STEAM R&E 연구결과보고서

STEAM R&E 연구결과보고서

(마의 점액성분을 이용한 고분자 응집제 만들기)

2016. 11. 30.

이리고등학교

< 연구 결과요약 >

과 제 명 마의 점액성분을 이용한 고분자 응집제 만들기

연구목표

현재 물의 정수과정에 사용되어지는 응집제는 주로 무기응집제이다. 하지만 무기응집제는 독성이 존재하여 인간에게 해를 끼칠 수 있어서 사용 시 여러 문제가 발생한다. 이를 보완하기 위한 여러 대안이 있는데 그 중 고분자 응집제에 관심을 가지게 되었다. 고분자 응집제로 사용되어질 수 있는 고분 자물질을 식물에서 추출할 수 있다는 사실을 알게 되어 우리지역 익산의 특산물인 마로부터 고분자 물질을 추출해 내어서 고분자 응집제를 만들고 이를 실용화 시키는 것이 우리 연구의 목표이다.

연구내용

(1) 마의 성분 파악하기

- 실험에 앞서 마의 점액성분을 파악하기 위해 마를 통해 연구를 진행했던 선행연구를 조사해 보았다.

마의 점액성분에는 주로 단백질 성분으로 구성되어있고 고분자 응집제로 사용되기에 적합한 성분으로 ‘뮤신’을 알게 되었다.

(2) 마 추출물 얻기

- 마 추출물을 얻기 위해 믹서기를 이용하여 참마를 잘게 간 후 수분을 없애기 위해 80°C 의 열로 가열하였다.

- 믹서기를 이용하여 참마를 잘게 간 후 거름종이를 이용하여 마의 건더기 부분을 걸러내고 점액성분만을 얻어내었다.

- 에탄올 추출법을 이용하였는데 그 이유는 뮤신의 경우 당단백질로써 Polypeptide사슬중의 Serine, Threonine등의 amino산 잔기와 탄수화물 hexosamine 혹은 xylose와의 사이에 O-glycoside 결합이 행하여져 있다.

이러한 작용기에 의해 응집이 될 수 있게 되는데 물을 통해 성분을 추출했을 경우 작용기가 산화되어 응집에 역할을 다할 수 없게 된다. 하지만 에탄올에 경우 작용기의 산화를 막아주어 폐수에 넣어 응집 작용을 할 수 있게 된다.

탄수화물 역시 에탄올과 잘 섞이지 못하기 때문에, 결국 에탄올에 뮤신이 용해되지 못하고 자기들끼리 뭉치게 되어 흰색 고체 결정처럼 눈으로 보이 게 된다. 반면 뮤신을 제외한 다른 마의 성분들은 에탄올에 녹아 분리된다는 점을 이용하였다. 그래서 마의 다른 유기물과 응집에 불필요한 성분을 제외 하고 뮤신만을 추출하고자 하였다.

(3) 현탁액 제작

- 마를 통해 응집시킬 현탁액을 제작하고자 흙탕물, 잉크, EM발효액을 제작 하였고 현탁액을 pH처리를 하여 다양한 pH에서도 마 추출물이 정상적으로 응집을 할 수 있는지 확인해 보았다.

(4) 응집도 측정

- 현탁액의 응집도를 파악하기 위해 여러 측정 장치를 이용하였다.

COD(Chemical Oxygen Demand)를 측정하였을 때 마에는 유기물이 다량 함유되어 있어서 무기응집제로 대표적으로 쓰이는 황산알루미늄과 비교해 보았을 때 COD가 상대적으로 높은 값을 나타내었다. 하지만 에탄올추출법 을 이용하여 얻어낸 뮤신을 투여하였을 때의 COD값은 황산알루미늄 값은 더 낮았다.

- 분광 광도계를 이용하여 응집제를 넣은 현탁액의 탁도를 측정해 보았다.

- 응집이 이루어지기까지의 시간을 측정하고 그 결과를 비교해 보았다.

(5) 뮤신과 탄닌의 응집도 비교

- 현재 유기 고분자 응집제로 사용되고 있는 탄닌과 응집도를 비교해 보았고 가장 효율적으로 사용되어질 수 있는 응집제를 제작하였다.

(6) 열풍건조를 이용한 고형화 작업

- 앞선 실험들에서 얻어낸 뮤신성분을 열풍 건조시켜 응집제로써 활용되기 에 용이하게끔 하였다.

연구성과

기존의 응집제로 쓰이는 황산알루미늄과 탄닌보다 뮤신이 응집도가 더 큰 것을 확인하여 좀 더 경제적이고 친환경적인 고분자 응집제 제작 가능성을 확인해 보았고 열풍건조를 통해 이를 응집제로 사용하고 보관하는데 더 용이하게 하여 실용적으로 사용될 수 있었다.

주요어

(Key words) 마, 뮤신, 탄닌, 응집제, 가교작용, 응집

목 차

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적 □ 연구 범위

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구 □ 연구주제의 선정

□ 연구 방법

□ 연구 활동 및 과정

3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과

□ 시사점

4. 홍보 및 사후 활용

5. 참고문헌

1. 개요

□ 연구 동기 및 목적

- 마는 익산 지역의 특산물이라 주변에서 어렵지 않게 접할 수 있었다. 마는 건강식품 으로 많이 이용될뿐더러 점액성분을 띠고 있어 이를 이용해 부유물을 침전시키는 성분 으로 사용할 수 있을 것이라고 판단하였다. 그래서 마의 점액성분을 이용한 고분자응 집제를 제작하고자 하였다.

실생활에 유용하게 사용할 수 있도록 ‘기존 무기응집제와의 차이점이 무엇이며 이로 운 점이 얼마나 되는지?’ 와 ‘정수알약에 마의 점액성분을 첨가하면 정수 과정의 효과 를 극대화시키지 않을까?’에 대해 연구하게 되었다.

□ 연구범위

1. 응집제는 물의 정수 과정 중 응집지에서 사용하는 화학물질이다.

2. 응집제는 플록(floc)을 형성하여 침전이나 여과가 가능하도록 한다.

3. 고분자응집제는 무기응집제만으로 처리하기 어려운 폐수를 처리하는데 유효하다. 또 한 고분자응집제는 이온의 종류에 의해 비이온, 음이온, 양이온으로 나눌 수 있으며 폐 수의 이온에 맞춰 사용해야 한다.

4. 새우껍질이나 모링가 열매에서 나오는 키토산을 이용해 만든 유기고분자응집제가 존재하며 이를 이용한 수처리가 이루어지고 있다.

5. 일반적으로 무기응집제보다 유기고분자응집제가 인체에 피해가 가지 않을 것이라 인식되고 있다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

응집제는 물속에 현탁, 분산하고 있는 미세입자, 콜로이드입자를 결합시켜서 큰 입자 (floc)로 하여 침전, 여과, 부상분리 등의 고액 분리를 용이하게 하는 목적으로 사용되 는 약품을 말한다.

○ 무기응집제와 유기응집제에 관한 내용 (http://blog.naver.com/milee79/)

구분 응집제의 종류 장점 단점 응집적정 pH

무기

황산알루미늄

__, Alum)

-부식성, 자극성이 없어 취급용이 -착색현상이 없음

-응집범위 (5.5~8.5) -Floc이 가볍다

5.5~8.5

황산 제2철

___

-Floc이 무겁고 침강성 양호 -대체로 저가응집 pH 범위 넓음 (pH 3.5이상)

-철 이온 잔류

-부식성이 강함 9~11

염화제철

_

-Floc이 무겁고 침강성이 양호

-시설물 및 폐수에 착색

-취급에 주의 필요

4~12

폴리염화알루미 늄 (PAC)

-Floc형성이 빠름

-효율이 좋다 -고가이다 무기 고분자

응집제

유기 (보조제)

고분자 응집제 (Polymer)

-Floc형성을 크게

한다. -고가이다

응집제

타입 적 용 폐 수 효 과

음이온 (ANION)

무기 현탁입자로 구성되어 있으 며 현탁입자의 농도가 비교적 높고 주로 조립자로 현탁되어 있는 폐수

*무기성현탁액(특히 양이온 전하 를 갖는 금속수산화물) 의 침강 및 부상분리 촉진)

*다가의 무기염 (황산알루미늄 .PAC등)과의 병용으로 현탁액 제타전위에 크게 영향 받지 않 고 광범위한 현탁액의 응집에 유효

비이온 (NONION)

무기 또는 유ㆍ무기 혼합 현탁 입자로 구성되어 있으며 현탁입 자의 농도가 비교적 낮고 주로 조립자로 현탁되어 있는 폐수

*무기성 혼합 현탁액의 침강 및 부상분리 촉진

*현탁액 pH 영향을 비교적 적게 받음

(일반적 유효 pH 영역:4~10)

양이온 (CATION)

유기 현탁입자 또는 콜로이드상 의 미세입자로 현탁되어 있는 폐수

*음전하(제타전위)를 갖는 현탁 액의 침강 및 부상분리 촉진

*유기성 현탁물질 (활성 슬러지 등)의 탈수 및 여과촉진

○ 식물 고분자를 이용한 천연 응집제 제작에 관한 내용

(수(폐수)처리를 위한 식물기반 응집제의 새로운 사용법(2010. 신동훈))

- 식물에서 유래하는 천연 응집제의 이용은 이것이 저개발 지역의 삶의 질 향상에 목 적을 가진 만큼 지속가능한 환경기술을 위해 필수적인 개발이다. 다행이도 천연 응집 제의 개발은 작금의 화석연료사용과 그에 따른 숲이 줄어드는 현상, 식량 부족 등 전 지구적인 문제에 대해 환경 친화적으로 모든 환경연구가들의 관심을 받고 있다. 하지 만 식물 원료의 응집제를 대량으로 가공하기 위해서 필요한 식물 수요량의 증가와 이 를 뒷받침하는 관련법의 부재등 해결해야 할 이슈들도 산재해 있다. 이러한 관점에서 현재 천연 응집제의 적용은 연구목적이나 소규모 시설에만 국한되고 있으나 앞으로 적 극적인 홍보와 지원으로 그 이익을 증대시켜야 한다는 의견이다. 기술적으로는 천연응 집제가 낮은 탁도를 가지는 폐수의 처리에 효과적이지만 현저하게 높거나 낮은 pH 조 건에서는 적용되기 힘들다는 문제점도 함께 가지고 있다. 그러므로 각각의 조건에 맞 추어 적절한 천연응집제의 종류를 선택하고 특정목적에 부합하게 적절히 조절하여 사 용할 필요가 있다.

○ 동결건조, 열풍건조 방법에 따른 마의 성분과 물리적 성질 변화에 관한 내용 (DBpia 참조)

- 생마와 건조마의 활용도를 높이기 위한 연구의 일환으로 가공용 생마를 동결 및 건 조함에 따라 일어날 수 있는 몇가지 성분과 물리적 특성의 변화를 조사하였다. 생마의 수분함량은 약 82%였고 가용성 무질소물은 약 15% 수준이었다. 생마 균질물은 냉동 후 해동하였을 때 응집성과 부착성이 유의적으로 증가하는 것으로 나타났다. 마의 유 리당 조성은 sucrose, rhamnose, fructose, glucose의 순으로 높은 함량을 나타내었으 며, 열풍건조시 fructose, glucose가 크게 감소되었다. 마의 지방산 조성은 linoleic acid(45.64%)가 가장 많이 함유되어 있었고, 다음으로 palmitic acid(27.1l%), oleic acid(8.32%), arachidic acid(7.40%) 등이 순으로 비교적 간단한 지방산 조성을 나타내었 다. 열풍건조에 의해 oleic acid와 linolenic acid는 감소되었고 포화지방산은 증가되었 다. 마 분말의 호화특성 시험에서 동결건조에 비해 열풍 건조시 초기호화온도는 약 5.

3℃ 증가되었고, 최고점도 도달 온도도 약 9℃ 상승하였다. 92.5℃에서의 점도와 냉각 점도에 있어서도 동결건조 시료에 비해 20~40% 정도의 높은 값을 나타내었다. 마 분 말의 기계적 색도에서 열풍건조 시료는 동결건조 시료에 비해 낮은 백색도(L값)와 높은 황색도(b값)를 나타내어 동결건조 시료에 비해 높은 △E값을 나타내었다.

□ 연구주제의 선정

- 마는 익산 지역의 특산물이라 주변에서 어렵지 않게 접할 수 있었다. 마는 건강식품 으로 많이 이용될뿐더러 점액성분을 띠고 있어 이를 이용해 부유물을 침전시키는 성분 으로 사용할 수 있을 것이라고 판단하였다. 그래서 마의 점액성분을 이용한 고분자응 집제를 제작하고자 하였다. 만약 마에 응집성분이 없을 경우에는 마를 제외한 다른 식 물로부터 고분자응집제를 제작할 것이다.

□ 연구 방법

연구 방법은 다음과 같다. (고분자 응집제의 이온의 종류에 따라 사용되는 폐수가 다르 다는 것을 기준으로 하여 연구하였다.)

1. 마의 점액성분 추출

마의 점액성분 추출은 다음과 같이 진행한다. 마를 분쇄하여 마 분말을 물에 섞는다.

마의 점액성분이 물에 녹게 되는 경우, 액체 성분만 걸러내어 물을 증발시켜 점액성분 을 추출한다.

마의 점액성분이 단백질이므로, 열에 의한 변형을 생각해야 하며 마의 부패 또한 변 수로 작용할 수 있다.

2. 응집력 테스트

응집력 테스트는 pH농도 측정부터 시작된다. 응집제(ex) 마 점액성분, 황산마그네슘) 의 pH농도를 측정하여 산성과 염기성을 띤 폐수를 제작하여 진행한다. 응집이 되었는 지 확인하기 위해 아두이노를 이용한 탁도 측정을 실시한다.

입자의 크기에 따라 응집 정도가 달라질 수 있으며 응집이 되지 않는 성분이 남아 있 을 수 있다. 그러므로 입자의 크기를 분류하여 실험할 필요가 존재한다.

3. 동결건조 또는 열풍건조

성분의 변형이 예상되므로 필요에 따라 진행하도록 한다.

4. 알약으로 제조

응집 성분을 가진 용액을 추출했을 경우, 용액을 젤라틴이나 한천 같은 응고제를 이 용하여 젤 형태로 제작한다. 또는 이를 건조시켜 분말 형태로 만든 뒤 압축을 통해 고 형화 과정을 통해 알약으로 제조한다.

□ 연구 활동 및 과정

실험에 앞서 마의 성분을 분석하였다.

(생략)

선행 연구 자료에서 점성을 띠고 있으며 단백질의 일종인 뮤신을 통해 고분자 응집제 를 제작하고자 하였다. 건조 전 단백질 1.5% (100g 당 1.5g)

Ⅰ. 제 1연구 ( 7월 ~ 8월 )

1. 마 성분 추출 방법 모색

(1) 마 가열 추출 후 응집정도 비교 실험 -실험 과정

① 마를 잘게 잘라 막자를 이용해 분쇄한다.

② 물에 마를 희석하여 가열을 통해 마의 추출물을 얻는다.

③ 마의 추출물의 pH농도를 구한다.

④ pH농도에 맞게 오염물질을 제작한다.

⑤ 오염물질에 마의 추출물을 투여하여 응집정도를 비교한다.

-실험 결과

마 추출물의 pH농도는 5.38로 약 산성을 띠고 있음을 알 수 있었다. 오염물질을 제작 하여 응집정도를 비교해 본 결과, 방치해둔 대조군과 외관상으로는 약간 응집이 일어 난 듯 했지만 별 차이를 보이지 않았다. 따라서 우리는 가열하는 과정에서 단백질 변 형이 일어났을 것이라 생각하여 가열이 아닌 증발을 통한 실험을 진행하였다.

(2) 마 증발 추출 후 응집정도 비교 실험 -실험 과정

① 마를 잘게 잘라 믹서를 이용해 분쇄한다.

② 물에 마를 희석하여 증발을 통해 마의 추출물을 얻는다.

③ 마의 추출물의 pH농도를 구한다.

④ pH농도를 구분하여 마 추출물을 제작한다.

⑤ 오염물질에 마의 추출물을 투여하여 응집정도를 비교한다.

마 추출물을 흙탕물에 넣은 후 1차 실험과 동일하게 흙탕물의 pH를 염기성과 산성으 로 분류하여 마 추출물을 넣었고 교반기를 이용하여 흙탕물의 응집상태를 확인하였다.

1차실험에서 흙탕물에 마 추출물을 넣었을 때에는 외관상으로는 약간 응집이 되는 듯 보였지만 교반기를 사용하였을 때에는 전혀 응집이 되지 않았다.

오히려 실험이 거듭남에 따라 마가 부패하면서 또 다른 오염을 야기하였다.

-실험 결과

믹서로 마에서 추출물을 얻은 후 pH처리를 한 후 오염물에 넣고 교반기를 이용하였을 때 응집이 전혀 발생하지 않았다. 이로써 가열과 증발을 이용한 마 추출물에 의해서는 응집이 되지 않으며 또한 마 추출물을 넣었을 경우에는 마의 부패가 진행되어 2차 오 염이 발생하였다. 이 실험을 통해 이 방법으로 얻은 마 추출물은 폐수에 많은 유기물 을 추가적으로 제공하여 오히려 더 오염시킨다는 발견하였다. 또한 유기물로 인해 부 패가 발생하여 사용과 보관이 어렵다는 단점을 발견하였다. 추후 연구에서 다른 방법 을 통해 마 추출물을 제작하고 응집 실험을 진행한다.

또한 마의 성분을 분석한 결과 마에서 점성을 가지는 물질은 뮤신임을 알게 되었다.

응집제의 응집 원리를 탐구 한 결과 응집제로 사용되기 위해서는 물에 용해되고 부분 전하를 가져야 해야 한다는 결론을 얻었다.

2. 응집도 실험

가열 또는 증발을 통해 추출한 마 성분이 응집이 되지 않음을 실험을 통해 구체적인 결론을 도출해내기 위해 다음과 같은 실험을 진행했다.

(1) COD 측정 실험 (응집정도 분석실험 1 )

-실험방법

① 마를 믹서를 이용해 분쇄하고 열풍건조(75℃ 200분)한다.

② 일정한 비율의 흙탕물을 만들어 4개의 비커에 담고 마 분말을 투여한다.

③ 1분간 급속혼합(150rpm)하여 오염물질과 뭉쳐 Floc을 형성시킨다.

④ 10분간 침전시킨 후 무기 응집제로 쓰이는 황산알루미늄을 넣어 완속교반(30rpm)으 로 15분간 응집하여 거대한 Floc을 형성해 침전시킨다.

⑤ 응집정도를 알아보기 위해 수질검사를 한다. (수중 cod농도 측정)

실험에서는 응집정도를 정량적으로 분석하기 위해 cod와 상대적 탁도를 측정하였다.

종류 COD

대조군 (아무것도 넣지 않음) 100

마 추출물 95

황산알루미늄 5

(2) 투과율 측정 실험 (응집정도 분석실험2 )

-실험방법

① 위의 방법과 같이 응집실험을 한다.

② 응집이 끝난 흙탕물에서 분순물을 제외한 물을 추출해 용기에 담는다.

③ 적색 광을 비추어 투과율 측정 장치에서 흐르는 전류의 세기를 비교한다.

다음은 투과율 측정 장치 실험 사진이다.

증류수 대조군

마 추출물 황산알루미늄

제작한 간이 투과율 측정 장치로는 측정하는 방법에 따라 오차범위가 커 결과를 분석 하는 데에 어려움이 있었다. 그래서 분광광도계를 이용하여 투과율을 측정하였다.

분광 광도계

종류 전류 전압 저항 투과율(T%) 비고

증류수 28mA 18V 642.8Ω 100(기준) 1

대조군 24mA 18V 750Ω 0.1 4

마 추출물 24.5mA 18V 734.7Ω 1.2 3

황산알루미늄 27mA 18V 666.7Ω 35.38 2

COD측정 검사를 해 본 결과 황산알루미늄에서는 COD값이 현저히 하락한 것을 확인 할 수 있다. 하지만 마 추출물을 넣은 곳에서는 COD값이 아무것도 넣지 않은 흙탕물 과 거의 일치함을 확인할 수 있다. 또한 분광광도계를 이용했을 경우, 빛의 투과율이 증류수의 1.2T%로 매우 탁함을 알 수 있었다.

그 이유를 찾기 위해 선행연구를 조사한 결과 천연 고분자를 제작하는 과정에서는 응 집제 효과를 나타내는 물질이외의 다른 성분을 제거해야하는데 이 실험에서는 할 수 없었다. 열풍건조를 이용한 추출물 또한 응집 효과를 갖는 성분 이외에 많은 유기물이 다량 포함되어 있어 cod와 탁도가 높았다는 결론을 내렸다.

Ⅱ. 제 2연구 ( 10월 )

○탄닌을 이용한 응집실험

제 2연구의 결과에서 해당 추출법을 얻는 마 추출물에서 응집이 잘 되지 않았다는 결 론이 내려졌으므로 마에서 연구보다는 현재 천연 고분자 응집제로 연구 받고 있는 탄 닌 성분을 추출하여 응집실험을 통한 연구를 진행하고자 하였다.

-‘탄닌(tannin)’이란

탄닌류(Tannins)는 많은 과일에 함유되어 있는 다가 페놀 화합물로 색깔과 떫은맛을 내는 인자로 작용한다. 탄닌은 많은 수의 OH기를 가지며 이들이 다당류, 단백질,

알칼로이드 등의 거대 분자들과 가역적으로 결합할 수 있다. 이런 결합들은 과일의 성숙과정이나 가공 중에 기계적인 손상이 일어날 경우에 야기된다.

-탄닌산의 구조식

-실험 과정

① 녹차 잎 50g을 에탄올 200ml에 넣어 72시간 동안 추출한다.

② 추출물을 걸러 불순물을 제거한다.

③ pH농도에 맞게 오염물질을 제작한다.

④ 추출물을 이용해 응집실험을 진행한다.

-실험결과

녹차 잎에서 탄닌을 추출하였다. 녹차 성분 중 탄닌은 12.8%정도이고 에탄올을 사용함 으로써 10%가량 용출하였다. 선행연구를 조사해 본 결과 탄닌성분을 추출할 때 에탄올 을 사용하는 이유는 탄닌이 친수성을 띠는 배당체 기반으로 된 생리 활성물질이기 때 문에 에탄올 추출법을 이용하여 녹차에서 탄닌을 추출하였다. 그러나 탄닌 이외의 다 른 유기물들이 다량 포함되어 응집실험에서 정량적인 결과를 얻어내는 데에 어려움이 있었다. 그래서 시중에 판매하는 탄닌을 사용하여 오염물질의 COD(화학적 산소요구량 [Chemical Oxygen Demand])변화와 분광광도계를 이용한 상대적 투과율(T%)를 구하였 다.

-실험과정

① 흙탕물 8ml를 동일하게 제작한다.

② 각 흙탕물에 탄닌을 0.5ml 단위로 투여한다.

③ 10분 간 응집이 되기를 기다린 후 맑은 윗 부분을 추출한다.

④ 이를 COD 측정 키트와 분광광도계를 이용하여 수치를 구한다.

(사진 생략)

-실험결과

COD 변화량은 탄닌 자체가 유기물이기 때문에 탄닌을 넣을수록 COD 값이 증가함을 알 수 있었다. 또한 분광광도계를 사용하여 상대적 투과율을 확인했을 때 흙탕물 8ml 당 1.0ml일 때 가장 효과가 좋았음을 다음의 표를 통해 확인하였다.

(상대적 투과율(T%))

흙탕물 8ml 0.5ml 1.0ml 1.5ml 2.0ml 2.5ml 3.0ml

탄닌 2.2 16.7 11.7 10.3 5.1 2.1

이를 통해 응집 정도가 응집제의 특정 값에서 최대가 됨을 알게 되었다.

제 2연구에서는 천연 고분자응집제로 사용되는 탄닌은 COD 양을 증가시키는 원인이 되기는 하지만 상대적 투과율을 볼 때 응집을 일으킬 수 있으며 특정량에 크게 응집됨 을 알 수 있었다. 탄닌을 추출하는 에탄올 추출법을 마에 적용하여 마의 응집성분을 추출한다면 위와 같은 좋은 결과가 나올 것이라 생각하여 제 3연구를 진행하였다.

Ⅲ. 제 3연구 ( 9월 ~ 10월 )

○에탄올 추출법을 마에 적용

마의 뮤신 성분을 추출하기 위해 기존 식물 응집 성분을 추출하는 방식인 에탄올을 이 용해 추출하기로 하였다. 뮤신의 경우 당단백질로써 Polypeptide사슬중의 Serine, Threonine등의 amino산 잔기와 탄수화물 hexosamine 혹은 xylose와의 사이에 O-glycoside 결합이 행하여져 있다. 이러한 작용기에 의해 응집이 될 수 있게 되는데 물을 통해 성분을 추출했을 경우 작용기가 산화되어 응집에 역할을 다할 수 없게 된 다. 하지만 에탄올에 경우 작용기의 산화를 막아주어 폐수에 넣어 응집 작용을 할 수 있게 된다.

-실험 과정

① 마 분말 50g을 에탄올 200ml에 넣어 72시간 동안 교반하여 추출한다.

② 추출물을 걸러 불순물을 제거한다.

③ 오염도가 똑같은 흙탕물을 제조한 후 마 에탄올 추출물을 담근다.

④ 1분간 급속혼합을 시켜 Floc이 형성되도록 한다.

⑤ 혼탁도 측정 장치와 분광광도계를 이용하여 혼탁도 정도를 구한다.

실온 25˚ C에서 에탄올에 마를 넣은 모습

왼쪽부터 대조군, 황산알루미늄, 마분말, 마+에탄올 추출물

- 제 1연구과 동일하게 혼탁도 특정 장치와 분광광도계를 이용하여 전류와 상대적 투 과율을 측정하였다.

종류 전류 전압 저항 투과율(T%) 비고

증류수 28mA 18V 642.8571Ω 100.0(기준) 1

대조군 24mA 18V 750Ω 0.1 4

황산알루미늄 27mA 18V 666.6666Ω 38.38 3

마분말 22mA 18V 818.1818Ω 78 5

마+에탄올 26.5mA 18V 679.2452Ω 35.50 2

-실험결과

마 에탄올 추출물로부터 얻어낸 단백질의 하이드록시기와 카복실기가 이온을 띠기 때 문에 위의 사진과 같이 흙탕물을 응집시킬 수 있었다. 이전의 실험에서는 마의 성분을 물에 넣어서 추출을 시도했는데 그때에는 성분들이 물에서 산화되어 기존의 이온 성질 이 변형이 되어 응집이 일어나지 않았지만 에탄올을 통해서 응집을 할 때에는 마 추출 물이 산화되지 않아서 기존의 이온 성질의 변형이 없어서 응집을 성공적으로 할 수 있 었다. 유기물들이 다량 포함되어 응집실험에서 정량적인 결과를 얻어내는 데에 어려움 이 있었다.

Ⅳ. 제 4연구 ( 10월 ~ 11월 )

○참마 추출 뮤신을 이용한 응집실험

위 연구에서 무기응집제 황산알루미늄과 비교하여 큰 이점을 찾지 못하였다. 또한 불 순물이 포함되어 응집실험에서 정량적인 결과를 얻어내는 데에 어려움이 있었다. 그래 서 시중에 판매하는 참마 추출 뮤신을 구입하여 실험을 진행하였다.

-구입한 뮤신 추출물의 성분:

정제수, 부틸렌글라이콜, 참마뿌리추출물,

하이드롤라이즈드옥수수전분, 베타-글루칸, 슈크로오스, 소듐콘드로이틴설페이트

-75℃열수추출법을 이용해 참마추출

1. 응집제 투여량에 따른 응집 정도 비교

앞에서 탄닌은 흙탕물 8ml당 1.0ml가 가장 응집이 잘 되었다. 따라서 뮤신도 응집이 가장 잘 일어나는 특정 량이 존재할 것임을 예상하고 실험을 진행하였다.

-실험 과정

① 흙탕물 8ml를 각 코니칼 튜브에 넣어준다.

② 탄닌과 동일하게 0.5ml 간격으로 3.0ml까지 넣어준다.

③ 10분간 응집되기를 기다린 후 윗부분을 추출하여 분광광도계에 넣어 상대적 투과율 을 구한다.

오른쪽부터 0.5ml, 1.0ml, 1.5ml, 2.0ml, 2.5ml, 3.0ml이다.

- 실험결과

탄닌이 흙탕물 8ml당 1.0ml에서 가장 응집이 잘 일어난 것과 같이 뮤신은 흙탕물 8ml 당 0.5ml에서 가장 응집이 잘 일어났다.

(상대적 투과율(T%))

뮤신은 0.5ml에서 최댓값을 가졌으며 탄닌은 1.0ml에서 최댓값을 가졌다.

흙탕물 8ml 0.5ml 1.0ml 1.5ml 2.0ml 2.5ml 3.0ml

뮤신 48.1 7.4 2.2 0.5 0.4 0.5

탄닌 2.2 16.7 11.7 10.3 5.1 2.1

2. 뮤신, 탄닌, 황산알루미늄 응집 비교

뮤신과 탄닌의 응집 최적의 양을 알아내었다. 따라서 이들이 무기응집제인 황산알루미 늄보다 응집이 잘 될지 실험을 통해 도출하였다.

-실험 과정

① 흙탕물 8ml를 각 코니칼 튜브에 넣어준다.

② 황산알루미늄 0.5g, 뮤신 0.5g, 탄닌 1.0g을 넣어준다.

③ 10분간 응집되는 시간을 둔 후 윗부분의 응집되고 남은 물을 추출한다.

④ 이를 COD 측정 키트와 분광광도계를 이용하여 COD값과 상대적 투과율을 구한다.

(사진 생략)

-실험결과

COD 측정 값 (단위 : ppm)

　 1차실험 2차실험 3차실험 4차실험 5차실험 평균값 순위

증류수 0 0 0 0 0 0 1

대조군 99.2 94.6 97 99.1 95.8 97.14 5

황산알루미늄 13.8 13.1 14.7 10 13.8 13.08 2

뮤신 0.5ml 51.3 50.2 53.8 51.1 55.7 52.42 3

탄닌 1.0ml 97.4 97.4 94.2 92.7 95.1 95.36 4

혼탁도 측정(분광 광도계), (기준 : 증류수 100T%)

　 1차실험 2차실험 3차실험 4차실험 5차실험 평균값 순위

증류수 100 100 100 100 100 100 1

대조군 0 0.1 0 0.2 0.1 0.08 5

황산알루미늄 36.1 37.5 34.3 35.7 33.3 35.38 3

뮤신 0.5ml 48.1 41.5 43.3 45.3 42.9 44.22 2

탄닌 1.0ml 16.7 15.8 16.3 18.2 14.6 16.32 4

위의 표와 그래프와 같이 COD 값은 황산알루미늄, 뮤신, 탄닌 순으로 적었으며 분광광 도계에서는 황산알루미늄과 뮤신이 비슷하고 탄닌은 낮았다.

3. 황산알루미늄, 뮤신, 탄닌의 응집 속도 비교

앞서 실험하는 과정에서 황산알루미늄보다 뮤신의 응집속도가 빠르다는 것을 알게 되 어 이를 실험을 통해 정학한 값을 구하고자 하였다. 또한 황산알루미늄에 뮤신을 섞어 진행한다면 응집속도가 빨라질 것이라는 가설을 가지고 황산알루미늄+뮤신을 추가적 으로 실험하였다.

-실험 과정

① 균일한 흙탕물을 코니칼 튜브에 각 8ml 씩 넣어준다.

② 각 코니칼 튜브에 황산알루미늄 0.5g, 참마추출물 0.5g, 탄닌 1.0g, 황산알루미늄 0.5g+뮤신0.5ml을 넣는다.

③ 동시에 혼합하여 응집 속도를 측정한다.

-실험 결과

　 모두 응집되는데 걸리는 시간 (단위 : min) 순위

대조군 X X

황산알루미늄 28min 4

뮤신 14min 1

탄닌 22min 3

뮤신 + 황산알루미늄 16min 2

그래프 해석은 기울기를 통해 속도를 구하면 된다.

침전 정도를 비교했을 때 뮤신이 다른 응집제에 비해 확연히 응집 속도가 빨랐다. 또

한 같은 질량의 황산알루미늄을 넣고 뮤신을 첨가 하였을 때, 뮤신을 첨가한 것이 황 산알루미늄을 넣은 것보다 응집 속도가 빠른 것을 확인하였다. 또한 뮤신을 넣은 즉시 육안으로 보았을 때 큰 플록이 형성되는 것을 발견하였다. 이를 통해 위 뮤신은 무기 응집제와 함께 고분자유기응결제로 사용할 수 있음을 확인하였다.

Ⅴ. 제 5연구 ( 11월 )

○ 황산알루미늄과 뮤신을 혼합해 응집제 제작

뮤신과 황산알루미늄을 혼합했을 때, 황산알루미늄이나 뮤신만 사용했을 때보다 효과 가 증가함을 알 수 있었다. 이에 우리는 뮤신과 황산알루미늄을 혼합하여 응집제를 제 작하고자 하였다.

-실험 과정

① 황산알루미늄과 뮤신을 1 : 1 비율로 혼합한다.

② 알긴산나트륨을 뮤신과 황산알루미늄에 섞여 염화칼슘 수용액에 담근다.

③ 5분 후에 젤 형태의 덩어리를 석출한다.

화학반응식

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-실험결과

뮤신과 황산알루미늄을 1 : 1 비율로 혼합한 젤 형태의 응집제를 만들 수 있었다. 하지 만 젤 형태는 물에 녹는데 시간이 오래 걸리기 때문에 캡슐 형태로 제작하거나 발포비 타민과 같은 성질을 갖는 물질을 이용할 필요가 있다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

- 마의 성분을 보존하기 마의 점액성분을 물에 넣은 후 여러 가공과정을 거쳤지만 이 과정을 통해 얻은 추출물로는 추가 오염원을 제공하기 때문에 오염물을 응집시켜도 효 과가 미미하였다.

- 녹차에서 탄닌을 추출하는 방법을 알게 되었고 이를 활용해 마의 응집 성분을 효과 적으로 추출하게 되었다.

-탄닌의 양에 따라 응집 정도가 달라지는 것을 확인하였고, 성능이 최대가 되는 질량을 발견하였다.

- 마를 에탄올을 통해 추출하였을 때에는 마의 응집성분이 성공적으로 추출되었고 오 염물을 응집시키는 모습이 관찰되었다.

- 무기응집제의 부작용을 완화시킬 뿐만 아니라 무기응집제의 한계를 극복할 수 있다.

□ 시사점

- 기존의 응집제를 보완한 천연 고분자 응집제를 알게 되었고, 이를 실생활에 도움을 줄 수 있게 되었다.

- 여러 변인들을 바꾸어가면서 실행한 크고 작은 규모의 장기 프로젝트를 진행하면서 연구 계획 및 수행, 다각도의 실험, 혼탁도 측정, 소논문 작성 등을 직접 경험하는 좋 은 기회가 되었다.

- 이 실험에서 수행한 마나 탄닌 이외에도 좀 더 다양한 천연 고분자 응집제를 연구해 볼 필요가 있다.

4. 홍보 및 사후 활용

□ 홍보

- 유튜브 마 응집 채널

이용자수가 많은 유튜브에 ‘이리고 마블링’ 채널을 만들어 흙탕물 응집영상을 업로드 하여 많은 사람들에게 마 응집제의 효과를 홍보함.

- 부스 운영

교내 과학 축전에서 ‘응집 체험’ 부스를 운영하여 교내 학생들에게 마 응집제의 효과를 홍보함.

□ 사후 활용

- 현재까지 해 온 결과는 수용액 상태이기 때문에 운반이 어렵고 보관 또한 힘들다. 따 라서 이를 고형화시켜 편리한 사용이 가능하도록 한다.

- 소독 성분이 있는 정수 알약과 혼합하여 제3세계의 식수 문제를 보다 더 효과적으로 해결하는데 도움이 될 수 있다.

- 이가 보편화 될 수 있도록 제작 과정을 단순화하고 생산 가격을 낮추는 연구가 필요 하다.

5. 참고문헌

○ 권중호 외 4인 (1998) 동결건조 및 열풍건조 방법에 따른 마의 성분과 물리적 성질 변화

○ 신동훈 (2010) 식물 추출 고분자 물질을 이용한 응집제 개발

○ 한승훈 (2014) 먹장어 점액성분 뮤신을 이용한 친환경적 녹조 방제에 관한 탐구- 경기도 과학전람회 학생분야 환경부문

○ 제 39회 전국과학전람회 (1993) 갑각류 껍질에서 얻은 Chitosan과 합성 고분자 응 집제의 축산 폐수 처리 효용에 관한 연구

○ 주식회사 아해 (2003) 유기고분자 응집제 정수처리 상용화 기술개발

○ 제 56회 전국과학전람회 (2010) 연근추출물이 상처에 미치는 영향 지도사례연구