작품번호 효율적인냄새제거장치를위한 에스터제거방안탐구 출품분야학생부출품부문화학. 2016. 5. 10 구분성명 출품자 지도교사

표목차 [ 표 1] 냄새제거방법분석 2 [ 표 2] 연구일정 3 [ 표 3] 연구과제 4 [ 표 4] 실험계획 13 [ 표 5] 농도에따른물과인산의양 ( 단, 위표는소수둘째자리에서반올림하였음 ) 16 [ 표 8] 촉매제의농도에따른에스터의가수분해되기까지의시간 17 [ 표 9] 촉매제의온도에따른에스터의가수분해되기까지의시간 18 [ 표 10] 촉매제의종류에스터의가수분해되기까지의평균시간 22 [ 표 11] 냄새제거장치과학적, 공학적원리 27 그림목차 [ 그림 1] 냄새확산실험준비물 5 [ 그림 2] BTB 용액검증실험 6 [ 그림 3] 암모니아수확산전에 BTB 용액변화 6 [ 그림 4] 암모니아수확산후에 BTB 용액변화 6 [ 그림 5] 에스터제작준비물 8 [ 그림 6] 에스터중탕모습 8 [ 그림 7] 중탕한에스터냉각처리 8 [ 그림 8] 아두이노 UNO 10 [ 그림 9] 가수분해시간측정장치컴퓨터에연결 11 [ 그림 10] 가수분해실험준비 11 [ 그림 11] 가수분해속도데이터측정 11 [ 그림 12] 가수분해시간측정장치코드 11 [ 그림 13] 실시간 PH 측정장치연결 12 [ 그림 14] 물방울수에따라 PH 측정 12 [ 그림 15] 실시간 PH 측정 12 [ 그림 16] 실시간 PH 측정장치코드 12 [ 그림 17] 에스터가수분해 BTB 용액검증결과 15 [ 그림 18] 서로다른온도의염산 ( 촉매제 ) 18 [ 그림 19] 염산 ( 촉매제 ) 의온도에따른가수분해실험 18 [ 그림 20] 실시간 PH 측정아두이노실험장치 19 [ 그림 21] 전체용액 ( 촉매제 ) 의 PH 농도비교 20 [ 그림 22] 전체용액 ( 촉매제 ) 에따른에스터가수분해시간 20 [ 그림 23] 에스터의가수분해검증실험 21 [ 그림 24] 에스터의가수분해시간 ( 염기성 ) 21 [ 그림 25] 에스터의가수분해시간 ( 산성 ) 21 [ 그림 26] 에스터의가수분해시간 ( 강산, 강염기 ) 22 [ 그림 27] 에스터의가수분해시간 ( 약산, 약염기 ) 22

[ 그림 28] 압력에따른에스터가수분해실험준비물 23 [ 그림 29] 아세트산의확산 24 [ 그림 30] 압력이있게가수분해한에스터의확산 24 [ 그림 31] 압력이없게가수분해한에스터의확산 24 [ 그림 32] 냄새제거프로세서 26 [ 그림 33] 냄새제거장치초기구상도 27 [ 그림 34] 유입용팬제작 28 [ 그림 35] 중탕냄비에넣은 3구플라스크 29 [ 그림 36] 디스틸링칼럼을이용한기체및액체분리장치 29 [ 그림 37] 페퍼민트를넣은배출용팬 29 [ 그림 38] 냄새제거장치 30 [ 그림 39] 향을이용한순환검증실험 30 [ 그림 40] 냄새제거장치장치검증실험 30 [ 그림 41] 유입공기와배출공기의 PH 측정결과 30 [ 그림 42] BTB 용액을이용한냄새제거장치검증결과 31

1) 위키백과, https://ko.wikipedia.org/wiki/%ed%9b%84%ea%b0%81-1 -

과학적원리실생활적용예장점단점 제균, 항균 숯과같은다공성물질, 동전, 음식물찌꺼기제거, 소독 공기청정기 ( 필터 ) 대부분의냄새의원인인유기물냄새의원인을제거할수있음. 필터에따라제균 - 항균, 화학적제거등복합적으로냄새를제거할수있음. 세균을완벽히제거하기가어려워냄새제거효과가떨어짐. 환경오염. 교체필요, 필터에성능차이큼. 냄새유발물질 물리적제거 환기, 닦아내기간단하다. 즉각적이다. 공기청정기 ( 필터 ) 간편함, 순환식냄새제거장치 눈에보이지않는냄새원인을찾기힘들수있다. 교체필요, 필터따라성능차이큼. 순환장치필요 중화반응 베이킹소다 싸고, 안전하고간편하다, 탈취효과뛰어남. 미세먼지와같은염기성냄새유발물질제거안됨, 침전물발생, 에스터제거안됨. 가수분해 없음 에스터, 에스터결합화합물을화학적으로완벽히제거함으로근본적인냄새를제거. 가열식냄새제거장치고안가능. 물과함께가열해야하기때문에별도의가열장치필요. 연소초에불키기 2) 싸고간편하다. 섬유탈취제간편함. 화재의위험, 냉장고와같은폐쇄형장치에사용불가, 냄새를완벽히제거어려움. 일시적, 강한산화력이있어건강에해로울수있음. 흡착, 결합 식물성탈취성분 ( 후라보노이드, 카테킨 ) 3) 천연물질, 향이좋음. 해롭지않음. 일시적, 가공이어려움. 강한향으로 덮기 공기청정기 ( 필터 ) 간편함. 금속이용 ( 동파이프, 동전 ) 4)5) 간편함. 향수 간편함. 원하는향을내개할수있음. [ 표 1] 냄새제거방법분석 교체필요, 필터에성능차이큼. 효과가제한적이고, 완벽하게제거하지못함. 일시적, 냄새를없애는것이아니라더강한향으로덮음. 2) 제 57 회전국과학전람회, 초의조건변화에따른발기와냄새제거에관한연구 3) 제 58 회전국과학전람회, 발냄새원인균에대한박하의항균효과탐구 4) 제 36 회전국과학전람회. 동파이프를이용한냉장고안의냄새제거 5) 제 45 회전국과학전람회, 원화동전으로냉장고속의냄새를없앨수있을까? - 2 -

절차시기 5 월 6 월 7 월 8 월 9 월 10 월 11 월 12 월 1 월 2 월 3 월 4 월 5 월 1 차실험실시 1 차제작 1 차수정 작품재설계 2 차추가실험 작품수정 3 차추가실험 [ 표 2] 연구일정 - 3 -

. 연구문제 1 냄새는어떻게퍼져나갈까? 연구문제2 에스터제작 연구문제 3 아누이노를활용한측정장치제작 3-1 아두이노를활용한에스터가수분해시간측정장치 3-2 아두이노를활용한실시간 PH 계측을위한아두이노측정장치 연구문제 4 효율적인에스터제거방안탐구 4-1 에스터가수분해탐구 4-2 촉매제의농도에따른에스터가수분해탐구 4-3 촉매제의온도에따른에스터가수분해탐구 4-4 촉매제의종류에따른에스터가수분해탐구 4-5 압력에따른에스터가수분해탐구 연구문제 5 에스터제거원리를적용한효과적인냄새제거장치설계 [ 표 3] 연구과제 - 4 -

통제변인 : 염산과암모니아수, BTB 용액의양, 뚜껑을덮는시간조작변인 : 홈판의양끝에떨어뜨릴용액 2 [ 그림 1] 냄새확산실험준비물 가설 1 가설 2 가설 3-5 -

[ 그림 2] BTB 용액검증실험 반응전 반응후 [ 그림 3] 암모니아확산전 [ 그림 4] 암모니아확산후변화 가설관련현상판정 참 참 참 - 6 -

[ 그림 5] 에스터제작준비물 - 7 -

[ 그림 6] 에스터중탕모습 [ 그림 7] 중탕시킨에스터냉각처리 에스터 ( 아세트산에틸 ) 생성아세트산에틸의사과향생성 아세트산 에탄올 6) 위키백과. https://ko.wikipedia.org/wiki/%ec%97%90%ec%8a%a4%ed%84%b0-8 -

[ 그림 8] 아두이노 UNO n n n - 9 -

가수분해시간측정장치 [ 그림9] 가수분해시간측정장치컴퓨터에연결 1. 실험준비가되면실험도구를위치로옮기고아두이노를컴퓨터와연결한다. [ 그림 10] 가수분해실험준비 2. 버튼을누르는순간부터시간이측정된다. 3. 가수분해시풍선이부풀어오르면서터치센서를작동시키면 LED가켜지고시간이계측된다. [ 그림11] 가수분해속도데이터측정 3. 시리얼모니터에 1/1000 초단위로찍혀나옴. 가수분해시간측정장치코드 l 2 핀과 4 핀은터치센서 와버튼 l 13 핀은 LED 로설정 l 코드로풀업저항이작 동하도록설정 l 버튼을누른상태에서터치센서를한번건드리면시간측정하기시작. l 풍선에의해터치센서가한번더눌리면그때까지의시간을측정해서시리얼모니터에출력함. 이때 LED불이들어옴. [ 그림 12] 가수분해시간측정장치코드 * 주의사항 l LED불이들어온상태면준비상태가아님. LED불이꺼지도록버튼을조작후작동시켜야함. - 10 -

실시간 PH 측정장치 [ 그림 13] 실시간 PH 측정장치연결 [ 그림 15] 실시간 PH 측정 1. 실험준비가되면아두이노를컴퓨터와연결한다. 2. 뷰렛에조금씩투입하는용액을넣고아래비커에 PH센서를위치시킨다. [ 그림 14] 물방수에따라 PH측정 3. 포토인터럽터가뷰렛에서떨어지는물방이지나가는것을감지 4. 물방울이감지될때마다 PH 센서값을측정. 5. 시리얼모니터에 PH 값이물 방울수에따라계속감지됨. 6. 엑셀에옮겨그래프화시킴. 실시간 PH 측정장치코드 l 설명포토인터럽터 2핀 l PH 센서 A0 핀 l 포토인터럽터에물체가 지나갈때마다자동으 로카운트함. l 포토인터럽터가물방울 감지하면 PH 센서값을 출력함. [ 그림 16] 실시간 PH 측정장치코드 * 주의사항 l 처음 PH센서를작동시키면다소오차가있음. 때문에보정작업이필요함. l PH가정확한완충용액의 PH의 PH를측정후, 정확한값이나오도록 3줄에 OFFSET 값을조정함. - 11 -

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가설실험주제비고 실험 4-1 실험 4-2 실험 4-3 실험 4-5 실험 4-6 [ 표 4] 실험 4 계획 7) 두산백과. http://terms.naver.com/list.nhn?cid=40942&categoryid=40942 8) 위키백과. https://ko.wikipedia.org/wiki/ 화학반응속도론 - 13 -

실험 4-1 에스터가수분해탐구 통제변인 : BTB 용액의종류조작변인 : 가열의유무 가설1 가열전에스터와아세트산의 BTB 용액의색깔은다를것이다. 가설2 가열후에스터와아세트산의 BTB 용액의색깔은같을것이다. 가설3 가열전의에스터보다향이줄어들었을것이다. 가열전 BTB 용액의색깔은서로다르나가열후 BTB 용액의색깔은같았다. 가열후에스터향이많이줄었다. 가설 1, 가설 2, 가설 3 의내용은모두참이다. [ 그림 17] 에스터가수분해 BTB 검증결과 - 14 -

아세트산 에탄올 실험 4-2 촉매제의농도에따른에스터가수분해탐구 통제변인 : 인산의온도, 중탕냄비속물의양, 고무풍선 & 호일의재질및종류조작변인 : 인산의농도 용질 용질 용매 인산 인산 물 농도 (%) 종류 인산 (g) 물 (g) 10% 3g 27g 20% 3g 12.7g 30% 3g 7g 40% 3g 4.5g 50% 3g 3g 60% 3g 2g 70% 3g 1.3g 80% 3g 0.8g 90% 3g 0.3g 100% 3g 0g [ 표 5] 농도에따른물과인산의양 - 15 -

가설 1 농도가높을수록반응속도가빠를것이다. 가설 2 반응속도차이가일정할것이다. 가설 3 촉매제의농도가높을수록활성화에너지가낮아질것이다 농도 (%) 에스터가수분해에걸린시간 10% 6분6.52초 20% 6분3.27초 30% 5분58.9초 40% 5분51.8초 50% 5분43.3초 60% 5분29.86초 70% 5분18.97초 80% 5분8.56초 90% 4분56.8초 100% 4분39.47초 [ 표 8] 에스터가수분해시간 400 350 300 250 200 150 100 50 0 10% 30% 50% 70% 90% - 16 -

실험 4-3 촉매제의온도에따른에스터가수분해탐구 통제변인 : 에스터, 염산, 물의양, 중탕냄비속의물의양, 고무풍선 & 호일의재질및종류조작변인 : 염산의온도 가설1 온도가높을수록반응속도가빠를것이다. 가설2 온도가낮을수록반응속도가느릴것이다. 가설3 온도가높을수록활성화에너지가낮을것이다. [ 그림 18] 서로다른온도의염산 ( 촉매제 ) [ 그림 19] 염산 ( 촉매제 ) 의온도에따른가 수분해실험 - 17 -

온도가높은염산상온의염산온도가낮은염산 가수분해시간 1 분 18.14 초 1 분 50.87 초 2 분 53.73 초 결과가장빠름중간가장느림 [ 표 9] 온도에따른가수분해시간 실험 4-4 촉매제종류에따른에스터가수분해탐구 통제변인 : 염산, 황산, 오렌지주스, 베이킹소다, 암모니아수, 수산화나트륨의양, 에스터의양, 중탕냄비속물의양, 고무풍선 & 호일의재질및종류조작변인 : 촉매제의종류 [ 그림 20] 실시간 PH 측정아두이노실험장치 - 18 -

*PH 실시간계측장치의경우뷰렛한방울을약 0.03mL 로계산하여변환했다. (200ml/650 방울 = 약 0.03mL) 가설 1 별차이가없을것이다. 가설 2 PH 가높은촉매일수록반응속도가빠를것이다. [ 그림 21] 전체용액 ( 촉매제 ) Ph 농도비교 [ 그림 22] 전체용액 ( 촉매제 ) 에따른에스터 가수분해시간 - 19 -

[ 그림 23] 에스터의가수분해검증실험 [ 그림 24] 에스터의가수분해시간 ( 염기성 ) [ 그림 25] 에스터의가수분해시간 ( 산성 ) < 염기성용액 > 베이킹소다 수산화나트륨 암모니아수 가수분해되기까지걸린시간 1분 11.45초 21.94초 22.37초 결과 가장느림 가장빠름 중간 < 산성용액 > 염산 황산 오렌지주스 가수분해되기까지걸린시간 41.39초 42.51초 2분 24.34초 결과 가장빠름 중간 가장느림 - 20 -

[ 그림 26] 에스터의가수분해시간 ( 강산, 강염기 ) [ 그림 27] 에스터의가수분해시간 ( 약산, 약염기 ) 가수분해까지걸리는평균시간 ( 소수셋째자리에서반올림 ) 산 :76.08초 더빠름 염기 :52.62초 강산 :41.95초 더빠름 강염기 :22.16초 약산 :144.34초 더빠름 약염기 :71.45초 강산 :41.95초 더빠름 약산 :144.34초 강염기 :22.16초 더빠름 약염기 ;113.56초 전체통합 :73.08초 [ 표 10] 용액별가수분해평균시간 - 21 -

실험 4-5 압력에따른에스터가수분해탐구 통제변인 : 에스터의양, 홈판에떨어뜨릴 BTB 용액의양, 중탕냄비속의물의양, 고무풍선의재질및종류조작변인 : 냉각 ( 압력 ) 의유무 (1) 준비물 : [ 그림 28] 압력에따른에스터가수분해실험준비물 가설1 압력이높을수록반응속도가빠를것이다. 가설2 압력이낮을수록반응속도가느릴것이다. 가설3 압력이높을수록활성화에너지가낮을것이다. - 22 -

[ 그림 29] 아세트산의확산 [ 그림 30] 압력이있게가 수분해한에스터의확산 [ 그림 31] 압력이없게가수 분해한에스터의확산 - 23 -

실험실험4-2 실험 4-3 실험 4-5 실험 4-6 결과 - 24 -

[ 그림 32] 냄새제거프로세서 9) 촉매제는강염기가가장효과적이지만안전상의문제로약염기이고일상생활에서많이쓰이고있는베이킹소다를사용하였다. - 25 -

가. 공기유입부분 과학적원리팬을이용하여공기를유입시킬때상대적으로외부는고기압, 내부는저기압이된다. 그리고공기는고기압에서저기압으로이동한다. 이러한원리로공기는팬을통하여내부로유입될수있는것이다. 공학적설계오염된공기를팬을이용하여유입시킨뒤필터와흡착여과기를이용하여미세먼지와큰세균류를걸러낸다. 나. 에스터가수분해부분다. 분리부분라. 공기배출부분 에스터는물을넣고분해하는가수분해라는화학반응으로분해된다. 그리고이보고서에따르면농도가높고염기성이촉매제로써가장적합하다. 또한에스터를가수분해할때생성되는수증기로인한수증기증류로세균도제균된다. 디스틸링칼럼을이용하여가수분해된기체를액체와신선한공기로분리해낼때유리조각을디스틸링칼럼안에넣음으로써표면적을넓혀반응속도를빠르게한다. 신선한공기가배출될때페퍼민트로인하여확산된페퍼민트의향기와함께배출된다. 페퍼민트에있는후라보이노성분은암모니아같은염기성물질을흡착하여냄새를제거해준다. 강산에도녹지않고섭씨 400~500도의고온을견디는플라스틱인내열플라스틱을사용함으로써화학반응이일어날때안전성을고려한다. 신선한공기를팬을이용하여배출하며배출시페퍼민트를담아둔필터를거쳐서향이첨가된다. [ 표 11] 냄새제거장치과학적, 공학적원리 [ 그림 33] 냄새제거장치초기구상도 - 26 -

[ 그림 34] 유입용팬제작 - 27 -

[ 그림 35] 중탕냄비에넣은 3 구플라스크 [ 그림 36] 디스틸링 칼럼을이용한기체 및액체분리장치 [ 그림 37] 페퍼민트를넣은배출용팬 - 28 -

[ 그림 38] 냄새제거장치 [ 그림 39] 향을이용한순환실험 [ 그림 40] 장치검증실험 [ 그림 41] 유입공기 ( 왼쪽 ) 와배출공기 ( 오른쪽 ) 의 PH 측정결과 - 29 -

[ 그림 42] BTB 용액검증결과 - 30 -

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