14 회화학탐구프런티어페스티벌제안서 팀명 : 뽀송해조 ( 소속고교, 성명등개인정보는기재를금합니다 ) 탐구주제 : 홍조류도박을이용한제습공기정화장치 노리볼 1. 탐구동기오늘날스모그, 황사등이심해지면서그결과로미세먼지문제또한우리에게위협을가하고있다. 특히, 우리나라에서는 2017년 1분기미세먼지주의보가 86회나발령될정도로미세먼지문제는점점심각해지고있으며, 앞으로미세먼지농도가더높아지게될것으로전망된다. 이러한미세먼지문제에대응하여여러미세먼지제거방법이제시되었으나, 비용측면의문제가많은실정이다. 실제로, 공기정화제품에사용되는미세먼지제거필터나미세먼지흡착물질들은높은가격으로사용및교체를자주하지못하며, 대다수가재사용이어렵거나처리과정이복잡하다. 우리는이러한단점을해결하기위하여버려지는자원을활용하기로하였다. 그과정에서 도박 이라는홍조류에대해알게되었다. 도박 (Grateloupia elliptica) 은홍조류지누아리과의해조로건축에서는 해조풀 또는 도박풀 이라는이름으로전통마감재로종종사용되고있었다. 하지만도박은식용으로사용하지않고, 도박풀또한합성풀로거의대체되어특별한용도가없이계속버려지고도박의모습있었다. 그러므로우리는유용한도박의특징들을활용하여, 가정등에서간편하게미세먼지흡착기능및제습기능을동시에수행할수있는장치인일명 노리볼 (Elliptica Ball) 을제작하고자한다. ( 노리 는도박의다른이름이다.) 2. 탐구목적본연구에서는첫번째로도박의성질들을검증할것이다. 도박추출물의성분을분석하여점성등의원인을찾고, 사전연구조사를통하여추론한미세먼지흡착기능과제습기능을기존에사용되던물질과의비교를통하여검증할것이다. 두번째로는도박추출물을 gel화하여제습공기정화장치인 노리볼 을제작할것이다. 세번째로는실제로제작한 노리볼 의미세먼지흡착효과와제습효과를확인하고, 재사용시효율을측정할것이다. 도박은생존력및생장속도가우수한해조류로대량재배에유리하고, 현재버려지는물질이므로저가로미세먼지흡착및제습기능을동시에제공하며, 친환경적으로장치를제작, 사용및재사용할수있을것이다. 궁극적으로는 노리볼 제작을통하여기존미세먼지흡착물질의비용문제, 재사용문제를개선하고, 친환경적으로기존보다제습과같은더많은기능을효과적으로수행하는것을목적으로한다. 1 뽀송해조
3. 탐구내용및방법 [ 탐구 I] 도박의기초성질탐구 1. 사전연구조사도박에대한사전연구조사에따르면, 도박은몇가지의유용한특징을가지고있다. 첫번째로, 사전연구에따르면도박은끓는물을이용해추출했을때미역, 다시마와같은다른해조류보다 600배이상의점도를가진다. 우리는이것이도박에포함된다당류가다른해조류와는달리점도를크게증가시키고, 그양도다른해조류보다많기때문이라고추측하였다. 또한도박에포함된다당류성분을분석한결과 D-galactose, 3,6-anhydro-D-galactose, sulfate 등이포함되어있었다. 우리는이를바탕으로도박에는점도를나타내는다당류중아가로펙틴또는카라기난등이포함되어있으며도박추출물에녹아역할을발휘할것이라생각하였다. 그리고이러한다당류는그물 (network) 구조를가지고, 점성과수팽윤성등이우수하여미세먼지를흡착하는데효과적이므로도박은미세먼지를제거하는효과가있을것으로예상된다. 실제로수중생물에서점성을나타내는것은대다수가단백질또는당류에의한것이므로두성분에대한검출실험을수행한다. 두번째로, 물을흡수하거나수분을빨아들이는능력이탁월하다. 이는대부분해조류의특징으로, 자신이마르거나건조한경우수분을쉽게빨아들인다. 또한주변환경이건조하거나햇빛에노출되면수분을내보내므로다시건조시켜재사용할수있다는장점이있다. 2. 도박추출물의성분분석가. 도박 20g을끓는 500mL 물에넣고잘저어주면서 40분끓인다. 결과물을도박추출물이라한다. 나. 도박추출물의탄수화물분석 1 포도당표준용액을이용하여 standard curve를구한다. 2 도박추출물에 2.5N HCl을가하고 100 에서 3시간동안가열하여얻은용액을이용하여 phenol-sulphuric acid method로분석하고, standard curve를이용하여함량을계산한다. 다. 도박추출물의단백질분석 1 Bovine γ-globulin 표준용액을이용하여 standard curve를구한다. 2 도박추출물을 phosphate buffered saline(pbs) 으로 100배희석한다. 3 595nm에서희석액의흡광도를측정한후 standard curve를이용하여농도를계산한다. 3. 도박추출물의미세먼지흡착효과확인가. 미세먼지발생 chamber 제작미세먼지발생을위해먼지가지속적으로부유할수있는 chamber를제작한다. 이 chamber가갖춰야할조건및제작도는아래와같다. - 내부상황을관찰하여야하므로투명아크릴판을사용한다. - chamber의중심에탐구할물질을놓을공간을마련하고, 추후실험에서사용될수있도록뚜껑아래에고리 (hook) 를만든다. - 공기분자의움직임을일으키기위해 chamber의벽면에송풍기를설치한다. - 내부에넣고뺄수있는아크릴판인 plate를제작해 powder 분자를 plate 위에올린뒤실험할수있도록만든다. 2 뽀송해조
chamber 제작도 chamber 윗모습 plate와송풍기 나. 미세먼지흡착효과확인 도박 추출물이 미세먼지를 흡착한다는 가설을 확인하기 위하여 합성풀인 PVA(Polyvinyl Alcohol) 와비교하여미세먼지흡착정도를측정한다. 미세먼지모델링 분자는 MgSO Anhydrous를사용하였다. MgSO 를선정한이유는평균입자크기가 10.5μm정도로미세먼지의종류중하나인 PM10 ( 약 10μm ) 와크기가유사하고, 미세먼 지의대부분이황산염이나질산염이라는점에서성분이유사하기때문이다. 1 도박추출물, 합성풀 10g을각각의페트리접시에넣는다. 2 도박추출물페트리접시, 합성풀페트리접시, 물질이없는페트리접시에각각 MgSO 0.2g을골고루뿌리고, chamber에넣어송풍기를 10분동안작동시킨다. 3 페트리접시를 200mL의물에담가 MgSO 을완전히녹이고잘저어준다. 4 용액 50mL을취하여 ph 10 buffer을 5mL 넣고, Eriochrome Black T 지시약 (0.2g을 15mL triethanolamine, 5mL 에탄올에녹인상태 ) 을몇방울떨어뜨린후, 0.01M EDTA로적정한다. 적정이잘되지않으면 EDTA 농도등을변경한다. 이를통해 Mg 의농도를구하여흡착효과를비교한다. 4. 도박추출물의제습효과확인도박추출물의제습효과실용성을확인하기위해 CaCl 과비교하여제습효과를확인한다. 1 도박추출물 5g, CaCl 5g을각각의페트리접시에넣는다. 2 도박추출물페트리접시, CaCl 페트리접시, 물질이없는페트리접시를다른항온항습기에넣고 90%RH로 12시간동안유지하여증가한질량과흡습량을측정및비교한다. [ 탐구 II] 제습공기정화장치 노리볼 제작 1. 최적의 노리볼 비율탐색도박을끓이면점성이있는물질이만들어지지만완전한고형화또는 gel화가되지않고흘러내려장치로만들기에무리가있을것으로생각된다. 고로우리는 gel strength를높여주는 agarose를첨가하여상온에서쉽게모양이변형및파손되지않는 gel 상태를만들고자한다. 이때도박과 agarose, 물의최적의비율을찾는다. 1 도박 20g을끓는 500mL 물에넣고 40분끓인다. 2 1에서얻은도박추출물을물과 2:1, 1:1, 1:2의비율로총부피 100mL 가되도록만들고, 각각의비율에대하여 agarose 1g을넣고상온에서동일한육면체틀에넣고굳힌다. 3 뽀송해조
3 틀에서조심스럽게기울이며빼내면서흐르지않음을확인하고, 육면체의 gel에 10g의추를올려놓고 gel이파손되는지확인한다. 4 첨가하는 agarose의양, 도박의양, 추출하는시간, 물과도박의비율등을실험을관찰하며변경하여추가실험하며파손되지않고, 점성을유지하는최적의비율을탐색한다. 2. 노리볼 제작우리가만들고자하는제습공기정화장치 노리볼 은공기와의표면적을증대시키면서일상생활내에서사용할수있도록큰부피를차지하지않아야한다. 그러므로우리는생물체내에서표면적이넓은구조를가진폐포에서장치의아이디어를착안하였다. 즉작은구모양으로 gel 형태의도박추출물, 즉 노리볼 을제작하고그것들을망등에넣어사용할것이다. 폐포의구조망에담긴노리볼위와같은형태의 노리볼 은바닥을제외한모든방향으로공기와접촉할수있고표면적이극대화되므로미세먼지흡착및제습효과를발휘하기에최적화된구조라할수있다. 노리볼 장치및대조군제작은아래와같은과정을거친다. 1 Agarose 와혼합하여끓인도박추출물을지름 1cm의구형 mold 에붓고상온에서굳힌다. 2 1에서의도박추출물없이동일한양의물을 Agarose와혼합하여끓인후, 동일한 mold에붓고상온에서굳힌다. 3 1에서만든 노리볼 15개를망안에넣는다. ( 이를 노리볼 장치라한다.) 4 2에서얻은구 15개를다른망안에넣는다. ( 대조군 ) 5 각각을항온항습기에서 10%RH, 25 로 12시간유지해건조한상태로만든다. [ 탐구 III] 노리볼 의효과및재사용성탐구 1. 미세먼지흡착효과탐구가. 노리볼 장치를 I에서만든 chamber에넣고, 1g의 MgSO 를송풍기중간부분의칸에올린후, 송풍기를 1시간동안작동하여이동하는부유먼지를발생시킨다. 나. 노리볼 장치를 200mL 물에넣고 MgSO 를모두녹인후, I와같은방법의 EDTA 적정으로 Mg 의농도를구하여미세먼지를얼마나흡착하였는지효과를계산한다. 다. 대조군에대하여 1~2를반복하고비교한다. 2. 제습효과탐구가. 항습상태에서의제습효과탐구 1 노리볼 장치를상대습도를 90%RH의항온항습기에서 12시간순응시킨후장치의질량을측정하여흡습량을계산한다. 2 대조군에대하여 1을반복하고비교한다. 4 뽀송해조
나. 비항습상태에서의제습효과탐구 1 노리볼 장치를항온항습기의초기상대습도가 90%RH인항온항습기에넣고항온항습기를멈춘다. 이후 MBL 습도측정기를이용하여 6시간동안상대습도변화를관찰한다. 2 대조군에대해 1을반복하고비교한다. 3 물질이없는항온항습기의상대습도를 90% 로변경하고멈춘뒤동일한방법으로 6시간동안상대습도변화를관찰하여제습효과를계산한다. 3. 재사용성확인가. 흡착한미세먼지의제거를위하여항온수조를이용하여 30도의증류수에장치를 30 분담그고, 흐르는증류수로씻는다. 나. 제습한수분의제거를위하여항온항습기에서 10%RH 조건으로 12시간순응시킨다. 다. 재사용되는장치에대하여미세먼지흡착효과, 제습효과실험을수행한다. 라. 계속재사용하여 노리볼 의효과가처음흡착량또는제습량의 30% 이하가될때까지의횟수를센다. 4. 예상되는결과이연구에서는친환경적으로제습및공기정화기능을수행하여, 기존물질과비슷하거나더좋은효과를발휘하는 노리볼 을제작할수있을것이다. 노리볼 은구형의단위체만을제작하면되며, 만드는과정및재사용과정이간편하여기존제품보다접근성과지속성이뛰어나다는장점이있다. 특히, 버려지는물질인도박을활용하였으며, 도박의재배도가능하다는점에서저가의장치를제공할수있으므로사용및교체에자유로워제습및공기정화장치의경제적문제를해결할것으로기대된다. 1. 도박은점성을나타낼수있는당류를다량포함할것이다. 이것은산업적으로특정다당류를이용하거나, 노리볼 을대량생산할때구체적인데이터를확보할수있게한다. 2. 도박추출물과합성풀인 PVA의미세먼지흡착효과를비교할때도박추출물이더많은미세먼지를흡착할수있을것이다. 또한도박추출물과제습제인 CaCl 의제습효과를비교할때도박추출물이 CaCl 와비슷한수분을흡수하는효과를가질것이다. 3. 도박추출물과 Agarose를섞을때도박추출물의비율이높아질수록점도가높아지고, Agarose를많이넣을수록 gel strength가높아질것이다. 4. 만든 노리볼 은미세먼지흡착과제습에있어큰효과를나타낼것이며, 여러번재사용가능할것이다. < 제안서작성시유의해야할사항입니다.> 평가기준 독창성 : 기존지식의통합이나재구성이아닌새로운패러다임의내용인가? 과학적가치 : 제안된과제는과학적가치가있는가? 과학적근거 : 제안된과제는실현가능성이있는가? 유의사항 1. 제안서내용은 A4 용지 4~5 매이내로작성 ( 초과하지않도록정리합니다 ) 2. 2~3 개월이내에완료할수있는탐구과제를설정제안 3. 탐구과제제안은 4 월 30 일 ( 일요일 ) 18:00 까지화탐홈페이지에업로드 ( 온라인접수만합니다 ) * 접수마감일은접속자폭주로업로드가지연될수있으니, 마감시간이내에업로드요망 (18:00 이후시스템에서자동업로드차단됨 ) 5 뽀송해조
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