STEAM R&E 연구결과보고서
(Ceramic Filter의 기본원리를 응용한 Pot In Filter 개발)
2015. 11. 17.
명덕고등학교
< 연구결과 요약 >
과 제 명 Ceramic Filter의 기본원리를 응용한 Pot In Filter 개발
연구목표
동남아시아 지역의 전반적인 공중보건 문제인 비소중독 질환을 해결하기 위해서는 안전한 식수공급이 필요하다. 본 연구는 개발도상국 내 보편적으 로 사용되는 Ceramic Filter의 기본원리를 응용하여, 기존 Ceramic Filter가 가지는 한계점을 극복하고, 효율적으로 비소를 제거할 수 있는 Pot In Filter 디자인 개발에 목표를 두고 있다.
연구방법
본 연구는 현지 현황과 전문가의 자문을 통해 지역의 문제를 인식하고, 실질적으로 필요한 니즈(Needs)를 파악하는 데, 연구 방향을 설정하였다.
이를 통해 현재 동남아시아 내에서 보편적으로 사용하는 Ceramic Filter가 낮은 정수유량, 유기물 제거율, 그리고 내구성을 포함한 한계점이 있음을 알고, 동남아시아 내 문제가 되고 있는 비소중독 문제와 더불어 이를 해결할 수 있는 기술 개발 디자인을 고안하였다.
도자기공방 전문가와 최종적으로 논의된 디자인인 Pot In Filter(Wave- Shape)를 토대로, 불순물에 대한 흡착능을 예측하기 위해 SEM분석을 통해 코코넛활성탄과 기존 Ceramic Filter와 비교하였다. 이후, 실질적인 정수효 율을 알아보기 위해 기존 가이드라인에 따라 평판계수법을 통한 대장균제거 율, Feed Tank를 통한 정수유량 측정, Tubidimeter를 이용한 탁도측정, 과망간산캄륨 소비량을 통한 잔조 유기물 측정을 진행하였다. 특히, 본 연구 의 목표인 비소제거능을 알아보기 위해 대해 Arsenic-Kit와 Spectrometer를 사용하여 실험을 진행하였다.
연구성과
Wave-Shape을 도입하여 Rusted-Nail과 코코넛활성탄(ACCS)을 접목한 Potter Filter, 즉 Pot In Filter 개발을 통해 기존 Ceramic Filter에 비해 약 280%가 확대된 정수유량을 확인할 수 있었고, 국내 기준치에 미치지 못했던 유기물 제거량을 적정 수준 이하로 낮출 수 있었다. 특히, 비소 제거능이 10%미만이었던 기존 필터에 비해 최대 92%까지 제거할 수 있는 효율을 통해 앞으로 동남아시아의 비소중독 문제를 해결할 수 있는 중요한 연구가 될 것이라고 기대한다.
주요어 (Key words)
Ceramic Filter, Pot In Filter, 적정기술, 비소, 정수
1. 개요
□ 연구 동기 및 목적
○ 공중보건 적정기술 연구팀(SIAT) 소개
- SIAT(Sustainable·Intermediate·Appropriate Technology)은 청소년 적정기술 연구팀으로 , ‘2013 환경분야 적정기술 컨퍼런스(W.A.S.H)’
참가를 계기로, 개발도상국의 공중보건 문제에 대한 깊은 관심을 가지 게 되었다.
- 본 연구는 Water-Stress Problem에 대한 개발도상국의 현 상황을 파악하 고, 문제원인에 대한 해결책을 디자인 주도형 프로세스(Design Driven Process)를 통해 얻고자 한다. 특히, 물-적정기술 중 동남아시아의 가장 큰 산업 규모를 가지고 있는 Ceramic Filter의 문제를 인식하고, 융털구조 디자인 접목한 Pot In Filter 정수기술 개발을 목표하고 있다.
○ 물-적정기술의 중요성
- WHO(세계보건기구)와 UNICEF(유엔아동기금)의 공동발표에 따르 면, 전 세계의 39%가 안전한 식수공급 및 위생시설의 부재가 일어나며 (JMP, 2010), 이에 따른 장티푸스, 콜레라, 설사와 같은 수인성 질환에 대한 해결방안이 모색되어야 한다.
- 멤브레인(Membrane) 대표적인 정수기술로 인식되고 있지만, 1인당 GDP가 $427(about $1.2 per day)인 개발도상국에서는 실질적으로 사 용하기 어려운 수준이다.
- 이러한 경제적 조건을 고려한 기술인 ‘적정기술’은 대안책으로서 조명 되고 있으며, 저비용·고효율·소규모의 특성으로 해당 지역의 환경을 고려하여, 사용자의 실질적인 니즈(Needs)에 적합한 기술을 제공한다.
○ 물-적정기술, Ceramic Filter
- Lifer-Straw, Biosand Filter(BSF) 등의 물-적정기술 제품 중 Ceramic Filter는 동남아시아 내 안정적인 산업구조가 형성되어, 경제계발에 긍정적인 영향을 미치는 기술이다. 본 연구는 Ceramic Filter가 가진
한계점을 정리하고, 이를 극복하는 디자인 개발에 초점을 두었다.
- Ceramic Filter는 쌀겨(20%)와 흙(80%)을 배합한 항아리를 1000~120 0℃의 온도에서 구워, 탄화된 쌀겨로 인해 발생한 기공을 가지고 필터 링이 이루어진다. 이는 활성탄과 유사한 원리로서, 물리적 흡착능만 나타나며, 화학적 흡착이 필요한 중금속을 효율적으로 제거할 수 없다.
또한 필터 내 기공을 고르지 않기 때문에 유기물을 100% 제거하기 어려운 한계점을 가지고 있다.
- 적정기술의 주된 목적은 Low-Cost에서 최적의 효율을 얻는 기술을 개발하는 것이지만, Ceramic Filter는 많은 함량의 쌀겨가 포함되므로 쉽게 부서지는 문제를 가지고 있다 : Ceramic Filter의 실질적 유지기간 은 약 1달임에 비해, 멤브레인은 6개월, 라이프스토로우가 1년임 고려 했을 때, 현저히 낮은 내구성을 나타낸다.
- 이러한 한계점이 발생한 원인을 논의한 결과, 낮은 정수유량을 보안하 기 위해 기존 Ceramic Filter에서는 Fig.2와 같이 필터 측면에도 쌀겨를 배합하여 정수가 이루어지게 하였으며, 더 많은 기공을 만들기 위해 쌀겨 함량을 높였다. 이러한 결과, 내구성에 취약한 구조적 문제점이 발생하였다.
- 본 연구는 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 새로운 디자인을 접목한 기술개발을 목표하고 있으며, 디자인 주도형 프로세스(Design Driven Process)를 통해 연구를 진행하고자 한다.
- 특히, 본 개발연구는 동남아시아 지역의 경제개발에 많은 기여를 하고 있는 Ceramic Filter의 사업에서 안정성 높은 기술적 평가를 통해 기술 보급의 확산 등 긍정적인 영향이 미칠 것으로 기대된다.
Fig 1. Ceramic Filter Fig.2 The Structure of Ceramic Filter
□ 연구범위
○ 기존 Ceramic Filter의 구조적 원인분석 및 3D Modeling을 통한 Pot In Filter 디자인 개발
- 정수유량을 높이기 위해 쌀겨의 비율을 높이면서 발생한 낮은 내구성 의 문제점을 해결하기 위해 쌀겨의 비율을 낮추고, 정수유량을 확대할 수 있는 구조적 디자인을 Modeling을 통해 모색하고자 한다.
○ 전문가 평가를 통한 개발방향 설정
- 현지 전문가(iWc, 캄보디아 물 적정기술 센터장)의 자문을 통한 동남 아시아의 기술 동향 및 로컬(Local) 문제에 대한 현황을 파악하였다.
- 도자기 공방 전문가의 자문을 통해 디자인 개발을 진행하였다.
○ 효율적인 비소 및 유기물 제거 방안 모색
- 비소 문제로 심각한 동남아시아 지역하천의 문제를 해결하기 위해 기존에는 녹슨 못(Rusted Nail)으로 비소 흡착제를 대체하였지만, 기 존 Ceramic Filter에는 이를 적용하기 어려운 구조이기 때문에 보다 효율적으로 적용하는 방안을 모색하고자 한다.
- 기존 Ceramic Filter는 쌀겨가 고르게 퍼지지 않아 부유물질(유기물) 을 100% 제거하는 데 한계점을 가지고 있었다. 이를 해결하기 위해 Post-Filter로 코코넛활성탄(ACCS, Activated Coconut Carbon Shells) 을 적용하여야 하지만, Rusted-Nail과 마찬가지로 기존 필터에서는 측면 부에 적용할 수 없기 때문에 부분적으로만 흡착되는 한계점을 가지고 있었고, 이를 해결하기 위한 방안을 모색하고자 한다.
○ 융털구조를 활용한 물결형(Wave-Shape) Pot In Filter 개발
- 고등학교 교과과정 내 융털(villus)은 물질 교환의 효율을 높이는 구조 로써, 이를 기존 필터에 적용한다면 정수유량을 높일 수 있을 것이다.
- 본 디자인을 통해 기존 필터의 쌀겨 비율을 낮추어 내구성을 높이고, 정수되는 위치를 필터 내 하단부에만 한정하여, 비소와 유기물을 제거 할 수 있는 녹슨 못과 활성탄을 적용할 수 있는 구조를 계획하였다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 동남아시아의 물-스트레스 문제
- 물 부족 문제는 사용할 수 있는 물이 부족하여 발생하는 물 부족(Water Scarcity), 물을 관리할 수 있는 기술과 정책의 부재로 발생하는 물 스트레스(Water Stress)로 구분된다(HDR, 2006). 본 연구는 청소년의 수준에서 접근하기 위해 물 스트레스에 대한 관심을 갖게 되었다.
- 동남아시아 지역 부근은 심각한 비소 중독 문제를 가지고 있다. 특히 카트만두 지역 내 비소 함량은 UN기준치(10㎍/ℓ)의 최대 100배에 달하며(Makhan et al, 2009), 더불어 방글라데시, 파키스탄, 인도네시 아, 베트남 지역을 걸친 ‘비소중독’에 대한 국제 공중보건의 우려가 조명되고 있다.
- 본 연구팀은 동남아시아 지역 내 물-스트레스 문제와 비소중독 문제를 해결할 수 있는 정수 기술개발에 초점을 맞추었다.
○ 개발도상국의 물-스트레스 문제 해결을 위한 적정기술의 중요성 - 적정기술은 저비용, 소규모, 고효율의 특성을 가진 기술로서, 수혜자
의 문화, 경제, 환경, 사회적 측면을 고려하여 필요성(Needs)에 맞는 기술을 제공한다(김정태, 2014). 개발도상국의 자연·문화적 환경을 고 려 없이 선진국 입장에서 단기적인 성과를 위해 일방적인 개발 지원을 진행하는 것은 많은 실패를 가져왔고(Michael J. 2005), 따라서 적정기 술을 통한 개발도상국의 쌍방향적인 원조의 중요성을 커지고 있다(홍 성욱 et al, 2010).
- 본 연구팀은 물-적정기술을 이용한다면 정수기술을 보다 실효적으로 개발할 수 있을 것이라고 기대했다.
○ 기존 Ceramic Filter의 개발 동향 및 한계점 - 활성탄을 접목한 Ceramic Filter(Fig.3)
CCF(Carbonized Ceramic Filter)에 따르면, 각 크기가 다른 Ceramic
Filter를 겹치고, 그 사이에 활성탄을 주입한 다. 이를 통해 측면에서도 효율적으로 유기물 을 제거할 수 있도록 한다. 그러나 활성탄을 교체할 수 없기 때문에 지속가능하게 이용하 기 어렵다는 한계점을 갖는다. 본 Pot In Filter 개발연구에서는 활성탄을 주기적으로 교체할 수 있는 구조를 고려하였다.
- 하단 부 모양에 따른 Ceramic Filter의 종류(Fig.4)
현 Ceramic Filter의 디자인을 분석한 결과, 효율을 높이기 위해 다양한 모양을 취하고 있지만, 정수효율에는 유의한 차이가 없음을 알게 되었 다. 본 연구에서는 융털구조의 디자인을 접목하여 정수유량에 큰 변화 를 주고자 한다.
○ 개발도상국에서의 비소 제거 기술 동향 - 대표적으로 녹슨 못(Rusted-Nail)을 이
용한 비소 제거 방법이 있다.
- 정수를 하기 위해 물 속에 쇠못을 담가두 면 녹슨 산화못으로 변하는데, 산화된 못 은 비소(As, Arsenic)과 반응하여 응집하 게 된다(T Ngail, 2005). 대게 Biosand Filter(BSF)에 적용하여 사용하지만(CA- WST, 2014), 개발도상국 내 BSF 관리의
Fig.3 Arsenic are adsorbed on the rusted iron nails surface.
Fig.3 Structure of CCF
<a> <b> <c>
Fig.4 Type of Ceramic Filter on Shape of Bottom
부재로 인해 Ceramic Filter에 비해 보급률이 떨어지는 경향이 있다.
- 본 연구는 기존 Ceramic Filter에서 측면에 녹슨 못을 적용하지 못하 여, 효율적인 비소 제거능을 기대할 수 없었던 문제점을 보안하기 위한 디자인을 계획하였다.
□ 연구주제의 선정
○ 개발도상국의 물-스트레스 문제로 인한 수인성 질환과 더불어, 동남 아시아 지하수 내에 녹아있는 비소로 인한 심각한 비소중독에 문제에 대해 관심을 갖게 되었다. 특히, 동남아시아 내 산업구조가 가장 크게 형성된 Ceramic Filter의 한계점을 보안하고, 비소를 제거할 수 있는 효과를 나타내는 기술을 개발한다면, 지역 사회에 긍정적인 영향이 미칠 것으로 기대한다.
○ 특히, 본 연구에서는 완전히 새로운 기술을 개발하기보다 기존에 있던 기술(원리)을 응용한 정수필터를 제작하는 까닭은 지역사회에서 의 ‘실용성’ 때문이다. 이전에 완전히 없었던 기술을 보급하여, 지역 내 새로운 인프라를 구축하는 것보다, 친숙하고 문화적으로 공감을 얻을 수 있는 디자인을 통해 접근하는 방법이 기술 보급에 있어서 실효 성을 높이기 때문이다. 그러나 정수효율 및 효과에 있어서 본 개발연구 는 다른 기능을 보여주기 때문에 기존 기술과는 차별성을 가진다.
□ 연구 방법
○ 3D Modeling을 토대로 도자기 전문가(일봉도예)에게 제작 가능성을 검토하였고, 융털구조를 응용한 물결 모양을 적용하여, 구조적 안정성 이 높은 Pot In Filter를 제작하였다.
○ 그린엔텍의 박순호 소장님의 자문으로 정수효율을 측정하는 기본적 인 가이드라인 : 유기물 제거율(과망산칼륨소비량), 대장균(E.coli) 측정 법, 정수유량(Flow Rate)을 기본적으로 실험하였으며, Arsenic Kit와 Spectrophotometer를 사용하여 비소 제거능 실험을 진행하였다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 월별 연구 추진표
월별 연구 추진표
주요 활동 시기 비고
연구주제 선정 3월 STEAM R&E 지원사업
외부전문가 요청 4월 그린엔텍 팀장님
AT-Symposium 4월 Imperial Place Seoul SEM 분석 4월 Pot In Filter 기공 분석 Pot In Filter Modeling 6월~7월 3D Modeling/Printing
도자기 제작 공방 요청 7월~8월 -
Pot In Filter 제작 8월 일봉도예
정수유량 측정 8월 Flow Rate - 5차 반복 실험 비소 제거율 실험 8월 Spectrophotometer
유기물 제거율 측정 9월 과망간산화물
소비량 측정법
탁도 측정 9월 그린엔텍 시설 이용
SEM 2차 분석 9월 서울시 과학전시관
데이터 정리 및 보고서 9월
○ 연구 시설 활용 내용
시설/기기명 보유기관 활용 내용
Incubator 명덕고등학교 균주 배양
Clean Bench 명덕고등학교 배지 제작, 균주접종
Autoclave 명덕고등학교 배지 제작 과정
Magnetic bar, Stirrer 명덕고등학교 과망간산칼륨 소비량
Spectrophotometer 명덕고등학교 / 그린엔텍
배지 콜로니 측정 / 비소 제거능 측정
Turbidimeter 그린엔텍 탁도 측정
SEM(전자주사현미경) 서울 과학전시관 Pot In Filter 기공분석
○ 외부 전문가(GET Institute 소장) 자문 내역
- 세라믹필터는 개발도상국 내에 사용되는 정수기술로서, 대표적인 사례이며, 불소·비소·질산성질소 등을 필터하지 못하는 한계점을 지님. 따라서 본 연구가 가지는 가치가 매우 높음(2015. 05. 20).
- 비소 측정 방식으로 ICP-MS 분석법에 대한 원리와 사용방법을 설명 을 받았으며, Lab실에 Tubidimeter이 구비되어 있기 때문에 탁도 측정이 가능하다는 자문을 받음(2015. 07. 24).
- 제작된 Pot In Filter의 필터 두께가 일정한 지 확인되어야 하며, 실사용에 불편함이 없는지 최종디자인 검토가 필요.(2015. 09. 04) - Lab실에서 진행한 탁도 실험 결과, 국내 기준인 1.00NTU에 밀접한
1.14NTU가 도출되었지만, 이는 공시시료로 진행된 실험이기 때문에 빗물이나 강물을 이용한 Filtering이 이루어졌다면, 1.00NTU보다 낮은 탁도 값을 보였을 것으로 사료됨.(2015. 09. 04)
○ Pot In Filter 개발 아이디어
1) 1차 아이디어 : 2D Sketch 및 연구 가능성 논의
a. Ceramic Filter Sketch b. Pot In Filter Sketch Fig. 4 2D Modeling
- 교과 과정 내에서 다루는 ‘융털구조’를 착안하여, 이를 Potter Filter의 형태로 제작할 수 있는가에 대한 의문점을 가지게 되었다.
- 2D Sketch를 바탕으로, 지도교사와 팀원 간 논의 결과, 전문가의 실질적인 자문이 필요할 것이라는 의견이 나왔고, 3D Modeling을 구현하여 그린엔텍(GET)의 팀장님과 개발 가능성 여부를 논의 - 두께의 일정성과 활성탄과 Rusted Nail의 접목방식이 적절하다면,
충분히 가능할 것이라는 의견이 종합되었다.
2) 2차 아이디어 : 3D Modeling 및 Pot In Filter 1차 제작
a. 3D Printing b. Clay kneading c. Molding Fig. 5 3D Modeling and Manufacturing Pot in Filter
- 3D Modeling을 통해 도자기 제작 전문가(일봉도예)와 제작 가능 성을 논의하고 제작일정을 계획하였다.
- 제작과정에서 융털구조를 접목할 경우, 두께가 일정하지 않고 구 조상으로 안정성이 떨어짐이 확인되었다.
- 또한 안정성이 떨어지기 때문에 쌀겨의 비율을 10%미만으로 배 합하여야 하였고, 이에 따라 정수유량이 감소하는 문제가 나타나 는 한계점이 발생하였다.
- 이 문제들을 보완하기 위해서 구조적 안정성이 높은 물결모양 (wave shape)의 3D Modeling을 계획하였다.
3) 3차 3D Modeling 및 Pot in Filter 제작
b. The Wave shape c. Molding d. Pot In Filter Fig 6. 3D Modeling and Manufacturing Pot in Filter(Wave Shape)
- 3차 디자인의 Pot in Filter는 물레 성형 방식으로 제작하였다. 2 차 디자인의 Pot in Filter는 석고 틀을 이용하여 직접 수작업으
로 만든 반면에 3차 디자인은 물레 성형 방식을 이용함으로서 제 작 과정의 단순화와 비용 절감이 가능했다.
- 일정한 두께로 제작이 가능하였으며 제작과정에서 다른 디자인 에 비해 안정성이 뛰어났다.
- 쌀겨의 비율을 15%로 늘렸음에도 불구하고 도자기에 금이 가는 현상(crack)이 발생하지 않았다.
- 최종적으로 제작된 Pot In Filter는 가로 25cm, 세로 25cm, 반지 름 20cm로 제작되었으며, Silver Colloid를 2㎖씩 첨착하였다. 또한 효율적인 비소와 유기물 제거능을 나타내기 위해 코코넛활성탄 300g과 녹슨 못을 200g을 배치하였다.
○ 실험 과정 1) Solution 제작
‘먹는 물 수질기준 및 검사 등에 관한 규칙(환경부령 시행, 2011)’ 및 미 국 환경보호청(US EPA)의 항목별 수질환경기준치(EPA 1976, Quality Criteria for Water)에 의거하여, 준 금 속 , 대 장 균 , 유 기 물 제거율 비 교 실험을 위한 기준을 모색하였다.
A. 강물 샘플링(유기물, 대장균 제거능을 중심으로)
- 한국의 오염된 강물을 사전 조사 후 수질오염공정시험법에 따라 수심 2m 미만인 강물을 수심의 1/3에서 채수하였다. 또한 채취용기는 시료 의 균일성을 위해 증류수로 3회 세척 후 사용하였다.
- 각 2L씩 채취하며, 채취 후 즉시 4℃ 냉장 보관하였다.
B. 인공 시료 제작
- Arsenic Standard Solution(100ml, 1000ppm)을 증류수 1L에 100㎍/L 를 마이크로피펫으로 주입하여, 100ppb의 Solution 제작하였다.
Fig.7 Water Sampling Fig.8 Manufacturing Sample
2) SEM 분석을 통한 흡착 효과 예측
- 시료의 미세 조직을 관찰하기 적당한 크기로 절단 후 Carbon Tape로 고정시킨다.
- 이온 코팅기(Ion Coater)에 시료를 넣어 금(Au)으로 코팅하였다.
- 코팅된 시료를 전자주사현미경(SEM)에 넣고 vacuum을 잡은 후 시료 의 구조를 분석하였다.
Fig.9 Ion Coating in Chamber Fig.10 The Analysis of SEM
3) 정수유량(Flow Rate) 측정
- ‘Feed Tank’를 이용하여 1L의 인공 시료를 동일한 속도로 주입하였다.
- 필터링이 끝난 시점을 기준으로 Time을 측정하여, 1L당 소비 시간을 계산하였다.
Fig.11 Manufacturing Sample Fig.12 Measurement of Flow Rate
4) 탁도(Turbidity) 측정
- 탁도계(2100P, Turbidimeter)의 Standard(0.09NTU)로 설정한 뒤, 각 샘플링을 대조하여 측정하였다.
Fig.13 Sampling Fig.14 Turbidimeter
6) 대장균 제거율
- Pot In Filter 내 첨착된 Silver Colloid가 단백질을 구성하는 시 스테인(cysteine)과 반응하여 미생물을 불활성화 시킨다. 본 실험 에서는 실제 대장균을 기준으로 실질적인 제거율을 알아보았다.
- Bacteria Culture Media(E.coli, 60mm)에 원수와 필터링된 시료 를 Spreading 하였다.
- 24시간동안 37℃에서 Incubating한 뒤, 평판계수를 통해 Colony 를 측정한다.
Fig.15 Spreading Fig.16 Culture Media
5) 유기물 제거율 측정을 위한 과망간산칼륨 소비량 계산
- Pot In Filter만으로 유기물을 100%제거하는 것에 한계점을 가 지고 있기 때문에 본 연구에서는 활성탄을 추가적으로 투여하였 고, 실제 정수에 있어서 효율적인 유기물 제거율을 보이는 지 알 아보기 위해 진행하였다.
- 물속의 유기화합물은 산화제인 과망간산칼륨에 의해 이산화탄 소로 산화되는데 이 때 소모된 과망간산칼륨의 소비량을 측정함 으로써 잔존 유기물을 측정을 한다.
- 검수에 0.1M의 묽은 황산을 5㎖넣은 후, pH-Meter를 이용하여, 적정 산화 수치를 맞춘다.
- 과망간산칼륨 용액 10ml를 넣은 후 5분간 가열뒤, 수산 나트륨 용액 10ml를 넣고 과망간산칼륨 용액을 넣으면서 색이 무색이 될 때 까지 적정하였다.
- 검수 과망간산칼륨 소비량-증류수 과망간산칼륨 소비량×1000÷
검수(ml)×0.316의 계산식을 통해 측정하였다.
Fig.17 Process of Solution (a) Fig.18 Process of Solution (b)
7) 비소 제거율 측정
- 본 연구에서 사용하는 Pot In Filter는 흙으로 제작되어지는 데, 토양 내 Silica(SiO2)이 많이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 실 제 SEM을 통한 원소분석을 통해 Silica의 비율이 높음을 확인하 였다. 그러나 Silica는 비소를 측정하는 Peak값과 동일하기 때문 에 ICP-MS를 통한 성분분석이 불가하였다. 본 연구팀을 이를 극 복하고자 Kit를 이용한 화학적 성분분석을 진행한 뒤, 흡광도 측 정법을 사용하여, 정량적 분석을 실시하였다.
- 비소 검출 키트(ARS5-Quic2)를 이용하여, 반응시약에 시료를 첨 가하여, 색 대조표를 통해 1차적으로 측정하였다.
- 교내 구비된 Spectrophotometer(X-ma 1200V)를 이용하여, 각 반 응 시약의 흡광도를 측정하였고, 수치적으로 제거율을 분석하였 다.
Fig.19 ARS5-Quic2 Fig.20 Spectrophotometer
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ SEM 분석을 통한 흡착 효과 예측
Fig.21 ACCS Fig.22 Ceramic Filter Fig.23 Pot In Filter (Rice Husk 10%)
- SEM분석은 100㎛의 크기를 기준으로 분석하였다.
- 기존에 사용되는 활성탄인 ACCS(Activated Carbon Coconut Shell)의 경우, 전반적으로 갈라진 표면적이 존재하였지만, 많은 기공을 확인할 수 없었다(Fig. 20).
- 이에 비해, Pot In Filter는 많은 기공이 나타남을 관찰할 수 있 었으며, 쌀겨 15% 함량비에서 가장 높은 표면적과 기공을 볼 수 있었다(Fig 21, 22, 23).
- 이러한 결과로 15% 함량비를 가진 Wave-Shape Pot In Filter에 서 효율적인 Filtering 기능을 기대할 수 있었다.
Fig.24 Redesign of Arsenic Experiment by a Componential Analysis on the Pot In Filter
- Pot In Filter의 성분분석으로, SiO2인 Silica가 검출되었다(Fig.24).
- Silica는 Arsenic(비소)와 동일한 Peak값을 가짐으로, ICP-MS 분 석이 불가하였다.
- 이를 해결하기 위해, 화학반응로 비소의 양을 검출할 수 있는 Kit 실험을 진행하였고, 이후 Kit내 잔존 시료량을 흡광도 측정기 를 이용하여 분석하였다,
○ 정수 유량에 따른 비소 제거능 평가
- Wave-4, 5(숫자는 Pot In Filter 내의 Wave 개수)가 Wave-3에 비해 높은 Flow-Rate을 보여주는 반면에, Wave-3에서 비소를 최 대 92%까지 제거할 수 있는 효율을 높여주었다.
- 이러한 결과는 Wave-4,5의 경우, 제작 공정 과정에서 구조적 안 정성이 떨어짐을 시사하며, 이를 보안하기 위한 Modeling이 필요 하고, 또는 Wave-3의 Flow를 높이는 방안을 찾아야함을 제언한 다.
Graph.2 Evaluation of Performance Capacity for Arsenic Removal inflow
○ 탁도 측정
- 국내 탁도 기준인 1.00NTU에 비해, Wave-3는 1.14로 비교적 높 은 수치로 보였으나, 캄보디아 기준 5.00NTU에 비해 낮았고, Wave-4,5보다 효율이 높았다.
- Flow-Rate에 따른 탁도와 비소 제거능 실험 결과, Wave-3에서 우수한 평가가 나타났고, 향후 실험에서는 Wave-3을 이용한 실험 만 진행하였다.
Graph.1 Evaluation of Performance Capacity for Solid Removal by inflow
○ 유기물 제거율 측정을 위한 과망간산칼륨 소비량 계산
- 국내의 유기물 제거율 측정을 위한 과망간산 소비량의 기준치는 10ppm이며, Wave-3에서는 8.2ppm으로 기준치보다 낮아, 고형 부유물질에 효율적임을 나타냈었다.
○ 대장균 제거율
- 원수(고리울 천)에 비해 대장균 제거율은 최대 94%까지 제거되 었으며, 기존 Ceramic Filter에 비해 4%낮은 효율을 보이며, 각 필 터간 유의한 차이를 보이지 않았다. 이는 Sliver Colloid의 화학첨 착 방식이 모든 필터에서 고르게 첨착되었기 때문으로 추측된다.
Table. 1 각 필터에 따른 대장균 제거율
( 주. colony의 계수가 0 ~ 5개 : - , 6 ~ 10개 : + , 11 ~ 30개 : ++ , 31 ~ 50개 : +++, 50개 이상 : ++++ )
구분 1차 2차 3차 4차
대조군(원수) ++++ ++++ ++++ ++++
Ceramic Filter + - - +
Pot In Filter + + - +
□ 시사점
○ Pot In Filter 개발의 의의
- 효율적으로 유기물과 비소를 제거하기 위해 활성탄과 녹슨못을 기존 Ceramic Filter 내에 적용하지 못한 원인은 ‘구조적 한계점’에 있다. 이는 기존 필터가 낮은 정수유량(1~2L/h)을 극복하기 위해 Potter 내 측면에서 도 정수가 이루어지도록 설계했으며, 쌀겨의 비율을 높인 부분이다. 따라 서 외부적인 충격에 쉽게 부서지는 내구성이 나타났고, 활성탄과 녹슨못 을 적용하기에 많은 제한점이 발생하였다. 본 연구는 이를 해결하기 위해 먼저 정수유량을 확보할 수 있도록 물결(Wave)형 구조를 접목하였고, 이 결과, 유량은 최대 6L로 기존에 비해 280%확대된 정수량을 확인할 수 있었다. 따라서 측면에는 쌀겨를 배합하지 않고 내구성을 높였고, 녹슨 못과 활성탄을 하단 부(Wave)에 배치할 수 있었다. 이에 비소는 최대 92%까지, 잔존 유기물 수치는 국제 기준까지 낮출 수 있었다.
- 특히, 동남아시아의 비소중독 문제해결의 니즈를 인식하고, 개발된 Pot In Filter는 90%이상이 흙으로 제작되어 낮은 단가(전문가 기준, 약 $9)를 보이기 때문에 실질적으로 현지의 문제를 해결할 수 있는 역할 이 될 것이라 기대한다.
○ 디자인 주도형 프로세스를 통한 기술 개발
- 실제 기술이 필요한 사람들의 니즈(Needs)를 분석하는 것으로 시작하 여, 전문가의 관점에서 자문을 구하고, 청소년의 입장에서 문제를 해결 하는 과정을 통해 기존에 없었던 창의적인 방법으로 기술적인 해결책을 찾을 수 있었다.
○ 향후 연구 계획
- 약 7개월이라는 제한된 시간동안 연구를 진행했기 때문에, Pot In Filter의 최대 유지기간을 알아볼 수 있는 실험이 요구되고, 사용 기간에 따라 정수 효율의 변화가 나타는 지에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 본 연구팀은 위에 대한 지적 호기심과 기술 개발의 완성도를 높이기 위해 2015년 9월부터 위에 대한 실험을 진행하고 있다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 말레이시아 현지 시제품 개발
- Pot In Filter의 개발목적은 Ceramic Filter의 전반적인 효율 증대와 동남아시아의 비소중독 문제 해결에 있었으며, 본 연구 결과를 토대로 KIA EcoDynamics의 후원을 받아, 2016년 1월, 2주간 말레이시이아에서 MIT D'Lab과 함께 Pot In Filter에 대한 시제품 개발을 진행한다.
○ 2015 국제 적정기술 컨퍼런스 발표 ( 2015. 12. 04, 서울대학교 ) - 적정기술 협회인 국경 없는 과학기술자회의 연구인턴(팀장, 이동용)은 지속가능한 발전이라는 부제를 통해 본 연구가 SDGs의 접근에 있어서 중요한 연구임을 발표할 계획이다.
5. 참고문헌
○ Ashobolt N.J, et al, microbial contaminatSion of drinking water and disease outcomes in developing regions. Toxicology, 2004, p. 229–238.
○ CDC, Household Water Treatment Ceramic Filtration, 2011
○ Clifford M.J, et al Appropriate technology: The poetry of science.
Sci. Christ. Belief, 2005, p. 71–82.
