도로 비산먼지 억제를 위한 볼 클레이 기반 친환경 제설제 연구
Study on Ball Clay-Based Eco-Friendly Deicing Agents for Road Dust Suppression
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Abstract
겨울철 이상기후로 인해 제설제 사용량이 증가하면서 토양 염류화, 식물 생장 저해, 도로 인프라 부식, 그리고 도로변 미세먼지(PM10) 증가와 같은 환경 문제가 대두되고 있다. 본 연구에서는 친환경제설제(Eco-Friendly Deicing Agent with Ball Clay, EDBC)를 개발하고, 이를 기존 염화칼슘(CaCl2) 및 염화나트륨(NaCl)과 비교하여 비산먼지 저감 성능과 물리화학적 특성을 평가하였다. 실험실 환경에서 EDBC의 비산먼지 저감 성능을 평가하기 위해 PM10 농도를 측정하고, 이를 CaCl2 및 NaCl(농도 5%, 30%)과 비교하였다. 또한, 주사전자현미경 및 에너지분산형분광기(SEM/EDS) 분석을 통해 EDBC의 표면 구조 및 먼지 입자와의 물리·화학적 결합 특성을 확인하였다. 5% 농도에서 EDBC는 평균 PM10 농도 174.03 μg/m3로, CaCl2(405.83 μg/m3) 및 NaCl(1256.67 μg/m3)보다 우수한 먼지 저감 성능을 보였다. 30% 농도에서도 EDBC는 101.8 μg/m3로 가장 낮은 먼지 농도를 유지하였다. SEM/EDS 분석 결과, EDBC는 균일하고 조밀한 표면 구조를 형성하여 먼지 입자와의 물리·화학적 결합을 강화하는 것으로 나타났다. 반면, CaCl2와 NaCl은 높은 흡습성과 용해성으로 인해 먼지 저감 효과가 제한적이며, 장기적인 환경 지속 가능성 측면에서 어려움을 보였다. 본 연구 결과는 EDBC가 기존 염화물 기반 제설제보다 환경 친화적이며, 미세먼지 저감 효과가 뛰어난 대안이 될 수 있음을 시사한다. 다양한 필드 조건에서의 추가적인 성능 검증 연구가 필요하다.
Trans Abstract
The increasing use of deicing agents during winter, driven by abnormal climate changes such as global warming, has raised environmental concerns, including soil salinization, plant growth inhibition, road infrastructure corrosion, and elevated particulate matter (PM10) levels near roads. This study aimed to develop an eco-friendly deicing agent incorporating Ball Clay (Eco-Friendly Deicing Agent with Ball Clay, EDBC) and evaluate its dust suppression performance and physicochemical properties compared to conventional chloride-based deicing agents. The dust suppression performance of EDBC was evaluated using PM10 concentration measurements in a controlled chamber, comparing its effectiveness at different concentrations (5% and 30%) with calcium chloride (CaCl2) and sodium chloride (NaCl). Additionally, Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive Spectroscopy (SEM/EDS) analyses were conducted to assess the surface structure and physicochemical interactions of EDBC with dust particles. At a 5% concentration, EDBC achieved an average PM10 concentration of 174.03 μg/m3, significantly lower than CaCl2 (405.83 μg/m3) and NaCl (1256.67 μg/m3). Even at a 30% concentration, EDBC maintained the lowest dust concentration of 101.8 μg/m3. SEM/EDS analysis confirmed that EDBC formed a dense and uniform surface structure, enabling strong physicochemical binding to dust particles. In contrast, CaCl2 and NaCl, due to their high solubility and hygroscopic nature, showed limited dust suppression efficiency and posed challenges for long-term environmental sustainability. These results suggest that EDBC is a promising alternative to traditional chloride-based deicing agents, providing both effective dust control and environmental benefits.
1. 서 론
최근 지구온난화에 의한 세계적인 이상기후 현상으로 인해 폭우 및 강설량이 크게 증가되고 있으며, 동절기 노면의 제설 및 결빙 방지를 위해 염화칼슘 및 염화나트륨 등의 제설제 사용이 크게 증가하고 있다[1]. 국내에서는 대부분 염화칼슘을 주로 사용하고 있으며, 미국이나 일본의 경우는 소금인 염화나트륨으로 모두 염소이온을 포함하고 있다[2]. 염화칼슘은 염화나트륨보다 염소이온이 낮고, 발열량이 높아 단기간에 눈을 녹일 뿐 아니라, 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있다[3]. 그러나 이러한 염화물계 제설제의 과도한 사용은 토양 염류 축적[4], 식물 성장 저해[5], 도로 철재 부식[1], 도로변 먼지 농도 증가와 같은 환경적 문제를 초래한다. 이와 관련하여 식물 피해와 도로 철재 부식에 관한 연구는 다수 이루어졌으나, 도로변 미세먼지(PM10) 농도의 증가와 제설제 살포 간의 상관 관계에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. Ana Stojiljkovic (2019)에 따르면, 염화칼슘(CaCl2)과 염화나트륨(NaCl)은 도로 표면에 남아 건조한 날씨나 차량의 움직임에 의해 미세먼지(PM10)로 방출될 수 있으며, 염화칼슘의 경우, 도로에 살포된 물질 중 약 0.5%가 공기 중으로 방출되는 것으로 나타났다[6].
대기오염물질 중 입자상 물질(Particulate Matter; PM)은 크기에 따라 TSP (Total Suspended Particle), PM10 (Particulate Matter less than 10μm in diameter), PM2.5 (Particulate Matter less than 2.5μm in diameter)로 구분할 수 있다[7]. 특히 PM10과 PM2.5는 크기가 작아 대기 중에서 오랜 시간 부유하며, 중금속과 결합하여 독성을 증가시키는 특성을 보인다. 이러한 입자는 호흡기와 폐포 깊숙이 침투해 심혈관계 및 호흡기 질환을 유발할 수 있으며[8], 다른 유기성 발암물질에 대해 촉진제 또는 공동 발암원으로도 작용할 수 있다[9]. 따라서 이러한 입자상 물질의 환경적 영향 및 인체의 영향을 줄이기 위해 다양한 흡착제를 활용한 저감 기술이 요구된다.
점토 물질 중 볼 클레이(Ball Clay)는 소성 후 화학적으로는 카올린과 유사하나 소성 전 상태에서는 유기물질을 함유하고 있기 때문에 그 색이 엶은 황갈색에서 짙은 회색을 띄고 있다. 또한, 볼 클레이는 높은 다공성과 표면적을 기반으로 미세먼지 및 오염 물질 흡착에 효과적이다[10]. 따라서 볼 클레이를 제설제에 첨가함으로써, 미세먼지 및 중금속과 같은 대기오염 물질의 확산을 효과적으로 억제하고, 환경에 미치는 부정적인 영향을 줄일 수 있는 친환경 제설제를 개발하고자 하며, 본 연구에서는 염화칼슘(CaCl2), 염화나트륨(NaCl), 볼 클레이를 첨가한 친환경 제설제(Eco-Friendly De-icer with Ball Clay, EDBC), 그리고 볼 클레이를 첨가하지 않은 비교군 제설제(Control De-icer, CD)를 대상으로 미세먼지 비산 억제 성능을 비교하였다. 또한, 흡착된 시료 표면에 대한 SEM/EDS 분석을 통해 각 제설제의 미세먼지 흡착 특성을 평가하였으며, 제설제의 주요 성능인 얼음 제거 능력을 확인하기 위하여 융빙 성능 실험도 추가로 수행하였다. 이를 통해, 친환경 제설제 개발의 기초 자료를 제공하고자 한다.
2. 연구배경 및 목적
2.1. 실험재료
실험에 사용된 제설제는 순도 74% 이상의 염화칼슘(Jiang Su Suyan Jingshen Co., Ltd, Shanghai, China)과 순도 85% 이상의 염화나트륨(Agrocel Friends Chemicals LLP Co., Ltd, Mumbai)을 구매하여, 각각의 입도, 순도, 성분, 수분함량, 물불용분을 시험한 후 사용하였다(Table 1, 2). 볼 클레이(Daewon Materials Co., Ltd, Guro, Korea)를 구매하여 점토 물질로 사용하였다(Table 3). 제설제는 Yun and Jeong에 따라, 염화칼슘 및 염화나트륨을 각각 물에 녹여 30% 농도의 용액을 제조하였다[11]. 추가로, 본 연구에서는 비교 실험을 위해 5% 농도의 용액도 동일한 방법으로 제조하여 실험에 사용하였다. 5% 농도 용액은 전체 용액 중 5%가 염화칼슘 또는 염화나트륨이며, 나머지 95%는 물로 구성되었다. 또한, 30% 용액도 같은 방법으로 제조하였다. 친환경 제설제를 제조하기 위해 볼 클레이(Daewon Materials Co., Ltd, Guro, Korea)를 0.5% 비율로 염화물 용액에 혼합하여 제조하였으며, 이는 물리적 응집력 확보와 미세먼지 비산 억제 효과를 동시에 고려하여 설정한 농도이다. 이렇게 제조된 시료는 볼 클레이가 포함된 군(Eco-Friendly De-icer with Ball Clay, EDBC)이며, 동일한 조성에서 볼 클레이를 제외하고 제조한 시료는 비교군(Control De-icer, CD)으로 명명하였다. 실험은 두 제설제를 동일한 조건 하에 수행하여 비교 분석하였다.
Physicochemical properties of calcium chloride.
Physicochemical properties of sodium chloride.
Chemical composition of ball clay.
2.2. 먼지 비산 실험
본 실험은 50cm×50cm×50cm 크기의 아크릴 챔버를 이용하여 진행하였으며, 아크릴 한 면에 7cm×7cm 타공하여 송풍 주입구를 제작하였다(Fig. 1). 실험에 사용된 먼지는 ISO A2 Test Dust(Jinsol Dust Co., Ltd. Songpa-gu, Korea)를 구매하여 사용하였으며[12], 해당 먼지의 화학적 성분은 Table 4에 나타내었다. 먼지는 지름 13cm의 알루미늄 디쉬에 2g 정량하여 사용하였으며, 제설제 시료 CaCl2, NaCl, 볼 클레이 첨가 제설제(EDBC)를 2ml씩 스포이드를 이용하여 혼합하였다. 혼합된 시료는 48시간 동안 건조한 후 파쇄하여 챔버 중앙에 배치하였다. 실험은 챔버 측면의 송풍 주입구를 통해 10m/s(±0.5m/s)의 풍속을 주입하여 진행하였으며, 바람의 발생은 송풍기(M4000B, Makita Power Tools Pvt., Ltd, India)를 이용하였다. 먼지의 비산 억제 효과는 PM10 농도를 μm/m3 단위로 측정할 수 있는 HT-9600 (Dongguan Xintai Instrument Co., Ltd, China)를 사용하여 평가하였다. 신뢰도 확보를 위해 각 조건에 대해 실험을 30회 반복 수행하였으며, 측정된 데이터는 평균값과 표준편차를 산출하여 분석하였다.
Schematic diagram of the acrylic chamber (50 × 50 × 50 cm3), including the air intake port, toggle clamp, hinge latch, PM10 sensor with acrylic enclosure, and overall measurement setup.
Chemical properties of ISO A2 test dust.
2.3. SEM/EDS 분석 방법
본 연구에서는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 및 에너지 분산형 X선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)을 사용하여 제설제 시료의 표면 특성과 화학적 조성을 분석하였다. 분석에 사용된 시료는 본 연구에서 준비한 것으로, 각각 CaCl2, NaCl, 볼 클레이 첨가 제설제(EDBC)를 포함하였으며, 5%와 30%의 함량으로 혼합하여 비교 분석하였다. 시료는 먼지 2g과 제조한 용액 5%, 30%를 스포이드를 사용해 2ml 혼합한 후, 48시간 이상 건조하여 안정성을 확보하였다. 건조된 시료는 파쇄하여 균일한 분말 상태로 준비하였으며, SEM 분석 장비 특성상 1cm×1cm 이내의 크기로 적절한 용기에 담아 분석을 진행하였다. 전도성이 부족한 시료는 Pt(백금) 코팅을 통해 전도성을 확보한 후 분석을 진행하였다. 분말 시료는 입자 크기가 1mm 이하로, 약수저 한 스푼 정도의 양으로 팔콘 튜브에 담아 준비하였으며, 덩어리 또는 필름 형태의 시료는 최대 직경 5cm, 높이 3cm 이내의 크기로 절단하여 분석하였다. SEM 분석은 고진공 상태에서 진행되었으며, 분석 전 모든 시료는 샘플 홀더에 고정된 상태로 장비 내에 설치되었으며, 신뢰성을 확보하기 위해 다수의 시료를 별도로 샘플링하여 반복 관찰 및 측정하였다. EDS 분석은 SEM과 연동하여 수행하였으며, 각 시료의 표면에서 나타나는 화학적 성분 분포를 확인하였다. 특히 5%와 30%의 EDBC 함량에 따른 성분 변화와 표면 구조 차이를 평가하였으며, 분석 데이터는 여러 위치에서 측정한 값을 바탕으로 산출하였다. 이 과정에서 나타난 화학적 성분의 상대적 함량은 EDBC, CaCl2, NaCl 등 제설제 첨가제가 시료 표면에 미치는 영향을 평가하는 데 활용되었다.
2.4. 융빙성능 실험 방법
본 연구에서는 볼 클레이(Ball Clay) 첨가 여부에 따른 친환경 제설제의 융빙성능을 평가하기 위해, 두 시료군 EDBC, CD을 설정하였다. 각 시료는 5% 및 30% 농도의 염화물 용액으로 조성되었으며, 동일한 조건에서 비교 실험이 수행되었다. 특히, 본 연구는 환경부 고시 EM502-3:2014의 융빙성능 시험 기준을 준용하여 실험을 설계하였다. 융빙성능 실험은 항온 챔버(PL-4J, Weibang equipment(dongguan) Co., Ltd, China) 내에서 -3oC, –7oC의 온도 조건에서 수행되었으며, 시험 온도는 ±0.2oC 이내로 정밀하게 유지되었다. 직경 23.0cm, 깊이 2.0cm의 아크릴에 물을 채워 얼음을 두께 1cm로 얼린 후 시험용 시편으로 사용하였다. 시험 시료는 시험 온도에서 최소 1시간 이상 방치하여 시료 온도를 포화시킨 뒤, 얼음 표면에 최대한 균일하게 분사되었다. 사용된 액상 제설제의 1회 사용량은 3.8mL(±0.01 mL)로 규정되었으며, 표면적 100cm2 당 0.9mL의 비율에 따라 적용되었다. 기준물질은 EM502-3:2014 기준에 따라, 순도 98% 이상, 입경 0.2~0.3mm의 염화나트륨(NaCl)을 사용하였다. 시료 살포 후 15분, 30분, 60분이 경과한 시점마다 융빙 용액을 수집하였다. 수집은 0.1 mL 단위로 정밀 측정 가능한 실험용 주사기(60mL 용량)를 이용해 수행되었으며, 융빙 용액이 더 이상 흡입되지 않을 때까지 최대한 수집하되, 수집 시간은 2분을 초과하지 않도록 하였다. 수집된 융빙 용액은 다시 얼음에 복귀시켜 후속 측정을 위한 상태를 유지하였다. 단, 수집된 융빙 용액의 부피가 살포한 제설제의 부피보다 적은 경우 해당 시험 결과는 무효 처리하였다. 실험은 시료군별로 3회 반복되었으며, 융빙량 측정값이 평균 대비 ±10% 이상 벗어나는 경우 해당 데이터를 제외하였다. 최종 융빙량은 수집된 융빙 용액의 부피에서 살포된 제설제 용액의 부피를 뺀 값으로 산정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 비산먼지 농도 변화 분석
본 연구에서는 EDBC, CaCl2, NaCl을 각각 5% 및 30% 농도로 적용하여 비산먼지(PM10) 억제 효과를 비교하였으며, 그 평균 농도값은 Table 5에 나타내었다. 실험 결과, 5% 농도에서 EDBC의 평균 먼지 농도는 174.03μg/m3로 나타났으며, 이는 CaCl2 (405.83μg/m3)와 NaCl (1256.67μg/m3)에 비해 낮았다. 30% 농도로 증가했을 때도 EDBC는 평균 먼지 농도가 101.8μg/m3로 유지되었으며, CaCl2(388.7μg/m3)와 NaCl(1845.13μg/m3)에 비해 현저히 낮은 수치를 보였다. 이는 EDBC가 모든 농도 조건에서 CaCl2와 NaCl보다 뛰어난 먼지 억제 성능을 나타냄을 보여준다. CaCl2는 먼지 억제제로서 흡습성을 통해 먼지 입자와 결합하여 농도를 감소시키는 역할을 한다. 그러나 CaCl2의 높은 용해도는 장기간 사용 시 표면 안정성을 약화시킬 수 있으며, 토양 및 수질에 부정적인 영향을 미칠 가능성이 있다[1]. 특히, 장기적으로 염화이온 침출이 발생할 수 있어 환경적 지속 가능성이 떨어질 수 있다[3].
Mean PM10 concentrations (μg/m3) and standard deviations (SD) for EDBC, CaCl2, and NaCl at 5% and 30% concentrations (n = 30).
반면, NaCl의 경우, 먼지 억제 효과는 제한적이었다. 이는 NaCl이 먼지 입자와 결합하는 물리적 능력이 부족하기 때문으로 분석된다. 또한, NaCl이 도로변에 축적되면 습한 환경에서 중금속 용출을 촉진하는 등 부정적인 영향을 미칠 가능성이 있다[4]. 특히, 본 연구에서는 NaCl의 농도가 증가함에 따라 먼지 농도 역시 증가하는 현상이 관찰되었으며, 이는 NaCl의 높은 결정화 속도와 표면 건조 효과에 기인한 것으로 판단된다. NaCl은 상대적으로 낮은 흡습성으로 인해 과량 살포 시 표면의 급격한 건조를 유발할 수 있으며, 이는 먼지 입자의 부착력을 저하시켜 재비산을 촉진하는 요인이 될 수 있다. Stojiljkovic et al.(2019)에 따르면, NaCl이 도로 표면에 남아 건조한 기후 조건에서 미세먼지(PM10)로 쉽게 방출될 수 있으며, 이는 제설제의 과도한 사용이 도로변 먼지 농도를 증가시킬 수 있음을 나타낸다[6].
반면, EDBC는 점토 성분의 응집 특성으로 인해 먼지 입자와 강한 결합을 형성하였다. 점토는 다공성 구조와 높은 수분 보유 능력을 통해 먼지 입자의 재비산을 억제하는 데 효과적이었다. 이러한 특성은 실험 결과에서도 확인되었으며, EDBC가 CaCl2 대비 약 1.5배, NaCl 대비 약 12.3배 낮은 먼지 농도를 유지하는 주요 요인으로 작용하였다[10]. 더불어, 점토 기반의 EDBC는 물리적 안정성뿐만 아니라 먼지 입자와의 화학적 결합을 통해 기존의 염화물 기반 억제제보다 더 지속적이고 안정적인 억제 효과를 보였다.
3.2. SEM/EDS 분석을 통한 화학적 특성 평가
SEM 및 EDS 분석 결과(Fig. 2, 3), 시료의 표면 형태와 원소 조성에서 각 처리제의 특성이 뚜렷하게 구분되었다. EDBC는 CaCl2 및 NaCl과 비교하여 표면 형태가 더 균일하고 밀도가 높은 구조를 형성하였다. 5% 농도에서 EDBC는 먼지 입자에 부착된 치밀한 구조가 확인되었으며, 30% 농도로 증가했을 때는 표면 밀도가 더 높아져 공극이 거의 사라진 것이 관찰되었다. 또한, EDS 분석 결과 EDBC에서 검출된 주요 원소(Ca, Si, Al 등)는 시료 표면에 응집성 필름을 형성하여 먼지 입자와의 강한 결합을 가능하게 한 것으로 분석되었다[3,10]. CaCl2는 높은 흡습성으로 인해 표면에 수분 함량이 많았으며, 5% 농도에서는 부분적으로 결정화된 구조가 관찰되었다. 30% 농도로 증가했을 때에는 더 큰 결정 구조가 형성되었으나, 높은 용해도로 인해 장기적인 안정성이 약화될 가능성이 있었다. 이러한 특성은 먼지 안정화 효과를 단기적으로 제공하지만, 환경적 지속 가능성에서는 한계를 보일 수 있음을 시사한다[1]. NaCl의 경우, SEM 분석에서 5% 농도에서 거칠고 불규칙한 표면 구조가 관찰되었으며, 먼지 안정화 효과는 가장 낮았다. 30% 농도로 증가했을 때 더 큰 결정체가 형성되었지만, 먼지 억제 성능은 미미하게 개선되었다. EDS 분석에서 높은 염화물 농도가 검출되었으며, 이는 도로 환경에서 중금속 용출과 같은 부정적인 영향을 미칠 가능성이 있는 것으로 나타났다[3,4]. 결과적으로, EDBC는 치밀하고 균일한 표면 구조와 먼지 안정화에 기여하는 주요 원소 조성을 통해 먼지 입자와 강한 결합을 형성하여 뛰어난 먼지 억제 성능을 나타냈다. 반면, CaCl2와 NaCl은 물리적･화학적 특성에서 제한적인 성능을 보였으며, 환경적 지속 가능성 측면에서도 단점이 확인되었다. EDS 스펙트럼 분석(Fig. 3)에서도 시료 간의 화학적 조성과 응집 특성 차이가 명확히 나타났다. EDBC 5%(A′)는 Ca, Si, Al 등 다양한 원소가 비교적 고르게 분포된 피크를 보이며, 이는 복합 응집구조 형성 및 먼지 입자와의 결합이 효과적으로 이루어졌음을 나타낸다. 반면, CaCl2 5%(B′)는 시료 표면에 먼지 성분이 많이 관찰되며, 스펙트럼 상 주요 염화칼슘 원소 Ca, Cl2 흡착이 뚜렷하지 않아 결합 효과가 제한적인 것으로 나타났다. NaCl 5%(C′)는 스펙트럼 상 주요 염화나트륨 원소 Na, Cl의 피크가 뚜렷하게 나타나지 않고, 오히려 먼지 성분 중심의 피크 분포를 보여, 실질적으로 시료와의 결합이 거의 일어나지 않았음을 나타낸다. 이는 해당 제설제가 도로먼지 입자에 물리적 흡착을 일으키는 데 있어 한계를 가짐을 의미한다. EDBC 30%(D′)는 A′보다 원소 분포가 더 뚜렷하고 다양한 피크가 균형 있게 형성되어 있으며, 이는 농도가 높아짐에 따라 응집 필름 형성이 강화되고 결합력이 더욱 향상되었음을 보여준다. CaCl2 30%(E′)는 B′ 대비 Ca, Cl2 흡착이 증가한 양상을 보였다. NaCl 30%(F′) 역시 C′대비 Na, Cl 피크가 다소 증가하였으나, 먼지 안정화에 기여하는 복합 성분의 균형적인 조성은 확인되지 않아 전반적인 결합력은 낮은 것으로 판단된다.
SEM image (A) EDBC 5%, (B) CaCl2 5%, (C) NaCl 5%, (D) EDBC 30%, (E) CaCl2 30%, (F) NaCl 30%.
EDS image (A) EDBC 5%, (B) CaCl2 5%, (C) NaCl 5%, (D) EDBC 30%, (E) CaCl2 30%, (F) NaCl 30%.; EDS spectra (A′) EDBC 5%, (B′) CaCl2 5%, (C′) NaCl 5%, (D′) EDBC 30%, (E′) CaCl2 30%, (F′) NaCl 30%.
3.3. 융빙성능 실험 결과
-3oC 및 -7oC 조건에서 5% 및 30% 농도의 NaCl, EDBC, CD 시료를 대상으로 융빙 성능 평가를 수행하였다. 융빙량 측정은 시료 살포 후 15분, 30분, 60분 간격으로 실시하였으며, 각 조건에서 3회 반복 측정을 통해 평균 융빙량을 산출하였다. 5% 농도 조건에서 -3oC에서는 EDBC가 15분 후 6.1 mL, 30분 후 6.2 mL, 60분 후 6.4 mL의 융빙량을 나타냈다. 이는 동일 조건에서 NaCl의 6.0 mL, 6.2 mL, 6.3 mL 및 CD의 5.9 mL, 6.1 mL, 6.4 mL와 비교해볼 때 가장 높은 수치를 나타냈다(Fig. 4). -7oC 조건에서도 EDBC는 15분 후 5.0 mL, 30분 후 5.1 mL, 60분 후 5.4 mL의 결과를 보였다(Fig. 5). 30% 농도에서는 모든 시료에서 융빙량이 전반적으로 증가하였다. –3oC 조건에서 EDBC는 15분, 30분, 60분 후 각각 8.1 mL, 8.2 mL, 8.5 mL의 값을 보였으며, NaCl은 8.0 mL, 8.2 mL, 8.4 mL, CD는 8.0 mL, 8.1 mL, 8.4 mL로 나타났다(Fig. 6). -7oC 조건에서도 EDBC는 15분 7.1 mL, 30분 7.2 mL, 60분 7.4 mL로, NaCl 및 CD보다 높은 융빙량을 보였다(Fig. 7).
Melting performance of NaCl, EDBC, and CD (5% concentration) at –3℃.
Melting performance of NaCl, EDBC, and CD (5% concentration) at -7℃.
Melting performance of NaCl, EDBC, and CD (30% concentration) at –3℃.
Melting performance of NaCl, EDBC, and CD (30% concentration) at –7℃.
이러한 결과는 볼 클레이를 함유한 EDBC가 -3oC 및 -7oC의 온도 조건에서도 일정 수준 이상의 융빙 성능을 발휘함을 보여주며, 제설제로서의 적용 가능성을 확보한 것으로 판단된다. 이는 본 연구에서 개발한 친환경 제설제가 실질적인 제설 효과를 갖고 있음을 나타낸다.
4. 결론
본 연구는 Ball Clay를 기반으로 한 친환경 제설제(EDBC), 염화칼슘(CaCl2), 염화나트륨(NaCl)의 비산먼지 억제 효과를 비교･분석하였다. 실험 결과, EDBC는 모든 농도 조건에서 CaCl2와 NaCl보다 월등히 낮은 먼지 농도를 유지하며, 비산먼지 억제 성능에서 가장 우수한 결과를 나타냈다. 특히, 5% 농도에서 EDBC는 평균 174.03μg/m3의 먼지 농도를 보였으며, 이는 CaCl2(405.83μg/m3)와 NaCl(1256.67μg/m3)에 비해 각각 약 1.5배, 7배 이상 낮은 수치이다. 30% 농도로 증가했을 때도 EDBC의 먼지 농도는 101.8μg/m3로 유지되어, 기존 제설제들에 비해 안정적인 억제 효과를 나타냈다.
SEM 및 EDS 분석 결과, EDBC는 점토 성분의 특성으로 인해 치밀하고 균일한 표면 구조를 형성하였으며, 먼지 입자와 강한 물리적･화학적 결합을 이루었다. 이는 EDBC의 다공성 구조와 높은 수분 보유 능력에 기인하며, 먼지의 재비산을 효과적으로 억제하는 주요 요인으로 확인되었다. 반면, CaCl2는 흡습성을 통해 먼지 안정화에 기여하였으나, 염화이온 침출로 인한 환경적 위험성과 습한 조건에서 표면 안정성이 약화될 가능성이 있었다. NaCl은 결합력이 상대적으로 낮아 먼지 억제 성능이 가장 저조했으며, 도로변에서 축적될 경우 중금속 용출과 같은 환경적 문제를 야기할 가능성이 있었다.
결론적으로, EDBC는 환경적 지속 가능성과 먼지 억제 성능에서 기존의 염화물 기반 제설제를 대체할 수 있는 효과적인 친환경 제설제로 평가된다. 점토 기반의 특성은 먼지 입자와의 결합력을 강화하고 재비산을 억제함으로써 도로 비산먼지 문제를 해결하는 데 실질적인 대안을 제시한다. 따라서, 본 연구는 EDBC를 활용한 제설제가 환경오염을 최소화하면서도 효율적인 먼지 억제 효과를 제공할 수 있음을 보여주며, 다양한 현장 조건에 따른 추가적인 연구와 적용 가능성 평가가 필요하다.
Notes
Acknowledgement
본 연구는 ㈜제일트레이딩의 지원으로 수행되었습니다. 이에 깊은 감사드립니다.
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.