14 회화학탐구프런티어페스티벌제안서 팀명 : 끝눈과호랑이 ( 소속고교, 성명등개인정보는기재를금합니다 ) 탐구주제 : 화산송이를이용한공기청정기제작 1. 탐구동기최근에화산송이를이용한피지흡착화장품이많이출시되고있다. 이렇게피지흡착용도의화장품으로많이사용되고있는화산송이는제주도에서수많은미세한구멍을표현한다공질구조로숯처럼강력한천연의흡착력을가지고있는물질이다. 화산송이는화산송이의구멍과피지사이의흡착력이강해서피지가화산송이에흡착되는것이다. 피지흡착과같이미세먼지흡착이이루어지는원리에는크게 2가지가있다. 바로물리적흡착과화학적흡착이다. 이중에서화산송이의흡착능력은물리적흡착에속한다. 화학적흡착은양이온, 음이온을띄는각각의성분사이에서로끌어당기는힘이작용함으로서흡착이이루어지는것이다. 이러한화산송이의특징을보고 화산송이가제올라이트합성과정을거치면피지뿐만아니라미세먼지도흡착할수있지않을까? 하는생각이들었다. 화산송이는현재미세먼지흡착에자주이용되는숯보다도많은수의구멍을가지고있다고한다. 그렇기때문에숯보다는더좋은미세먼지흡착효과를기대할수있을것같다는생각을했다. 2. 탐구목적중국에서부터유입되는미세먼지는지름이 10 의작은입자이기때문에장기깊은곳까지들어가서폐의기능약화, 기관지문제, 면역력저하등의문제를야기하는원인으로작용하고있다. 이러한미세먼지는실질적인대처방안이아직마련되지않은상태이다. 현재, 미세먼지제거는제올라이트, 활성탄등의다공성물질로주로이루어지고있다. 이에착안하여서화산송이를이용하여미세먼지를흡착해보고화산송이를이용한제올라이트 ( 다공성물질 ) 합성과정에서온도, 화산송이의종류와같은여러가지조건을변화하여보면서미세먼지가가장잘흡착되는조건을찾아보고자합니다. 화산송이는제주도에서지형의차이에따라서로다른다양한성분비를띄는형태로나타나기때문에화산송이의종류도미세먼지의흡착정도에영향을미칠수있을것이라고생각한다. 현재대중적으로사용되고있는활성탄필터의경우에는활성탄의질에따라서많은효율차이가있다. 따라서대부분의공기청정기의경우에는필터와써큘레이터로이루어진간단한구조임에도불구하고가격이매우비싸다. 그래서보다다공성을가지는물질을이용해서미세먼지흡착능력을키워야한다고생각했다. 그래서피지흡착에많이사용되는다공성물질인화산송이로수열합성법을통해합성한제올라이트로필터를제작하여미세먼지흡착능력을향상시켜보고자한다. 1 끝눈과호랑이
3. 탐구내용및방법 1. 이론적배경가. 미세먼지석유, 석탄과같은화석연료가타거나자동차매연으로인한배출가스에서나오는대기오염물질이대표적으로유발하는것이미세먼지이다. 미세먼지는우리눈에보이지않는아주작은물질로대기중에오랫동안떠다니는 10 이하의입자상물질을뜻한다. 우리나라는국내미세먼지의 70% 이상이중국이원인이된다. 미세먼지는 1급발암물질로폐에흡착하여호흡기질환을일으킨다. 특히지름이 2.5 이하의초미세먼지는더욱깊숙이침투하여혈관등에흡수되어뇌졸중이나심장질환을일으킨다. 미세먼지는 10 이하의부유먼지 (PM10) 과 2.5 (PM2.5) 이하의미세먼지그리고그보다작은 1 이하의초미세먼지로나뉘게된다. 과거에는모든부유입자상물질을통틀어 TSP라고불렀다. 이는 50 이하의물질이나 10 이상의물질은인체의건강에영향이적어 PM10으로환경기준이변경되었다. 나. 화산송이송이란지하마그마가화산폭발시 1600 의고온으로지상에분출될때생성된제주화산분출물이다. 제주에서산출되는송이들은지역에따라성분에차이가있는데동부와서부지역은유리성분이배이상의차이를보인다. 제주송이는기공이많고가벼우며적갈색, 황갈색, 흑색및암회색을띈다. 제주화산송이는풍부한미네랄성분과흡수, 흡착, 향균성, 원적외선, 음이온방출량이어떠한광물질보다뛰어난다. 특히, 피지흡착능력이다른물질보다크게뛰어나며유해중금속이들어있지않아안전한성분임을입증받았다. 현재제주화산종이는제주도특별법에의해보존자원으로분류되어허가를받은장소에서채취해야하며완제품이아니라면도외의반출이금지되고있다. 다. 제올라이트제올라이트는 의화학식을가진다. 이화학식의 M은금속양이온을말하고, x,y는상수를의미한다. 주로사면체구조를띄고있으며그중앙에는큰틈이존재한다. 제올라이트는천연제올라이트와합성제올라이트로나뉜다. 천연제올라이트는화산폭발로흘러나온용암과해수가만나화학반응을일으켜생성된광물이며흡착성이뛰어나불순물제거와탈취에적합하다. 이에따라합성세제첨가제, 항균제등현재다양한방면에서많이활용되고있는물질이기도하다. 1948년리처드배럴이합성제올라이트를최초로합성했으며현재는 200여가지종류가합성되었다. 보통제올라이트는수열합성법을이용하여합성한다. 합성제올라이트는고유한구조를지니면서도오염되지않은순수한제올라이트를합성할수있다. 이들은규칙적인모양과구멍을가진구조물이기에구멍에어떤물질을넣느냐에따라물질의특성과용도가달라진다. 2 끝눈과호랑이
라. 수열합성법수열합성법이란액상합성법의하나로고온고압하에서물또는수용액을이용하여물질을합성하는과정을총칭하여말한다. 수열합성은뜨거운물과높은압력하에서미네랄들의용해도에의존하는단결정의합성방법으로직접용융이어려울때많이쓰이는합성방법이다. 이방법은미립자의분말이합성가능하고불순물이열수에용해되어순도가향상되며입도분포가조밀하고입자크기를합성조건에따라제어가가능하다. 그러나보통액상합성법들은결정상이불균질하다. 2. 실험가. 실험준비 (1) 화산송이를이용한제올라이트합성준비물 : 화산송이 ( 적갈색, 황갈색, 흑색, 암회색 ), 테플론용기, 스테인리스스틸용기, 전기오븐, NaOH 용액, XRD (2) 제올라이트합성시온도에따른차이분석 준비물 : 화산송이 ( 적갈색, 황갈색, 흑색, 암회색 ), 테플론용기, 스테인리스스틸용기, 전기오븐, NaOH 용액, XRD, SEM (3) 아두이노우노를이용한미세먼지측정장치제작 준비물 : 아두이노우노, 브레드보드, 전선, 미세먼지감지센서, 노트북 ( 아두이노 프로그램 ) (4) 합성한제올라이트를이용한필터제작및공기청정기제작준비물 : 합성한제올라이트, 스테인리스망, 하드보드지, 글루건, 문구용칼, 자, 종이테이프, 써큘레이터, 아두이노우노, 브레드보드, 미세먼지농도측정센서, 천, 아크릴박스 나. 실험방법 (1) 화산송이를이용한제올라이트합성 ( 가 ) 화산송이 ( 적갈색 ) 을지름 2cm의테플론용기에넣고 1M 농도의 NaOH용액을적당량가한후, 이를스테인리스스틸용기에넣어밀봉한다. ( 나 ) 이를전기오븐안에넣고 100 의온도로 36시간동안수열합성시킨다. ( 다 ) 합성된물질을꺼내어증류수로씻고건조시켜분말로만들고 XRD를찍는다. ( 라 ) 다른종류의화산송이 ( 황갈색, 흑색, 암회색 ) 을이용하여위과정을반복한다. (2) 제올라이트합성시온도에따른차이분석 ( 가 ) 실험 (1) 에서온도를 80 ~150 의온도로 10 단위로나누어실험을진행한다. ( 나 ) 수열합성한제올라이트로 XRD와 SEM을찍는다. 3 끝눈과호랑이
(3) 아두이노우노를이용한미세먼지측정장치제작 ( 가 ) 아두이노우노를미세먼지감지센서와연결한뒤, 노트북과연결한다. ( 나 ) 아두이노우노와노트북을연결한후코딩을한다. ( 다 ) 미세먼지감지센서를통해받은 data를우리가보고싶은미세먼지농도값으로변환시켜준다. ( 라 ) 잘작동하는지확인을위하여나온결과값과그날의미세먼지농도를비교하여본다. (4) 합성한제올라이트를이용한필터제작및공기청정기제작 ( 가 ) 제올라이트를스테인리스망에넣었을때빠지지않을정도의크기로잘라준다. ( 나 ) 합성한제올라이트를가루가흩날리지않을정도로세척한다. ( 가루가남아있게되면공기중에가루가날려공기청정기로써의미가없어진다.) ( 다 ) 스테인리스망사이에세척한제올라이트를넣어준다. ( 라 ) 두스테인리스망을글루건을이용하여접착한뒤, 하드보드지와종이테이프를이용하여겉을다듬어준다. ( 마 ) 써큘레이터와필터, 아크릴박스를이용하여아래도면과같은공기청정기를제작한다. 그림 1. 공기청정기도면앞모습 그림 2. 공기청정기도면위모습 ( 바 ) 미세먼지감지센서는미세먼지의농도를측정하는데이용될것이다. (5) 활성탄필터 ( 대조군 ) 과의미세먼지흡착능력비교 ( 가 ) 활성탄을필터사이의스테인리스망사이에들어가도록분쇄한다. ( 나 ) 활성탄을표면의가루가날리지않도록물에씻는다. ( 표면의가루가있으면공기정화에악영향을끼칠수있다 ) ( 다 ) 활성탄을촘촘한스테인리스망사이에넣은후고정시켜필터를제작한다. ( 라 ) (3) 과정과같은방법으로활성탄필터를이용한공기청정기를제작한다. ( 마 ) 공기청정기가충분히들어갈수있을크기의아크릴박스를제작한다. ( 바 ) ( 마 ) 에서제작한아크릴박스를준비한다. 이때아크릴박스의내면의먼지는제거한다. 아크릴박스를제작할때외부에위치한노트북과아두이노연결선이지날수있는구멍이필요하다는점에유의해야한다. ( 사 ) 각각의아크릴박스에만든공기청정기를넣고아두이노를이용한미세먼지측 4 끝눈과호랑이
정장치를통해공기청정기의가동전과후의미세먼지양의변화를측정한다. ( 아 ) 미세먼지양의변화정도를통해서미세먼지흡착능력을비교한다. 4. 예상되는결과 1. 화산송이는숯에비해서많은수의구멍을가지고있는다공성물질이고수열합성과정을통해서재결정이이루어지기때문에보다많은미세먼지의흡착이이루어질것이다. 2. 암회색의화산송이가제올라이트의성분인, 가많이들어있기때문에흡착능력이더우수할것이다. 3. 온도를조절하며하는수열합성과정을통해서미세먼지를포집가능한크기의구멍을가진화산송이합성제올라이트의제작이가능할것이다. 4. 화산송이의, 의총함량은암회색의화산송이가 62.48% 로가장많다. 그러나총함량의차이가두번째로큰황갈색의화산송이와성분차이가 2.59% 밖에나지않으며 만의함량의경우에는황갈색의화산송이가 19.87% 로암회색화산송이 16.26% 에비해크다. 따라서, 중만약 가가지는흡착능력이더좋다면황갈색의화산송이가암회색화산송이에비해서미세먼지흡착을더잘할가능성이있다. < 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 끝눈과호랑이