KR100738487B1 - 광촉매 제올라이트 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광촉매 (photocatalyst, TiO2) 제올라이트 (Zeolite) 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 살균 및 선택적 흡착 분해 능력이 높고 우수한 광분해성을 가지며, 다습한 환경에서도 사용 가능한 광촉매 제올라이트 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명인 광촉매 제올라이트 필터 제조방법은,
제올라이트 분말과 이산화티타늄 분말 및 바인더를 넣고 혼합 교반하고 소성하여 광촉매를 결합하는 단계(S100)와;
제올라이트와 광촉매가 결합된 분말을 물, 펄프, 세라믹 화이버, 글래스 화이버, 바인더를 넣고 교반하여 슬러리를 만드는 단계와;
슬러리를 정형화된 판에 균질하게 편 후에 증발시켜 시트로 만드는 시트화단계(S110)와;
표면적을 높이기 위해 시트를 파형화하는 파형화단계(S120)와;
시트와 시트사이에 접착제를 사용하여 결합하는 적층단계(S130)와;
적층이 완료된 시트를 적당한 크기로 자르는 절단단계(S140)와;
절단면에 광활성을 높이기 위해 광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명인 광촉매 제올라이트 필터는,
유해 물질을 흡착하는 제올라이트와;
상기 제올라이트를 통해 흡착된 유해 물질을 분해 및 살균하는 광촉매인 이산화티타늄과;
상기 제올라이트와 이산화티타늄을 결합하기 위한 바인더;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통해 흡착 성능이 우수한 광촉매가 결합된 제올라이트 필터를 제공하여 흡착력을 높일 수 있으며 확실한 살균과 탈취 분해를 흡착과 동시에 할 수 있으며, 파형화된 시트를 통해 좁은 면적에서 표면적을 최대한 높여 흡착될 확률을 높임으로써, 확실한 살균과 탈취 분해 효과를 제공하게 된다.
광촉매, 제올라이트, 필터, 공기정화.

Description

광촉매 제올라이트 필터 및 그 제조방법{photocatalyst Zeolite Filter}
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매가 결합된 제올라이트의 모형도이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매가 결합된 제올라이트의 결합도이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터와 종래의 활성탄 필터의 유해가스 여과 모식도이다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터와 종래의 필터의 성능 비교표이다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터의 제조 방법에 대한 흐름도이다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터의 제조 방법의 허니컴 필터를 코팅하는 단면용 로울러 코팅 장치를 나타낸 예시도이다.
도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터의 제조 방법의 허니컴 필터를 코팅하는 양면용 로울러 코팅 장치를 나타낸 예시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 제올라이트
20 : 이산화티타늄
30 : 바인더
40 : 광촉매 제올라이트 필터
본 발명은 광촉매 (photocatalyst, TiO2) 제올라이트 (Zeolite) 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 살균 및 선택적 흡착 분해 능력이 높고 우수한 광분해성을 가지며, 다습한 환경에서도 사용 가능한 광촉매 제올라이트 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 원적외선을 다량으로 방출하는 천연 광물인 제올라이트를 특수한 공정을 거쳐 슬러리(Slurry) 상태의 담체를 얻은 후, 이를 광촉매인 이산화티타늄 (TiO2)을 이용하여 항균력과 탈취력 및 분해능력이 향상되도록 제조한 이산화티타늄 (TiO2)으로 된 무기 광촉매제와 일정량 충분히 교반시켜서 펄프, 활성탄 화이버(ACF)등과 섞어 슬러리를 만든 다음 고온에서 건조하여 광촉매가 나노구조적으로 결합되고 제올라이트의 기공(Pore)을 막지 않는 분해 능력이 우수한 제올라이트 흡착제를 얻는다.
슬러리(Slurry) 상태의 광촉매가 혼합된 무기 광촉매제를 얻은 다음, 광촉매 제가 포함된 광촉매 제올라이트 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래에는 주로 PE, PVA, 우레탄 등의 기지에 활성탄을 코팅한 필터를 사용하여 공기정화를 하였으나, 이러한 필터들은 흡착력이 높지 않고 다습한 환경에서는 사용이 제한적이며 선택적 흡착을 할 수 없고 광촉매에 의해서 기지가 분해되는 문제점을 가지고 있었다.
본 발명의 제조방법에 의해 만들어진 필터는 뛰어난 항균성과 흡착력을 가지며, 인체에 유익한 원적외선을 방사함은 물론 다공체이기 때문에 다양한 기능을 발휘할 수 있다. 생활 주변에서 기생되는 각종 세균들의 번식이 방지되도록 하고, 산업의 발전에 따라 공기의 오염 정도가 갈수록 심각해짐으로 이에 따른 개선된 필터를 필요로 하고 있다. 오염된 공기가 최대한 많이 필터와 접촉하여 흡착될 확률을 높여주어야만 광촉매 혹은 자외선을 이용한 살균효과를 극대화시킬 수 있게 되지만 종래의 공기정화필터는 흡착률이 많이 떨어지는 게 현실이다.
한편, 고농도의 유해가스를 분해하기 위해서는 흡착력이 우수하여야하며, 반영구적으로 재생할 수 있어야 하지만, 종래의 공기정화필터로는 재생을 실현하기가 불가능하였다.
최근에 광촉매(photocatalyst)를 이용한 다양한 제품이 안출되어 사용되어 지고 있기 때문에 광촉매에 대하여 간단히 설명한다. 일반적으로 광에너지를 받아 촉매작용으로 매우 적은 에너지를 받아서 고에너지 상태로 나타내는 물질을 광촉매(photocatalyst)라고 한다. 이와 같은 광촉매는 380~400nm 파장의 자외선을 받아도 근접되어 있는 용존산소가 분해되면서 마이너스 전기를 띤 전자와 플러스 전기 를 띤 정공이 한 쌍으로 생성하여 광촉매 부근에 존재하는 각종 이물질들과 산화환원 반응을 급격하게 진행시켜 광촉매 자신은 산화나 환원이 일어나지 않으면서 이물질의 산화력에만 전념하여 가능한 반응계의 활성화 에너지를 낮추어진 상태에서 반응속도를 높여 이물질들을 분해 및 멸균시키는 것으로 물의 소독, 살균, 단백질 흡착 후 분해, 악취제거 각종 세균과 곰팡이균, 유황산세균 등의 멸균, 담뱃진, 이산화탄소분해 등에 사용된다. 이와 같이 여러 분야에 쓰이는 광촉매(photocatalyst) 중 많이 사용되는 이산화티타늄(TiO2)은 루틸(Rutil), 아나타제(Anatase), 부루카이트(Brookite)의 세가지 타입(Type)가 있다. 이 중에서 광촉매제로 가장 많이 사용되는 이산화티타늄의 결정구조 타입은 아나타제 타입(Anatase Type)으로서 화학적으로 안정되어 있으며 광촉매 활성이 높은 것으로 알려져 있다. 그러나 아나타제 타입(Anatase Type)의 이산화티타늄을 섬유류의 바인더(Binder)중에 담지하게 되면 이 바인더는 거의가 플라스틱계의 유기물이므로 광촉매의 강력한 활성에 분해되어 바인더의 내구성에 문제가 생기게 되므로 무기 바인더를 사용해야 하며 무기바인더로는 3nm ~ 7nm 사이즈의 SiO2가 바람직하다.
또한 루틸(Rutil) 타입의 이산화티타늄은 아나타제 타입(Anatase Type) 보다 광촉매 활성이 적어서 항균력과 탈취력이 떨어지는 단점이 있지만, 고온영역에서 결정형이 변화되지 않아 내구성과 내열성이 좋다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 흡착 성능이 우수한 광촉매가 결합된 제올라이트 필터를 제공함으로써, 흡착력과 광분해 성능을 높일 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 파형화된 시트를 통해 좁은 면적에서 표면적을 최대한 높여 흡착될 확률을 높임으로써, 확실한 살균과 탈취 분해 효과를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터 및 그 제조방법은,
제올라이트 분말과 이산화티타늄 분말 및 바인더를 넣고 혼합 교반하고 소성하여 광촉매를 결합하는 단계(S100)와;
제올라이트와 광촉매가 결합된 분말을 물, 펄프, 세라믹 화이버, 글래스 화이버, 바인더를 넣고 교반하여 슬러리를 만드는 단계와;
슬러리를 정형화된 판에 균질하게 편 후에 증발시켜 시트로 만드는 시트화단계(S110)와;
표면적을 높이기 위해 시트를 파형화하는 파형화단계(S120)와;
시트와 시트사이에 접착제를 사용하여 결합하는 적층단계(S130)와;
적층이 완료된 시트를 적당한 크기로 자르는 절단단계(S140)와;
절단면에 광활성을 높이기 위해 광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제올라이트는,
기공 크기가 6~30 Å(옹스트롱)인 것을 특징으로 한다.
상기 바인더는,
사이즈가 3~7nm의 SiO2인 것을 특징으로 한다.
상기 파형화단계에서,
파형화가 완료된 시트의 측단면은 '
Figure 112006057659350-pat00001
'형태인 것을 특징으로 한다.
상기 광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계는,
절단된 허니컴 표면에 광분해성을 높이기 위하여 광촉매를 2차 코팅하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계는,
광촉매를 코팅하기 위해 단면 혹은 양면 로울러 코팅장치를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 유해 물질을 흡착하는 제올라이트와;
상기 제올라이트를 통해 흡착된 유해 물질을 분해 및 살균하는 광촉매인 이산화티타늄과;
상기 제올라이트와 이산화티타늄을 결합하기 위한 바인더;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제올라이트는,
3차원 구조를 갖는 다공질 무기재료이며, 크기가 6~30 Å(옹스트롱)인 것을 특징으로 한다.
상기 바인더는,
SiO2인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의해 제공되는 광촉매 제올라이트 필터는 다공질체인 제올라이트와 광촉매물질로 실질적으로 구성되고, 제올라이트의 표면에 결합된 이산화티타늄층과 바인더(SiO2)를 구비한다.
또한, 제올라이트는 광촉매와의 결합구조를 만들게 되며 빛이 내부까지 침투하기 쉬운 크기의 공극이 형성될 수 있는 3차원 구조를 가지는 다공질 무기재료로서 기공의 크기는 6~30 Å(옹스트롱)으로 조절 가능하며 바람직하게는 6~7 Å(옹스트롱) 인 것을 사용한다.
따라서, 제올라이트의 공극 내에 빛을 충분히 침투시킬 수 있으며, 제올라이트의 공극을 침투한 빛이 광촉매층 및 광촉매의 표면부에 도달하여 광촉매로서 기능을 할 수 있도록 에너지를 부여할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상술한 광촉매 제올라이트 구조체를 주요소로 구비하는 광촉매 필터장치가 제공된다. 이 광촉매 제올라이트 필터장치는 필터부분에 유체(공기 등의 기체 또는 물등의 액체)를 유통시켜서 이 유체를 정화하기 위해 사용된다. 예를 들면, 유체 중의 유기물질을 광촉매작용으로 분해시키거나 혹은 분해물질을 다시 흡착하는 것 등에 의해 이 유체로부터 해당 유기물질을 제거할 수 있다.
본 발명의 제조방법에서는 먼저 제올라이트(Zeolite)를 주체로 하는 흡착제에 광촉매층을 형성한 후, 무기바인더 SiO2를 이용하여 나노 구조적으로 결합시킨 다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 광촉매 제올라이트 필터 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매가 결합된 제올라이트의 모형도이다.
도1에 도시한 바와 같이, 제올라이트의 기공을 막지 않는 이산화티타늄과의 결합구조를 만들게 되는데 제올라이트는 기공의 크기가 조절되는 무기재료로서 6~7 Å(옹스트롱)으로 조절 가능하며 6~7 Å(옹스트롱) 이상 혹은 이하로도 제조할 수 있다.
제올라이트(10)의 기공이 이산화티타늄(20)보다 크기가 작게 하여 바인더(30)로 안정적으로 결합되는 구조를 가지도록 한다.
상기와 같이, 안정적인 나노 결합 구조가 되어야 흡착 분해성능이 최적화될 수 있게 된다.
상기한 바인더는 바람직하게는 SiO2를 사용한다.
본 발명을 통해 제올라이트의 공극을 막지 않는 이산화티타늄의 결합구조를 만들게 된다.
이 과정을 생략하고 슬러리를 만드는 단계에서 제올라이트, 광촉매, 바인더와 펄프 및 기타 재료를 넣고 교반하여 결합시킬 수 있으나 이러한 방법은 광촉매와 제올라이트가 선택적으로 먼저 결합된다는 보장이 없고, 광촉매끼리 혹은 제올라이트끼리 뭉쳐있는 경우가 많이 발생한다. 또한 제올라이트와 광촉매가 구조적으 로 결합되어 있지 않기 때문에 사용 중 제올라이트와 광촉매가 서로 분리될 가능성이 많다.
이산화티타늄, 제올라이트, 실리카(SiO2)와 같은 무기 혹은 금속의 나노입자화로 인해 촉매기능의 변화, 활성 선택성의 향상이 이루어진다.
일반적으로 입자가 작아짐으로써 나타나는 효과는 총원자중에서 표면원자가 차지하는 비율이 증가하고, 원자 간의 상호작용이 미치는 범위가 한정되는 것으로 인한 양자 사이즈 효과로 인해 이상적인 에너지 준위가 형성된다.
나노입자를 만드는 방법에는 물리적인 방법과 화학적인 방법이 있는데, 물리적인 방법은 다양한 것을 만드는 데 유리하고 화학적 방법은 이온을 환원하여 원자로 바꾸고 그것을 응집해서 나노입자를 만들기 때문에 한 번에 많은 나노입자를 균일하게 만들 수 있다.
상기 이산화티타늄은 그의 산화물의 밴드갭 에너지(아나타제 결정에서 3.2eV)보다 높은 에너지를 받아 전자-정공의 짝을 생성(즉 분극 상태를 발생)함으로써, 광촉매 작용을 나타낸다.
또한, 은 등의 금속을 광촉매로서 기능을 하는 물질(TiO2 미립자)에 담지시킴으로써 광촉매 효율을 향상시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 즉, 분극 상태에 있어서의 전자 및 정공은 그 수명이 대단히 짧고, 외부물질을 산화 환원하기 전에(광촉매 작용을 발휘하기 전에) 다시 결합하여 소멸하는 경우가 있다. 이 소멸(전자 및 정공의 감소)이 광촉매재료의 반응효율을 저하시키는 큰 요인이 되었다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터와 종래의 활성탄 필터의 유해가스 여과 모식도이다.
도3에 도시한 바와 같이, 보통 휘발성 유기화합물(VOC)의 크기는 대부분 3~4 Å(옹스트롱)이므로 이 휘발성 유기화합물들을 흡착하고 서서히 탈착되어 이산화티타늄 광촉매가 분해하기 위해서는 제올라이트의 기공 크기를 6~7 Å(옹스트롱)으로 다소 크게 하여야 한다.
다시 말하자면, 종래의 활성탄 필터의 기공크기와 구조가 도면에 도시한 대로 일정하지 않아 선택적 흡착이 불가능하고 수분 흡착성이 높아 다습한 환경에서는 사용함에 제한적인 단점이 있으나, 본 발명의 필터는 기공의 크기가 일정하여 선택적 흡착이 가능하고 흡착된 휘발성 유기화합물들을 광촉매가 분해하여 기공을 비워주어 새로운 휘발성 유기화합물들의 흡착이 가능하게 된다.
부연 설명하면, 제올라이트는 합성하여 만들기 때문에 선택적 흡착이 가능하지만 활성탄 필터는 기공이 200~500 Å(옹스트롱)이 되는 것이 많고 기공크기와 구조가 일정하지 않아 크기가 작은 휘발성 유기화합물이 흡착되지 않고 흘러가는 문제점을 가지고 있으며, 흡착한 유해가스는 작은 충격이나 센 바람에 의해서 쉽게 탈착되어 광촉매가 미처 분해하기도 전에 방출되는 문제점이 있고, 선택적 흡착 또한 안 되는 것이다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터와 종래의 필터의 성능 비교표이다.
도4에 도시한 필터는 부직필터, 우레탄 필터로 도시한 바와 같이, 이러한 필터들은 선택적 여과가 불가능하고 흡착 성능이 떨어질 뿐만 아니라, 광 분해성이 없어 스스로 재생되지 않기 때문에 그래프에 나타낸 것처럼 성능이 저하되므로 주기적인 교환이 필요하게 된다.
한편, 습도에 따른 수분 흡착율 비교표를 참조하면 활성탄은 습도의 영향을 많이 받기 때문에 습도가 높은 환경에서는 수분을 먼저 흡착하여 기공이 막혀 유해가스를 흡착할 기공이 존재하지 않아 사용이 제한적이거나 제습을 위한 다른 장치들이 필요하게 된다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 제올라이트 필터의 제조 방법에 대한 흐름도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 광촉매 제올라이트 필터 제조 방법은,
제올라이트 분말과 이산화티타늄 분말 및 바인더를 넣고 혼합 교반하고 소성하여 광촉매를 결합하는 단계(S100)와;
제올라이트와 광촉매가 결합된 분말을 물, 펄프, 세라믹 화이버, 글래스 화이버, 바인더를 넣고 교반하여 슬러리를 만드는 단계와;
슬러리를 정형화된 판에 균질하게 편 후에 증발시켜 시트로 만드는 시트화단계(S110)와;
표면적을 높이기 위해 시트를 파형화하는 파형화단계(S120)와;
시트와 시트사이에 접착제를 사용하여 결합하는 적층단계(S130)와;
적층이 완료된 시트를 적당한 크기로 자르는 절단단계(S140)와;
절단면에 광활성을 높이기 위해 광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 광촉매를 결합하는 단계는,
먼저 제올라이트 분말과 광촉매 분말을 잠시 교반하여 혼합한 후, 적정량의 물을 가하여 교반 혼합하여 완전하게 제올라이트, 광촉매, 그리고 물이 혼합되도록 한다. 제올라이트와 광촉매가 혼합된 슬러리를 만든 다음, 이후, 광촉매 제올라이트의 슬러리를 물이 1/4정도 남을 때까지 건조하고 여기에 바인더(SiO2)를 첨가하여 교반 혼합한다. 그 후 슬러리의 온도를 서서히 상승시키면서 교반 혼합하여 제올라이트/바인더/광촉매를 포함하는 슬러리를 만든다. 온도를 올리는 과정에서 후술하는 코어/쉘 효과에 의하여 제올라이트가 광촉매를 안정적으로 감싸는 형태로 만들어지며 바인더는 광촉매와 제올라이트의 코어/쉘 구조를 좀 더 안정하게 유지하기 위한 지지체로서의 작용을 하게 된다. 그리고 온도를 200~250도 정도 까지 가열하여 건조한다. 이렇게 하여, 이산화티타늄의 표면에 제올라이트층이 형성된 다르게 표현하면 제올라이트 표면에 이산화티타늄 광촉매가 나노 구조적으로 결합된 안정적인 구조체를 얻을 수 있다.
본 발명에서 사용하는 제올라이트는 광촉매와 안정된 결합을 위하여 사이즈가 20nm~2000nm인 것을 사용할 수 있으나 바람직하게는 30~50nm인 것을 사용한다.
본 발명에서 사용한 광촉매 슬러리는 아나타제 타입의 미립자가 수계매질 중에 단순 분산되는 것이다.
이산화티타늄/제올라이트 구조를 가지는 헤테로 나노입자의 생성메커니즘은 다음과 같이 설명되어 진다.
우선 이산화티타늄 입자와 제올라이트 입자는 바인더인 실리카에 배위된다.
이때, 가열하면 이산화티타늄 나노입자가 형성되고 계속해서 가열하면 이산화티타늄 나노입자 위로 제올라이트 입자가 석출되어 제올라이트 쉘을 형성한다.
이것은 이산화티타늄과 제올라이트의 산화환원전위의 차이로 인해 코어/쉘 구조를 형성하는 것이며, 제올라이트 입자가 실리카와 강하게 배위되어 있기 때문에 자유롭게 움직일 수 없지만, 이산화티타늄 나노입자는 비교적 약하게 배위되어 있어 그 부근의 이산화티타늄 나노입자들이 모여 쉽게 클러스터를 형성할 수 있기 때문이다.
이산화티타늄 입자의 클러스터가 형성되면 그 주변에 제올라이트 나노입자가 모이게 된다.
제올라이트는 기공의 크기가 조절되는 무기재료로서 기공의 크기를 6~7 Å(옹스트롱)으로 조절 가능하며 6~7 Å(옹스트롱) 이상 혹은 이하로도 제조할 수 있다. 보통 휘발성 유기화합물(VOC)의 크기가 3~4 Å(옹스트롱)이므로 제올라이트 기공의 크기를 다소 크게 하여야 한다.
상기 제올라이트의 합성은 수열합성법(水熱合成法)으로 합성한다.
수열합성법은 고온고압으로 물의 존재 하에서 행하여지는 물질의 합성법으로 제올라이트는 이러한 합성법을 이용하여 합성한다. 제올라이트를 합성할 때의 원료는 통상 실리카, 알루미나, 광화제(鑛化劑, 알칼리, 불화물) 및 물이 포함된다.
Si, Al은 제올라이트 골격을 구성하는 성분이고, 광화제는 이러한 금속성분을 물중에 용해시키는 역할을 한다. 또한, 광화제에 포함되어있는 양이온은 최종적으로 골격이 갖는 음전하를 없애는 역할도 한다.
Si/Al의 커다란 고(高)실리카 제올라이트를 합성할 경우에는 구조규정제로서 비교적 용적이 커다란 유기화합물을 첨가한다. 원료를 혼합해서 반응성이 높은 비정질의 하이드로 겔을 조제하고, 이것을 오토클레이브에 넣고 소정온도(~250도)에서 가열하면 제올라이트가 생성된다.
제올라이트는 거의 준안정 상으로서 얻어지기 때문에 합성은 온도나 원료의 조성뿐만 아니라, 원료의 종류, 혼합방법, pH, 교반법, 반응용기 등의 다양한 인자의 영향을 받는다.
목적에 알맞은 구조나 특성을 가지는 제올라이트를 얻기 위해서는 상기한 합성조건을 적절히 선택하는 것이 필요하다. 그리고 합성 후에 이온교환을 행하여서 보다 상세한 구조나 특성을 제어하는 것이 가능하다.
상기한 제올라이트는 합성하여 제조하기 때문에 크기 조절이 가능하지만 활성탄의 크기가 500 Å(옹스트롱)으로 유기화합물(VOC)에 비해 너무 크기 때문에 흡착효율이 떨어지며, 흡착할 수 있는 표면적의 크기가 단위 면적당 제올라이트보다 작다.
상기 시트화단계는,
딱딱한 고체로 변한 광촉매가 결합된 제올라이트 덩어리를 파쇄하여 가루로 만든다. 이때 가루가 된 광촉매 코팅된 제올라이트 구조체 가루와 펄프 가루와 바인더를 혼합하여 증류수를 섞는다.
구조체 가루와 펄프 가루, 바인더의 비율은 바람직하게는 4:8:1로 하여 혼합하고 혼합된 가루와 증류수를 1:1로 섞는다.
묽은 겔로 변한 가루를 슬러리라고 한다.
슬러리를 정형화된 판에 균질하게 편 후에 상온에서 증발하게 하면 시트가 마련된다.
시트로 수분이 15%가 될 때까지 상온에서 수분을 증발시킨다. 약 15% 정도 수분을 함유한 시트를 파형화하게 된다.
상기 파형화단계는,
시트를 파형화하는 것은 시트를 구불구불하게 접음으로서 좁은 면적에서 표면적을 최대한 높이기 위한 것이다. 또한, 시트를 겹쳤을때 시트간에 공간을 확보하기 위함이다.
시트가 파형화된 예로는 두꺼운 박스를 절단한 단면을 보면 이해가 가능하다. 본 발명의 파형화 단계도 동일한 원리로서 다소 수분을 함유한 시트를 파형 압착기에 넣고 열을 가해줌으로써 완료된다.
파형화가 완료된 시트는 측단면은 '
Figure 112006057659350-pat00002
'형태에서 '
Figure 112006057659350-pat00003
'형태로 변했음을 알 수 있다.
상기 적층단계는,
파형화하는 단계를 거친 시트는 적층하는 단계를 거친다. 적층은 장수에 제한이 없지만 바람직하게는 20장 내지 30장으로 할 수 있다. 적층한 시트는 측단면으로 '
Figure 112006057659350-pat00004
'의 모양을 갖는다. 시트와 시트 사이는 접착제로 채워 시트간에 결합하도록 한다.
파형화된 시트는 적층하지 않고 종이를 말듯이 둥글게 말 수도 있다. 이때, 가로의 길이는 다양하게 할 수 있지만 60cm가 적당하며 지름도 필요에 따라서 다양한 사이즈로 만들 수 있지만 10~60cm가 적당하다.
상기 절단단계는,
적층이 완료된 시트는 적당한 크기로 자른다. 예컨대, 가로 30cm 세로 30cm두께 1~3cm의 정사각형으로 자를 수 있으며, 용도에 따라서 다양한 두께로 절단이 가능하지만 자외선 광원이 투과하기 위해서는 1~5cm가 적당하다.
절단된 시트는 하나의 필터로도 활용되게 된다.
상기 광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계는,
적당한 크기로 절단된 허니컴필터(Honey Comb Filter)는 그대로 필터로 사용할 수도 있으나 절단면이 공기와 가장먼저 접촉하게 되고 자외선을 가장 많이 받는 곳이므로 광분해성능을 한 층 높이기 위해서 광촉매를 절단면에 코팅하는 단계를 거쳐야 된다. 정단면에 광촉매를 코팅하기 위해서는 먼저 광촉매 졸(TiO2 Sol)을 만들어야 되는데 광촉매 분말로는 아나타제 구조로 크기는 5~25nm사이즈의 것을 사용하며 더욱 바람직하게는 7~10nm의 것을 사용한다. 상기 파우더를 물 베이스로 분산을 한 다음 바인더로 3nm 사이즈의 SiO2를 사용한다.
광촉매와 SiO2는 wg/% 기준으로 8:2의 비율이 바람직하다. 상기 광촉매 졸(Sol)을 허니컴의 절단면에 코팅하는 방법으로는 스프레이 코팅, 딥(Deep)코팅과 같은 방법이 있으나 스프레이 코팅은 많은 량의 분말을 표면에 코팅하기가 어렵고 딥코팅 방법은 코팅 후 허니컴 필터가 변형되기 쉬우며 건조하는데 많은 시간과 에 너지가 필요하다. 그러므로 본 허니컴 필터를 코팅하는 방법으로 로울러 코팅이라는 새로운 코팅 방법을 안출하고 이를 실현하기 위한 로울러 코팅 장치를 도6 내지 도7에 나타내었다.
도6 내지 도7에서 제시한 바와 같이, 허니컴 필터는 광촉매 코팅액이 묻어있는 로울러 위를 지나가며 한 면이 코팅이 되고 이 허니컴 필터는 뒤집어져 1차 건조 라인을 지나가고 이어서 다른 면이 코팅이 되며, 다시 뒤집어져 코팅된 면이 위로 올라오게 하여 2차 건조의 과정을 거쳐 코팅이 완료된다. 코팅이 완료된 허니컴은 건조 트레이(미도시)에 적재되어 건조실로 옮겨져 열풍으로 건조되어 완성된다.
완성된 필터는 이산화티타늄이 코팅된 제올라이트 필터로서 크기가 3 Å(옹스트롱) 이하인 휘발성 유기화합물이 우선적으로 제올라이트의 미세공에 흡착되게 된다. 기존 활성탄은 미세공이 500 Å(옹스트롱)이라서 휘발성 유기화합물보다 크기가 상대적으로 크므로 활성탄 미세공에 흡착되는 휘발성 유기화합물 분자는 개수가 제한적이다.
그러나, 제올라이트의 미세공은 가공 여건에 따라 6 Å(옹스트롱) 내지 30 Å(옹스트롱)이므로 휘발성 유기화합물 분자가 흡착될 수 있는 미세공을 단위 면적당 활성탄에 비하여 400 배 내지 700배 이상을 제공할 수 있으므로 휘발성 유기화합물 분자의 흡착량을 늘릴 수 있다.
본 발명의 이산화티타늄이 결합된 제올라이트 필터는 제올라이트에 흡착된 휘발성 유기화합물은 일정기간 흡착된 채로 미세공에 있다가 바람이나 온도의 상승으로 서서히 미세공 주위로 나오게 되며 미세공 주위에 있는 이산화티타늄에 의하 여 분해되게 된다.
이산화티타늄은 촉매로서 자신은 변하지 아니하고 유해한 가스 분자등을 분해하여 무해하도록 하는 광촉매로서 이에 대한 설명은 이미 공지된 것으로 생략한다.
미세공 주위의 휘발성 유기화합물은 이산화티타늄에 노출되어 분해되게 되며 촉매 작용을 촉진하기 위하여 UV 램프등을 조사하기도 한다.
본 발명은 원적외선을 다량으로 방출하는 천연 광물인 제올라이트를 특수한 공정을 거쳐 슬러리(Slurry) 상태의 담체를 얻은 후, 이를 광촉매인 이산화티타늄 (TiO2)을 이용하여 항균력과 탈취력 및 흡착기능이 향상되도록 제조한 무기 흡착 광촉매제와 일정량 충분히 교반시켜서 슬러리(Slurry) 상태의 광촉매가 혼합된 무기 흡착제를 얻은 다음, 이를 본 발명의 제조방법으로 광촉매제가 결합된 제올라이트를 가진 구조체, 즉 광촉매 제올라이트필터를 제조하여 흡착기능과 광분해기능을 극대화시킬 수 있도록 하였다.
이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 광촉매 제올라이트 필터 및 그 제조방법은,
흡착 성능이 우수한 광촉매가 결합된 제올라이트 필터를 제공하여 흡착력을 높일 수 있으며 확실한 살균과 탈취 분해를 흡착과 동시에 할 수 있으며, 파형화된 시트를 통해 좁은 면적에서 표면적을 최대한 높여 흡착될 확률을 높임으로써, 확실한 살균과 탈취 분해 효과를 제공한다.

Claims (9)

  1. 제올라이트 분말과 이산화티타늄 분말 및 바인더를 넣고 혼합 교반하고 소성하여 광촉매를 결합하는 단계(S100)와;
    제올라이트와 광촉매가 결합된 분말을 물, 펄프, 세라믹 화이버, 글래스 화이버, 바인더를 넣고 교반하여 슬러리를 만드는 단계와;
    슬러리를 정형화된 판에 균질하게 편 후에 증발시켜 시트로 만드는 시트화단계(S110)와;
    표면적을 높이기 위해 시트를 파형화하는 파형화단계(S120)와;
    시트와 시트사이에 접착제를 사용하여 결합하는 적층단계(S130)와;
    적층이 완료된 시트를 적당한 크기로 자르는 절단단계(S140)와;
    절단면에 광활성을 높이기 위해 광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제올라이트는,
    기공 크기가 6~30 Å(옹스트롱)인 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 바인더는,
    사이즈가 3~7nm의 SiO2인 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 파형화단계에서,
    파형화가 완료된 시트의 측단면은 '
    Figure 112006057659350-pat00005
    '형태인 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계는,
    절단된 허니컴 표면에 광분해성을 높이기 위하여 광촉매를 2차 코팅하는 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    광촉매를 2차 코팅하고 건조하는 단계는,
    광촉매를 코팅하기 위해 단면 혹은 양면 로울러 코팅장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터 제조방법.
  7. 유해 물질을 흡착하는 제올라이트와;
    상기 제올라이트를 통해 흡착된 유해 물질을 분해 및 살균하는 광촉매인 이산화티타늄과;
    상기 제올라이트와 이산화티타늄을 결합하기 위한 바인더;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제올라이트는,
    3차원 구조를 갖는 다공질 무기재료이며, 크기가 6~30 Å(옹스트롱)인 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 바인더는,
    SiO2인 것을 특징으로 하는 광촉매 제올라이트 필터.
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