STEAM R&E 연구결과보고서

(1)

STEAM R&E 연구결과보고서

(점액을 이용한 미세먼지 내 중금속 흡착에 관한 연구)

2015. 11. 17.

창원과학고등학교

(2)

< 연구결과 요약 >

과 제 명 점액을 이용한 미세먼지 정화 필터에 관한 연구

연구목표

다시마, 마 점액들에 대한 미세먼지 흡착 정도를 기존의 물과 비교하여 미세먼지 흡착 효율을 높일 수 있는 방안에 대해 연구합니다. 특히, 미세먼지 속에 다량 함유되어 새집증후 군 등의 다양한 문제를 일으키는 중금속을 제거하는 것을 중점으로 합니다. 다시마, 마, 알로에 점액을 이용하여 각 점액에 따른 중금속 흡착 정도를 비교합니다. 최종적으로 중금 속 흡착에 대해 다시마, 마, 알로에 점액의 최적의 조건을 알아내는 것을 목표로 합니다.

연구방법

실험은 크게 미세먼지 흡착과 중금속 흡착 실험으로 나누어집니다.

1) 미세먼지 흡착 실험은 첫 번째로, 점액을 추출합니다. 다시마는 건다시마 360g을 물 6L에 불려서 칼을 비스듬히 한 채로 점액을 긁어냅니다. 마는 껍질을 벗겨 원액 녹즙기를 이용하여 점액질을 분리합니다. 두 번째로, 점액과 증류수를 혼합한 수용액 을 제작합니다. 각각 채취한 다시마 점액 3.6L와 마 점액 1.8L를 각각 2.0L, 1.6L 그 리고 1.0L, 0.8L로 나눈 뒤, 총 수용액 부피가 2.0L가 되도록 제작합니다. 마지막으로, 부산테크노파크에 의뢰하여 워터필터식 공기청정기의 분진청정화능력 시험으로 점액 의 미세먼지 흡착 효율을 확인합니다.

2) 중금속 흡착 실험은 위 실험의 첫 번째 과정과 마찬가지로 점액을 추출합니다.

단, 위 과정에는 추출하지 않았던 알로에 점액도 추출합니다. 알로에는 껍질을 벗겨 안 껍질에서 나오는 점액을 긁어내 추출합니다. 추출한 점액은 2g씩 바이알병에 나누 어 담습니다. 다음으로, 검정곡선을 그리기 위해 표준용액 1ppm, 5ppm, 10ppm, 20ppm 20mL를 제작합니다. 그런 후, 5ppm 표준용액 20mL를 담은 바이알 병에 각 점액들을 담고 각 변수에 대해 정해놓은 흡착시간이 지난 후에 거름 장치를 이용해 걸러줍니다. 마지막으로, 걸러낸 용액을 변수에 따라 ICP를 이용하여 점액의 중금속 흡착 정도를 확인합니다. 실험 변수로는 시간, 온도, 농도, 점액의 종류를 설정하였습 니다. 온도를 제외한 시간과 농도에 따른 실험은 orbital shaker를 이용하여 점액이 중금속을 균일하게 흡착할 수 있도록 하였고, 온도에 따른 실험은 항온수조를 이용하 여 온도를 유지시켜주었습니다. 점액을 혼합하는 과정에서는 3가지의 점액들을 이용 하여 섞을 수 있는 경우를 고려해 실험을 진행하였습니다.

연구성과

미세먼지 흡착 실험에서는 ‘분진 청정화능력 시험’을 해보았을 때 정확하지 않은 결과값이 나왔습니다. 그 원인은 측정기계가 증발된 수증기 입자를 분진으로 판단했 기 때문이라고 봅니다. 정확하지 않은 결과 값이라도 각 용액별로 비교하는 것에 초 점을 두고 실험을 진행하려 하였으나, 적용면적이 시험 오차로 볼 수 있을 정도로 미 미한 값으로 나왔기 때문에 비교가 불가했습니다.

중금속 흡착 실험에서는 카드뮴, 납, 아연 순으로 흡착이 잘 되었습니다. 첫 번째 실 험이었던 시간에 따른 중금속 흡착 정도에 대한 그래프를 보시면 초반부에 잔여량이 작았다가 시간이 갈수록 잔여량이 늘어납니다. 이후, 후반부에 다시 잔여량이 급격하 게 줄어드는 것을 볼 수 있습니다. 이에 대한 원인으로는 물리적 흡착과 화학적 흡착 의 성질 때문이라고 판단하였습니다. 초반 잔여량이 낮은 이유는 물리적 흡착이 활성 화E가 필요 없어 반응이 빠르게 일어나기 때문이고 후반부에 잔여량이 다시 낮아지 는 이유는 화학적 흡착은 활성화E가 필요해 반응이 느리게 일어나기 때문이라고 생 각했습니다. 두 번째 실험이었던 농도에 따른 중금속 흡착 정도는 20ppm이 가장 흡 착 정도가 좋았습니다. 끝으로, 온도에 따른 중금속 흡착 정도는 상온인 20℃가 가장 좋았으며 그 이외의 온도에서는 단백질이 변성되었기 때문에 흡착이 잘 되지 않았다 고 판단됩니다. 점액을 혼합하여 실험을 한 결과, 마, 다시마, 알로에 점액이 모두 포 함된 경우 중금속 흡착량이 가장 많았습니다.

주요어 (Key words)

점액, 중금속, 흡착, ICP, 미세먼지

(3)

1. 개요

□ 연구 동기

○ 최근 공기 중의 미세먼지 농도가 심각하다는 기사가 이슈가 되면서 그에 따라 사람들이 미세먼지를 제거하기 위해 공기청정기 사용이 급증한다는 기사를 발견하게 되었다. 공기청정기 중에는 물의 흡착 력을 이용한 에어워셔가 있으나, 일반적으로 사용되는 HEPA 필터에 비해 턱없이 흡착 능력이 떨어진다고 한다. 그래서 물이 아닌 다른 물질을 통해 미세먼지 흡착력을 높이고 싶었다. 고민 끝에 주변에서 구할 수 있는 마나 다시마 등에서 분비되는 점액에 대한 미세먼지 흡착 효율에 대해 연구하고자 하였다.

○ 미세먼지 중 상당량을 차지하는 중금속의 경우 새집증후군 등의 원인이 되며, 대기오염, 수질오염 등 다양한 환경 문제의 원인이기도 하다. 그래 서 점액 별로 시간에 따른 중금속 흡착 능력이 궁금해졌다. 또한, 중금속 별 각 점액에 대한 흡착 효율 또한 알아보고 싶었다. 따라서 미세먼지 흡착뿐만 아니라 중금속 흡착 효율에 대한 연구를 진행하였다.

□ 연구 목적

○ 다시마, 마 점액들에 대한 미세먼지 흡착 정도를 기존의 물과 비교하 여 미세먼지 흡착 효율을 높일 수 있는 방안에 대해 연구한다.

○ 다시마, 마, 알로에 점액을 이용하여 각 점액에 따른 중금속 흡착 정도를 비교한다.

○ 중금속 흡착에 대해 다시마, 마, 알로에 점액의 최적의 조건을 알아내 는 것을 목표로 한다.

□ 연구범위

○ 마, 다시마, 알로에에 대해 3가지의 점액을 채취한 뒤 미세먼지와 중금속에 대해서 흡착 능력을 비교하였다. 미세먼지는 워터필터식 공기청정기 성능평가를 통해 실험을 진행하였다. 중금속의 경우 시 간, 온도, 농도, 점액의 종류에 따라 변인을 설정하여 각각의 경우에 따라 중금속 흡착량 정도를 비교하였다.

(4)

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 점액의 주성분은 당단백질, 뮤신, 뮤코이드이다. 당단백질은 글리코 시드 결합을 하고 있으며 뮤신은 점막에서 분비되는 점성물이고 뮤코 이드는 다량의 헥소사민이 함유된 단백질이다.

○ 흡착은 두 상의 경계면에서 그 상을 구성하고 있는 성분물질이 농축되 는 현상이며, 특히 고체의 흡착은 선택성이 있다. 흡착은 물리적 흡착 과 화학적 흡착으로 나뉜다. 물리적 흡착은 활성화 에너지가 필요 없어 빠르게 진행되고, 가역적이며 다중 흡착이 가능하다. 반대로 화학적 흡착은 활성화 에너지가 필요해서 느리게 진행되고, 비가역 적이며 단분자층 흡착이 이루어진다.

○ 미세먼지는 눈에 안 보이는 지름 10㎛ 이하의 작은 먼지로 황산염, 질산염 등과 같은 독성 물질이 들어 있다. 미세먼지의 악영향으로는 미세먼지 농도가 30㎍/㎥를 넘으면 만성질환자·고령자·어린이는 기침, 안구 따가움, 피부 트러블 등의 증상이 나타난다. 미세먼지보다 입자가 작은(지름 2.5㎛ 이하) 먼지를 특히 초미세먼지라고 부르는데, 이는 인체에 더 잘 침투하고 건강에 더 해롭다.

□ 연구주제의 선정

○ 사회적이고 환경적으로 문제가 되고 있는 대기오염. 특히 공기 중의 오염물질인 미세먼지나 이산화황 같은 화학물질들은 사람의 인체나 생물에게 큰 영향을 끼친다. 미세먼지나 오염물질의 위험성에 대해 사람들에게 알려지면서 대기오염의 심각성이 강조되고 있다. 따라서 대기오염을 줄이기 위한 대안이 시급하다. 본 연구는 구하기 쉬운 점액 속에 들어있는 뮤신 성분을 이용하여 공기 중의 오염물질을 제거시키는데 있어서 대기오염이라는 문제점을 해결할 수 있는 방안 이 될 것이다.

(5)

□ 연구 방법 ○점액 채취

-다시마 점액 채취

(1) 건 다시마 360g을 적당한 크기로 잘라 물 6.0L와 함께 수조에 넣어둔다.

(2) 그늘진 상온에서 30분간 둔 후 다시마 표면에 분비된 점액을 긁어내 어 채취한다.

-마 점액 채취

(1) 야채필러와 칼을 이용해 마의 껍질을 벗겨낸 후, 적당한 크기로 자른다.

(2) 위 과정에서 자른 마를 원액 녹즙기를 이용해 점액질을 분리한다.

-알로에 점액 채취

(1) 생 알로에의 껍질을 칼로 벗겨 안 껍질에 나오는 점액을 칼로 긁어내어 채취한다.

(2) 투명한 알로에 부분을 조금씩 잘라 분비되는 점액을 채취한다.

그림 1 . 왼쪽부터 다시마, 마, 알로에 점액을 채취하는 과정

○시행착오

본 연구를 하기 위해 미세먼지 흡착 실험을 계획하였다. 하지만, 중간 과정에서 생기는 오차와 직접 통제하기 힘든 변인이 많아 부산 테크노 파크를 방문하였다.

- 한 쪽면만 뚫린 아크릴 상자를 만든 후, 아크릴 상자 가운데에 충분한 양의 베이비파우더를 놓는다. 거즈를 가로 10cm, 세로 10cm 크기로 잘라 마, 다시마 점액에 적신다. 그 후, 거즈의 질량을 잰 후 양 옆을 테이프로 고정시킨다. 베이비파우더가 있는 양 옆에 미니선풍기 2대를

(6)

설치하여 베이비파우더가 공기 중 콜로이드 상태로 존재하게 한다.

선풍기를 튼 후 30분이 지나면 선풍기를 끄고 거즈의 변화된 질량을 측정한다.

그림 2. 왼쪽부터 사용한 베이비 파우더, 실험 구성

○미세먼지 흡착실험 -용액 제작

마 점액과 다시마 점액이 포함된 4개의 용액을 만든다. 다시마 점액 2.0L와 1.6L, 마 점액 1.0L와 0.8L이 포함된 수용액 2L를 만든다.

-워터필터식 공기청정기 성능평가

위 과정에서 제작한 용액들과 주문한 워터필터식 공기청정기를 가지고 부산 테크노 파크에 가서 직접 의뢰를 했다. 그 중 공기청정기 성능평가 시험장비를 이용하여 실험을 진행하였다. 점액(또는 수용액)에 대한 미 세먼지 흡착 효율을 직접적으로 알 수 없었기 때문에 우리는 이를 바로 워터필터식 공기청정기에 적용하여 공기청정기 자체의 성능을 평가하 는 실험을 진행하였다. 우리가 의뢰한 실험은 총 5가지로 앞서 만든 용액 4개와 그 대조군인 물로 진행한 실험이었다.

(7)

부산테크노파크 실험 중 사진 공기청정기내에 물을 넣는 사진

공기청정기내에 다시마 점액을 넣는 사진 공기청정기내에 마 점액을 넣는 사진 그림 3. 워터필터식 공기청정기 성능평가 실험

○ 중금속 흡착실험

먼저, 검정곡선을 그리기 위한 1ppm, 5ppm, 10ppm의 표준용액 20mL 를 각각 하나씩 만든다. 이때, 우리가 사용한 표준용액은 50ppm이었다.

-1ppm, 5ppm, 10ppm 표준용액 제작 (1) 1ppm 표준용액 제작

1ppm 표준용액 20mL를 제작하기 위해서 기존의 50ppm 표준용액 0.4mL와 증류수 19.6mL를 혼합하여 바이알 병에 담아둔다.

(2) 5ppm 표준용액 제작

5ppm 표준용액 20mL를 제작하기 위해서 기존의 50ppm 표준용 액 2mL와 증류수 18mL를 혼합하여 바이알 병에 담아둔다.

(3) 10ppm 표준용액 제작

10ppm 표준용액 20mL를 제작하기 위해서 기존의 50ppm 표준용 액 4mL와 증류수 16mL를 혼합하여 바이알 병에 담아둔다.

(8)

-시간(0.5h, 1h, 3h, 5h, 7h, 9h)에 따른 중금속 흡착 정도 측정 (1) 다시마 점액의 중금속 흡착 정도 측정

(가) 5ppm 표준용액 20mL를 담은 바이알 병 6개에 각각 다시마 점액 2g을 담는다.

(나) 위 과정에서 점액을 담은 바이알 병 6개를 orbital shaker를 이용해 각각 0.5h, 1h, 3h, 5h, 7h, 9h동안 균일하게 섞어준다.

(다) 각 바이알 병마다 지정한 시간이 끝나면 거름 장치를 이용해 한 번씩 걸러준 뒤 ICP를 이용해 걸러진 용액 내에 Cd, Pb, Zn가 얼마나 남아 있는지 측정한다.

(라) 위 과정을 3번 반복하여 얻은 결과를 바탕으로 비교분석 및 그래프를 그린다.

(2) 마 점액의 중금속 흡착 정도 측정

위 실험과 같은 방법으로 마 점액의 중금속 흡착 정도를 측정한다.

(3) 알로에 점액의 중금속 흡착 정도 측정

실험과 같은 방법으로 알로에 점액의 중금속 흡착 정도를 측정한다.

-표준용액 농도(5ppm, 10ppm, 20ppm)에 따른 중금속 흡착 정도 측정 (1) 다시마 점액의 중금속 흡착 정도 측정

(가) 5ppm, 10ppm, 20ppm 표준용액 20mL를 각각 담은 바이알 병 3개에 각각 다시마 점액 2g을 담는다.

(나) 위 과정에서 점액을 담은 바이알 병 3개를 orbital shaker를 이용해 실험 (가)에서 효과가 가장 좋았던 30분 동안 균일 하게 섞어준다.

(다) 각 바이알 병마다 30분이 지난 후 거름 장치를 이용해 한 번씩 걸러준다.

(라) ICP를 이용해 그렇게 걸러진 3개의 용액 내에 Cd, Pb, Zn가 얼마나 남아 있는지 측정한다.

(마) 위 과정을 3번 반복하여 얻은 결과를 바탕으로 비교분석 및 그래프를 그린다.

(9)

(2) 마 점액의 중금속 흡착 정도 측정

위 실험과 같은 방법으로 마 점액의 중금속 흡착 정도를 측정한다.

(3) 알로에 점액의 중금속 흡착 정도 측정

위 실험과 같은 방법으로 알로에 점액의 중금속 흡착 정도를 측정 한다.

-온도(20℃, 35℃, 60℃)에 따른 중금속 흡착 정도 측정 (1) 20℃에서의 점액별 중금속 흡착 정도 측정

(가) 위 실험에서 중금속 흡착 효율이 가장 좋았던 20ppm 표준 용액 20mL가 담긴 바이알 병 3개에 각각 다시마, 마, 알로 에 점액 2g씩을 담는다.

(나) 위 과정에서 점액을 담은 바이알 병 3개를 항온수조를 이 용해 기계 내부 온도를 20℃로 유지한 채로 30분 동안 균 일하게 놓아둔다.

(다) 각 바이알 병마다 30분이 지난 후 거름 장치를 이용해 한 번씩 걸러준다.

(라) ICP를 이용해 그렇게 걸러진 3개의 용액 내에 Cd, Pb, Zn가 얼마나 남아 있는지 측정한다.

(마) 위 과정을 3번 반복하여 얻은 결과를 바탕으로 비교분석 및 그래프를 그린다.

(2) 35℃에서의 점액별 중금속 흡착 정도 측정

위 과정과 같은 방법으로 35℃에서의 점액별 중금속 흡착 정도를 측정한다.

(3) 60℃에서의 점액별 중금속 흡착 정도 측정

위 과정과 같은 방법으로 60℃에서의 점액별 중금속 흡착 정도를 측정한다.

(10)

-점액을 혼합하였을 때의 중금속 흡착 정도 측정

(1) 다시마, 마 점액을 각각 1g씩 첨가한 총 2g의 혼합물 3개를 만 든다.

(2) 같은 방법으로 다시마와 알로에, 마와 알로에, 다시마와 마 그리 고 알로에 모두를 섞은 총 2g의 혼합물을 각각 3개씩 만든다.

(3) 총 12개의 혼합물에 대해서 20ppm 표준용액 20mL를 첨가한 후 30분간 orbital shaker를 이용해 균일하게 섞어준다.

그림 4. 다시마, 마, 알로에 점액을 표준용액 20ppm에 넣은 후 균일하게

섞은 상태

(4) 30분이 지난 후 거름 장치를 이용해 한 번 걸러준 뒤 ICP를 이용해 걸러진 용액내의 중금속 함량을 측정한다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과 ○시행착오

거즈의 질량 변화를 측정하지 못하였다. 그 원인은 크게 4가지로 들 수 있다.

-실험의 오차 원인

(1) 선풍기 바람의 세기가 매 시간마다 일정하지 않았다.

(2) 거즈에 흡착된 베이비파우더 양이 아주 미세하여 측정되지 않았다.

(3) 공기 중에 베이비파우더가 오랜 시간 떠있지 않고 가라앉았다.

(4) 점액에 포함되어 있는 물의 증발량이 베이비파우더의 흡착량보다 커 변화된 질량을 측정하기 힘들었다.

(11)

○미세먼지 흡착 결과

-미세먼지 흡착 정도가 시간에 따른 데이터 값이 순차적으로 나열되어 있는데 그 중 임의로 x번째 값을 A, x+20번째 값을 B라고 한다면 청정화능력^min   

 × ln  



위 공식을 통하여 청정화능력을 구해낸다. 또한, 청정화능력 값을 라 고 한다면 아래 공식을 통하여 적용면적을 구해낸다.

적용면적^   × 

시험항목 단위 물 다시마점액

1.6L 다시마점액

2L 마 점액

0.8L 마 점액 1L

청정화

능력 m³/min 0.134 0.128 0.141 0.145 0.132

적용면적 m² 1.06 1.01 1.11 1.15 1.04

표 1. 물과 각 점액들의 미세먼지 흡착정도를 청정화능력과 적용면적으로 나타낸 표

공기청정기 분진 청정화능력 시험 결과를 위 표로 정리한 것을 보면, 청정화능력이 0.145m³/min, 적용 면적이 1.15m²으로 모두 마 점액 0.8L 를 사용했을 때가 가장 높은 것을 알 수 있다.

○중금속 흡착 결과

-시간(0.5h, 1h, 3h, 5h, 7h, 9h)에 따른 중금속 흡착 정도

마, 다시마, 알로에 순으로 5ppm의 표준용액에 시간 별로 점액의 첨가 하였을 때 남은 중금속 잔여량을 표와 그래프로 나타내면 아래와 같다.

중금속 잔여량이 많을수록 점액에 대한 중금속 흡착량이 적다는 것을 의미한다.

(12)

(1) 마 점액

Cd(ppm) Pb(ppm) Zn(ppm) 0.5h 2.912 2.884 4.326

1h 2.926 3.002 4.321 3h 3.073 3.389 4.537 5h 3.092 3.305 4.473 7h 3.246 3.437 4.500 9h 2.908 3.169 4.178

표 2.시간에 따른 마 점액의 중금속 잔여량 그림 5. 시간에 따른 마점액의 중금속 잔여량

마 점액의 경우 Cd > Pb > Zn 순으로 중금속 흡착량이 많았다.

대체적으로 점점 흡착량이 감소하다가 9h이 되면 증가하는 그래프 의 개형을 가지고 있다. Cd, Pb, Zn 모두의 경우에 대해 0.5h, 9h이 지났을 때의 마 점액에 대한 중금속 흡착량이 가장 많았다.

(2) 다시마 점액

1h 2.678 2.906 3.678 3h 2.718 2.999 3.795 5h 3.189 3.153 3.984 7h 2.738 3.047 3.914 9h 2.460 2.876 3.648 표 3. 시간에 따른 다시마 점액의

중금속 잔여량

그림 6 . 시간에 따른 다시마 점액의 중금속 잔여량

다시마 점액의 경우 Cd > Pb > Zn 순으로 중금속 흡착량이 많았 다. 마 점액과 동일하게 점점 흡착량이 감소하다가 9h이 되면 급 증가하는 그래프의 개형을 가지고 있다. 특히, 5h 이 지났을 때의 중금속 흡착량이 상대적으로 가장 적었다. 또한, Cd, Pb, Zn 모두 에 대해 0.5h와 9h이 지났을 때의 마 점액에 대한 중금속 흡착량이 가장 많았다.

(13)

(3) 알로에 점액

1h 4.450 4.581 4.652 3h 3.999 3.933 4.181 5h 3.699 3.687 3.933 7h 2.816 2.840 3.162 9h 3.023 3.073 3.393 표 4. 시간에 따른 알로에 점액의

중금속 잔여량

그림 7. 시간에 따른 알로에 점액의 중금속 잔여량

알로에 점액의 경우 Cd > Pb > Zn 순으로 중금속 흡착량이 많았 다. 하지만, 마 점액과 다시마의 점액과 달리 각 중금속 흡착량에 대해 확연한 차이를 가지고 있지 않았다. 또한, 7h이 지났을 때의 중금속 흡착량이 가장 많았고, 그 다음 9h, 0.5h 순으로 흡착량이 많았다.

-표준용액 농도(5ppm, 10ppm, 20ppm)에 따른 중금속 흡착 정도 (1) 5ppm

표 5 의 데이터를 이용해 각각의 중금속에 대한 점액 별 중금속 잔여량을 그래프로 나타내어 보면 다음과 같다.

점액의 종류

(ppm)Cd Pb

(ppm) Zn (ppm) 마 2.912 2.884 4.326 다시마 2.721 2.975 3.789 알로에 3.377 3.609 3.742 표 5. 5ppm일 때의 각 점액에 대한

중금속 잔여량

그림 8. 5ppm일 때의 중금속에 대한 점액 별 중금속 잔여량

대체적으로 Cd > Pb > Zn 순으로 중금속 흡착량이 많았다. 5ppm 용액의 경우 Cd, Pb, Zn 순서대로 다시마, 마, 알로에 점액에 대해 중금속 흡착량이 3개의 점액에 대해서 가장 많았다.

(14)

(2) 10ppm

점액의 종류

Cd

(ppm) Pb

(ppm) Zn (ppm) 마 6.333 6.838 6.926

다시마 5.98 6.89 6.368 알로에 6.48 7.584 6.953 표 6. 10ppm일 때의 각 점액에 대한

중금속 잔여량

대체적으로 Cd > Zn > Pb 순으로 중금속 흡착량이 많았다.

10ppm 용액의 경우 Cd, Pb, Zn 순서대로 다시마, 마, 다시마 점액 에 대해 중금속 흡착량이 3개의 점액에 대해서 가장 많았다.

(3) 20ppm

점액의 종류

Cd

(ppm) Pb

(ppm) Zn (ppm) 마 12.368 15.862 12.955 다시마 11.97 14.974 12.167

알로에 11.204 13.934 11.466

표 7. 20ppm일 때의 각 점액에 대한 중금속 잔여량

대체적으로 Cd > Zn > Pb 순으로 중금속 흡착량이 많았다. 10ppm 용액의 경우 Cd, Pb, Zn 순서대로 다시마, 마, 다시마 점액에 대해 중금속 흡착량이 3개의 점액에 대해서 가장 많았다.

(15)

-온도(20℃, 35℃, 60℃)에 따른 중금속 흡착 정도

20ppm 중금속 용액에 각 중금속 별 온도에 따른 중금속 흡착 정도 를 비교하면 아래와 같다.

(1) Cd

표 8의 데이터를 통해 Cd에 대한 그래프를 그려보면 아래와 같다.

점액의 종류

(ppm)20℃ 35℃

(ppm) 60℃

(ppm) 알로에 11.204 16.904 16.821 다시마 11.97 16.346 16.081 마 12.368 16.406 16.671 표 8. Cd의 온도별 점액에 대한

중금속 잔여량

그림 11. Cd의 온도별 점액에 대한 중금속 잔여량

Cd에 대해 마, 다시마, 알로에 점액 모두 20℃일 때의 중금속 흡 착량이 35℃, 60℃일 때의 중금속 흡착량의 약 2배 이상 많았다.

35℃, 60℃ 일 때 모든 점액의 중금속 흡착량에는 거의 차이가 없 었다. 20℃의 경우 알로에 점액의 중금속 흡착량이 가장 많았다.

(2) Pb

점액의 종류

(ppm)20℃ 35℃

(ppm) 60℃

(ppm) 알로에 13.934 16.915 16.911 다시마 14.974 16.517 16.453 마 15.862 15.827 16.178 표 9. Pb의 온도별 점액에 대한

중금속 잔여량

그림 12. Pb의 온도별 점액에 대한 중금속 잔여량

표 9의 데이터를 통해 Pb에 대한 그래프를 그려보면 그림 36과 같다. 그림 36을 통해 알 수 있듯이, Pb에 대해 알로에와 다시마 점액의 경우 20℃일 때 중금속 흡착량이 가장 많았고 35℃, 60℃일 경우 20℃일 때 보다 흡착량이 떨어졌다. 반면, 마 점액의 경우 온

(16)

도의 변함에 따라 Pb에 대한 중금속 흡착량이 비슷해 거의 일직선 의 그래프를 나타내고 있다.

(3) Zn

표 10의 데이터를 통해 Zn에 대한 그래프를 그려보면 아래와 같다.

점액의 종류

20℃

(ppm) 35℃

(ppm) 60℃

(ppm) 알로에 11.466 17.112 16.943 다시마 12.167 16.826 16.524

마 12.955 17.005 17.2 표 10. Zn의 온도별 점액에 대한

중금속 잔여량

그림 13. Zn의 온도별 점액에 대한 중금속 잔여량

Zn의 경우 마, 다시마, 알로에 모든 점액에 대해 20℃ > 35℃ ≒ 60℃ 순으로 중금속 흡착량이 증가하였다. 또한, 20℃일 때의 흡착 량이 35℃, 60℃일 때의 흡착량의 약 2배 이상이었다.

-점액을 혼합하였을 때의 중금속 흡착 정도 (1) Cd

혼합한 점액 Cd(ppm)

다시마+알로에 14.885

마+알로에 16.119

다시마+마 15.528

다시마+마+알로에 14.222 표 11. Cd의 혼합된 점액에 대한

중금속 잔여량

그림 14. Cd의 혼합된 점액에 대한 중금속 잔여량

Cd에 대해서 다시마, 마, 알로에 점액을 모두 섞을 때의 중금속 흡착량이 가장 많았다. 또한, 마와 알로에를 섞을 때의 중금속 흡착량이 가장 적었다.

(17)

(2) Pb

혼합한 점액 Pb(ppm)

마+알로에 16.306

다시마+마 15.745

다시마+마+알로에 14.296 표 12. Pb의 혼합된 점액에 대한

중금속 잔여량

그림 15. Pb의 혼합된 점액에 대한 중금속 잔여량

Pb에 대해서 다시마, 마, 알로에 점액을 모두 섞을 때의 중금속 흡착량이 가장 많았다. 상대적으로 마와 알로에를 섞을 때의 중 금속 흡착량이 가장 적었다.

(3) Zn

혼합한 점액 Zn(ppm)

마+알로에 17.817

다시마+마 17.027

다시마+마+알로에 15.955 표 13. Zn의 혼합된 점액에 대한

중금속 잔여량

그림 16. Zn의 혼합된 점액에 대한 중금속 잔여량

Zn에 대해서 Cd, Pb와 마찬가지로 다시마, 마, 알로에 점액을 모두 섞을 때의 중금속 흡착량이 가장 많았다. 이에 반해 마와 알로에를 섞을 때의 중금속 흡착량이 가장 적었다.

□ 시사점

○ 미세먼지 흡착

부산 테크노 파크의 공기청정기 성능 평가 중 ‘분진 청정화능력 시험’ 결과, 물을 사용했을 때와 각 점액들을 사용했을 때 모두 큰 효과를 나타내지 못했다. 시험을 진행하기 전에도 사실 이 시험을 맡으신 연구원님께서 “이 시험은 분진 청정화 능력 평가 시험이다.

(18)

따라서 시험하는 도중 물이 증발됨에 따라 증발된 물 입자를 분진으 로 판단하여 시험 결과가 부정확하게 나올 수 있다.”라고 하셨다.

하지만 정확한 측정값보다는 각각의 상황에 대한 비교에 대한 자료가 될 수 있지 않을까하는 생각으로 성능시험을 진행했다. 하지만 그것 마저도 비교가 불가할 정도로 차이가 적은 것을 알 수 있었다. 위 실험결과에서 볼 수 있듯이 적용면적 차이가 작게는 0.03^^부터 크게 는 0.14^^밖에 나지 않았다. 연구원님의 조언에 따르면, 일반적으로 시험 결과에서 0.1 ~ 0.2^^는 시험 오차로 보기 때문에 이 자료만으로 는 물과 각각의 점액들에 대한 미세먼지 흡착 정도를 비교하기 힘들 다고 판단했다. 그래서 우리는 미세먼지 자체가 아닌 미세먼지의 여러 종류 중 많은 비중을 차지하는 중금속의 흡착에 포커스를 맞추 게 되었다.

○ 중금속 흡착

시간에 따라서 중금속 흡착 정도는 5ppm 기준으로 대체적으로 Cd > Pb > Zn 순으로 점액에 흡착이 잘 되었다. 또한, 마와 다시마, 알로에 점액에 대해서 0.5h가 지난 후 흡착량이 감소하다가 서서히 증가하는 것을 알 수 있다. 마 점액과 다시마 점액의 경우 시간에 따라서 그래프가 대체적으로 완만한 편임인 반면, 알로에 점액의 경우 1h이 지난 결과 흡착량이 급 감소한 것을 알 수 있다. 이 것은 짧은 시간 내에 물리적 흡착이 일어나서 0.5h일 때에 흡착량이 증가하 다가 시간이 지남에 따라 물리적 흡착의 효과가 떨어지고 화학적 흡착에 대한 영향이 증가하면서 나타난 결과라고 예측한다.

표준용액의 농도에 따라서 중금속 흡착은 5ppm 일때에 Cd > Pb

> Zn, 10ppm과 20ppm일 경우 Cd > Zn > Pb 순으로 흡착량이 많았다.

또한, 20ppm일 때 같은 양의 점액 2g에 대해서 흡착력이 상대적으로 높았다. 중금속의 농도가 높아짐에 따라 물리적, 화학적 흡착을 할 확률이 높아져서 이런 결과가 나온 것으로 예측한다.

온도의 경우 20℃일 때의 흡착량이 가장 많았고 35℃와 60℃일 때는 흡착량이 반 이상 줄었다. 이 결과가 점액의 주 성분인 뮤신과 뮤코이드의 변성 때문이라고 예측한다. Pb에서 마 점액의 경우 중금

(19)

속 흡착량이 다른 결과와 달리 온도 변화에 따라 큰 변화 없이 일정했 다. 이 결과의 원인을 알아내기 위해선 추가적인 실험이나 이론이 더 필요할 것으로 생각된다.

점액을 혼합하였을 경우 3개의 점액을 모두 섞었을 때 모든 중금속 에 대하여 흡착량이 많았다. 이 것은 각 변인마다 최적의 조건을 가진 점액을 섞었기 때문이라고 예측한다.

4. 홍보 및 사후 활용

□기대효과

○ 중금속은 금속광산의 채광 및 정련과정에서 발생하는 중금속을 이용 하여 제품을 처리․가공하는 시설의 배출가스 등을 통해 환경에 유입 되며, 특히 토양에 축적된 중금속은 작물체로 전이되어 식품을 오염 시킬 우려가 있다. 이렇게 우리도 모르는 사이에 중금속이 몸속으로 유입되고 있고 특히 실내 환경에서 호흡기로 유입된 미세먼지는 체내 에 축적되기 때문에 점점 더 심각해지고 있다. 그에 따라 사람들은 체내에 축적된 중금속에 대한 심각성을 깨닫고 제거 방안을 찾고 있는 추세이다.

○ 중금속이 체내에 들어오는 방법으로는 호흡기를 통해 유입되는 방법 과 먹이사슬을 통해 농축된 중금속이 식품을 통해 유입되는 방법이 있다. 먼저, 호흡기를 통해 체내로 유입되는 경우는 주로 공기 중의 미세먼지 속에 함유된 중금속이 유입되는 경우가 많다. 이에 따라 물을 필터로 하는 워터필터식 공기청정기에 점액을 적용하여 공기청 정기의 중금속 흡착능력을 향상시킴으로써 체내에 유입되는 중금속 량을 줄일 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 점액이 함유된 마스크를 제작하여 금속광산 등 중금속 배출량이 높은 곳에서 일하시는 분들의 체내에 유입되는 중금속량을 줄일 수 있을 것이라 기대한다.

○ 식품을 통해 체내로 유입되는 경우 중금속을 흡착하는 물질을 포함하 는 식품을 섭취하는 것을 해결책으로 제시하고 있다. 특히 해조류 같은 경우 해조류의 20~30%를 차지하고 있는 수용성 섬유질 성분인 알긴산이 중금속뿐 아니라 환경호르몬, 발암물질 등을 흡착해 배설

(20)

하는 데 탁월한 효과를 발휘한다고 알려진다. 따라서 우리는 알긴산 이 다량 함유된 해조류의 점액을 첨가한 요리를 섭취함으로써 식품을 통해 유입된 중금속을 다량 흡착 및 배출하는 것을 기대한다.

○ 이렇게 자연물질을 통해 중금속을 흡착한다면 기존에 사용되고 있는 나노막, 폴리페놀, 석회석 등을 이용했을 경우 2차적으로 발생할 수 있는 환경오염을 방지할 수 있으며 수용성 섬유질 성분이기 때문 에 폐수의 중금속을 비교적 수월하게 흡착할 수 있다.

5. 참고문헌

[1] 장대영, 손창우, 김성구, 김이준, 정정한, 이진우, “알긴산, 폴리 글루론산 및 폴리만뉴론산에 의한 금속이온의 흡착”, 생명과학회 지, 19권5호, pp.553~560, 2009

[2] Fujiki, K., H. Matsuyama, and T. Yano. "Protective effect of sodium alginates against bacterial infection in common carp, Cyprinus carpio L.", Journal of Fish Diseases, 17권 4호, pp.349~355, 1994

[3] 이순홍, 김광국, 이상훈, “화학적으로 개질된 알긴산의 중금속 제거능”, 한국물환경학 회지, 21권6호, pp.569-574, 2005

[4] 임수빈 외 2명, Red mud를 이용한 중금속 Cd 및 Pb의 흡착제 거 특성, 한국지반환경공학회 논문집 제12권 제7호

[5] 이진우 외 1명, 흡착제의 물성과 중금속 흡착 특성, 2009년 한 국지반환경공학회 학술발표회 논문집

[6] 김영철(2015).「촉매첫걸음」.전남 :전남대학교출판부.

[7] 장두훈·이기한.미세먼지 제거를 위한 정전여과 일체형 집진시스 템.DBpia.2011.5.한국대기환경학회.

<2015.5.8.http://www.dbpia.co.kr/Journal/ArticleDetail/1481168?Total Count=19&Seq=3&Collection=0&q=%5B%EB%AF%B8%EC%84%B8%E B%A8%BC%EC%A7%80%20%EC%A0%9C%EA%B1%B0%C2%A7coldb

%C2%A72%C2%A751%C2%A73%5D&Sort=1&SortType=desc&Page=1

(21)

&PageSize=20&searchWord=%EC%A0%84%EC%B2%B4%3D%5E%24

%EB%AF%B8%EC%84%B8%EB%A8%BC%EC%A7%80%20%EC%A0%9 C%EA%B1%B0%5E*&SearchAll=%EB%AF%B8%EC%84%B8%EB%A8%

BC%EC%A7%80%20%EC%A0%9C%EA%B1%B0&Multimedia=0&isFull Text=0&isIdentifyAuthor=0>

[8] 최현진·김상범·김성현·이명화.전기방사법에 의해 제조된 폴리 우레탄 필터의 미세먼지 제거특성.DBpia.2012.5.한국대기환경학회.

<http://www.dbpia.co.kr/Journal/ArticleDetail/2415531?TotalCount=19

&Seq=7&Collection=0&q=%5B%EB%AF%B8%EC%84%B8%EB%A8%B C%EC%A7%80%20%EC%A0%9C%EA%B1%B0%C2%A7coldb%C2%A72

%C2%A751%C2%A73%5D&Sort=1&SortType=desc&Page=1&PageSize

=20&searchWord=%EC%A0%84%EC%B2%B4%3D%5E%24%EB%AF%

B8%EC%84%B8%EB%A8%BC%EC%A7%80%20%EC%A0%9C%EA%B1

%B0%5E*&SearchAll=%EB%AF%B8%EC%84%B8%EB%A8%BC%EC%

A7%80%20%EC%A0%9C%EA%B1%B0&Multimedia=0&isFullText=0&is IdentifyAuthor=0>