< 연구 결과요약서 >

< 연구 결과요약서 >

소 속 학교 이름 시흥매 화고등 학교 책 임 지 도 교 사 강O 화 공 동 지 도 교 사 박O 우 참여 학생 이름 김O 진, 이O영, 최O혁 , 유O 호

과 제 명 해파리접착제와 볏짚을 이용한 황토 벽돌 제작 및 단열성 연구

연구목표 버려지는 볏짚과, 해파리를 이용해 만든 접착제를 통한 황토벽돌(보드)의 강도, 단열성을 향상시키는 것으로 한다.

연구개요 및 내용

1. 이론적 배경 및 선행연구 가. 해파리의 구성 물질

해파리에는 젤라틴 질로 된 두꺼운 중교층이 존재한다. 이 젤라틴을 염기성 추출법으로 추출하여 접착제를 제작할 수 있으며, 이를 사용해 황토벽돌의 강도와 단열성을 개선 할 수 있다.

나. 선행연구 조사

1) 해파리를 이용한 천연 접착제 제작 (2017년 본인 실험)

물로 씻은 해파리를 각각 40g씩 0.5몰 HCl과 NaOH를 80ml 산성처리 후 염기성 처리하 는 추출 방법을 사용하는 것이 가장 효율적임을 확인할 수 있었고, 혼합한 전분 종류의 비율에 따른 접착력 비교에서 전분의 비율이 높아지면서 접착력이 올라가는 것을 확인 할 수 있었다.

2) 건축재로써 황토 자원에 관한 연구 (2007 오정민)

볏짚, 목화 등을 이용하여 황토벽돌의 강도를 높이기 위한 연구로써, 볏짚을 사용 하였을 때 황토벽돌의 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

2. 연구 주제 선정(목적 및 필요성) 가. 현재 주로 사용되는 단열재의 문제점

현재 유독가스가 적고, 내화성이 있는 단열재가 주목받고 있는데, 해파리 접착제와 볏짚을 이용해 황토벽돌을 개선하여 친환경적이고 안전한 단열벽돌(단열재)를 제작하 는 것이 목표이다.

나. 해파리의 활용 방법 탐구

해파리는 여러 분야에서 많은 피해를 주고 있는 골칫거리인데, 해파리의 몸은 젤라틴으 로 구성되어 있기에 이러한 해파리를 접착제의 제작에 활용할 수 있으므로, 이 접착제를 통해 황토벽돌의 강도와 단열성을 개선할 수 있을 것이라 생각했다.

3. 연구 방법

가. 해파리 접착제 제작 (염기성 추출 방법)

1) 염분을 없애주기 위해 미지근한 물에 해파리를 30분 담아둔다.

2) 0.1mol 0.3mol, 0.5mol의 NaOH를 해파리에 가한다.

3) 해파리에서 콜라겐을 추출한다.

4) 추출한 콜라겐에 열을 가해주어 접착제를 제작한다.

→ 0.1mol 0.3mol, 0.5mol의 NaOH를 12시간 동안 가한 결과 0.5mol의 NaOH를 가해 해파리 만이 녹아있었음. 이를 바탕으로 0.5mol의 NaOH를 가한 해파리를 가지고 접착제를 만든다.

나. 단열재 제작

1) 전분 접착제 중에서 가장 효과가 좋았던 감자 전분과 물, 황토를 황토 2Kg에 물과 해파리 용액을 비율을 각각 다르게 하여(해파리 비율을 0%부터 10%씩 올리면서 100%

까지) 275ml를 넣어 각각 두 개씩 총 22개를 만든다.

2) 정사각형의 틀에 새로 만든 황토벽돌을 넣어 2주정도 굳힌다.

다. 황토벽돌의 강도 측정

1) 각 황토벽돌에 일정한 간격으로 3cm당 4개 총 12개의 점을 찍어준다.

2) 콘크리트 시험 해머 강도 측정기를 이용해서 12개의 지점의 강도를 측정한다.

3) 모든 점의 강도를 측정한 후 다음 벽돌의 강도를 측정한다.

라. 볏짚 넣은 단열재 제작

1) 황토2Kg에 볏짚 없는 단열재 실험에서 가장 좋은 결과가 나온 해파리와 물의 비율인 50%으로 500ml를 넣어준다.

2) 해파리와 물을 넣은 황토에 볏짚(0.5cm, 1cm, 2cm)을 각cm당 20g, 30g넣어서 1개씩 총 6개를 만든다.

3) 정사각형의 틀에 만든 황토벽돌을 넣어 형태를 만들고 굳힌다.

마. 볏짚과 섞었을 때 강도를 측정

- 위 볏짚 없는 황토 벽돌의 강도 측정과 동일하게 진행한다.

바. 단열 측정

1) 스티로폼 박스의 뚜껑에 단열 판의 크기보다 조금 작은 직사각형 모양의 구멍을 뚫는다.

2) 비커에 물을 담고 가열하여 90도로 맞춘다.

3) 비커를 박스 안에 넣은 뒤, 각 단열 판을 올려 MBL 온도센서로 상자 내부의 온도와 단열 판의 상자 외부 쪽 표면 온도를 비교하고 노트와 사진으로 기록한다.

사. 벽돌의 재질별 단열성 측정

1) 스티로폼 박스의 뚜껑에 벽돌들의 크기보다 조금 작은 직사각형 모양의 구멍을 뚫는다.

2) 비커에 물 500mL를 담고 가열하여 90도로 맞춘다.

3) 비커를 박스 안에 넣은 뒤, 시멘트 벽돌, 시판 황토 벽돌, 볏짚을 섞은 황토 벽돌을 올려 MBL 온도 센서로 상자 내부의 온도와 벽돌의 상자 외부 쪽 표면 온도의 차를 구한다.

4) 결과를 비교한다.

연구성과

1. 연구 결과 가. 접착제의 제작

해파리에서 콜라겐을 추출해서 전분과 혼합하여 접착제를 만들 수 있었다. 그 중에서도 감자 전분이 가장 천연 접착제 중에서 가장 효과가 좋았다.

< 연구 결과보고서 >

나. 해파리 접착제와 물의 최적의 투입 비율

물과 해파리 접착제의 투입 비율을 조절해가며 황토벽돌을 제작해 강도를 측정해 본 결과, 물과 해파리 접착제를 섞는 비율이 50:50에 가까워질수록 황토의 강도가 증가하였 다.

다. 가장 적절한 볏짚의 형태

볏짚을 자르는 크기와 투입량을 조절해가며 황토 벽돌을 제작하여 강도를 측정한 결과, 해파리 0.5cm에 30g이 최댓값15, 최솟값 11로 최솟값이 가장 높아 어떤 상황에서 도 가장 안정적인 벽돌로 확인되었다.

라. 황토벽돌의 열 전도성 측정

황토벽돌의 해파리 농도를 0%부터 100%까지 10%단위로 벽도를 제작한 뒤 열 전도성을 측정한 결과 해파리 농도가 높아질수록 열 전도성이 낮아진다는 것을 알게 되었다. 이를 통해 해파리의 농도가 90%일 때 가장 효율적이고 경제적이라는 결론을 도출하게 되었다.

마. 벽돌의 재질별 단열성 측정

각 벽돌들의 크기가 너무 달라서 제대로 된 결과 비교는 불가능했지만, 시판 황토 벽돌의 단열성이 비슷한 두께의 시멘트 벽돌보다 떨어지지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

2. 시사점

본 연구를 통해 버려지는 해파리를 염기 처리하여 젤라틴을 추출하는 방법에 관하여 지식을 쌓는 경험을 할 수 있었으며 이는 후속 연구를 위한 연구 자료로도 가치가 있다 생각하며 본 연구를 통해 부산물에 관한 인식을 바꾸고, 적절히 활용하며, 황토 단열재의 단점을 보완해 좀 더 다양한 곳에 활용할 수 있을 것이다.

주요어

(Key words) 해파리, 접착제, 볏짚, 황토, 콜라겐, 단백질, 염기 처리, 단열성

1. 개요

□ 연구목적

○ 친환경 단열재의 황토보드의 강도 향상

학교 주변에는 농지가 많이 있어 가을이면 논 주변에 버려지는 볏짚을 많이 볼 수 있다. 이러한 볏짚을 이용하여 황토보드의 강도를 높일 수 있을 것이다.

해파리는 식용으로 가능한 것도 있지만, 일반적으로 어업 분야에서 어망이 찢어지고, 발전소의 취수구가 막히고, 해수욕장에서는 해수욕을 하는 사람들이 독소에 쏘이는 등 많은 피해를 주고 있다. 해파리의 몸은 젤라틴으로 구성되어 젤리피쉬라고 한다. 이러한 해파리의 젤라틴을 이용하여 접착제를 만들 수 있을 것이다.

이렇게 피해 생물로 알려진 해파리를 이용하여 만든 천연접착제와 버려지는 볏짚을 사용하여 황토의 활용도를 증대시키는 것이 목적이다.

□ 연구범위

가. 해파리 접착제 제작 1) 염기성 추출 방법

2) 염기성 추출 후 염산으로 중화시켜주는 방법 나. 해파리 접착제에 전분 추가

다.

황토벽돌 제작 및 강도측정

1) 해파리 접착제의 비율별 황토벽돌 제작

2) 해파리 접착제의 비율별 황토벽돌의 강도측정 3) 볏짚 넣은 황토벽돌 제작

4) 볏짚을 섞은 황토벽돌의 강도측정 라. 1차 단열실험

마. 2차 단열실험

바. 미세먼지 측정 실험 사. 공기 질 측정 실험

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

1) 황토 : 주로 실트 크기의 입자들로 구성되어 있으며, 탄산칼슘에 의해 느슨하게 교결되어 있는 연황색 퇴적물. 황토는 대개 균질하고 층리가 발달 되어 있지 않으며, 공극률이 크다. 또한, 퇴적층을 수직 방향으로 갈라지게 하는 수직한 열 극들이 발달해 있다.

2) 해파리 : 해파리는 분류학상 자포동물문의 해파리강과 유즐 동물문(Ctenophora)의 빗 해파리 류로 크게 나뉜다. 보통 우산 모양이고 가장자리에 촉수가 나 있는데, 우산 부분은 바깥쪽의 외산과 아래쪽의 내산으로 되어있으며, 둘 다 속에 젤라틴질로 된 두꺼운 중교층이 들어 있다. 위강은 내배엽층으로 둘러싸여 있고 내산 쪽에 위사가 붙어 있다. 입은 내산의 중앙에 있으며, 구병은

보통 4구완으로 갈라진다.

3) 볏짚 : 벼를 탈곡하고 남는 줄기와 잎 부분으로 고 간류 중 국내에서 가장 많이 사용되는 것으로서 다른 짚 류 보다 사료가치는 높으나 건초보다는 낮다. 이용률을 높이기 위한 방법으로 가성소다(NaOH) 또는 암모니아로 처리하여 주로 소의 먹이로 사용된다.

4) 벽돌 : 점토를 구워 압축한 단단한 블록으로, 모르타르를 이용해 일렬로 쌓아서 벽, 칸막이, 굴뚝 등 다양한 조적 공사를 한다.

5) 콜라겐 : 콜라겐은 동물의 뼈와 피부에 주로 존재하며 연골, 장기 막, 머리카락 등에도 분포되어 있는 경단백질로 물고기 비늘의 성분이기도 하다. 교원질이라고도 하며 섬유상 고체로 존재한다.

전자현미경으로 보면 복잡한 가로무늬 구조로 되어있으며 물·묽은 산 ·묽은 알칼리에 녹지 않지만 끓이면 젤라틴이 되어 용해된다.

6) 열전도 : 열에너지가 물질의 이동을 수반하지 않고 고온부에서 저온부로 연속적으로 전달되는 현상. 주로 고체 내부에서 일어난다. 물질의 종류에 따라 전도되는 속도가 크게 다르므로 이를 열전도도로 표시하여 나타낸다. 열전도에 의해 물체 내부에서 열이 전달속도는 물질 종류에 따라 큰 차이가 있다. 예를 들면 구리·철과 같은 도체인 경우에는 열이 매우 빠르게 전달되지만, 황·플라스 틱과 같은 절연체인 물질의 경우에는 느리게 전달된다. 또 액체·기체는 고체에 비해 열전도가 매우 느리고 그 일부에 가해진 열을 전체에 확산시키기 어렵다.

나. 선행연구

1) 황토를 이용한 목모보드 성능향상 실험(2016년 본인 실험)

황토에 볏짚, 밀가루 풀, 종이박스를 혼합한 결과 볏짚을 사용한 것이 가장 갈라짐이 적었고 그 중 황토: 볏짚: 물이 25:3:15인 것이 가장 갈라짐이 적은 것을 확인 할 수 있었다.

0 5 10 15 20

황토 황토+상자 30:01:01 24:04:15 25:03:15

3~4cm의 균열 개수

3~4cm의 균열…

제작 후 12시간이 지난 후 황토에서 생기는 균열의 개수(3~4cm 당 1개)를 측정하였다. 그냥 황토는 19개의 균열 이 생겼고, 물에 불린 종이박스를 혼합 한 황토는 11개, 황토: 볏짚: 물의 비율 에 따라 30:1:1은 5개, 24:4:15는 2개가 생겼고 25:3:15는 눈에 띄는 균열이 없 었다.

2) 해파리를 이용한 천연 접착제 제작(2017년 본인 실험)

물로 씻은 해파리를 각각 40g씩 0.5몰 HCl과 NaOH를 80ml, 100ml, 120ml씩 넣어 산성처리 후 염기성 처리하는 추출 방법을 사용해 추출한 뒤 접착실험을 진행하였다. 처리 용액이 80ml일 때 용액 사용 양이 적다는 점과 접착력이 더욱 좋다는 점에서 가장 효율적임을 확인할 수 있었다.

화학 처리 80(28.31N) 화학처리 100(21.17N) 화학처리 120(24.58N) 혼합한 전분 종류의 비율에 따른 접착력 비교 : 전분의 비율이 높아지면서 접착력이 올라 가는 것을 확인할 수 있었다.

2:1같은 경우는 들어간 전분의 양이 2배 이상 들어갔지만 접착력이 비슷한 것으로 보아 3:1이 가장 효율적이라는 결론을 내릴 수 있었고, 4:1 또한 3:1과 큰 차이가 없기 때문에 실제 사용 시에 는 4:1로 하는 것이 더욱 경제적이라는 결론을 내릴 수 있었다.

3) 접착제를 이용한 황토의 강도 측정

강도측정 실험으로 교내의 하중 측정기 와 MBL 센서를 사용하여 단열재를 눌러 서 부셔질 때 사용된 최대 힘으로 기준으 로 단열재의 강도를 비교하였다. 접착제, 볏짚을 섞은 황토는 기존 황토에 비해 3000N을 넘기는 정도로 강도가 강해졌다.

4) 방사선을 이용하여 해파리로부터 콜라겐 분리방법 (2013) 한국원자력연구원 임윤묵

해파리를 세척 및 분쇄한 후 방사선을 쐬어주어 의료용 콜라겐 추출 방법에 관한 탐구를 진행한 실험이다. 이를 통해 해파리에 방사선을 쐬어주면 콜라겐이 추출되고 그 콜라겐을 의료용으로 사용할 수 있는 것을 알게 되었다. 하지만 우리는 방사선을 사용하지 못하기 때문에 다른 방법을 사용하여 해파리에게서 콜라겐을 추출할 것이다.

5) 해파리로부터 콜라겐의 추출최적화 및 물리화학적 특성 해석 (2008) 부경대학교 교육 대학원 해파리의 점도 측정 방법 및 결과 분석, 수산생물로부터 콜라겐을 추출하는 방법 및 성질에 관한 탐구를 보고 해파리로부터 콜라겐을 추출 할 수 있는 또 다른 방법인 알칼리성 추출 등을 참고하여 실험계획을 할 수 있었다.

6) 지렁이 점액질의 추출방법(1997) 홍정숙

지렁이 체내에 형성된 점액선 등을 효율적으로 다량 수거할 수 있는 방법에 대한 탐구이다.

이를 해파리에 활용하고자 했지만 콜라겐 추출 방법이 자료가 오래된 내용이라 학교에서 구할 수 없는 것이 많아서 실험 방법을 사용하지는 못하였다. 하지만 지렁이를 통해 콜라겐을 추출할 수 있으며 그것을 이용하여 화장품의 원료로 사용할 수 있다는 것을 알게 되어 해파리 콜라겐 또한 화장품으로도 이용될 수 있을 것이라고 생각하였다.

7) 해양폐기물의 천연 접착제와 폐 생체고분자를 이용한 실내의 공기 개선에 효과적인 황 토벽돌의 제조(2015) 박재성 정재현 이동호

접착력을 향상시키는 해양폐기물의 생분해성 접착제인 도박을 사용하여 아토피 등에 효과 적이라는 밀감껍질, 사과껍질, 바나나껍질을 황토재료들과 섞어 복합재료를 제작해 실내의 공 기개선에 효과적인 생태 친화적인 건축용 내장재가 될 수 있는지를 확인한 연구이다. 이 연 구에서 천연접착제를 이용한 황토벽돌의 제조 및 실험방법을 일부 참고했고, 황토벽돌과 폐 생체고분자를 이용해 공기를 개선할 수 있을 것이라는 사실을 확인했다.

8) 건축재로써 황토 자원에 관한 연구(2007) 오정민

볏짚, 목화 등을 이용하여 황토벽돌의 강도를 높이기 위한 연구이다. 자체연구뿐 아니라 타 연구에서도 볏짚을 이용한 황토벽돌의 강도 개선을 확인한 것을 알 수 있었고, 목화를 활용 하는 것이 황토 벽돌의 강도 개선에 효과가 좋다는 것을 알 수 있었지만 본 연구에는 적용하 지 않았다.

○ 선행연구와의 차별성

앞선 기존의 선행연구에서는 기관에서 진행한 실험이기 때문에 해파리에서 콜라겐을 추출 할 때 방사선을 사용하여 추출하였지만 본 연구에서는 해파리에서 콜라겐 추출 시 방사선 사 용이 불가능한 신분과 환경에서 실험을 하였기 때문에 화학 물질을 이용해 콜라겐을 추출하 여 실험을 진행하였고 직접 추출한 해파리의 콜라겐을 이용하여 접착제를 제작하였다. 그러 나, 해파리만 사용할 경우에는 접착력이 떨어졌기 때문에 접착력 향상을 위하여 전분을 추가 하여 접착제를 제작하였다. 이렇게 제작한 접착제를 사용하여 직접 황토를 사용해 단열재를 만들었다.

□ 연구주제의 선정

가. 바다에서 문제되고 있는 해파리의 실용가능성 탐색

1) 현재 해파리는 바다의 불청객이라고 불릴 정도로 피서객에게 많은 피해를 주고 있다.

또한 어민들의 어업활동에 있어 어획 시간 증가와 어획물 품질 저하 등의 많은 문제를 야기하 고 있다. 이는 연간 최대 약 3000억의 피해를 입히고 있다.

2) 식용으로 해파리를 사용할 수는 있지만 먹을 수 있는 해파리는 한정적이고 가장 피해를 많이 발생시키며 우리나라에서 가장 흔한 해파리인 보름달물해파리는 독성이 있어 식용으로도 사용이 불가하다.

3) 해파리를 처리하고 유용하게 활용할 방법을 찾던 도중, 해파리에는 콜라겐이 있다는 것을 알게 되었다. 해파리 안에는 콜라겐이 들어가 있고 이 콜라겐은 추출된 뒤에 열을 가해주면 이들 소수결합이 절단되어 랜덤 코일상의 젤라틴으로 되어 접착력이 생기게 된다. 해파리에서 콜라겐을 추출하는 방법에는 화학물질을 이용하거나 감마선을 쬐어주는 방법이 있지만 감마선은 학생의 신분으로는 사용할 수 없기 때문에 화학물질을 이용해 추출하는 방법을 사용할 것이다. 젤라틴은 천연단백질을 뜨거운 물로 처리하면 얻어지는 유도 단백질의 일종이다.

나. 친환경적인 난연성 단열재로의 가능성

1) 단열성과 내화성, 화재 시 유독가스의 배출 정도를 모두 만족하지만 갈라지고 미세먼지를 발생시킨다는 문제가 있는 황토 단열재를 개량할 방법을 찾던 방법에서 해파리를 단열재와 볏짚을 이용해 황토벽돌의 강도를 강화하는 방법이 있었다.

2) 황토와 볏짚, 해파리 모두 자연에서 구할 수 있으며, 이것들을 이용해 단열재를 만드는 과정에서 도 오염은 거의 발생하지 않는다. 그러므로 친환경적이며 난연성을 가지고 있는 단열재(단열벽돌)을 만들 수 있을 것이라고 생각하였다.

3) 황토와 해파리 접착제, 볏짚을 이용해 직접 벽돌을 만들어 보고, 강도 비교와 단열성 비교, 수분량 비교 등을 하여 해파리 접착제와 볏짚을 이용한 황토 단열재(단열 벽돌)이 이상적인 친환경 난연성 단열재인지 확인해볼 것이다.

□ 연구 활동 및 과정

가. 해파리 접착제 제작 (염기성 추출 후 염산으로 중화시켜주는 방법)

1) 가설 : 염기성 추출 방법 후 염산으로 중화시켜주는 방법으로 해파리 접착제를 제작할 수 있을 것이다.

2) 실험 방법

가) 염분을 없애주기 위해 미지근한 물에 해파리를 30분 담아둔다.

나) 0.1mol 0.3mol, 0.5mol의 NaOH를 해파리에 가한다.

다) 해파리에서 콜라겐을 추출한다.

라) 염기성인 NaOH를 없애기 위해 산성용액인 HCl을 이용하여 중화시킨다.

마) 추출한 콜라겐에 열을 가해주어 접착제를 제작한다.

그림 1 염기성추출 후 염산으로 중화

→ 사진에서 보는 것과 같이 염기성 용액으 로 24시간 교반 후 염산으로 중화 반응을 하면 해파리의 상태가 염기성 처리를 하지 않을 때와 비슷하게 되었다.

나. 해파리 접착제 제작 (염기성 추출)

1) 가설 : 염기성 추출 방법으로 해파리 접착제를 제작할 수 있을 것이다.

2) 실험 방법

가) 염분을 없애주기 위해 미지근한 물에 해파리를 30분 담아둔다.

나) 0.1mol, 0.3mol, 0.5mol의 NaOH를 해파리에 가한다.

다) 해파리에서 콜라겐을 추출한다.

라) 추출한 콜라겐에 열을 가해주어 접착제를 제작한다.

→ 수산화 나트륨 용액에서 24시간 교반 후 열을 가하면 해파리의 형체가 없어짐을 확인할 수 있었다. 그러나, 종이에 접착력을 확인한 결과 접착력이 낮아서 전분을 추가하기로 하였다.

다. 해파리 접착제에 전분 추가

1) 가설: 전분 접착제는 해파리 접착제의 접착력을 보강해 줄 것이다 2) 실험 방법

가) 염기성 처리를 한 해파리 접착제에 전분을 3% 중량비로 첨가하여 혼합한다.

나) 위의 혼합액을 걸쭉해질 때까지 가열한다.

라. 황토벽돌 제작 및 강도 측정

1) 해파리 접착제의 비율별 황토벽돌 제작

가) 물 : 해파리 접착제(+전분) = 1:1로 총 275ml를 황토 1.8Kg과 섞어 각각 두 개씩 총 22개를 만든다.

나) 직사각형의 틀에 만든 황토를 넣어 2주정도 굳힌다.

→ 문제점 및 해결방안

해파리 접착제와 물의 비율을 물 100%부터 시작하여 접착제 비율을 10% 씩 증가하면서 접착제 의 효과를 확인하려고 하였다. 물만 들어갔을 때는 황토 1kg 당 물 75ml로를 넣으면 적당하였으나, 해파리 접착제가 많이 추가될수록 황토가 뭉쳐지지 않고 겉도는 경우가 많아서 황토 1.8Kg 에 물(접착제) 275mL로 제작하였다. 황토가 달라진 두 번 째 실험에서는 흙의 차이 때문에 황토가 겉도는 느낌이 많아져서 황토 2Kg에 물(접착제) 360mL를 섞어 제작하였다.

2) 해파리 접착제 비율별 황토벽돌의 강도측정

가) 가설: 해파리 접착제의 투입량이 많을수록 벽돌의 강도는 높아질 것이다.

나) 실험 방법

① 강도를 측정하고자 하는 황토벽돌(접착제 0%부터 10%씩 100%까지)에 일정한 간격으로 3cm당 4개 총 12개의 점을 찍어준다.

② 첫 번째 점에 콘크리트 시험 해머 강도 측정기의 끝부분을 올린다.

③ 콘크리트 시험 해머 강도 측정기를 이용해서 강도를 측정해 준다.

④ 콘크리트 시험 해머 강도 측정기에 표시된 강도와 벽돌의 상태를 기록한다.

⑤ 오른쪽 점으로 강도 측정기를 이동시켜 강도를 측정하고 기록한다.

⑥ 모든 점의 강도를 측정한 후 다음 벽돌의 강도를 측정한다.

→ 강도를 평가할 때에는 건설용 자재로 사용될 것이므로 약한 부분이 없는 것을 중요하게 생각해

강도의 최솟값을 최우선으로, 다음을 평균값, 다음을 최댓값으로 기준 삼아 평가하였다.

이 실험에서 가장 좋은 결과가 나온 물과 해파리 접착제 투입 비율을 볏짚을 투입한 황토벽돌의 제작에 사용하였다.

그림 2 해파리비율10%

황토벽돌 강도 측정

3) 볏짚 넣은 황토벽돌 제작

가) 황토 2Kg에 볏짚을 넣지 않은 단열재 실험에서 가장 좋은 결과가 나온 투입 비율인 해파리 접착제 : 물 = 1 : 1로 500mL를 투입한다.

나) 해파리와 물을 넣은 황토에 볏짚을 0.5cm, 1cm, 2cm로 각각 20g, 30g 투입하여 총 6개를 만들어 준다.

다) 직사각형의 틀에 만든 황토를 넣어 2주 정도 굳힌다.

4) 볏짚을 섞은 황토벽돌의 강도측정

가) 가설: 볏짚이 많이 함유되었을수록 볏짚의 강도가 높아질 것이다.

나) 실험 방법

① 볏짚을 0.5cm, 1cm, 2cm로 절단한다.

② 각각의 볏짚을 20g, 30g씩 넣어서 각각 두 개씩 총 6개를 제작한다.

③ 콘크리트 해머를 이용해서 강도를 측정한다.

그림 4 0.5cm 볏짚 벽돌 그림 5 1cm 볏짚 벽돌 그림 5 2cm 볏짚 벽돌

마. 단열성 확인 1) 1차 단열실험

가) 가설: 해파리 접착제의 투입량이 많을수록 플레이트의 전도도가 낮을 것이다.

나) 실험 방법

① 단열 측정을 위해 해파리 비율 0%부터 10%씩 높여 100%까지 총 11개의 단열 판을 제작한 다.

② 125도로 가열된 핫플레이트 위에 황토벽돌을 절반 정도 올려놓는다.

③ 핫플레이트의 온도를 180~200도까지 높이며 황토의 온도변화를 MBL 온도 센서로 온도 변화를 기록한다.

→ 문제점 및 해결방안

황토의 차이로 물과 해파리 접착제의 투입량을 늘려가며 플레이트를 제작하였지만 물 100%

황토판과 해파리 100% 황토판은 건조 중 크랙이 생겨 제외하고 실험하였다.

실험 후 과정을 평가해 본 결과, 우리가 실시한 실험의 과정이 일반적인 단열실험과 많이 달랐던 것을 확인하고 신뢰성과 객관성이 부족하다고 판단하여 일반적인 단열 실험 방법과 좀 더 가까운 방법으로 실험을 재설계하여 다시 진행해보기로 하였다.

그림 6 열의 전도 확인 실험 2) 2차 단열실험

가) 가설 : 해파리 접착제의 투입량이 많을수록 플레이트의 단열성이 높을 것이다.

나) 실험 방법

① 스티로폼 박스의 뚜껑에 단열판의 크기보다 조금 작은 직사각형 모양의 구멍을 뚫는다.

② 비커에 물500mL를 담고 가열하여 90도로 맞춘다.

③ 비커를 박스 안에 넣은 뒤, 각 단열판을 올려 MBL 온도 센서로 상자 내부의 온도와 단열판의 상자 외부 쪽 표면 온도를 비교하고 기록한다.

④ 실험 후 단열성이 가장 높은 플레이트 2개만 남겨 이후 실험에 사용하였다.

그림 7 단열 실험

바. 미세먼지 측정 실험

1) 가설 : 해파리 접착제 비율 60%의 플레이트가 미세먼지를 덜 발생시킬 것이다.

2) 실험 방법

가) 큰 스티로폼 박스에 삼발이를 놓고 그 위에 알코올램프를 올린다.

나) 알코올램프를 올린 삼발이 위에 단열 판(해파리 60%, 70%)을 올려놓고 불을 붙인다.

다) 스티로폼 박스 안에 미세먼지 측정기를 같이 넣고 공기가 들어오지 않도록 해준다.

라) 5분 동안 미세먼지를 측정기로 스티로폼 박스 안에 있는 미세먼지를 측정한다.

그림 8 미세먼지 측정 실험 과정

→ 문제점 및 해결방안

실험 시 내부의 상태가 측정 불가 상태까지 나빠져 측정이 불가하였다. 이는 알콜 램프에서 나오는 불연소 기체나 그을음 때문이라고 생각하였다. 그래서, 측정 대상을 황토 단열재의 제작 목적에 좀 더 맞은 포름알데히드 및 VOC(유기 휘발성 물질)로 바꾸어 새 실험을 설계하였다.

사. 공기 질 측정 실험

1) 가설 : 해파리 접착제 비율 60%의 플레이트가 포름알데히드와 VOC를 덜 발생시킬 것이다.

2) 실험 방법

가) 큰 스티로폼 박스 안에 작은 스티로폼 박스를 설치하고 내부 상자에 밖으로 이어지는 관을 2개 설치한다.

나) 내부 상자의 뚜껑을 테두리만 남기고 절단한다.

다) 황토 판을 내부 상자의 뚜껑 위에 올리고 테이프로 틈을 막는다.

라) 외부 상자에 포름알데히드, TVOC 측정기를 설치한다.

마) 내부 상자 안에 알코올램프를 설치하고 황토 판을 가열하여 내부 상자에서 세어 나오 는 포름알데이드와 TVOC를 측정한다.

→ 문제점 및 해결방안

미세먼지 측정 이후, 포름알데히드와 TVOC 측정을 시도하였으나 항상 측정 장치의 용량 을 초과하여 정확한 측정이 불가능하였다. 그 이유는 알코올램프가 불완전 연소로 인하여 유 해 유기물질을 발생시키기 때문이라고 생각하여 학교에서 이 공기질이나 연소 시 유해 유기 물질 발생 정도 확인은 불가능하다고 판단되어 전문적인 기관에 의뢰해야 한다는 판단을 하 였다.

그림 9 공기 질 측정 실험 그림 10 공기질 측정 실험장치

아. 벽돌의 재질별 단열성 측정

1) 가설 : 황토 벽돌의 단열성은 다른 벽돌들보다 우수할 것이다.

황토 벽돌이 시멘트 벽돌이나 적벽돌과의 단열 정도를 확인하기 위하여 실험을 진행함.

2) 실험 방법

가) 스티로폼 박스의 뚜껑에 벽돌들의 크기보다 조금 작은 직사각형 모양의 구멍을 뚫는다.

나) 비커에 물 500mL를 담고 가열하여 90도로 맞춘다.

다) 비커를 박스 안에 넣은 뒤, 시멘트 벽돌, 시판 황토 벽돌, 볏짚을 섞은 황토벽돌을 올려 MBL 온도 센서로 상자 내부의 온도와 벽돌의 상자 외부 쪽 표면 온도의 차를 구한다.

라) 단열판의 단열성 측정 결과를 포함하여 내용을 그래프로 정리하고 결과를 비교한다.

그림 11 시판 황토 벽돌, 볏짚이 섞인 시판 황토 벽돌, 콘크리트 벽돌의(좌측부터)

그림 12 시판 황토벽돌 그림 13 시판 시멘트 벽돌 그림 14 시판 적벽돌

→ 문제점

이전에 제작했던 단열 플레이트는 20.5×20×2.5cm인 반면, 시멘트 벽돌은 19×9×5.5cm, 시판 적벽 돌은 21.7×11.5×5cm, 볏짚이 섞인 시판 황토 벽돌은 30×15×10cm로, 크기가 각각 너무 달라 실험의 결과가 정확히 나오지 않았으며, 특히 볏짚이 섞인 황토벽돌의 경우 크기가 너무 커서 온도의

변화가 아예 일어나지 않았다. 이러한 이유 때문에 제대로 된 비교는 불가능했고, 황토벽돌의 단열성 은 다른 벽돌과 큰 차이가 나는지 정도만 확인할 수 있었다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

가. 해파리 접착제의 비율별 황토벽돌의 강도측정

각 벽돌의 강도측정을 완료한 후 결과를 표와 그래프로 정리하고, 실험 결과를 바탕으로 가장 적절한 물과 해파리 접착제의 투입 비율을 결정하였다. 황토 벽돌(단열재)이 건축에 사용될 것을 생각해 벽돌에서 약한 부분이 없는 것이 가장 중요하고, 다음은 전체적으로 강도가 강한 것이 중요하다고 생각하여 강도의 최솟값을 최우선 기준으로, 평균값을 두 번째 기준으로 판단한 결과, 물과 해파리 접착제를 1:1의 비율로 섞었을 때 강도의 최솟값 5, 평균값 8.41로 가장 강도가 강하다고 결론지었다

.

비율

강도 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

최대값 12 12 12 12 10 11 10 10 12 10 12

최소값 5 4 5 3 4 5 3 3 4 4 4

평균값 8.17 6.33 7.89 7.58 6.5 8.41 7.08 5.58 6.5 5.83 7.83 표 1 해파리 접착제 비율별 황토벽돌 단열재의 강도측정

그림 15 해파리 접착제 비율별 황토벽돌 단열재의 강도측정 표

나. 볏짚과 섞었을 때 강도를 측정

이전 실험에서 강도가 가장 좋은 것으로 확인한 물과 해파리 접착제의 비율을 1:1을 기본으로 황토벽돌을 제작하였으며, 볏짚의 길이와 양만 변화시켰다.

벽돌의 강도측정을 완료한 후 결과를 표와 그래프로 정리하고, 실험 결과를 바탕으로 가장 적절한 볏짚의 절단법 및 투입량을 결정하였다. 강도의 최솟값을 최우선 판단 기준으로, 평균값을 두 번째 기준으로 평가한 결과, 0.5cm에 30g이 최댓값 15, 최솟값 11로 최솟값이 가장 높아 어떤 상황에서도 가장 안정적인 벽돌로 확인되었다.

볏짚 길이/양

강도 없음 0.5㎝/20g 0.5㎝/30g 1.0㎝/20g 1.0㎝/30g 1.5㎝/20g 1.5㎝/30g

최대값 18 19 18 14 18 14 15

최소값 4 7 11 2 8 6 6

평균값 11.8 14.6 13.7 9.8 11.6 10.3 11.3 표 2 볏짚의 절단법 및 투입량별 황토벽돌의 강도측정

그림 16볏짚의 절단법 및 투입량별 황토벽돌의 강도측정 그래프 다. 단열 측정

1) 1차 실험

해파리 90%에서 가장 전도가 적게 일어났으나, 다른 판들과 큰 차이는 없었다. 실험 종료 후 본 실험의 방법이 객관성과 신뢰성이 떨어지고, 일반적인 단열실험과 많이 다른 방법으로 진행되었 다고 판단하여 다른 연구나 실험 사례 등을 참고하여 실험을 재설계하고 진행하였다.

그림 17 1차 단열실험 결과 그래프

2) 2차 실험

상자 내부에 90℃의 물 500㎖를 넣고, 단열재를 덮은 후, 단열재 위의 온도를 측정하였다.

실험 후 상자 내부의 온도와 상자 외부의 온도차를 계산하여 표와 그래프로 나타내고, 이를

바탕으로 내부의 열을 외부로 가장 조금 내보낸 단열판을 선택하였다. 비교 결과, 해파리 접착제 비율 70%의 단열판이 내부의 열을 가장 조금 내보냈고, 다음으로 해파리 접착제 비율 60%의 단열판이 내부의 열을 가장 적게 내보낸 것을 확인할 수 있었다.

온도 차 시간(분)

해파리 10%

해파리 20%

해파리 30%

해파리 40%

해파리 60%

해파리 70%

해파리 80%

1 3.83 5.31 3.19 4.85 5.58 9.56 4.49

2 3.78 5.28 3.15 4.82 5.55 9.60 4.49

3 3.74 5.27 3.10 4.79 5.42 9.53 4.46

4 3.76 5.26 3.07 4.79 5.39 9.53 4.45

5 3.74 5.23 3.05 4.75 5.35 9.49 4.43

6 3.72 5.22 3.03 4.73 5.34 10.19 4.42 7 3.72 5.16 3.02 4.69 5.47 11.69 4.40 8 3.64 5.13 2.97 4.67 6.40 11.27 4.40 9 3.66 5.15 2.94 4.63 6.37 11.67 3.34 10 3.62 5.10 2.92 5.65 6.35 12.01 3.34

표 3 2차 단열실험 결과

그림 19 2차 단열 측정 실험 결과 그래프

4. 홍보 및 사후 활용

가. 버려지는 볏짚과 해파리의 긍정적 활용

마땅히 활용할 곳이 적어 버려지는 볏짚들, 해양 부산물로 여러 피해를 입히면서도 마땅히 활용할 곳이 없는 해파리들을 좋은 방향으로 소비할 수 있을 것이다.

나. 황토를 이용한 단열재의 적용

여러 단점들 때문에 사용되지 못했던 황토 단열재가 좀 더 다양한 곳에 활용될 수 있을 것이다.

5. 참고문헌

○ 방사선을 이용하여 해파리로부터 콜라겐 분리방법 (2013) 한국원자력연구원 임윤묵

○ 해파리로부터 콜라겐의 추출최적화 및 물리화학적 특성 해석 (2008) 부경대학교 교육대학원

○ 지렁이 점액질의 추출방법(1997) 홍정숙

○ 건축재로써 황토 자원에 관한 연구(2007) 오정민

○ 해양폐기물의 천연 접착제와 폐 생체고분자를 이용한 실내의 공기 개선에 효과적인 황토벽돌의 제조(2015) 박재성 정재현 이동호