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문제 정의
- 본 연구에서는 공기의 접촉 면적을 최대화 한 칼럼실험을 통해 활성탄과 은나노-활성탄의 제균 성능을 확인하는 실험을 수행하였으며, 공조기의 열교환기 표면에서 증식되는 세균이 필터의 장착으로 인해 제거되는 제균성능 실험이 수행되었다. 본 연구에서 사용한 은나노 소재는 스퍼터링 진공증착 공법을 통해 활성탄에 첨착시켰으며, (12)Fig.
- 활성탄과 은나노…활성탄의 제균성능의 차이를 확인하기 위한 실험으로 칼럼실험을 수행하였다. 칼럼에 활성탄만을 채우고 대장균을 포함한 바이오 에어로졸을 통과시키며 살균성능을 확인하고, 활성탄 입자에 1000 ppm의 농도로 은나노가 첨착된은 나노-활성탄 소재를 칼럼에 채우고 다시 실험을 수행하여 그 결과를 비교하였다.
제안 방법
- 공조기의 열교환기 상에 증식하는 대장균의 효과적인 제거를 위해 일반필터, 활성탄 필터, 활셔탄에 은나노가 첨착된 은나노-활성탄 필터의 숴균성능을 비교하였다. 주입되는 대장균의 수는 일정 수준으로 유지하였으나 모든 실험에서 약 4~5 일이 지나면 열교환기 후단에서 대장균수가 급증하는 것을 볼 수 있었다.
- 5 g NaCl per liter) 용액으로 희석하여 104/mL가 되도록 하였다. 대장균 개수는 한천 배지 (nutrient agar plate)에서 성장하는 집락(colony forming unit, CFU)을 세어 제시하였다.
- 대장균의 유입 및 취득 장치는 칼럼실험과 동일하게 제작 사용하였으며, 세균을 공급하기 위한 유입관과 이를 다시 포집하기 위한 취득관을 열교환기 전단에, 열교환기와 필터의 중간지점에, 필터의 후단에 설치하여 총 3지점에서 공기질을 평가하였다.
- 열교환기 전단에서 취득한 값을 유입량으로 정하고, 열교환기의 후단에서 취득하여 열교환기의 표면에 얼마나 많은 대장균이 증식했는지를 측정한다. 또한 열교환기 후단에 설치된 필터를 지나온 공기를 취득하여 필터가 얼마나 많은 대장균을 걸러내는지 측정하였다. 각각의 위치에서 세 번씩 취득을 한 후 평균값을 사용하였으며, 이를 단위부피당 개체수로 환산한 결과를 Fig.
- 칼럼의 지름은 3 cm, 길이는 10cm이며, 칼럼 내부는 활성탄(AC) 및 은나노-활성탄(Ag-AC)으로 채웠다. 미래 배양해 놓은 대장균을 PBS 용액으로 희석하였으며, 분광광학계를 이용하여 광학밀도(optical density, OD)가 1.0으로 일정하게 조절하였다. 이를 초음파 진동을 이용하여 입자를 분산시키는 방식으로 PBS 용액과 대장균이 혼합되어 있는 부유세균(bioaerosol) 형태를 만들었으며, 이 방식은 대장균의 생존에 영향을 미치지 않는디.
- 부유세균 실험에 사용하기 직전에 배양한 대장균 용액을 phosphate buffer saline (PBS, 3.5 g KH2PO4, 4.3 g K2HPO4, 8.5 g NaCl per liter) 용액으로 희석하여 104/mL가 되도록 하였다. 대장균 개수는 한천 배지 (nutrient agar plate)에서 성장하는 집락(colony forming unit, CFU)을 세어 제시하였다.
- 실제 열교환기에서 증식되는 세균과 이를 제거하는 필터의 제균성능 실험을 수행하기 위하여 풍동실험 장치를 제작하였다. 풍동실험 장치는 Fig.
- 51 pm으로 공급하였다. 열교환기 입구 부분에 T형 열전대 (Omega Co.)를 부착하여 공급수의 온도를 측정하였다.
- 열교환기 전단에서 취득한 값을 유입량으로 정하고, 열교환기의 후단에서 취득하여 열교환기의 표면에 얼마나 많은 대장균이 증식했는지를 측정한다. 또한 열교환기 후단에 설치된 필터를 지나온 공기를 취득하여 필터가 얼마나 많은 대장균을 걸러내는지 측정하였다.
- 풍동 내의 공기 속도는 lm/s로 열선 풍속계를 사용하여 조절하였으며, 시험부에서의 난류 강도를 감소시키고 유동 단면에서 균일한 속도 분포를 얻기 위하여 시험부의 상류 지점에 정류장치 <straightener)를 설치하였다. 열교환기를 공조기와 동일한 조건으로 맞추기 위해 일정 온도의 공급 수로 운전하였으며, 유량은 인버터를 이용하여 펌프의 회전수를 제어하여 조절하였으며, 로타메타(Blue White Co., F-50376LN)를 사용하여 유량을 측정하였고, 정확한 유량의 측정을 위해 초시계와 비커, 저울, 메스실린더를 이용하여 60초 간 측정한 유량의 평균값을 이용하여 유량계를 보정하였다. 이에 따른 유량계의 측정 오차는 ±3% 이내로 나타났다.
- 은나노의 첨가로 인한 제균능력 향상의 효과를 규명 하기 위해 먼저 활성탄으로만 이 루어 진 필터로 실험을 수행하였다. 부직포 실험과 동일한 방식으로 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig.
- 0으로 일정하게 조절하였다. 이를 초음파 진동을 이용하여 입자를 분산시키는 방식으로 PBS 용액과 대장균이 혼합되어 있는 부유세균(bioaerosol) 형태를 만들었으며, 이 방식은 대장균의 생존에 영향을 미치지 않는디..
- 칼럼에 활성탄만을 채우고 대장균을 포함한 바이오 에어로졸을 통과시키며 살균성능을 확인하고, 활성탄 입자에 1000 ppm의 농도로 은나노가 첨착된은 나노-활성탄 소재를 칼럼에 채우고 다시 실험을 수행하여 그 결과를 비교하였다.
- 각 필터의 두께는 1cm이다. 풍동 내의 공기 속도는 lm/s로 열선 풍속계를 사용하여 조절하였으며, 시험부에서의 난류 강도를 감소시키고 유동 단면에서 균일한 속도 분포를 얻기 위하여 시험부의 상류 지점에 정류장치 <straightener)를 설치하였다. 열교환기를 공조기와 동일한 조건으로 맞추기 위해 일정 온도의 공급 수로 운전하였으며, 유량은 인버터를 이용하여 펌프의 회전수를 제어하여 조절하였으며, 로타메타(Blue White Co.
- 풍동실험 장치에 열교환기를 장착하고 대장균을 부유세균 형태로 연속 공급하면서 열교환기에 부착 성장하는 미생물 변화를 측정하였다. 대장균을 공급하고 약 4일 후부터 열교환기를 통과한 공기의 대장균수가 급증하는 것을 확인할 수 있었다.
- 풍동실험 장치에 열교환기와 부직포로 된 일반 필터를 장착하고 대장균을 계속 주입하며 24시간 간격으로 공기를 취득하여 대장균 개체수를 확인하였다. 열교환기 전단에서 취득한 값을 유입량으로 정하고, 열교환기의 후단에서 취득하여 열교환기의 표면에 얼마나 많은 대장균이 증식했는지를 측정한다.
- 풍동실험장치 내에서의 대장균 발생 유무를 확인하기 위해 열교환기와 필터가 장착되지 않은 상태에서 실험을 수행하였다. 대장균을 계속 주입하며 24시간 간격으로 취득하여 일정한 개체 수가 공급되며, 풍동장치 내부에서 세균이 증식되지 않는지, 주입량이 그대로 취득이 되는지 확인한 결과를 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 부유세균으로 사용한 미생물은 대장균(Escherichia coli)이었으며, 생물자원센터(BRC)에서 분양받아 영양배지(nutrient broth)에서 계대 배양하였다. 부유세균 실험에 사용하기 직전에 배양한 대장균 용액을 phosphate buffer saline (PBS, 3.
- 2에 나타내었다. 칼럼의 지름은 3 cm, 길이는 10cm이며, 칼럼 내부는 활성탄(AC) 및 은나노-활성탄(Ag-AC)으로 채웠다. 미래 배양해 놓은 대장균을 PBS 용액으로 희석하였으며, 분광광학계를 이용하여 광학밀도(optical density, OD)가 1.
- 제작하였다. 풍동실험 장치는 Fig. 3의 개략도와 같이 송풍장치, 덕트, 시험부, 냉수 공급 장치와 자료획득 장치로 구성된다. 풍동장치의 길이는 2in, 폭 0.
- 3의 개략도와 같이 송풍장치, 덕트, 시험부, 냉수 공급 장치와 자료획득 장치로 구성된다. 풍동장치의 길이는 2in, 폭 0.4m, 높이 0.3m이며, 각종 세균이 붙지 않는 스테인리스 스틸 재질로 제작되었다. 풍동장치 내부에 들어가는 열교환기는 핀-튜브 타입이며, 사용된 필터의 종류로는 부직포로 제작된 일반 필터, 활성탄을 채운 활성탄(AC)필터 그리고 활성탄에 은나노를 첨착시킨 은나노-활성탄(Ag-AC) 필터 세 가지이다.
이론/모형
- 공기 중의 부유세균 측정은 멤브레인 필터법을 사용하였으며, 미량 기체 펌프(MPf500, SIBATA)를 이용하여 51pm의 공기를 멸균된 멤브레인(sterilized membrane)에 통과시킨 후, 한천배지에서 올리고 30 ℃로 유지되는 항온챔버에서 24시간 배양하여 CFU을 측정하였다.
성능/효과
- 열교환기 및 필터를 장착하지 않은 상태에서 주입하고, 주입부와 풍동의 후단에서 각각 세 번씩 취득을 한 후 평균값을 확인한 결과, 주입한 만큼의 대장균 수가 풍동의 후단에서 취득되었다. 9일 간의 실험을 수행한 결과 풍동의 후단에서 일정한 양이 취득 되었기에 본연구에 사용한 풍동장치에서는 대장균의 증식이 일어나지 않음을 알 수 있다.
- 마지막으로 활성탄에 은나노 입자를 첨착시킨 은 나노-활성탄필터로 제균성능을 알아본 결과 전체적으로 약 70% 가량의 제균성능을 고르게 나타내는 결과를 얻었다. 같은 양의 활성탄을 사용했고, 단지 은 나노를 첨착시킴으로써 45%의 제균성능이 70%로 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 은나노가 뛰어난 제균 성능을 가지고 있음을 보여주는 결과이며, 활성탄에 은나노를 첨가함으로써 약 30% 가량의 제균 성능이 향상됨을 보여준다.
- 활성탄 필터를 장착했을 경우 개체수가 적었던 5일째 까지는 활성탄 필터의 평균 제균효과가 약 49% 가량이었으며, 이는 일반필터보다 약 10% 정도 향상된 결과이다. 개체수가 급증한 6일째에서의 활성탄 필터는 34.2% 정도의 포집 효과를 보였으며, 이는 후반 급작스럽게 많아진 대장균수가 검출되었을 때 제균성능을 갖지 않던 일반 필터에 비해 우수한 효과이다. 이 결과는 활성탄이 대장균을 약 30% 이상 제거하는 제균성능을 가지고 있다는 것을 보여준다.
- 성장하는 미생물 변화를 측정하였다. 대장균을 공급하고 약 4일 후부터 열교환기를 통과한 공기의 대장균수가 급증하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 열교환기를 통과하는 물의 입구온도를 10 ℃로 유지하여 열교환기 표면이 공기의 이슬점보다 낮게 함으로써 열교환기의 표면이 습하게 되어 유입 대장균이 열교환기 표면에서 증식하였기 때문이다.
- 이 결과는 활성탄이 대장균을 포집하는 제균 성능을 가지고 있다는 것을 보여준다. 마지막으로 활성탄에 은나노 입자를 첨착시킨 은 나노-활성탄필터로 제균성능을 알아본 결과 전체적으로 약 70% 가량의 제균성능을 고르게 나타내는 결과를 얻었다. 같은 양의 활성탄을 사용했고, 단지 은 나노를 첨착시킴으로써 45%의 제균성능이 70%로 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- 열교환기를 지난 공기를 취득하여 대장균 수를 세어본 결과 4일째부터 대장균수가 점차적으로 증가하기 시작하여 6일째에는 8, 944CFU/m , 7일째에는 13, 972 CFU/n;의 수치를 나타내었다. 여기서 주목할 점은 일반필터와 활성탄 필터의 경우와 비교하여 제균성능이 전체적으로 고르게 나타난다는 것과, 그 성능이 약 70% 정도로, 제균 성능이 아주 미미했던 일반필터와 30%를 약간 웃돌던 활성탄 필터에 대비하여 두 배 이상의 제균 성능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 6에 나타내었다. 열교환기 및 필터를 장착하지 않은 상태에서 주입하고, 주입부와 풍동의 후단에서 각각 세 번씩 취득을 한 후 평균값을 확인한 결과, 주입한 만큼의 대장균 수가 풍동의 후단에서 취득되었다. 9일 간의 실험을 수행한 결과 풍동의 후단에서 일정한 양이 취득 되었기에 본연구에 사용한 풍동장치에서는 대장균의 증식이 일어나지 않음을 알 수 있다.
- 평균 주입 대장균 개체 수는 이 전 실험과 비슷한 수치인 548 CFU/m3 이었다. 열교환기를 지난 공기를 취득하여 대장균 수를 세어본 결과 4일째부터 대장균수가 점차적으로 증가하기 시작하여 6일째에는 8, 944CFU/m , 7일째에는 13, 972 CFU/n;의 수치를 나타내었다. 여기서 주목할 점은 일반필터와 활성탄 필터의 경우와 비교하여 제균성능이 전체적으로 고르게 나타난다는 것과, 그 성능이 약 70% 정도로, 제균 성능이 아주 미미했던 일반필터와 30%를 약간 웃돌던 활성탄 필터에 대비하여 두 배 이상의 제균 성능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
- 같은 양의 활성탄을 사용했고, 단지 은 나노를 첨착시킴으로써 45%의 제균성능이 70%로 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 은나노가 뛰어난 제균 성능을 가지고 있음을 보여주는 결과이며, 활성탄에 은나노를 첨가함으로써 약 30% 가량의 제균 성능이 향상됨을 보여준다.
- 2% 정도의 포집 효과를 보였으며, 이는 후반 급작스럽게 많아진 대장균수가 검출되었을 때 제균성능을 갖지 않던 일반 필터에 비해 우수한 효과이다. 이 결과는 활성탄이 대장균을 약 30% 이상 제거하는 제균성능을 가지고 있다는 것을 보여준다.
- 이에 반해 활성탄 필터는 실험이 수행된 기간 동안 전체적으로 약 45% 가량의 제균성능을 고르게 나타냈다. 이 결과는 활성탄이 대장균을 포집하는 제균 성능을 가지고 있다는 것을 보여준다. 마지막으로 활성탄에 은나노 입자를 첨착시킨 은 나노-활성탄필터로 제균성능을 알아본 결과 전체적으로 약 70% 가량의 제균성능을 고르게 나타내는 결과를 얻었다.
- 일반 필터의 포집 성능은 대장균수가 적었던 초반에는 높다가, 개체수가 급증한 후반부로 갈수록 점점 감소하여 7일째에는 3%의 제균효과를 보였다. 이 결과로 미루어 보아 개체수가 급증 했을 때의 일반 부직포 필터의 제균성능은 거의 없으며, 단지 여과에만 그친다는 결론을 얻을 수 있다.
- 7에 나타내었다. 평균 주입 대장균 개체 수는 333 CFU/ n?이었으며, 열교환기를 지나는 공기는 4일째까지 비슷한 수치의 대장균수가 검출되다가 5일째 증가하기 시작하였으며, 6일을 거쳐 7일째에는 급격하게 개체수가 증가하여 16, 361 CFU/n?의 수치를 나타내었다. 대장균의 증식 방식이 세포 분열이며, 분열을 준비하는 단계인 유도기를 지나 약 4일 이후부터 세균수가 기하급수 적으로 늘어나는 대수기를 지나는 양상을 보인다.
- 대장균의 증식 방식이 세포 분열이며, 분열을 준비하는 단계인 유도기를 지나 약 4일 이후부터 세균수가 기하급수 적으로 늘어나는 대수기를 지나는 양상을 보인다. 일반 필터의 포집 성능은 대장균수가 적었던 초반에는 높다가, 개체수가 급증한 후반부로 갈수록 점점 감소하여 7일째에는 3%의 제균효과를 보였다. 이 결과로 미루어 보아 개체수가 급증 했을 때의 일반 부직포 필터의 제균성능은 거의 없으며, 단지 여과에만 그친다는 결론을 얻을 수 있다.
- 결과를 Fig 10에 나타내었다. 일반필터는 10%의 제균성능을 보이며, 활성탄 필터는 약 45%의 제균 성능을 가진다. 일반필터에 대비하여 활성탄의 제균성능이 35%가량 향상되는 결과이다.
- 일반필터는 10%의 제균성능을 보이며, 활성탄 필터는 약 45%의 제균 성능을 가진다. 일반필터에 대비하여 활성탄의 제균성능이 35%가량 향상되는 결과이다. 활성탄에 은나노를 첨착시킨 은나노-활성탄 필터의 제균성능은 약 70%로서 활성탄만 있을 때의 성능에 대비해 약 25%가량 향상된 결과를 보인다.
- 비교하였다. 주입되는 대장균의 수는 일정 수준으로 유지하였으나 모든 실험에서 약 4~5 일이 지나면 열교환기 후단에서 대장균수가 급증하는 것을 볼 수 있었다.
- 4에 나타내었다. 칼럼의 입구에 대장균 주입수가 증가함에 따라 칼럼의 출구에서도 제거되는 대장균의 수가 증가되었으며, 평균 약 85%의 대장균이 활성탄 칼럼에 의해 제거된다는 것을 알 수 있다. Fig.
- 8에 나타내었다. 평균 주입 E. coli 개체 수는 일반 필터 실험과 비슷한 수치인 324CFU/m3 이었으며, 열교환기를 지난 공기에서의 대장균의 개체 수는 5일째 까지 완만하게 늘어나다가 6일째에 급작스럽게 증가하여 16, 889 CFU/n?의 수치를 나타내었다. 활성탄 필터를 장착했을 경우 개체수가 적었던 5일째 까지는 활성탄 필터의 평균 제균효과가 약 49% 가량이었으며, 이는 일반필터보다 약 10% 정도 향상된 결과이다.
- 이렇게 생성된 바이오 에어로졸을 헤파필터로 여과시킨 깨끗한 공기를 공기주입기 (LP-80A, best tech)를 이용하여 통과시켜 공기와 함께 칼럼내로 유입되게 하였다. 필터의 성능을 가시적으로 빠르게 확인하기 위하여, 유입되는 부유 세균의 농도는 실제 공조환경에 포함된 대장균의 수보다 극단적으로 많은 수의 대장균을 포함한 농도인 104CFU/nF이었다.
- coli 개체 수는 일반 필터 실험과 비슷한 수치인 324CFU/m3 이었으며, 열교환기를 지난 공기에서의 대장균의 개체 수는 5일째 까지 완만하게 늘어나다가 6일째에 급작스럽게 증가하여 16, 889 CFU/n?의 수치를 나타내었다. 활성탄 필터를 장착했을 경우 개체수가 적었던 5일째 까지는 활성탄 필터의 평균 제균효과가 약 49% 가량이었으며, 이는 일반필터보다 약 10% 정도 향상된 결과이다. 개체수가 급증한 6일째에서의 활성탄 필터는 34.
- 5는 은나노-활성탄 칼럼을 사용하였을 때 시간에 따른 대장균의 수를 보여주고 있다. 활성탄만 있을 때 보다 은나노-활성탄이 대장균을 100% 제거하는 월등히 우수한 제균성능을 보였다. 이 결과는 은나노 입자의 제균성능을 입증하고 있다.
- 일반필터에 대비하여 활성탄의 제균성능이 35%가량 향상되는 결과이다. 활성탄에 은나노를 첨착시킨 은나노-활성탄 필터의 제균성능은 약 70%로서 활성탄만 있을 때의 성능에 대비해 약 25%가량 향상된 결과를 보인다.
후속연구
- 할 것이라고 판단된다. 그러나 은나노의 함유 정도에 따라 그 입자가 떨어져 나오는 등 인체 유해 영역에 대한 연구는 필요할 것이다.
- 은나노 입자의 첨가로 제균성능이 향상되었으며, 은나노 입자의 제균 및 탈취 성능을 일반 공조기에 적용하여 공기 질을 향상 시키는 것에 큰 역할을 할 것이라고 판단된다. 그러나 은나노의 함유 정도에 따라 그 입자가 떨어져 나오는 등 인체 유해 영역에 대한 연구는 필요할 것이다.
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