 가지고 있기 때문에 취급이 용이하며 땅속으로 쉽게 침투가 가능하여 표면처리에 의한 표면 강도 증진이 가능하다. 표면 강도 증진은 외력에 대한 침식 저항성 증진으로 이어진다. 따라서 MICP 기술을 이용하여 연안침식 저감에 대한 접근이 가능할 것으로 판단된다. Zhang and Yi(2016)는 MICP처리를 한 표면의 경우 무처리 된 표면과 비교하였을 경우 바람과 강우에 대한 침식 저항성이 증진되었다는 것을 확인하였다. Chae et al.(2021)는 중간 및 고운모래에 0.25 M, 0.1 M의 MICP 약액을 처리하였을 때, 15m/s의 바람에 노출될 경우 토양손실이 거의 없음을 확인하였다.
연안에서 MICP 기술을 활용할 경우 해수를 용매로 사용하는 경우를 고려할 수 있다. 용매의 변화는 미생물의 반응속도 즉, 요소분해능에 영향을 준다. Han et al.(2012)은 해양환경에서의 미생물 활동 가능성을 보고하였다. MICP 연구에 있어 담수를 사용한 연구는 많았으나 해수를 사용한 연구는 매우 드문 것으로 파악되었다.
본 연구는 MICP 기술을 활용하여 연안침식 저감의 효능을 확인하였다. 비커 실험을 통하여 MICP 반응 중 미생물의 요소분해능을, 소일칼럼으로 MICP 처리된 모래의 강도를 평가하였다. 일반 담수와 해수와의 차이를 파악하기 위하여 탈염수와 해수를 용매로 사용하여 차이점을 분석하였다. 약액의 농도 및 처리 방법에 따른 변화를 평가하였다. 이 논문에서는 기존 요소분해능 해석의 문제점, MICP 처리된 흙의 강도 평가법에 대하여 심도있게 논의한다.
2. 재료 및 실험방법
2.1 재료
2.1.1 시료 및 소일칼럼
주문진 표준사를 사용하였다. 주문진 표준사의 비중(Gs)은 2.62로 측정되었다(KS F 2308, 2022). 균등계수(Cu)는 1.3, 곡률계수(Cc)는 1.03이며 통일분류법에 의해 SP로 분류된다. 최대 간극비(emax)는 0.94, 최소 간극비(emin)는 0.66이다(Yeon, 2015).
모래의 MICP 처리를 위하여 소일칼럼을 제작하였다. 소일칼럼은 아크릴 재질의 원기둥 형태로 지름 5cm, 높이 10cm이다. 칼럼은 세로로 분리 가능하여 칼럼에서 시료를 꺼낼 때 손상을 최소화시킬 수 있다. 소일칼럼의 하부에는 배수구멍이 뚫려있는 밑판이 위치한다.
해안지반이 상재하중이 없는 상태에서 다수의 반복하중에 의해 한계상태에 있다는 것에 착안하여 본 시료 또한 한계상태로 조성하였다. 우선 소일칼럼 하부에 거즈를 놓아 배수구멍으로의 시료 유실을 방지하였다. 깔때기를 활용하여 소일칼럼 내부로 가장 느슨하게 시료를 채웠다. 소일칼럼의 좌측 우측으로 15회씩 3회 고무망치로 타격을 줘 반복하중을 모사하였다. 조성된 시료는 평균적으로 건조단위중량(γd) 1.54g/cm3, 초기 간극비(e0) 0.71, 간극률(n) 41.58%, 상대밀도(Dr) 80.37%로 계산되었다.
2.1.2 용매
본 실험에서는 탈염수(deionized water, DW)와 해수(sea water, SW)를 용매로 사용하였다. 탈염수는 순수물 제조장치(PURE RO 130+, Human Corporation)를 사용하여 준비하고, 해수는 경상국립대학교 해양과학대학 해양생물교육연구센터(경상남도 통영시 인평동 위치)에서 구축된 해수채취시스템을 통해 채취한 해수를 사용하였다. 해당 해수채취시스템의 펌프는 연안에서 약 100m 떨어져 있고 해저에서 약 1m 이상 떠있으며 흡입된 해수는 모래여과기(약 50-100μm)를 통해 부유물이 걸러진다. 계절에 따른 해수의 성분 차이를 확인하기 위하여 2022년 5월 26일, 8월 31일, 12월 27일에 채취된 해수를 이온 크로마토그래피(ion chromatography, ICS-3000, Thermo fisher)로 분석하였다. 대표 염분과 MICP 반응에 영향을 줄 수 있는 이온(Na, Ca, Mg, Cl, S)을 정량분석한 결과, 시기별 ±2% 수준으로 확인되어 채취 시기에 따른 영향은 크지 않은 것으로 파악되었다.
2.1.3 MICP 약액
MICP 약액은 배양된 박테리아 용액(biological solution, BS)과 고결액(Cementation Solution, CS)으로 구성된다. 본 연구에 사용한 박테리아는 Sporosarcina pasteurii(KCTC 3558)로 트리스 완충액 15.79g/L, 황화암모늄 10g/L, 효모 추출물 20g/L의 성장 배지를 사용하여 배양하였다. 30°C, 200rpm의 진탕배양기(HSSI-100, Sinan Science Industry Co., Ltd.)에서 600nm에 파장을 가지는 광학밀도(OD600)가 1.8이 되도록 배양하였다(BKV-1000 VIS, Konvision Inc.). 완료된 배양액은 15ml 코니칼 튜브에 분할한 후 원심분리(4000rpm, 15분, Centrifuge 5810, Eppendorf)한 뒤, 상등액을 제거하고 새 성장배지로 교체한 뒤 냉장보관 하였다. 일관적인 성능을 위하여 실험에 사용된 배양액은 냉장보관 1일 후 사용하였다. 이 용액을 BS라고 한다. CS는 용매에 등몰의 요소(CO(NH2)2)와 염화칼슘 2수화물(CaCl2·2H2O)을 혼합한 것을 의미한다.
2.2 실험방법
2.2.1 요소분해능
용매에 따른 미생물의 활동성 차이를 요소 검사 시험으로 평가하였다. 요소분해능을 확인하기 위해서는 요소시약을 필요로 한다. 요소시약은 에탄올 50ml, 염산 12ml, p-다이메틸 아미노벤즈 알데하이드 2g으로 구성되어 있다. 실험은 비커에 MICP 약액 120ml(BS 20ml + CS 100ml)를 넣고 시간별로 샘플(0.2ml)을 추출하여 미리 준비한 요소 시약 0.5ml, 12N 염산과 탈염수 1.8ml을 넣고 반응 시킨 뒤 광학밀도(OD422)를 측정한다.
기존의 연구 대부분은 칼슘 이온이 없는 상황에서 미생물에 의한 요소분해능을 연구하였다(Vlek and Carter, 1983; Cabrera et al., 1991; Lal et al., 1993). 본 연구에서는 칼슘의 유무에 따른 요소분해능 차이를 파악하기 위하여 칼슘이 있는 경우와 없는 경우로 나누어 분석하였다. 요소 약액 또는 등몰의 요소-칼슘 약액은 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0 M의 농도로 준비하였다. 실험에 사용된 프로그램을 Table 1에 정리하였다. 여기서 ‘DW-U/Ca 1.0M’은 용매로 탈염수(DW)에 등몰의 요소+염화칼슘 1.0 M을 사용하였다는 의미이다. 시간별로 측정된 OD422를 선행시험을 통해 얻은 검량식(식 (2))에 넣어 남은 요소량을 구한 뒤 전체 요소량과의 차이로 요소 분해량을 역산하였다.
Table 1.
Program of urea assay
2.2.2 소일칼럼 MICP 처리
소일칼럼에 대한 MICP 약액처리는 고결액의 농도(0.1, 0.5, 1.0M), 처리횟수(6일동안 6회 처리- #6/6, 6일동안 12회 처리 - #12/6)에 따른 반응성을 확인하기 위해 총 12개의 샘플을 준비하였다. MICP의 약액 처리는 BS와 CS를 1:5 비율로 섞어 모래 표면에 살포하여 중력 배수에 의해 하부로 침투시키는 방식(surface percolation)을 사용하였다(Do et al., 2019). 이때, 소일칼럼 내부의 시료 표면에는 다공성 필터를 위치시켜 살포에 의한 표면 변형을 방지하였다. 약액 90ml(BS 15ml + CS 75ml)를 살포하였는데 이것은 시료의 간극 부피(1 pore volume, 1PV) 수준에 해당되는 값이다. 약액 처리가 끝나면 탈염수를 수 PV 이상 통과시켜 내부 약액을 세척하였다. 세척된 시료는 35°C에서 건조시켜 간극수에 의한 추가 영향을 제거하였다.
2.2.3 강도평가
본 연구에서는 소일칼럼에서 MICP 처리된 모래의 표면 강도 평가를 위하여 다양한 시도를 하였다. 먼저 가장 일반적으로 사용되는 일축압축기를 이용하여 일축압축강도(uniaxial compression strength, UCS)로 MICP 처리된 모래를 평가하고자 하였다. 예비 실험 결과, 약액 처리된 시료의 높이별 고화 비균등성에 의해 적절한 평가가 이루어지지 않음을 발견하였다. 본 연구에 사용된 MICP 적용 방식은 표면 살포로, 시료의 표면은 고화가 발현되지만 시료 하부에서는 상부에 비해 고화가 적게 발생되었다. 따라서 UCS로 평가할 경우 저고화된 하부에서 파괴가 발생하여 전체적인 시료의 강도를 과소평가하였다. 이 부분은 실험결과에서 추가 설명한다. 이 문제를 해결하기 위하여 토양경도계(FS-45, Forestry Suppliers, Inc.)를 사용하여 표면의 비배수전단강도(su)을 측정하고자 하였다. 그러나 토양경도계의 경우 su=~0.45MPa의 측정한계를 가지고 있어 그 이상의 평가가 불가하였다. 이 값은 일축압축강도로 환산하였을 때 ~0.9MPa 수준(UCS=2su)을 의미한다.
따라서 위의 문제점들을 해결하기 위하여 최종적으로 침관입시험기(SH-70, MARUTO Testing Machine Company)를 사용하였다. 침관입시험기는 코일 스프링식의 하중 측정기로서, 관입침이 시료 표면의 수직이 되도록 위치시킨 후 10mm만큼 천천히 관입시킨 뒤 해당 관입력(F)을 기록한다. 침관입깊이(D)가 10mm전에 관입력이 100N에 도달하였을 경우에는 100N일때의 침관입깊이로 관입저항력을 계산한다. 침관입시험을 통해 얻은 F와 D를 이용하여 침관입지수(Needle Penetration Index, NPI, F/D)를 계산한다. 측정된 NPI는 탄산칼슘 형성량과 그 관계성을 확인하였다.
2.2.4 탄산칼슘 형성량 측정
요소분해 실험 종료 이후 비커의 웃물을 제거한 뒤 건조기에서 110°C±5°C 24이상 건조한 후 무게를 측정한 후 비커 무게를 빼 순수 탄산칼슘 형성량을 측정하여 이론 대비 실제 탄산칼슘 형성 효율을 평가하였다.
일축압축시험 종료 이후 샘플의 윗부분에서 깊이 약 10mm, 아랫부분 10mm씩 채취를 하였다. 침관입시험의 경우 침관입시험을 실시하였던 각각의 4개의 분면에 대하여 깊이 약 10mm만큼 채취하였다. 시료 건조 후의 질량을 측정한 후 1 N 염산을 사용하여 염산 세척(acid washing)을 실시하였다. 염산 세척을 통해 염산반응이 끝난 시료는 증류수로 행군 후 다시 건조기에서 24시간 이상 건조 후 질량을 측정하였다. 이때 사용된 모래의 질량과 형성된 탄산칼슘의 비율을 탄산칼슘 형성량(mass of CaCO3, %)으로 정의하였다.
2.2.5 미세 구조 분석
MICP 처리 한 시료에 대하여 미세 구조 분석을 실시하였다. SEM-EDS분석은 주사현미경(Scanning Electron Microscope)과 에너지 분산형 X-ray 분광석기(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)가 결합된 X선 분광분석이다. SEM을 통해 MICP 약액 처리한 소일칼럼의 고결화 상태를 이미지화를 하여 육안으로 탄산칼슘이 형성된 모습을 확인가능하다. EDS를 통해 성분 분석하여 고결화 후의 성분의 변화를 확인하였다.
3. 실험결과
3.1 요소분해능과 탄산칼슘 형성 효율
실험의 결과를 Fig. 1에 요약하였다. 일반적으로 실험 시작과 동시에 요소가 분해되기 시작하여 일정 시간 이후에 레서피 별 최대값에 도달한다. 이러한 경향은 용매의 종류 및 칼슘 성분의 유무에 따라 차이가 있는 것으로 확인되었다. 보다 명확한 평가를 위하여 초기 요소분해능(Uini)과 할선 요소분해능(Usec)으로 나눠 평가하였다(Fig. 2). Uini는 초기 기울기를 의미하고 Usec는 원점과 분해 종점 직전의 값에 대한 평균 기울기를 의미한다.
탈염수(DW)에서는 칼슘 이온의 유무에 상관없이 농도가 높아질수록 Uini는 Usec이 증가하는 경향을 보인다(Fig. 2). Uini는 Usec는 농도가 증가함에 그 값의 차이가 증가한다. 이는 반응 초기에는 미생물의 요소분해속도가 높지만 시간이 지남에 따라 요소분해속도가 낮아진다는 것을 의미한다. 이러한 Usec의 감소는 칼슘 이온이 존재할 때 더 크게 일어나는 것으로 보인다(Fig. 2(b)). 탈염수에 요소와 미생물만 있는 DW-U의 경우 1 M 레서피에서 Usec=80mM/hr 수준이나, 칼슘 이온이 존재하는 DW-U/Ca의 경우 Usec=50mM/hr로 37.5% 감소한 요소분해능을 보인다. 따라서 요소분해능 실험 시 칼슘의 존재 유무는 결과에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
해수(SW)에서는 DW의 경향과 큰 차이를 보인다. Fig. 2(a)에 의하면 요소의 농도가 높아지더라도 Uini은 크게 증가하거나 감소하지 않는다. Usec은 1 M 레서피에서 오히려 감소하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 칼슘 이온이 존재할 때 더 복잡해 진다(Fig. 2(b)). Uini 및 Usec는 용질의 농도가 높아짐에 따라 칼슘 이온이 없는 경우에 비하여 더 높은 값을 보이다가 1 M 레서피에서 감소하는 경향을 보인다.
탈염수의 경우 칼슘 이온이 존재함에 따라 요소분해능이 감소한다. 이것은 탄산칼슘 형성시 발생하는 미생물의 함몰(encapsulation) 현상에 의한 것으로 판단된다(Xiao et al., 2022). 표면에 음전하를 띄고 있는 미생물은 칼슘 이온이 존재할 경우 칼슘 양이온이 미생물 주변에 존재하게 된다. 미생물이 요소를 분해하여 탄산 이온이 만들어지면 주변에 존재하던 칼슘 이온과 반응하여 탄산칼슘이 만들어지는데, 이때 칼슘 이온과 붙어 있던 미생물이 탄산칼슘으로 함몰된다. 따라서 칼슘 이온이 존재하는 용액에서는 요소분해가 진행됨에 따라 미생물 개체수가 지속적으로 감소하게 되고, 결국 요소분해 속도가 저감된다.
실험 결과 해수의 염분은 칼슘 이온이 없는 환경에서 미생물의 요소분해를 저하시키는 요인으로 판단된다. 이 현상에 대한 명확한 해석은 추가 실험이 필요하다. 하지만 칼슘 이온이 첨가된 경우 요소분해능이 증가하기 시작한다. 이것은 칼슘 이온이 없는 환경에서는 염분의 영향이 커 요소분해에 큰 영향을 주지만, 칼슘 이온이 존재하는 경우 칼슘 이온의 영향력이 염분의 영향력을 능가하여 요소분해능이 회복되는 것으로 판단된다. 하지만 유독 1 M 레서피에서 요소분해에 큰 영향을 받는데 이 부분에 대한 이해는 추가 실험 및 분석이 필요한 것으로 판단된다.
실험 종료 이후 침전물에 대한 질량을 계산하여 이론 대비 실제 탄산칼슘 형성량을 계산하여 탄산칼슘 형성 효율을 계산하였다(Fig. 3). 측정 결과 모든 값은 100% 이하의 값을 보였다. Fig. 1의 요소검사에서는 대부분의 요소가 분해된 것으로 파악되었다. 하지만 Fig. 3의 결과를 보았을 때 분해된 모든 요소가 탄산칼슘으로 되는 것은 아니라는 것을 의미한다.
DW의 경우 0.1 M에서는 79.33%, 1.0 M에서는 82.15%로 농도가 높을수록 효율이 증가하였으나 그 경향은 크지 않다. SW의 경우 0.1 M에서 98.21%, 1.0 M에서 93.87%로 농도가 높을수록 조금씩 낮아지는 경향을 보였다. 형성 효율은 전체적으로 SW가 DW에 비해 높은 경향을 보였다.
해수의 염분은 3.5% 수준이다(Pilson, 2012). Fig. 3의 결과는 염분이 함께 침강되어 양이 늘어났다고 보는 것보다 염분의 영향으로 전체적인 형성 효율이 증가한 것으로 봐야하는 것이 옳다. 앞의 요소분해능 실험에서 파악하였듯이 해수에서 MICP 반응은 느리게 발생한다. 이것으로 유추하여 보았을 때 빠르게 요소분해가 일어나는 탈염수에서는 ~80%의 한계치를 보이지만, 느린 요소분해능을 보이는 해수 조건에서 더 높은 반응 효율을 보이는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 염분은 요소분해속도를 저감시키지만 탄산칼슘 형성 효율은 증가시키는 것으로 파악되었다.
3.2 강도평가
3.2.1 일반적인 방법의 한계점
일반적인 일축압축시험으로 소일칼럼 내부에서 MICP 처리된 모래의 강도 증진을 평가하고자 하였다. 하지만 유의미한 고화가 발생한 상부에 비하여 하부에는 비교적 낮은 고화가 발생하여 Fig. 4(a)와 같이 대부분의 시료에서 하부에서부터 파괴가 발생하는 모습을 보였다.
또한 요소의 MICP 약액의 농도가 진해질수록 샘플의 표면 상부에 MICP반응 중 생성된 결정으로 이루어진 막이 형성되는 것을 알 수 있었다(Fig. 4(b)). 이러한 MICP 약액 처리 시 발생하는 결정은 표면에 클로깅(clogging) 현상을 유발하여 이후 약액의 침투 시간을 증진시키는 요인으로 작용하였다.
높이별 비균일성을 정량화시키기 위하여 MICP 처리된 시료의 상부와 하부에서 각각 시료를 채취하고 탄산칼슘 형성량을 측정하였다(Fig. 5). DW 1.0M의 경우 0.1 M에서는 2.16%, 2.1%로 차이가 적었으나 0.5 M 9.17%, 5.1%이며, 1.0 M은 17.68%, 13.19%로 약 4.49%의 차이를 보였다. SW 1.0M의 경우 0.1 M 2.09%, 2.19%, 0.5 M 9.64%, 9.3%로 차이가 적었으나 1.0 M에서는 결정막 28.6%, 결정막 아래 17.32%, 10.74%로 큰 차이를 보였다. 결정막의 탄산칼슘은 결정막 아래 상부에서 채취한 탄산칼슘 형성량에 비해 약 11.28%높게 나왔으며, SW 1.0M 5-15mm 깊이에서는 DW 1.0M과의 차이가 적었다. SW 1.0M의 하부에서는 결정막으로 인해 DW 1.0M보다 2.45%낮은 탄산칼슘 형성량을 보였다. 따라서 SW 레서피에서 시료에 MICP 약액을 주입 시에는 DW에 비하여 결정의 영향이 더 큰 것으로 파악되었다. 이것은 Fig. 3의 해수에서 탄산칼슘 형성 효율이 높은 것과 같은 선상의 결과로 판단된다.
3.2.2 침관입시험
소일칼럼을 분해하지 않은 상태에서 표면을 사분면으로 나눠 각 사분면의 침관입저항력을 측정하였다. 측정된 값은 침관입지수(NPI, N/mm)로 계산한 뒤 식 (3)(Maruto Testing Machine Company, 2006)를 이용하여 UCS로 환산하였다.
침관입시험을 실시한 지점에 대하여 탄산칼슘 형성량을 측정하였다. 측정된 탄산칼슘 형성량과 환산된 UCS의 결과는 Fig. 6과 같다.
DW, SW 1.0M #6/6의 평균 탄산칼슘 형성량은 11.51%, 10.52%이며, DW, SW 0.5M #12/6의 경우 10.56%, 11.21%로 유사한 평균 탄산칼슘 형성량을 보였다. DW 1.0M #6/6와 DW, SW 0.5M #12/6의 평균 UCS의 값은 약 7.38-7.86MPa로 차이가 적었으나 SW 1.0M #6/6의 평균 UCS값은 약 5.06MPa로 값이 차이를 보였다. #12/6의 1.0 M에서 탄산칼슘의 형성량은 SW가 20.42%로 DW에 비해 약 5%이상 높았으며, UCS의 경우 약 37.4%높은 12.89 MPa로 측정되었다. #6/6에서는 DW의 효율이 SW에 비해 높았던 반면 #12/6에서는 DW에 비해 SW의 효율이 더 높게 나타났다. 하지만 전반적으로 보았을 때 DW와 SW의 MICP 용매로써의 기능은 비슷한 것으로 판단된다. 따라서 해수를 MICP 기술의 용매로 사용하여도 충분히 기능한다는 것을 알 수 있다.
3.3 미세 구조 및 성분 분석
0.5 M 레서피로 MICP 처리 한 시료에 대하여 미세 구조 분석을 실시하였다(Fig. 7). 샘플에서 탄산칼슘이 모래 알갱이에 부착되어 형성된 모습을 확인할 수 있다. DW의 경우 전체적으로 둥그스름한 모양을 보였고, SW의 경우 보다 각진 형태를 보였다. DW의 경우 Ca, C, O이 주 구성성분을 보이며 탄산칼슘(CaCO3)의 형성을 보여준다. 마그네슘은 질량비로 0.3%이나 유의미한 수치는 아니다. 반면 염분의 결합이 의심되는 SW에서도 Ca, C, O만 검출된다. 탄산칼슘 결합에 영향을 줄 것으로 예상되었던 마그네슘이나 황산화물은 검출되지 않았다. 따라서 해수는 탄산칼슘 형성에 간접적인 영향을 줄 뿐 탄산칼슘 침강에 직접적인 참여는 하지 않는 것으로 파악된다. 염분의 관여로 인하여 요소분해속도, 탄산칼슘 형성량, 탄산칼슘 모양 등에 영향을 준다.
4. 결 론
본 연구에서는 연안 침식 저감 대책으로 미생물에 의한 탄산칼슘 형성(MICP) 기술을 제안하였다. 담수와 해수의 용매로써의 효율을 요소분해능과 강도로 평가하였다. 용매와 농도에 따른 차이를 분석하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
1. 탈염수가 해수에 비해 요소분해속도는 높았으나 탄산칼슘 형성 효율에서는 해수가 탈염수보다 높았다. 탈염수에서 농도와 요소분해능은 비례한다. 하지만 해수에선 보다 복잡한 MICP 반응이 발생한다.
2. 초기 요소분해속도와 할선 요소분해속도는 농도가 높을수록 크게 나타났다. 또한 칼슘 이온의 존재 여부에 따라서도 요소분해속도는 큰 차이를 보였다. 염분은 요소분해를 늦추는 요인으로 작용하였다.
3. 표면 처리를 실시한 MICP 적용 방식의 경우 시료 깊이별 고화 차이가 발생한다. 해수를 용매로 사용한 경우 주입 중 형성된 결정으로 인하여 처리 횟수 증가에 따라 주입 문제 또한 발생하였다. 따라서 고화 비균질성으로 인하여 침관입시험기와 같은 직접 표면 평가법이 적용 가능하다.
4. 처리 횟수 및 농도가 높을수록 형성량이 증가하며, 탄산칼슘 형성량과 강도는 비례하는 경향을 보인다. 처리 횟수에 따라 탈염수 및 해수의 강도 발현 효율에 차이가 있었다. 하지만 거시적 관점에서 해수를 용매로 사용하는 경우도 충분히 MICP 기술을 사용하여 강도를 증진시킬 수 있음을 확인하였다.
5. MICP를 통해 형성된 입자는 탄산칼슘으로 확인되었다. 해수를 사용한 경우에도 탄산칼슘 외에 다른 원소는 발견되지 않았다. 따라서 염분은 MICP 반응에 간접적으로 작용할 뿐 직접적인 참여는 하지 않는 것으로 파악되었다.
이것으로 탈염수 및 해수 조건에서 MICP 반응이 발현되며 강도 또한 증진시키는 것을 확인하였다. 연안침식 저감을 위한 MICP 이용에서 실질적인 침식저항성에 대한 연구가 남아있다. 추후 침식성에 대한 부분을 연구할 시 본 연구가 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다.
