1. 서 론
최근 도시의 생태환경 조성을 위하여 건물 등 인공구조물의 녹지조성에 대한 관심과 수요가 지속적으로 높아지고 있다.1) 특히, 기존 구조물을 활용한 친환경적인 환경 조성에 대한 요구가 꾸준히 증가하면서 건물의 옥상과 벽면과 같이 활용이 미미한 공간에 녹지를 조성하는 사례가 꾸준히 증가하고 있다.2) 이러한 도심내의 녹지환경 조성은 생태환경 조성을 통한 정신적인 편안함과 안락함을 주는 동시에, 열섬현상 방지, 대기 정화 등 다양한 편익을 제공하는 장점이 있다.3) 인공구조물에서의 녹지환경 조성은 환경적응성이 높은 식물의 선별적 식재를 통해 이루어지고 있으나,4) 기본적으로 흙을 기반으로 하는 토양의 조성이 요구되고 있어 실제 건물옥상 등 인공구조물의 녹지화를 위해서는 건물 하중에 영향이 적은 경량토양 소재의 적용이 필수적이라고 할 수 있다. 하지만 도심 내 옥상 등의 경우 빌딩풍에 의한 풍속이 높고, 자연광에 그대로 노출되어 토양의 수분이 쉽게 공기 중으로 증발되는 문제가 발생된다. 실제 일반적인 흙으로는 식물의 뿌리가 건조되거나 고사하는 등의 식생관리의 어려움이 발생할 수 있기 때문에 이를 해결할 수 있는 적절한 인공토양용 소재의 개발 및 적용에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.
인공녹지에 적용되는 인공토양의 주요한 소재 중 하나인 코코피트는 코코넛 허스크(coconut husk) 추출 과정에서 생기는 입자상의 부산물로써, 일반 토양에 비하여 가볍고 수분 흡수성이 높고, 무기물 토양소재에 비해 상대적으로 가볍고 잘 썩지 않는 특성을 가지고 있어서,5) 토양의 보수성 등을 부여하기 위한 소재로서 주로 활용되고 있는 대표적인 인공토양 소재이다. 이러한 코코피트는 가벼운 특징으로 인해 바람에 의해 쉽게 비산되고, 적절한 전처리가 이루어지지 않은 저가 원료의 경우 염류 농도가 높아서 과도하게 사용 될 경우 토양의 염류농도를 증가시킬 수 있으며 전량 수입하고 있어 가격이 비싸다.6,7) 따라서 인공녹지에 적용되는 인공토양 소재로서 기존의 코코피트를 일부 대체할 수 있는 유기섬유소재의 발굴이 요구되고 있다. 특히 인공녹지화 시 작업성이 용이하여 점차 활용이 증가하고 있는 매트상 식생기반재의 경우에 이러한 입자상의 코코피트를 적용할 경우 제조 작업성이 떨어지는 문제가 있어서 이를 개선하기 위한 바이오매스 섬유 소재의 적용 방안에 대한 연구가 필요한 상황이다.
대표적 바이오매스 자원인 왕겨는 전 세계적으로 매년 약 1억 톤이 발생하고 국내에서도 매년 약 80만 톤 정도가 발생되는 주요한 비목질계 자원이다.8) 왕겨의 자원적 활용 가치를 높이고자 펠릿,9) 활성탄,10) 바이오차(biochar)11) 등 다양한 산업분야에서 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되었으나, 95% 이상 규소로 구성된 무기물 함량이 전체 왕겨 무게 대비 20%를 차지하므로 다양한 소재의 원료로 활용하기에는 제한적이다.
본 연구에서는 왕겨의 무기소재 실리카를 추출하는 과정 중 발생되는 왕겨섬유와 재활용 펄프의 혼합비율을 조절하여 매트상 식생기반재를 제조하고 매트의 보수력, 강도, 염분 농도 등 다양한 특성을 비교 분석함으로써 향후 기존의 코코피트를 대체할 수 있는 식생기반재 원료로서 왕겨섬유의 활용 가능성을 알아보았다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
본 연구에서는 ONP(old news paper), OCC(old corrugated container), 코코피트(cocopeat), D사에서 분양받은 왕겨(rice husk)를 이용하여 실험하였다. ONP와 OCC는 Valley beater를 이용하여 해리하였으며, 약 400-430 mL CSF로 조성하여 사용하였다. 왕겨 내 존재하는 실리카의 용해를 위해 KOH 20%, 액비 1:10의 조건에서 160°C, 1시간 동안 증해 추출을 실시한 후 흑액을 분리한 왕겨섬유분을 본 실험에 적용하였다. 코코피트는 블록 형태로 되어있기 때문에 분쇄한 후 30 mesh 통과분을 이용하였다. 매트형 식생기반재 제조 시 매트의 강도특성을 향상시키기 위하여 양이온성 PAM(분자량 500-700만, 전하밀도 +5 meq./g, CIBA Chemical)을 적용하여 매트를 제조하였다.
2.2 원료의 수분 보수성 평가
식생기반재에 사용되는 원료의 수분 보수성을 평가하기 위하여 보수도(water retention value, WRV)를 평가하였다. 보수도는 일정크기로 분쇄된 시료들을 일정시간 동안 물에 침지시켜 포수시킨 후 TAPPI UM 256에 의거하여 시료의 보수도를 측정하여 평가하였다. 시료는 crucible filter에 넣고 침지한 후 21±3°C, 900 G로 30분간 원심 분리하였다. 원심 분리 후 원료의 무게(W1)를 측정 한 후 105°C에서 건조시켜 다시 원료의 전건무게(W2)를 측정하여 Eq.1에 의해서 WRV(%)를 도출하였다.
W1 = 원심분리 후 펄프의 무게(g),
W2 = 원심분리 후 건조된 펄프의 무게(g).
2.3 식생기반재 제조
왕겨섬유 적용성 평가를 위한 식생기반재는 습식매트 성형기를 이용하여 제조하였다. 식생기반재의 주 구성 원료는 ONP와 OCC를 각각 기반으로 하여 제조하였고 이때 코코피트와 왕겨를 첨가하여 평량 400±10 g/m2 의 매트를 제조하고 150°C의 조건에서 열풍 건조하여 매트형 식생기반재 시험편을 제조하였다. PAM의 첨가 조건에서는 건조 무게 대비 0.1%를 첨가하였다. 자세한 식생기반재 제조 조건을 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Composition of vegetation media samples (wt%)
| Sample Type | Pulp (%) | Cationic PAM (%) | Rice husk fiber (%) | Cocopeat (%) |
|---|
| A | ONP or OCC
50 | 0.1 | 0 | 50 |
| B | 15 | 35 |
| C | 25 | 25 |
| D | 35 | 15 |
2.4 식생기반재 특성 평가
2.4.1 강도적 특성 평가
각각의 조건별로 제조 된 식생기반재 시험편의 인장강도는 인장강도측정기(MICRO350, Testrometric Co., USA)를 사용하였다. 각 조건별로 제조된 식생기반재 시험편을 각각 24시간 조습처리(온도 23±1°C, RH 50%) 한 후 가로, 세로 각각 1.5 cm × 4 cm로 절삭하여 인장강도를 측정하였다.
2.4.2 물풀림성 평가
식생기반재의 적용 시 우천 등에 의하여 조직이 쉽게 해리 되는 경우 실제 사용효과가 떨어지는 단점이 있다. 따라서 제조된 각각의 조건에서 식생기반재 시험편을 이용하여 물풀림성 평가를 실시하였다. 삼각플라스크(300 mL)에 증류수 50 mL를 주가한 후 제조된 매트를 약 1분간 침지시켰다. 1분간 침지시킨 삼각플라스크를 Shaker (Lab companion, SI-600R)를 이용하여 200 rpm의 조건에서 1분 동안 회전시켰다. 그 후 40 mesh 투과 분을 제거하여 수분처리에서 풀리지 않은 매트 잔여분의 무게측정을 통해 물풀림성을 평가하였다.
2.4.3 수분 보수력 평가
인공토양의 경우 수분 보수성은 식생의 생존을 유지하는 매우 중요한 특성이다. 옥상 등의 인공 생태환경에서는 상대적으로 바람이 많고 토심이 깊지 않은 특성으로 이러한 토양의 건조가 쉽게 발생되는 단점이 있다.12) 따라서 본 연구에서는 왕겨의 활용이 매트의 수분 보수력에 미치는 영향을 평가하기 위하여 Table 1의 조건에 따라 제조된 식생기반재 시편의 수분흡수특성을 측정하였다. 조습처리된 식생기반재 시편을 200 mL의 물이 들어있는 비커에 3 cm × 3 cm 크기의 시료를 투입하여 1분간 침적시킨 후, 꺼내어 표면의 물을 여과지로 제거하고 식생기반재 시편의 투입 전·후의 무게를 측정함으로써 수분 보수력을 비교분석하였다.
2.4.4 식생기반재의 전기전도도 평가
토양 내 염류가 과도하게 집적될 경우에는 작물의 생장을 방해하기 때문에 과도한 염류의 토양내 축적을 최소화하여야 한다.13,14) 이러한 토양 내 염류 집적 정도는 전기전도도의 측정을 통해 간접적으로 측정이 가능하다.15) 이에 본 연구에서는 ONP를 기반의 식생기반재 제조 시 코코피트와 왕겨섬유의 배합비에 따른 시편의 전기전도도 변화를 섬유 전하 측정기(fiber potential analyzer, FPA; AFG analytic GmbH)를 이용하여 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 식생 기반재 원료별 수분 보수성 평가
원료의 종류에 따른 수분 보수성을 평가하여 Fig. 1에 나타내었다. 코코피트의 경우 원료자체의 수분보수성이 가장 낮은 것으로 나타났으며, ONP가 가장 높은 수분 보수성을 보였다. 코코피트는 ONP, OCC에 비하여 주로 입자상으로 되어있고 증해 등의 전처리과정을 거치지 않기 때문에 코코피트 구조내부의 피브릴화 등이 거의 이루어지지 않은 영향 등으로 가장 낮은 보수성을 보여주는 것으로 판단하였다. 왕겨 섬유는 섬유장이 짧고, 고해 등의 과정을 통한 섬유내부구조의 피프릴화 등이 이루어진 상태로 상대적으로 재활용 섬유에 비하여 보수성이 낮게 나타난 것으로 보인다.16) 그러나, 왕겨섬유는 코코피트에 비해 높은 수분 보수성을 가지고 있는 것으로 확인되었다.
Fig. 1.
The water retention values of various raw materials.
3.2 식생기반재 특성 평가
3.2.1 코코피트 함량에 따른 식생기반재 강도 변화
식생기반재의 강도적 특성은 운반과 이송, 시공 및 내구성 등에 중요한 역할을 하게 된다. ONP 기반의 식생기반재에 대한 코코피트의 혼합비율과 고분자 첨가제에 첨가에 의한 식생기반재의 강도적 특성변화를 평가하여 Fig. 2에 나타내었다. 코코피트의 첨가량이 증가함에 따라 식생기반재의 강도가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었고 이때 양이온성 고분자 PAM의 첨가에 의해 식생기반재 강도가 다소 증가하는 것을 볼 수 있었다. 특히 60% 이상의 첨가량에서 강도의 큰 저하가 나타나는 것을 확인하였고 따라서 이후 왕겨섬유에 의한 코코피트 대체 영향을 평가하기 위한 대조구 식생기반재의 제조는 50% 혼합비를 기반으로 실시하였다.
Fig. 2.
Change in tensile index depending on cocopeat contents and PAM addition.
3.2.2 식생기반재 표면 특성 평가
코코피트와 왕겨섬유 첨가에 의한 ONP 기반 식생기반재의 표면구조 변화를 전자현미경으로 관찰하여 Fig. 3에 나타내었다. ONP 원료로만 제조한 경우 표면이 다소 매끄러운 구조가 관찰되었으나, 코코피트의 첨가 시 표면이 상대적으로 거칠어지는 것을 볼 수 있었다. 왕겨섬유를 추가적으로 첨가되었을 때에는 표면의 불규칙한 다공성 구조의 형성이 더욱 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 코코피트와 왕겨의 적용은 ONP 원료를 기반으로 제조되는 식생기반재의 표면 구조 및 표면 다공성에 큰 영향을 주는 것으로 판단하였다.
Fig. 3.
Scanning electron microscopy image of the vegetation media surface depeding on the raw material composition (A: ONP 100%, B: ONP 50%, Cocopeat 50%, C: ONP 50%, Cocopeat 25%, Ricehusk 25%).
3.3 왕겨섬유의 적용에 따른 식생기반재 특성 변화
3.3.1 구조적 특성 변화
ONP와 OCC 각각 50% 조성에서 나머지 50%를 코코피트와 왕겨섬유의 배합을 통하여 제조된 식생기반재를 각각 제조하여 왕겨섬유의 배합률을 증가시킴에 따라 변화되는 구조적 특성변화를 Fig. 4에 나타내었다. 왕겨섬유가 포함되지 않고 코코피트가 50% 포함되어 있는 1번 조건에서 OCC를 기반으로 제조된 식생기반재가 ONP 기반 식생기반재보다 높은 벌크 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 코코피트를 대체하는 왕겨섬유의 배합비 증가에 따라 다소 벌크가 증가하는 경향을 나타내지만 그 증가폭은 미비한 것으로 확인되었다. ONP 기반 식생기반재의 경우 왕겨섬유의 첨가로 초기벌크의 뚜렷한 증가가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 4.
Changes in bulk of the vegetation media depending on the rice husk fiber contents and base pulp types.
3.3.2 식생기반재 강도 변화
왕겨섬유 배합비 변화에 따른 식생기반재의 강도 변화를 Fig. 5에 나타내었다. ONP 및 OCC 기반 식생기반재 모두에서 왕겨섬유의 배합비 증가에 따라 강도적 특성이 저해되는 것을 확인할 수 있었다. OCC 기반 식생기반재는 ONP 기반 식생기반재에 비하여 모든 조건에서 높은 강도적 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었고 왕겨섬유 첨가에 의한 강도감소는 ONP 기반 식생기반재의 경우보다 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 5.
Changes in tensile index of the vegetation media depending on the rice husk fiber contents and base pulp types.
3.4 물풀림성 평가
물속에 침지한 후 식생기반재 조직의 풀어짐 정도를 평가하여 Fig. 6에 나타내었다. 왕겨섬유의 배합비 증가에 따라 OCC 기반 식생기반재의 경우 다소 물풀림성이 좋아지는 경향을 나타내었으나 그 영향은 크지 않은 것으로 판단되었다. 물풀림성의 경우 ONP 기반 식생기반재의 경우가 OCC 기반 식생기반재보다 상대적으로 우수한 것으로 나타났으나 유의한 차이는 나타나지 않았다.
Fig. 6.
Changes in water disintegration properties of the vegetation media depending on the rice husk fiber contents and base pulp types.
3.5 수분 보수력 평가
왕겨섬유 배합비 변화에 따른 식생기반재의 수분 보수력 변화를 Fig. 7에 나타내었다. ONP 기반의 식생기반재가 OCC 기반 식생기반재에 비해 수분 보수력이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 이때 코코피트를 대체하여 왕겨섬유 첨가량을 증가시킴에 따라 수분 보수력에서는 큰 차이를 나타내지 않는 것을 볼 수 있었다. OCC 기반의 식생기반재의 경우 왕겨섬유의 배합비를 증가시킴에 따라 수분 보수력은 감소하는 것을 확인하였다. 실제 적용되는 섬유의 보수성과 이러한 식생기반재의 수분 보수력과는 특별한 상관관계가 발견되지 않았는데 식생기반재의 수분 보수력을 조절하는 이화학적인 메카니즘에 대한 깊이 있는 연구가 향후 필요할 것으로 판단되었다.
Fig. 7.
Changes in water holding capacity of the vegetation media depending on the rice husk fiber contents and base pulp types.
3.6 전기 전도도 평가
왕겨섬유 배합비 변화에 따른 식생기반재의 전기전도도 변화를 Fig. 8에 나타내었다. 실제 토양의 전기 전도도 값이 0.7 이상일 경우 염류에 의한 영향을 받게 되어 생장에 영향을 주게 되고, 3 이상의 경우 사용이 제한된다고 알려져 있다.13) 본 실험에서 제조된 시료의 경우 전기전도도는 측정 결과 모두 0.4 미만의 값으로 나타난 것을 확인하였다. 코코피트를 대체하여 첨가한 왕겨섬유의 첨가량에 의한 전기전도도의 변화는 뚜렷하게 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 8.
Changes in electrical conductivity of the vegetation media made of ONP pulp base depending on the rice husk fiber contents.
4. 결 론
본 연구에서는 농업 부산물로 발생되는 왕겨의 고도 활용을 위한 방안으로 왕겨 내 실리카의 추출과정 중 발생되는 왕겨섬유의 식생기반재 적용 특성을 알아보았다. ONP와 OCC 섬유를 기반으로, 기존에 인공토양 등의 주요한 원료로 활용되고 있는 코코피트를 50% 배합하여 식생기반재를 제조하고 코코피트를 대체하여 왕겨섬유를 서로 다른 비율로 혼합 적용함으로써 왕겨섬유 적용에 따른 영향을 알아보았다. 식생기반재의 구조적 특성을 평가하였을 때 왕겨섬유의 적용을 통해 식생기반재의 벌크특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었으나 강도적 특성은 다소 저하되는 것으로 나타났다. 식생기반재 제조시 적용되는 OCC 및 ONP 기반 펄프에 의한 물풀림성과 수분 보수력의 차이가 크게 나타나는 반면 코코피트 대체로 첨가되는 왕겨섬유의 첨가량에 의한 특성변화는 미비한 것으로 판단되었다. 전기전도도에 있어서도 코코피트 대체 왕겨섬유의 첨가에 의한 영향이 나타나지 않는 것으로 확인되었다. 이러한 결과들을 통해 기존에 인공녹화용 식생기반재의 주요한 원료로 적용되고 있는 코코피트를 대체하는 용도로서 왕겨섬유의 적용가능성이 높은 것으로 판단되었으나 실제 식생기반재의 활용성을 고려하였을 때 수분 보수력의 조절기작과 식생기반재의 원료 및 구조와의 상관관계 등은 좀더 체계적인 연구가 필요할 것으로 판단되었다. 향후 식생의 성장과 생존 등에 미치는 영향과 적용최적화 등에 대한 추가적인 연구를 통하여 왕겨섬유의 식생기반재로의 적용성을 높일 수 있을 것으로 판단되었다.
Acknowledgements
본 연구는 중소기업청 지원사업(과제번호: S2334283)의 지원에 의하여 이루어졌습니다.
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