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페트병 정수기(교사용)
작성일 2003-02-23 (일) 22:37
분 류 8학년
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영역 혼합물의 분리
ㆍ추천: 2  ㆍ조회: 8328      
페트병 정수기(교사용)

페트병 정수기(교사용)

  환경오염 문제가 대두되면서 수질에 대한 관심이 높아지고 있다. 각종 폐수를 방출할 때에도 오염 물질을 분리해 내어야 하고 강물에서부터 가정으로 전달되는 물도 역시 여러 가지 정수처리과정을 거치게 된다. 이러한 과정은 8학년 (8) 혼합물의 분리 단원과 관련되어 있다. 이 활동은 물을 정화하는 과정 중 일부를 학생들이 직접 시행해 보면서 '혼합물의 분리'를 실생활과 연관지어 생각해 볼 수 있게 하였다.
  여름이면 생수병을 들고 다니는 여학생들을 많이 볼 수 있다. 편의점이나 슈퍼마켓 등에서 쉽게 물을 사 먹는다. 깨끗한 물을 마시기 위함이다. 깨끗한 물을 마시거나 이용하는 것은 우리의 건강과 연관될 뿐 아니라 깨끗함은 여학생들이 선호하는 이미지이기도 하다. 이 활동을 통하여 물을 깨끗하게 만드는 과정을 체험해본다.

① 흙탕물을 정수할 수 있는 정수기를 직접 만들어 보면서 정수가 잘 될 수 있는 조건을 찾는다.
② 정수과정의 기본 원리를 이해 할 수 있다.

1. 수업의 진행과 시간 배정 : 45 분 수업

가) 도입 : 10분

  깨끗한 물의 기준에 대해 모둠별로 토의하게 한다. 토의 결과를 활동지에 기록한다. 한 모둠은 6-8명으로 조직하고 모둠별로 페트병 정수기를 제작한다. (Environment)
  우리가 사용하는 수돗물은 어떤 과정을 거치는지 아는 대로 이야기를 해보게 한다. 수돗물이 아닌 자연 속에서는 물이 어떻게 깨끗해질지 생각해 보고 모둠별로 간단히 이야기해 보고 발표하게 한다. 자연 속에서 물이 정수되는 과정과 흡사한 과정이 일어나는 정수기를 직접 제작해 볼 수 있음을 부각시키고, 물이 깨끗해 지는 것은 물과 불순물의 혼합물은 분리하는 '물질의 분리'라는 점을 기억할 수 있도록 한다.

나) 탐구 실험 : 25분 - 페트병 정수기 제작

① 실험 준비
-  자갈이나 모래는 학교 화단이나 운동장에서 구할 수도 있고 구입할 수도 있다. 체를 이용하여 수업전에 크기별로 골라놓아야 한다. 활성탄은 알갱이와 가루를 함께 준비하여 학생들이 선택할 수 있도록 한다.

② 정수기 제작
 - 자갈에서 고운 모래까지 각 단계를 크기변화가 갑자기 일어나지 않도록 하는 것이 좋으나 실험여건상 자갈, 굵은 모래, 고운 모래, 활성탄 알갱이를 헝겊에 싸서 층을 쌓도록 하면 시행착오를 겪더라도 각 층을 다시 분리할 수 있고 층 높이를 변화시키면서 실험해 볼 수 있다.
 - 자갈, 모래 등의 크기에 따라 물이 흐르는 속력이 달라지고 속력에 따라 정수효과도 달라지므로 층의 두께에 대해서도 고려해야 한다.
 - 처음 만들었을 때는 활성탄 가루가 일부 섞여 나와 거무스름한 물이 나올 수 있으나 페트병 정수기를 물로 여러번 씻어주면 제거된다.

다) 평가 : 5분
- 흙탕물을 흘려서 나온 물의 탁도 조별 비교
- 흙탕물을 흘려본 후 탁도를 비교해 보면 대개는 흙탕물보다는 깨끗해졌겠지만 아직도 부옇게 흐려있는 모양을 볼 수도 있다. 평가에서는 각 모둠별 결과와 자갈, 모래등의 두께와 알갱이의 크기를 잘 비교하여 그 관계를 유추해 볼 수 있게 한다.

라) 결과 정리 및 토의 : 5분
- '생각모으기'와 '한걸음 더'에 대해 토론하고 기록한다.

* 각자 의견을 제시하고 서로의 의견을 기록한 뒤 자신의 의견을 다시 정리하여 기록한다.

* 생각모으기의 답 - 도움말 참조
  자갈과 모래층의 가장 큰 역할은 여과에 있다. 따라서 작은 부유물까지 여과될 수 있도록 하기 위해서는 모래의 크기가 작아야 하나 크기가 작은 모래만을 사용하다면 모래가 흘러 나올 수 있다. 그러므로 모래-자갈의 크기를 점차적으로 변화시켜 여과 효과를 높일 수 있다. 한편, 모래층은 흡착효과도 있다.

* 한걸음 더의 답
① 칼슘이온 제거 - 인산, 탄산염으로 만들어 여과하여 제거
② 부유물질 제거 - 수산화 알루미늄 사용
③ 소독 - 염소 또는 오존 사용

- ②과정은 직접 시범실험으로 보여주어도 좋다.
·부옇게 흐린 상태의 물에 석회수를 넣는다.
  (리트머스종이로 검사하여 염기성이 될 때까지)
·황산알루미늄이나 백반 또는 명반 용액을 흰 젤리같은 것이 생길 때까지 넣는다.
·놔두고 기다리면 부유물들이 거의 가라앉고 용액 윗부분은 맑아진다.

 학생들이 제작한 정수기가 정수기로서의 역할을 하는지를 평가한다.

평가 기준

평가 척도

평가

 정수기를 잘 제작하였는가?

 수돗물을 흘렸을 때 모래나 흙이  빠져나오지 않는다.

2

 수돗물을 흘렸을 때 모래나 흙이 빠져나온다.

1

 흙탕물을 흘려보았을 때 정수기의 기능을 하는가?

 흙탕물이 깨끗해 졌다.

2

 흙탕물과 거의 차이가 없다.

1

A: 4점    B: 3점    C: 2점

  우리가 사용하는 물은 사실상 순수한 물은 없다.  다만 용도에 따라 어느 정도의 물질이 혼합되었을 때 그 물을 깨끗하다고 인정하는 것이다. 우리는 용도에 따라 혼합되어 있는 물질(오염물)을 제거해야만 한다. 물에서 오염물은 제거하는 과정-분리하는 과정이 바로 정수(淨水)이다. 본 실험에서는 흙탕물을 정수하게 되어 있다. 흙탕물은 기본적으로 침전과 여과 과정을 거쳐 정수한다. 이 활동에서도 활성탄 층을 제외한다면 정수기 각층의 역할은 거의 여과에 있다고 볼 수 있다. 층을 어떻게 쌓는 것이 작은 입자까지 효과적으로 제거할 수 있는지 학생들이 생각 할 수 있도록 지도한다.
  침전과 여과는 밀도차와 용해도를 이용한 분리방법이라고 할 수 있다. 따라서 금속이온이나 유기물을 완전히 제거할 수는 없을 것이다. 그렇다면 물에 녹아있는 불순물은 어떻게 제거할 것인지 생각해 보게 하고 활성탄의 역할을 설명해 준다.  활성탄 층은 흡착효과를 위해 넣게 되는데 입자의 크기에 따른  효과를 고려할 수 있도록 지도한다.

<물의 정수 방법>

1. 자연적인 방법
① 침전 : 강이나 호수에서 큰 먼지나 흙가루가 바닥으로 가라앉고,
② 산화 : 유기물질은 공기 중의 산소에 의해서 산화돼 해가 없는 물과 이산화탄소로 바뀐다.
③ 희석 : 오염된 물의 다른 강물이나 호수의 깨끗한 물과 합쳐지면서 묽어져서 오염도가 낮아진다.
④ 여과 : 지표에서 오염된 물이 땅 속으로 스며들면서 깨끗하게 되는 과정이다. 지표수가 흙 속으로 스며들면 우선 크기가 큰 먼지 입자들이 걸러지고, 깨끗한 모래층이나 석탄층을 느린 속도로 지나게 되면 물 속에 섞여 있는 오염 물질들이 제거돼 깨끗한 지하수가 만들어진다.
⑤ 흡착 : 흙이나 돌은 대부분 규산염으로 이루어져 있다. 극성분자는 규산염에 약하게 달라붙는 성질을 가진다 그래서 극성 분자가 혼합된 물이 모래층을 통과하도록 하면 모래에 잘 달라붙는 분자는 그 통과 속도가 느려져서 다른 물질과 분리된다.

  이 모든 과정은 물이 땅 속으로 스며들면서 크로마토그래피라고 하는 화학적 현상으로 볼 수 있다. 이 방법은 시간이 오래 걸리고 지형적인 이유로 우리가 마음대로 사용할 수 있는 방법은 아니다.

2. 인공적인 방법
① 물 속에 녹아있는 이온을 녹지 않는 것으로 만들어 분리해내는 것이다. 예를 들어 칼슘 이온이 많이 녹아 있는 경우에는 인산이온이나 탄산이온을 넣어 물에 잘 녹지 않는 인산칼슘이나 탄산칼슘으로 만들어 제거할 수 있다.
② 부유물 제거 : 수산화 이온과 알루미늄이온을 각각 넣어(석회수와 황산알루미늄을 이용할 수 있다) 생성되는 수산화알루  미늄을 이용하면 물에 떠 다니는 부유물들을 제거할 수 있다. 수산화알루미늄은 끈적끈적한 젤라틴 같은 형태로 각종 부유물을 끌어당겨 함께 침전이 되는 성질이 있다.
③ 소독 : 수돗물처럼 마시기 위한 물은 대장균과 같은 세균성 미생물도 함께 제거해야 한다. 미생물은 높은 온도로 끓이면 죽지만 수돗물로 공급할 물을 모두 끓일 수는 없으므로 소독과정을 거치게 된다. 이를 위해 사용하는 것이 염소와 오존이다. 염소를 물에 녹이면 하이포염소산(HOCl)이 생긴다 이 물질은 강력한 살균작용으로 미생물을 죽인다. 그러나, 물속에 페놀이나 메탄과 같은 오염 물질이 녹아 있는 경우 이들과 반응하여 독성이 강한 염화페놀류나 삼염화메탄(클로로포름)과 같은 물질을 발생시키는 단점이 있으므로 오존을 사용하여 소독하기도 한다. 오존은 반응성이 커서 보관, 운반이 어렵기 때문에 공기 중에 고압의 전류를 방전시켜 만들어 사용한다.
④ 이온교환 : 가정에서 사용하는 정수기는 대개 이온교환수지필터가 들어 있다. 특정한 양이온이나 음이온을 잘 잡아 당기는 화학물질을 고분자 수지에 부착시켜 만든 이온 교환수지를 이용하여 흙 속에서 일어나는 정수작용을 화학적 지식을 이용해서 더 효과적으로 일어나도록 하는 것이다.
유기물 흡착 : 유기물질을 걸러내기 위하여 대개 필터 앞에는 숯성분인 카본필터를 놓는다. 이 정수기는 일정한 시간이 지나면 이온 흡착능력이 떨어지므로 필터를 갈아주어야만 한다.
⑤ 증류법 : 소금물의 경우(바닷물의 정수과정)에는 위의 방법만으로는 염들을 충분히 제거하기가 어려운데 이 때 사용하는 방법이 증류방법과 역삼투압 방법이다. 증류방법은 일조량이 많은 지역에서 태양열을 이용하여 시행한다. 경사진 유리지붕아래에서 태양열에 의해 증발된 물 분자가 유리를 타고 가장자리로 모이는 방법으로 증류한다.
⑥ 역삼투방법 : 반투막을 사이에 두고 용질(오염물)이 없는 쪽의 용매(물)가 용질이 있는 쪽으로 이동하는 삼투현상을 거꾸로 이용한 것으로 용질이 있는 쪽에 고압을 가해주어 오히려   물이 오염물이 없는 쪽으로 이동해 가도록 한 것이다. 가정용 정수기에도 역삼투압을 이용한 정수기가 나오고 있다.

  이 모든 정수의 과정에서 우리는 열역학적인 비용을 지불해야 한다. 분자들은 열역학적인 이유 때문에 가능하면 다른 종류의 분자들과 서로 섞여서 존재하는 것을 좋아한다. 서로 떨어져 있는 것보다 섞여 있을 경우가 엔트로피가 더 크기 때문이다. 그러므로 섞여 있는 물질을 서로 분리해내는 것을 열역학적인 입장에서 볼 때 자연적인 과정이 아니므로 일을 해줘야 한다. 그래서 오염된 물을 깨끗하게 만드는 데는 상당한 비용이 들어간다.

참고문헌
정동찬 외, 겨레과학인 우리 공예, 민속원 겨레과학총서1, 1999
이덕환, 과학동아 1999, 6월호, 168
성도재, 과학동아 1997, 12월호, 38
Joesten & Wood, 화학의 세계 제2판, 화학교재연구회역, 자유아카데미

  나무를 숯가마 속에서 구워 만든 검은 덩어리로 목탄이라고도 한다. 숯(Charcoal)은 나무의 종류와 굽는 조건에 따라 그 종류가 다양하다. 숯을 만드는 나무로는 참나무, 소나무, 물푸레나무, 동백나무, 오동나무 등을 쓰는데, 나무의 종류에 다라 그 쓰임새가 각기 다르다.  숯은 취사와 난방 등의 연료뿐만 아니라 냄새와 독을 제거할 뿐만 아니라, 특히 청동기시대 이후로는 청동이나 철을 야금하는데 큰 역할을 하였다. 그리고 현재 숯은 흡수성이 좋아 흡수제나 휠터 재료로도 널리 쓰이고 있으며, 탈취효과가 있어 악취를 제거하는데 사용되며 금속연마나 칠, 칠보세공의 연마에도 사용된다.
  또한 숯이 더러움을 멀리하고 깨끗하게 하는 기능을 가졌다하여 옛부터 간장을 담글 때와 아기가 태어난 집에서 금줄을 문간에 내걸때에도 숯을 매달아 놓는 등 우리 선조들은 일상 생활에서 폭넓게 활용하였다.
  숯을 실제로 정수에 사용한 예도 찾아볼 수 있다. 옛 우물에는 그 깊이에 관계없이 숯이 묻혀있다. 숯을 잘 씻어서 우물의 바닥에 깔고 그 위에 자갈을 올려 놓았다. 우물은 1년에 한번씩 청소를 했는데 청소 때에는 숯을 바꿔주었다. 숯은 다공성 물질이므로 이물질을 잘 흡착한다.

   
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