STEAM R&E 연구결과보고서
(흡광도를 이용한 대기오염도 측정)
2015. 11. 18.
전북과학고등학교
< 연구결과 요약 >
과 제 명 흡광도를 이용한 대기오염도 측정
연구목표 환경오염물질인 오존과 이산화 질소의 분포정도를 측정하여 우리 주변의 환경오염 정도를 보다 쉽고 싼 가격에 측정할 수 있다.
연구방법
1. 오존의 측정
여지를 인디고용액(인디고트리설포네이트칼륨+증류수+인산)에 담근 후 건조 시켜 샘플을 제작한 후, 설치 장소에 48시간 동안 노출시킨다.
48시간동안 노출시킨 샘플을 증류수에 넣어 인디고 색소를 추출하고 이를 분석한다.
2. 이산화질소의 측정
크로마토그래피용 여지에 20% 트리 에탄올 아민 수용액을 묻히고 설치 장소에 24시간 방치한다.
증류수에 녹인 후 염산, 술파닐아미드, N- 1 – 나프틸에틸렌디아민2 염산염 용액을 넣고 잘 섞는다.
간이 분광계의 LED를 이용하여 sds 셀의 저항값을 측정해 분석한다.
연구성과
국가 자료에 의존하지 않고 비싼 장비 없이도 대기 중 이산화질소와 오존의 농도를 간편하게 알 수 있다.
앞으로 계속될 인체의 유해성에 관한 연구 시 효과적으로 사용할 수 있다.
실생활 측정을 통해 사람들의 의식을 향상시킬 수 있다.
주요어 (Key words)
오존, 이산화질소, 흡광도, 익산, 환경지도
1. 개요
□ 연구 동기 및 목적
○ 흡광도를 이용한 대기 오염도 측정방안 고안 및 화학적 및 기술적 작용 원리를 이해해본다.
○ 흡광도를 이용해 측정할 수 있는 오존과 이산화질소를 측정해 우리가 살고 있는 환경이 얼마나 오염되었는지를 알아보고, 저렴한 간이 분광기의 효율을 따져 측정소를 더 늘릴 수 있는 방안에 대해 생각해 보기로 하였다.
□ 연구범위
○ 환경 연구 중 대기오염 관련- 이산화질소와 오존에 대한 흡광도 값과 CdS 저항 사이 관계에 대한 연구
○ 국가적으로만 실행하는 대기오염도 측정을 실생활에 상용화하기 위 한 연구
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 흡광도 : 용액의 빛을 흡수하는 정도를 나타내는 양.
(램버트-베르의 법칙 : 흡광도= log
)
CdS : 내부광전효과에 의해 빛을 조사하면 저항이 작아져 내부의
전기전도도가 증가한다.
○ 이산화질소 (nitrogen dioxide, )
질소 산화물 로 대표적인 대기 오염원 중 하나 생성 : 식물의 발효과정
산업 현장의 작업 공정 (특히 질산의 발열성 분해반응) 피해 : (기체 상태)이산화질소를 흡입할 경우
-기도 자극
-두통, 구역질, 점차적인 무력함 -폐수종으로 사망 가능
○ 오존(ozone, )
산소의 동소체로 보다 훨씬 불안정
생성 : 성층권의 오존층이 파괴되면 대기 중의 질소화합물, 탄화수소 등과 반응해 오존이 생성됨.(예-가 로 환원되면서 내놓은 산소원자 하나가 산소분자에 결합하면 오존 생성)
피해 :
-세포 내로 들어가면 단백질이 변성되고 지방이 과산화됨.
- 강력한 산화제인 오존이 인체 내에서 중요한 역할을 하는 각종 단백질을 산화시켜 제 역할을 못하게 만든다.
□ 연구주제의 선정
○ 대기오염이 점차 심화되어가고 있다고는 하지만, 정작 그에 직접적인 영향을 받는 우리는 그것이 어떤 기준으로, 어떻게 측정이 이루어지는 지 알지 못한다. 그래서 찾아본 바에 따르면 현재 오존과 이산화질소 농도는 흡광도를 이용하여 측정한다. 하지만 우리가 하고 싶은 것은 비싼 분광 광도계가 아닌 저렴한 간이 분광계를 이용한 측정방법에 대해 연구해보려고 하였다.
○이러한 과정에서 우리는 오존관련 박사님께 연락하여 현재 오존의 측정법과 기준, 유해성에 대해 여쭤보았고, 기상청에 연락하여 이산화 질소에 대해 질문했고, 여러 관련 논문들을 읽었다.
□ 연구 방법
○ 이산화질소 측정
① 샘플 제작
크로마토용 여지에 20%트리 에탄올 아민 수용액을 0.1 mL 넣는다.
뚜껑을 덮고 비닐에 넣어 밀폐한다.
② 샘플 설치
: 측정 장소에서 직사광선이 닿지 않게 24시간 방치
③ 측정법
- 증류수 10 mL를 넣고 이산화질소를 흡수해 아질산을 만든다.
- 3% 염산 0.5mL, 술파닐아미드 용액 0.2mL,
N－1－나프틸에틸렌디아민2 염산염 용액 0.2mL를 넣고 잘 섞는다.
- 분광 광도계로 543nm의 파장으로 흡광도를 측정
- 간이 분광계: LED(GREEN-525nm)를 이용하여 황화카드뮴셀의 저항값을 측정
(붉은 빛이 돌기 때문에 보색관계의 빛으로 측정)
○ 오존 측정
① 샘플 제작
→ 여지를 인디고 용액에 담근 후 건조
→ 완성된 샘플은 비닐 봉투에 넣어 냉암소에 보관
② 샘플 설치
측정 장소에 48시간 노출
③ 분석 조작
→ 증류수 4.0 mL에 회수한 인디고여과지를 넣고 잘 흔들어서 인디고색소를 추출
→ 분광 광도계: 측정용 셀에 넣어 600 nm에서 흡광도를 측정
→ 간이 분광기: 측정용 셀에 넣고 LED(RED-630nm)을 이용해 황화카드뮴셀의 저항값을 측정(인디고의 푸른색의 보색관계인 붉은 계열 빛을 이용하여 흡광도를 측정한다)
□ 연구 활동 및 과정 ○ 5월
가설 설정 : LED와 CdS로 만든 간이 분광계와 정밀 흡광도 기계의 상댓값이 비슷할 것이다.
간이 분광계
- RGB LED를 암실에 넣고 흡광도를 측정하기 위해 황화카드뮴셀을 이용해 빛의 흡수량에 따른 저항값 변화를 기록할 수 있는 기기를 만들었다.
기기를 세 개 제작했는데 저항값이 모두 달라 어려움을 겪었지만, 우리가 해야 할 일은 이 저항값과의 일치성을 확인하는 것이므로 하나의 기기로 통일하여 실험하였다.
--->물리 선생님의 도움
학교 옆 미륵산을 대상으로 실험을 진행해 간이 분광계와 흡광도 기계 사이의 일치성을 확인했다. --->정밀 흡광도 기계 사용
○ 6월 시약 제작 :
이산화질소 - 20%트리 에탄올 아민 수용액의 조정 3%염산
술파닐아미드 수용액
：1 g의 술파닐아미드 + 10 mL의 염산 + 증류수 -> 전체를 50 mL
N－1－나프칠에틸렌디아민 2 염산 소금물 용액
：0.1g의 N－1－나프칠에틸렌디아민2 염산염 + 증류수-> 전체를 50 mL
오존 - 인디고 용액：인디고트리설포네이트칼륨 77mg + 인산0.1mL + 증류수 -> 100mL를 맞춘다
○ 7월, 8월
익산 시내를 돌아다니며 흡광도 기계를 이용하여 7/18일과 8/1일 두 번에 걸쳐 익산 전체의 대기오염을 측정하였다.
실제로 익산에 사는 친구가 없어서 익산 구석구석을 도는 데 많은 어려움이 있어, 부모님의 도움을 받아 실험하였다.
그 이후 측정치를 이용하여 익산의 환경지도를 그렸다.
○ 9월
실험을 통한 흡광도 기계값과 실제 ppm자료 사이의 일치성을 확인하였다.
중간발표를 위한 ppt를 제작하였다.
○ 10월
몇 번의 측정 데이터를 쌓아 흡광도 기계값과 ppm사이의 함수를 도출해 수치화시켰다.
○ 11월
시약의 반응성을 확인하고 이를 이용하여 실생활에서도 사용할 수 있는 간이 키트를 제작하였다.
시약끼리 서로 섞으면 실제 이산화질소나 오존이 유입되기 전에 반응할지도 모르는 문제점이 있었지만, 다행히 서로 반응하지 않았고, 이를 통해 간이 키트를 제작하였다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
결과1) 간이 분광계와 흡광도 기계 사이의 일치성 확인 이산화
질소 물리실 자습실 정자 미륵산1 미륵산2 미륵산3 정상 사자암 흡광광
도계 0.2861 0.2689 0.2503 0.3144 0.3576 0.3253 0.3655 0.3378 간이분
광계 1.33 1.30 1.18 1.26 1.34 1.33 1.37 1.33 오존 물리실 자습실 정자 미륵산1 미륵산2 미륵산3 정상 사자암 흡광광
도계 0.0522 0.0572 0.0611 0.0601 0.0743 0.0751 0.0832 0.0704 간이분
광계 3.65 3.67 3.85 3.74 3.83 3.72 3.88 3.79
빨간색:간이분광계 파란색: 흡광 광도계
함수① 간이분광계 저항값 -> 흡광도 기계 측정값
결과2) 익산의 환경 지도를 그림 1. 이산화질소
지역 흡광도
웅포성당 0.1639 용안용동 0.1589 망성 0.1540 함라황등 0.1249 함열삼기 0.1473 낭산 0.1554 금마 0.1278 여산 0.1704 왕궁 0.1257 팔봉춘포 0.1342 삼성 0.1301 영등어양 0.1282 남중 0.1508 신동 0.1306 모현송학 0.1234 오산 0.1227
2. 오존
웅포성당 0.1295 용안용동 0.1581 망성 0.1335 함라황등 0.1578 함열삼기 0.1554 낭산 0.1348 금마 0.1128 여산 0.1357 왕궁 0.1531 팔봉춘포 0.1733 삼성 0.1668 영등어양 0.1447 남중 0.1903 신동 0.1657 모현송학 0.1672 오산 0.1265
결과3) 실험을 통한 값과 실제값의 일치성 확인 및 실험값을 ppm값으로 변환하는 함수 도출
1. 실제값과 일치성 확인
관측지역 이산화질소
(에어코리아 자료, 실험값)
오존
(에어코리아 자료, 실험값) 모현동 0.008ppm 0.1234 0.045ppm 0.1672
남중동 0.011 0.1508 0.033 0.1903 팔봉동 0.010 0.1342 0.040 0.1733 이산화질소는 발색이므로 증가함수가 그려지고,
오존은 탈색이므로 감소함수 꼴이 된다.
2. 실험값을 ppm값으로 변환하는 함수 도출
함수② 흡광도 기계 -> ppm(에어코리아)
함수③(함수 ①,② 합성) 간이분광계 저항값 -> ppm(에어코리아) 그래프가 모두 직선이라고 가정한다면
이산화질소 : ppm = 0.07*(흡광도) = 0.038*(저항값)+0.0276 오존 : ppm = -0.5*(흡광도)+0.127 = -0.017*(저항값)+0.256
이산화질소 흡광도 저항값 0.005 ppm 0.07 0.8556 0.010 ppm 0.1401 0.9869 0.015 ppm 0.2101 1.1183 0.020 ppm 0.2801 1.2497 0.025 ppm 0.3501 1.3811 0.030 ppm 0.4202 1.5125 0.035 ppm 0.4902 1.6439 0.040 ppm 0.5602 1.7752 0.045 ppm 0.6303 1.9066 0.050 ppm 0.7003 2.0380
오존 흡광도 저항값
0.005 ppm 0.246 5.8272 0.010 ppm 0.2359 5.7113 0.015 ppm 0.2258 5.5955 0.020 ppm 0.2157 5.4796 0.025 ppm 0.2056 5.3637 0.030 ppm 0.1956 5.2479 0.035 ppm 0.1855 5.1320 0.040 ppm 0.1754 5.0161 0.045 ppm 0.1653 4.9003 0.050 ppm 0.1552 4.7844
○ 실생활 간이 키트 제작 ○ 연구의 결론
학교주변과 익산 주변 이산화질소와 오존 농도 도출
키트 제작으로 어느 곳에서든지 적은 비용으로 손쉽게 농도 측정 가능
□ 시사점
○ 반응에 대한 화학적 탐구, 빛에 대한 물리적 탐구 ○ 어느 정도의 오차를 포함한다
○ 간이 키트의 제작으로 장소의 제약 없이 주변의 이산화질소와 오존의 농도를 측정 가능하다.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 실생활에서 이산화질소와 오존으로 인한 오염도를 쉽게 알아볼 수 있다.
○ 보다 저렴한 가격으로 환경 오염도를 측정할 수 있게 된다.
○ 간이 분광계를 이용하면 측정소를 늘릴 수 있다.
○ 연구소를 늘림으로써 오존과 이산화질소에 관한 연구를 더 활발히
진행할 수 있다.
○ 오존과 이산화질소의 유해성에 대한 연구를 더 활발히 진행하여 사람 들에게 정확한 정보를 전달해줄 수 있다.
5. 참고문헌
- 이산화질소 농도 통계자료 (에어코리아) - 네이버 오존 관측농도 (환경부 조사)
<‘지상의 오존’과 건강>
<대기중 오존측정을 위한 자동측정기의 개발>
<고농도 오존의 시민 건강영향과 대응방안>
<형광광도법에 의한 대기 중 오존측정에 관한 연구>
<우리나라 산림과 도시지역의 이산화질소 농도의 시공간적 패턴>
<이산화질소 월별 도시별 대기오염도(환경부 통계자료)>
<자외선-가시광선 흡수분광실험>
<비색표를 이용한 성남시 대기오염도 측정 연구>
<흡수 분광법을 이용한 배기가스 중 CO 농도 계측에 대한 실험적 연 구>
<비색광도계(Photometery)>
<광산란법 미세먼지 측정 보정>
<대기 중 암모니아 성분의 분석법 연구 UV, VIS 분광계를 이용한 간 이비색계의 상대 성능평가>
<대기환경표준센터 한국 표준과학연구소>
