2.1.1 워터펌프와 멤브레인필터를 이용한 자동 흡수 구현

물을 직접 길러 사용하는 사람들이 강에서 물을 양동이와 같은 구조를 이용해 떠서 물을 이동시키는 경우가 있지만 대다수의 경우 좁고 깊은 물웅덩이에서 고인물을 퍼올린다. 이러한 방식은 그들만의 상당한 노하우가 필요하고 사람의 에너지가 소비되지만 많은 물을 떠올릴 수 없다는 단점이 있다. 또, 작은 자갈, 흙 등 이물질이 같이 올라와 무심코 해당 물을 마시면 수인성질병에 걸릴 확률이 올라간다. 이런 환경에 대비해 워터펌프를 작동시켜 깊은 곳에 있는 물을 물통으로 끌어올리는 자동 흡수를 구현했다. 이때 워터펌프는 물 속으로 직접 들어가 output방향에 연결된 호스를 통해 물을 끌어올릴 수 있도록 설계하였다. 워터펌프가 직접 물 속으로 들어감으로써 양방향 호스연결로 인한 에너지 손실과 공기유입으로 인한 제품 고장을 방지하였다. 이때, 그림 5는 워터펌프 케이스와 멤브레인 필터를 보여준다. 워터펌프에 이물질이 들어가게되면 펌프가 고장나거나 필터의 수명이 줄어들 수 있어 펌프와 필터의 수명을 위해 워터펌프 케이스를 제작하고 멤브레인 필터를 사용해 수질 개선 및 이물질을 걸러 낼 수 있게 제작하였다. 워터펌프 케이스는 부력으로 인해 물 속 깊이 들어가지 못할 수도 있는 상황을 대비하기 위해 양 측면에 구멍을 만들어 물의 이동을 자유롭게 하였다. 또, 케이스를 이용해 바닥에서 워터펌프까지 3cm를 띄워 바닥의 이물질 유입을 최소화 하였다. 표 1은 사용된 방수워터펌프의 스펙으로 물속 깊이 넣어 깊은 곳에서 물을 끌어올릴 수 있는 능력을 보여준다.

그림. 5. 휴대용 물 정화장치 워터펌프 및 멤브레인 필터를 이용한 케이스

Fig. 5. Case with portable water purifier water pump and membrane filter

2.1.2 카본필터와 요오드 수지필터를 이용한 필터시스템

본 휴대용 물 정화장치에서 카본필터와 요오드 수지필터를 사용한 필터는 핵심 정수 시스템이다. 모든 정수시스템에서 필터를 거쳐 물속의 유해한 성분을 필터링하는 것은 필수 시스템이며 가정용 정수기에서는 4단계 필터 시스템을 채택하고 있다. 하지만 총 4단계에 걸친 표준형 필터 시스템을 휴대용 물 정화장치에 장착하는 것은 이동해야하는 디바이스에 무게을 높이고 구조적 안정성을 얻을 수 없다는 면에서 효율적이지 못하였다, 따라서, 특수한 물 부족국가의 상황에 맞춰 카본필터와 요오드 수지필터를 결합해 하나의 정수 필터를 제작하였다. 카본 필터는 프리카본 필터를 사용해 물속에 염소, 냄새, 유기 물질을 제거하는 목적으로 사용하였으며, 요오드 수지는 세균과 박테리아와 같은 균들을 필터링 하기 위해 사용하였다. 이러한 필터는 평균 6개월동안 유해한 균들과 중금속을 걸러줄 수 있다. 그림 6은 사용된 필터와 휴대용 물 정화장치에 장착하는 모습과 교체가능한 필터 모습이다.

그림. 6. 휴대용 물 정화장치 카본필터와 요오드수지 필터

Fig. 6. Portable water purifier carbon filter and iodine resin filter

1차 멤브레인 필터로 필터링된 오염수가 큰 이물질이 걸러진 상태로 통과하는 필터이다. 눈에 보이지 않는 작은 입자들을 필터링하는 역할을 한다. 이 필터는 본체와 나사형태로 결합할 수 있게 제작해 수명이 끝나면 모듈식으로 교체가 가능하며 해당 필터만을 교체해 추후 필터 성능을 높이거나 다른 종류의 필터로 업그레이드 할 수 있게 설계하였다.

2.1.3 UV-C LED를 이용한 살균시스템

2차 필터를 통과해 본체 속에 모인 물에 걸러지지 못한 입자 및 균들을 살균하기 위해 UV-C LED를 이용한 살균시스템을 개발하였다. 그림 7은 UV-C LED를 작동시킨 모습으로 LED바 한 개당 17개의 UV-C LED가 살균작용을 하고 있다.

그림. 7. 휴대용 물 정화장치 UV-C LED

Fig. 7. Portable Water Purifier UV-C LED

본 제안된 시시템의 UV-C LED는 200~280mm파장으로 바 한 개당 소비전력이 7.2W이다. UV-C LED는 국제적으로 바이러스가 유행할 때 집중했던 기술로 세균 뿐만아니라 메르스 바이러스, 코로나 바이러스 등 바이러스까지 죽일 수 있는 것으로 알려져 있다. UV-C LED의 광선이 방해없이 물에 직접적으로 닿을 수 있게 제안된 시스템애서는 물통에 구멍을 뚫고 방수작업을 통해 3개의 UV-C LED바를 장착하였다. UV-C LED는 빛의 에너지가 강한만큼 인체에게 유해한 영향을 미칠 수 있어 빛이 외부로 퍼저나가지 못하게 검정색 천으로 마감하였다. 해당 검정색 천은 부직포 이며, 빛을 완전히 차단하기 위해 은박지를 물통위에 1차적으로 마감한 후에 2차적으로 부직포 마감을 하였다. 또한, UV-C LED바 3개는 휴대용 물 정화 시스템의 마지막 정화 단계로 살균을 통해 수인성질병 및 유해균을 제거하는 역할을 수행하는 것으로 실험을 통해 그 성능을 확인하였다.

2.1.4 회전하는 물통을 이용한 자가발전 시스템

휴대용 물 정화장치는 상기 설명한 워터펌프와 UV-C LED바 3개가 전기 에너지를 이용해 작동한다. 급수시스템이 잘 갖춰지지 않아 휴대용 물 정화장치가 필요한 지역에는 대부분 전기설비도 잘 갖춰지지 못한 환경을 가지고 있다. 이러한 환경에 대응해 전기 에너지를 활용하기 위해 자가발전 시스템을 구현하였다. 제안된 시스템에서는 자체 제작한 12V 3300mAh Li-Po(리륨폴리머)배터리를 사용하였으며 12V의 다른 배터리로 교체 가능하도록 하네스 커넥터를 사용하였다. 배터리를 충전하기 위해선 발전기와 외부 전원을 활용할 수 있다. 주로 발전기를 이용해 충전을 하도록 설계하였으며 최대 6V 300mA로 시간당 1.8W 발전이 가능하다. 본 디바이스를 끌고 시간당 2km로 이동이 가능하다. 본 디바이스의 시스템은 15분동안 워터펌프를 작동시켜야 하며, 1분 동안 UV-C LED를 작동시켜야 한다. 해당 시스템을 16분 동안 작동시키기 위해서는 2.2km를 이동하면 충분히 시스템을 작동시킬 수 있다. 꾸준히 걸어 이동하는 현지 상황에 충분한 스펙이며 왕복거리를 이동후에 완충까지 가능하다. 해당 시스템을 이용해 물통이 굴러가는 상황에서 에너지를 생산할 수 있고, 전력설비 없는 열악한 환경에서도 지속적 사용이 가능하다. 그림 8은 물통 바닥면에 장착된 발전기와 배터리팩으로 발전기에 손잡이를 바로 연결해 굴러가며 발전시킬 수 있도록 하였다.

그림. 8. 휴대용 물 정화장치 발전시스템과 배터리상자

Fig. 8. Portable Water Purifier Power Generation System and Battery Box

3.1.1 워터펌프 성능 실험환경

워터펌프가 본 시스템에서 12V전압으로 물속에 들어가 호스와 필터를 통과해 분당 몇L의 물을 이동시킬 수 있는지에 대한 실험을 진행하였다. 총 18L의 물을 이동시켰고, 20L이상의 물이 담긴 수조에 워터펌프를 넣어 진행하였다. 1분 간격으로 물통에 담긴 물의 누적량을 체크해 성능을 확인하였다.

3.1.2 워터펌프 성능 실험결과

휴대용 물 정화장치의 워터펌프의 성능을 실험 한 결과 분당 평균 1.2L의 물을 끌어올려 물통으로 이동시켰다. 워터펌프의 기본 성능이 분당 평균 2.0L인것에 비해 필터와 긴 호스를 통과하며 평균 0.8L정도 느려졌다. 물통의 용량이 실제 18.9L인것에 비해 옆으로 세워두고 실제 사용에서 직관적으로 물을 담을수 있는 용량은 18L이다. 워터펌프를 사용해 15분 만에 물통을 채울 수 있으며 깊은곳에 있는 물까지 전기힘으로 쉽게 기를수 있다는 장점을 가지고 있다. 표 2와 그림 11은 워터펌프 성능 실험 결과이다.

그림. 11. 워터펌프를 이용한 시스템의 분당 물 이동량

Fig. 11. Amount of water movement per minute in the system using a water pump

3.2.1 요오드 수지 필터 정수 실험환경

본 실험은 두 번째로 거치는 2차 필터에 들어가는 요오드수지의 성능을 측정하였다. 용액 500ml에 균들을 넣고 온도를 40도로 똑같이 맞춰준 뒤 용액에 요오드 수지를 침지시킨 후 5분, 30분 및 1시간 후에 살아있는 균(대장균, 살모넬라균, 리스테리아)을 조사하여 시간에 따른 살균력을 측정하였다.

3.2.2 요오드 수지 필터 정수 실험결과

표 3은 요오드 수지 필터의 살균실험 결과를 보여준다. 실험 결과를 보면 5분 이내로 큰 폭으로 줄어들어 90퍼센트 이상이 살균이 되고 점점 줄어들다 1시간이 되면 거의 모든 균이 없어지는 것을 볼 수 있다. 이 결과로 보아 이 요오드 수지만으로도 수인성 질병을 예방할 수 있는 것을 알 수 있다. 이러한 요오드 수지는 필터로 만들어 모든 물이 물병에 담기기 전에 통과하게 하여 균을 제거할 수 있게 하였다. 이 휴대용 물 정화 장치에 있어 꼭 필요한 살균 장치이다. 표 3과 그림 12는 요오드 수지 필터 살균실험 결과이다. 결과를 보면 수인성 질병의 주요 원인인 대장균과 살모넬라균, 리스테리아균을 99.9% 제거할 수 있음을 알 수 있다.

그림. 12. 요오드 수지필터 살균 능력

Fig. 12. iodine resin filter sterilization capacity

3.3.1 UV-C LED 살균 실험환경

휴대용 물 정화장치에서 멤브레인필터와 카본, 요오드수지 필터를 통과한 물이 물통에 담겨 최종적으로 살균하는 단계인 UV-C LED 살균실험을 진행하였다. 물통속에 18L의 물을 가득 담고 UV-C LED를 작동시켜 수인성 질병을 유발하는 대장균, 살모넬라균, 리스테리아균의 양을 측정하였다. 살균된 멸균 테스트 용지에 물을 가득 적셔 균의 양을 측정하는 방법을 사용해 물속의 균을 측정할 수 있었다.

3.3.2 UV-C LED 살균 실험결과

표 4와 그림 13은 UV-C LED 살균실험 결과이다. 30초가 지나면서 3가지 균들이 모두 극단적인 수치로 줄어들었으며 시스템 개발시 권장 UV-C 작동시간으로 설정했던 5분 내에 균을 모두 살균할 수 있었다. UV-C LED는 1분내에 균을 99.9% 제거할 수 있다고 알려져 있지만 휴대용 물 정화장치는 고체가 아닌 물에 빛을 방출함으로써 기존 고체의 살균력에 비해 완전살균이 어렵고, 시간이 20초 가량 더 걸린다는 결과를 얻었다. UV-C LED를 본 시스템에 적용해 실험한 결과 대장균, 살모넬라균, 리스테리아균 모두 제거한다는 결과를 얻을 수 있었다.

그림. 13. UV-C LED 살균실험

Fig. 13. UV-C LED sterilization test

3.4.1 3단 시스템 정화 능력 실험환경

본 실험에서는 TDS와 PH를 실험했다. 똑같은 환경에서 채취한 오염수 3개를 준비하여 3가지 단계의 살균 작업을 진행하여 실험을 했다. 첫 번째로 멤브레인 필터를 통과하게 하고 2번째로 요오드 필터를 통과하게 하고 마지막으로는 UV-C 빛 까지 노출시켜 살균을 진행하였다. 실험을 위해 우선 TDS센서를 이용해 TDS 측정을 하였다. PH를 측정하기 위해 버퍼 용액을 이용하여 측정기의 PH의 초기값을 4로 설정하고 177mv로 설정하여 교정을 한 뒤 PH 실험을 진행했다. 사용된 오염수는 흙을 통과한 물에 진흙과 나무 부스러기 등 자연재료를 섞어 1개월 이상 상온에 노출시켜 현지환경과 비슷한 환경을 만들었다.

3.4.2 3단 시스템 정화 능력 실험결과

본 실험에서 초기값은 TDS는 800에서 1000사이가 나왔고 PH는 2~4까지가 나왔다. 표 5와 그림 14는 3단계에 걸친 정화 과정을 통과한 물의 각 단계별 TDS 측정값이며 표 6과 그림 15는 PH 측정값이다. 표본의 초기값만을 봤을 때 절대 먹지 못하는 물이라는 것을 알 것이다. 그리고 멤브레인 필터를 통과했을 때 TDS가 150~170이 나오고 PH는 4~5 사이가 나온 것을 알 수 있다. 이 정도에 필터만 거쳐도 바로 마셔도 문제 없는 수준이다. 하지만 더욱 안전하게 물을 마시기 위해 2차 필터와 UV-C까지 통과하면 절대적으로 안정된 수치가 나오게 되어 매우 안전하다는 것을 그림에서 알 수 있다. 이러한 3단계 정수 시스템을 설계함으로써 어떤 물을 정수시켜도 수인성 질병에 효과적임을 알 수 있다.

그림. 14. 3단 정화시스템 TDS 측정

Fig. 14. Measurement of TDS for 3-stage purification system

그림. 15. 3단 정화시스템 PH 측정

Fig. 15. Measurement of PH for 3-stage purification system