KR100355347B1

KR100355347B1 - 항균 지속성 세라믹 여과막의 제조 방법

Info

Publication number: KR100355347B1
Application number: KR1020000004627A
Authority: KR
Inventors: 조영상; 오재춘
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2002-10-11
Also published as: KR20010077071A

Abstract

세라믹 원료에 은을 분산시키는 것으로 이루어진, 항균 지속성을 갖는 다공성 세라믹 여과막의 제조방법을 제공한다.

Description

항균 지속성 세라믹 여과막의 제조 방법{A PREPARTION METHOD FOR A CERAMIC FILTER HAVING CONTINUAL ANTIBIOTIC PROPERTY}

본 발명은 항균 지속성 세라믹 여과막의 제조 방법에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 세라믹 원료에 은을 분산시켜 내부에 균일한 함량비의 은이 함유되어 항균 지속성을 갖도록 하는 은 함유 다공성 세라믹 여과막을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래의 수도물 정수기는 염소 성분, 냄새, 유기 부유물 등을 제거하기 위한 활성탄층과, 미세물질 또는 미생물 등을 제거하기 위한 역삼투 여과막 또는 극미세 여과막 등의 여과막층으로 구성되는 2층의 여과 구조로 되어 있다. 그러나, 이러한 구조의 정수기는 공기와 접촉되는 출수구를 통하여 박테리아 등의 미생물이 정수기 내부로 침입하여 번식할 수 있다는 내재적 약점을 갖고 있으며, 이와 같은 약점을 보완하기 위하여 일반적으로 활성탄층과 여과막층 다음에 은을 함유한 활성탄층을 추가 설치함으로써 출수구로부터 침입하는 박테리아 등의 미생물을 은의 항균력으로 번식 억제 또는 살균하게 되었다. 그러나, 은 함유 활성탄층은 은과 활성탄과의 결합력이 약하여 일반적으로 정수 초기에 많은 양의 은이 유실되기 때문에 항균 지속성이 우수하지 못하다는 단점을 갖고 있다.

이에 따라, 이와 같은 단점의 보완 방법으로 은과 은의 담지체 사이에 결합력을 보다 강한 형태로 유지시키면서 은이 지속적으로 극소량씩 유출되도록 하는 방법이 최근 제안되었다. 예를 들면, 은 함유 세라믹 분말을 셀룰로즈아세테이트와 섞어 은 함유 셀룰로즈아세테이트 입자를 만든 후 이를 은 함유 활성탄과 혼합하여 사용하거나 단독으로 사용하는 방법(일본특허공개공보 제 평6-24920 호), 또는 모양이 다른 두 종류의 은 함유 세라믹 입자를 혼합하여 사용하는 방법(일본특허공개공보 제 평11-57729 호) 등이 제안된 바 있다.

하지만, 상기한 바와 같이 항균 지속성을 충분히 갖도록 개선된 정수기의 구조 또한, 결국 3층(활성탄층, 여과막층, 항균층)구조가 되며, 이러한 3층 구조는 정수 장치의 크기를 증대시키고, 경제성을 약화시키는 원인이 된다.

따라서, 본 발명은 여과막층과 항균층의 역할을 동시에 수행할 수 있는, 두 개의 층을 결합시킨 한 개의 항균 여과층을 개발하여 정수기 구조를 단순화시키면서 그의 항균 효과 또한 향상시킬 수 있는 다공성 세라믹 여과막의 제조 방법을 제공하고자 한다.

즉, 정수 장치의 구조에서 2 개의 독립된 여과막층과 항균층을 하나의 결합된 항균 여과막층으로 재구성하여 제조하며, 상기 항균 여과막층이 여과막 기능과 항균 기능을 동시에 갖게 하기 위하여 항균 작용을 하는 은이 적절한 결합력으로 여과막에 알맞게 함유되어 있는 은 함유 다공성 세라믹 여과막의 제조 방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명은 다음과 같이 이루어지는 항균 지속성을 갖는 세라믹 여과막의 제조 방법을 제공한다:

a) 분말 형태의 세라믹 원료 70-99.9 중량%와 분말 형태의 은염 0.1-30 중량%를 혼합하여 은이 함유된 세라믹 원료를 제조하고,

b) 상기 은이 함유된 세라믹 원료 30-95 중량%와 분말형 가연성 물질 5-70 중량%를 혼합한 후에 반죽하여, 원하는 형태로 성형한 후에 상기 성형물을 충분히 건조시키고, 500-1200 ℃의 온도에서 소성하여 은 함유 다공성 세라믹 여과막을 제조한다.

또한, 본 발명의 제조 방법은 다음과 같이 이루어지는 은 피복 단계를 추가로 포함할 수도 있다:

c) 상기 은 함유 다공성 세라믹 여과막을, 은염이 물 또는 유기 용매에 용해되거나 분산되어 은 이온을 1-20 중량%의 함량으로 함유하는 은염 용액에 침적시킨 후에 충분히 건조시키고, 500-1200 ℃의 온도에서 소성하여 은 피복한다.

이상과 같은 c) 단계에서 이루어지는, 부가적인 은염에 의한 세라믹 여과막의 은 피복은 세라믹과 은과의 결합력을 상기 세라믹 여과막의 제조 과정 a) 및 b) 단계를 통해 형성된 세라믹과 은의 결합력보다 약한 형태로 존속시키는 역할을 하며, 이에 따라 물 등이 세라믹 여과막을 통과할 때 은이 좀더 쉽게 물에 용출되어 물 속의 은 함량을 높일 수 있으므로, 특히 균이 많이 함유된 물을 정수하는 경우에 매우 효과적일 것이다. 이같은 은 피복 단계 c)는 목적하는 피복 정도에 따라 1 회 이상 반복하여 수행할 수 있다.

본 발명에서 세라믹 원료라 함은 점토, 고령토, 구석, 도석, 장석을 단독 또는 2종 이상 혼합한 물질을 지칭하는 것이다. 이들은 물과 혼합되는 경우 플라스틱의 성질을 갖게 되며 따라서 튜브형, 판형 등 원하는 형태로 성형 가능하게 한다.

본 발명에서 은염이라 함은 초산은, 탄산은, 질산은, 옥살산은, 황산은을 단독 또는 2종 이상 혼합한 물질을 지칭하는 것이다. 이들은 500-1200 ℃의 온도로 소성되는 경우 금속으로 분해되는 특성을 갖는다. 따라서 은염을 세라믹 원료와 혼합하여 500-1200 ℃의 온도로 소성하는 경우 세라믹층에 금속은이 잘 분산된 구조의 항균성 세라믹으로 성형되게 된다.

본 발명에서 분말형 가연성 물질이라 함은 높은 온도에서 산소와 반응하여 물과 이산화탄소 등으로 완전히 분해 가능한 물질을 의미하는 것으로 미분탄, 흑연가루, 카본 블랙 등의 분말형 탄소 화합물, 아디핀산, 멜라닌, 설탕 등의 탄소, 수소, 산소로 이루어진 분말형 탄화수소 화합물을 지칭하는 것이다. 이들 분말형 가연성 물질은 상기 세라믹 원료와 혼합되어 500-1200 ℃의 온도로 소성되는 경우, 산화되어 물과 이산화탄소로 분해되어 균일한 분포의 기공을 갖는 다공성 세라믹층을 형성한다.

본 발명의 제조 방법에서 a) 단계에서 은염의 사용량은 약 0.1-30 중량%가 바람직하다. 만약 은염이 0.1% 미만인 경우에는 은의 함량이 부족하여 최종 제품의 항균 능력이 크게 저하되며, 반면에 30%를 초과하는 경우에는 소성 과정에서 형태가 붕괴되기 때문에 세라믹 여과막의 성형이 불가능할 수 있다. 또한, 가장 바람직하게는 a) 단계에서의 은염 함량은 약 0.5-10 중량%이다.

또한, 본 발명에서 분말형 가연성 물질의 함량은 약 5-70 중량%가 바람직하다. 만약 분말형 가연성 물질의 함량이 5% 미만인 경우에는 생성되는 세라믹 여과막의 기공 크기가 너무 미세하여 물이나 용액의 통과가 어렵게 된다. 또한 70% 이상이 되는 경우에는 소성 과정에서 형태가 붕괴되어 성형이 불가능할 수 있다. 가장 바람직한 분말형 가연성 물질의 함량은 약 25-65 중량%이다.

상기 b) 단계의 반죽 과정은 원하는 형태로 성형을 하기 위한 것으로 어떠한 용매도 사용가능하긴 하지만, 가장 저렴하고 얻기 쉬운 물을 이용하는 것이 가장 바람직하다. 물을 사용하는 경우, 물의 함량은 약 50-150 중량%가 바람직하다. 반죽시에 50% 미만의 물을 사용하는 경우 반죽이 푸석푸석하여 성형이 불가능하고. 150%를 초과하여 과량의 물을 사용하는 경우 수분 건조 과정에서 세라믹 여과막의 변형이 크게 발생하여 바람직하지 못하다.

상기 은 피복 단계 c)에서 은염 용액의 바람직한 은 이온 함량은 약 1-20 중량%이다. 이 함량이 1% 미만인 경우에는 상기 a) 단계에서와 마찬가지로 세라믹에 피복되는 은의 함량이 적어 피복 효과가 저하될 수 있으며, 20%를 초과하는 용액에서는 은의 함량이 과다하여 은 침적의 균일성이 현저히 저하될 수 있다. 가장 바람직하게는, 약 5-15 중량%의 은염을 함유하는 은염 용액을 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 b) 및 c) 단계에서 소성 온도는 약 500-1200 ℃가 바람직한데, 500 ℃ 미만인 경우에는 은염이 분해되지 않기 때문에 세라믹층에 금속 은을 생성시킬 수 없으며, 1200 ℃ 이상에서는 금속 은이 액체 상태로 변하여 세라믹을 이탈할 수 있다. 또한, 소성 시간은 b) 단계에서는 1 시간 이상이 바람직하고, c) 단계에서는 30 분 이상이 바람직하다.

이상과 같은 원료 물질과 제조 방법에 의해 제조된 다공성 세라믹 여과막은 세라믹 여과막내에 함유되어 있는 은이 서서히 용출되므로 해서, 이미 잘 알려진 바와 같은 은의 항균 및 살균 작용에 의한 항균성을 갖게 되며, 또한 본 발명의 세라믹 여과막을 가정용 수도물의 정수에 사용하는 경우, 여과되어진 물에 은 또는 은 이온이 용출되어 용존되게 되므로 여과되어진 물도 항균성을 갖게 된다.

본 발명을 실시예를 통해 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

이들 실시예는 본 발명의 일부를 보여주고자 하는 것으로서, 본 발명의 범위를 이에 국한시키고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1]

여과막 기공의 크기 제어 (1)

무게 기준으로 점토 분말 50 부, 고령토 분말 50 부, 탄산은 4 부를 혼합한 후에, 이 혼합물에 평균 입경 0.1 μm의 카본 블랙 분말을 각각 25 부, 50 부, 75 부, 100 부를 첨가하여 세라믹 원료 혼합물을 제조하였다. 이 혼합물에 증류수를 동일한 무게 비율로 섞어 반죽한 후에 외경 30 mm, 내경 26 mm, 길이 15 cm의 시험관 여과막으로 성형하고 상온에서 48 시간 동안 건조시켰다. 건조된 성형물을 전기 오븐에서 1000 ℃로 3 시간 소성하여 상온 냉각시키고, 은 함유 다공성 세라믹 여과막을 얻었다. 이 시험관형 세라믹 여과막에 수압 4 kg/cm²의 수도물을 2 L/min의 속도로 통과시키면서 30 분 후에 여과막에 걸리는 압력을 조사한 결과는 다음 표 1에 나타내었다.

카본 블랙 첨가량 (부)	25	50	75	100
필터에 걸리는 압력 (kg/cm²)	2.2	1.3	0.8	0.5

[비교예 1]

여과막 기공 크기의 비교

평균 기공 크기가 1 μm인 상용 플리프로필렌여과막(Antifilter(주) 제조)에 수압 4 kg/cm²의 수도물을 2 L/min의 속도로 통과시키는 경우 30 분 통과 후 여과막에 걸리는 압력은 0.05 kg/cm²로 측정되었다. 따라서, 상기 실시예 1에서 제조한 다공성 세라믹 여과막층의 평균 기공 크기는 1 μm 이하임을 알 수 있다.

[실시예 2]

여과막 기공의 크기 제어 (2)

무게 기준으로 점토 분말 50 부, 고령토 분말 50 부, 질산은 3 부 및 장석 분말을 각각 5 부, 10 부, 15 부, 20 부 혼합한 후에, 가연성 물질로서 평균 입경 0.2 μm의 아디핀산을, 혼합된 세라믹 분말의 총량과 동일한 양으로 첨가하여 다공성 세라믹 원료 혼합물을 제조하였다. 이 분말 혼합물에 증류수를 무게 기준으로 150% 섞어 반죽한 후에, 상기 실시예 1의 방법에 의해 은 함유 다공성 세라믹 여과막을 제조하고 실시예 1의 방법으로 여과막에 걸리는 압력을 조사한 결과는 다음표 2에 나타내었다.

장석 분말 첨가량 (부)	5	10	15	20
필터에 걸리는 압력 (kg/cm²)	0.4	0.35	0.25	0.1

[실시예 3]

여과수의 은함량 제어

가연성 물질로서 카본 블랙을 75 부 사용하여, 상기 실시예 1과 같은 방법에 의해 은 함유 다공성 세라믹 여과막을 얻었다. 이 세라믹 여과막을 각각 은이 5 중량%, 10 중량%, 15 중량% 및 20 중량% 함량으로 함유된 질산은 용액에 5 분간 침적시킨 후에, 24 시간 상온 건조하고 900 ℃로 1 시간 동안 소성하여 표면에서의 은의 함량이 각기 다른 세라믹 여과막들을 제조하였다. 이같이 제조한 세라믹 여과막에 2 L/min의 속도로 압력 4 kg/cm²의 수도물을 통과시키면서 시간별로 여과되어 나온 물에 함유된 은의 함량을 조사한 결과는 다음 표 3에 나타내었다.

질산은 용액의 은 농도	시간별 수도물 통과 후에 여과수 중의 은 함유량(μg/L)
질산은 용액의 은 농도	1 시간 후	5 시간 후	10 시간 후	15 시간 후
0%	7	5	4	3
5%	9	7	5	4
10%	11	8	6	4
15%	12	9	7	4
20%	13	10	7	4

[비교예 2]

은이 0.24 중량% 피복된 활성탄 150 g을 내경 6 cm, 깊이 15 cm의 원통에 넣어 채운 후에 원통에 2 L/mm의 속로 압력 4 kg/cm의 수도물을 통과시키면서 시간별로 여과되어 나온 물에 함유된 은의 함량을 조사한 결과는 다음 표 4에 나타내었다.

시간	1 시간 후	5 시간 후	10 시간 후	15 시간 후
은함유량	21	7	2	1 이하

이상과 같이 세라믹 원료에 은을 분산시키고, 경우에 따라 표면을 은으로 피복시키는, 다양한 크기의 기공을 갖는 본 발명의 은 함유 다공성 세라믹 여과막은 자체가 항균성, 살균성을 갖게 됨은 물론, 이를 정수 장치의 필터로 사용하는 경우, 별도의 항균 장치를 추가적으로 설치하지 않더라도 세라믹에 함유된 은이 지속적으로 물에 용출되어 여과된 물에 잔류함으로써, 물 자체도 항균성을 갖게 되는 특징이 있다.

즉, 본 발명의 다공성 세라믹 여과막은 정수기 등에 이용할 경우에 정수기 등의 구조를 단순화시키면서도 좀더 강화된 항균 효과를 얻을 수 있으므로, 그의 산업적 이용 가능성이 매우 클 것으로 여겨진다.

Claims

a) 분말 형태의 세라믹 원료 70-99.9 중량%와 분말 형태의 은염 0.1-30 중량%를 혼합하여 은이 함유된 세라믹 원료를 제조하고,

b) 상기 은이 함유된 세라믹 원료 30-95 중량%와 5-70 중량%의 분말형 가연성 물질을 혼합한 후에 반죽하여, 원하는 형태로 성형한 후에 상기 성형물을 건조시키고, 500-1200 ℃의 온도에서 소성하는 것으로 이루어지는, 항균 지속성을 갖는 다공성 세라믹 여과막의 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 b) 단계에 이후에 다음의 은 피복 단계 c)를 추가로 포함하는 방법:

c) 상기 은 함유 다공성 세라믹 여과막을, 은염이 물 또는 유기 용매에 용해되거나 분산되어 은 이온을 1-20 중량% 함유한 은염 용액에 침적한 후에 건조시키고, 500-1200 ℃의 온도에서 소성하여 은을 피복시킴.
제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 제조 원료가 점토, 고령토, 구석, 도석, 장석 및 그의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 것인 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 은염이 초산은, 탄산은, 옥살산은, 황산은 및 그의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 분말형 가연성 물질이 미분탄, 흑연 및 카본 블랙 으로 이루어진 군 중에서 선택된 분말형 탄소 화합물; 아디핀산, 멜라민 및 설탕으로 이루어진 군 중에서 선택된 분말형 탄화수소 화합물; 및 그의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 것인 방법.