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Cation 화 폴리에스터 섬유를 이용한 수중 세균 흡착제거(報文)
1. 머리말
직접 식수로 사용하고 있지 않은 온천과 풀 등의 용도에 있어서도 안전하고 안심한 물을 요구하고 있다. 고령화 사회로 진행되어 욕조 등에 병원균이 혼입될 경우 사망사고로 이어지는 리스크가 증대하고 있다(1). 현재로서는 차아염소산을 수중에 과잉 투여함으로써 이를 예방하고 있으나, 반대로 염소냄새와 트리할로겐 등의 발암성 물질 생성으로 진정 안전한 환경이라고는 말할 수 없다.
본 연구에서는 이러한 과제를 해결하기 위해 새로운 세균제거방법을 제안하였다. 지금까지는 환경수중에 존재하고 있는 바이러스와 병원균이 마이너스로 대전되어 있다는 것을 이용, 전극에의 흡착 제거하는 기술을 검토해 왔다(2). 그러나 전극을 이용하기 때문에 전원의 확보가 어렵고, 또는 시스템의 대형화에 대응하기 어렵다는 문제가 남아 있었다. 여기서는 카치온화 처리로 섬유표면 자체를 플러스로 대전시키는 새로운 섬유필터 개발에 착안하였다.
수중 세균은 대부분 마이너스로 대전되어 있어서 플러스로 대전된 표면에 흡착하면 정전기적으로 흡착 제거되는 것을 알 수 있다(3). 표면적이 큰 섬유표면을 최적으로 카치온화 하면 새로운 수처리 필터로서 기대할 수 있다.
본 연구에서는 카치온화 된 폴리에스터 섬유에 있어서의 수처리 필터(이하, 카치온화 필터)와 이것을 조합한 순환장치를 제작함으로써 수중 세균 제거를 검토, 새로운 저가의 수치리 시스템을 제안한다.
2. 실험방법
2.1 폴리에스터의 카치온화 처리
실험에 사용한 섬유는 일반 직편물 등에 사용하고 있는 통상의 폴리에스터 섬유(7.5 den)이다. 폴리에스터 섬유를 오토클레이브에서 살균한 후 사용하였다. 카치온화제는 poly dimethyl ammonium chloride 20% 용액(SIGMA-ALDRICH, 이하 PDDA)를 사용하였다. PDDA를 증류수로 20배 희석해 PDDA 1% 용액을 제조하고 여기에 폴리에스터 섬유를 약 30초간 침적(욕비 1:10), 탈수한 후 멸균증류수로 수회 세정하였다.
2.2 각종 균액의 조제
실험에 사용한 세균은, 환경세균의 오염지표가 되는 그램 양성균인 Bacillus subtilis (ATCC 66)(이하 고초균(枯草菌)), 장관감염증 기인 균의 지표가 되는 Escerichia coli(ATCC 11775)(이하 대장균), 수계 감염에 의한 레지오넬라 감염증을 일으키는 Legionella pneumophila(ATCC 33152)(이하 레지오넬라)이다. 대장균과 고초균은 보통 한천배지(榮硏화학)에서 36℃, 24시간 호기적 조건 하에서 배양, 발생된 콜로니의 하나의 백금선 끝 량만큼의 균을 멸균증류수에 현탁 하였다. 이것을 통수시험에 사용하는 멸균증류수에서 遠心集菌(원심집균) 함으로써 첨가 균액을 제조하였다.
2.3 간이 수처리 시스템에 의한 정화시험
2.1에서 카치온화 처리한 섬유뭉치를 통상용기(내경 65mm, 높이 320mm)에 40g 충진해 카치온화 필터로 하였다. 또 control로는 카치온화 미처리 폴리에스터 섬유를 사용해 비교하였다. 본 연구에서 사용한 간이 수처리 시스템의 구성은 카치온화 필터와 유리 저류조(1L), 펌프 및 이들의 결속을 위한 테프론 테이프이다. 우선 외부로부터의 세균 침입을 방지하기 위해 이 시스템은 clean batch 내에서 조립하였다. 간이 수처리 시스템에 전량 1L의 각 세균 현탁액(106CFU/ml)을 펌프로 300m/min의 유속으로 통수시켜 경시적으로 처리액을 채취하였다. 실험은 모두 실온(20℃)에서 행하였다.
0, 15, 30, 60분마다 2ml 씩 채취한 후 평판 희석법에 의해 그 안에 들어 있는 세균 수를 측정하였다. 이 때 배양에는, 대장균 DHL 한전배지(榮硏화학), 고초균은 표준한천배지(榮硏화학), 레지오넬라는 GVPV 한천배지를 사용하였다.
2.4 제타전위 측정
섬유 표면의 대전 상태를 알기 위해 카치온 및 미처리 폴리에스터 섬유의 제타전위를 측정하였다. 통상 섬유 상태에서의 제타전위 측정은 어렵다. 여기서 이번 섬유를 blender(大阪케미칼 : 원더브랜다)로 분쇄 후 물에 분산시켜 제타전위를 측정하였다. 여기서 사용한 물은 일반 수도수를 정수기(토레이, 토레비-노 카셋티 203X)로 처리, 이후 오토클레이브에서 멸균 처리하였다. 이 방법을 이용 현미경 전기 영동법(마이크로텍 니치온 : ZEECOM ZC2000)으로 재차전위 측정이 가능하게 되었다.
또 각 세균의 제타전위는 각 세균 현탁액으로부터 적량 세균을 채취, 상기와 동일한 방법으로 측정하였다.
2.5 전자현미경(SEM)에 의한 폴리에스터 섬유표면 관찰
세균 현탁액을 통수한 카치온화 필터 및 미처리 필터 일부를 채취, sample stage에 올려 건조한 후 금을 증착시킨 후 SEM(JSM-5300LV) 균의 흡착상황을 관찰하였다. 측정은 가속전압 25kV, 고진공 모드에서 행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 PDDA에 의한 카치온화 폴리에스터 섬유의 제타전위
폴리에스터는 저가로 화학적 안정성도 높아 수처리 필터에 적합한 재료이다. 한편 이 섬유의 표면에는 관능기가 적어 다른 물질과의 화학반응이 일어나기 어려워 섬유를 카치온화 하는 방법은 아직 실용화되지 못하였다. 여기서 본 연구에서는, 기존의 저분자화합물과 공유결합에 의한 카치온화로부터 발상을 전환, 카치온성 고분자 전해질을 발데르발스 힘으로 폴리에스터 섬유 표면에 코팅하는 것으로 카치온화 하는 것을 시도하였다. 즉 PDDA를 액상으로 흡착시켜 폴리에스터 섬유 표면에 자기 조직적 배열시켜 고밀도의 카치온성 막을 형성시켰다.
여기서 이 카치온화 정도를 확인하기 위해 미처리 섬유와 카치온화 된 섬유의 제타전위측정을 행하였다. 그 결과 그림 2에서와 같이 미처리 폴리에스터 섬유의 제타전위는 -20mV에서 피크를 갖고 있어 마이너스로 대전되어 있는 것을 알 수 있다. 또 이번의 PDDA로 처리한 폴리에스터 섬유의 제타전위는 +45mV에서 피크를 갖고 있어 크게 플러스로 대전되어 있는 것을 알 수 있었다. 이로서 폴리에스터 섬유를 PDDA 1%로 단시간 처리함으로써 충분히 카치온화 할 있다는 것을 알 수 있었다.
3.2 카치온화 필터에 의한 세균제거
간이 수처리 시스템에서 균의 현탁액을 순환처리 했을 때의 균액의 변화는 그림 3과 같다. (a)는 고초균, (b)는 대장균, (c)는 레지오넬라균의 결과이다. 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이, control에서는 모든 균종에서 거의 제거되지 않았으나, 카치온화 필터에서 순환 처리한 경우 매우 효율적으로 제거할 수 있었다. 특히 대장균, 레지오넬라균은 60분 후에는 검출한계까지 제거할 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 고초균의 경우 60분 후에는 균수의 변화가 커서 검출한계까지 제거할 수 없었다.
본 연구결과는, 지금까지 연구를 행해 왔던 탄소섬유 전극을 이용해 전기적으로 세균을 흡착할 경우의 처리능력에 필적하는(4), 그것도 저가의 세균제거 필터로 이용할 수 있을 것으로 생각된다.
이번에, 그림에는 나타나 있지 않으나, 群馬県(군마겐)의 伊香保(이카호)溫泉수에 레지오넬라를 첨가하고 동일한 실험을 행하였다. 이 경우에도 레지오넬라균을 검출한계까지 제거할 수 있었다. 이로서 온천 등의 공중목욕탕의 욕조 내의 레지오넬라균 저감효과도 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
3.3 각종 세균의 제타전위
카치온화 폴리에스터 섬유에 각종 세균 제거능력이 확인되었다. 이 제거 메커니즘은 탄소섬유 전극과 마찬가지로 정전기적 흡착작용에 의한 것으로 생각된다. 여기서 이번의 실험조건 하에 있어서의 세균의 제타전위를 측정하였다. 그 결과는 표1과 같다. 제거효과가 높은 대장균, 레지오넬라균에서 제타전위가 크고, 그에 비해 고초균은 그림 3(a)에서와 같이 제거효율이 작은데, 그 제타전위 또한 작다는 것이 밝혀졌다. 이것은 카치온화 필터와 세균과의 정전기적 흡착이라는 것을 뒷밭침해 주는 결과이다.
3.4 필터섬유에의 세균부착 상황
간이 수처리 시스템에서 순환 처리한 세균의 부착상황을 확인하기 위해 필터의 섬유표면을 SEM으로 관찰하였다. (a)의 control(미처리 폴리에스터) 표면에는 균체가 확인되지 않았다. 한편 (b)의 카치온화 폴리에스터 표면에는 균이 부착되어 있다는 것을 알 수 있다. 이로서 균체가 카치온화 된 폴리에스터 섬유 표면에 흡착해 현탁액으로부터 제고된다는 것을 알 수 있다.
4. 끝으로
본 연구는 폴리에스터 섬유를 온천수 정화필터로 저 코스트로 이용할 수 있는 새로운 방법을 검토하였다. 공업화를 목적으로 기존의 설비 등에서 폴리에스터 섬유를 필터로 사용하는 간단한 방법을 제안할 수 있다. 또한 섬유가 카치온화 할 수 있는가 하는 것은 제타전위 측정을 행함으로써 확인할 수 있다는 것도 알았다.
시작품 카치온화 필터는 housing(통상용기) 등에 충진 가능해 순환저항도 낮아 기존의 수처리 설비에 쉽게 추가가 가능하다. 또 폴리에스터 섬유를 솜 상으로 사용할 수 있기 때문에 그 어떠한 형태의 용기에도 충진성이 좋아 자유도가 높다.
본 연구 성과는 긴급시의 음료수 확보 등 새로운 세균제어기술로 기대할 수 있다.
현재 본 연구 성과를 온천과 여관 등에서 실험하고 있어 세균제거에는 효과를 보고 있다.
또 환경 중에는 세균 이외의 다양한 바이러스가 존재하고 있어, 물을 매개체로 감염하는 폴리바이러스는 소아 임질 등의 원인이 되어 개발도상국에서는 자주 문제가 되고 있다. 지금까지의 연구로부터 이 필터는 바이러스 제거에도 이용할 가능성이 높은 것으로 생각된다.
출처 : SEN'I GAKKAISHI Vol.67, No.9(2011) 近藤康人(Kono Yasuhito)/群馬県섬유공업시험장 외 8명
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