연구결과서 팀명 연구주제 지도교사 The Spring Pool 달걀껍질분말을이용한현지맞춤형비소제거시스템 이주문 학생 1. 김상훈 2. 김동옥
목차 1. 제안주제 2. 실험방법및절차 연구동기 선행연구및목적 예측결과및장점 3. 실험결과및논의 기초실험 심화실험 4. 결론 현지에가장적합한 가가지는의미 5. 제언 사회적파급효과 2
2015, 현지봉사 캄보디아 비소위험지역분포도 비소 캄보디아인구의 병원균 WHO 비소기준 10μg/L 초과 1. 제안주제 : 연구동기 78% 위험 전세계 70 개이상국가의 1 억 3700 만명정도의사람들이물안의비소로인해고통받음 각화증과여러부분에서의암유발. 심하면죽음 현지봉사사진 전세계의 8 억명위험 박테리아, 바이러스, 기생충등전부포함 수질오염과수인성질병의가장대표적인원인 해결하기에는개발도상국및제 3 세계에서감당하기에큰비용요구 3
PES 를통한비소제거 1. 제안주제 : 선행연구및목적 Arsenic Biosand Filter PES : 달걀껍질분말 못 폴리에스테르옷 3 분저어주고, 18 시간후에흡착율을측정 실험을위해비소만포함시킨용액을사용 실제 PES 적용방안등현실적고려가부족 독성이더강한 3 가비소에대한실험부재 못이산화된후의산화철과비소의흡착작용을이용 인의특징으로인해비소의효과적인흡착을방해 비소제거효율급감 캄보디아빈민마을원수분석 (2015년) 성분 농도 0.8mgC/L TN 0.1mgN/L 비소 10.5μg/L 인 비소흡착의주요한영향인인의농도증가하여부영양화등문제발생 인은전세계수질오염의대표적인원인으로지목 인,,TN 을포함한원수로실험하는것이필요함
EBF (Eggshell Biosand Filter) 1. 제안주제 : 예측결과및장점 PES : 계란껍질분말 계란껍질의높은경제성과접근성 적정기술의의미에부합 PES 의뛰어난비소흡착율과 현지적용가능성 비소흡착의주요방해요인인인에 대한 PES 의뛰어난흡착율 본연구는비소제거가가능한현지맞춤형정수시스템을만드는데독창적인방법을도입. 비소는수질문제의가장대표적인원인인데, 비소제거를위해 PES 를쓰는것은제대로연구가이루어지지않음. 또한이러한 PES 를이용한식수를만들어낼수있는시스템에대한연구는더더욱부재! 유리콜룸을이용한비소제거율및실용성극대화 매우값싼 BSF 를통한식수생산 5
PES 제작 PES 를이용한흡착실험 BSF 실험 2. 실험방법및절차 [1] 껍질세척및이물질제거 [ 비커에서의평형상태의용액실험 ] BSF [2] 분쇄기 / 유발을통한분쇄 [ 유리콜룸실험 ] 유발 분쇄기 PES [3] 체를이용한크기분류 A: 68~75 μm B: 75~100 μm C: 100~125 μm D: 125~150 μm 현지에맞춘용액농도자료참조비소 1mg/L: 가장빈번 + 치명적인농도인 1mg/L: 비소검출지역의평균농도 20~5mg/L: 존재가능한넓은범위 TN 5~1mg/L: 존재가능한넓은범위 ~7 월 : 학교원수이용해서 Biofilm 키우고, 7 월 2 일흙갈아주기 7 월 6 일 ~7 월 11 일 :B 용액사용 (: 10mg/L, TN: 2mg/L) 7 월 12 일 ~7 월 18 일 :A 용액사용 (: 5mg/L, TN: 1mg/L) 7월 18일 ~7월 20일 :C용액사용 (: 20mg/L, TN: 5mg/L) 6
PES 의비소흡착제로서의가능성확인 실험목적 선행연구의검증 : PES 가비소흡착제로사용이가능한지확인 선행연구에서채택한방식이현지적용성이높은지검증 실험세팅 3. 실험결과및논의 : 기초실험 ( 고정변인 ) PES 크기 : A (63~75μm) / 비소용액의양 : 120ml / 비소농도 : 1mg/L ( 조작변인 ) PES 의양 : 1g, 2g, 6g, 14g 실험결과 1. 2 10 2 mg/g 0. 3 10 2 mg/g 1. 단위흡착량은조건에따라 4배까지크게변화 2. 예측과달리, 흡착제의양이적은편이단위흡착량이더높음! 3. 비커내에 PES가가라앉았을때, 경계면에서만흡착이이루어지고그내부에서는이루어지지않아일어나는것으로예상 4. 즉, 더많은비소제거위해 PES 양늘려도, 단순흡착율은높아져도단위흡착량이현저하게줄어들어큰경제적손실! 이러한방식이외의대안이필요! 5. 충분한비소흡착위해긴시간필요 현지적용가능성낮음 7
PES 의흡착등온선을통한효율검증 실험목적 실험세팅 3. 실험결과및논의 : 기초실험 선행연구에서사용된 5 가비소의유리콜룸에서의흡착확인 유리콜룸의효율을검증하여추후 3 가비소실험의기초다짐 ( 고정변인 ) PES 의크기와양 : 1g, C (100~125μm) / 용액의양 : 50ml ( 조작변인 ) 농도 : 0.5, 1, 2, 4, 8 (mg/l) 실험결과 Langmuir ( 랭뮤어 ) Freundlich ( 프로인드리히 ) q max (mg/g) K L (L/mg) R 2 1/n K f (L/mg) R 2 추가실험 PES 6g 에 C, D 사이즈, 비소 1mg/L 의 50ml 용액 : 실험진행후비소無! 0.028 0.858 0.954 3.21*10 5 0.552 0.9491 Langmuir model Freundlich model 250 200 150 100 50 0 R² = 0.954 0 1 2 3 4 5-6 -3-2 -1 0 1 2 3-3.5-4 -4.5-5 -5.5 R² = 0.9491 8
3. 실험결과및논의 : 심화실험 유리콜룸내에서의 PES 비소흡착능력확인 실험목적 유리콜룸에서비소흡착에영향을주는요인들을찾기위해다양한변인들에따라실험을진행 다양한변인 (1) 반복실험횟수 (2) 비소용액초기농도 (3) PES 양 (4) PES 입도크기 (5) PES 세척건조유무 [ 실험 1] 반복실험횟수별비소제거백분율 실험세팅 ( 고정변인 ) PES 크기와양 : C~D (75~150μm), 5g / 비소용액의양 : 70ml 비소농도 : 20mg/L / ph: 7.6 똑같은 PES 에비소용액을총 5 번통과 실험결과 1. 첫번째통과실험에서총제거된비소양의 80% 에가까운양의비소가흡착. 2. 효과적인흡착을위해서반복하여물을넣어줄필요가없으며, 시간도단축되어높은효율을보여줌.
유리콜룸내에서의 PES 비소흡착능력확인 [ 실험 2] 비소초기농도에따른단위분말당비소제거량 실험세팅 실험결과 3. 실험결과및논의 : 심화실험 ( 고정변인 ) PES 크기와양 : B~D (75~150μm), 5g / 비소용액의양 : 70ml / ph: 7.6 ( 조작변인 ) 비소농도 : 1mg/L, 10mg/L, 20mg/L 1. 비소용액의초기농도가높을수록단위분말당비소흡착율이증가함. 2. 이는비소용액의농도가높을수록용액내의비소입자의밀도가높아져서 PES 입자와접촉할확률이높아지기때문이라고판단. 흡착제로서기본적인특징을지님
유리콜룸내에서의 PES 비소흡착능력확인 [ 실험 3] PES 양에따른단위분말당비소제거량 실험세팅 실험결과 1. PES 의양이많을수록단위흡착량까지증가. 2. 유리콜룸실험에서 PES 의양이많아지면, 그높이도높아지기때문에비소용액이 PES 와접촉할시간도길어지기때문이라고판단. 3. 더많은양의비소흡착을위해서는 PES 의양을늘려주면될것. 4. 이는, PES 의양이많아질수록단위흡착량이감소하여비경제적이었던평형실험과반대되는결과를보임 << 경제적인유리콜룸속 PES>> 3. 실험결과및논의 : 심화실험 ( 고정변인 ) PES 크기 : C (100~125μm) / 비소용액의양 : 50ml / 비소농도 : 1mg/L / ph: 7.6 ( 조작변인 ) PES 의양 : 1g, 2g, 3g, 6g
유리콜룸내에서의 PES 비소흡착능력확인 [ 실험 4] PES 입도크기에따른단위분말당비소제거량 실험세팅 실험결과 3. 실험결과및논의 : 심화실험 ( 고정변인 ) PES 의양 : 3g / 비소용액의양 : 50ml / 비소농도 : 1mg/L / ph: 7.6 ( 조작변인 ) PES 의크기 : B (75~100μm), C (100~125μm), D (125~150μm) 1. 입도크기가클수록단위분말당비소제거량이감소 곱게빻아주자! 2. 이는 PES 의크기가작을수록표면적이증가하여비소입자와접촉할확률이증가하기때문이라고판단. B C D B 사이즈분말 SEM 사진 C 사이즈분말 SEM 사진
유리콜룸내에서의 PES 비소흡착능력확인 [ 실험 5] PES 세척 / 건조유무에따른단위분말당비소제거량 실험세팅 실험결과 1. 세척 / 건조한 PES 는더작은단위분말당비소흡착율을보였다. 2. 껍질의세척 / 건조과정에서물및온도의영향을받았을가능성이있음 3. 실험결과및논의 : 심화실험 ( 고정변인 ) PES 의크기, 양 : C (100~125μm), 3g / 비소용액의양 : 50ml / 비소농도 : 1mg/L / ph: 7.6 ( 조작변인 ) 세척 / 건조여부 흰막과다른이물질의철저한제거를위해서계란껍질을증류수에불린후, 막을제거함. 그후, 50 C 의건조기에 12 시간건조시킴. 원소 단위 조성 Not-Washed Washed Ca 0.397 0.369 Al 0.000349 0.000135 Fe 0.00124 0.000262 Na g/g 0.00148 0.0011 Mg 0.0036 0.00343 K 0.000476 0.000269 Cu 0.0000632 0.00000817 Fe 는 1/5 로감소
또는 TN 의농도 (mg/l) BSF 정화능력실험 기초실험 (6/26 진행 ) 학교연못물 After BSF 정화 TN TN 32.3mg/L 1.82mg/L 5.2mg/L 0.27mg/L 연못 3. 실험결과및논의 : 심화실험 실험세팅 날짜 용액명칭 농도 7/2 BSF의최상위모래를갈아주기 7/6~7/11 B용액 : 10mg/L, TN: 2mg/L 7/12~7/18 A용액 : 5mg/L, TN: 1mg/L 7/18~7/20 C용액 : 20mg/L, TN: 5mg/L 실험결과 20 C 용액 대체적으로 는 1mg/L TN 은 0mg/L 까지감소했기에, 물이 BSF 를거치고나서남은 1mg/L 가 PES 의비소흡착에주는영향에대한탐구필요! 15 10 5 0 B 용액 TN A 용액 6 8 10 12 14 16 18 20 날짜 (7 월 ) 넣어준물 () 나온물 () 넣어준물 (TN) 나온물 (TN)
3. 실험결과및논의 : 심화실험 용액의 PES 의비소흡착에대한방해확인 실험목적 어느물에서나존재하는유기물 () 이 PES 의비소흡착에어느정도로방해하는지확인 ( 평형상태에서충분한시간이주어졌을때, 의영향을확인 ) 실험세팅 ( 고정변인 ) PES 크기와양 : A (63~75μm), 6g / 비소용액의양 : 120ml / 비소농도 : 1mg/L ( 조작변인 ) 용액에서의 유무 ( 의농도 : 1ppm) 실험결과 1. 의유무 (1mg/L) 는흡착능력에영향 X 2. 즉 BSF 를통해서 의농도가감소된물은, PES 의비소흡착에아무런영향을주지못함 3. 유기물은비소흡착에영향을주지못할 뿐더러, EBF 가매우효과적이라는것을입증해주는데이터 15
인의 PES 의비소흡착에대한방해확인 실험목적 비소흡착의가장큰방해요인인, 인에대한 PES 의비소흡착에대한방해확인 실험이가지는의미 3. 실험결과및논의 : 심화실험 ( 출처 : Importance of evaluating phosphate levels in tubewells in high arsenic areas of Asia) The (Kanchan) filter was relatively ineffective in treating arsenic contaminated groundwater and effluent arsenic concentrations were between 0.074 and 2.206mg/L, which is higher than accepted drinking water standards. The overall average arsenic removal was 39.4, 74.9, and 45.4%, respectively, and the extent of arsenic removal was not related to the influent arsenic concentration. The main reasons for poor arsenic removal was due to the combination of high influent P (> 0.5 mg L(-1)) 실험세팅 ( 출처 : http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19746728) ( 고정변인 ) PES 양 : 6g / 용액의양 : 50ml / 비소와인농도 : 1mg/L ( 조작변인 ) PES 크기 : B (75~100μm), C (100~125μm), D (125~150μm) flow rate (B, C, D 를 0.5ml/min 으로맞추고, D 에대해따로 0.25ml/min 인실험추가 ) 16
흡착율 인의 PES 의비소흡착에대한방해확인 3. 실험결과및논의 : 심화실험 실험결과 산화철흡착제의비소흡착이인에의해매우크게방해를받는것과상반되는결과 1. 비소와인의흡착율이매우높다! 2. 인을넣어도비소에대한단위흡착량의변화 X 비소에대한단위흡착량의변화 X 인, 비소거의일치 3. 비소와인에대한단위흡착량거의일치 비소와인모두가 PES 에흡착이잘된다! 17
실질적인수질상황에완벽히적합한 EBF PO 4 3 TN 1mg/L: 가장빈번하면서인체에매우치명적인비소의농도 1mg/L: 높은농도의비소검출지역에서의평균인농도 20~5mg/L: 원수에존재할수있는다양한 농도 1~5mg/L: 비소최대검출지역에서존재하는 TN 농도 ( 메콩강유역의 TN 최대치약 0.8mg/L, 중국의지하수 5mg/L) PO 4 3 PO 4 3 PO 4 3 TN PO 4 3 PO 4 3 PES로인한 PH변화 As 1mg/L 용액 : 7.22 7.39 As + P 1mg/L 용액 : 7.04 7.53 1mg/L: 가장빈번하면서인체에매우치명적인비소의농도 PO 4 3 TN 1mg/L: 높은농도의비소검출지역에서의평균인농도 1mg/L: BSF 통과한물의 농도 ( 수질기준만족 ) 0mg/L: BSF 통과한물의 TN 농도
현지에가장적합한 EBF 구상 4. 결론 : 현지에가장적합한 EBF 콜룸 > 평형조건 효율적인흡착에필요한시간단축 기존의 BSF 시스템에단순히추가할수있어경제적임 콜룸의위치 PES : 계란껍질분말 와 TN 등비소흡착에대한방해가능요소를제거하여, 최대효과의비소흡착을할수있도록함. 인이외의물질은결정적인비소흡착의방해요인은아니지만, 이외물질들의방해의가능성까지고려 3 가비소의제거 지하수와우물물의비소성분의 73%~100% 가더치명적인 3 가비소로이루어짐 기존의흡착제에비하여 5 가비소뿐만아니라 3 가비소의흡착까지매우효과적 PES 의양 ( 산술적계산결과 ) 개발도상국 4 인가정하루식수양 5L 기준으로했을때, 1ppm 의비소오염수를식수기준 10μm/L 로만들기위해서필요한 PES 의양은단 660g PO 4 3 PO 4 3 19
4. 결론 : EBF 가가지는의미 계란껍질 : 구하기쉬움 $20~$30 의저렴한가격 경제성 시스템의지속성 매우훌륭한비소제거능력 뛰어난 3 가비소흡착 WHO 기준 10ppb 효율성 필요성 방해 X 인방해 X 인흡착율 / 인 /TN 을포함한실제원수 실용성 현실적용가능성 20
5. 제언 : 사회적파급효과 사회적파급효과 건강상태증진 비소중독과병원균에고통받는전세계의 8 억명의사람들을살릴수있다. 여성의사회적지위, 경제적여건 안전한식수 각화증으로인한외모손상으로사회적으로배척된여성들의지위를향상시킬수있다. 환경문제완화 쓸모가없다고생각되는대량의계란껍질의새로운기능발견으로, 환경문제를완화시킨다. 연구의응용가능성 비소제거 인제거 EBF 의활용 비소제거 - 농업용수로서의활용 비소가포함된물을농업용수로쓸경우, 농업생산량 캄보디아등농업생산국의매우큰경제적타격 인제거 - 부영양화방지 국내외로심각한인에의한수질오염및부영양화방지 해안지방에서의비소제거통한식수제조 계란껍질대신해안의특징을살린새우껍질활용 새우분말사진넣기 6g 의입도 300μm 분말, 비소 1mg/L 의 50ml 용액 : 97% 흡착!