1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 재료 및 강도 특성
2.2 환경성 및 수질정화 특성
3. 시험 결과
3.1 재료 및 강도 시험 결과
3.2 환경성 분석 결과
3.3 수질정화 특성 시험 결과
4. 결 론
1. 서 론
2002년 6월, 동북부 왕청현에서 규모 7.3의 지진이 발생한 후 백두산 지역의 지진 빈도가 크게 증가했고, 2010년 2월 18일에 두만강 하구 동해 해저 지각에서 규모 6.9의 지진이 일어나며 백두산에서 지진 빈도가 더욱 자주 증가하기 시작했다. 2002년부터 화산성 지진 활동의 증가, 정밀 수준측량 및 GPS 네트워크를 통한 지표면 팽창, 특정 화산가스 방출량의 증가, 그리고 온천수 온도가 상승하는 화산 전조 활동이 활발해지는 전조현상들이 관측되었다(Yun and Lee, 2012; Xu et al., 2012). 화산 분화 시 화산재 및 화산가스로 인한 항공산업 및 정밀산업 등 다양한 분야에 경제적 손실이 발생할 수 있으며, 대기 오염으로 인한 호흡기 질환 등 인체 악영향을 유발할 수 있다(Park, 2019). 이와 같은 피해를 막기 위해 화산 폭발에 대비한 기술 및 대책 마련의 필요성이 대두되었으며, 화산재로 인한 항공, 도로 등 기반 시설 피해를 최소화하기 위해 화산재 처리 및 활용 방안 개발이 절실히 요구되고 있다.
화산재를 건설재료로 활용하는 연구는 다양한 방향에서 진행되어 왔다. 도로 건설재료로서 화산재의 활용(O`Connell et al., 2003; Sato et al., 2006), 콘크리트 배합 재료로서 화산재의 활용(Mitsudome, 2012; Onoue, 2012), 화산분출물을 이용한 지반재료 개발(Yamamoto et al., 2012), 화산재의 화학적 및 물리적 특성 분석을 통한 토양개량재료의 활용 가능성(Ko, 2004; Kim, 2009), 화산재를 중금속 폐수 처리용 흡착재 활용(Kim et al., 2008), 화산재 콘크리트의 치환 방법 및 치환율에 따른 역학적 특성을 고찰(Cho and Kim, 2011) 등 화산재의 활용성을 높이기 위한 다양한 접근이 시도되었다. 그러나 기존의 연구들은 화산재를 종합적으로 분석하고 체계적으로 활용하려는 연구는 부족한 실정이었다. 특히 화산재의 미세구조 및 공학적 특성을 활용하여 제올라이트 대체재로 적용하는 연구는 상대적으로 미흡하였다.
화산분출 시 다량으로 분출되는 화산재는 제올라이트(Zeolite, 비석)와 유사한 성상을 보유하고 있다. 제올라이트의 경우 뛰어난 흡착 특성과 이온교환 능력으로 흡습제, 촉매제, 건설재료 등 다양한 범위에서 사용되고 있는 물질이다. 제올라이트는 이산화규소로부터 구성되는 골격을 기본으로 하며, 칼륨, 세슘 등의 양이온과 독소 및 암모니아 등과 이온교환을 통한 흡착을 발생시켜 수질정화에 효과적이고, 다수의 간극을 보유한 화산재의 경우 제올라이트 대체재로서의 활용을 기대할 수 있다(Lee et al., 2013).
본 연구는 제올라이트의 대체재로서 백두산 화산재를 건설재료로 활용하기 위한 기초 연구로, 화산재의 공학적 특성, 미세구조, 수질정화 특성 등을 분석하였으며, 화산재를 활용한 수질정화용 블록의 건설재료로서의 가능성을 제시하고, 백두산 분화에 대비한 유효 활용 방안을 모색하고자 한다. 기존의 연구와 달리 삼축압축시험, SEM 및 EDS 분석을 통해 미세구조와 성분을 파악하고, 용출시험 결과를 통해 토양오염대책 기준과 비교하였으며 유용 미생물 페니바실러스(Paenibacillus)의 정화 능력과 E. coli의 생장 억제 효과를 검토하여 화산재 블록의 생물학적 수질정화 효과를 고찰하였다.
2. 재료 및 방법
화산쇄설물은 화산분출 시 발생하는 다양한 크기의 물질로 크기에 따라 화산암괴(64mm 이상), 화산력(2∼64mm), 화산재(1/16∼2mm), 화산진(1/16mm 이하) 등으로 구분된다. 본 연구에서는 백두산 화산력(2∼64mm)의 공학적 특성을 분석하기 위해 함수비시험, 골재의 비중 및 흡수율 시험, 마모시험, 삼축압축시험을 수행하였다. 실험에 사용된 화산재와 화산력은 Fig. 1과 같으며, 시료 채취 위치는 백두산 천지 인근으로 Fig. 2와 같다.
2.1 재료 및 강도 특성
골재의 비중 및 흡수율 시험과 마모시험을 통해 백두산 화산력을 이용한 콘크리트 배합의 특성을 평가하였다. 비중 및 흡수율 시험은 Fig. 3과 같이 KS F 2405에 따라 실시하였다. 또한 마모시험은 Fig. 4와 같이 KS F 2811에 따라 수행하였다.
삼축압축시험은 Fig. 5와 같이 Geocomp사의 LoadTrac Ⅱ를 활용하였으며, KS F 2346에 따라 수행하였다. 시험은 함수비 20%, 건조밀도 1.4g/cm³의 조건에서 구속압력 50, 100, 150kPa로 진행되었으며, CD 시험(압밀 배수 시험)을 실시하였다.
본 연구에서는 수질정화용 블록의 강도시험을 위한 공시체를 제작하였으며, 배합설계 시 공극률을 20%, 시멘트량을 공시체 체적의 16%로 설정하고, 물/시멘트비를 20%, 25%, 30%로 나누어 제작하였다. Table 1은 배합비, Table 2는 재료별 요구 중량을 나타낸다.
Table 1.
Mix proportion design of samples
압축강도 시험을 위한 공시체는 직경(D) 50mm, 높이(H) 100mm의 몰드, 휨강도 시험을 위한 공시체는 가로 150mm 세로 150mm 높이 50mm의 몰드에 다짐하여 제작하였다. Fig. 6과 Fig. 7은 압축강도 및 휨강도 시험에 사용된 공시체 제작 몰드와 시험 과정을 나타낸다.
Table 2.
Material by weight in accordance with the compounding ratio
2.2 환경성 및 수질정화 특성
화산재의 안정성 분석을 위해 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산 X-선 분광법(EDS)을 사용하여 백두산 화산력의 미세구조 및 원소 구성을 분석하였으며, 용출시험을 통한 결과를 토양오염대책 기준과 비교하여 낙하 화산재의 환경적 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 화산분출물 건설자재로서의 활용에 따른 미생물을 적용한 백두산 화산재 수질정화 블록에 대한 공학적 특성을 분석하고 수질정화 특성을 분석하고자 한다. 백두산 화산재의 공극에서 DF35가 생존할 수 있는지 확인하기 위해 대조군으로 다공성 제올라이트와 표면적이 적은 자갈을 선택하여 활력 검정을 실시하였다(Fig. 8).
제올라이트, 자갈, 백두산 화산재로 블록을 제작한 후, 멸균수에 희석한 DF35(OD 600nm = 1.0)로 수질정화 처리하였으며, 블록은 DF35를 선 처리하여 제작하거나 제작 후 24시간 동안 수용액에 수침하는 후처리 방식으로 준비하였다. 이 두 방식으로 제작된 블록에서의 수질정화 미생물 활력은 세 가지 방법으로 준비한 재료를 배지에 도말하여 관찰하였다.
2.2.1 시험 재료
본 연구에서는 물속의 유해 병원성 대장균(Escherichia coli, E.coli)을 소멸시키는 페니바실러스(Paenibacillus polymyxa)를 수질정화를 위한 유용 미생물(이하 DF35)로 선정하였다. 시멘트는 H사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 백두산 화산력에 대한 비교분석을 위해 제올라이트, 최대치수 40mm 미만의 골재용 자갈 등을 사용하여 블록을 제작하였다. 보통 포틀랜트 시멘트의 물리·화학적 특성을 Table 3, Table 4에 각각 나타내었으며, 조골재의 물리적 특성을 Table 5에 나타내었다.
Table 3.
Mechanical properties of normal portland cement
|
Specific gravity (Gs) |
Fineness (cm2/g) |
Stability (%) | Compressive strength (MPa) | ||
| 3days | 7days | 28days | |||
| 3.14 | 3,459 | 0.63 | 19.24 | 26.8 | 55.00 |
Table 4.
Chemical compositions of normal portland cement (Unit: %)
| SiO2 | Al2O3 | FeO3 | CaO | MgO | SO3 | Na2O | K2O | Ig.loss |
| 21.1 | 6.7 | 2.9 | 61.7 | 3.1 | 2.0 | 0.17 | 0.84 | 1.5 |
Table 5.
Physical properties of aggregate
| Type | Specific gravity (Gs) | Uniformity coefficient (Cu) | Gradation coefficient (Cc) | USCS |
| Zeolite | 2.22 | 2.33 | 1.11 | GP |
| Gravel | 2.60 | 3.65 | 0.96 | GP |
| Mt. Baekdu | 0.56 | 1.43 | 0.92 | GP |
시멘트의 분산 작용과 미세 공기의 연행으로 단위 수량 저감, 워커빌리티 및 내동해성을 개선시키기 위해 국내 D사 제품의 폴리카본산계 고성능 AE 감수제를 사용하였으며, 이 감수제의 특성은 Table 6에 나타내었다.
Table 6.
Properties of plasticizer
| Type | Form | Density (g/cm3) | pH | Soild Content (%) |
| Superplasticizer | Brown Liquid | 1.06 | 5.5 ∼ 7.5 | 41 ∼ 45 |
2.2.2 공시체 제작 및 시험
DF35를 혼합한 수질정화용 블록의 미생물 생육특성을 분석하기 위해 물/시멘트비 25%, 설계공극률 20%로 설정하여 배합을 실시하였다. 재료의 혼합은 실험용 믹서를 활용하였으며, 15×15×5cm의 몰드에 다짐을 실시한 후 제작된 수질 정화용 블록은 28일 양생 후 DF35 10% 배양액에 1일 수침하였다. 이는 선행 연구를 통해 최적화된 농도이다(Park et al., 2015). 이후 블록의 pH 측정하여 미생물의 생육 환경 적합성을 분석하였으며, 생균수 조사를 통해 블록에 서식하는 미생물의 생균수를 측정하여 생물학적 수질정화 활성도를 정량적으로 평가하였다.
3. 시험 결과
3.1 재료 및 강도 시험 결과
비중 및 흡수율 시험 결과 백두산 화산력의 비중은 1.410, 흡수율은 106%로 나타났으며, 마모시험 결과 백두산 화산력의 마모율은 95.6%로 확인되었다. 이러한 결과를 통해 백두산 화산력이 콘크리트 배합에 적합한 특성을 보이고 있음을 알 수 있었다.
삼축압축시험 결과는 Fig. 9와 같이 모든 구속응력 조건에서 10% 축 변형률에서 잔류상태로 수렴하였고, 첨두상태에서 점착력 c=10kPa, 내부마찰각 Ø=26.6°로 나타났다. 잔류상태에서는 c=0kPa, Ø=19.8°로 확인되었다. 이는 백두산 화산재는 점착력이 거의 없으며, 첨두상태에서도 내부마찰각은 일반적인 사질토보다 낮은 특성을 나타낸다.
압축강도와 휨강도 시험 결과의 평균값을 Fig. 10과 Fig. 11에 나타내었다. 백두산 화산재를 사용한 수질정화용 블록은 모든 배합조건에서 재령이 증가함에 따라 강도가 상승하는 경향을 보였으며, 이는 일반적인 콘크리트의 강도 증가 경향과 유사하였다. 특히, 물/시멘트비 30%에서 압축강도는 0.18MPa, 휨강도는 0.10MPa로 가장 높은 값을 기록했으나, 휨강도는 여전히 압축강도의 20% 미만에 머물렀다. 수중양생을 실시한 경우 표준양생 조건보다 강도가 낮았으며, 물/시멘트비에 따른 전반적인 저강도 특성을 고려해 최적 물/시멘트비는 25%로 선정하였다.
3.2 환경성 분석 결과
백두산 화산력의 미세구조 및 원소 구성을 분석한 결과, 산소(O)가 50.83%, 규소(Si)가 29.7%로 확인되었다(Fig. 12 ~ Fig. 13). 또한, 용출시험을 통해 환경적 영향을 평가한 결과는 Table 7과 같다. 백두산 화산력은 모든 항목에서 토양오염대책 기준을 충족하여 환경적으로 안전한 것으로 나타났다.
Table 7.
Result of volcanic ash migration test
| Specimen Detection | Cd | Pb | As | Hg | Cu | Decision |
|
Soil Pollution Countermeasure Standards (mg/kg) | 12 | 600 | 75 | 12 | 450 | O.K. |
| Mt. Baekdu | < 0.001 | 18.881 | 1.726 | 1.813 | 0.938 |
3.3 수질정화 특성 시험 결과
3.3.1 수질정화 미생물 활력 검정
수질정화 미생물의 활력 검정은 가루 형태의 블록과 멸균수를 혼합해 TSA(Trypticase soy agar) 배지에 펼쳐 배양하거나, 멸균수에 고형형태 블록을 넣어 Vortexing한 후 TSA 배지에 펼쳐 배양하거나, 고형형태의 블록을 TSA 배지에 올리고 흔들어 균이 고르게 퍼지게 배양하는 세 가지 방법을 통해 관측하였다. 블록 내 DF35의 활력을 분석한 결과는 Table 8과 같다.
분석 결과, DF35의 활력은 블록 제작 후 수질정화 미생물을 후처리한 경우에만 유지되었으며, 이는 시멘트의 강알칼리성 및 석회 함유가 부정적인 영향을 미친 것으로 판단된다.
블록에서 수질정화 미생물을 재배양하기 위해 블록을 배양 배지에 굴려 배양하는 방법이 가장 높은 미생물 수를 나타내었는데, 이는 블록이 배지에 골고루 닿도록 흔들어주는 과정이 미생물의 활성화에 기여했기 때문으로 사료된다. 또한, 자갈과 같이 크고 매끈한 표면의 시료에서는 DF35의 미생물 흡착이 적어 생존력이 저하되었으나, 화산재와 같은 주원료에서는 DF35의 활력이 매우 높게 유지되었다.
3.3.2 DF35의 병원성 E.coli 생장 억제 효과 확인
본 연구에서는 백두산 화산재를 주원료로 한 수질정화 블록이 DF35 미생물의 활력을 유지하며, E. coli의 생장을 억제하는지 여부를 확인하기 위해, 제올라이트와 자갈로 만든 블록과 화산재 블록을 DF35 수용액에 수침 후 건조시키고, 이를 E.coli 현탁액에 다시 수침하여 CFU(Colony-Forming Unit)를 측정하는 실험을 수행한 결과는 Fig. 14와 같다.
실험 결과, DF35를 포함하는 수질정화용 블록이 E. coli와 혼합된 후 하루 만에 E. coli의 모든 생균수가 사멸하는 것을 확인하였다. 이후, 추가 실험을 한 결과, 화산재로 제작된 블록에서는 40일 후에도 E. coli가 생존하는 것으로 나타났다. 이는 화산재 블록의 강알칼리성이 초기에는 E. coli의 생장을 억제하지만 시간이 지남에 따라 블록 표면의 알칼리성 감소로 인해 생존이 가능해졌기 때문으로 판단된다. 따라서 DF35와 E. coli의 생육 가능성을 기반으로 블록의 수질정화 능력을 평가하기 위해 블록의 중성화처리가 필요함을 알 수 있었다. 또한, DF35 함유 블록과 E. coli 현탁액의 혼합액 산도가 pH 11.0 이상으로 측정되어 E. coli가 생존할 수 없는 조건임을 확인하고, 블록의 강알칼리성을 유지하기 위한 석회석 등의 원료 사용의 필요성을 파악하였다. 이를 통해 E. coli의 사멸을 방지하고 수질정화 능력을 향상시킬 수 있는 방안을 연구하였다.
3.3.3 중성화처리를 한 화산재 블록의 수질정화 특성분석
선행연구(Sung and Kim, 2010)를 통한 최적 중성화 방안으로 확인된 수중양생 + 제이인산암모늄 처리를 통한 수질정화용 블록에서 대표적 오염원으로 여겨지는 E. coli의 생장 억제 여부를 판단하기 위해 DF35와 E. coli 미생물의 생존 여부를 나타낸 결과는 Fig. 15과 같다.
시험 결과 백두산 화산재를 활용한 수질정화용 블록을 미생물과 혼합 시 30일 이후까지 수질정화 미생물인 DF35의 균주가 혼합 0일 차와 유사하게 유지됨을 확인하였다. 이는 DF35가 블록의 미생물 활력을 지속적으로 유지할 수 있음을 의미한다. 또한 E. coli의 생균수는 5일 차부터 생균수가 크게 감소함을 확인하였다. 이는 중성화처리를 통해 블록 표면의 알칼리성이 유지되면서 E. coli의 생존 가능 환경을 차단했기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구는 백두산 화산 폭발을 대비하여 화산 재해에 대한 피해저감기술 확보를 통해 사회, 경제적 피해 최소화를 위해 백두산 화산재를 활용한 친환경 수질정화용 블록 개발을 위한 기초적 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
1.백두산 화산재를 이용한 블록은 DF35 미생물의 활력을 유지하는 데 효과적으로 제작 후 처리 방식에 따라 미생물의 활력이 크게 달라지며, 블록을 배양 배지에 굴려 배양하는 방법이 가장 효과적인 방법으로 나타났다. 이는 백두산 화산재의 다공성 구조와 알칼리성 특징이 미생물의 생존 및 활성에 중요한 영향을 미친다는 것으로 판단된다.
2.DF35를 포함하는 화산재 수질정화 블록은 E. coli의 생장을 효과적으로 억제하였으며, DF35가 포함된 블록은 E. coli와 혼합된 후 하루 만에 대부분의 E. coli가 사멸하였는데, 이는 블록의 강알칼리성 환경이 미생물의 생장을 억제하는 데 기여한 것으로 판단된다.
3.중성화처리를 한 화산재 블록에 DF35를 혼합한 후 5~10일이 지날 때 E. coli의 생장이 급격히 억제되었는데, 이는 화산재를 이용한 수질정화 블록이 생물학적 오염원을 억제하면서도 미생물 기반 수질정화 능력을 유지할 수 있는 것으로 판단된다.
4.백두산 화산재는 제올라이트와 유사한 다공성 구조 및 이온 교환 능력을 갖추고 있어, 제올라이트 대체재로써 활용 가능성이 높다고 판단되며, 특히 화산재를 활용한 블록은 수질정화용 건설재료로서 친환경적이며 경제적 대안이 될 수 있다고 판단된다.
본 연구를 통해 백두산 화산재가 수질정화용 블록의 주원료로서 환경오염 저감 및 수질 개선에 효과적임을 확인하였다. 또한 화산재의 건설재료로서의 활용 가능성을 제시함으로써 화산재 재해 저감 기술 및 친환경 재료 개발에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 추후 다양한 미생물 균주 접합 및 현장 적용시험, 장기 성능 검증을 통해 실제 환경 조건에서의 실용적 성능을 확보할 필요가 있다고 판단된다.
