[미국] 미 고교생들이 수돗물 납 제거 필터 개발

미국 배리고교 레베카 부시웨 과학교사와 학생들이 개발…독성금속 제거하는 저렴한 수도꼭지 부착물

3월 20~24일 미국화학회  ‘춘계학술발표회(ACS Spring 2022)’서 발표

 

차세대 과학자와 발명가는 이미 사회 문제를 해결할 방법을 찾고 있다. 오늘날 고등학생 그룹과 그들의 강사는 음용수의 납(Pb) 오염 문제에 대한 해결책을 보고한다. 이 독성 금속을 제거하는 저렴한 수도꼭지 부착물이다.

미국 배리(Barrie) 중·고등학교 학생들이 수도꼭지에 부착하여 수돗물에서 납을 제거할 수 있는 필터를 개발했다. 

[사진출처(Photo source) = 미화학회(ACS)]

현재 시장에 나와 있는 기존 필터와 달리 생분해성 플라스틱으로 만든 카트리지가 포함되어 있으며 수돗물을 노란색으로 바꿔 ‘소진(used up)’되면 표시한다.

연구팀들은 3월 23일 샌디에이고 컨벤션 센터(SDCC)에서 열린 미국화학회(ACS ; American Chemical Society) 춘계학술발표회에서 결과를 발표했다. ‘ACS Spring 2022’는 3월 20일부터 24일까지 오프라인에서 가상으로 열리는 하이브리드 회의로, 3월 21일부터 4월 8일까지 주문형 액세스(on-demand access)가 가능하다. 이번 회의에는 광범위한 과학 주제에 대한 1만2천 개 이상의 프레젠테이션이 있다.

프로젝트의 수석 연구원인  레베카 부시웨이(Rebecca Bushway) 배리(Barrie) 중·고등학교 과학교사는 “몇 년 전 미시간에 사는 한 여성이 수도꼭지를 여는 비디오를 보았는데 물이 갈색으로 나왔다”라면서 “그렇게 생각하게 되었다. 식수에는 안전한 수준의 납이 없기 때문에 납으로 인해 갈색으로 변하기 훨씬 전에 물이 오염되었음을 알려줄 수 있는 정수 필터가 있으면 좋지 않을까?”라고 생각했다고 한다.

배리 중·고등학교 과학교사인 레베카 부시웨이(Rebecca Bushway)가 미화학회(ACS) 유트뷰에서 고교생들이 개발한 수도꼭지에 부착하여 수돗물 납 제거 필터 원리에 대해 설명을 하고 있다. [사진출처(Photo source) = 미화학회(ACS) YouTube]

미국에서 납이 함유된 일부 수도관은 교체되었지만, 특히 저소득 지역 사회의 수백만 가정에서 여전히 납 함유 수도관을 통해 식수를 공급받는다. 물의 화학적 성질이 이상적이지 않거나 수요가 많아 물이 빨리 흐르면 수도관이 부식될 수 있다. 부식물질에 납이 포함되어 있으면 독성 금속이 물에 용해되거나 조각조각 떨어져 나와 어두운 색으로 변색되고 때로는 눈에 보이는 입자로 오염된다.

오래된 수도관을 무연(lead-free) 버전으로 교체할 수 있을 때까지 필터는 수돗물에서 이러한 오염물질을 제거하거나 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 다양한 납 여과 시스템이 존재하지만 높은 비용과 큰 크기가 장벽이 될 수 있다. 또한 그들 중 일부는 물을 갈아야 한다는 징후를 나타내지 않으며 물이 즉각적인 건강 위험을 초래할 수 있다는 징후는 없다. 

배리(Barrie) 중·고등학교의 과학교사인 버시웨이(Bushway)는 상급 고등학교 화학수업에서 물을 정화하기 위해 캠핑용으로 만들어진 것과 유사한 저렴한 부품으로 만들 수 있는 작은 필터로 납을 쉽게 제거할 수 있는지 궁금해 했다.

학생들은 이 아이디어에 흥분했고 ‘코로나19(COVID-19)’ 제한으로 인해 교실에 나오지 못한 2020년에 프로젝트에 대해 생각하기 시작했다.

집에 있는 동안 팀은 가상으로 만나 필터를 싱크대 수도꼭지에 고정하는 부착물 설계에 대해 논의했다. 그런 다음 2021년 봄 학기에 교실로 돌아왔을 때 생분해성 플라스틱을 사용하여 부착물과 3인치 높이의 필터 하우징을 3D로 인쇄했다. 그들의 마지막 단계는 인산칼슘과 요오드화칼륨 분말의 혼합물로 카트리지를 채우는 것이었다.

“인산칼슘은 먼저 물에 용해된 납과 결합하여 인산납과 유리 칼슘을 형성한다. 무해한 칼슘은 결국 물에 들어가고 인산염 납은 필터에 남는다”라고 버시웨이(Bushway)는 설명한다.

 

수도꼭지에 부착하여 수돗물에서 납을 제거할 수 있는 필터 원리 [사진출처(Photo source) = 미화학회(ACS) YouTube]

불활성 고체인 인산납은 장치 바닥의 나일론 스크린에 의해 필터 내부에 갇혀 있다. 인산칼슘의 반응 용량에 도달하면 용해된 납이 요오드화칼륨과 반응하여 납이 존재한다는 지표인 물이 노란색으로 변한다.

화학 자체는 매우 간단하지만 연구원들이 의도한 대로 정수 시스템을 만드는 것은 더 복잡하다. 예를 들어, 인산칼슘은 덩어리지는 경향이 있어 반응 속도를 일으키고 표면적이 감소함에 따라 감소하게 된다.

그래서 팀의 수석 학생 엔지니어는 필터 내부에 육각형 경사를 통합했다. 버시웨이(Bushway)는 “이것은 고등학생 중 한 명이 제안한 혁신으로 물이 통과할 때 나선형으로 만들고 분말이 뭉치는 것을 방지할 것이다”라고 말한다.

다음으로 학생들은 물이 분배되는 필터 카트리지 바닥에 단일 파장 LED가 있는 작은 분광 광도계를 추가했다. 그들의 계획은 탐지기가 요오드화납의 노란색을 식별하자마자 켜지는 표시등을 갖는 것이다. 버시웨이는 이것이 인간의 눈으로 색상을 감지할 수 있기 전에도 납이 물에 있음을 나타낼 것이라고 말한다.

팀의 목표는 필터를 개당 1달러 미만으로 만들고 판매하는 것인데, 버시웨이는 그렇게 하고 있다고 생각한다. 하우징은 생분해성 플라스틱을 사용하기 때문에 비용이 약간 더 높아지는 경향이 있지만 재료는 필터의 전반적인 환경 영향을 줄이는 데 도움이 된다.

버시웨이에 따르면 필터를 개발하는 과정은 매우 만족스러웠다. “궁극적으로 이 경험은 학생들에게 그들이 누군가에게 변화를 줄 수 있고 과학으로 해결할 수 있는 문제가 있다는 것을 보여주었다”라고 그녀는 말한다. 연구원들은 배리 중·고등학교의 지원을 인정했다.

미국화학회(ACS ; American Chemical Society) 소개

 

미국화학회(ACS ; American Chemical Society)는 미국 의회가 승인한 비영리단체이다. ACS의 사명은 지구와 모든 인류의 이익을 위해 보다 광범위한 화학 기업과 실무자를 발전시키는 것이다.

ACS는 과학교육의 우수성을 촉진하고 여러 연구 솔루션, 동료 심사 저널, 과학 컨퍼런스, 전자책 및 주간 뉴스 정기 뉴스인 화학 및 엔지니어링 뉴스를 통해 화학 관련 정보 및 연구에 대한 액세스를 제공하는 글로벌 리더이다.

『ACS 저널(ACS journal)』은 과학 문헌에서 가장 많이 인용되고, 가장 신뢰할 수 있으며, 가장 많이 읽히는 저널이다. 그러나 ACS 자체는 화학연구를 수행하지 않는다. 과학 정보 솔루션의 리더인 CAS 부서는 전 세계의 과학 지식을 선별, 연결 및 분석하여 혁신을 가속화하기 위해 글로벌 혁신가와 파트너 관계를 맺고 있다. ACS의 주요 사무실은 워싱턴 D.C.와 오하이오 주 콜럼버스에 있다.

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High schoolers develop an inexpensive filter to remove lead from tap water

 

SAN DIEGO, March 23, 2022 - The next generation of scientists and inventors is already finding approaches to address society’s problems. Today, a group of high school students and their instructor report a solution to the problem of lead contamination in drinking water - an inexpensive faucet attachment that removes this toxic metal. 

Unlike conventional filters currently on the market, theirs includes a cartridge made with biodegradable plastic and indicates when it’s “used up” by turning the tap water yellow.

The researchers will present their results today at the spring meeting of the American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2022 is a hybrid meeting being held virtually and in-person March 20-24, with on-demand access available March 21-April 8. The meeting features more than 12,000 presentations on a wide range of science topics.

“A few years ago, I saw a video of a woman in Michigan turn on her tap water, and it came out brown,” says Rebecca Bushway, who is the project’s principal investigator. 

She’s also presenting the work at the meeting. “That made me think - because there’s really no safe level of lead in drinking water, wouldn’t it be nice to have a water filter that could tell you that your water is contaminated, well before it turns brown because of lead?”

Although some pipes have been remediated in the U.S., millions of homes, especially those in low-income communities, still receive drinking water through lead-containing pipes. If the water’s chemistry isn’t ideal, or it flows quickly because of high demand, then pipes can corrode. When the corroding material contains lead, the toxic metal dissolves or flakes off into the water, contaminating it with a dark discoloration and sometimes visible particles.

Until old pipes can be replaced with lead-free versions, filters can help remove or reduce this pollutant from tap water. Although various lead filtration systems exist, their high cost and large size can be barriers. In addition, few of them provide any indication that they should be changed, and none indicate that the water could pose an immediate health risk.

Bushway, a science teacher at Barrie Middle and Upper School, wondered aloud to her upper-level high school chemistry class if there was a little filter - similar to the ones that are made for camping to purify water - that they could make from inexpensive components to easily remove lead. The students were excited about the idea, and they started thinking about the project in 2020 when COVID-19 restrictions kept them out of the classroom. 

While at home, the team met virtually and discussed designs for an attachment to screw a filter onto a sink’s faucet. Then in the spring semester of 2021, when they returned to the classroom, they 3D printed the attachment and a 3-inch-tall filter housing, using a biodegradable plastic. Their final step was to fill the cartridges with a mixture of calcium phosphate and potassium iodide powder.

“Calcium phosphate first binds with dissolved lead in water to form lead phosphate and free calcium. The calcium, which is harmless, ends up in the water, and the lead phosphate stays in the filter,” explains Bushway. Lead phosphate, which is an inert solid, is trapped inside the filter by a nylon screen on the bottom of the unit. Once the reaction capacity of the calcium phosphate is reached, dissolved lead reacts with potassium iodide, which turns the water yellow, an indicator that lead is present. 

And while the chemistry itself is pretty straightforward, crafting the water filtration system to do what the researchers intended has been more complicated. For instance, calcium phosphate tends to clump up, causing the reaction rate between it and lead to go down as the surface area decreases. 

So, the team’s lead student engineer incorporated hexagonal bevels inside the filter. “That’s an innovation, which came from one of the high school students, that will make the water spiral as it goes through and keep the powder from clumping,” says Bushway.

Next, the students will add a tiny spectrophotometer with a single-wavelength LED to the bottom of the filter cartridge, where the water gets dispensed. Their plan is to have an indicator light that turns on as soon as the detector identifies the yellow color of the lead iodide. Bushway says this will indicate that lead is in the water, even before the color is detectable by a human eye.

The team’s goal is to make and sell their filters for less than $1 each, which Bushway thinks they’re on their way to doing. Because the housings use biodegradable plastic, the cost could trend a little higher, but the material would help reduce the overall environmental impact of the filter.

The process of developing the filter has been very fulfilling, according to Bushway. “Ultimately, this experience has shown students that they can make a difference to somebody, and there are problems that they can fix with science,” she says.

The researchers acknowledge support from Barrie Middle and Upper School.

ACS Spring 2022 will be a vaccination-required and mask-recommended event for all attendees, exhibitors, vendors, and ACS staff who plan to participate in-person in San Diego, CA. For detailed information about the requirement and all ACS safety measures, please visit the ACS website.

The American Chemical Society (ACS) is a nonprofit organization chartered by the U.S. Congress. ACS’ mission is to advance the broader chemistry enterprise and its practitioners for the benefit of Earth and all its people. 

The Society is a global leader in promoting excellence in science education and providing access to chemistry-related information and research through its multiple research solutions, peer-reviewed journals, scientific conferences, eBooks and weekly news periodical Chemical & Engineering News. 

ACS journals are among the most cited, most trusted and most read within the scientific literature; however, ACS itself does not conduct chemical research. As a leader in scientific information solutions, its CAS division partners with global innovators to accelerate breakthroughs by curating, connecting and analyzing the world’s scientific knowledge. ACS’ main offices are in Washington, D.C., and Columbus, Ohio.

To automatically receive press releases from the American Chemical Society, contact newsroom@acs.org.

[출처 = 미화학회(https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/newsreleases/2022/march/high-schoolers-develop-inexpensive-filter-to-remove-lead-from-tap-water.html) / 2022년 3월 23일자 보도자료]