KR100531233B1

KR100531233B1 - 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법

Info

Publication number: KR100531233B1
Application number: KR10-2003-0032492A
Authority: KR
Inventors: 김부용; 김부남; 김용숙
Original assignee: 주식회사 바이오카본텍; 주식회사 가나클리너
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2005-11-28
Also published as: KR20040100224A

Abstract

본 발명은 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리비닐알콜에 발포제와 함께, 활성탄분말, 가용성물질을 투입하고 발포시킴으로써, 활성탄의 탈리없이 발포제에 의해 크기가 큰 셀이 형성되고 가용성물질에 의해 중간 크기의 셀이 형성되며 활성탄분말에 의해 미세세공이 함께 형성되어 스폰지의 비표면적이 극대화되고, 이로 인해 스폰지를 미생물 담체로 이용할 시에 폐수처리용 미생물이 부착할 수 있는 충분한 공간을 가질 수 있어 미생물의 번식처가 되며, 각각의 셀이 상호연결되어 외부의 급격한 반응에 있어서도 미생물의 보호막 역할을 할 뿐만 아니라, 친수성을 갖고 미생물의 부유성장시 질산화균의 유출을 극소화하며, 활성탄분말이 계속적으로 용존산소를 공급할 수 있도록 함과 동시에, 스폰지의 내마모성 및 물리적 강도를 향상시켜 담체의 교환율을 감소시킬 수 있도록 있도록 한 것으로, 폴리비닐알콜수지 5∼9중량%, 활성탄분말 2∼5중량%, 포름알데히드 5∼9중량% 및 물 77∼88중량%를 1차 혼합하는 단계(S1)와; 혼합된 1차 혼합물에 일정량의 전분과 덱스트린을 2차 혼합하는 단계(S2)와; 혼합된 2차 혼합물을 60∼80℃로 가열하여 용융시키는 단계(S3)와; 용융된 혼합물 95∼98중량%에 발포제 2∼5중량%를 투입하는 단계(S4)와: 발포제가 투입된 혼합물에 일정량의 황산 또는 염산을 첨가하는 단계(S5)와; 황산 또는 염산이 투입된 혼합물을 금형에 투입하고 60∼80℃로 가열하여 폼을 형성시키는 단계(S6)와; 형성된 폼을 물로 세척하는 단계(S7)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법이다.

Description

활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법{The manufacturing method of polyvinyl acetal sponge mixing activated carbon}

본 발명은 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리비닐알콜에 발포제와 함께, 활성탄분말, 가용성물질을 투입하고 발포시킴으로써, 활성탄의 탈리없이 발포제에 의해 크기가 큰 셀이 형성되고 가용성물질에 의해 중간 크기의 셀이 형성되며 활성탄분말에 의해 미세세공이 함께 형성되어 스폰지의 비표면적이 극대화되고, 이로 인해 스폰지를 미생물 담체로 이용할 시에 폐수처리용 미생물이 부착할 수 있는 충분한 공간을 가질 수 있어 미생물의 번식처가 되며, 각각의 셀이 상호연결되어 외부의 급격한 반응에 있어서도 미생물의 보호막 역할을 할 뿐만 아니라, 친수성을 갖고 미생물의 부유성장시 질산화균의 유출을 극소화하며, 활성탄분말이 계속적으로 용존산소를 공급할 수 있도록 한 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법이다.

일반적으로 폴리비닐아세탈 스폰지는 자동차 내장재, 헬멧, 어린이용 완구, 가구용 폼, 건축자재, 여성의 브레이지어 컵, 바디세척용 수세미, 신발창, 화장용 퍼프, 미생물용 담체 등 전 산업분야에 널리 사용되고 있으며, 이 중에서도 특히 미생물용 담체로서의 사용이 활발해지고 있는 실정이다.

한편, 폐수 중의 질소 성분은 유기성, 암모니아성, 아질산성 및 질산성의 네 종류로 분류되는데, 이들을 제거하기 위해서는 일반적으로 에어 스트리핑법(Air Stripping), 이온교환 또는 질산화-탈질 등의 방법이 이용된다. 이 중에서도 질산화-탈질방법은 질소 농도가 높은 폐수의 경우에는 우선적으로 채택되는 방법으로, 폐수 내의 질소 성분을 먼저 산화시키는 것이다.

그러므로 폐수처리를 위하여 가장 일반적으로 이용되고 있는 방법은 생물학적 방법으로, 미생물을 적절한 수준으로 계속 유지시켜야 될 필요가 있으며, 이를 위해 미생물의 부유성장 또는 부착성장방법들이 이용되어 왔다. 특히 고농도의 질소 성분을 함유하는 폐수의 처리를 위해서는 운전 및 유지가 용이하고 때로는 종말침전지가 없어도 되어 부유보다는 고착하려는 특성을 지닌 질산균 박테리아에 대해 부착가능한 표면을 충분하게 제공할 수 있는 미생물막공법이 이용되고 있다.

이와 같은 미생물막공법에는 미생물을 부착시키기 위한 담체가 이용되는 것이 필수적이라고 할 수 있는 바, 현재 질산화균을 고정화 또는 부착시키기 위해 개발된 담체는 여러 가지가 있으나, 그 재질이 주로 다공성 플라스틱류, 활성탄소섬유 등으로 되어 있어 친수성이 작아 부유되어 있는 미생물을 부착시키기가 쉽지 않고 질산화균의 성장속도가 낮아 폐수처리 효율이 크게 저하되는 문제점이 있었으며, 이를 개선하기 위하여 개발된 활성탄 담체는 우레탄수지 등에 활성탄을 이용하여 코팅(coating)처리 함으로써 오히려 비표면적을 축소시키는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 국내 등록특허 제346915호의 '폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법'은 가용성물질을 발포제와 함께 발포함으로서 그 셀의 크기를 조절함으로써 미생물 담체로서의 활용도를 높일 수 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 스폰지가 지닌 제반 문제점을 해결하기 위하여, 폴리비닐알콜에 발포제와 함께, 활성탄분말, 가용성물질을 투입하고 발포시킴으로써, 활성탄의 탈리없이 발포제에 의해 크기가 큰 셀이 형성되고 가용성물질에 의해 중간 크기의 셀이 형성되며 활성탄분말에 의해 미세세공이 함께 형성되어 스폰지의 비표면적이 극대화되고, 이로 인해 스폰지를 미생물 담체로 이용할 시에 폐수처리용 미생물이 부착할 수 있는 충분한 공간을 가질 수 있어 미생물의 번식처가 되며, 각각의 셀이 상호연결되어 외부의 급격한 반응에 있어서도 미생물의 보호막 역할을 할 뿐만 아니라, 친수성을 갖고 미생물의 부유성장시 질산화균의 유출을 극소화하며, 활성탄분말이 계속적으로 용존산소를 공급할 수 있도록 함과 동시에, 스폰지의 내마모성 및 물리적 강도를 향상시켜 담체의 교환율을 감소시킬 수 있도록 있도록 한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법은, 폴리비닐알콜수지 5∼9중량%, 활성탄분말 2∼5중량%, 포름알데히드 5∼9중량% 및 물 77∼88중량%를 1차 혼합하는 단계(S1)와; 혼합된 1차 혼합물에 일정량의 전분과 덱스트린을 2차 혼합하는 단계(S2)와; 혼합된 2차 혼합물을 60∼80℃로 가열하여 용융시키는 단계(S3)와; 용융된 혼합물 95∼98중량%에 발포제 2∼5중량%를 투입하는 단계(S4)와: 발포제가 투입된 혼합물에 일정량의 황산 또는 염산을 첨가하는 단계(S5)와; 황산 또는 염산이 투입된 혼합물을 금형에 투입하고 60∼80℃로 가열하여 폼을 형성시키는 단계(S6)와; 형성된 폼을 물로 세척하는 단계(S7)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조공정도로서, 원료혼합(S1), 가용성물질혼합(S2), 가열용융(S3), 발포제투입(S4), 산첨가(S5), 가열, 폼형성(S6) 및 세척단계(S7)로 이루어지고, 도 2a, 2b, 2c, 2d, 2e는 본 발명에 의한 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지 단면을 확대한 현미경사진이다.

먼저, 폴리비닐알콜수지(PVA, polyvinyl alcohol) 포름알데히드(formaldehyde) 및 물을 혼합(S1)하되, 폴리비닐알콜수지의 배합비가 5중량% 미만이면 스폰지의 강도가 저하되고 9중량%를 초과하면 생산원가가 상승될 뿐만 아니라 발포가 어려우며, 활성탄분말의 배합비가 2중량% 미만이면 제조된 스폰지의 미세셀이 소량이 되어 충분한 효과가 나타나지 않고 5중량%를 초과하면 발포가 어려우며, 포름알데히드가 5중량% 미만이면 폴리비닐알콜과의 아세탈반응이 충분히 일어나지 않고 9중량%를 초과하면 과량이되므로, 폴리비닐알콜수지 5∼9중량%, 활성탄분말 2∼5중량%, 포름알데히드 5∼9중량% 및 물 77∼88중량%를 혼합하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 활성탄분말은 역청탄(bituminous coal)을 미분쇄하고 850∼1150℃의 온도범위에서 불연소화합방식인 수증기부활법으로 활성화시켜 제조하는 것으로, 흡착에 관여하는 세공이 미세공으로 형성되며 비표면적이 약 1000㎡/g으로 요오드흡착력이 950∼1000mg/g에 이르고, 또한 계속적으로 산화 및 환원반응을 함으로써 우수한 통풍, 제습 및 탈취효과를 갖는다.

상기 활성탄분말의 입도가 200mesh 미만이거나 800mesh를 초과하면 발포시 고른 발포가 이루어지지 않아 원가가 상승하므로, 경제성을 고려할 때 200∼800mesh가 바람직하나 이를 반드시 제한하는 것은 아니다.

상기 배합원료를 혼합(S1)한 뒤, 혼합된 1차 혼합물에 가용성물질인 전분과 덱스트린을 일정량 혼합(S2)하고, 혼합된 2차 혼합물을 60∼80℃로 가열하여 용융(S3)시킨다. 상기한 가용성물질인 전분과 덱스트린은 가열(S3)시 졸상태가 되는 것며, 제조되어지는 스폰지의 중간셀의 필요도에 따라 그 투입량을 조절할 수 있는 것으로 그 투입량을 제한하지 않는다.

용융(S3) 후, 용융된 혼합물에 발포제를 투입(S4)하되, 발포제의 투입비율이 2중량% 미만이면 충분한 발포가 이루어지지 않아 스폰지의 큰 크기의 셀이 효과적으로 형성되지 않고 5중량%를 초과하면 과랴이되어 셀이 상당히 커져 스폰지가 거칠어지므로, 용융된 혼합물 95∼98중량%에 발포제 2∼5중량%를 투입하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 발포제로서는 TSH(toluen sulfonyl hydrazide), ADCA(azodicabon amaid), DPT(dinitroso pentamethlene tetramine), OBSH(anybenzensulfonyl hydrazide), NaHCO₃, CaCO₃, Al분말, Zn분말, Mg분말 등을 사용 할 수 있는 것으로 이를 제한하는 것은 아니다.

발포제가 투입(S4)된 혼합물에 일정량의 황산 또는 염산을 첨가(S5)하여 산조건을 형성시킴으로써, 발포제가 산에 의해 분해반응을 쉽게 하고 가용성물질인 전분과 덱스트린이 산에 의해 가수분해되며, 폴리비닐알콜과 포름알데히드가 아세탈반응을 할 수 있도록 한다.

상기 투입되는 황산과 염산은 폼형성시 촉매작용을 하는 것이므로, 그 투입량이나 농도를 결정하지 않고, 반응물의 양, 농도 등에 따라 적절히 투입하도록 한다.

황산 또는 염산이 투입(S5)한 후에, 상기 혼합물을 금형에 투입하고 60∼80℃로 가열하여 폼을 형성(S6)시키고, 형성된 폼을 물로 세척(S7)하여 가용성물질인 전분과 덱스트린을 제거하면 다양한 크기의 셀이 형성된 스폰지가 제조되는 것이다.

또한 상기 1차 혼합단계(S1) 또는 2차 혼합단계(S2)시,알긴산소오다, CMC 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 추가로 혼합하여 제조하면, 발포시 발포제가 고르게 분포되도록 하여 고른 발포 셀을 갖게 되어 고부가가치의 스폰지를 제조할 수 있는 것이다.

본 발명의 제조방법에 의해 제조된 스폰지는 발포제에 의해 형성된 0.5mm 이상의 크기를 갖는 큰 셀과, 가용성물질에 의해 형성된 0.5mm미만의 중간 셀, 활성탄분말에 의한 미세 셀이 형성됨으로써, 종래의 미세셀을 형성시킬 수 없었던 스폰지와 비교하여 큰셀, 중간셀, 미세셀이 고르게 분포되고 상호 연결되어 스폰지의 함수성이 우수할 뿐만 아니라, 스폰지의 비표면적이 극대화되어 미생물 담체로 이용할 시에 폐수처리용 활성오니가 부착할 수 있는 충분한 공간을 가질 수 있어 미생물의 번식처가 되고, 활성탄분말이 계속적으로 용존산소를 공급할 수 있게 된다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하도록 한다.

표 1과 같은 배합비로서 본 발명의 스폰지를 제조하였다.

각 실시예에 따른 배합비 (단위 : g)

구분	폴리비닐알콜수지	활성탄분말	포름알데히드	물	전분	덱스트린	발포제	30%농도의 황산
실시예1	60	20	60	860	30	30	20	130
실시예2	60	30	60	850	30	30	20	130

하기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 스폰지의 요오드흡착력을 측정한 결과, 활성탄의 배합비가 증가될수록 요오드흡착력이 증가됨을 알 수 있었다.

각 실시예에 따른 요오드흡착력 측정 결과 (단위: mg/g)

구분	요오드흡착력
실시예1	50
실시예2	150

상기와 같은 제조방법으로 제조된 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지는 저렴하면서도 물성저하 없이 우수한 탈취, 음이온방사능력을 갖음은 물론, 본 발명의 스폰지의 단면을 확대한 현미경 사진(SEM)인 도 2a, 2b, 2c, 2d 및 2e에서 알 수 있는 바와 같이, 크기가 다른 각 셀들이 상호연결되어 담체로 사용할 시에 외부의 급격한 반응에 있어서도 미생물의 보호막 역할을 하며, 비표면적이 증가됨으로 단위 매체당 미생물의 부착량이 증가되고, 부착된 생물막의 탈리현상을 최대로 억제할 수 있는 것이므로 담체로의 이용이 용이한 것이다.

또한 본 발명의 스폰지는 담체로의 이용시, 반응조 내에 지나친 와류형성의 경우에도 부착된 생물막의 탈리현상이 적고, 반응기의 구조 및 포기 방법에 관계없이 적응력이 높으며, 기계적 강도와 내구성이 우수하고 화학적, 생물학적 및 물리적으로 안정되어 저렴하면서도 물성이 우수하여 고부가가치를 갖는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 실시예에 한하여 설명하였지만 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며, 폴리비닐알콜 뿐만 아니라 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 비닐 등의 플라스틱에 활성탄분말을 혼합하여 발포시킬 수 있는 것으로, 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

이상의 설명에서 분명히 알 수 있듯이 본 발명의 활성탄을 혼합한 폴리비닐 아세탈 스폰지의 제조방법에 의하면, 폴리비닐알콜에 발포제와 함께, 활성탄분말, 가용성물질을 투입하고 발포시킴으로써, 활성탄의 탈리없이 발포제에 의해 크기가 큰 셀이 형성되고 가용성물질에 의해 중간 크기의 셀이 형성되며 활성탄분말에 의해 미세세공이 함께 형성되어 스폰지의 비표면적이 극대화되고, 이로 인해 스폰지를 미생물 담체로 이용할 시에 폐수처리용 미생물이 부착할 수 있는 충분한 공간을 가질 수 있어 미생물의 번식처가 되며, 각각의 셀이 상호연결되어 외부의 급격한 반응에 있어서도 미생물의 보호막 역할을 함과 동시에, 친수성을 갖고 미생물의 부유성장시 질산화균의 유출을 극소화하며, 활성탄분말이 계속적으로 용존산소를 공급할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 음이온방사, 탈취 등의 효과로 인해 건축용 내외장재, 베개 등의 침구류에 사용할 수 있고, 우수한 물공급, 물기제거 능력을 가짐으로서 목욕용품, 청소용품, 주방용품, 물공급롤러, 물제거롤러 등에 사용할 수 있어 다양한 분야에 적용할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한 본 발명의 스폰지는 반응조 내에 지나친 와류형성의 경우에도 부착된 생물막의 탈리현상이 적고, 반응기의 구조 및 포기 방법에 관계없이 적응력이 높으며, 기계적 강도와 내구성이 우수하고 화학적, 생물학적 및 물리적으로 안정되어 저렴하면서도 물성이 우수하여 고부가가치를 갖는 등의 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 의한 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조공정도.

도 2a는 본 발명에 의한 스폰지의 일 단면을 100배 확대한 전자현미경 사진.

도 2b는 본 발명에 의한 스폰지의 다른 단면을 100배 확대한 전자현미경 사진.

도 2c는 본 발명에 의한 스폰지의 일 단면을 200배 확대한 전자현미경 사진.

도 2d는 본 발명에 의한 스폰지의 일 단면을 300배 확대한 전자현미경 사진.

도 2e는 본 발명에 의한 스폰지의 다른 단면을 300배 확대한 전자현미경 사진.

Claims

스폰지의 제조방법에 있어서,

폴리비닐알콜수지 5∼9중량%, 활성탄분말 2∼5중량%, 포름알데히드 5∼9중량% 및 물 77∼88중량%를 1차 혼합하는 단계(S1)와; 혼합된 1차 혼합물에 일정량의 전분과 덱스트린을 2차 혼합하는 단계(S2)와; 혼합된 2차 혼합물을 60∼80℃로 가열하여 용융시키는 단계(S3)와; 용융된 혼합물 95∼98중량%에 발포제 2∼5중량%를 투입하는 단계(S4)와: 발포제가 투입된 혼합물에 일정량의 황산 또는 염산을 첨가하는 단계(S5)와; 황산 또는 염산이 투입된 혼합물을 금형에 투입하고 60∼80℃로 가열하여 폼을 형성시키는 단계(S6)와; 형성된 폼을 물로 세척하는 단계(S7)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 1차 혼합단계(S1) 또는 2차 혼합단계(S2)시, 알긴산소오다, CMC 및 이들의 혼합물 중 어느 하나를 추가로 혼합하는 것을 특징으로 하는 활성탄을 혼합한 폴리비닐아세탈 스폰지의 제조방법.