토르말린 첨가에 따른 해양세균의 활성과 방오도료 성능에 대한 연구

Abstract

Antifouling coating has begun to be used to prevent the growth of marine organisms on hull surfaces. If marine organisms such as plankton adhere to the hull surfaces when the ship is sailing or moored, serious problems such as a decrease in the speed of the ship and an increase in fuel costs by more than 40% due to friction with the sea level occur. Traditionally, antifouling paint has been applied to the surface of ships and offshore structures for antifouling. Antifouling paint contains biocides that kill marine bacteria and marine organisms, namely tributyltin (TBT), copper oxide (Cu2O), and various organic biocides, and the antifouling biocides is released into the seawater from the paint surface. Organic tin compound, tributyltin (TBT) was the most famous and effectively inhibits marine organisms including plants and animals on a ship hull up to 5 years. But TBT accumulation in marine organisms such as barnacle and negative effects on immunological defense in fishes and other species were also reported by the International Maritime Organization (IMO). Accordingly, responding to environmental protection, TBT-based antifouling paints have been forbidden since January 1, 2008. Cuprous oxide antifouling coatings have been used widely in today’s marine ship. However, it also has potential environmental risks. Because the copper element in the cuprous oxide coating is enriched in the ocean, it causes a lot of death of seaweed and destroys the ecological balance, and will eventually be restricted or banned. Obviously, alternative and effective biocides and relevant antifouling paints/coatings with little environmental impact are under urgent need. In order to prevent the antifouling coating from harming the ecological environment, the researchers tried to find useful substances from nature to replace copper-based coatings. So far, Tourmaline is a kind of complex borosilicate mineral belonging to the trigonal space group, depending on its special properties such as spontaneous polarization effect and pyroelectricity and piezioelectricity, have been regarded by many scientists all over the world. The aim of this thesis is to find out the impacts of tourmaline on the activity of marine bacterial in seawater and the adhesion characteristic of marine biology on antifouling coatings including tourmaline by a series of experiments, to prove the possibility of using tourmaline in antifouling paint. Though measured the properties of tourmaline such as XRF， PSA， SEM, choosed marine bacterial as biofouling target, utilized slad bacterial counting testing the gross of bacterial colony, evaluated the impacts of tourmaline minerals on activity of target and effect law, finally this thesis put forward effect mechanism model.

방오도료는 선박의 수면 아래 표면에 해양생물이 부착하는 것을 방지하기 위하여 사용되기 시작하였으며, 선박이 항해하고 있거나 정박하고 있는 동안 선박의 침수부분에 해양생물이 부착되면 표면의 거칠기가 늘어나 선박 마찰 저항력이 증가하기 때문에 선박의 운행속도가 저하되고 이로 인한 연료 소모량이 40%까지 증가하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 해양생물의 증식을 억제하기 위해 개발된 도료를 방오(Antifouling, 이하 AF라 한다.)도료라 한다. 오래전부터 방오를 위하여 선박과 해양구조물 표면에는 방오도료를 도장하여 왔다. 전통적인 방오도료는 방오성능을 증가시키기 위하여 독성 방오제, 트리부틸주석(TBT, Tributyltin), 아산화동(Cu2O) 및 각종 유기 방오제들을 많이 사용해 왔다. TBT와 Tin유도체의 방오성능은 우수하였지만 상당한 양의 독성물질이 방출되었고 매우 낮은 농도에서도 오염과 무관한 해양생물의 환경 호르몬으로 작용하여, 복족류 및 이매패류와 같은 해양생물에 내분비계교란을 일으켜 임포섹스(imposex)현상 등의 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 국제해사기구 (IMO)에서는 2008년 이후 Tin을 함유한 방오도료는 전면적으로 사용을 금지하였다. Tin 사용이 금지된 후에 아산화동(Cu2O)은 자기 마모형 방오도료 (Self- polishing copolymer paint)에 적용하기 위해 널리 사용되었다. 아산화동은 표면에 부착하는 해양생물의 종에 구애받지 않는 광범위한 살생물질 역할을 할 수 있으며 자기 마모형 도료와 함께 지속적으로 표면에서 Cu이온을 방출하기 가 용이하여 해양생물에 의한 오염으로부터 선체를 효과적으로 보호할 수 있었다. 하지만, 아산화동은 적지만 여전히 자연과 해양환경에 부정적인 영향을 미치고 있으며, 최근에는 요트에 아산화동 방오제를 사용하는 것이 호주, 미국 및 유럽을 중심으로 금지되었고, 현재는 대형 선박에 사용되는 아산화동을 저감하고 최종적으로는 친환경 방오제를 개발하는데 관심을 두기 시작하였다. 토르말린은 천연광석으로 다양한 결정구조를 가지고 있으며 다양한 종류의 이온들이 화학 결합되어 있다. Jiang 등에 의하면 토르말린의 가장 큰 특성은 이러한 금속원소들의 구조적 성질에 의하여 자발적/영구적인 전기극성을 나타낸다는 것이다. 환경 분야에서도 Yu. 등 연구진들이 자외선(ultraviolet radiation, 이하 UV)를 이용한 고도산화처리 공정에서 토르말린 주입시 자발적/영구적 전기장 특성이 처리효과를 증진시킨다고 보고된 바 있다. 즉 UV 산화처리공정에서는 UV에서 방출되는 에너지의 물분해로 OH ‧ 라디칼이 생성되는데 여기에 토르말린이 첨가되게 되면 토르말린 자체에서 발생되는 전기장에 의하여 OH ‧ 라디칼이 추가 생성된다. 이로 인해 고도산화처리공정에서의 토르말린 첨가는 공정내 산화처리효율을 증가시키는 것이다. 이외에도 토르말린 표면에 생성되는 전기장은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이와 같은 특성을 이용하여 천연광물 토르말린을 방오제로 사용하는 것을 연구하였다. 토르말린은 철, 알루미늄, 마그네슘과 칼슘 등의 북잡한 붕규산염 천연광물이며 C53v –R3m 공간군 (space group)의 육방정계구조를 가지고 있다. 토르말린은 독특한 압전, 열전기, 원적외선, 음이온방출 등 특수한 성질을 가지고 있기 때문에 최근 몇 년간 세계 각국에서 신소재로 관심을 받고 있다. 본 연구목적은 바닷물 환경에서 토르말린이 해양생물의 생장에 미치는 영향과 토르말린 코팅도료에 대한 해양생물의 부착특성을 이해함으로써, 토르말린을 방오도료에 첨가제로서 사용할 수 있는 가능성을 연구하였다. 본 연구에서는 토르말린의 X-Ray Fluorescence Spectrometer(XRF), Laser Diffraction Particle Size Analyzer(PSA), Field Emission Scanning Electron Microscope(SEM) 등의 물리적 성질을 측정하고, 해양세균을 목표생물로 선택하여 평판계수법을 이용하여 세균의 균총수를 측정하고, 토르말린 코팅이 생물 성장활성에 미치는 영향과 목표생물 부착 특성에 미치는 작용의 메커니즘을 제시하였다.