작 번

1833

제59회 국과학 람회

효과 인 제설제에 한 탐구Theresearchofeffectivechemicaldeicer

출 분야 학생부 출 부문 경

2013. 7.

구 분 성 명

출품학생만년설 원정

(최 우,최상철,최재윤)

지도교사 홍지연

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효과 인 제설제에 한 탐구

Theresearchofeffectivechemicaldeicer

1.동기 목

제설제에 한 연구는,매년 겨울에 발생하는 폭설 상황에서 사고의 감소를 하

여 필수 이다.차량과 지면 사이의 마찰은 스노우 타이어나 스노우 체인 등을 이

용하여 증가시킬 수 있겠지만, 을 필요한 장소에서 녹이는 일은 여 히 필요하다.

에서 제설제는 염화칼슘,염화나트륨 등을 이용하여 을 녹이는 데에 주력하

고 있지만,이러한 제설제는 강재와 콘크리트의 부식,지면의 마찰계수의 변화 등의

다른 문제를 발생시킨다.그래서,강재의 부식을 최소화 시키고,같은 용량으로

가장 뛰어난 효과를 낼 수 있는 제설제를 찾기 하여 연구를 시작했다.

겨울에 내리는 폭설로부터의 피해를 이기 한 제설제 살포에는 앞에서 언 한

2차 문제가 발생한다.그러므로,이러한 2차 문제를 최소화하기 하여 여러 종

류의 제설제를 만들고,각 제설제가 가진 제설 효능을 비교하여 어느 제설제가 가

장 뛰어난 효능을 가지고 있는지를 비교하 다.이 비교할 효능은 각 제설제가

강재를 어느 정도로 부식시키는지에 한 강재 부식 실험,융빙량 비교 실험 그리

고 각 제설제가 겨울의 혹한에서 얼지 않고 제 기능을 하는지 알아보기 한 어는

측정 실험 등을 진행하 다.이후 제설제가 환경에 미치는 향에 해 더 알아

보기 하여 pH측정 실험을 실시하 다.

2.선행연구 고찰

가.어는 내림

비휘발성인 용질이 녹아 있는 용액의

어는 은 순수한 용매보다 낮아진다.이

것은 용액의 증기압이 용매의 증기압보

다 낮아지기 때문이다.용액의 농도가

진해지면 용액의 삼 은 내려가고 이

것은 고체와 액체의 평형 온도를 낮추어

어는 도 낮아지게 된다.

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나.제설제의 종류(마찰제와 융설제)

1)마찰제

마찰제는 지면에 뿌려주어 노면의 마찰계수를 높여 미끄러짐을 방지하는 것이다.

제설제의 목 은 도로 에 쌓인 을 시 히 제설하여 교통 상황을 다시 복귀시키

기 한 것에 있다.차가 에서 미끄러지지 않는다면 된다는 생각에 착안하여

제작되었다.마찰제로는 주로 모래가 쓰이는데, 이 쌓인 노면 에 살포하여 마찰

계수를 높여 차량이 미끄러지지 않도록 하는 것에 목표가 있다.하지만 모래는

이 녹은 이후에 여러 가지 환경 문제를 발생시켜 새로운 종류의 마찰제에 한 개

발이 필요하다.

2)융설제

융설제는 도로에 깔린 을 신속하게 제거하기 하여 개발된 것이다.융설제로는

주로 염화물계 화학 물질이 사용되고 있으며,그 원리는 물질의 어는 내림을 이

용한 것이다.용매에 용질이 녹아들어갈 경우,용매와 용질 사이의 인력으로 인하여

용매의 어는 이 내려가는 경우가 있다.

다.융설제 살포 방식

1)고체 살포 방식

고체 상태의 제설제를 보 하 다가 바로 노면에 살포하는 방식이다.이 방식의

경우 효과는 오래 지속되나,살포 즉시 빠른 효과를 기 하기는 힘들다.

2)액체 살포 방식

제설제를 액체 상태로 제작하여,운송 후 바로 살포하는 방식이다.고체 살포 방

식에 비하여 효과가 빠르지만,고체 살포 방식에 비해 효과 지속 시간이 짧다.

3)습염 살포 방식

재 가장 많이 쓰이는 살포 방식이다.습염 살포 방식이란 차량에 고체 제설제와

용매를 같이 운송하여,뿌릴 지역에서 혼합하고 뿌리는 형태를 말한다.습염 살포

방식은 고체 살포 방식에 의한 효과 지속과,액체 살포 방식에 의한 즉효가 동시에

나타나므로 가장 뛰어난 방식이라 평가받는다. 신,차량 제시에 고체 운송 칸과

액체 운송 칸을 분리해야 하므로 추가 인 운송비를 요구한다.

라.염화물계의 제설제로서의 효용

1)염화칼슘

제설제로 쓰이는 염화칼슘은 용액에 녹을 때 발열 반응을 나타낸다.이는 용액에

놓아 이온화된 상태가 고체 상태보다 더 안정하기 때문에 내놓는 용해열로 인한

상이다.그러므로 염화칼슘으로 인해 이 녹고 염화칼슘이 용해되면,그 때 내놓는

열로 인해 이 추가 으로 녹고 그 녹은 을 염화칼슘이 다시 얼게 되는 것을 방

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지하는 효과를 가지고 있다.하지만 부식성이라는 단 을 가지고 있기 때문에,피부

에 닿아서는 안되며,염화칼슘으로 제설 작업을 한 도로 를 달린 차의 경우 부식

을 방지하기 해 즉시 세차를 해야 한다.

2)염화나트륨

염화나트륨은 염화칼슘과 약 1:3의 비율로 섞어 쓰며 기온이 낮을 경우 1:1의 비

율로 섞어서 사용한다.염화나트륨은 염화칼슘의 약 70%의 부식성을 가지고 있으

며,염화칼슘과 같은 발열 반응을 기 할 수는 없으나 지속 인 제설 효과와 0

-10℃ 사이에서는 큰 성능을 발휘한다는 에서 제설제로 많이 쓰이고 있다.

3)염화마그네슘

염화마그네슘의 경우는 가격이 염화나트륨보다 비싸고 장이나 운반에서 훨씬

경비가 많이 소요되며 흡습성이 강하고 물에 용해될 때 열을 발생시킨다.국내에서

는 제설제로 그 게 많이 쓰이지 않으며,북미 지역에서 염화나트륨과 혼용하여 제

설제로 쓰이고 있다.최 빙 은 하 30℃이며,효과는 좋으나 염화칼슘보다는 용

융 속도가 더디다.

4)액상 천연 제설제

마.강재 부식 과정

원하지 않는 속의 산화를 가리키는 것으로,그 주원인은 물과 산소이다.다른

속들의 경우에도 부식이 문제가 되지만,그 특히 심각한 속은 철이다.그 이

유는 철이 부식되면 철의 표면이 떨어져 나오면서 부식이 계속 진행되어, 체 구

조의 안정성이 떨어져 커다란 사고 발생 원인이 될 수 있기 때문이다.철의 부식의

주범은 물이다.표 상태에서 물은 다음과 같이 환원된다.

2H2O(l)+2e-→ H2(g)+2OH

-(aq) Eo=-0.42(V)

철은 이와 거의 유사한 환원 값을 가진다.

Fe2+(aq)+2e

-→ Fe(s) Eo=-0.44(V)

따라서 철이 순수한 물속에 놓여있을 때는 산화되는 경향이 매우 다.그러나 물

속에 산소가 녹아들어가게 되면 산소와 물이 공존하고 다음의 반쪽 반응을 고려해

야 한다.

분은 염화칼슘과 거의 같고 부식억제제 성분을 첨가하여

부식을 거의 발생시키지 않게 만든 것으로 YCC회사 제품

을 사용하 다.이 제품은 기존 염화칼슘의 가장 큰 문제

이었던 부식성을 폭 개선했으며.이온농도 pH가 6.5~8.5

로 크게 낮춰져 철 구조물이 녹슬지 않을 뿐만 아니라 식

물의 성장에도 피해가 거의 없고.가로수 고사나 골 장 잔

디에 미치는 향도 거의 없다고 한다.

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O2(g)+2H2O+4e-→ 4OH

-(aq) Eo=+0.40(V)

이 환원 는 철보다 크기 때문에 철을 Fe2+으로 산화시킬 수 있고,Fe2+은 다시

Fe3+로 산화되어 산화철의 수화물(녹)이 된다.

이를 통해서 용존된 해질이 철의 부식을 가속화시킴을 알 수 있다.겨울철에 제

설을 해 염을 뿌리는 것은 해질을 살포하는 것과 같으므로 차량이나 건물의 부

식을 가속화시킨다.

3.연구 차 방법

실험에 쓰일 제설제는 염화나트륨 용액,염화칼슘 용액,염화마그네슘 용액 그리

고 액상천연제설제이다.강재 부식 실험에서는 액상천연제설제를 제외한 세 용액을

10% 용액으로 만들기 해 증류수 450g과 각 물질을 50g씩 넣는 것으로 제작한다.

pH 측정 실험,어는 측정 실험,융빙량 측정 실험에서는 와 같은 방법으로

10% 수용액을 만들고 물 160g과 각 물질을 40g씩 넣어 20% 수용액을 만들어 실험

을 진행하 다.

가.강재 부식 실험<사진 1>

1) 비물

250mL삼각 라스크, 라스크 마개,피펫,철편,제설제,아세톤,유리 막 ,핀

셋,거름종이

2)실험 과정

에서 제작한 각각의 용액 250mL와 액상 천연제설제 250mL를 삼각 라스크에

따라낸다<사진 2>.이 때,개체 수는 각각 3개씩으로 한다.12개의 삼각 라스크

에 용액을 모두 담았을 때에,약 4g과 약 6g의 얇은 철편을 집어넣었다.이후 이틀

에 한 번씩 피펫 필러를 이용하여 라스크 내부에 공기를 주입해주고,일주일 간

격으로 철편을 꺼내어 아세톤에 세척하 다.이후 말린 철편의 질량을 측정<사진

3>하여 질량 변화율을 기록하 다.

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사진 1강재 부식 실험 사진 2용액을 넣은 삼각 라스크

사진 3말린 철편의 질량 측정

나.융빙량 측정 실험

1) 비물

해부 시(소)6개,증류수,냉장고, 실린더,삼각 라스크,철편,목장갑,제

설제

2)실험 과정

해부 시(소)<사진 4>에 증류수 500mL를 붓고, 하 10℃의 냉동고에 넣어 약 3

시간 얼렸다.이 때,얼음은 지면에 평행하게 얼도록 하 다.얼린 후 얼린 해부

시를 꺼내고,<사진 5>의 냉동고에 넣어서 이후 실험을 진행하 다.각각의 제설제

수용액 50mL를 얼음 표면에 붓고<사진 6>,10분 간격으로 꺼내어 실린더에

녹은 액체를 부었다.<사진 7>액체의 부피를 측정한 다음, 실린더의 액체를 다

시 얼음 에 붓고 10분 후에 다시 측정하 다.이러한 과정을 6회 반복하여 한 시

간 동안 녹이는 얼음의 양을 측정하 다.융빙량 측정 실험은 체 으로 외부 온

도가 0℃에서 하 1℃ 사이일 때 진행하 다.

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사진 4증류수를 넣은 해부 시 사진 5실험에 사용한 냉동고

사진 6얼음 표면에 제설제 붓기 사진 7녹은 액체의 부피 측정

다.어는 측정 실험

1) 비물

MBL<사진 8>,온도센서,노트북<사진 9>,드라이아이스<사진 10>,아이스박스,

에탄올,500ml비커,시험

2)실험 과정

시 에서 구매한 드라이아이스를 아이스박스 통에 넣은 후,드라이아이스 사이에

틈을 만들어 500mL비커를 놓았다.이 비커에 에탄올을 약간 넣은 후,그 에 작

은 시험 을 놓아 10%와 20% 농도의 제설제 용액들을 넣어 실험하 다.이후

MBL온도 센서를 이용해 온도 변화를 측정<사진 11>,그래 의 기울기 변화를 통

해 어는 을 측정하 다.

어는 측정 실험에서 측정할 용액은 염화나트륨 용액,염화칼슘 용액,염화마그

네슘 용액,액상천연제설제이다.

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사진 8MBL 사진 9노트북

사진 10드라이아이스 사진 11온도 변화 측정

라.pH(수소 이온 농도)측정 실험

1) 비물

pH4.01,pH6.86인 용액,pH미터기,유리막 ,비커, 자 울

2)실험 과정

pH 6.86인 용액<사진 12>과 pH 4.01인 용액<사진 13>을 사용하여 pH 미터기를

보정하 다.보정이 끝나면 에서 만든 MgCl2 20% 수용액,NaCl20% 수용액,

CaCl220% 수용액을 비커에 30mL만큼 비하 다.다음,pH 미터기를 사용하여

제설제 수용액의 pH를 측정하 다<사진 14>.

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사진 12pH4.01인 용액을 사용하여 보정

사진 13pH6.86인 용액을 사용하여 보정

마.부식 억제제의 종류에 따른 강재 부식 속도 비교

1) 비물

크롬산염,아질산염,규산염,인산염,히드라진,벤조트라이아졸,기포발생기,호스,

철편,아세톤,500mL비커, 라필름

2)실험 과정

부식억제제로 쓰일 수 있는 물질들 ,효과가 좋으리라 상되는 물질 6가지를

선정하여서 10% 염화나트륨 용액에 부식억제제 물질을 1g씩 용해시켰다.이후 두

께와 비가 같은 철편을 같은 길이로 잘라 가 로 다른 부 에 표시를 하 다.이

후 구입한 기포발생기에 30cm 정도의 길이로 자른 호스를 연결해,같은 세기로 강

약을 조 해 기포가 발생하도록 하 다. 조군까지 총 7개의 비커로 실험을 진행

하며,증발을 막기 하여 라필름을 우고 이후 1주일 간격으로 철편의 질량 변

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화 비율을 퍼 단 로 측정하여 효능을 비교하 다.

사진 14 포 발생사진 15 부식억제제 첨가

사진 16 질량 측정 사진 17 인산염 철편

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　 1주차 2주차 3주차

염화마그네슘 3.017 4.442 5.867

염화나트륨 2.217 5.501 7.553

염화칼슘 2.229 4.624 6.193

천연제설제 1.359 2.561 3.345

4.결과 논의

가.실험 결과

1)강재 부식 실험

<제설제로 인한 철편의 질량 변화(g)>

　 기값 5월21일 5월29일 6월4일 1주차 2주차 3주차 체감소량

염화마그네슘1 3.96 3.946 3.936 3.928 0.014 0.01 0.008 0.032

염화마그네슘2 3.97 3.958 3.955 3.949 0.012 0.003 0.006 0.021

염화마그네슘3 4 3.99 3.986 3.983 0.01 0.004 0.003 0.017

염화나트륨1 4 3.983 3.972 3.962 0.017 0.011 0.01 0.038

염화나트륨2 4.1 4.092 4.079 4.068 0.008 0.013 0.011 0.032

염화나트륨3 4.08 4.078 4.062 4.058 0.002 0.016 0.004 0.022

염화칼슘1 4.01 4 3.989 3.982 0.01 0.011 0.007 0.028

염화칼슘2 4.08 4.067 4.057 4.05 0.013 0.01 0.007 0.03

염화칼슘3 4.02 4.015 4.007 4.002 0.005 0.008 0.005 0.018

천연제설제 1 6.331 6.328 6.319 6.316 0.003 0.009 0.003 0.015

천연제설제 2 6.362 6.356 6.35 6.343 0.006 0.006 0.007 0.019

천연제설제 3 6.44 6.44 6.431 6.427 0 0.009 0.004 0.013

<철편의 질량 감소율(‰)>

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<그래프 1> 철편의 질량 감 율(%)

2)융빙량 측정 실험

￭ 10% 제설제의 융빙량(mL)

제설제

시간

액상천연

제설제염화나트륨 염화마그네슘 염화칼슘

10분 84 62.5 62.5 53

20분 125 128 122 65

30분 160 160 160 78

40분 200 176 185 85

50분 246 193 207 93

60분 270 210 235 121

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1

<그래 2>융빙량 측정 실험1

￭ 혼합제설제의 융빙량(mL)

염화나트륨:염화칼슘:염화마그네슘

분7:3:0 6:4:0 8:2:0 4:3:3

10 60 63 72 54

20 81 78 109 60

30 105 100 157 72

40 147 125 188 92

50 167 155 204 108

60 185 190 215 128

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<그래프 3> 융빙량 측정 실험 2

￭ 20% 제설제의 융빙량(mL)

제설제

시간염화칼슘

액상천연

제설제염화마그네슘 염화나트륨

10분 55 74 26 60

20분 66 80 50 82

30분 81 91 59 99

40분 86 104 62 106

50분 88 114 64 112

60분 109 120 64 114

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<그래프 4> 융빙량 측정 실험 3

3)어는 측정 실험

가)MgCl2수용액의 어는

￭ 10% 용액

-3.2℃

<그래 5>MgCl2의 어는 측정 그래

- 15 -

￭ 20% 용액

-5.0℃

<그래 6>MgCl2의 어는 측정 그래

나)NaCl수용액의 어는

￭ 10% 용액

- 4 .

<그래프 7>NaCl의 어는점 측정 그래프

￭ 20% 용액

- 1 8 .

6℃

<그래프 8>NaCl의 어는점 측정 그래프

- 16 -

다)CaCl2수용액의 어는

￭ 10%용액

-2.1

℃

<그래프 9>CaCl2의 어는점 측정 그래프

￭ 20%용액

-10.2℃

<그래프 10>CaCl2의 어는점 측정 그래프

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라)액상 천연 제설제 수용액의 어는

<그래프 11> 액상 천연 제 제의 어는점 측정 그래프

4)pH(수소 이온 농도)측정 실험

제 제 액 20% 염 칼슘 20% 염 나트륨 20% 염 마그네슘 천연제 제

pH 9.13 7.91 9.15 9.22

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부식 억제제　 　실험 주기 A(g) B(g) C(g)

크롬산염

기 3.872 3.892 3.827

1주차 3.87 3.885 3.8252주차 3.87 3.885 3.825

3주차 3.869 3.885 3.823

인산염

기 3.811 3.933 3.827

1주차 3.77 3.911 3.7922주차 3.76 3.902 3.786

3주차 3.752 3.898 3.781

규산염

기 3.808 3.82 3.845

1주차 3.707 3.716 3.732주차 3.536 3.574 3.625

3주차 3.421 3.439 3.503

히드라진

기 3.827 3.877 3.877

1주차 3.73 3.723 3.7352주차 3.607 3.59 3.602

3주차 3.536 3.53 3.538

벤조트라이아졸

기 3.846 3.867 3.855

1주차 3.843 3.866 3.8522주차 3.842 3.863 3.85

3주차 3.839 3.862 3.848

아질산염

기 3.852 3.89 3.871

1주차 3.851 3.889 3.8712주차 3.847 3.886 3.869

3주차 3.846 3.883 3.868

조군

기 3.873 3.882 3.839

1주차 3.767 3.776 3.731

2주차 3.756 3.767 3.724

3주차 3.613 3.647 3.629

5)부식 억제제의 종류에 따른 강재 부식 속도 비교

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(‰)

6)부식억제제의 pH 비교

나.논의

1)강재 부식 실험

강재 부식 실험에서 약 4주 동안 찰한 결과,철의 부식성은 염화나트륨>염화칼

슘>염화마그네슘 순으로 측정되었다.

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2)융빙량 측정 실험

하 1℃에서 10%의 용액을 사용한 첫 번째 융빙량 측정 실험결과 1시간동안 제

설제가 녹인 얼음의 양은 액상 천연제설제>염화마그네슘 >염화나트륨 >염화칼

슘 순이었다.원래 상은 액상 천연 제설제 >염화칼슘 >염화마그네슘 >염화나

트륨 순이었으나 염화칼슘이 가장 낮은 결과를 나타내었다.염화칼슘이 실험에서

가장 낮게 나온 까닭을 우리는 염화칼슘의 용해열 효과를 실험에 사용하지 못했기

때문이라고 생각한다.염화칼슘과 염화마그네슘은 물에 녹을 때 용해열을 발생시키

므로,살포 직 에 제작하여 살포시 이 열로 인해 얼음이 녹고,얼음이 녹으면서 계

속해서 추가로 얼음을 녹이는 것이다.염화마그네슘은 용액을 만든 후 바로 실험을

진행하 으나,염화칼슘 용액은 제작된 지 많은 시간이 지난 후 사용했기 때문에

실험에서 용해열이 고려되지 못했다.용해열을 고려하지 않은 실험 결과는 액상 천

연 제설제 >염화마그네슘 >염화나트륨 >염화칼슘 순으로 융설 효과가 뛰어남을

알 수 있었다. 한,염화물계 화합물들을 일정한 비율로 섞어 융빙량을 측정해본

결과,염화나트륨,염화칼슘과 염화마그네슘의 비율이 8:2:0>6:4:0>7:3:0>4:3:3

순으로 융빙량이 많게 나타났다.그래 추세로 보면 비율을 6:4:0으로 섞은 용액이

후반부에 더 좋은 성능을 보일 것으로 상된다.

두 번째 융빙량 측정 실험에서는, 하 10℃에서 20%의 용액을 이용하여 실험을

진행하 고 염화마그네슘의 경우 다른 세 제설제보다 성능이 좋지 못했고,그 외

세 제설제의 성능은 모두 비슷했다.

3)어는 측정 실험

10% 농도의 제설제 용액들을 사용하여 어는 측정 실험을 진행하게 되었는데,

어는 측정 실험 도 염화칼슘의 온도가 갑자기 올라감을 찰할 수 있었다.이

것은 측정 환경을 건드리지 않은 상황에서 발생한 일이기에 ‘과냉각 상’이

발생했음을 알 수 있었다.과냉각 상이란,원래 실험에서는 분자가 안정 으로 온

도가 내려가면서 상태변화를 해야 하는데 격히 온도가 내려가면서 분자가 미처

상태변화를 할 틈이 없이 어는 아래의 온도로 내려가는 상을 말한다.그리고

이 경우에는,작은 충격에도 바로 얼어버린다.결국, 무 온도가 격히 내려감으

로 인해 과냉각되고 있던 제설제 용액이 얼면서 에 지를 방출해 온도가 올라갔다

는 사실을 측할 수 있다.과냉각 상을 고려하고 실험 결과를 분석하 을 때,염

화칼슘 > 염화마그네슘 > 염화칼륨 > 액상 천연 제설제 순으로 어는 이 높음을

알 수 있었다.하지만,염화물계 화합물들의 어는 은 크게 떨어지지 않았고 큰 차

이를 볼 수 없었다.그 이유는 비록 용액의 농도를 처음 실험보다는 짙게 만들었지

만,각 염화물계 화합물들의 어는 내림 차이를 비교해 보기에는 농도가 충분히

짙지 않았기 때문이라고 상된다.

농도를 10%보다 더 짙게 20%로 만들어 실험한 결과,염화마그네슘>염화칼슘>

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염화나트륨>천연제설제 순으로 어는 이 높음을 알 수 있었다.이는 이론 으로 어

는 내림의 정도를 계산하여 크기를 비교한 것과 같은 결과이다.어는 그래 를

참고하 을 때,염화마그네슘 20%용액은 하 10℃보다 어는 이 높으므로,실험

도 제설 용액이 얼어서 효과가 낮았음을 상할 수 있었다.그 외 세 용액들은

어는 이 하 10℃보다 낮으므로 효과가 좋았다.

4)pH측정 실험

염화나트륨 용액은 성에 가까운 염기성,염화칼슘,염화마그네슘,액상 천연제

설제는 큰 염기성을 나타냄을 알 수 있었다.하지만 이론값과 특히 차이가 나는 염

화칼슘을 해석하기가 난해했는데,정성 으로 추측할 수 있었다.물과 토양의 질에

향을 끼치는 것 하나인 pH를 측정함으로써 각 제설제들이 도로 에 살포된

뒤 하천이나 토양으로 흘러 들어갈 경우 환경에 미칠 향을 짐작해 볼 수 있었다.

5)부식 억제제의 종류에 따른 강재 부식 속도 비교 실험

실험 도 오류 사항으로는, 조군의 2주에서 3주 사이의 부식 과정이 원활하게

이루어지지 않은 것이 있다.이는 원래 기포 발생기를 이용해 용액에 계속 공기를

주입하고,반응 속도가 빠르게 일어나도록 하기 한 것이었는데 1주일 동안 호스

가 제 로 연결되어 있지 않아 조군만 반응속도가 특별히 느려진 것으로 보인다.

그러나 1주차,3주차의 실험 결과만 고려하더라도 부식 억제제의 성능은 크롬산염,

아질산염,벤조트라이아졸 > 인산염 > 조군 > 히드라진,규산염 등의 그룹으로

나 어 평가할 수 있었다.

6)부식 억제제의 pH비교 실험

각 부식 억제제의 환경에 한 향의 기 으로 pH를 측정하기로 하 다.실험

과정에서 증류수의 pH가 6.52로 측정되었으나.이는 증류수에 용해되어있는 CO2로

인한 것으로 단되었다.결국 증류수를 기 으로 각 pH를 비교해 증류수의 pH에

가까운 순서로 부식 억제제의 순 를 정하 다.

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5.결론

가.강재 부식 실험

액상 천연제설제의 부식성이 네 종류의 제설제 가장 작으며,그 다음 염화마그

네슘,염화칼슘,염화나트륨 순으로 부식성이 작았다.즉,염화나트륨의 부식성이 가

장 컸다.염화마그네슘의 부식성이 염화물계 제설제 에서는 가장 작으나,보 하

는데 필요한 큰 비용에 비하면 효율이 좋지 않다.

나.융빙량 측정 실험

0℃에서 하 1℃ 사이인 경우 액상 천연 제설제 > 염화마그네슘 > 염화나트륨

>염화칼륨 순으로 융빙 효과가 뛰어나다. 하 10℃에서 진행한 실험의 경우 액상

천연제설제 > 염화나트륨 > 염화칼슘 > 염화마그네슘의 순으로 효과가 좋았다.

곧,액상 천연 제설제는 가격이 비싸나 확실히 좋은 성능을 지녔으며,염화마그네슘

의 사용은 가격 비 큰 우수성을 보여주지 못하 으므로 효율이 좋지 못하다고

단된다.

다.어는 측정 실험

어는 측정 실험을 통해 액상 천연 제설제의 어는 이 가장 낮고,이로 인해 겨

울의 혹한에서도 사용할 수 있는 것이 시 에 는 천연 제설제의 장 임을 알 수

있었다.그리고 과냉각 상을 고려하여 비교할 때,20% 용액에서 염화나트륨의 어

는 이 가장 낮고 염화칼슘,염화마그네슘이 그 다음으로 낮음을 알 수 있다.10%

용액에서의 어는 차이는 미비했지만,20% 용액에서의 어는 차이는 크게 나타났

다.따라서 20% 용액으로 진행한 실험의 결과로 미루어 보았을 때,천연제설제,염

화나트륨,염화칼슘,염화마그네슘 순으로 기온이 낮은 겨울에 사용하기 좋은 것으

로 생각된다.

라.pH측정 실험

우리나라 수질 pH 기 은 5.8~8.5으로,염화나트륨을 제외한 염화칼슘,염화마그

네슘,천연제설제가 기 에서 벗어난다.토양에서도 산성이나 염기성을 띠는 것은

식물의 생장에 좋지 않은 향을 주므로, 부분 제설제의 사용은 생태계에 안 좋

은 향을 끼칠 것이라 상된다.

마.가장 효과 인 제설제

0℃에서 하1℃ 사이인 경우 실험결과로부터 미루어 보아,제설제 용액을 염화

나트륨과 염화칼슘의 비율을 6:4로 섞어 만든 용액이 가장 효과 이라고 단된다.

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융빙량 면에서는 8:2로 섞은 용액보다는 성능이 조 떨어졌지만,부식성 면에서 훨

씬 더 친환경 인 용액이라 할 수 있으며,염화마그네슘을 사용하지 않았으므로 가

격 면에서도 렴하다. 한,그래 기울기 추세로 보았을 때도 염화나트륨과 염화

칼슘을 6:4로 섞어 만든 용액의 지속성이 좋다고 단된다.

하 10℃인 경우 염화마그네슘은 어는 이 높아 효과가 거의 없었고,다른 세 제

설제는 모두 비슷하게 좋은 효과를 발휘하여서 가격과 부식성을 고려하면 염화나트

륨의 효과가 제일 큰 것으로 드러났다.

가격은 조사해 본 결과,질량 비 가격은 1톤 당 액상천연제설제가 50만원,염화칼

슘이 23만원,염화마그네슘이 22만 5천원,염화나트륨이 8만원으로 액상천연제설제

>염화칼슘 >염화마그네슘 >염화나트륨 순으로 드러났다.이러한 들을 고려하

여,다음 다섯 가지의 각 요소에서 가질 수 있는 최댓값을 고려하여 백분율로 나타

내었다. 를 들어 pH는 7에서부터 벗어난 정도를 7로 나 어 나타내었고,어는

은 우리나라 겨울철 기온이 20℃ 으로 거의 내려가지 않음을 고려해 나타내었다.

한 부식성은 10%를 기 으로 원래 질량에서 감소한 비율이 작을수록 좋게 나타

내었고 융빙량은 가장 좋은 효과를 낸 액상천연제설제를 기 으로 나타내었다.그

결과는 다음과 같다.

염화칼슘 염화나트륨 염화마그네슘 천연제설제

융빙량( 하 1℃) 44.81 88.56 87.04 100

융빙량( 하 10℃) 90.83 95 53.33 100

부식성 38.07 24.47 41.33 66.55

가격 77 92 77.5 50

어는 (20% 용액) 51 93 25 100

pH 69.57 87 69.29 68.29

합계 371.28 480.03 353.49 484.84

합계의 순으로 볼 때,액상천연제설제 >염화나트륨 >염화칼슘 >염화마그네슘

의 순으로 효과가 뛰어남을 알 수 있었다. 한 액상천연 제설제와 염화나트륨이

큰 차이가 안 나는 것을 보고 염화나트륨의 부식성만 해결하면 훌륭한 제설제를 만

들 수 있다고 생각하게 되었다.

바.부식 억제제의 종류에 따른 강재 부식 속도 비교 실험

우리는 효과 인 제설제를 찾는 실험을 통해 염화나트륨이 발 가능성이 우수한

제설제임을 알 수 있었다.다만 가장 큰 걸림돌은 염화나트륨이 가지는 큰 부식성

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이었다.따라서 우리는 염화나트륨과 어울려 부식성을 일 수 있는 가장 효과 인

부식억제제를 탐구했다.그 결과 아질산염,인산염,벤조트라이아졸,크롬산염이 효

과가 좋은 것으로 나타났다.제일 환경에 무해하고 경제 인 부식 억제제를 이용해

친환경 제설제의 개발이 이루어져야 한다.

사.부식 억제제의 pH비교

실험 결과,규산염과 히드라진은 부식 억제 성능도 좋지 않으며 pH가 10을 넘어

가 큰 염기성을 띄므로 좋은 물질이 아니라고 결론을 내렸다.남은 물질 크롬산

염,인산염,벤조트라이아졸,아질산염의 pH가 각각 9.12,4.49,5.16,7.32순으로 증

류수의 pH에 가까웠다.그러므로 사용할 있는 부식 억제제 아질산염이 가장 환

경에 무해할 것이라는 결론을 내렸다.

6.느낀 과 더 알고 싶은

많은 논문을 찾아보고,계획을 세워 탐구를 시작하 으나 의도한 로의 실험 결

과가 쉽게 나오지 않는 것에 해 어려움을 느끼기도 하 다.지 생각해보면 이

런 문제 을 해결해 가는 과정을 통해 더 많은 생각을 하게 되었고,탐구에 한

새로운 생각을 갖게 되었다. 한,앞으로는 어떤 방식으로 실험을 진행해야 할지에

한 깨달음을 얻을 수 있었다.

지 까지 우리가 일상 생활에서 사용하는 물질 에는 성능과 효과를 가장 요

하게 생각한 것들이 많았다.그 결과 우리가 필요에 의해 사용한 많은 물질이 환경

을 괴시키는 주범이라는 것을 알고 뒤늦게 사용 지가 되기도 하 다. 차 환

경 문제의 심각성을 인식하게 되면서 조 이라도 더 친환경 인 물질을 찾아내는데

한 심이 높아지고 있다.겨울철이 되면 반드시 사용할 수밖에 없는 제설제를

이번 탐구 활동에서 얻은 지식을 바탕으로 계속 연구를 하여 효과 으로 을 제거

하면서도 환경에는 나쁜 향을 미치지 않는 제설제를 만들고 싶다.

7. 재 진행 인 추가실험

가.제설제의 마찰 계수

1)탐구 동기 목

마찰계수는 하고 있는 두 표면의 미끄러짐에 한 항을 나타내는 수치로서

표면에서 미끄러지는 물체를 계속 움직이게 하는 데 필요한 수평력을 표면에 작용

하는 힘으로 나 값이다.마찰계수는 타이어와 도로 노면 사이에 발생하는 거동에

큰 향을 미친다. 재 제설제의 사용으로 인해 발생하는 환경오염과 도로 시

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설의 마모,혹은 노후를 가속시킨다는 문제 을 살펴보면 제설제의 마찰계수는 매

우 요한 성질이지만 마찰계수는 제설제의 매우 요한 성능이다. 부분의 안

사고들은 얼음 에서 미끄러움 때문에 발생한다.이러한 안 사고를 막기 해 존

재하는 것이 제설제이다.즉,제설제의 궁극 인 목 은 단지 얼음을 녹이는 것이

아니라 얼음을 녹임으로써 미끄럼을 방지 하는 것이다.따라서 제설제를 뿌렸을 때

마찰력이 좋다면 그것도 좋은 제설제의 조건이 될 수 있을 것이다.마찰력은 마찰

계수에 비례하기 때문에,이 실험을 통해 마찰계수를 구하고 어떤 것이 좋은 마찰

제 역할을 하는지 탐구하고 있다.

2)연구 차 방법

가) 비물

아스팔트 조각,증류수,NaCl,MgCl2,CaCl2, 자 울,약수 ,용수철 울,고무

을 부착한 나무토막(210g),메스실린더,막자사발,드라이아이스,나무막 등

나)탐구 과정

① NaCl,MgCl2,CaCl210% 용액을 만들기 해 증류수 450g과 각 물질을 50g씩

넣어 제작한다.

② 실생활에 용하기 해 아스팔트 조각 에 30cm×30cm의 구간을 설정하고

나무 막 로 벽을 만든다.

③ 구간 내에 제설제를 조심스럽게 살포한 뒤 드라이아이스를 그 에 고르게 살

포한다.

④ 드라이아이스의 승화가 끝나고 아스팔트 표면이 얼면 고무 을 부착한 나무토

막을 올려놓고 용수철 울로 마찰력을 측정,5회 반복한다.

다) 상되는 결과 분석

5회동안 측정한 마찰력 값을 이용해 마찰계수를 구한다.

t-분포를 이용해 마찰계수의 불확실도를 구한다. 푯값과 불확실도를 구한 뒤 각

제설제끼리 비교한다.이 값이 클수록 마찰제로서의 능력이 좋다고 할 수 있다.

나.융빙량 측정 실험 -(기존의 오차를 이는 새로운 방법)

1)탐구 동기 목

융빙량이란,제설제를 노면에 쌓인 에 살포하 을 때 을 녹일 수 있는 능

력을 말한다.이 때,융빙량 측정 과정에서는 환경 인 요인이나 측정 방법에 따른

차이가 날 수 있기 때문에,우리가 기존에 사용했던 방법과는 다른 다양한 방법의

융빙량 측정 실험 방법의 연구를 통하여 가장 효과 으로 정확하게 측정할 수 있는

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방법을 유추해내고자 한다.

2)연구 차 방법

가) 비물

비커,주사기,냉장고,메스실린더,부식억제제(인산나트륨),염화나트륨,염화

칼슘,염화마그네슘,액상 천연제설제

나)탐구 과정

(1)융빙량 측정 실험 1

① 비커 4개에 각각 물 300g씩 넣고 냉동실에서 2시간 동안 동결시킨다.

② NaCl,MgCl2,CaCl2을 각각 30g씩 분말로 만든다.

③ 실온(25℃)에서 3개의 비커 얼음 에 비한 분말 30g을 고르게 뿌리고

나머지 한 개의 비커는 그 로 둔다.

④ 비커의 얼음이 완 히 녹는 시간을 비교 측정한다.

(2)융빙량 측정 실험 2

① 입구를 막은 주사기에 증류수 60mL를 넣고 냉동고에서 얼린다.

② 냉장고 안에 주사기를 일렬로 정렬한 뒤 아래에 메스실린더를 배치시킨다.

③ 20% CaCl2수용액,NaCl수용액,MgCl2수용액,증류수,부식억제제가 첨

가된 염화나트륨 수용액,액상천연제설제 비하여 주사기 속 얼음 표면

에 각각 5mL씩 살포한다.

④ 10분,20분,40분 간격으로 메스실린더 안에 녹은 물의 양을 측정한다.

8.참고 문헌

[1]김 구,도로 제설제로서 염화나트륨의 효과 활용에 한 실험 연구,학

논문,없음,한양 학교,2011

[2]강민수,제설제에 의한 콘크리트 포장의 염화물 분포 아스팔트

삭덧 우기의 손원인에 한 연구,없음,없음,한양 학교,2012

[3]이경배,친환경 제설제의 용성 평가,江陵大學校 大學院,江陵大學校 大學院,

2008.2

[4]이경배 외 3명,친환경 제설제의 융빙성능 평가,한국도로학회논문집,Vol.10

No.2,한국도로학회,2008

[5]이승우&우창완,제설제 사용으로 인한 노면 미끄럼 항 특성 연구,

한토목학회논문집,Vol.26No.5, 한토목학회,2006

[6]이병덕 외 3명,염화물계 제설제의 제설성능 평가에 한 연구, 한토목학회

학술 회,Vol.2005No.10, 한토목학회,2005

[7]도 수 외 3명,동 기의 융빙제들의 융빙 성능 향 평가,

한국도로학회논문집,Vol.10No.3,한국도로학회,2008