KR100307377B1 - 금속섬유필터및이금속섬유필터를이용한유기물질분해장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리의 살균기능과, 산화티타늄의 광촉매 반응에 의한 유기물질 분해기능을 갖는 금속섬유필터 및 이 금속섬유필터를 이용한 유기물질 분해장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 티타늄섬유 외주면의 적어도 일부분에 산화티타늄 층이 형성된 산화티타늄섬유를 포함하는 산화티타늄섬유 필터에 의해 달성된다.
상기 산화티타늄섬유는 공지의 방법을 통해 30 ~ 110㎛의 굵기로 인출된 티타늄 섬유를 700 ~ 1000℃의 온도 범위에서 10 ~ 45분간 열처리하여 제조되고, 상기 산화티타늄섬유 필터는 산화티타늄 단섬유를 부직포 상태의 직물로 제조하거나 구리의 단섬유와 산화티타늄을 단섬유를 일정한 비율로 혼합하여 부직포 상태의 직물로 제조하여 만들어진다.
또한, 상기 산화티타늄섬유 필터는 구리 필터의 상면 또는 하면에 적어도 한층이상의 산화티타늄 섬유층을 적층하여 만들어진다.
그리고, 본 발명에 따라 만들어진 산화티타늄섬유 필터에 적당한 빛에너지가 공급되면 산화티타늄의 광촉매 반응으로 필터 상에 부착된 유기물질이 분해되게 된다.
Description
본 발명은 금속필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리의 살균기능과, 산화티타늄의 광촉매 반응에 의한 유기물질 분해기능을 갖는 금속섬유필터 및 이 금속섬유필터를 이용한 유기물질 분해장치에 관한 것이다.
일반적인 필터는 기체나 액체 등의 유체 중에 존재하는 분진이나 부유물질을 걸러주는 물리적인 기능만을 주로 수행하고, 걸러낸 세균이나 유기물질을 분해하는 화학적 기능은 수행하지 못하는 게 보통이다.
따라서 종래의 필터는 유해세균이 필터 상에 축적된 유기물질을 이용하여 번식함으로써 병원균의 번식장소로 이용되거나 축적된 유기물을 부패시켜 악취가 발생되는 문제가 있었다.
따라서 분진이나 부유 물질을 걸러주는 여과 기능뿐만 아니라 필터에 의해 걸러진 오염 물질을 근본적으로 분해시키는 화학적 기능을 갖춘 새로운 형태의 공기 정화나 수 처리용 필터의 개발이 요구되었다.
물론 종래에도 세균을 살균하기 위한 방법으로 구리판이나 구리봉을 사용하는 경우가 있었으나, 이러한 기술은 부유 물질을 걸러주는 여과 기능이 없었다.
한편, 이러한 유기 물질 분해 방법의 하나로 반도체의 광촉매 반응을 이용한 방법이 알려져 있다. 즉, 적당한 띠간격(band gap)을 갖는 반도체에 띠간격 이상의 에너지를 갖는 빛을 조사하여 반도체의 가전대(conduction band)로부터 전도대(valence band)로의 전자 전이가 일어나도록 하면, 가전대 정공(positive hole)이 생기게 되는데, 이 정공이 라디칼(radical)을 생성하여 라디칼 반응을 일으킴으로써 주변의 유기 물질을 산화시켜 분해시키는 것이다.
이러한 광촉매 반응에 이용되는 반도체로는 TiO2, Ti2O3, ZnO, WO3, NbO5등을 들 수 있으며, 이외에도 여러 가지 반도체가 사용될 수 있으나 안정성과 반응성이 모두 뛰어난 TiO2와 Ti2O3가 주로 쓰이고 있다.
지금까지 보고된 바로 산화티타늄(TiO2) 광촉매 반응을 이용하면, hydroquinone, p-aminol, ethanol, dichloromethan, chloroform, trichoro ethylene, benzene, monochlorobenzene, chlorophenol 등 난분해성이며 발암물질인 유기 물질을 거의 100% 가까이 분해시킬 수 있는 것으로 밝혀지고 있다.
따라서 최근 들어, 광촉매 반응을 이용하여 유기 물질을 분해시키려는 노력이 있었으며 그 예로는, 폐수처리공정에서 분말 상태의 산화티타늄을 오염수에 넣은 다음 자외선을 조사시켜 광촉매 반응을 일으키는 분산 시스템 방법이 있으며, 다른 예로는 산화티타늄 분말을 판 형태의 기대에 접착제 등으로 고착시키거나 튜브 형태의 다공성 산화티타늄을 이용하는 이용하는 방법 등이 개발되었다. 그러나 이러한 것들은 반응기 내의 오염 물질을 분해시키는 기능만을 위한 것으로서 여과 기능과 유기 오염 물질 분해 기능을 동시에 수행하지는 못한다.
또한, 상술한 종래의 산화티타늄 반응기들은 그 반응기를 제조하는 공정이 복잡하고 산화티타늄을 기대에 고착하거나 코팅하는 과정에서 산화티타늄의 광촉매 기능이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점들을 해결하여, 분진이나 부유물 등을 물리적으로 걸러주는 여과기능 뿐만 아니라 오염물질을 근본적으로 분해시키는 화학적 기능까지 갖춘 공기정화나 수처리용 금속필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 필터에 의해 걸러진 세균이나 유기물질을 필터 상에서 분해시킴으로써 병원균이 번식하는 것을 방지하고 발암물질이나 난분해성 물질을 분해시켜 2차오염을 방지하는 공기정화나 수처리용 금속필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 종래의 구리섬유 필터에 산화티타늄의 광촉매 기능을 부가하여 구리 이온의 살균기능에 산화티타늄의 유기물질 분해기능을 더하여 악취제거 등의 상승효과를 나타내는 금속필터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 산화티타늄섬유 필터 또는 구리-산화티타늄섬유 필터의 바람직한 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 상술한 산화티타늄섬유 필터를 이용하여 세균이나 발암물질 등 난분해성 유기오염물질을 제거하는 장치를 제공하는데 있다.
도1은 본 발명에 따라 산화티타늄 단섬유를 부직포 형태로 가공한 산화티타늄섬유 필터의 개략적인 사시도 및 부분확대도,
도2는 본 발명에 따라 구리 단섬유를 부직포 형태로 가공한 구리섬유 필터의 개략적인 사시도 및 부분확대도,
도3은 본 발명에 따라 티타늄섬유의 표면에 산화티타늄 층이 형성된 산화티타늄 단섬유의 단면도,
도4는 본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터의 제조공정을 보여주는 개략적인 공정도,
도5는 본 발명에 따른 구리-산화티타늄섬유 필터의 제조공정을 보여주는 개략적인 공정도,
도6은 본 발명에 따른 구리-산화티타늄섬유 혼합필터의 개략적인 사시도 및 부분 확대도,
도7은 본 발명에 따른 구리섬유 필터에 사용되는 바람직한 구리섬유의 단면도,
도8은 본 발명에 따른 구리-산화티타늄섬유 적층필터의 다양한 실시예를 보여주는 단면도,
도9는 본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터를 이용한 유기물질 분해장치의 다양한 실시예를 보여주는 개략적인 단면도이다.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
1 : 산화티타늄 단섬유 3 : 구리 단섬유
10: 산화티타늄섬유 필터 6 : 반원형 단면을 갖는 구리 단섬유
40: 구리-산화티타늄섬유 혼합필터 50: 구리섬유 필터
60:구리-산화티타늄섬유 적층필터 70: 유기물질 분해장치
전술한 본 발명의 목적은 티타늄섬유 외주면의 적어도 일부분에 산화티타늄층이 형성된 산화티타늄섬유를 포함하는 산화티타늄섬유 필터에 의해 달성된다.
상기 산화티타늄섬유는 공지의 방법을 통해 30 ~ 110㎛의 굵기로 인출된 티타늄 섬유를 700 ~ 1000℃의 온도 범위에서 10 ~ 45분간 열처리하여 제조되고, 상기 산화티타늄섬유 필터는 산화티타늄 단섬유를 부직포 상태의 직물로 제조하거나 구리의 단섬유와 산화티타늄 단섬유를 일정한 비율로 혼합하여 부직포 상태의 직물로 제조하여 만들어진다.
또한, 상기 산화티타늄섬유 필터는 구리 필터의 상면 또는 하면에 적어도 한층이상의 산화티타늄 섬유층을 적층하여 만들어진다.
그리고, 본 발명에 따라 만들어진 산화티타늄섬유 필터에 적당한 빛에너지가 공급되면 산화티타늄의 광촉매 반응으로 필터 상에 부착된 유기물질이 분해되게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
먼저, 도2은 본 발명에 따라 만들어진 산화티타늄섬유 필터의 일예를 보여주는 개략적인 사시도로서, 참조번호1은 산화티타늄 단섬유이고, 참조번호 10은 산화티타늄 단섬유(1)를 부직포 상태로 만든 산화티타늄섬유 필터이다.
그리고, 도2는 본 발명에 따라 만들어진 구리섬유의 필터의 일예를 보여주는 개략적인 사시도로서, 참조번호3은 산화티타늄 단섬유이고, 참조번호 50은 구리 단섬유(1)를 부직포 상태로 만든 구리섬유 필터이다. 그러나, 본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터(10)와 구리섬유 필터는(50)은 부직포 상태의 직물로 제한되는 것은 아니며 직포등 여타의 방법으로 제조된 필터를 모두 포함한다.
상기 산화티타늄 단섬유(1)는 도3에 도시된 바와 같이. 타타늄 단섬유(2)를 열처리하여 그 외주면에 산화층(4)이 형성되도록 하여 제조된다. 즉, 30 ~ 100㎜의 단섬유로 절단된 티타늄 단섬유를 대기 분위기의 노(furnace)에 장입하여 700 ~ 1000℃의 온도 범위에서 10 ~ 45분간 열처리함으로써 티타늄 단섬유(2)의 표면에 산화티타늄층(4)이 형성되도록 한다.
이때, 열처리 온도는 산화티타늄 층이 안정되게 형성되는 것과 관련되며, 열처리 시간은 티타늄섬유 표면에 형성되는 산화층에 두께를 결정짓는 변수가 된다.
한편, 열처리된 산화층은 강한 취성(brittle)을 나타내기 때문에 산화층의 두께는 제한될수 밖에 없다. 왜냐하면 산화층이 너무 두꺼운 경우에는 취성이 강하여 부직포 형태의 필터로 제조할 때 섬유가 쉽게 끊어지기 때문에 적당한 범위 내로 제한되어야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예의 경우 지름 30 ~ 110㎛의 티타늄 섬유에 대해 1 ~ 10㎛ 두께의 산화층이 형성되도록 하였다.
이어 도4는 제조된 산화티타늄 단섬유(1) 또는 구리 단섬유(3)을 이용하여 부직포 상태의 산화티타늄섬유 필터(10) 또는 구리섬유 필터(50)를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 참조번호 14는 산화티타늄 단섬유(1)를 공급하는 공급부재이다. 이 공급부재(14)에 의해 공급되는 산화티타늄 단섬유(1)는 고속으로 회전하는 카딩기(16: carding)에 의해 수평으로 이동하는 컨베이어 벨트(18)상에 균일하게 적층된다. 상기 컨베이어 벨트(18)상에 적층된 산화티타늄 단섬유(1)는 매우 성긴 상태의 산화티타늄 단섬유 웹(20 : web)이 된다. 이 산화티타늄 단섬유 웹(20)은 가딩기(16)의 회전 속도와 컨베이어 벨트(18)의 이송 속도에 따라 다양한 두께 및 공극률을 갖도록 제조될 수 있다. 따라서 산화티타늄섬유 필터가 사용되는 분야에 따라 카딩기(16)의 회전 속도와 컨베이어 벨트(18)의 이동 속도를 조정하여 그두께 및 공극률을 조정한다.
한편, 구동롤러(22)에 의해 연속적으로 이동하는 상기 컨베이어 벨트(18)를 따라 흐름방향으로 수평 이동한 상기 산화티타늄 단섬유 웹(20)은 한 쌍의 압착롤러(24,26)를 통과하여 압착되게 된다.
이때, 상기 압착롤러(24,26)는 고주파유도 가열장치(28)등을 이용하여 가열된 상태이므로 산화티타늄 단섬유(1)은 서로 겹친 부분에서 고온 소성 변형이 일어나 접합되게 된다. 이로써 각 산화티타늄 단섬유(1)들은 일정한 공극률로 단단하게 결합되게 된다.
이와 같이, 압착되고 접합된 산화티타늄 단섬유 웹(20)을 적당한 형태로 절단하여 부직포 형상의 산화티타늄섬유 필터(10)가 완성된다. 또한 상기 산화티타늄섬유 필터(10)의 외곽에 보호 틀을 설치하여 필터의 형상이 일정하게 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
도5는 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 개략적인 공정도이다. 이 실시예는 산화티타늄 단섬유(1)와 구리 단섬유(3)를 일정한 비율로 섞어 구리 - 산화티타늄 섬유 필터(40)를 제조하는 것이고 도6은 이 방법에 따라 제조된 구리 - 산화티타늄 섬유 혼합필터(40)의 일예를 보여준 개략적인 사시도이다.
먼저 도5를 참조하면, 산화티타늄 단섬유(1) 공급부재(14)로부터 공급되는 산화티타늄 단섬유(1)와 구리 단섬유 공급부재(34)로부터 공급되는 구리 섬유(2)를 혼합기(36)에서 일정한 비율, 바람직하게는 부피비율로 80 : 20으로 혼합하여 카딩기(16)를 통해 수평으로 이동하는 컨베이어 벨트(18)상에 균일하게 적층시킨다.
따라서 상기 컨베이어 벨트(18)상에는 성긴 상태의 구리-산화티타늄 단섬유웹(30)이 적층되게 된다. 이 구리-산화티타늄 단섬유 웹(30)은 카딩기(16)의 회전속도와 컨베이어 벨트(18)의 이송 속도에 따라 다양한 두께 및 공극률을 갖도록 제조될 수 있다.
한편, 구동롤러(22)에 의해 연속적으로 이동하는 상기 컨베이어 벨트(18)를 따라 흐름방향으로 수평 이동한 상기 구리-산화티타늄 단섬유 웹(30)은 한 쌍의 압착롤러(24,26)를 통과하여 압착되게 된다.
이때, 상기 압착롤러(24,26)는 고주파유도 가열장치(28)를 통해 가열된 상태이므로 산화티타늄 단섬유(1), 구리 단섬유(3) 및 구리와 산화티타늄 단섬유(1,3)들이 서로 겹친 부분에서 고온 소성 변형이 일어나 섬유들이 서로 접합되게 된다.
또한, 상기 압착롤러(24,26)는 질소 분위기 하에 놓여지는 것이 바람직한데, 이와 같이 질소분위기로 하는 것은 구리 단섬유(3) 표면에 구리 이온의 발생을 막는 산화층이 형성되는 것을 방지하기 위한 것이다.
그리고, 압착되고 접합된 구리-산화티타늄 단섬유 웹(30)을 적당한 형태로 절단하면, 구리-산화티타늄섬유 혼합필터(40)가 완성된다. 이 구리-산화티타늄섬유혼합필터(40)는 산화티타늄 단섬유(1)와 구리 단섬유(3)와 적당한 비율로 혼합되어 있으므로 필터의 생산단가는 낮추면서도 구리의 살균 효과와 산화티타늄의 유기 물질분해 효과를 적절히 활용하는 효과가 있다.
한편, 상기 구리 단섬유(3)는 도7에 도시된 바와 같이, 단면이 반원형인 구리 단섬유(6)를 사용함으로써 구리 이온이 발생되는 표면적을 최대한 넓게 하여 살균력을 높이는 것을 바람직하다.
도8은 본 발명에 따른 구리-산화티타늄섬유 필터의 또다른 실시예들을 보여 주는 단면도로서, 산화티타늄섬유 필터(10)의 일측면에 구리섬유 필터(50)를 적층하거나(8a), 구리섬유 필터(50)의 양측면에 산화티타늄섬유 필터(10)를 적층하거나(8b) 또는 산화티타늄섬유 필터(10)의 양측면에 구리섬유 필터(50)를 적층한 것이다(8c). 상기 구리-산화티타늄섬유 적층필터(60)는 도4에 도시된 본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터(10)의 제조 방법과 동일한 방법으로 제조된 산화티타늄 단섬유 웹(20) 및 구리 단섬유 웹을 적층하여 고온으로 가열된 압축롤러(24,26)를 통과시켜 접합시킴으로써 만들어진다.
한편, 본 발명에 따른 산화티타늄 단섬유(1)는 상술한 구리 단섬유(3)이외의 단섬유 예를 들어, 다른 금속류 단섬유, 합성수지류 단섬유 등과 혼합되거나 적층되어 또다른 산화티타늄섬유 필터를 제조할 수 있다.
도9는 본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터(10) 또는 구리-산화티타늄섬유 필터(40)를 이용하여 유기 오염물질을 제거하는 유기물질 분해장치의 다향한 실시예를 보여주는 개략적인 단면도이다.
먼저, 참조번호 52는 세균이나 오염물질을 포함하는 기체나 액체가 산화티타늄섬유 필터(10)를 통과하여 지나가도록 유도하는 유체 유도관이다. 이 유체 유도관(52)은 다양한 형태로 구체화 될 수 있으므로 도면에 도시된 형태는 본 발명의 설명을 위한 것이며 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.
참조번호 54는 산화티타늄이 광촉매 반응을 일으키도록 광에너지를 공급하는 광원이다. 이 광원(54)의 바람직한 예로는 자외선 램프가 있으나 반드시 이에 국한되지 않으며 실시예에 따라서는 태양광이나 형광등도 가능하다. 그리고 도면에 표시된 화살표는 유체의 흐름을 나타낸다.
도9a는 유쳬가 수평으로 이동하는 경우에 적용된 본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터(10)를 보여준 것이며, 9b는 유체가 위에서 아래로 흐르는 경우에 적용된 것이다.
또한 9c는 유체가 원통형으로 형성된 산화티타늄섬유 필터(10)의 안쪽에서 바깥쪽으로 흐르는 경우를 보여주는 것이며, 9d는 유체가 원통형으로 형성된 산화티타늄 섬유 필터(10)의 외부에서 안쪽으로 흘러나가는 것을 보여준다.
상술한 바와 같이 산화티타늄섬유 필터(10)는 다양한 형태로 제조되어 다양한 형태의 오염물질 제거장치(70)에 적용될 수 있으나 그 작용은 모든 경우에 유사하다. 즉, 유체와 함께 이송된 오염물질은 매우 작은 공극을 갖고 있는 산화티타늄 섬유 필터(10)를 통과하지 못하고 필터에 걸리게 된다. 이때 산화티타늄의 띠간격필터(40)를 이용하여 유기 오염물질을 제거하는 유기물질 분해장치의 다양한 실시예를 보여주는 개략적인 단면도이다.
먼저, 참조번호 52는 세균이나 오염물질을 포함하는 기체나 액체가 산화티타늄섬유 필터(10)를 통과하여 지나가도록 유도하는 유체 유도관이다. 이 유체 유도관(52)은 다양한 형태로 구체화 될 수 있으므로 도면에 도시된 형태는 본 발명의 설명을 위한 것이며 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.
참조번호 54는 산화티타늄이 광촉매 반응을 일으키도록 광에너지를 공급하는 광원이다. 이 광원(54)의 바람직한 예로는 자외선 램프가 있으나 반드시 이에 국한되지 않으며 실시예에 따라서는 태양광이나 형광등도 가능하다. 그리고 도면에 표시된 화살표는 유체의 흐름을 나타낸다.
도9a는 유체가 수평으로 이동하는 경우에 적용된 본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터(10)를 보여준 것이며, 9b는 유체가 위에서 아래로 흐르는 경우에 적용된 것이다.
또한 9c는 유체가 원통형으로 형성된 산화티타늄섬유 필터(10)의 안쪽에서 바깥족으로 흐르는 경우를 보여주는 것이며, 9d는 유체가 원통형으로 형성된 산화티타늄 섬유 필터(10)의 외부에서 안쪽으로 흘러나가는 것을 보여준다.
상술한 바와 같이 산화티타늄섬유 필터(10)는 다양한 형태로 제조되어 다양한 형태의 오염물질 제거장치(70)에 적용될 수 있으나 그 작용은 모든 경우에 유사하다. 즉, 유체와 함께 이송된 오염물질은 매우 작은 공극을 갖고 있는 산화티타늄섬유 필터(10)를 통과하지 못하고 필터에 걸리게 된다. 이때 산화티타늄의 띠간격 이상의 빛이 광원으로부터 공급되면 산화티타늄의 광촉매 반응에 의해 필터에 붙어 있던 유기 오염물질이 분해되게 된다. 한편 구리-산화티타늄 섬유 필터(40)의 경우에는 필터에 의해 걸러진 세균 등은 구리이온의 작용으로 살균되고 그 잔해물은 산화티타늄에 의해 분해되게 된다.
본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터는 각 섬유들 사시의 공극이 미세하여 유체중의 부유 물질을 여과하는 효과가 우수할 뿐아니라 산화티타늄의 광촉매 반응으로 유기 오염물질을 분해시키는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 구리-산화티타늄섬유 필터는 필터 구성성분의 하나인 구리에서 발생되는 구리이온에 의해 필터 표면에 흡착된 유해세균을 살균하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 산화티타늄섬유 필터는 제조공정이 간단하고 다양한 형태로 제조될 수 있는 효과가 있다.
Claims (6)
- 티타늄 단섬유 외주면의 적어도 일부분에 산화티타늄 층이 형성된 산화티타늄 단섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화티타늄섬유 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 산화티타늄 단섬유는 30 ~ 110㎛의 굵기로 인출된 티타늄 섬유를 700 ~ 1000℃의 온도 범위에서 10 ~ 45분간 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 산화티타늄섬유 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 산화티타늄 단섬유를 부직포 형태의 직물로 제조한 것을 특징으로 하는 산화티타늄섬유 필터.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 산화티타늄섬유 필터에 부직포 형태의 구리 단섬유가 혼합된 것을 특징으로 하는 산화티타늄섬유 필터.
- 제4항에 있어서, 상기 부직포 형태의 구리 단섬유가 상기 산화티타늄섬유 필터의 적어도 일측면에 적층된 것을 특징으로 하는 산화티타늄섬유 필터.
- 일정한 비율로 혼합된 산화티타늄 단섬유와 구리 단섬유를 적층하여 공극이 생긴 상태의 구리-산화티타늄 단섬유 웹을 형성하는 단계와, 상기 구리-산화티타늄 단섬유 웹을 불활성 가스 분위기하에서 가열된 압착롤러로 압착하는 단계 및, 상기 압착된 구리-산화티타늄 단섬유 웹을 일정한 크기로 절단하는 단계를 포함하여 구성된 산화티타늄섬유 필터 제조 방법.
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