STEAM R&E 연구결과보고서
(연통 내부 표면의 이물질 감소를 위한 모형 설계)
2017. 11. 30.
인천남고등학교
< 연구 결과요약서 >
과 제 명
청결히 유지할 수 있는 연통 설계
연구목표
고깃집에서 고기 구이 시에 발생하는 미세 먼지와 기름때를 차단할 수 있는 연통을 설계한다. 이를 통해 기존 고깃집에서 발생하는 화재와 불완전연소로 인한 유해물 질 생성을 예방해 연통 이용자의 건강을 지킨다.
연구내용
고기 구이를 실제로 해보고 미세먼지와 기름때의 움직임을 관찰해보았다. 이를 통해, 연통이 가동되는 동안 연통 하단부의 미세먼지 농도가 일정히 유지되는 것을 알 수 있었다.
조작 변인을 연통 벽면에 붙은 기름의 유무로 하고, 그에 따른 종속 변인을 미세먼지 흡착을 실험했다. 연통 벽면에 미세먼지가 붙게 하는 매개체가 있 다고 결론 내렸고, 기름이 이 매개체의 역할을 하는 것 같았다.
그래서, 우리는 차단막을 사용하여 미세먼지와 기름때가 벽면을 타고 내려오 는 것을 차단하였다.
연구성과
차단막을 사용한 연통의 경제성
기름과 이물질이 쌓인 차단막만 설치하면 기존 연통에 무리없이 사용 가능 하므로 충분히 경제적으로 유해물질을 차단할 수 있다.
기름때 불완전연소로 발생하는 유해물질제거
미세먼지와 기름때가 같이 섞여 이물질이 되어서 불판위로 떨어져서 연소가 되어서 사람들이 섭취하게 된다면 건강의 큰 문제가 생길 뿐만 아니라 이물 질이 연소되어 발암물질이 될 수 있다는 선행연구까지 있다. 우리는 차단막 을 사용하여 기름때가 밑으로 떨어지지 않게 하여 유해물질 발생을 차단할 수 있다.
주요어 (Key words)
미세 먼지, 기름때, 불완전연소, 연통, 차단막
과 제 명 연통 내부 표면의 이물질 감소를 위한 모형 설계
연구목표 연통에서 발생하는 미세먼지와 기름을 차단하는 방법을 개발한다.
연구개요 및 내용
□ 이론적 배경 및 선행연구
○ 유체의 연속 방정식
유체가 유입될 때, 어느 지점에서 유입되는 단면적과 풍속의 곱이 같다는 이론으로 단면적을 다르게 하여 풍속을 증가시키는 데 이용하였다.
□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)
○ 목적
연통 밑으로 방출되어 연통 이용자에게 피해를 주고 화재를 유발하는 미세먼지와 기름을 차단하는 방법을 개발한다.
○ 필요성
해마다 발생하는 연통 화재와 건강에 위해를 끼치는 미세먼지를 차단하기 위해 필요하다.
연구성과
□ 연구방법 및 활동 과정
○ 실험 모형 및 장비
실험 모형은 윗 그림과 같이 제작하였다. 10, 15, 20(cm) 직경을 가진 연통을 각각 하나씩 제작하였고, 미세먼지를 연통에 흡착시키기 위한 유체 유동을 만드는 모터를 각각의 연통에 연결할 수 있도록 하였다. 연통의 직경을 다르게 한 이유는 모터의 풍속 세기에 제한이 있기 때문에, 연통의 단 면적을 줄임으로써 풍속을 더 크게 증가시키기 위함이다.
다음 그림이 실험에 사용한 미세먼지이다. PM10과PM2.5의 크기를 가진 황토 성분의 입자들로 구성되어 있다. 우리는 고깃집에서 발생하는 연기가 주로 미세먼지의 크기(PM 10과 PM2.5>를 가지고 있다는 점에 착안하여 실험용 미세먼지를 사용하였다.
○실험 과정
조작 변인을 연통 벽면에 붙은 기름의 유무로 하고, 그에 따른 종속 변인을 미세먼 지 흡착을 실험했다. 기름은 점성을 가진 액체이기 때문에, 기름이 벽면에 존재하는 연통이 존재하지 않는 연통보다 더 흡착이 잘 될 것이라고 가설을 설정했다. 실험은 다음과 같은 방식으로 진행했다.
1. 직경이 같은 연통에 브러쉬에 기름을 묻혀 실험군은 기름을 바르지 않고, 대조군 은 기름을 바른다.
2. 연통 밑에 동일하게 5g의 미세먼지를 놓고, 모터를 연통과 연결한다.
3. 두 연통에 풍속을 같게 하여 2분간 미세먼지를 빨아드린다.
4. 두 연통의 벽면에 붙은 미세먼지를 확인한다.
실험 결과
실험 1 연통 벽면에 붙은 기름 유무에 따른 미세먼지 흡착 실험
: 기름이 연통 벽면에 존재하는 연통이 존재하지 않는 연통보다 미세먼지 흡착량이 많았다.
: 실험 이후, 연통 벽면의 미세 먼지 유동을 시간을 두고 확인한 결과, 기름을 바른 연통은 액체인 기름의 유동성 때문에 벽면에 흡착된 기름과 미세먼지가 연통 밑으로 떨어졌고, 바르지 않은 연 통은 시간이 지나도 연통 밑으로 떨어지는 미세먼지량이 미미했 다. 이러한 결과로 보았을 때, 연통 내부 벽면의 미세 먼지는 기름 에 의해 연통 밑으로 떨어진다고 생각된다.
한계점
: 연통 내부 기체에 떠다니는 미세 먼지의 유동을 관찰할 수 없었다.
: 동일한 풍속으로 미세 먼지를 빨아들여도 미세 먼지가 시간 당 일정한 양이 올라가 지 않았기 때문에 통제 변인의 통제가 완벽치 못했다.
:연통 벽면에 붙은 미세 먼지의 양이 연통의 질량에 비해 미미해 흡착량의 측정이 어 려웠고, 미세 먼지가 빛을 산란시키는 특징(틴들 현상)을 이용하여 광도의 변화를 측 정하고자 하였으나 이 또한 미세먼지의 양이 적어 주어진 장비로 측정값을 얻어낼 수 없어 육안으로 확인해야 했기에 측정 방법에 오차가 있다.
실험 1에서 확인한 결과에 따르면, 연통 벽면의 미세 먼지의 하강 운동 매개체는 기름이라고 결론내렸다. 다만, 1번 실험은 기름을 한 번 벽면에 바르고 추가적인 기 름 유입이 없었기 때문에 실제 고기 구이 시 기름 발생을 완전히 재현하지 못했다고 생각했다. 그래서, 실제로 고기 구이를 진행할 때 미세 먼지와 기름이 어떻게 발생하 는지 알기 위해 2번 실험을 진행하였다.
1. 삼겹살 약 50g을 후라이팬에 놓고, 모터를 이은 연통을 후라이팬 바닥보다 30cm 정도 높은 지점에 설치한다.
2. 핫플레이트로 후라이팬을 가열하고, 모터를 가동시켜 삼겹살이 가열됨에 따라 발생하는 연기를 빨아드린다.
3. 고깃집에서 연통이 손님이 있는 동안 계속 가동하는 점에 착안 하여 고기가 익으면, 50g의 고기를 투입하여 1~2번을 반복한다.
4. 연기를 빨아들이는 연통에서 기름과 미세먼지가 벽면을 따라 떨 어지는 지 관찰한다. 또한, 미세먼지 농도 계수기를 이용하여 실험 의 진행되는 동안 연통 하단 부분에서 미세먼지 농도의 변화를 관찰한다.
실험 결과
: 연통 벽면에 발생하는 기름은 방울의 형태를 띠었다. 연기를 계속해서 흡수함에 따 라 기름방울의 개수와 크기는 증가하는 경향을 보였고, 크기가 큰 방울이 연통 밑으 로 떨어지는 경향을 보였다. 연통의 표면적에 영향을 받는 것이라 생각된다.
: 연통을 가동시킨 채로 삼겹살을 4번 교체시켰을 때(실험 과정 1~2를 4번 반복하였 을 때), 연통에서 기름방울이 떨어졌다.
: 연통 하단부의 미세 먼지 농도는 초기에 80~90㎍/㎥에 도달해서, 실험이 진행되는 동안 80~90㎍/㎥를 일정하게 유지하였다. 고기구이를 마치고 연통의 모터를 끄고 난 후, 미세먼지 농도를 측정하였더니 700㎍/㎥로 증가하다가 150㎍/㎥까지 서서히 감소
실험 2 고기 구이 시 발생하는 미세 먼지와 기름 관찰
하였다. 모터가 가동되는 동안, (연기로 유입되는 미세먼지량)=(모터로 인해 연통 외 부로 빠져나가는 미세먼지량)+(연통 내부의 미세먼지량)+(연통 하단부에 공급되는 미 세먼지량)으로 평형을 이루어, 모터가 가동을 중지했을 때 연통 내부의 미세먼지가 하단부로 모이는 것으로 생각된다. 결과적으로 모터가 가동되는 동안 연통 하단부의 미세먼지 농도는 일정하다.
: 연통에 붙은 기름은 모터가 가동되는 동안 유동성을 유지하여 연통 밑으로 떨어지 기도 하였지만, 가동을 멈춘 이후엔 기름이 굳어 기름때가 연통 벽면에 형성되었다.
지금까지의 실험을 통해 두 가지 사실을 알아낼 수 있었다. 첫째, ‘연통 벽면의 미세 먼지의 하강 운동 매개체는 기름이다.’ 둘째, ‘모터가 가동되는 동안 연통 하단부의 미세먼지 농도는 일정하다.’ 따라서, 미세 먼지의 매개체인 기름이 연통 아래로 떨어 지는 것을 차단할 시 연통 하단부는 미세 먼지 80~100㎍/㎥으로 유지되며, 기름때가 떨어지지 않는 환경으로 변한다. 그래서, 연통 하단부에 연통의 기름을 차단시킬 수 있는 조립식 차단막을 껴서 연통 내부의 기름이 하단부로 떨어지는 지, 떨어지지 않 는 지 관찰해보았다.
2번 실험과 동일하게 하되 연통 하단부에 차단막을 낀 후, 기름의 이동을 관찰하였다.
실험 결과
: 연통 하단부의 차단막이 기름이 연통 밑으로 떨어지는 것을 막아주었다.
한계점
: 차단막이 기름이 떨어지는 것을 막아주었지만, 차단막 하단 면이 연기와 직접 맞닿아 기름이 붙는 현상이 관찰되었다.
기름이 연통 밑으로 떨어지는 걸 차단하기 위해선 차단막을 자주 세척하여 청결히 유지할 필요가 있다
□ 시사점
○ 한국의 미세먼지 경고 기준은 100㎍/m³이다. 차단막을 사용할 시, 연통 하단 부분이 80~90㎍/m³로 유지되고 기름과 미세먼지가 연통 밑으로 떨어지지 않으므로 안전하게 사용할 수 있다.
□ 향후 계획
○ 연통 내부 벽면에 남아 있는 기름때와 미세먼지를 제거할 방법에 대해 연구해야 한다. 이를 위해서는 연통 벽면에 외력을 주거나 연통 벽면의 기름 방울을 합칠 수 있는 와이퍼를 이용해 잘 흘러내리도록 하거나, 기름이 달라붙지 않는 재질을 사용하는 방법이 있다.
○ 연통 하단 부분에 설치되는 기름 차단막이 어떤 모양일 때, 가장 효율적으로 기름을 차단할 수 있는 지와 차단막이 실제 고깃집에서 단위 시간 동안 붙는 기름의 양을 측정할 필요가 있다.
실험 3 연통 하단부에 기름 차단막 설치 후 여과 관찰
주요어
(Key words) 연통, 미세 먼지, 기름의 유동성, 조립식 차단막
< 연구 결과보고서 >
1. 개요
□ 연구목적
○ 고깃집에 갔는데, 불판 위에 연기 배출구로 사용되는 연통이 있었다. 고기를 굽던 중, 연통에서 검은색 이물질이 불판으로 떨어지고 있었고, 연통을 보니 검은색 때와 같은 오염물질들이 잔뜩 껴 있었다. 다른 고깃집을 갔을 때도 이와 마찬가지로 연통 내의 이물질이 존재했다. 이러한 연통의 이물질은 고기를 태운 연기에서 발생하는 것이기 때문에 우리 건강에 해로울 것이라고 생각했고, 연기의 성분과 검은색 때에 관한 정보를 인터넷에 검색해보니 벤조피렌과 인데노피렌, 풀러렌 같은 발암성 유기 화합물은 물론 미세먼지와 일산화탄소 같은 유해성분도 포함되어 있다는 것을 알 수 있었다. 우리는 문제를 크게 두 가지로 생각해 보았다. 첫 번째로는 일단 연통의 재로 인한 화재의 위험성, 두 번째로는 인체에 유해한 발암물질이 발생한다는 것 이다.
각종 뉴스나 신문 기사들을 보면 종종 화약고-고깃집 연통에 물이 붙어 화재가 난다는 것을 알아 볼 수 있다. 고깃집에 화재가 나면 인명피해 뿐만 아니라 재산피해가 수백, 수천만원이 웃도는 금액의 재산 피해가 나기도 한다. 이처럼 우리는 기름과 미세먼지 때문에 숯이나 가스로 태운 불이 옮겨 붙어서 우리는 매우 연통 내부 화재가 매우 위험하다고 사료되었다. 그리고 요즘 지구의 환경을 보존하자는 이야기가 많이 들리는데, 연통 내부를 보면 연통 벽면에서 떨어지 는 이물질들이 연소되어 화석연료의 불완전연소 과정에서 발생하며 인체에 축적될 경우 암을 유발하는 환경 호르몬인 벤조피렌이 대기 중으로 쉽게 퍼지게 된다. 또한 단백질의 아미노산과 탄수화물의 당이 가열되면서 퓨란 이라는 물질이 생성되는데 이는 잠재적 발암물질 그룹으로 분류되고 있으며 우리가 잘 알고 있는 타르 속에 포함 되어있는 한 성분이다. 고기를 구울 때 발생하는 물질이 1급 발암물질 이라는 이야기 이다. 이뿐만이 아니다 위에서도 보았듯이 연통 내부에 이물질이 불판이나 식판에 떨어지게 되는데 소비자가 그것을 인식하지 못하여 이물질들 을 섭취하게 되므로 위생상에 문제 또한 생각해 봐야한다. 이렇게 고기집이나 공장 연통의 관리가 소홀해질시 발생하는 문제점들로 인명피해, 재산피해, 생태계 문제, 위생상의 문제 등의 피해를 초래할 수 있다. 이 모든 문제를 위해 공장, 고깃집, 하수구 등의 여러 연통의 이물질을 제거하는 것이 중요하다고 생각했고, 이물질이 보다 덜 생기는 연통의 모형에 대해 관심을 갖게 되었다.
□ 연구범위
○ 고로 우리가 이 연구를 실시하는 목적은 미세먼지와 기름때로부터 청결히 유지할 수 있는 연통을 설계 하는 것이다. 선행 연구를 잠깐 보자면 육류의 불완전 연소로 인해 짙은 냄새와 위생상의 문제가 발생한다는 것인데, 음식물 특히 육류의 불완전 연소로 인하여 발생하는 대기 오염물질은 냄새를 비롯하여, 콜래스테롤, 다환방 향족탄화수소, 유기탄소성 물질, 원소상태 탄소성 물질 수 십 가지가 검출될 수 있다. 또한 육류 자체에도 칼륨이 함유되어 있으며, 간장이 나 소금양념에서 비롯된 나트륨, 염소의 농도도 높은 것을 알 수 있었다. 양념된 육류나 CMB 생고기에서 발생한 미세먼지는 유기탄소 성분이 미세 먼지 농도의 50% 이상으로 매우 높은 결과 값이 나왔다. 연기 속 물리적 흡착이 잘 일어나는 조건과 안 일어나는 조건을 알아보고,
내부에 기름이 묻지 않았을 때와 연통 내부에 기름이 묻었을 때 유체 흐름의 차이점을 비교하여 일상생활에서 고기를 구울 때 오염물질이 떨어지는 이유를 알 수 있다. 또한 연통의 표면적에 따른 연통 표면 오염물질 흡착 정도를 알 수 있다. 이러한 문제들을 보완하고자 고기가 연소될 때 나오는 미세먼지나 발암물질 등이 연통 내부에 흡착되어 미세먼지와 기름때로부터 연통을 청결히 유지할 수 있는 연통을 모색해보는 것이다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구 ○ 선행 연구
선행 연구1 유체 연속 방정식
기름을 추가한 이유는 고기를 구울때 올라가는 기름을 최대한 묘사하게 하기 위해서 이다.
그리고 기름에 미세먼지를 부착하여서 얼마나 많은 이물질이 붙고 얼마나 많은 정도의 이 물질이 떨어지는지를 실험 해보기 위한 것이다. 이때 유체 방정식을 대입하여 나타내야 한 다. 유체 연속 방정식은 임의의 한 공간에서 단위시간마다 유채가 유입되는 양과 유출되는 양이 같아야 된다는 방정식이다.
선행 연구2 고기구이서 배출되는 유적 및 미세먼지
고기구이 스모크에서 채취한 pm10입자에서 콜레스테롤, 지방산과 PAH의 분포를 조사하 였다. 보통의 고기구이를 구울떄 고기구이에서 나오는 물질은 이산화탄, 질산, 이산화황, 암 모니아 등이 나오고 이산화탄소에 농도가 제일 높은 걸로 측정 되었다. 또한 고기구이서 배 출되는 유적 및 미세먼지를 포함하는 입자상 오염물질의 배출농도의 21~233mg로 나타 났다.
선행 연구3 대기오염물질
음식물 특히 육류의 불완전 연소로 인하여 발생하는 대기오염물질은 냄새를 비롯하여, 콜 래스테롤, 다환방 향족탄화수소, 유기탄소성 물질, 원소상태 탄소성 물질 수 십 가지가 검 출될 수 있다.
선행 연구4 고기 연소시 발생하는 미세먼지
육류 자체에도 칼륨이 함유되어 있으며, 간장이나 소금양념에서 비롯된 나트륨, 염소의 농 도도 높은 것을 알 수 있었다. 양념된 육류나 CMB 생고기에서 발생한 미세먼지는 유기탄 소 성분이 미세 먼지 농도의 50% 이상으로 높다.
□ 연구주제의 선정
1. 가장 흡착이 잘 되는 연통의 모양 탐구
처음 연구 주제는 연통의 표면적, 부피, 표면 모양같은 연통의 형태에 따른 흡착 정도에 중 점을 두었다. 그래서, 흡착 되는 힘에 관계 없이 연통의 변화에만 초점을 두었다. 그러다보니 과학적 원리의 이용이 적은 한계점이 있었다.
2. 제올라이트를 통한 전기적 인력을 이용한 오염물 흡착 탐구
선행 연구를 분석하던 도중 흡착에 관한 여러 선행 논문을 찾을 수 있었다. 선행 연구 논문들 은 PM10(10마이크로) 입자를 흡착 물질로 사용하였으며, 제올라이트를 통해 전기적 인력을 발생시켜 흡착하는 방법+을 많이 사용했다. 또한, 여러 가지 흡착제를 통해 이산화탄소를 흡 착시키는 연구 또한 있었다. 그래서, 우리 또한 제올라이트를 통해 전기적 인력을 이용하려는 생각을 가지게 되었다. 하지만, 이러한 흡착제들은 전부 일회성이라는 단점이 존재했다. 제올 라이트의 경우에도 마찰에 의한 대전 이후엔 흡착 능력을 상당 부분 잃어버리는 사실을 확인 했다.
3. 연통의 형태, 내부표면의 재질, 여러 가지 힘에 따른 흡착정도 탐구
가장 적절한 흡착제를 찾는 도중에 여러 가지 흡착 조건과 흡착에 작용하는 힘을 알게 되었 다. 그래서, 흡착제를 사용하여 실험하기 이전에 흡착 자체에 어떤 힘이 작용하고, 어떤 경우 에 흡착이 잘 되는 지를 먼저 탐구해야 할 필요성을 느꼈다. 그래서, 흡착에 작용하는 힘, 연 통의 형태 그리고 여러 가지 힘과 흡착과의 관계를 탐구하기로 결정했다.
4. 연통 내부의 공기 중 미세먼지와 벽면에 붙은 기름때의 움직임 관찰
재질 등 여러 변인을 조작하여 흡착정도의 차이를 탐구하여 보았지만, 흡착력의 차이는 미미 했다. 그래서, 고기 구이를 실제로 해보고 미세먼지와 기름때의 움직임을 관찰해보았다. 이를 통해, 연통이 가동되는 동안 연통 하단부의 미세먼지 농도가 일정히 유지되는 것을 알 수 있었 고, 벽면의 기름때에 의해 미세먼지가 운반된다는 걸 알 수 있었다.
□ 연구 방법 및 과정
○ 실험 모형 및 장비
실험 모형은 윗 그림과 같이 제작하였다. 10, 15, 20(cm) 직경을 가 진 연통을 각각 하나씩 제작하였고, 미세먼지를 연통에 흡착시키기 위한 유체 유동을 만드는 모터를 각각의 연통에 연결할 수 있도록 하였다. 연 통의 직경을 다르게 한 이유는 모터의 풍속 세기에 제한이 있기 때문에, 연통의 단면적을 줄임으로써 풍속을 더 크게 증가시키기 위함이다.
다음 그림이 실험에 사용한 미세먼지이다. PM10과PM2.5의 크기를 가진 황토 성분의 입자들
로 구성되어 있다. 우리는 고깃집에서 발생하는 연기가 주로 미세먼지의 크기(PM 10과 PM2.5>를 가지고 있다는 점에 착안하여 실험용 미세먼 지를 사용하였다.
○실험 과정
실험 1
고기구이 시 발생하는 미세 먼지와 기름 관찰
실제로 고기구이를 진행할 때 미세 먼지와 기름이 어떻게 발생하는지 알기 위해 1번 실험을 진행하였다.
1. 삼겹살 약 50g을 프라이팬에 놓고, 모터를 이은 연통을 프라이팬 바닥보다 30cm 정도 높은 지점에 설치한다.
2. 핫플레이트로 프라이팬을 가열하고, 모터를 가동시켜 삼겹살이 가열됨에 따라 발생하는 연기를 빨아드린다.
3. 고기 집에서 연통이 손님이 있는 동안 계속 가동하는 점에 착안하여 고기 가 익으면, 50g의 고기를 투입하여 1~2번을 반복한다.
4. 연기를 빨아들이는 연통에서 기름과 미세먼지가 벽면을 따라 떨어지는 지
관찰한다. 또한, 미세먼지 농도 계수기를 이용하여 실험의 진행되는 동안 연통 하단 부분에서 미세먼지 농도의 변화를 관찰한다.
실험 결과
: 연통 벽면에 발생하는 기름은 방울의 형태를 띠었다. 연기를 계속해서 흡수함에 따라 기름방 울의 개수와 크기는 증가하는 경향을 보였고, 크기가 큰 방울이 연통 밑으로 떨어지는 경향을 보였다. 연통의 표면적에 영향을 받는 것이라 생각된다.
: 연통을 가동시킨 채로 삼겹살을 4번 교체시켰을 때(실험 과정 1~2를 4번 반복하였을 때), 연통에서 기름방울이 떨어졌다.
: 연통 하단부의 미세 먼지 농도는 초기에 80~100㎍/㎥에 도달해서, 실험이 진행되는 동안 80~100㎍/㎥를 일정하게 유지하였다. 고기구이를 마치고 연통의 모터를 끄고 난 후, 미세먼 지 농도를 측정하였더니 700㎍/㎥로 증가하다가 150㎍/㎥까지 서서히 감소하였다. 모터가 가 동되는 동안, (연기로 유입되는 미세먼지량)=(모터로 인해 연통 외부로 빠져나가는 미세먼지 량)+(연통 내부의 미세먼지량)+(연통 하단부에 공급되는 미세먼지량)으로 평형을 이루어, 모 터가 가동을 중지했을 때 연통 내부의 미세먼지가 하단부로 모이는 것으로 생각된다. 결과적으 로 모터가 가동되는 동안 연통 하단부의 미세먼지 농도는 80~100㎍/㎥로 일정하고, 이는 안 전 수치에 해당되므로 공기 중의 미세먼지에 의한 해악성은 적을 것이라고 생각된다.
: 연통에 붙은 기름은 모터가 가동되는 동안 유동성을 유지하여 연통 밑으로 떨어지기도 하였
지만, 가동을 멈춘 이후엔 기름이 굳어 기름때가 연통 벽면에 형성되었다.
실험 2 재질에 따른 연통 벽면의 미세먼지 흡착도 측정 실험
1번 실험 결론에 따르면, 연통이 가동되는 동안 공기에 포함되는 미세먼지는 해악성이 적다.
그러므로 연통 벽면에 붙은 기름때와 미세먼지가 불판으로 떨어져서 연소됨으로써 생기는 발 암물질이나 환경호르몬이 주된 피해 원인이라는 걸 알 수 있었다. 벽면의 미세먼지가 어떤 조 건에서 흡착도가 다른지 알기 위해 재질을 조작 변인으로 두어 미세먼지량을 측정했다.
1. 직경이 같은 연통에 한 재질을 여러 개 붙인다.
2. 연통 밑에 동일하게 5g의 미세먼지를 놓고, 모터를 연통과 연결한다.
3. 연통에 풍속을 같게 하여 2분간 미세먼지를 빨아드린다.
4. 연통에 설치된 재질에 붙은 미세먼지를 확인한다.
실험 결과
:표본이 되는 재질의 크기가 작고, 단위 시간 당 미세먼지 흡착량을 일정히 통제할 수 없었기 때문에 정확히 비교할 수 없었다.
:다만, 미세먼지만을 흡착시킨 연통은 시간이 지나도 미세먼지가 아래로 떨어 지지 않았다. 따라서 실제 연통 사용에 있어서 벽면에 흡착된 미세먼지가 아 래로 떨어지는 이유는 미세먼지를 아래로 전달하는 어떤 매개체가 있기 때문 이라고 생각할 수 있었다.
실험 3 연통 벽면에 붙은 기름 유무에 따른 미세먼지 흡착 실험
조작 변인을 연통 벽면에 붙은 기름의 유무로 하고, 그에 따른 종속 변인을 미세먼지 흡착을 실험했다. 2번 실험에서 연통 벽면에 미세먼지가 붙게 하는 매개체가 있다고 결론 내렸고, 기 름이 이 매개체의 역할을 한다고 가설을 설정했다.
1. 직경이 같은 연통에 브러시에 기름을 묻혀 실험군은 기름을 바르지 않고, 대조군은 기름을 바른다.
2. 연통 밑에 동일하게 5g의 미세먼지를 놓고, 모터를 연통과 연결한다.
3. 두 연통에 풍속을 같게 하여 2분간 미세먼지를 빨아드린다.
4. 두 연통의 벽면에 붙은 미세먼지를 확인한다.
실험 결과
: 기름이 연통 벽면에 존재하는 연통이 존재하지 않는 연통보다 미세먼지 흡착량이 많았다.
: 실험 이후, 연통 벽면의 미세 먼지 유동을 시간을 두고 확인한 결과, 기름을 바른 연통은 액체인 기름의 유동성 때문에 벽면에 흡착된 기름과 미세먼지가 연통 밑으로 떨어졌고, 바르지 않은 연통은 시간이 지나도 연통 밑으로 떨어 지는 미세먼지량이 미미했다. 이러한 결과로 보았을 때, 연통 내부 벽면의 미 세 먼지는 기름에 의해 연통 밑으로 떨어진다고 생각된다.
한계점
: 연통 내부 기체에 떠다니는 미세 먼지의 유동을 관찰할 수 없었다.
: 동일한 풍속으로 미세 먼지를 빨아들여도 미세 먼지가 시간 당 일정한 양이 올라가지 않았 기 때문에 통제 변인의 통제가 완벽치 못했다.
:연통 벽면에 붙은 미세 먼지의 양이 연통의 질량에 비해 미미해 흡착량의 측정이 어려웠고, 미세 먼지가 빛을 산란시키는 특징(틴들 현상)을 이용하여 광도의 변화를 측정하고자 하였으 나 이 또한 미세먼지의 양이 미미해 주어진 장비로 측정값을 얻어낼 수 없어 육안으로 확인해 야 했기에 측정 방법에 오차가 있다.
가설 : 차단막이 연통 벽면을 따라 흘러내려 불이 나고 이물질이 떨어지는 것을 막아줄 것이 다.
1. 차단막을 연통 하단부에 설치한다.
2. 연통 밑에 동일하게 5g의 미세먼지를 놓고, 모터를 연통과 연결한다.
3. 연통에 풍속을 같게 하여 2분간 미세먼지를 빨아드린다.
4. 연통에 설치된 재질에 붙은 미세먼지를 확인한다.
결과
: 기름과 이물질이 성공적으로 차단막에 모였다.
한계점
: 고기가 빨려 들어갈 때 크기가 작아 쉽게 빼낼 수 없었다.
: 또한, 기름이 껴서 불이 날 가능성도 농후하다.
실험 4
미세먼지와 기름때를 차단한 연통 설계
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 저희의 연구는 공기 중에 미세먼지를 측정하고 연통 안에 있는 미세먼지의 이동을 검사하는 것이었습니다. 고기를 굽는 상황에서 미세먼지측정기로 미세먼지를 측정할 때는 30~40마이크로로 낮은 수치가 나왔습니다. 그리고 고기를 굽고 있는 연통 위에서 미세먼지를 측정할 때는 60~80마이 크로의 안전 수치가 나왔습니다. 그러나 고기를 구운지 30분 정도 시간이 흐르자 미세먼지가 연통벽 면에 있는 기름때와 뭉쳐 연통의 벽면을 타고 불판 위쪽으로 떨어진다는 것을 알게 되었습니다.
저희는 그래서 연통벽면에 붙어 떨어지는 미세먼지를 막아야 한다고 생각하였습니다. 그렇게 나온 저희의 연구 결과는 차단막을 설치하자는 것입니다. 우리 연구를 통해, 흡착이 잘되는 모형과 흡착이 안 되는 모형을 알아낼 수 있고, 우리는 이 두 모형을 복합적으로 사용하고자 한다. 연통의 상단 부는 긴 길이와 좁은 폭으로 인해 청소가 어려웠습니다. 그래서 흡착이 잘 안 되는 모형을 사용함으로 써 기름 등의 오염물질이 묻지 않도록 할 것이다. 연통의 하단부엔 상단부보다 교체, 청소가 용이하기 때문에 흡착이 잘 되는 모형을 사용하여 오염물질을 걸러낼 수 있도록 설계합니다. 차단막을 설치하게 되면 연통의벽 면을 타고 내려오는 이물질과 미세먼지가 차단막의 막히게 된다는 사실을 아실 수 있습니다.저희가 많은 방법 중에서 차단막을 설치하는 방법을 생각한 이유는 첫 번째 매번 부식하고 노후화될 때마다 연통을 바꾸면 경제적으로 큰 손해를 봅니다. 그러나 차단막을 설치하면 갈아끼워주 면 된다는 장점을 갖고 있어 훨씬 경제적으로 이득을 볼 수 있습니다.또한 뉴스에서도 자주 나오는 고기 집 화재사건과 같은 연통벽면을 타고 이물질이 내려와 불판위에서 화재가 발생하는 사건을 볼 수 있는데요, 차단막을 설치하면 이물질이 불판위로 떨어져 화재가 일어나는 것을 방지할 수 있습니다.또한 불판위로 이물질들이 떨어져 연소가 되어서 발암물질이 발생한다는 내용도 선행연구 에서 볼 수 있었는데요, 차단막을 설치하게 되면 고기를 먹는 사람들의 건강을 지키고 안전하고 걱정 없이 고기를 먹을 수 있다는 장점이 있습니다. 저희가 차단막을 설치하여 얻을 수 있는 기대효과 는 연통의 모양 변화로 인한 표면적과 단면적의 변화와 연통 내부 벽면의 형태와 재질의 변화를 이용하여 가장 이물질이 흡착이 안 되는 구조를 만들고, 그 구조를 이용하여 이물질이 흡착되어 유속을 늦추는 것을 막아 원활한 흡입을 가능하게 할 수 있다. 청소하기 쉬운 입구 주변에 흡착 정도를 높이는 방법을 사용하고, 청소하기 어려운 윗부분은 흡착 정도를 낮게 함으로써 청소에 용이성 과 경제성을 늘릴 수 있다.
4. 홍보 및 사후 활용
□ 사후 활용 및 기대 효과
차단막을 사용한 연통의 경제성
고깃집에서 주로 사용하는 연통의 밑 부분은 쉽게 노후화되고 쉽게 부식이 일어난다. 그러나 차단막을 사용하게 되면 기름때가 차단막에 쌓이게 되므로 따로 연통을 갈아주고 관리를 할 필요없이 차단막만 갈아주면 된다는 점이 있다, 위에서 말했다시피 연통이 부식되고 노후화될 때마다 연통을 갈아준다고 생각하면 상당히 비경제적이라고 볼 수 있을 것이다. 하지만 기름과
이물질이 쌓인 차단막만 갈아주기 때문에 충분히 경제적으로 볼 수 있다.
연통 내 미세먼지로 인한 화재 방지
평소 연통주변의 미세먼지 농도는 30~40마이크로로 볼 수 있다. 하지만 고기를 굽기 시작하 면 60~80으로 증가하기 시작한다. 여기서 증가한 미세먼지의 농도는 미세먼지가 증가한다는 것을 의미할 수 있고, 미세먼지가 증가해 연통의 흐름을 타고 올라가 미세먼지에 쌓이는 것으 로 알 수 있다. 처음에는 흡착력이 중력보다 미세먼지를 잡는 힘이 커서 쉽게 떨어지지 않을 것이다.그러나, 미세먼지가 모이기 시작해서 흡착력보다 중력이 커진다면 미세먼지 덩어리와 기름때는 같이 하강을 할 것이다.차단막이 없는 상태에서 미세먼지와 각종이물질을 첨부한 기 름때가 불판위로 바로떨어지면 그것을 먹는 사람들의 건강이 악화될 뿐만 아니라 이물질들이 불이 붙어 화재의 위험이 발생할 수 있다. 고깃집 화재 사건은 평소에 뉴스에서도 자주 헤드라 인으로 쓰이는 사건이다.
기름때 불완전연소로 발생하는 유해물질제거
(나)의 내용처럼 미세먼지와 기름때가 같이 섞여 이물질이 되어서 불판위로 떨어져서 연소가 되어서 사람들이 섭취하게 된다면 건강의 큰 문제가 생길 뿐만 아니라 이물질이 연소되어 발 암물질이 될 수 있다는 선행연구까지 있다. 우리는 차단막을 사용하여 기름때가 밑으로 떨어지 지 않게 하여 유해물질 발생을 차단할 수 있다.
○ 향후 계획 및 후속 연구
후속 연구 1
연통의 가장 효율적인 구조 찾기
우리의 실험 결과에선 연통의 차단막을 부착함으로써 경제성 있게 벽면의 미세먼지와 기름때 를 차단할 수 있었다. 그러나 개발한 차단막은 두 가지 한계점이 존재한다. 첫째로, 차단막이 설치되면 단위 시간 당 연통의 단면적을 통과하는 유량이 적기 때문에 차단막이 설치되지 않 았을 때보다 연기를 빨아들이는 양이 적다. 또한, 차단막의 차단 면적만큼 기름의 하단 표면부 에 흡착되어 차단막으로서의 역할을 하지 않을 경우가 존재한다. 그래서, 후속 연구로 가장 효 율적인 차단막의 구조를 생각하여, 연통의 원래 기능을 수행하면서 기름때와 미세먼지를 차단 할 수 있는 경제적인 모형을 설계해야 한다. 현재, 차단막의 구조에서 필요한 요구 사항은 다 음과 같다.
:차단막에서 연기가 통과하는 면적이 공기 중 미세먼지 농도에 어떤 영향을 주며, 인체에 무해 한 적정 미세먼지 농도를 유지할 수 있는 면적은 어떠한가?
:차단막에서 연기를 막는 면적이 실질적으로 기름을 차단할 수 있는 구간이 어디인가?
:차단막을 연속해서 사용했을 때, 차단막 표면에 붙은 기름때가 하단부로 떨어지는 시간은 어
느 정도인가?
5. 참고문헌
□ 서영화, 고광윤, 장영기(2010). 고기구이 스모크에서 채취한 PM10입자에서 콜레스테롤, 지방산 과 PAH의 분포
