1. 서 론
화력발전은 현재 우리 실생활에 밀접하게 연관된 전기 에너지 생산 을 하는 방법 중에 하나이다. 화력 발전의 경우 석탄을 태움으로써 나 온 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산 하는 것으로 우리나라에서 제일 많은 비중을 차지하고 있을뿐더러, 입지 장소 및 초기 발전 비용이 적 게 든다는 장점을 가지고 있다[1].
전국의 석탄 화력 발전소의 경우 59개소에 달한다. 이중 29개소는 충남 지역에 위치해 있으며, 2029년까지 신설될 발전소까지 합하면 우리나라는 전국의 79개소의 석탄 화력 발전소가 있는 셈이다[2]. 석 탄 화력발전소는 석탄을 주원료로 사용하고 있으며, 증기 생산에 이 용되는 석탄은 석탄 저장고라고 불리는 곳에 쌓이게 된다. 석탄 저장 고 및 석탄 이동 시에 석탄의 분진 발생 및 자연 발화가 발생하게 되 는데, 이를 방지하기 위해 물을 분사하는 작업을 수행한다. 이로 인해 석탄의 분진과 물이 함께 섞여 흘러나오는 일명 ‘탄진수(coal-dust water)’ 라고 불리는 폐수가 흘러나오게 된다. 이러한 폐수는 관을 통해 모이게 되고 침전 과정을 거친 후 상층액은 매립지로 이동하게 된다. 하루에 나오는 ‘탄진수’의 양은 적게는 2톤에서 많게는 3톤까지 발생 하고 있다. 하지만 탄진수의 발생되는 양이 많아 침전과정을 거치지 만 미세 분진까진 침전이 되지 않고 그대로 매립지로 이동하게 되어 환경오염에 크게 문제가 된다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결 하기 위해 키토산을 이용하여 미세한 분진까지 응집하여 물을 정화할 수 있는 천연 응집제를 개발 하고, 그 응용성을 입증하고자 하였다.
키토산은 게나 새우 등의 갑각류, 오징어 연골 연체류 등에 분포되 어 있는 천연 고분자인 키틴을 농축 알칼리로 처리하여 얻어지는 물 질로서 β-(1,4)-glycosidic 결합으로 연결된 D-glucosamine과 N-acetyl- D-glucosamine 두 단위체로 구성된 생분해성 천연 다당류이다[3-6]. 키 토산은 항암효과, 콜레스테롤 감소, 면역 활성 및 항균성 등이 우수한 생리활성을 갖는 것으로 잘 알려져 있다. 키토산을 이용한 응용 분야 로는 화장품, 수처리, 의약품, 식품, 바이오산업 등이 있으며 최근에는 의료분야의 연구가 확대 되고 있다[7-9]. 수처리에 사용되는 키토산의 경우 키토산의 특성인 강한 양전하의 특성을 이용하여 멤브레인을 통 한 정화 및 응집제로서의 응용이 많이 되어 왔다. 또한, 키토산은 낮 은 독성의 특성을 갖고 있어 이를 이용하여 개발된 천연 응집제는 환 경오염 및 생태계에 영향을 주지 않는 큰 장점을 가지고 있다[10-12].
본 연구에서는 이러한 키토산의 강한 양전하를 이용하여 탄진을 응 집 시키고 침강 속도를 높여 가라 앉은 탄진을 회수하여 재이용하고 회수된 물을 다시 재활용함으로써 환경오염 문제를 해결하고자 키토 산이 탄진에 대한 응집 능력을 규명하고자 한다.
2. 실 험
2.1. 시약 및 재료
실험에 사용된 탄진수는 경남 하동 화력발전소에서 채취하여 상온에 보관하여 본 연구에 사용하였다. 흡착물질로 사용된 키토산(viscosity: 1188cP)은 속초물산(NANO BIOTECH Sokcho Co., Korea)에서 구입 하여 사용하였으며, 불용성 키토산을 수용화하기 위하여 사용된 젖산 (lactic acid)은 SIGMA-ALDRICH (USA)사에서 구입하였다. 세포독성 에 사용된 HEK293 세포와 L929 세포는 American type culture collection (ATCC, Korea)에서 분양받았으며, 10% fetal bovin serum (FBS) 가 함유된 Dulbecco’s modified Eagles medium (DMEM)을 사용하여 배 양하였다. 세포 실험에 사용된 ethylenediaminteteraacetic acid (EDTA), 3-3-[4,5-dimethylthiazol-2-yl]-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) 및 DMEM은 Sigma-Aldrich사(USA)에서 구입하여 사용하였다. 기타 실험에 사용된 용매 및 시약 등은 일급 시약을 구입하여 정제하지 않 고 사용하였다.
2.2. 키토산 용액 제조
탄진수 응집에 사용되는 키토산 용액은 다음과 같이 제조되었다. 키 토산(viscosity: 1181 cP) 10 g을 증류수 1 L에 분산 시킨 후 lactic acid 를 키토산의 60%의 무게 비율로 첨가하여 24 h 동안 교반 시켜 최종 적으로 1% 키토산 수용액을 제조하여 연구에 사용되었다.
2.3. 키토산 용액의 탄진수 응집 최적 농도 확립
탄진수를 동일한 양으로 준비하고 제조된 1%의 키토산 용액을 각 각 0.1, 0.2, 0.4, 0.8%의 농도로 희석 시켜 탄진수에 처리하였다. 최적 의 탄진 응집 농도는 응집 시간 및 응집 정도를 고려하여 선정하였다.
2.4. 응집제 처리 후 탄진수의 투과도 변화 측정
응집제의 탄진수 응집 효과를 규명하기 위해 응집제 처리 후 탄진수 의 투과도 변화를 자외선 분광광도계(UV-Vis spectrometer, UV 1601, Shimadzu, Japan)를 통하여 확인하였다. 탄진수 50 mL을 채운 비커에 0.2% 키토산 용액의 최적농도 4 ppm을 처리하여 교반 후 시간에 따 라 상층액 2 mL을 각각 취하여 투과도를 측정하였다. 이때, 응집제의 응집 효과를 확실히 규명하기 위해 응집제를 처리하지 않은 control군 도 동등한 시간 때에 각각 2 mL 취하여 투과도를 측정 하였다.
2.5. 응집제 처리 후 탄진수의 부유물질 제거효율
탄진수로부터 응집제의 부유물질 제거효율을 확인하기 위해 SS (suspended solids)제거 효율을 응용하여 계산하였다. 탄진수 100 mL에 0.2% 응집제 최적농도 4 ppm을 처리하여 20, 40, 160, 320 s 동안 교반 하였다. 그 후 상층액을 각각 30 mL씩 취하여 glass filters (Whatman, Diameter 47 mm 100 Circle, UK)로 부유물질을 거른 후 50 ℃에서 24 h 건조하였다. 건조된 필터의 부유물질 양은 식 (1)을 이용하여 최 종적으로 응집제의 부유물질 제거 효율을 계산하였다.
2.6. 응집제 처리 후 탄진수의 pH의 변화 측정
탄진수에 응집제를 처리한 후 pH의 변화를 pH meter (Thermo fisher scientific, Orion 3-star benchtop pH meter, USA)기를 이용하여 측정하 였다. 먼저 탄진수 50 mL를 pH 측정 후에 0.2% 응집제를 4와 8 ppm 을 각각 처리한 후 pH 변화를 관찰하였다.
2.7. 응집제 키토산 독성 평가
위 실험을 통하여 최적의 농도를 확립하여 제조된 0.2%의 키토산 용액의 독성 여부를 확인하기 위해 세포독성 실험을 실시하였다. 3-3- (4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide (MTT assay)를 통하여 규명하였으며, 정상 세포인 인간 유래 신장 세포(Human embryonic kidney cells, HEK293) 및 쥐 섬유아세포(Murine fibroblast cells, L929)를 이용하여 세포독성 여부를 측정하였다. HEK293 세포와 L929세포는 37%. 5 ℃ CO2 배양기에서 DMEM 배양액에서 culture dish에서 배양 후 trypsin-EDTA로 세포를 떨어트리고 5 × 103 cell/well 로 세포를 계산하여 96well-plate에 seeding하여 이틀 동안 배 양하여 세포를 안전하게 부착하였다. 이후 DMEM을 이용하여 0.2% 의 키토산 용액을 200, 100, 50, 25, 12.5 6.25 3.13 1.56 μL/mL 농도로 희석하여 처리하고 48 h 동안 배양하였다. 이후 MTT 시약 1 mg/mL 의 농도로 30 μL씩 처리한 후 incubator에서 4 h 동안 배양하여 환원 시킨 후 MTT 시약을 모두 제거시켰다. 이후 96well-plate에 DMSO를 200 μL/well 처리하여 fromazan을 형성 시킨 다음 최종적으로 micro plate reader를 사용하여 560과 670 nm에서 흡광도를 측정하였다. 세 포 생존율은 다음과 같이 계산되었다.
3. 결과 및 토론
3.1. 응집제의 탄진수 응집 효과 및 최적 농도 확립
키토산의 탄진 응집 효과와 최적 농도를 규명하기 위해 다양한 농 도를 처리하여 확인하였다. 탄진수 50 mL에 응집제 0.1, 0.2, 0.4, 0.8%의 농도를 각각 100 μL 처리하여 응집 정도를 관찰한 결과 응집 제를 처리한 모든 농도에서 빠르게 흡착하여 침강하는 것을 확인 하 였고, 그 중에서 응집제 0.2% 농도에서 가장 좋은 효능을 보였다 (Figure 1). 이는 아민(-NH2) 작용기를 함유하는 키토산이 양전하를 띄 어 음전하를 나타내는 탄진과 정전기적인 상호작용에 의해 응집이 일 어나 밀도가 증가했기 때문인 것으로 사료 된다. 이러한 결과를 통해 0.2% 응집제가 4 ppm 농도에서 응집능이 가장 우수함을 규명함으로 써 본 연구에서 개발된 물질이 탄진의 응집제로 응용이 가능할 것으로 사료된다.
3.2. 탄진 응집시간에 따른 투과도 평가 및 pH 변화 측정
본 연구에서 개발된 응집제의 탄진 응집 효능을 한번 더 규명하기 위해 시간에 따른 투과도를 관찰하였다(Figure 2, Table 1). 응집제를 처리한 후 시간에 따른 투과도를 관찰한 결과 1 min 만에 빠르게 탄 진이 응집되어 침강되는 것을 관찰하였으며, 그 탄진수 상층액을 취 하여 투과도를 측정한 결과 64% 이상임을 확인 할 수 있었다. 이는 응집제를 처리하지 않은 control군과 비교해봤을 때 60배 이상의 투과 율의 차이를 나타냄으로써 응집제의 응집능이 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 또한, 1 min 이상 경과했을 시에 투과율이 차이가 거의 없 음을 확인함으로써 응집제가 1 min 내에 탄진을 모두 응집할 수 있음 을 확인하였다. 또한, 탄진수에 응집제 처리에 따른 pH의 변화를 Table 2에 정리하였다. 초기 탄진수 50 mL의 pH는 7.93 으로 약 알칼 리 pH를 나타냄을 확인하였고, 탄진수에 응집제를 4와 8 ppm 농도를 각각 첨가하여 pH를 확인한 결과 7.75와 7.58의 결과를 확인할 수 있 었다. 응집제의 첨가한 양이 증가할수록 탄진수의 pH가 감소하나 pH 변화가 거의 중성에 근접하기 때문에 자연 생태계에 전혀 문제가 없 을 것으로 사료된다. 이러한 결과를 통해 본 연구에서 개발된 응집제 가 빠른 시간 내에 탄진을 응집함과 동시에 물을 정화할 수 있는 우수 한 물질로써 탄진의 응집제로 사용이 가능함을 확인할 수 있었다.
3.3. 응집제 처리 후 탄진수의 부유물질 제거효율 및 독성평가
Figure 3과 Table 3은 탄진수로부터 0.2% 응집제 최적농도 4 ppm을 처리한 후 부유물질 제거효율을 시간에 따라 관찰하여 SS (suspended solids)의 계산법에 의해 확인한 결과이다. 초기 부유물질의 제거 효율 은 0%인 반면에 응집제를 처리한 후 20 s가 경과했을 시 80%의 제거 효율을 보였으며, 시간이 더 경과했을 경우 제거 효율도 점점 증가하 는 것을 확인하였고, 320 s에서 95% 이상의 매우 우수한 제거 효율을 보여주었다. 또한, 0.2% 응집제의 독성 여부를 평가하기 위해 정상세 포 HEK293과 L929 세포에서 MTT assay를 수행하였다. 그 결과 응집 제를 처리한 모든 농도에서 80% 이상의 세포 생존율을 보여줌으로써 독성이 전혀 없음을 확인하였다(Figure 4).
이러한 결과를 통하여 개발된 응집제는 탄진 응집능이 매우 우수하 며, 세포독성이 전혀 없어 인간 및 자연 생태계에 매우 안전한 물질임 을 입증함으로써 탄진의 응집제로 응용이 가능함과 동시에 환경오염 예방에 도움이 될 것으로 사료된다.
4. 결 론
본 연구는 석탄 화력발전소에서 배출되는 탄진수로부터 탄진을 응 집할 수 있는 물질을 개발하여 그 사용 가능성을 규명하고자 하였다. 탄진수에 다양한 농도의 응집제를 투여하여 최적의 응집농도가 4 ppm임을 규명하였고, 투과도 및 응집 제거 효율을 확인함으로써 개발 된 물질이 탄진의 응집제로 사용 가능함을 확인하였다. 또한, 응집제 의 세포독성 평가를 통해 세포독성이 전혀 없음을 입증함으로써, 본 연구에서 개발된 응집제가 자연 생태계에 영향을 주지 않는 안전함 물질임과 동시에 탄진을 효율적으로 제거할 수 있어 환경오염을 예방 할 수 있는 매우 우수한 물질임을 제안한다.
