호소에서 중공유리구에 고정화된 TiO2 광촉매를 이용한

조류(藻類)의 증식억제

강민수, 박휘혜, 우승희, 이동근, 김성우*

경상대학교 대학원 환경보전학과, 경상대학교 환경보전연구소,

* 삼협자원개발(주)

Prohibition of the growth of Algae in Lake with the TiO2 Photocatalyst Immobilized on the Hollow Glass Beads

Min-Su Kang, Seung-Hee Woo, Hwi-Hye Park, Dong-Keun Lee, and Sung-Woo Kim

Department of Environmental Protection, Research Institute of Environmental Protection, Gyeongsang National Univ., *Samhyup Resource Development Co.

서론

산업화와 인구증가에 따라 수자원의 수요는 증대되고 있으나 수자원의 개발은 자연환경보호라는 장벽 때문에 한계상황에 이르고 있으며 확보된 수자원도 오염으로 인해 수질이 악화되어 이용가치가 하락되고 있다. 수자원의 개발이 어려우므로 기존에 확보되어 있는 수자원의 보호 및 수질관리가 주요 관심사로 부각되고 있다. 조류(藻類)는 최근 수자원 오염의 주요 원인으로 부영양화 호소에서 대량 증식하여 용존산소의 고갈, 이.취미 발생, 독성 물질 유출 등의 심각한 피해를 낳고 있다.1)2)3)

조류로 인한 피해로부터 수자원을 보호하기 위한 방안으로는 오염물질과 영양염의 유입 을 근본적으로 차단하는 것이 윈칙이나 이러한 대책을 수립하고 시행하는데는 많은 시간과 경비를 필요로하므로 처리 효율이 높고 경제적 타당성이 우수한 조류 증식억제시스템 개발의 필요성이 부각되었다.

지금까지 조류의 제어에는 살조제로 황산동(CuSO4)을 이용한 방법이 많이 사용되어 왔으나, 조류가 대량 번식하기 전에 투여해야 효과가 있고, 황산동을 투여한 호소에서 구리이온이 저질토에서 용출되어 수중 오염을 가중시킨다는 보고가 있어 현재 황산동의 사용에 대해서는 많은 논란의 여지를 남기고 있다.

이러한 문제점들을 보완하기 위한 연구 노력의 하나가 광에너지를 이용하는 광촉매 처리시스템이며, 수많은 연구가 수질오염방지, 대기오염물질의 정화, 항균 및 살균 등 다양한 분야에서 진행 중에 있다. 특히 TiO2 광촉매의 응용은 독성 유기화합물의 분해에 이미 널리 적용된 바 있다.4) 하지만, 광촉매 시스템을 이용한 미생물 등의 살균, 분해에 관한 연구가 활발해진 것은 최근의 일이다. Wei 등5)은 박테리아의 일종인 E. coli의 살균에 관해 보고하였는데 자외선 조사 하(380nm 이상)에서 분말 TiO2를 사용하여 E. coli의 분해반응 속도식과 반응 속도상수를 구하였다. TiO2분말은 촉매로서의 효율은 뛰어나지만 처리후 촉매회수의 문제점이 나타나 고정화의 필요성이 제기되었으며 Sunada 등6)은 TiO2를 지지체에 고정화하여 박테리아의 Endotoxin을 분해하였다.

본 연구진은 실험실내에서 중공볼에 고정화된 광촉매가 자외선을 조사할 때 조류의 세포에 미치는 특성을 조사하여 태양광의 근자외선을 이용한 조류의 생장억제 가능성을 확인하였다.7)8) 이러한 결과들을 바탕으로 상습적으로 수화가 발생되는 호소수에서 광촉매를 고정화한 중공유리구를 부유시켜 광촉매의 조류증식 억제능을 검토하고자한다. 또한 광촉매를 고정한 중공유리구의 조류증식억제능에 영향을 미치는 인자들을 도출하여 효율적인 조류증식억제 시스템을 개발하고자 한다.

실험

1. 실험장치

Mesocosm은 대형과 소형 2가지를 각각 2개씩 제작하였다. 대형은 1m3(1*1*1m)의 크기로 제작하였고 소형 mesocosm은 0.098 m3 (□=0.5 m, H=0.5m)로 제작하였고, 공극의 크기는 25□로 동일하게 제작하였다. 실험에 사용된 중공유리구는 pyrex 재질로 직경 2, 3cm크기의 두 종류를 제작하였다.(Fig.1)

(a)                               (b)

Fig.1 (a) pyrex □20mm (b) pyrex □30mm

2. TiO2 고정화

고정화 방법으로 Sol-Gel법을 사용하였고, 지지체를 dip-coating하여 TiO2를 고정화하였다. 사용된 금속알콕사이드는 Titanium tetraisopropoxide(Ti(OC3H7)4)이며, 450℃에서 4시간동안 소성하였다.5)

3. 현장실험

정체수역에 가까운 서낙동강을 대상으로 제작된 mesocosm을 출입이 용이한 폐쇄된 양어장에 설치하고, 현장과 동일한 조류를 유입시켜 mesocosm내, 외의 조류 종과 현존량을 동일하게 만들었다.(Fig.2) 대형과 소형 mesocosm에 각각 2cm과 3cm 직경의 유리구를 투입하였다. 2개의 mesocom 중 1개는 대조군의 로 이용하고 실험군은 Lab test에서 얻어진 중공유리구의 유효 반응 면적에 따라 중공유리구를 부유시키고 조류의 현존량 변화를 조사하였다.

현장에서는 pH, 수온, DO, 일조량변화를 측정하고 채수한 sample을 이용하여COD, BOD, T-N, T-P의 변화를 분석하였다. 조류의 생체량 분석을 위하여 Aceton(9+1)을 이용하여 Chlorophyll-a농도를 분석하고 조류 종의 분석도 병행하였다.

결과 및 토론

서낙동강에서 하절기에 출현하는 조류는 주로 남조류가 우점하였다. 7월까지는 남조류속 중에서도 Microcystis, Anabaena spp.가 주로 출현하고 8월부터는 Microcystis spp.가 우점 하였다.(Fig. 3)

Fig.2 Photographs of Mesocosm in field

Fig.3 Photograph of Microcystis aeruginosa.

하절기 수온은 25∼30℃를 유지하였고 강우량에 따라 조류의 현존량은 Chlorophyll-a 농도는 100∼250 □/□로 큰 변화를 보였으며 일조량이 많아지면 급격히 증식하였다.

수표면적이 1□인 mesocosm 내에 2cm 중공유리구를 200개(50□/1EA)를 부유시켜 조류의 증식량과 수질변화를 조사하였다. 수중의 pH는 9∼11의 분포를 나타내었고 용존산소량은 3.5∼4.5내에 분포하였다. 대조군과 비교할 때 중공유리구를 투여하였을 경우 pH와 DO가 다소 낮은 것으로 나타났다. 조류의 증식량은 초기에 대조군과 큰 차이가 없으나 1주일 후부터 60%수준을 유지하였다.

수표면적이 작은 0.78□인 mesocosm 내에 3cm 중공유리구를 40개(200□/1EA)를 부유시켰을 경우 초기에는 비슷한 경향을 나타내나 1주일 후부터 수심 10cm의 조류량은 대조군에 비해 50%수준으로 감소하고 수심 30cm에서는 80%수준으로 감소함을 알 수 있었다. 중공유리구의 크기가 커짐에 따라 수중에 있는 조류의 증식에 미치는 영향 커짐을 알 수 있었다.

참고 문헌

1. Ashworth. C. T. and M. F. Mason, Am. J. Pathol., 22, 369 - 383(1946).

2. Beasley, V. R., Coppock, R. W., simon, J., et al., J. Am. Vet. Med. Assoc., 182, 413-414(1983).

3. Beasley, V. R., Cook, W. O., Dahlem A. M., et al., Clin. Toxicol. Vet. Clinics of North America ; Food Animal Practice, 5, 345-361(1989).

4. 조인철, □광촉매를 이용한 PCE의 분해에 관한 연구□, 경상대학교 박사학위 논문(1999).

5. C. Wei, W.-Y. Lin, Z. Zainal, N. E. Williams, K. Zhu, A. P. Kruzic, Environ. Sci. Technol., 28, 934-938(1994).

6. K. Sunada, Y. Kikuchi, K. Hasimoto, A. Fujisima, Environ. Sci. Technol., 32, 726-728(1998).

7. 강민수, 김성철, 우승희, 이동근, □고정화된 광촉매를 이용한 수중 조류의 증식억제에 관한 연구□, 대한환경공학회 추계학술 발표회, (1999).

8. 이동근, 강민수, 정익상, 조인철, 김성철, 김성지, 우승희, □고정화된 이산화티타늄 광촉매의 응용□, 촉매(Catalysis), Vol.16, No.1, 54-74(2000).