KR101358486B1 - 초미세 또는 나노크기 분말을 혼입한 부직 매체 - Google Patents

초미세 또는 나노크기 분말을 혼입한 부직 매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비대칭 공극을 생성하도록 매트릭스 내에 정렬된 제2 섬유와 나노 알루미나의 혼합물이며 그리고 미세, 초미세 또는 나노크기 입자, 예컨대 분말상 활성탄이 결합제를 사용하지 않고도 부착되는 유체 스트림을 위한 섬유상 구조체에 관한 것이다. 분말상 활성탄을 포함하는 섬유상 구조체는 유체 스트림으로부터의 오염물을 차단한다. 또한, 본 발명은 섬유상 구조체의 제조 방법 및 사용 방법에 관한 것이다.
나노 알루미나 섬유, 유체 필터, 섬유상 구조체.

Description

초미세 또는 나노크기 분말을 혼입한 부직 매체{NON-WOVEN MEDIA INCORPORATING ULTRAFINE OR NANOSIZE POWDERS}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2005년 9월 12일자로 출원된 "정전 에어 필터"라는 명칭의 미국 특허 가출원 제60/716,218호를 우선권주장으로 하는, 2006년 9월 12일자로 출원된 "정전 에어 필터"라는 명칭의 미국 특허 출원 제11/531,107호의 일부 계속 출원이다. 또한, 본 출원은 2006년 3월 31일자로 출원된 "금속 함침된 나노 알루미나 섬유 조성물"이라는 명칭의 미국 특허 가출원 제60/744,043호를 우선권주장으로 한다.
정부 권리에 관한 진술
본 발명은 계약 FA8650-0-05-Ms5822 하에 미국 공군에 의하여 지원되는 연구개발 프로젝트에 따라 이루어진 것이다. 따라서, 미국 정부는 본 출원에서 특정의 권리를 갖는다.
발명의 분야
본 발명은, 나노 입자에 관한 것이고, 특히 물, 공기 및 기체로부터 오염물을 여과하는데 있어, 부직 구조체(non-woven structure)에 사용하기 위한 접착제를 사용하는 일 없는, 부직 필터 매체에서의 나노 분말의 용도에 관한 것이다.
나노기술의 분야 및 나노크기 입자의 사용은 빠르게 성장하고 있다. 특히, 나노분말은 연마제(예, 텅스텐 탄화물) 및 자외선 흡수제(예, 티탄 산화물 및 아연 산화물)로서 개발되고 있다. 또한, 생물학적 기능을 나노구조체(nanostructure) 내로 처리하는 것(나노바이오기술)에 상당한 관심 및 투자가 이루어지고 있다. 작은 입자, 특히 초미세 및 나노 입자는 보다 거친 입자에 비하여 매우 우수한 예기치 못한 수착 거동(sorption behavior)을 갖는다. 이와 같은 개선된 반응성은 훨씬 더 큰 표면적 및, 더 큰 활성 표면으로 인한 것이다. 막과 같은 기재 상에 또는 섬유 상에 나노분말을 구조화하는 것은 종종 진보된 적용에 그 나노분말을 최적으로 사용하도록 하는데 필요하다. 그러므로, 고속 방법에 의한 나노 복합체의 제조가 실시 가능하도록 나노입자를 부직 섬유상 구조 매체 내에 고정하는 것이 바람직하다.
불행하게도, 나노 입자는 너무 작아서 통상의 웹에 포획될 수 없는데, 왜냐하면, 그 나노 입자는 응집되는 경향이 있어, 유체가 점증되는 것을 야기하고, 나노 입자가 지지 웹을 통과하는 것을 방지하며, 그리하여 나노 입자가 손실되는 것을 야기하기 때문이다. 이로써, 예를 들면 통상적인 고속 저비용 제지 기술에 의하여 나노 입자를 포함하는 매체를 제조하는 것이 불가능하다. 나노 입자를 매체내 섬유상 구조체에 부착시키기 위하여 결합제를 사용하는 것이 가능하긴 하지만, 그 결합제는 나노 입자를 쉽게 포위하여, 나노 입자를 일부 또는 전부 탈활성화시키며, 그 의도한 기능을 대부분 소실하게 한다.
종래 기술은 기체 스트림으로부터 오염물을 제거, 여과 또는 포획시키는 다 양한 유형의 물질을 제공한다. 이러한 필터는 이것이 설계된 적용에서 상당히 효과적이지만, 고 성능 적용에 필요한 효과의 수준을 제공하지는 못한다. 현재, 필터 매체는 더 높은 여과 효율, 더 높은 오염 보유 용량, 더 낮은 압력 강하, 더 낮은 비용, 더 높은 내구성, 개선된 내화학성, 비-미립자화(no-particulation)(즉, 필터 매체 입자의 여과액 스트림 내로의 방출) 및 압력 변동(pressure swing)에 대처하기 위한 기계적 강도를 제공할 것으로 예상된다. 더 작은 수착제 입자(sorbent particle)가 더 우수한 흡착 효율을 제공하지만, 그 입자는 필터내에서 압력 강하를 희생하는 댓가로 그렇게 하게 된다.
과립상 촉매는 액체 및 기체의 정제에 사용된다. 그 반응성은 액체 또는 기체 스트림에 노출된 촉매의 외부 표면적에 의하여 크게 영향을 받는다. 크기가 단지 나노미터 정도인 백금 촉매 및 기타 귀금속 촉매는 통상적으로 세라믹 비이드, 벌집형 세라믹 구조체를 포함할 수 있는 흡착 매체 상에 그리고, 더 거친 과립, 예컨대 활성탄 및 활성화 알루미나 상에 분산된다.
활성탄은 공지된 수착제 입자이다. 이는 직경이 약 0.2 내지 20 ㎚인 마이크로-공극을 갖는다. 활성탄은 수착제 입자로서 유용한데, 왜냐하면 그 작은 공극 치수는 단위 중량 당 상응하게 큰 표면적과, 입자 상의 그리고 입자 내의 관련된 다수의 활성 수착 부위를 제공하기 때문이다. 동시에, 그 공극의 치수는 과립을 통과하는 유체 종의 확산 속도에 상당한 영향을 미친다. 일반적으로, 수착제 매체에서 유체 종의 확산 속도는 그러한 수착제 매체에 의하여 수착으로 취하게 되는 유체 분자의 평균 자유 경로 길이에 의하여 결정된다. 그러한 수착제 내의 공극이 작으 면 작을 수록, 평균 자유 경로 길이는 더 길어지고, 확산 속도가 더 느리게 된다. 그러므로, 활성탄 내의 작은 공극은 다공의 크기가 작고 크게 비틀린 통로 내로 유체 종이 유입되는 것을 열악하게 억제한다. 입자 크기의 감소는 경로 길이를 실질적으로 감소시키며, 그리하여 구조체내에서 임의의 수착물이 흡착 부위에 도달하는데 소요되는 시간을 감소시키게 된다. 이는 결과적으로 유동중인 스트림으로부터 오염물을 제거하는데 있어서 더 큰 여과 효율을 생성하게 된다.
과립상 활성탄(GAC: graular activated carbon)의 사용은 음료수를 비롯한 물 정제 적용에서 그리고, 약학 산업 및 음료 제조를 비롯한 다수의 공업 적용에서 공지되어 있다. 음료수에서, GAC는 용해된 유기물(이들 다수는 독성 또는 발암성임) 및 염소를 흡수하는데 사용된다. 공기 정화에서, GAC는 병원, 실험실, 레스토랑, 동물 사육 시설, 도서관, 공항, 상업용 건물 및 호흡 장비에서의 냄새 및 기체상 그리고 증기상 오염물을 제어하는데 사용된다. GAC는 종종 휘발성 유기 화합물을 공기 스트림으로부터 제거하는데 포함된다. 이 접근법의 단점은 그러한 필터가 매우 낮은 압력 강하를 나타내는 점을 보장하도록 그 필터가 커다란 간극 공간을 갖는다는 점이다. 그 결과, 그러한 필터는 작은 입자뿐 아니라, 휘발성 오염물을 포획시키는데 있어서 효과적이지 않은 것으로 악명 높게 알려져 있다. 그러한 필터의 공극 크기가 그 필터를 통과하는 공기중의 입자를 큰 백분율(계수에 의하여)로 포획시킬 정도로 충분히 작은 경우, 그 필터는 압력 강하가 너무 커서(즉 너무 높은 흐름 저항을 나타내어) 강제 송풍식 가열 유닛(forced air heating unit)과 함께 사용할 수 없다. 또한, 매우 작은 공극 크기를 갖는 필터는 상류 표면 상의 부 스러기 축적으로 인하여 쉽게 그리고 급속하게 폐색되는데, 이는 필터를 가로 질러 엄청나게 높은 압력 구배를 적용하지 않더라도 필터가 공기를 통과시킬 수 있는 능력의 급속한 감소를 야기하게 된다. GAC는 종종 충전층에서 느슨한 과립으로서 사용된다. 그러나, 탄소층은 유용한 필터 구조로 설계되는 것이 곤란한데, 왜냐하면 느슨한 입자가 이동할 수 있어서 층의 채널 형성(channeling) 및 폐색을 야기하기 때문이다.
섬유상 구조 매체는 필터로서 광범위하게 사용된다. 과립층, 예컨대 GAC에 비하여, 섬유상 구조체는 채널 형성을 최소화하고, 유의적인 필터 설계 변형을 허용 하며, 저 비용 조립 방법, 예컨대 제지 방법에 의하여 제조될 수 있다.
분말상 활성탄(PAC: powdered Activated carbon)은 일반적으로 더 큰 외부 표면적 및 대략 등가의 요오드가를 가지면서 GAC보다 우수한 흡착 속도론을 갖는 것으로 숙지되어 있다. 그러나, 섬유 매트릭스에 PAC를 부착시키는데 접착제가 필요하기 때문에 PAC를 부직 매트릭스 내로 조합하는 것이 곤란한데, 이는 입자의 표면의 일부가 접착제에 의하여 오염되기 때문에 결과적으로 입자의 적어도 일부가 여과에 비효과적이게 된다는 점을 초래하는 것으로 종래 기술에 보고되어 있다. 이와 같은 오염을 최소화하기 위해서는, 종종 큰 입자를 사용하여 접착제와 PAC의 입자 사이의 접촉점을 최소화한다. 예를 들면, 기체 적용에서 입자 크기가 약 100 미크론보다 더 큰 PAC를 사용하는 것은 공지되어 있다. 종종, 액체 적용에서 PAC의 사용은 탈색 적용에 제한된다. 당업계에는, 탄소에 의하여 쉽게 물리수착되지 않는 오염물을 제거 또는 변경시키는 촉매 및 화학수착제를 비롯한 각종 화합물로 활성 탄을 함침시키는 것이 공지되어 있다. 예를 들면, ASC Whetlerite는 화학전 제제, 예컨대 염화시아노겐, 시안화수소 및 아르신을 흡수 및 분해하는 구리, 크롬 및 은 염으로 함침된 활성탄으로 이루어진다. 구리 및 크롬(통상적으로 트리에틸렌디아민(TEDA)으로 대체됨)은 염화시아노겐 및 시안화수소에 대한 화학수착제로서 작용하고, 한편 은은 아르신을 산화물로 촉매화시킨다. 기타의 예에서, 활성탄은 암모니아를 흡착시키는 활성탄의 능력을 증가시키기 위하여 구연산으로 함침시키거나 또는, 황화수소를 제거하기 위하여 수산화물, 예컨대 수산화나트륨 또는 기타의 가성 화합물로 함침시킨다. 핵 분야에서, 대기로의 배출 사고의 경우에 동위원소를 방사성 요오드로 교환하기 위하여 여러 층의 활성탄을 포함하는 필터를 요오드화칼륨(KI)으로 함침시키는 것이 공지되어 있다.
촉매 수명은 과립 또는 분말의 표면상에 침착된 독에 의하여 제한된다. 과립상 촉매보다 부피에 대한 표면적의 비가 더 높은 분말상 촉매는 독에 대하여 덜 영향을 받게 된다. 또한, 분말상 촉매에 대한 지지체로서 사용되는 부직 매체는 더 큰 반응성, 감소된 층 깊이 및 가요성 구조체를 제공하여 설계에서의 자유를 허용한다. 그래서, 결합제를 사용하지 않고 그리고, 촉매를 유체 또는 기체 스트림으로 손실되는 것을 최소화 하기에 충분한 강도를 갖는 섬유상 구조체에 분말상 촉매를 접합시키고자 하는 수요가 존재한다.
여과 성능은 수착제 과립이 서로에 대하여 마모될 경우 발생하는 수착제의 적층 및 채널 형성에 의하여 감소된다. 결합제를 사용하지 않고 수착제를 분산시키고 그리고 구조체내에 한정시키는 부직 필터는 여과 용량을 개선시킨다. 이를 감안 한다면, 소비자 및 공업적 사용자 등에서는 초미세 및 나노크기 입자를 보유하는 부직 섬유상 구조체에 대한 수요가 존재한다. 부직 구조체를 포함하는 매체는 작은 입자, 가용성 물 오염물 및 휘발성 공기 오염물을 보유하는 것에 대한 높은 효율을 갖는 것이 바람직하다.
발명의 개요
본 발명은 이와 같은 수요를 충족시킨다. 하나의 실시태양에서, 본 발명은 낮은 압력 강하도 지니면서 액체 에어로졸화된 미립자 물질을 비롯한 공기 또는 기체 스트림으로부터 병원체 및 기타의 미립자 물질을 차단하는 고 효율 및 고 용량의 미립자상 필터에 대한 수요를 충족시키는 기체상 매질에 대한 신규한 미립자상 필터 또는 필터 매체에 관한 것이다.
또다른 실시태양에서, 본 발명은 결합제 또는 접착제를 사용할 필요 없이 초미세 또는 나노 입자를 보유하는 부직 섬유상 매체에 대한 수요를 충족시킨다.
따라서, 본 발명의 실시태양에서의 목적은 적어도 통상의 HEPA 필터 정도로 높으며 그리고, 액체 에어로졸 폐색에 대한 방지성을 갖는 여과 효율을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 또다른 목적은 에어로졸화된 박테리아 및 바이러스를 여과하는 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 추가의 목적은 다공도가 높으며 그래서 통상의 필터 물질보다 수성 미스트를 흡착시키는 허용량이 더 큰 에어 필터를 생성하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 추가의 목적은 적어도 통상의 ULPA 또는 슈퍼 ULPA 필터 정도로 높은 여과 효율을 갖는 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 추가의 목적은 통상의 필터에서 발생하는 것보다 압력 강하가 더 낮은 필터 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 추가의 목적은 HEPA 필터에서보다 더 큰 공극 크기 및 더 높은 다공도를 갖는 필터 매체를 제공하며, 그리하여 범람하기 전의 물 액적에 대한 더 높은 용량을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 추가의 목적은 에너지 효율이 큰 필터 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 또다른 목적은 통상의 필터에 비하여 연장된 필터 수명을 갖는 필터 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 또다른 목적은 유지 비용이 낮은 필터 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 추가의 목적은 해로운 폐기 물질을 여과하고 그리고 이와 관련된 비용을 최소로 하는 필터 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 또다른 목적은 플리트(pleat) 처리될 정도로 충분히 강한 필터 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 또다른 목적은 적어도 통상의 HEPA 필터 정도로 높은 여과 효율에서 기체상 매질을 여과하며 그리고 액체 에어로졸 폐색 방지성을 갖는 필터 또는 필터 매체의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 또다른 목적은 미립자 및 에어로졸을 기체상 매질로부터 제거하는 필터 또는 필터 매체의 사용 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양의 예에서의 또다른 목적은 낮은 제조 비용으로 나노구조체가 처리되어 있는 부직 섬유 매트릭스를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양에서의 목적은 고 효율, 고 용량 및 저 압력 강하에서 유체 및 기체 스트림으로부터 가용성 및 휘발성 유기물 및 할로겐을 제거하는 부직 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양에서의 또다른 목적은 미생물 병원체를 비롯한 미립자도 유체 매체로부터 여과하는 화학적 수착 매체를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양에서의 목적은 촉매 또는 분말상 활성탄을 부직 스카폴드에 부착시켜 부직 매체 내에 광촉매, 산화 촉매를 비롯한 분말화된 나노크기 촉매 또는, 촉매를 함침시킨 분말상 활성탄을 혼입시키고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양에서의 추가의 목적은 가루 형성(dusting)을 최소화하도록 매체에 고정되어 있는 초미세 또는 나노크기 분말을 포함하는 부직 매체를 처리하고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양에서의 추가의 목적은 미세 분말화되거나 또는 나노크기인 이온 교환 수지 및 거대다공성(macroporous) 중합체를 부직 매체에 혼입시키고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양에서의 추가의 목적은 생물학적 활성 성분, 예컨대 DNA 또는 RNA를 부직 매체에 혼입시키고자 하는 것이다.
본 발명의 실시태양에서의 또다른 목적은 나노크기 안료, 칼라 반응물질인 화학물질 및 미세 연마제를 부직 매체에 혼입시키기 위한 방법을 제공하고자 하는 것이다.
일반적으로, 본 발명은 유체로부터 입자를 흡착시키는 나노 알루미나 섬유 및, 매트릭스내에서 나노 알루미나 섬유와 함께 정렬되어 비대칭 공극을 생성하는 복수의 제2의 섬유를 포함하는, 유체를 위한 필터 또는 섬유상 구조체에 관한 것이다. 일례에서, 제2의 섬유는 소수 치수(minor dimension)가 나노 알루미나 섬유의 소수 치수보다 약 10 배까지 정도로 더 큰 섬유로 이루어져 있다. 제2의 섬유는 나노 알루미나 섬유와 함께 포함되어 나노 알루미나 섬유가 내부에 또는 표면상에 분산되는 공극 또는 커다란 섬유간 공간을 생성하기 위한 스카폴딩(scaffolding)을 제공한다. 일례에서, 비대칭 공극 크기는 약 5 ㎜보다 크다. 하나의 실시태양에서, 복수의 미세, 초미세 또는 나노크기 입자는 알루미나 섬유에 부착되어 유체 매체로부터 오염물을 제거하는 것을 개선시킨다.
조대 섬유(coarse fiber)는 나노 알루미나 섬유가 내부에 또는 표면상에 분산되어 있는 더 커다란 공극을 제공하거나 또는 형성한다. 그러나, 조대 섬유는 단위 부피 또는 질량 당 표면적이 더 적으며, 그리하여 공극 표면에 또는 공극 내부에 분산된 나노 알루미나의 양이 상당히 감소된다. 그러므로, 또다른 실시태양에서, 제2의 섬유는 조대 섬유와 미세 섬유의 조합으로 이루어진다. 미세 섬유를 포함시키는 것은 더 많은 나노 알루미나 섬유가 매체 내부에 또는 표면상에 로딩될 수 있도록 추가의 표면적을 제공한다.
특정 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니지만, 필터 매체의 평균 공극 크기보다 더 작은 직경을 갖는 초미세 및 나노크기 입자는 나노 알루미나 섬유상에서 전기접착력(electroadhesive force)에 의하여 보유된다. 매체의 공극 크기보다 더 큰 입자는 대개 기계적 혼입(mechanical entrainment)에 의하여 유지된다. 나노 알루미나 섬유에 침착된 입자를 둘러싸거나 달리 그 입자의 민감성을 감소시키는 결합제가 섬유상 구조체 내에 사용되지 않는다.
또다른 실시태양에서, 본 발명은 필터 매체 또는 섬유상 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
또다른 실시태양에서, 본 발명은 유체 스트림으로부터 독성 오염물 및 기타의 미립자 물질을 제거하기 위한 나노 알루미나 필터 매체 또는 섬유상 구조체의 사용 방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 세부 사항, 목적 및 잇점은 하기의 상세한 설명, 실시예 및 실시태양을 도시하는 도면으로부터 더 잘 이해할 수 있거나 또는 자명할 것이다.
도면의 간단한 설명
도 1은 필터를 가로 지르는 압력 강하의 함수로서 본원 발명의 나노 알루미나 필터 및 HEPA 필터를 통과하는 공기 흐름 속도를 도시한 그래프이다.
도 2는 본원 발명의 나노 알루미나 필터 및 HEPA 필터를 통과하는 수중 현탁된 0.2 ㎛ 라텍스 구체의 여과 동안 부피의 함수로서 혼탁도를 도시한 그래프이다.
도 3은 본원 발명의 나노 알루미나 및 HEPA 필터의 투과율을 0.3 ㎛ NaCl 에어로졸로 연속 시험하면서 그 투과율을 도시한 그래프이다.
도 4는 본원 발명의 나노 알루미나 및 HEPA 필터의 공기 저항을 0.3 ㎛ NaCl 에어로졸로 연속 시험하면서 그 공기 저항을 도시한 그래프이다.
도 5는 0.5 및 1 ㎛ 라텍스 구체로 예비상태조절한 후 본원 발명의 나노 알루미나 필터를 통한 공기 흐름 속도 대 압력 강하를 도시한 그래프이다.
도 6은 0.3 ㎛ NaCl 에어로졸에 의하여 투과시킬 경우 예비상태조절하지 않은 나노 알루미나 필터 및 HEPA 필터에 비하여 라텍스 비이드를 사용하여 예비상태조절한 본원 발명의 나노 알루미나 필터의 투과율을 도시한 그래프이다.
도 7은 예비상태조절을 한 나노 알루미나 필터 및 HEPA 필터에 비하여 라텍스 비이드를 사용하여 예비상태조절한 본원 발명의 나노 알루미나 필터의 공기 저항을 도시한 그래프이다.
도 8은 본원 발명의 나노 알루미나 필터 및 HEPA 필터를 통한 0.3 ㎛ NaCl 에어로졸의 투과율을 도시한 그래프이다.
도 9는 NaCl 에어로졸 용량 테스트 동안 본원 발명의 나노 알루미나 필터 및 HEPA 필터의 공기 저항을 도시한 그래프이다.
도 10은 에어로졸화 KCl 액적의 입자 크기의 함수로서 본원 발명의 나노 알루미나 필터의 분별 효율(fractional efficiency)을 도시한 그래프이다.
도 11은 박테리아 증식에 미치는 본원 발명의 은 함침된 나노 알루미나 필터의 항균 효과를 도시한 그래프이다.
도 12는 수인성 박테리아 에어로졸을 사용하여 본원 발명의 나노 알루미나 필터를 시험하는데 사용된 시스템을 도시한 개략도이다.
도 13은 섬유 직경의 함수로서 압력 강하와 공극 크기 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 14는 본원 발명의 나노 알루미나 필터 매체와 서브-HEPA 필터의 압력 강하의 비교를 도시한 그래프이다.
도 15는 실리카의 나노구체에 의하여 둘러싸인 마이크로유리 섬유에 대한 나노 알루미나 섬유의 투과 전자 현미경사진을 도시한 것이다.
도 16은 활성탄을 포함하는 시판중인 매체에 의한 흡착에 비하여 본원 발명의 나노 알루미나 섬유에 의한 가용성 요오드의 흡착을 도시한 그래프이다.
본 발명에 관한 상세한 설명
정의
본원 발명의 개시를 적절하게 이해하기 위하여, 본 명세서에서 사용한 특정의 용어를 하기에서 설명한다. 본 발명자들은 하기의 용어를 설명하나, 본 발명자들은 어떠한 방법으로도 이들 용어의 통상의 그리고 익숙한 의미를 포기하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이 용어 "정전기"는 전기 전하에 대하여 또는 이와 관련하여 정의한다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이 용어 "종횡비"는 섬유의 횡단면 직경에 대한 섬유의 종방향 길이의 비로서 정의된다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이 용어 "나노 알루미나"는 종횡비가 약 5보다 큰 섬유로서 정의되며, 가장 작은 치수는 약 50 ㎚ 미만이다. 섬유의 횡단면은 형상이 원형(원통형 섬유) 또는 직사각형(소판형)일 수 있다. 섬유는 각종 함량의 혼합된 물과 함께 알루미나로 이루어져서 감마 및 알파 알루미나의 가능한 불순물과 함께 주로 다양한 함량의 Al(OH)3를 갖는 AlOOH로 이루어진 조성물을 생성한다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이 용어 "리오셀(lyocell)"은 히드록실 기의 치환이 발생하지 않고 그리고 화학적 중간체가 형성되지 않은 유기 용액으로부터 침전된 피브릴화 셀룰로스 섬유(코톨즈, 리미티드)를 지칭한다.
용어 "고 효율 입자 공기"(HEPA)는 0.3 ㎛ 입자의 >99.97%를 보유할 수 있는 필터 매체의 등급을 지칭한다.
용어 "초저 투과 공기"(ULPA)는 소정의 매체 속도에서 소정의 입자 크기의 >99.99%를 보유할 수 있는 필터 매체의 등급을 지칭한다.
용어 "슈퍼 ULPA"는 소정의 매체 속도에서 소정의 입자 크기의 >99.9999%를 보유할 수 있는 필터 매체의 등급을 지칭한다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "흡착제(adsorbent)"는 주로 표면으로의 물리적 흡착에 의하여 불순물을 흡착시킬 수 있는 임의의 물질이 되는 것으로 정의된다.
용어 "흡수제(absorbent)"는 내부 구조체로 물질을 끌어들일 수 있는 임의의 물질인 것으로 정의된다.
용어 "오염물 감소"는 유체중 불순물의 감소인 것으로 정의되며, 불순물은 예를 들면 유체가 공업적 적용에서 더욱 유용하거나 또는 인체 사용에 더 안전하도록 하여 유체의 유용성을 개선시키기 위하여 차단되거나, 제거되거나 또는, 화학적으로 또는 생물학적으로 불활성이 되도록 한다.
용어 "NanoCeram"이라는 것은 비대칭 공극을 갖는 어레이를 생성하기 위하여 조대 섬유가 나노 알루미나 섬유에 대한 스카폴딩으로서 작용하는 나노 알루미나 섬유와 조대 섬유의 혼합물을 지칭한다.
"미세 분말"은 평균 입자 크기가 실질적으로 100 메쉬 이하이고, 바람직하게는 325 메쉬(44 ㎛) 이하인 분말로서 정의된다.
"초미세 입자"는 평균 입자 크기가 0.1 내지 10 ㎛인 입자인 것으로 정의된다.
"나노 입자"는 핵산(예, DNA 및 RNA), 단백질, 저 용해도 또는 반-휘발성 약물, 거대분자 입자, 작용화된 중합체, 가공된 작용성을 갖는 리간드 및 카본 튜브(이들에 한정되지 않음)를 비롯한, 평균 입자 크기가 0.1 ㎛ 미만인 입자인 것으로 정의된다.
"미생물"은 박테리아, 바이러스, 진균, 원충 및, 낭종 및 포자를 비롯한 생식 형태(이들에 한정되지 않음)를 비롯한, 유체에 현탁될 수 있는 임의의 생 유기체인 것으로 정의된다.
"종이" 또는 "종이형"은 습식 레이드(laid) 공정에 의하여 형성된 물질의 일반적으로 평편한 섬유상 층 또는 매트인 것으로 정의된다.
"입자"는 형상에 제한은 없으나, 콜로이드성 범위 내지 거시적 범위 내에 속하는 크기를 갖는 고체 또는 마이크로캡슐화된 액체인 것으로 정의된다.
"수착제(sorbent)"는 오염물을 덜 유해한 또다른 형태로 변환시킬 수 있는 촉매를 비롯한, 유체 스트림으로부터 오염물을 제거할 수 있는 임의의 분말 입자인 것으로 정의된다. 또한, 용어 "수착제"는 분말상 촉매 또는, 고체 분말상 또는 과립상 지지체, 예컨대 활성탄 상에 함침된 촉매를 포함한다.
"의학적 구조체(medical structure)"는 의학적 적용, 예컨대 감염의 억제, 상처 보호 등에 유용한 부직 매체인 것으로 정의된다.
실시태양의 설명
하나의 실시태양에서, 본 발명은 오염물을 감소시키기 위하여 매체에 통과시킨 유체 매체로부터 액체, 특히 물 에어로졸화 입자를 비롯한 입자를 제거하기 위한 필터 매체를 제공한다. 일례에서, 입자는 병원체, 예컨대 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 진균, 흰곰팡이, 유기 물질, 무기 물질, 미생물, 탄소질 입자, 금속 가공 유체 미스트, 도료 미스트, 살충제, 잉크 미스트 또는 산 미스트 등이다. 일례에서, 유체 스트림은 액체 에어로졸화 입자, 예컨대 물 에어로졸화 입자를 갖는다. 일례에서, 필터 매체는 부직, 정전기 매체이다. 필터 매체는 제2의 섬유와 혼합된 나노 알루미나 섬유를 포함한다. 일례에서, 나노 알루미나는 구체가 아니다. 제2의 섬유는 매트릭스내에서 정렬되어 비대칭 공극을 생성한다. 일례에서, 미세 금속 알루미늄 분말은 제2의 섬유와 반응하여 정전기 매체를 형성한다. 반응은 암모니아를 알루미늄 및 제2의 섬유 혼합물에 첨가하여 실시된다. 혼합물을 물의 비점까지 가열한다. 또다른 예에서, 알루미늄 삼수산화물은 제2의 섬유의 존재하에서 높은 온도 및 압력의 조건하에서 가열하여 정전기 매체를 형성한다. 반응은 약 175℃ 및 약 5 bar에서 약 30 분 동안 실시한다.
제2의 섬유는 마이크로유리, 셀룰로스 또는 피브릴화 셀룰로스를 비롯한 플리팅 처리를 견디기에 충분히 강한 임의의 섬유가 될 수 있다. 일례에서, 제2의 섬유는 나노 알루미나 섬유의 소수 치수보다 적어도 약 10 배로 더 큰 소수 치수를 갖는다. 공기 또는 기체 필터에 대한 일례에서, 평균 공극 크기는 약 4 내지 약 48 ㎛이다. 바람직하게는, 평균 공극 크기는 약 10 ㎛보다 크다. 보다 바람직하게는, 평균 공극 크기는 약 20 ㎛보다 크다. 일반적으로, 공극 크기는 제2의 섬유의 직경에 관한 것이다. 그러므로, 작은 직경을 갖는 복수의 제2의 섬유는 작은 공극 크기를 갖는 복수의 비대칭 공극을 생성하며, 더 큰 직경을 갖는 복수의 제2의 섬유는 비교적 더 큰 공극 크기를 갖는 복수의 비대칭 공극을 생성한다. 예를 들면, 표 1 및 도 13을 참고할 수 있다. 그러나, 제2의 섬유의 직경이 증가할수록, 단위 부피에 대한 표면적 비는 감소되며, 그 결과 더 적은 나노 알루미나 섬유가 제2의 섬유상에 및/또는 공극내에서 분산된다. 그러므로, 바람직한 예에서 복수의 제2의 섬유는 복수의 조대 섬유와 복수의 미세 섬유의 조합으로 이루어진다. 미세 섬유는 모두 실질적으로 유사한 평균 직경을 가질 수 있거나 또는 특정의 미세 섬유는 상이한 직경을 가질 수 있다. 미세 섬유를 포함시키는 것은 공극 크기에서의 해당 감소를 초래한다. 예를 들면 표 1 및 도 13을 참조할 수 있다.
공극 크기는 필터 매체를 통한 압력 강하를 결정한다. 바람직한 예에서, 압력 강하는 약 3.2 m/분의 흐름 속도에서 최종 복합체 필터 또는 여과 유닛에 대하여 약 35 mmH2O 미만이다.
일례에서, 본원 발명의 필터 매체는 필터 매체에 첨가되는 미립자상 수착제, 바람직하게는 콜로이드 입자를 더 포함한다. 휘발성 유기물, 신경계에 작용하는 물질 또는 머스타드 가스를 흡착시키기 위하여, 활성탄은 미세 분말(예를 들면 크기가 약 1 ㎛ 정도로 작고 그리고 평균 크기가 약 28 ㎛인 입자)로서 첨가하여 통상적으로 더 큰 과립상 탄소보다 더 신속한 흡착을 제공한다.
일례에서, 본원 발명의 필터 매체는 결합제를 더 포함한다. 결합제는 섬유 형상을 가질 수 있거나(Invista T104) 또는 수지, 예컨대 Rohm 또는 Haas Rhoplex HA-16가 될 수 있다. 결합제가 입자를 구조체에 결합시키는데 있어서 필수적인 것은 아니나, 결합제를 포함시키는 것은 섬유 매체의 강도 및/또는 플리트 처리 가능성을 증가시킨다.
일례에서, 필터 매체는 복수의 나노 알루미나 및 제2의 섬유와 혼합된 항균제를 더 포함할 수 있다. 제조시, 슬러리를 생성한 이후 그리고 혼합물을 스크린상에서 여과하기 이전에, 항균제를 첨가하고, 나노 알루미나 섬유에 흡착시켜 항균제로서의 이용 가능하도록 한다. 일례에서, 항균제는 은이다. 기타의 예에서, 이온, 예컨대 구리 및 아연은 항균제로서 은과 함께 상승작용을 나타낸다. 또다른 예에서, 이온, 예컨대 구리 및 아연은 항균제로서 단독으로 작용한다.
본 발명의 예에서, 필터 매체는 정전 하전되어 나노 알루미나 섬유가 입자, 예컨대 병원체 및 기타의 물질을 포획하도록 한다. 일례에서, 필터 매체는 균질한 부직 필터이다.
일례에서, 유체 매체는 복수의 입자를 유동시켜 전처리 또는 예비상태조절시킨다. 입자는 직경이 약 0.3 내지 약 1.5 ㎛가 될 수 있다. 이들 입자를 포함시키는 것은 필터 매체를 통한 초기 누출을 감소시키기 위하여 복수의 비대칭 공극중 최대 공극의 적어도 일부를 차단한다. 또한, 예비상태조절은 필터의 사용 전반에 걸친 HEPA 또는 ULPA 성능을 생성 또는 생산하는 것을 돕는다. 일례에서, 복수의 입자가 최대 공극의 적어도 일부를 차단할 수 있는 임의의 물질로 이루어질 수 있기는 하지만, 그 복수의 입자는 복수의 라텍스 구체이다.
일례에서, 본원 발명의 나노 알루미나 필터 매체는 보유 효율이 적어도 HEPA 정도로 우수하다. 또다른 예에서, 본원 발명의 필터 매체는 보유 효율이 적어도 ULPA 정도로 우수하다.
또다른 실시태양에서, 본원 발명은 나노 알루미나 유체 필터의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 제조 방법은 복수의 제2의 섬유의 존재하에서 나노 알루미나 섬유를 형성하는 단계를 포함한다. 제2의 섬유는 정렬되어 복수의 비대칭 공극을 형성한다. 일례에서, 나노 알루미나 필터 매체는 균질한 단일층으로 형성된다. 또다른 예에서, 나노 알루미나 필터 매체는 1 초과의 층으로 형성된다. 또다른 예에서, 나노 알루미나 필터 매체는 플리트 처리된다.
필터 매체는 여과 시스템에 사용될 수 있다. 사용시, 공기 또는 기체 스트림은 필터 매체에 통과되고, 미립자 물질은 입자를 필터 매체에 보유시킴으로써 그 스트림으로부터 제거된다. 일례에서, 유체 매체는 물 액적의 현탁액을 포함한다. 필터의 사용예로는 실내 공기 여과에서의 사용, 호흡기 또는 안면 마스크에서의 사용, 자동차 에어 필터에서의 사용, 클린룸에서의 사용, 수술실에서의 사용 또는, 예컨대 공업적 미스트에 포함된 도료 또는 기타의 특정 물질을 제거하기 위한 공업 시설에서의 사용 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 일례에서, 필터 매체는 습도가 약 75% RH보다 큰 환경에서 사용된다.
또다른 실시태양에서, 본 발명은 나노기술에서 다양한 적용을 가지며, 섬유상 웹내에서 분산 및 수용되기에 매우 곤란한 입자를 보유하기 위한 섬유상 구조체를 제공한다. 일례에서, 분산된 입자는 유체 스트림으로부터 오염물을 제거할 수 있는 수착제 또는 촉매이다. 오염물의 예로는 유기 화합물, 예컨대 할로겐화 유기물, 살충제 및 휘발성 유기 화합물 등이 있다. 기타의 예에서, 오염물은 박테리아 및 바이러스, 곰팡이, 진균, 흰곰팡이, 유기 물질, 무기 물질, 미생물, 탄소질 입자, 금속 작용 유체 미스트, 도료 미스트, 살충제, 잉크 미스트 또는 산 미스트 등이다.
섬유상 구조체는 혼란형 방식(disorganized manner)으로 인터레이드 처리된(interlaid) 각각의 섬유의 구조체를 갖는 웹 또는 직물 매체이거나 또는 기타 매체이다. 바람직하게는, 섬유상 구조체는 습식 레잉 처리(wet laying)에 의하여 생성되나, 또한 에어 레잉(air laying), 멜트블로잉(meltblowing), 스펀본딩(spunbonding) 및 카딩(carding)을 비롯한 당업계에서 주지된 기타의 방법에 의하여 제조될 수 있다. 섬유상 구조체는 전술한 바와 같은 제2의 섬유와 함께 혼합되고 그 섬유에 부착되는 나노 알루미나 섬유를 포함하며, 나노 알루미나 섬유에 배치된 복수의 미세, 초미세 또는 나노크기 입자(하기에서 상세하게 설명함)를 더 포함한다. 제2의 섬유는 매트릭스내에서 정렬되어 비대칭 공극을 생성한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 미세 금속 알루미늄 분말은 제2의 섬유와 반응하여 섬유상 구조체를 형성한다. 반응은 암모니아를 알루미늄 및 제2의 섬유 혼합물에 첨가하여 실시한다. 혼합물을 물의 비점으로 가열한다. 미세, 초미세 또는 나노 입자는 알루미늄 물 반응 이전에, 비점에서의 물 반응 도중에 또는 혼합물이 실온으로 냉각된 이후에 혼합물에 첨가한다. 생성된 퍼니쉬(배합물)는 종이 핸드시이트가 형성될 경우와 같이 또는 제지기상에서와 같이 스크린의 이면에 흡인을 가하여 섬유상 구조체로 변환시키며, 이들 방법은 습식 처리를 통하여 부직 매체를 형성하는데 있어서 주지되어 있다.
복수의 미세, 초미세 또는 나노 입자는 나노 알루미나 섬유상에 배치된다. 일례에서, 복수의 입자는 화학수착제, 고 표면적 흡착제 또는, 오염물을 덜 유해한 화합물로 전환시키는 촉매이다. 수착제의 예로는 활성탄; 실리카, 실리케이트, 알루미나실리케이트, 티탄 실리케이트 납 흡착제 및 실리카 겔; 제올라이트; 활성화된 알루미나; 이산화티탄을 비롯한 금속 및 금속 산화물; 촉매, 예컨대 백금, 팔라듐, 은 및 산화은, 이리듐, 로듐 및 금, 및 구리 활성화된 이산화망간을 비롯한 귀금속 및 전이 금속 촉매; 골탄; 칼슘 히드록시아파타이트; 마그네시아; 펄라이트; 탈크; 중합체 입자; 점토; 이온 교환 수지; 세라믹; 및 이들의 조합 등이 있다.
또다른 예에서, 복수의 미세, 초미세 또는 나노 입자는 RNA, 마이크로 또는 나노크기 중합체, 생물학적 활성 거대분자, 예컨대 DNA, 작용화된 거대분자 또는 외피가 있는 물질, 예컨대 마이크로캡슐화 염료의 방출을 조절하는 물질의 마이크로캡슐화제, 부직 상처 드레싱으로부터 방출될 수 있는 약물, 흡입 스트림 내로의 기화될 수 있는 약물 또는 독성 물질, 예컨대 화학전 제제를 중화시킬 수 있는 제제이다.
또다른 예에서, 복수의 초미세 또는 나노 입자는 활성탄이다. 분말상 활성탄을 포함하는 본원 발명의 섬유상 구조체는 시판중인 활성탄 충전된 매체보다 오염물을 더 신속하게 흡착시킨다. 분말상 활성탄을 포함하는 본원 발명의 섬유상 구조체의 예는 에어로졸로서 전달되거나 또는 상수도의 오염을 통한 생물학적 및 화학적 공격으로부터 군요원과 군무원을 보호하는데 유용하다.
일례에서, 섬유상 구조체는 의학적 적용예, 예컨대 상처 드레싱 또는 흡입기에 사용된다.
또다른 실시태양에서, 본원 발명은 섬유상 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 제조 방법은 복수의 제2의 섬유의 존재하에 나노 알루미나 섬유를 형성하는 단계를 포함한다. 제2의 섬유는 정렬되어 복수의 비대칭 공극을 형성한다. 복수의 미세, 초미세 또는 나노크기 입자는 나노 섬유상에서의 배치를 위하여 혼합물에 첨가한다. 일례에서, 물을 혼합물로부터 제거한다. 일례에서, 섬유상 구조체는 균일한 단일층으로 형성한다. 또다른 예에서, 섬유상 구조체는 1 초과의 층으로 형성된다. 또다른 예에서, 섬유상 구조체를 플리트 처리한다.
사용시, 유체 스트림을 섬유상 구조체에 통과시키고, 오염물을 섬유상 구조체에 보유시킴으로써 그 스트림으로부터 오염물을 제거한다. 본원 발명의 섬유상 구조체의 사용예로는 음료수 또는 공기 공급의 정제 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다. 특정의 예로는 실내 공기 여과 시스템에서, 호흡기에서, 자동차 에어 필터에서, 클린룸에서, 수술실에서, 공업적 시설에서, 예컨대 공업용 미스트에 포함된 도료 또는 기타의 미립자 물질을 제거하기 위한 공업 시설에서의 섬유상 구조체의 사용을 포함한다. 또는, 본원 발명의 섬유상 구조체는 생물학적 제제, 예컨대 탄저균 또는 천연두 바이러스, 화학적 제제, 예컨대 신경 가스 또는 방사선학적 제제, 예컨대 음료수 또는 공기 공급으로부터 방사선 방사능 폭탄에 의하여 전달될 수 있는 것을 제거하는데 유용하다. 핵, 생물학적 그리고 화학적 제제(NBC)를 제거하는 능력은 개인용 호흡기 및 컨테이너형 보호실에서 그리고, 제제의 동화로부터 착용자를 보호할 수 있는 NBC 의복에서 요구된다.
또다른 사용예에서, 나노 알루미나/조대 섬유 복합체의 층은 사용중에 빠져나가는 임의의 입자 또는 오염물을 수집하기 위하여 본원 발명의 섬유상 구조체의 하류에 배치한다.
실시예-에어 필터 매체
하기의 실시예는 본 발명의 여러 실시태양을 예시한다. 이들 실시예는 제한하는 의미로 해석되어서는 아니된다. 모든 %는 중량을 기준으로 한다. 공극 크기를 측정하기 위한 계산은 하기의 실시예 이후의 논의에 제공된다.
실시예 1
하기에 설명한 실험의 목적은 실질적으로 HEPA 매체에 해당하는 압력 강하 및, 실질적으로 HEPA보다 더 높은 여과 효율을 갖는 나노 알루미나 매체를 개발하고자 하는 것이다. 또한, 이러한 실험의 목적은 물 흡착 데이타를 사용한 공기 여과를 최적화하기 위하여 나노 알루미나 필터 매체의 물 흡착 성능과, 공지의 HEPA 필터 매체(이하, "Donaldson HEPA 필터")의 상관 관계를 측정하기 위한 것이다.
마이크로유리 혼합물에서의 나노 알루미나의 24 개의 슬러리는 무작위 길이의 피복된 보로실리케이트 유리 섬유 울(Lauscha)의 존재하에 100℃의 물중에서 5 ㎛ 직경 알루미나 분말(발리멧 코포레이션 # H-5)을 반응시켜 생성된다. 나노 알루미나를 포함하는 부직 섬유 매체는 1×1 ft 시이트 몰드에서 형성하고, 결합제로서 작용하는 17-23% 2성분 섬유(Invista T104, 20 ㎛ 직경, 1/2" 길이)를 사용하여 보강하였다. 또한, Rhoplex 결합제를 액체 형태로 약 2 중량% 첨가하였다. 시이트를 AF1-AF24로 표시하였다.
필터를 약 5.6 내지 약 23 ㎖/분 범위내의 흐름 속도를 갖는 공기 스트림을 사용하여 단일층으로서 테스트하였다. 여과에 사용 가능한 표면적은 약 8.2 ㎠이었다. 본 발명의 나노 알루미나 공기 또는 기체 필터의 특징을 물 필터 및 통상의 HEPA 필터의 특징과 비교하기 위하여 필터를 NanoCeram® 물 필터 및 Donaldson HEPA 필터와 비교하였다.
표 1에는 각각의 핸드 시이트 및 NanoCeram 및 HEPA 매체에 대한 조성물, 다 공도, 압력 강하 및 평균 공극 크기를 나타낸다. 또한, 도 13은 테스트한 특정의 나노 알루미나 필터에 대한 공극 크기 및 압력 강하를 나타낸다. 표 1 및 도 13에 나타낸 각각의 필터 매체를 단일층 매체로서 테스트하였다. 그러나, 사용시, 성능은 1 초과의 층을 적층시켜 개선될 수 있다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 필터 AF1-AF12는 단일 평균 직경이 약 0.6 ㎛, 약 1.5 ㎛ 또는 약 2.5 ㎛인 마이크로유리 섬유와 혼합된 나노 알루미나 섬유로 이루어졌다. 필터 AF13-AF24는 약 0.6 ㎛ + 약 1.5 ㎛; 약 0.6 ㎛ + 약 2.5 ㎛; 또는 약 1.5 ㎛ + 약 2.5 ㎛와 같이 조대 섬유와 미세 마이크로유리 섬유의 조합과 혼합한 나노 알루미나 섬유로 이루어진다. 소정의 나노 알루미나 필터 매체를 포함하는 각각의 섬유의 비율을 하기 표 1에 제시한다.
Figure 112008068803322-pct00001
마이크로유리 섬유 직경과 매체 다공도 사이의 관계
표 1의 데이타는 직경이 작은 마이크로유리 섬유로 이루어진 매체가 다공도가 더 낮고 공극 크기가 작다는 것을 예시한다. 이러한 관계를 도 13에 추가로 도시한다. 예를 들면, 0.6 ㎛ 마이크로유리 섬유로 이루어진 매체는 다공도가 약 90%이고, 공극 크기가 4.2 내지 10 ㎛이다. 1.5 ㎛ 마이크로유리 섬유로 이루어진 매체는 다공도가 약 92.3%이고, 공극 크기는 약 16 내지 약 21 ㎛이다. 마지막으로, 2.5 ㎛ 마이크로유리 섬유로 이루어진 매체는 다공도가 약 95.3%이고, 공극 크기가 약 35 내지 38 ㎛이다.
표 1 및 도 13의 데이타는 공극 크기 또는 다공도가 가장 큰 매체의 압력 강하가 가장 작다는 것을 예시한다. 예를 들면, 다공도가 약 95%인 매체는 압력 강하가 약 3.4 내지 약 4.3 mmH2O이었고, 반대로 다공도가 약 90%인 매체는 압력 강하가 약 125 내지 약 204 mmH2O이었다.
필터 매체가 조대 섬유와 미세 섬유의 조합으로 이루어진 예에서, 공극 크기는 조대 섬유가 단독으로 존재할 경우에서와 같이 급격하게 증가되지는 않는다. 예를 들면 표 1 및 도 13을 참조할 수 있다. 예를 들면, 1.5 ㎛ 섬유와 조합된 2.5 ㎛ 섬유는 공극 크기가 약 22 내지 28 ㎛이고, 다공도가 약 94%이며, 해당 압력 강하는 약 5.7로부터 약 9.2 mmH2O이다.
특히, 대부분의 샘플 AF1-AF24는 공극 크기가 Donaldson HEPA 필터에서의 공극 크기보다 더 크다. 예를 들면, AF6은 공극 크기가 Donaldson HEPA 필터 공극 크기보다 6 배 초과로 더 크다.
공기 흐름 여과 특성
테스트 필터 AF1-AF24 세트로부터의 필터는 공기흐름 성능에 기초하여 분리하였다. 3.2 m/분에서의 압력 강하가 10 mmH2O 미만인 필터의 데이타를 도 1에 도시하였다. 실선은 3.2 m/분의 흐름 속도에 해당한다. 결과는 압력 강하가 HEPA 필터보다 더 낮은 본원 발명의 나노 알루미나 섬유 물질의 다수의 배합 변형이 존재한다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 새로운 필터 매체의 더 큰 공극 크기로 인한 것으로 판단된다.
단분산 라텍스 테스트를 이용한 미립자 물질의 여과 평가
통상적으로, 에어 필터 물질을 평가할 경우 오일을 주성분으로 하는 에어로졸, 예컨대 DOP(디옥틸 프탈레이트)를 사용하여 액체 에어로졸을 모의실험하였으며, 염화나트륨(NaCl) 또는 염화칼륨(KCl) 에어로졸을 사용하여 고체 입자를 모의실험하였다. 본 발명자들은 물에서의 초미세 단분산 라텍스 구체의 흡착을 HEPA 필터와 비교한 후, DOP 및 NaCl 테스트로부터의 데이타에 기초한 상관 관계를 설정하도록 하였다. 구체적으로, 에어 필터 AF3(평균 공극 크기 16 ㎛, 표 1 참조), AF6 (평균 공극 크기 38 ㎛, 표 1 참조) 및 Donaldson HEPA 필터(직경 약 25 ㎜ 및 유효 표면적 약 3.7 ㎠)를 약 0.1 m/분의 일정한 흐름 속도에서 1 ㎛ 라텍스 구체를 갖는 깨끗한(RO) 물의 유체 스트림을 사용하여 실험하였다. 표 1이 단일층에서 정렬된 필터 매체를 사용하기는 하나, 공기 및 물 적용예에서의 필터 매체의 성능을 최적화하기 위하여 본 실험에서 1 내지 4 개의 적층을 사용하였다. 물중의 유입물 및 유출물 혼탁도(NTU 또는 탁도계 혼탁도 단위)는 LaMotte Model 2020 탁도계를 사용하여 측정하였다.
도 2는 통상의 HEPA 필터에 비하여 나노 알루미나 및 마이크로유리 섬유로 이루어진 필터로부터 배출되는 유출물중의 혼탁도를 도시한 그래프이다. 도시한 바와 같이, 나노 알루미나 및 유리 섬유를 포함하는 본 발명의 필터는 HEPA 필터에 비하여 유출물에서 실질적으로 검출 불가한 혼탁도를 나타낸다.
본 실험의 결과는, 필터 AF3 및 AF16의 평균 공극 크기가 각각 약 16 및 38 ㎛이기는 하나, 본 발명의 필터가 0.2 ㎛ 입자를 보유하기 때문에 놀랍다. 이와 같은 커다란 평균 공극 크기를 갖는 필터는 훨씬 더 작은 입자를 보유할 수 없을 것으로 예상된다. 물 매체중의 HEPA 필터의 매우 불량한 보유가 놀라우며, 이는 HEPA 필터가 공기중에서보다는 물중에서 입자 보유가 훨씬 더 불량하며, 그래서 2 가지의 환경에서 실질적으로 상이한 양상을 나타낸다.
물 흡착 데이타를 공기 성능에 대하여 서로 연관시키는 목적은 성공적이지 않았으며, 그러므로 에어 필터 테스트 데이타는 후속 실험에 의한다.
실시예 2-10
실시예 2-10에서, AF3, AF6, AF11 및 AF16으로 표시한 나노 알루미나 필터 매체는 Donaldson HEPA 필터와 비교하여 본 발명의 나노 알루미나 필터 매체를 추가로 특성화하는데 사용하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, AF3는 1.5 ㎛ 마이크로유리 섬유로 이루어졌으며, AF6 및 AF11은 2.5 ㎛ 마이크로유리 섬유로 이루어졌으며, AF16은 1.5 및 2.5 ㎛ 마이크로유리 섬유의 조합으로 이루어졌다.
실시예 2
초기 DOP 및 NaCl 초기 입자 투과
실시예 1에서 제조한 필터 AF3(평균 공극 크기 16 ㎛), AF6(평균 공극 크기 38 ㎛), AF11(평균 공극 크기 37 ㎛) 및 AF16(평균 공극 크기 28 ㎛) 및 HEPA 필터를 DOP 및 중화된 단분산 NaCl 에어로졸 테스트를 위하여 미국 유타주 솔트 레이트 시티에 소재하는 넬슨 래버러토리즈로 보냈다. 시험 농도는 100 ㎠ 필터를 통하여 32 ℓ/분에서 1.5×106 입자/㎤이다. 에어로졸은 중앙 입자 크기가 0.3 ㎛이고, 이는 대부분의 투과 크기 범위내에 포함되는 것으로 간주한다. 테스트 샘플은 10×10 ㎠ 또는 약 4-5" 직경 디스크의 형태로 제조된다. 3 겹 또는 3층의 평편한 시이트를 테스트 장치에 단단히 당기고, 32 ℓ/분에서 공기 스트림으로 시험하였다. 데이타를 하기 표 2에 나타냈다.
DOP 및 NaCl의 초기 투과
샘플 겹 수 DOP/NaCl 초기 공기흐름 저항(mmH2O) 입자 투과(%)
HEPA 1 DOP 32.8 0.02
NaCl 32.8 0.025
AF16 3 DOP 29.1 0.513
NaCl 32.1 0.323
AF6 4 DOP 23.4 1.27
NaCl 23.6 0.755
AF11 4 DOP 19.5 2.72
NaCl 19.4 1.60
AF3 1 DOP 21.2 4.12
NaCl 21.3 2.61
필터 AF16은, 이러한 투과가 HEPA 필터에 필적하지는 않을지라도, 가장 낮은 초기 NaCl 및 DOP 에어로졸 투과를 갖는다. 이러한 샘플은 1.5 및 2.5 미크론 마이크로유리의 혼합물로 이루어지며, 7.7% 나노 알루미나만을 포함한다. 이는 공극 크기가 약 28 ㎛이다. 이러한 결과는 다수의 나노 알루미나 배합물이 초기 투과가 HEPA 세부사항보다 더 높다는 것을 나타낸다.
실시예 3
NaCl 에어로졸 용량 테스트
필터 AF3, AF6, AF11 및 AF16 및 HEPA 필터(100 ㎠ 테스트 부위)는 각각 약 3 시간 동안 32 ℓ/분의 흐름 속도로 NaCl 에어로졸에 의하여 시험하였다. 약 0.0067 ㎎/분/㎠의 NaCl을 각각의 필터에 전달하였으며, 이는 약 40 ㎎/hr에 해당한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 통상적으로 3층의 AF16(1.2 ㎜ 각각, 총 3.6 ㎜)가 HEPA의 등가의 압력 강하를 달성하는데 필요하며, 그리하여 테스트는 3층 대 HEPA를 사용하여 실시하였다.
도 3은 시간의 함수로서 NaCl 에어로졸에 의하여 테스트한 각각의 필터의 투과를 도시한 그래프이다. 도시한 바와 같이, 필터 AF16은 초기 NaCl 에어로졸 투과가 최저이지만, HEPA의 투과보다는 상당히 높다. AF16은 초기 투과가 최저이며, 그래서 추가의 평가에 사용하였다.
용량
도 4는 시간의 함수로서 필터의 공기 저항을 도시한 그래프이다. 본 실시예에서의 용량(또는 필터 수명)은 50 mmH2O의 압력 강하(ΔP)에 도달하는데 필요한 시간(분)으로서 정의된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 테스트한 본 발명의 나노 알루미나 필터 모두는 용량이 HEPA 필터의 10 배 이상이었다. 필터 AF6 및 AF11은 HEPA보다 약 30 배 정도로 초과되는 용량을 갖는다. 이들 데이타는 필터의 "수명"이 필터를 통하여 소정의 제한된 압력 강하에 의하여 통상적으로 정의되기 때문에 중요하다. 필터에서의 압력 증강은 상기 적용예 또는 설계에 대하여 소정의 레벨에서의 수명을 정의한다. 압력의 증강은 동일한 효율의 시스템에 대한 로드의 결과이기 때문에, 더 긴 수명은 더 높은 용량과 직접 관련이 있다. 효율은 매체가 입자를 통과시키기보다는 포획시키는 경향이다. 통상적으로 더 효율적인 필터 매체가 기체 흐름 스트림으로부터 입자를 제거할수록, 일반적으로 필터 매체는 기타의 변수가 일정하기 고정된다고 가정하여 "수명" 압력 차이를 더 신속하게 도달하게 된다.
용량이 증가된 필터는 잦은 필터 교환의 비용을 절감시키기 때문에 상당히 이롭다. 추가로, 박테리아 및 바이러스 또는 핵 물질을 차단시키는 것을 비롯한 다수의 필터는 유해한 폐기물로서 처리되어야만 한다. 그러므로, 유해한 폐기 필터를 교체 및 처리하여야만 하는 빈도수를 감소시키는 것은 추가의 경제적 잇점이 된다.
표 3은 미국 특허 제6,872,431호(Kohlbaugh)(이하, '431 특허")에 개시된 필터 및, 0.3 ㎛ 입자의 제거에 대하여 "예비-HEPA" 레벨에서 나노 알루미나 및 마이크로유리 섬유를 포함하는 본 발명의 섬유에 대하여 3.2 m/분의 공기 흐름 속도에서의 NaCl 에어로졸 테스트의 결과를 나타내며, 여기서 "예비-HEPA"는 약 98.9% 내지 약 99.6%의 매체 효율로서 정의된다. 또한, 표 3은 약 4.6 m/분의 흐름 속도에서 0.33-0.40 ㎛의 중화된 KCl의 가장 많이 투과된 입자 크기를 갖는 본 발명의 필터중 하나(필터 AF16의 단일층)를 시험한 결과를 나타낸다.
"예비-HEPA"b 레벨에서의 테스트 샘플의 NaCl(0.3 ㎛) 에어로졸 투과
매체 초기 입자 투과율(%) 층 수 단일층 효율(%) 두께(㎜) 125 mmH2O까지의 시간(분) 50 mmH2O까지의 시간(분)
US6,872,431 0.6 a 10 40 0.54 b <170 c <80 c
US6,872,431 0.4 d 14 28 0.75 b <230 c <125 c
US6,872,431 0.4 a 25 20 1.4 b,e <260 c <170 c
AF6 0.76 4 80 f 1.8 320 f 160
AF16 1.1 g 1 98.9 g 1.2 170 f 100 f
주: a '431 특허, 제23-24면의 개시에서의 방정식에 의거한 어림값;
b '431 특허, 제35면, 제1-10행에 개시된 데이타에 의거한 어림값;
c '431 특허, 제43면에 개시된 데이타에 의거한 어림값;
d '431 특허, 제39면에 개시된 데이타에 의거한 어림값;
e 어림한 두께는 필터 매체 구조에 대한 한계치를 초과함(청구항 제14항, '431 특허);
f 어림값임;
g 필터를 약 4.6 m/분에서 가장 많이 투과된 입자 크기 약 0.33 내지 약 0.40 ㎛의 중화된 KCl로 시험함.
표 3에 나타낸 결과는 "예비-HEPA" 레벨에서
1. AF6 매체는, 플리트 처리 가능하며, 10, 14 또는 25 층을 혼입한 '431 특허에 개시된 매체에 비하여 약 125 mmH2O 및 약 50 mmH2O의 압력 강하에 도달하기 위하여 더 큰 용량을 갖는다. 125 및 50 mmH2O에서의 예상 수명은 각각 약 40%, 28% 및 20% 정도 개선되었다.
2. AF16 매체의 단일층은 10 및 14 층 복합체에 대하여 '431 특허에 개시된 필터를 초과하는 대부분 투과 입자(KCl, 0.33-0.4 ㎛)의 예상 수명 및 제거 효율을 갖는다.
이러한 데이타는 나노 알루미나 섬유 매체가 '431 필터에 비하여 예상 수명이 증가되며 그리고 입자의 제거 효율이 '431 필터를 초과하기 때문에 중요하다. 그래서, 본원 발명의 나노 알루미나 필터가 비용면에서 더 효과적일 뿐 아니라, 성능이 더 우수하다. 또한, 10-14 개의 상이한 층을 갖는 것보다 단일 매체를 생산하는 것이 비용이 훨씬 덜 들며, 상기 10-14 개의 상이한 층을 갖는 것은 탈리될 우려가 있다.
표 4는 0.3 ㎛ 입자의 제거를 위하여 HEPA 레벨에서 '431 특허에 개시된 필터 및, 나노 알루미나 및 마이크로유리 섬유를 포함하는 본 발명의 섬유에 대하여 약 3.2 m/분의 공기 흐름 속도에서 NaCl 에어로졸 테스트의 결과를 나타낸다.
HEPA 레벨에서의 NaCl 에어로졸 테스트 결과
매체 복합체 효율(%) 층 수 단일층 효율(%) 두께(㎜) 125 mmH2O까지의 시간(분) 50 mmH2O까지의 시간(분)
US6,872,431 99.97 a 16 40 0.89 b <170c <80 c
US6,872,431 99.97 a 25 28 1.4 b <230c <125 c
AF6 99.97 d 5 80 d 1.8 300 d 140 d
AF11 99.976 d 6 75 d 2.5 310 d 120 d
Donaldson HEPA 99.975 1 99.975 0.2 24 3.5
주: a '431 특허, 제23-24면의 개시에서의 방정식에 의거한 어림값;
b '431 특허, 제35면, 제1-10행에 개시된 데이타에 의거한 어림값(어림한 두께는 '431 특허의 청구항 14에 의하면 매체 구조를 여과하기 위한 한계치를 초과하는 것에 유의한다);
c '431 특허, 제39면, 제39-45행에 개시된 데이타에 의거한 어림값;
d 어림값임.
표 4에 나타낸 데이타는 AF6 및 AF11 매체가 16 또는 25 층을 갖는 '431 특허에 개시된 매체에 비하여 125 또는 50 mmH2O의 압력 강하에 도달하기 위하여 더 큰 용량을 갖는다는 것을 나타낸다. 25 층을 갖는 '431 특허의 매체가 50 mmH2O의 압력 강하에 필적하는 예상 수명을 갖더라도, 본 발명의 매체는 '431 특허의 매체에 대하여 125 mmH2O 말단 압력으로 80% 이상만큼 필터의 예상 수명을 개선시킨다.
실시예 4
예비상태조절(preconditioning)
본 실시예의 목적은 HEPA 프로토콜로 테스트할 경우 초기 누출을 배제시키고자 하는 것이다. 필터 매체중의 최대 공극 크기(비대칭 섬유 정렬로 인하여 다양한 범위의 공극 크기를 포함함)가 초기 누출을 초래한다고 가정한다. 사용전 필터를 상태조절하기 위하여 이물질 입자를 필터에 투입하는 것은 최대 공극으로 흘러가게 되어 이를 차단시키고 그리하여 이러한 누출을 감소시키게 되어 필터의 효율을 개선시키는 것으로 가정한다.
이와 같은 가정을 테스트하기 위하여, 사용전에 공극을 채우도록 상태조절제를 사용하여 필터를 예비로딩시킨다. 샘플 AF16(25 ㎜ 직경 필터)을 본 테스트에 사용한다. 단분산 라텍스 구체(듀크 사이언티픽)를 사용하여 필터를 상태조절시키는데, 이들 구체는 공기중에서 안정하며, 습한 공기 스트림에 의하여 영향을 받지 않기 때문이다. 실험은 라텍스 구체의 직경이 0.2, 0.5 또는 1 ㎛인 것으로 실시하였다. 구체를 필터에 로딩시키고, 공기 저항을 측정하였다.
공기 흐름 저항은 상기에서 설명한 바와 같이 하여 측정하였다. 0.2 ㎛ 구체의 예비로딩은 본 발명의 필터에서의 압력 강하에 대하여 최소한의 효과를 가지며(데이타는 제시하지 않음), 특정의 예비-로딩후, 유출물의 혼탁도는 측정 가능하다.
도 5는 0.5 또는 1 ㎛ 라텍스 구체로 본 발명의 필터를 예비-로딩시킨 후, 압력에서의 변화 및 공기 속도를 도시한 그래프이다. 예비-로딩 도중에, 유출물의 혼탁도는 0.01 NTU의 검출 한계치 이하이며, 이는 필터 매체에 의한 더 큰 입자의 정량적 흡착을 시사한다는 것에 유의해야 한다. 이와 같은 데이타는 0.5 및 1 ㎛ 라텍스 구체가 구체로 필터를 예비상태조절시키기에 적절하다는 것을 시사한다.
요컨대, 실시예 4의 결과는 하기와 같다:
1. 이물질 입자, 예컨대 단분산된 입자는 사용하여 나노 알루미나 필터 매체를 상태조절할 수 있다.
2. 예비로딩 도중의 혼탁도의 측정은 예비로딩 과정을 모니터 및 조절하는 효과적인 방법이다.
3. 샘플은 0.5 및 1 ㎛ 라텍스 비이드로 로딩하여 NaCl 에어로졸 테스트 도중에 발생하는 압력 강하(ΔP)를 반영한다.
4. 0.2 ㎛ 라텍스 입자는 너무 작아서 소정의 ΔP를 달성하지 못한다.
고가의 라텍스 입자에 대한 대안으로서, 예를 들면 초미세 미립자상 카본, 건식(fumed) 실리카 응집물(Cab-O-Sil) 또는 금속 산화물을 비롯한 더 저렴하며, 바람직하게는 미크론이하 입자를 사용하여 필터를 예비상태조절할 수 있다.
실시예 5
예비로딩된 AF16 샘플에 대한 NaCl 투과 및 용량 테스트
테스트 샘플은 AF16 매체의 3층으로 이루어진 필터의 한면상에서 0.5 ㎛ 라텍스 구체를 예비로딩시켜 생성한다. 매체는 면적이 175 ㎠인 원형 디스크로서 생성하였다. 샘플(100 ㎠ 테스트 면적)은 약 3 시간 동안 각각 32 ℓ/분의 흐름 속도에서 NaCl 에어로졸로 시험하였다(넬슨 래버러토리즈). 필터에 전달되는 NaCl의 대략적인 중량은 0.0067 ㎎/분/㎠ 또는 40 ㎎/hr 또는 0.5%/hr의 필터의 노출된 중량이다. 32 ℓ/분의 흐름 속도에서, 속도는 3.2 m/분이다. 3층 AF16의 필터 두께는 약 0.36 ㎝이며, 이는 체류 시간 이론치가 약 0.07 초이다.
도 6은 NaCl 로딩 도중에 라텍스 구체로 예비상태조절한 나노 알루미나 필터의 공기 저항을 도시한 그래프이다. 도시한 바와 같이, 테스트 3 시간에 걸쳐서 나노 알루미나 테스트 샘플 모두의 공기 저항은 HEPA보다 훨씬 더 낮다. HEPA 필터는 약 4 분간 50 mmH2O의 ΔP에 도달하며, 나노 알루미나 샘플은 동일한 ΔP를 도달하는데 약 40 분이 소요된다(9 중량% 라텍스를 포함하는 하나의 나노 알루미나 필터는 약 30 분간 50 mmH2O의 ΔP에 도달한다). HEPA보다 약 7 내지 10 배 더 큰 필터 수명에서의 개선은 병원, 군사적 집단 보호, 국토 보안, 자동차 및 호흡기 필터를 비롯한 고 효율 필터를 사용하는 적용예에 이롭다.
도 7은 라텍스 비이드로 예비상태조절된 나노 알루미나 필터의 NaCl 투과를 도시한 그래프이다. 초기 투과가 0.03%로 감소되지는 않지만, 보유는 NaCl 입자의 연속적인 로딩으로 증가된다. 예비상태조절된 AF16 샘플 모두는 AF 16 자체보다는 초기 NaCl 투과가 더 낮다. 0.5 ㎛ 라텍스 비이드의 증가된 예비로딩으로 더 우수한 성능에 대한 경향이 존재하며, 최저값은 HEPA를 한정하는 0.03% 투과와 비교하여 9 중량% 라텍스에 대하여 투과율이 0.047%이다.
실시예 6
필터 매체는 실시예 2에서와 같이 넬슨 래버러토리즈에서의 NaCl 에어로졸 보유에 대하여 테스트하였다. 도 8은 테스트 매체를 통한 0.3 ㎛ NaCl 에어로졸의 투과를 도시한 그래프이다. 이러한 실시예에서, 하기의 샘플, HEPA; HEPA 필터에 대한 프리필터로서 사용되는 예비로딩하지 않은 AF16의 단일층; 및 라텍스 입자로 예비상태조절한 AF16의 3층을 비교하였다. 도시한 바와 같이, HEPA 단독의 필터는 ULPA로서 등급을 매길 수 없다. 반대로, 예비상태조절한 AF16 필터는 >99.99%의 초기 및 연속 보유를 지니며, 그리하여 이를 ULPA 필터로 한다. 추가로, 도 8에 도시한 바와 같이, HEPA에 프리필터로서 AF16(예비상태조절하지 않음)의 단일층을 첨가하여 ULPA 등급으로 한다. 이러한 데이타는 본원 발명의 나노 알루미나 필터 매체가 통상의 HEPA 필터, 예컨대 Donaldson HEPA 필터를 능가하는 보유를 갖고, 프리필터로서 나노 알루미나를 사용하면 HEPA 등급이 ULPA 등급으로 증가된다는 것을 나타낸다.
도 9는 상기에서 설명한 샘플에 대한 NaCl 에어로졸 용량 테스트 도중에 테스트 필터의 공기 저항을 도시한 그래프이다. 예비상태조절하지 않은 AF16의 단일층의 첨가는 HEPA 필터의 수명을 약 700% 정도로 50 ㎜ ΔP 역치로 연장시키며, 그리하여 실제 사용시 상당한 절감을 산출하게 된다.
그래서, 본원 발명의 필터는 입자를 보유하는데 있어서 더욱 효과적이며, 통상의 HEPA 필터보다 예상 수명이 더 크며, 그리하여 본원 발명의 나노 알루미나 필터 매체는 비용면에서 더욱 효과적이다.
실시예 7
AF16 매체의 샘플을 항공우주 산업에서의 도료 오버스프레이 집진효율(arrestance)에 대한 여과 시스템을 측정하기에 특이적인 EPA Method 319 규칙에 의하여 LMS 테크놀로지즈, 인코포레이티드(미국 미네소타주 에디나 소재)에서 테스트하였다. 미국의 공업적 마무리 작업에서, 9천만 갤런에 해당하는, 분무되는 도료의 30%는 오버스프레이이며, 이들의 다수는 대기중으로 분산된다.
AF16 매체의 1층을 15 fpm의 흐름 속도에서 테스트하였다. 초기 압력 강하는 22 mmH2O이었다. 도 10은 입자 크기에 대하여 테스트 필터의 보유 또는 분별 효율을 도시한 그래프이다. 이들 동일한 데이타를 하기 표 5에 제시한다.
또한, 필터는 시판중인 서브-HEPA 필터(Trinitex K903-70, 알스트롬 제조)와 비교하였다. 도 14는 Trinitex 필터의 압력 강하를 필터 AF16의 것과 비교한다. 도시한 바와 같이, 2 개의 필터를 통한 압력 강하는 매우 유사하다. AF16에 의한 보유는 비교의 모든 입자 크기 범위에 대하여 Ahlstrom 매체뿐 아니라 EPA 세부사항보다 훨씬 더 우수하였다는 점이 중요하다. 데이타에 의하면, 새로운 매체는 예비상태조절을 필요로 하지 않는 서브-HEPA 매체의 성능을 실질적으로 개선시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
입자 크기의 함수로서 KCl 에어로졸의 보유
크기 범위(㎛) 나노 알루미나 필터 매체 AF16의 한 층에 의한 초기 보유(%) EPA 319 세부사항 Ahlstrom Trinitex
0.33-0.40 98.923 52%
0.40-0.50 99.365 >75% 59%
0.50-0.60 99.743 63%
0.60-0.80 99.989 >85% 68%
0.80-1.00 99.955 74%
1.00-1.50 99.983 90%
1.50-2.00 99.995 >95% 95%
실시예 8
동시 계류중인 특허 출원은 박테리아의 증식을 조절하는데 있어서 은의 사용을 역설한다. 그러므로, 공기 여과 매체에서의 은의 포함을 테스트하고자 한다. 3 개의 나노 알루미나 핸드시이트는 질산은(슬러리의 건조 중량에 대한 은으로서 0.1%, 0.3% 및 1 중량%)을 슬러리에 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1에서 샘플 HF0404에 대하여 설명한 바와 같은 알루미늄 분말로부터 생성하였다. 샘플(25 ㎜ 직경)을 필터 홀더에 장착하고, 완충 수용액중의 클레브시엘라 테리게나(Klebsiella terrigena) 현탁액 810 CFU/㎖의 10 ㎖를 로딩시켰다. 로딩 직후에 그리고나서 체류 1, 5 및 18 시간 후 pH 7.5에서 3% 소고기 추출물 및 0.35% 글리신 용액을 포함하는 용액 3 ㎖로 역방향으로 필터로부터 용출시켰다.
도 11은 필터로의 노출 시간의 함수로서 나노 알루미나 섬유상에 대한 이온 은의 포함의 항균 효과를 도시한 그래프이다. 도시한 바와 같이, 은 함침된 나노 알루미나 필터는 박테리아 증식을 조절하며, 질산은 비율(%)이 증가되어 조절이 개선되었다.
또한, 본 테스트는 1% 은이 MS2 바이러스의 여과에 대한 식별 가능한 효과가 없는 것으로 밝혀졌으며, 이는 필터 매체의 바이러스 효율이 1% 은의 흡착후 영향을 받지 않다는 것을 나타낸다.
이러한 결과는 질산은이 항균제로서 작용하기 때문에 필터에 질산은을 첨가하는 것은 필터에서 박테리아 또는 바이러스의 임의의 재투입을 최소로 한다는 것을 나타낸다. 함침시킨 필터로부터 은의 유출은 약 30 ㎍/ℓ이고, 실질적으로 음료수의 경우 EPA에 의하여 100 ㎍/ℓ 이하가 요구된다. 일단 필터를 사용하면, 필터는 고가의 유해한 폐기물이라기 보다는 위생적인 폐기물로서 처분될 수 있다.
실시예 9
에어로졸화 이. 콜리( E. Coli ) 박테리아를 사용한 매체 샘플 테스트
Henderson(하기 수학식 1)에 의하여 최초로 개발된 장치를 조립하고, 이. 콜리(E. coli) 박테리아를 사용하여 테스트하였다. 장치내에서, 도 12에는 완충액중의 5 ㎖의 이. 콜리(E. coli) 1.4×109 CFU/㎖ 현탁액을 DeVilbiss PulmoMate 분무기(Model SR4650D)에 의하여 분무시키는 개략도를 도시한다. 제2의 분무기는 동량의 완충액을 사용하여 작동시켰다. 생성된 에어로졸을 5 ㎝ 직경, 90 ㎝ 길이의 시험관에 투입하였다. 분무 시험관에 투입하기 이전에 공기 조절기의 습식 및 건식 아암을 통과한 공기를 혼합하여 상대 습도를 조절하였다. 시험관의 단부에 근접한 공기의 상대 습도 및 온도는 습도 측정기에 의하여 측정하였다. 에어로졸 시험관의 출구로부터 흐름의 약 1/3을 AGI-30 집진장치에 통과시켰다. 흐름의 나머지를 12 ㎜ 내경의 시험관을 통하여 통과시킨 후, 집진장치로부터 이탈된 공기와 혼합하였다. 공기 흐름을 HEPA 필터(Whatman, PolyVent-1000 Cat #6713-1075)에 통과시켰다.
전체 흐름은 1 분당 38 ℓ의 공기이다. 2 개의 분무기는 12 ℓ/분(6 ℓ/분 각각)의 공기흐름을 생성하며, 26 ℓ/분의 공기흐름을 공기 압축기에 의하여 공급하였다. 집진장치를 통한 공기흐름은 12 ℓ/분이다.
필터 효율은 하기 수학식 1과 같이 계산하였다:
Figure 112008068803322-pct00002
상기 수학식에서, 상류 이. 콜리(E. coli) 농도는 이. 콜리(E. coli) 포함 공기스트림중에서 필터를 사용하지 않고 측정하였으며, 하류 이. 콜리(E. coli) 농도는 100% 상대 습도에서 또는 그 부근에서 이. 콜리(E. coli) 포함 공기스트림중의 필터를 사용하여 측정하였다.
제1의 실험에서, AF16 필터 매체의 3 개의 층(입자를 사용하여 예비상태조절하지 않음)을 90 ㎜ 직경 필터 홀더에 조립하였다. 제2의 실험에서, Donaldson HEPA의 하나의 층을 동일한 필터 홀더에 조립하였다. 표 6에 제시한 바와 같이, AF16 필터 매체는 박테리아 보유가 HEPA 필터보다 약 50 배 더 크다.
에어로졸화 이. 콜리(E. coli) 시험에 대한 나노 알루미나 필터의 효율(%)(조건 - 32 LPM, 100% RH, 온도 23.9℃)
필터 매체 두께(㎜)
(# 겹 두께)		 평균 공극 크기
(㎛)* 		필터 있음/
필터 없음		 AGI-30 완충액에서 측정한 이. 콜리의 수(CFU) 이. 콜리 보유 효율(%)
AF16 3.6
(=3×1.2)		 28 필터 있음 <1 >99.9998
필터 없음 5.9×105
AF6 7.2
(=4×1.8)		 38 필터 있음 <4 >99.9992
필터 없음 5.2×105
AF3 0.9
(=1×0.9)		 16 필터 있음 <4 >99.9992
필터 없음 5.2×105
AF11 1.3
(=1×1.3)		 37 필터 있음 4 99.994
필터 없음 6.7×104
Donaldson
HEPA		 0.4
(=1×0.4)		 6 필터 있음 40 99.992
필터 없음 5×103
Tαβλε7 표 1로부터의 데이타
각각의 AF 샘플은 공극 크기가 통상의 HEPA 에어 필터의 공극 크기보다 실질적으로 더 크다. 일반적으로 여과에서 공지되어 있는 바와 같이, 더 큰 공극 크기 매체는 폐색 가능성이 적다. 이와 같은 폐색에 대한 허용한계는 본 발명의 필터가 물 액적에 의한 범람에 대한 저항이 적도록 하는 능력으로 확대된다.
특히 필터가 면역손상된 환자를 치료하는 병원에서와 같은 집단 보호에 또는, 생물학전 공격 도중의 보호를 위하여 사용되는 경우, 나노 알루미나 섬유가 높은 레벨의 박테리아를 제거하는 예시된 능력은 놀라운 결과이며, 주요한 잇점이 된다. 또한, 이러한 매체는 박테리아 보유를 개선시키기 위한 개선된 호흡 필터에서 이롭다. 특히 필터 로드로서 HEPA에 비하여 본 발명의 더 낮은 압력 강하가 추가의 잇점이 된다. 마지막으로, 나노 알루미나 필터 매체의 공극 크기는 훨씬 더 크며, 그리하여 다공성이 훨씬 더 큰 필터를 생성하며, 이는 더 많은 물을 보유하도록 하는 것이 물 액적 또는 미스트에 의한 연속 로딩에 노출되도록 한다는 점이 또다른 잇점이 된다.
실시예 10
에어로졸이 MS2 바이러스(25 ㎚ 크기)를 포함하고, 테스트를 2 개의 상이한 상대 습도에서 실시한 것을 제외하고 2 개의 실험을 실시예 9에 기재한 바와 같이 실시하였다. 이러한 경우, 테스트한 샘플은 작은 공극 크기(약 2 ㎛)를 가지며, 두께는 0.4 ㎜이다.
에어로졸화 MS2 바이러스에 대한 나노 알루미나 필터의 효율(%)
상대
습도
(%)		 시험 농도
PFU/㎖a 		필터 있음/
필터 없음		 AGI-30 완충액중에서 측정한 MS2 바이러스의 수(PFU) 검출 한계
(PFU/㎖)		 집진장치에 의한 MS2 수집 효율(%) MS2 보유 효율(%)
94 2.6×107 필터 있음b <150 100 NA >99.96
필터 없음c 4.2×105 100 2.1
60 1.3× 107 필터 있음d <1 1 NA >99.999
필터 없음e 1.1×105 100 1.3
주: a2 ㎖의 MS2 시험 용액을 에어로졸화함;
b시험 시간 - 6 분; 바이러스 용액의 수집한 부피 - 1.5 ㎖;
c시험 시간 - 10 분; 바이러스 용액의 수집한 부피 - 2.2 ㎖;
d시험 시간 - 6 분; 바이러스 용액의 수집한 부피 - 1.0 ㎖;
e시험 시간 - 6 분; 바이러스 용액의 수집한 부피 - 1.5 ㎖.
표 7은 필터가 에어로졸화 바이러스에 대한 높은 수집 효율을 갖는다는 것을 나타낸다. 이러한 결과는 일반적으로 박테리아보다 10 내지 20 배 더 작은 바이러스가 깊은 필터 매체에 의하여 보유되기가 매우 곤란하기 때문에 중요하다. 또한, 다수의 병원체 바이러스는 크기가 0.1 ㎛ 보다 작으며, 이는 HEPA를 정의하는데 사용된 0.3 ㎛ 테스트 입자보다 실질적으로 더 작기 때문에 HEPA에 의한 바이러스의 보유는 문제가 된다. 단분산 바이러스의 효과적인 여과는 매우 효과적이지 않다. 바이러스가 물 에어로졸에서 둘러싸일 경우, 일반적으로 소수성인 HEPA 필터는 물이 축적됨에 따라 효율을 상실하게 된다. 본원 발명의 나노 알루미나 필터 매체는 더 높은 효율 및 용량을 제공하며, 필터 마스크 및 집단 보호 시스템, 예컨대 병원 및 생체방어에 유용하게 된다.
실시예 11
리오셀/NC 및 셀룰로스/NC 핸드시이트
파이버 이노베이션 테크놀로지로부터 구입한 80 g의 정제된 리오셀(20% 고형분)을 키친 스타일의 블렌더(12 속도 Osterizer 블렌더)를 사용하여 "고속 얼음 분쇄" 설정으로 2 분간 0.75 ℓ의 RO 물에 분산시켰다. 혼합물(1 g)에 첨가한 알루미늄 분말의 양은 반응후 고형물이 12 부의 AlOOH 및 88 부의 리오셀 섬유(표 16a에서의 샘플 AF34)로 이루어지도록 한다. 유사하게, 알루미늄-물 반응 이전에 혼합물(2 g) 및 1 g의 발연 실리카 건조 분말에 첨가된 알루미늄 분말의 양은 반응후 고형분이 20 부의 AlOOH, 5% 발연 실리카 및 75 부의 리오셀 섬유(표 8에서 샘플 AF35)로 이루어지도록 한다. 대조예로서, 순수한 리오셀(AF33), 셀룰로스(AF28) 및, 72% 셀룰로스와 28% AlOOH(AF32)의 혼합물의 핸드시이트를 생성하였다.
리오셀/셀룰로스 함유 핸드시이트의 조성 및 성질 및, MS2 보유의 결과
샘플
번호		 조성 기본 중량
(g/㎡)		 파괴 길이
(m)		 다공도,
분율		 평균 공극 크기
(㎛)		 층 수 MS2 보유율a
(%)
AF28 100% 셀룰로스 166 460±28 0.82 8 3 0%
AF32 72% 셀룰로스+
28% NCb 		229 <10 0.89 13 3 20%
AF33 100% 리오셀 166 1022±136 0.50 1.8 1
2
3		 0%
10%
20%
AF34 88% 리오셀+
12% NCb 		188 1013±19 0.50 2.0 1
2
3		 99.9994
>99.9997
>99.9997
AF35 75% 리오셀+
5% Cab-O-Sil+
20% NCb 		183 906±44 0.50 1.8 1
2
3		 >99.9997
>99.9997
>99.9997
주: aMS2의 2.0×107 PFU/㎖ 시험 용액을 생성함. 10 ㎖ 분액의 MS2 현탁액을 40 ㎖/분의 흐름 속도에서 25 ㎜ 직경 디스크로 여과함;
bNanoCeram
디스크(25 ㎜)를 상기에서 설명한 바와 같이 샘플로부터 절단하고, 2.0×107 PFU/㎖의 투입 농도에서 그리고, 40 ㎖/분의 흐름 속도에서 MS2 바이러스로 시험하였다. 표 8은 순수한 셀룰로스, 마이크로피브릴화 셀룰로스(리오셀) 또는 72% 셀룰로스/28% NC 혼합물로 생성된 핸드시이트가 MS2 바이러스 제거 효율이 전혀 없거나 또는 거의 없다는 것을 나타낸다. 88% 리오셀/12% NC 및 75% 리오셀/5% Cab-O-Sil/20% NC 혼합물은 NC의 단일층보다 훨씬 더 효율이 크며(99.5%, 표 16 참조), 이는 리오셀이 나노 알루미나에 대한 우수한 섬유 지지체라는 것을 나타낸다.
실시예-섬유상 구조체
하기에 제공된 실시예는 미세, 초미세 또는 나노크기 입자를 부직 구조체에 혼입시킨 것을 나타낸다. 이의 예로는 수착제, 촉매, 분말상 활성탄, 나노크기 카본, RNA, TiO2 입자(50 ㎚) 및 발연 실리카(1차 입자 크기 약 15 ㎚, 수백 나노미터 크기의 응집물로서) 등이 있다. 각각의 예에서, 형성 시간은 나노 알루미나를 사용하는 경우보다 실질적으로 적으며, 이는 습식 형성(제지) 방법에 의하여 새로운 매체를 실질적으로 제조하도록 한다.
각각의 매체를 통한 가용성 요오드의 돌파(breakthrough)를 비교함으로써 분말상 활성탄을 포함하는 본원 발명의 섬유상 구조체를 시판중인 활성탄 매체와 비교하는 실시예를 제공한다. 시판중인 매체의 대략 동일한 기본 중량의 단일층을 통한 돌파는 거의 즉시 발생하는 반면, 본원 발명의 여과 매체는 수명이 약 800 배 더 크다.
실시예 12
출발 물질
조대 섬유, 예컨대 마이크로유리 또는 리오셀상에서의 나노 알루미나의 슬러리는 알루미늄 분말로부터 생성하였다. 간단히, 2 g의 마이크로유리 섬유(로샤 파이버 인터내셔날, 붕규산 유리, 등급 B-06-F, 0.6 ㎛ 직경)는 키친 스타일의 블렌더(12 속도 Osterizer 블렌더)를 사용하여 "저(low)-클린" 설정으로 2 분 동안 역삼투압수 발생기로부터의 0.75 ℓ의 투과물에 분산시켰다. 각각 1.36 g 및 0.61 g 함량의 알루미늄 분말(애틀랜틱 이큅먼트 엔지니어즈, 등급 AL-100, 1-5 ㎛)을 유리 마이크로섬유에 첨가하여 반응후 각각 60 부의 AlOOH/40 부의 마이크로유리 및 40 부의 AlOOH/60 부의 마이크로유리를 생성하도록 하였다.
수산화암모늄(피복 750 ㎖당 36% 8 ㎖)을 첨가하여 알루미늄과 물의 반응을 개시하여 AlOOH 및 수소를 형성하였다. 혼합물을 비등하도록 가열하고, 혼합물이 백색이 될 때까지(첨가한 입자가 검정색이 되지 않을 경우) 10 분 동안 비등되도록 유지한 후, 냉각시키고, 염산을 사용하여 약 pH 7로 중화시켰다. 그 결과, 나노 알루미나가 하기의 실시예에서 설명한 더 거친 섬유(이후, "NC" 혼합물), 예컨대 마이크로유리 또는 리오셀에 형성되었다.
그 다음, 알루미늄-물 반응 이전 또는 이후에 수착제 입자를 물에서의 분말(예, TiO2)의 현탁액 또는 건조 분말로서 나노 섬유 및 조대 섬유의 슬러리에 첨가하였다. 그후, 슬러리를 수동으로 혼합하였다.
하기의 실시예는 무정형 발연 실리카(평균 입자 크기(APS) 약 15 ㎚, 캐벗 코포레이션, Cab-O-Sil, 등급 M5), 러시아에서 제조하여 아르고나이드 코포레이션이 시판하는 APS 약 50 ㎚를 지닌 TiO2 분말, 최소 치수가 약 1 ㎚ 미만인 리보핵산(RNA)을 비롯한 나노크기 입자를 포함하는 본원 발명의 섬유상 구조체를 나타낸다. 입자가 칼코 카본으로부터 입수한 수착제(PAC)(WPH 등급, 99%-100 메쉬, 95%-200 메쉬 및 90%-325 메쉬, APS 약 28 ㎛) 및 알드리치로부터 입수한 30 ㎚ 카본 나노 분말(Cat. #633100)인 기타의 예를 제시한다.
기타의 실시예에서, 주로 실리카로 이루어진 Arizona 테스트 분말을 NC 혼합물에 첨가하였다. 2 가지의 상이한 등급의 Arizona 테스트 분말, 즉 PTI 파우더 테크놀로지 인코포레이티드로부터 입수 가능한 0-3 ㎛(APS 1.13 □m) 및 0-5 ㎛(APS 약 2 ㎛)를 사용하였다.
또한, 카루스 케미칼 컴파니로부터 입수 가능한 입자 크기가 3-8 ㎛인 구리 활성화 이산화망간 분말(홉칼라이트 타입)인 NC 혼합물, 카룰라이트-400(타입 C)에 첨가한 촉매를 예로서 든다.
나노알루미나/조대 섬유("NC") 망상구조에 대한 입자의 비는 매체의 소정의 성능 성질에 의존한다. 예를 들면, 소정의 PAC 양을 변경시키게 되는 유기물 대 입자상 오염물을 제거하는 PAC-NC 복합체의 능력에 대한 조건이 존재한다. PAC의 함량이 감소된 PAC-NC 복합체는 섬유상 구조체가 유체 스트림으로부터 박테리아, 바이러스 및 기타의 오염물을 제거하는 능력을 증가시키며, 그리하여 예를 들면 염소, 할로겐화 탄화수소 및 독성 가용성 금속을 비롯한 가용성 오염물을 제거할 뿐 아니라, 미생물로부터 실질적으로 위생 처리된 음료수를 생성한다.
기타의 섬유, 예컨대 셀룰로스 또는 폴리에스테르 2성분은 섬유상 구조체를 보강하고, 이를 더욱 가요성이 되도록 하기 위하여 첨가할 수 있다.
실시예 13
퍼니쉬의 형성
본 실시예에서, 실시예 12에 기재된 바와 같은 2 g 또는 1.3 g의 입자(즉, 무정형 발연 실리카, RNA, 카룰라이트, 미세 테스트 분말, 나노카본 및 PAC 및 TiO2)를 실시예 12에 기재된 바와 같이 하여 생성한 60/40 또는 40/60 NC 슬러리에 첨가하여 28-중량% 입자상 분말을 포함하는 NC-슬러리를 생성하였다. 슬러리를 수동으로 혼합하였다. 유사하게, 5 g 및 3.33 g의 상기에 제시된 분말을 60/40 및 40/60 슬러리에 첨가하여 50-중량% 입자상 분말 로딩을 생성하였다. TiO2 로딩 NC 구조체(하기 참조)를 제외하고, 반응이 개시된 후 분말을 첨가하였다. 모든 실시예에서, 실험은 입자를 혼합물에 첨가하기에 최적의 시간인 때를 평가하기 위하여 반응이 개시되기 이전 또는 이후에 입자를 첨가하여 실시한다. 그러나, 입자가 미세 분말(표 9), 카룰라이트(표 11) 또는 RNA(표 13)를 포함할 경우, 입자의 변성을 방지하기 위하여 반응을 개시한 후 입자를 첨가한다. PAC(표 14, 15)의 경우, 입자는 반응 개시 이전 또는 이후에 첨가한다.
그후, 혼합물을 RO 물과 2000:1의 비로 희석한다. 슬러리의 500 ㎖ 분액을 47 ㎜ 진공 필터 홀더에 부었다. 필터 홀더에 배치된 직조 Teflon 매체(70 메쉬 크기)로부터 펀칭시킨 47 ㎜ 직경 필터 디스크에 퍼니쉬를 여과시켰다. 회전 펌프로부터의 진공을 물 수집 저장기에 가하고, 형성 시간(모든 유체가 상기 형성된 디스크를 통과할 때까지 여과 단계의 개시로부터의 시간)을 형성 시간으로서 기록하였다. 피니쉬 처리된 디스크를 오븐 건조시키고, 냉각시킨 후 그리고 실험실 공기와의 평형에 도달한 후 평량하였다. 특정의 경우에서, 후자의 중량을 기록하고, 총 중량을 초기 성분의 중량과 비교하여 NC 기재상의 입자의 수율을 평가한다.
실시예 14
나노 TiO 2 /나노 알루미나/마이크로유리 섬유상 구조체
5 g의 50 ㎚ TiO2 나노분말을 1 ℓ의 RO 물로 채운 유리 비이커내에서 분산시킨 후, 초음파 발생기(피셔 사이언티픽, Model F20)에서 30 분 동안 진탕시켰다. 24 시간 동안 정치시킨 후, 상청액의 상부 부분(약 0.6 L)을 서서히 기울려 따라 현탁된 입자를 침강중인 임의의 응집물로부터 분리하였다.
상기 TiO2 현탁액의 100 ㎖ 분액을 실시예 12에서 미리 형성한 0.75 ℓ의 NanoCeram 60/40에 첨가하였다. 2 개의 대조 혼합물을 사용하였으며, 이중 하나는 0.85 ℓ의 TiO2 물(측정된 중량에 대하여)을 포함하며, 다른 하나는 0.85 ℓ로 마이크로유리(나노 알루미나 없음)를 포함한다. TiO2 나노분말의 농도는 물을 증발시키고, 잔류물을 평량하여 측정한다. 유사하게, 상기 TiO2 현탁액의 200 ㎖ 분액을 알루미늄-물 반응 이전에 0.75 ℓ의 60/40 퍼니쉬에 첨가하였다. 대조용 혼합물은 물중의 0.95 ℓ의 TiO2를 포함하며(중량을 측정하기 위함) 그리고, 제2의 것은 마이크로유리(나노 알루미나 없음)를 0.95 ℓ로 포함한다. 또한, 대조군에서의 TiO2 나노분말의 농도는 물을 증발시키고, 잔류물을 평량시켜 측정한다.
표 9는 퍼니쉬의 조성, 형성 시간 및, 수집된 유출물의 혼탁도를 나타낸다.
나노 TiO2-함유 부직물의 형성
샘플
번호		 나노 알루미나a
(%)		 유리 마이크로섬유a
(%)		 TiO2 입자
(%)		 형성 시간
(분)		 유출물 혼탁도, NTU
628 56 38 7b 0.7±0.2 20
629 0 94 7b 2.2±0.6 114
643 53 35 12c 1.0±0.2 40
644 0 88 12c 23±6 132
주: a나노 알루미나/마이크로유리의 비는 60%/40%임;
bTiO2 분말을 미리 형성한 60/40 퍼니쉬에 첨가함;
cTiO2 분말을 알루미늄-물 반응이 개시되기 이전에 첨가함.
혼합물중에 나노 알루미나를 포함하는 샘플 628 및 643은 형성 시간이 샘플 629 및 644보다 더 신속하며, 이는 혼합물에 첨가된 임의의 나노 알루미나를 갖지 않는다. 각각의 유출물의 혼탁도의 비교에 의하면, 나노 알루미나가 존재하는 경우, 섬유상 구조체로의 나노 입자의 보유가 더 많이 존재한다는 것을 나타낸다.
실시예 1 내지 10에 제시한 바와 같은 물 흐름 측정에 기초한 섬유상 구조체를 포함하는 이산화티탄의 평균 공극 크기는 약 3 ㎛인 것으로 평가되었다. 이는 피니쉬 처리된 매체의 공극 크기보다 거의 20 배 정도로 더 작은 입자의 기본 중량의 약 7-12%를 포함할 수 있다. 특정 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니나, 나노입자가 NC 구조체에 강하게 결합되고, 흐름을 압축시키며, 나노알루미나의 부재하에서 나노입자는 공극 구조체내에서 응집이 자유로워서 혼합물을 농축시키며 흐름을 방해하기 때문에 형성 시간이 감소된다.
기타의 나노크기 산화물 및 내화성 화합물, 예컨대 탄화물, 질화물 또는 나노 다이아몬드는 이와 같은 구조체내에서 유사하게 보유될 수 있다. 예를 들면, 안료 산화물 및 감광성 나노 물질은 섬유상 구조체에 혼입될 수 있으며, 나노 다이아몬드 또는 나노 텅스텐 탄화물을 포함하는 섬유상 구조체는 정밀성이 큰 표면 피니쉬 처리에 대한 연마 직물로서 사용될 수 있다. 구조체는 연마제를 분포 및 현탁시킬 뿐 아니라 연마중에 발생하는 부스러기의 수집기로서 작용한다.
실시예 15
실리카/NC/마이크로유리 필터 섬유상 구조체
실리카를 포함하는 섬유상 구조체(표 10)는 실시예 13에서 설명한 바와 같이 생성하였다. 2 개의 샘플(샘플 630 및 642)에서, 발연 실리카를 퍼니쉬에 첨가하였다. 발연 실리카는 여과가 매우 곤란한 콜로이드성 현탁액을 형성하는 것으로 알려졌다. 이는 광범위하게는 증점제로서 사용된다.
샘플 630에서, 발연 실리카를 반응 이전에 첨가하였다. 약 200 gm/㎡에 상응하는 초기 고형분에서, 63 g/㎡만이 필터에서 수집되었다. 초기 알루미나 및 발연 실리카의 약 90%에 해당하는 것을 첨가하고, 마이크로유리 섬유만이 70 메쉬 필터에서 보유되도록 하였다. 본 출원인은 초기에 발연 실리카를 첨가하면 형성된 상태의 나노 알루미나와 혼합되며 그리하여 마이크로유리에 나노 알루미나가 거의 또는 전혀 부착되지 않게 되어 유출물에 실리카 및 나노 알루미나 모두의 손실을 야기하는 것으로 가정한다.
실리카 입자를 사용한 NC 부직물의 형성
입자 입자
크기
(㎛)		 샘플
번호		 나노
알루미나a
(%)		 유리 마이크로 섬유a(%) 초기
실리카
(중량%)		 형성
시간
(분)		 기본
중량
(g/㎡)		 입자
손실율
(%)
건조
실리카		 0.01 630 43 29 28b 1.3 63c 약 90d
631 0 72 28 >100e NAf NAf
642 43 29 28g 1.2 212c 0
미세 테스트 분말, 0-3 ㎛ 1 632 43 29 28b 1.5 217c 0
633 0 72 28 35 140c 약 80h
미세 테스트 분말, 0-5㎛ 2 634 43 29 28b 0.6 200c 0
635 0 72 28 13 140c 약 80h
주: aNC/마이크로유리의 비는 60%/40%임;
b분말은 알루미늄-물 반응 이전에 첨가함;
c목표 기본 중량은 200 g/㎡임;
dNC 및 실리카 모두는 NC-실리카 응집물로서 손실됨;
e혼합물의 40%만이 필터 디스크를 통과한 100 분후 여과를 종료함
f데이타 입수 불가
g분말을 알루미늄-물 반응후 첨가함;
h실리카 입자 거의 모두를 손실함.
샘플 642에서, 발연 실리카는 알루미늄-물 반응 이후에 첨가한다. 이러한 경우, 형성 시간은 매우 신속하며, 중량 손실이 없다. 이는 매우 높은 표면적(200±25 ㎡/g)을 갖는 발연 실리카를 섬유상 구조체에 보유하는 방법을 예시한다. 도 15는 샘플(642)의 투과 전자 현미경 사진을 도시한 것이다. 나노섬유는 이러한 현미경 사진 및 기타의 현미경 사진으로부터 직경이 2-3 나노미터이며, 길이가 수백 나노미터인 위스커로서 나타난다. 나노 실리카의 구체는 이의 축을 따라 나노 알루미나/마이크로유리 복합체를 완전히 둘러싸는 것으로 나타난다.
나노 알루미나를 사용하지 않는 대조군인 샘플 631에서, 발연 실리카는 메쉬를 폐색시키는 콜로이드를 형성하며, 이는 형성 시간이 100 분 이상으로 상당히 연장된다.
샘플 632 내지 636은 필터 형성에서 광범위하게 사용되며 그리고 대부분 미크론 크기 실리카로 이루어지는 테스트 분말을 첨가하여 생성된 매체를 나타낸다. 테스트 분말은 알루미늄 반응 이전에 첨가한다. 혼합물에 첨가한 분말이 없을 경우, 유출물로의 입자 손실이 실질적으로 완전하며, 크기가 0-3 또는 0-5 ㎛인 분말을 혼합물에 첨가할 경우, 유출물로의 입자 손실은 실질적으로 0이 된다. 또한, 형성 시간은 나노 알루미나를 사용하지 않은 0-3 및 0-5 ㎛ 분말 각각에 대하여, 퍼니쉬에 존재하는 것보다 35 및 22 배 더 크다.
부착된 발연 실리카는 수착제로서 작용할 수 있거나 또는, 반응에 의하여 화학적으로 조정되어 유기 리간드를 부착시킬 수 있다.
실시예 16
촉매
실리카 대신에 카룰라이트, 구리 활성화된 MnO2 촉매를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 15에 나타낸 샘플 634의 테스트를 본 실시예에 반복하였다. 도 11에 도시한 바와 같은 형성 시간은 NC 퍼니쉬로의 카룰라이트 촉매의 첨가는 형성 시간이 나노 알루미나를 사용하지 않은 퍼니쉬의 몇분의 일 정도이라는 것을 나타낸다. 짧은 형성 시간은 자유도와 관련이 있으며, 습식 형성 방법에 의한 부직 매체의 연속 제조에서 중요하다.
생성된 촉매는 입상 형태보다 더 효과적이며, 더 얕은 층의 깊이가 일산화탄소 또는 오존의 산화를 달성하도록 하는데, 이는 커다란 입자에 비하여 촉매의 더 큰 표면적이 예를 들면 기체 상 성분의 더 빠른 반응을 초래하기 때문이다.
또한, 촉매는 나노 알루미나에 결합된 귀금속, 예컨대 나노크기 백금이 될 수 있다. 구조체를 지지하는 마이크로유리 및 나노 알루미나 모두는, NC/백금 촉매 구조체가 안정하도록 약 150℃ 이상에서 안정하다. 약 150℃에서 출발한 온도에서, 나노크기 백금은 오염물, 예컨대 자동차 배기 가스를 비롯한 기체로부터의 일산화탄소 및 미연소 탄화수소를 산화시킬 수 있다.
촉매를 사용한 NC 부직물의 형성
입자 1차 입자 크기(㎛) 샘플 번호 나노 알루미나a(%) 유리 마이크로 섬유a(%) 카룰라이트 입자(중량%) 형성 시간(분)
카룰라이트 400, 타입 C 3-8 624 43 29 28b 1.1±0.4
625 0 72 28 4±1
주: aNC/마이크로유리의 비는 60%/40%임;
b분말은 알루미늄-물 반응 이전에 첨가함.
실시예 17
나노카본
실리카 대신에 나노카본 입자를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 15에 나타낸 샘플 634의 테스트를 본 실시예에서 반복하였다. 표 12는 나노카본 로딩된 NC 퍼니쉬의 형성 시간이 나노 알루미나를 사용하지 않은 퍼니쉬의 몇분의 일이 된다는 것을 나타낸다. NC가 형성되기 이전 또는 이후에 나노카본을 첨가할 경우 형성 시간에서는 차이가 없는 것으로 나타났다.
부직물에 현탁된 카본의 이와 같은 형태는 GAC 및 아마도 PAC를 능가하는 수착 특성을 갖는다.
나노카본-함유 NC의 형성
입자 1차 입자 크기(㎛) 샘플 번호 나노 알루미나a(%) 유리 마이크로 섬유a(%) 나노카본(중량%) 형성 시간(분)
나노카본 0.03 645 43 29 28b 0.45±0.10
646 0 72 28 2.0±0.5
647 43 29 28c 0.5±0.1
주: aNC/마이크로유리의 비는 60%/40%임;
b분말은 NC 형성 이전에 첨가함;
c분말은 NC 형성 이후에 첨가함.
실시예 18
RNA
실리카 대신에 RNA(Torula 효모로부터의 리보핵산, 시그마로부터 입수 가능, Cat # R6625)를 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 15에 나타낸 샘플 634의 테스트를 본 실시예에서 반복하였다. 표 13에 나타낸 바와 같이, RNA 로딩된 NC 퍼니쉬는 형성 시간이 나노 알루미나를 사용하지 않은 퍼니쉬의 약 8%이다.
바이오-가공된 나노구조체의 형성
입자 입자 크기(㎛) 샘플 번호 나노 알루미나a(%) 유리 마이크로 섬유a(%) RNA(중량%) 형성 시간(분)
RNA 0.001c 648 43 29 28b 0.45±0.10
649 0 72 28 5.5±0.5
주: aNC/마이크로유리의 비는 60%/40%임;
b분말은 알루미늄-물 반응 이후에 첨가함;
cRNA 최소 치수.
본 실시예는 나노 알루미나 섬유가 섬유상 구조체로 혼입시킬 수 있는 기본 생물학적 입자를 부착시켜 생물학적 작용을 제공할 수 있다는 것을 예시한다. 일례에서, 생물학적 활성 성분, 예컨대 성장 인자를 의학적 구조체, 예컨대 부직 상처 드레싱에 혼입시켜 치유를 향상시킨다. 추가의 예에서, 나노 은 입자를 상기 드레싱에 첨가하여 항균제로서 작용하도록 한다. 또다른 예에서, 섬유상 구조체는 표피를 투과하는 영양분 및 약물을 전달하는데 사용된다. 또다른 예에서, 섬유상 구조체는 부직물에 부착된 특정의 핵산 또는 단백질이 특정의 생물학적 또는 화학적 제제와 상호작용할 수 있는 부위를 감지시키는데 사용된다.
또다른 예에서, 예를 들면 특정의 작용기를 갖는 중합체 입자를 비롯한 인공 거대분자 입자는 부직물 포맷으로 분포 및 고정된다. 일례에서, 박테리아는 바이오촉매로서 작용하도록 부착된다. 부직물에 현탁된 박테리아는 산소, 이산화탄소 및 매체를 통한 폐생성물의 관류의 용이성으로 인하여 생육성을 유지한다.
실시예 19
분말상 활성탄
실리카 대신에 분말상 활성탄(PAC)을 사용한 것을 제외하고, 상기 실시예 14에 제시된 샘플 634의 테스트를 본 실시예에서 반복하였다. 표 12에 나타낸 바와 같이, PAC를 포함하는 섬유상 구조체는 형성 시간이 나노 알루미나를 사용하지 않은 퍼니쉬의 5% 미만이 된다.
PAC 혼합물의 형성
입자 샘플 번호 나노 알루미나
(%)		 유리 마이크로 섬유
(%)		 개시시 평가된 입자(%) 형성 시간
(분)		 기본 중량
(g/㎡)
Calgon
PAC		 650 43a 29a 28 0.6 198b
651 0 72 28 13 200b
주: aNC/마이크로유리의 비는 60%/40%임;
b목표 기본 중량은 200 g/㎡임.
실시예 20
리오셀
파이버 이노베이션 테크놀로지로부터 구입한 2 g의 정제된 리오셀을 실시예 12에 설명한 블렌더를 사용하여 "고속 얼음 분쇄" 설정으로 2 분간 0.75 ℓ의 RO 물에 분산시켰다. 혼합물(0.61 g)에 첨가된 알루미늄 분말의 양은 반응 이후에 고형분이 40 부의 AlOOH 및 60 부의 리오셀 섬유로 이루어지도록 한다. 건식 PAC 분말은 알루미늄-물 반응 이전에 첨가하고, 그후 슬러리를 1 ℓ 비이커에서 수동으로 혼합하고, 알루미늄-물 반응을 실시예 12에서와 같이 실시하였다.
표 15는 PAC-함유 퍼니쉬 및 나노 알루미나를 포함하지 않는 것의 조성을 나타낸다. PAC 버젼의 형성 시간은 나노 알루미나를 포함하는 경우 16%이다. PAC-NC 퍼니쉬의 유입물 혼탁도는, 명백하게는 다른 섬유를 사용한 PAC의 급속 통합의 결과로서, 나노 알루미나를 사용하지 않은 360 NTU의 유입물 혼탁도와 비교하여 10이었다. 나노 알루미나가 존재하는 경우 매크로 섬유상 응집은 스톡 용액중에 가시적으로 형성된다. PAC-NC의 스톡 용액의 1/2 리터를 750 ㎖ 비이커에서 혼합할 경우 침전이 매우 신속하며, 침전은 비이커내에서 30-40 초 이내에 발생하며, 결국 10 NTU 미만의 혼탁도로 상척액 부피의 약 80%를 제거하면서 PAC/리오셀(나노 알루미나 없음) 혼합물은 수 시간 동안 침전되지 않는 것에 유의한다. 또한, PAC-NC의 경우에서 유출물 혼탁도는 나노 알루미나가 존재하지 않는 경우 약 12 배 미만이 되며, 상당한 비율의 활성탄 입자가 배수되는 것에 유의한다. 이는 입자중 가장 작은 것이 되며, 신속한 흡착 역학에 기여할 것으로 보인다. NC가 PAC와 함께 응집물을 형성하여 높은 수율의 복합체를 생성하는 능력은 마이크로유리에 대한 대체로서 리오셀을 사용하여 명백하게 예시된다.
리오셀을 사용한 PAC 혼합물의 형성
입자 샘플
번호		 나노
알루미나
(%)		 리오셀
섬유
(%)		 PAC
(%)		 형성
시간
(분)		 유입물
혼탁도,
NTU		 유출물
혼탁도,
NTU
Calgon
PAC		 652 29 43a 28 0.8±0.1 10±2 1.1±0.2
653 0 72 28 5.0±1.4 360±40 13±2
실시예 20
PAC 핸드시이트
본 실시예에서, 더 넓은 테스트 샘플에 대하여 성분을 증가시킨 것을 제외하고 각종 핸드시이트를 실시예 20에서와 같이 퍼니쉬로부터 생성하였다. 또한, 본 실시예에서, 2성분 섬유(Invista T105) 및 셀룰로스를 첨가하여 가요성 및 강도를 개선시켰다. 셀룰로스는 알루미늄 물 반응을 개시하기 이전에 첨가하고, 2성분은 퍼니쉬를 냉각시키고 약 pH 7로 중화시킨 이후에 첨가하였다. 마지막으로, 본 실시예에서, 퍼니쉬를 2,000:1보다는 500:1로 희석하였다.
핸드시이트 12"×12"는 시이트형 종이를 형성하기 위하여 스크린을 통하여 물을 흡인시키는 헤드박스를 사용하여 생성하였다. 핸드시이트를 실온에서 공기 건조시켰다. 중합체 섬유, 예컨대 2성분을 사용하는 샘플에서, 핸드시이트를 오븐 건조시키고, 160℃에서 20 분 동안 경화시켰다. 임의의 탄소를 포함하지 않는 순수한 NanoCeram 매체를 사용한 핸드시이트(표 16에서 NC로 표시함)를 유사한 방식으로 생성하였다.
PAC 함유 핸드시이트의 조성 및 성질
매체 AlOOH
(%)		 셀룰로스(%) 폴리에스테르
섬유
(%)		 유리
마이크로
섬유
(%)		 PAC
(%)		 두께
(㎜)		 기본
중량
(g/㎡)		 평균
공극
크기
(㎛)
616 15 9 8 16 52 1.2 276 3.8
617 14 8 8 13 57 1.2 269 9.7
618 15 9 16 14 46 1.5 287 4.8
619 12 7 25 12 44 2.2 356 5.8
620 12 7 14 12 55 1.2 297 3.9
621
NC		 11
37		 7
20		 27
13		 11
30		 44
0		 1.9
0.8		 322
220		 6.8
2.4
공극 크기는 상기 실시예 1 내지 10에 기재한 바와 같이 측정하였다. 모든 테스트 샘플의 공극 크기는 나노알루미나/마이크로유리 필터보다 크며, 그리하여 압력 강하가 더 적으며, 흐름 속도 가능성이 더 컸다.
실시예 22
본 실시예의 목적은 섬유상 구조체에 의한 미생물의 보유를 측정하고, 나노 알루미나/마이크로유리만을 포함하는 필터와 비교하고자 한다. 25 ㎜ 디스크를 상기 실시예 21 및 표 16에 기재된 샘플 번호 617로부터 절단하였다. 또다른 25 ㎜ 디스크를 NC 매체로부터 절단하였다. 디스크는 브레분디모나스 디무누타(Brevundimonas diminuta)(ATCC로부터 입수 가능, Cat. No 11568)의 용액으로 시험하였다. 비. 디무누타(B. diminuta)는 최소 치수가 0.3 ㎛인 가장 작은 배양 가능한 박테리아이다. 2 가지 유형의 샘플을 40 ㎖/분의 비율로 10 ㎖ 분액의 박테리아로 시험하고, 무균 바이알로 수집한 후, 비. 디무누타(B. diminuta)에 대하여 분석하였다. PAC-NC는 99% 보유가 가능하나(표 17), PAC를 포함하지 않는 NC는 더 우수하다. 높은 레벨(57%)로부터의 PAC의 감소는 박테리아 보유를 향상시킨다. 또한, 2 가지 유형의 필터는 크기가 25 ㎚인 MS2 바이러스(ATCC로부터 입수 가능, Cat. No 15597-B1)로 시험하였으며, 이는 크기가 25 ㎚이었다. 표 18은 PAC-NC가 NC에 대하여 거의 등가의 바이러스 보유를 갖는다는 것을 나타낸다.
NC 및 PAC/NC 매체에 의한 비. 디무누타(B. diminuta) 보유
매체 두께(㎜) 기본 중량
(g/㎡)		 투입 농도
(CFUa/㎖)		 비. 디무누타 제거율b
(%)
617c
NC		 1.2
0.8		 269
220		 1×104
7×105 		99
99.95
주: a집락 형성 단위(CFU);
b10 ㎖ 분액을 25 ㎜ 디스크에 40 ㎖/분의 비율로 통과시키고, 무균 바이알에 수집함;
c57 중량%의 PAC(표 16 참조).
NC 및 PAC/NC 매체에 의한 MS2 보유
매체 두께(㎜) 기본 중량
(g/㎡)		 MS2 투입 농도
(PFUa/㎖)		 MS2 제거율b
(%)
616c 1.2 276 6×106 99
617c
NC		 1.2
0.8		 269
220		 1.8×106
6×105 		99
99.5
주: a플라크 형성 단위(PFU);
b10 ㎖ 분액을 25 ㎜ 디스크에 40 ㎖/분의 비율로 통과시키고, 무균 바이알에 수집함;
c표 16 참조.
실시예 23
본 실시예의 목적은 수성 스트림으로부터 가용성 오염물의 동적 흡착 효율을 측정하고자 한다. 요오드를 대용물로서 사용하였는데, 이는 활성탄의 용량이 요오드 값으로서 GAC 및 PAC 탄소의 제조업자에 의하여 인용되어 있기 때문이다. 또한, 요오드는 물 스트림에 소독제로서 의도적으로 첨가하나 음료수의 불량한 맛 및 냄새에 기인하는 염소에 대한 적절한 대용물이 된다. 음료수 필터는 활성탄을 사용하여 염소를 제거한다.
본 실시예에서, 20 ppm의 요오드 용액을 약 50 ㎖/분의 흐름 속도로 PAC-NC의 다수의 퍼니셔의 단층, 25 ㎜ 디스크에 통과시켰다. 2 ㎖ 분액을 큐벳(1 ㎝ 통과 길이)에 수집하였다. 스톡 용액 및 유출물 모두의 흡광도 값은 290 ㎚의 파장에서 Genesys-10 UV/VIS 분광기를 사용하여 측정하였다. 이 방법은 검출 한계가 약 0.3 ppm이었다.
표 19에서의 데이타는 유출물의 부피가 0.5 ppm(0.5 ppm 이상, 요오드 맛은 평균의 사람에게는 뚜렷함) 및 10 ppm(20 ppm의 50%의 유입물 레벨)에 도달한다는 것을 나타낸다.
이와 같은 동적 조건하에서 요오드를 보유하는 PAC/NC 구조체의 효율은 3 가지 제조업자(A, B 및 C)로부터의 매체와 비교하였다. 매체를 통상적으로 입수한 카트리지(2.5" 직경×10" 길이)로부터 나누었다.
돌파(breakthrough)는 시판중인 필터 매체의 경우에는 거의 즉시 발생하나, PAC-NC 구조체는 요오드에 대하여 커다란 용량을 갖는다. 도 16은 3 가지 제조업자의 매체에 비하여 샘플 617에 대한 돌파 곡선을 나타낸다. 세미-로그 플롯을 사용하여 특히 통상의 필터 매체에 대하여 돌파 곡선의 세부 사항을 향상시킨다.
또한, 데이타는 시판중인 매체의 단일층이 요오드를 즉시 유출물로 유입되도록 하여 맛 및 냄새에 의하여 검출 가능하도록 한다는 것을 나타낸다. 반대로, 새로운 PAC-NC 구조체는 요오드가 0.5 ppm에 도달하기 이전에 20 ppm 요오드를 포함하는 약 800 ㎖의 용액을 통과시킬 수 있다. 이와 같은 시판중인 매체(800 대 1보다 더 큼)에 비하여 흡착 반응이 신속한 특별한 동적 용량은 예상하지 못하였다. 특정 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니나, 분말상 활성탄의 미세 입자는 구조체내에 보유되어 세정 제거되지 않을 것이다.
표 19는 0.5 및 10 ppm의 농도로 요오드의 정제된 용액의 부피를 나타낸다. 10 ppm으로 흡착된 요오드의 양은 요오드 용량의 이론치와 함께 제시되어 동적 조건하에서 제거된 요오드의 중량 대, 제조업자의 요오드값 수치로부터의 정적 흡착 용량을 비교한다. PAC/NC 샘플 모두는 유사한 돌파 곡선을 가지며, 이들 각각은 요오드 누출을 검출하기 이전에 요오드에 대한 동적 용량의 약 55%-72%를 보유하며, 시판중인 매체에 의하여 사용되는 용량은 기껏해야 3.4%이다. 이러한 데이타는 오염물을 유체로부터 물리적 흡착 또는 화학적 수착시키기 위하여 구조체내에 보유된 매우 미세한 입자를 사용하는 잇점을 나타낸다.
매체의 단일층에 의한 20 ppm I2의 흡착
매체 기본
중량
(g/㎡)		 매체중의
탄소
(%)		 0.5 ppm까지의
I2의 부피
(㎖)		 10 ppm까지의 I2의 부피
(㎖)		 50% 유입물에 대하여 흡착된 I2의 양
(㎎(I2)/g 탄소)		 정적
수착
용량
(%)
PAC/NC, #617 269 57 850 1700 443 55a
PAC/NC, #618 287 46 750 1850 533 67a
PAC/NC, #619 356 44 600 1760 553 67a
PAC/NC, #620 297 55 850 2110 517 65a
PAC/NC, #621 322 44 850 2050 579 72a
제조업자 "A" 350 50b <1d 10d 2b 0.4b,c
제조업자 "B" 242 20-30b <1d 20d 11-17b 2.2-3.4b,c
제조업자 "C" 237 20-30b <1d 5d 3-4b 0.6-0.9b,c
주: aCalgon WPH PAC에 대한 요오드값은 >800 ㎎/g이다. 본 실시예에서는 800 ㎎/g로 함;
b어림값;
cA, B 및 C 매체의 평가한 탄소 중량에 대하여 가정된 500 ㎎/g의 요오드값;
d각각의 시리즈내에서 재현 가능한 3 가지의 측정치. 수화 결여로 인한 우회의 임의의 가능성을 배제하기 위하여 각각의 샘플을 2 시간 동안 수화시킨 후, RO 물을 사용하여 통상적으로 플러쉬 처리함.
실시예 24
유입물이 20 ppm에 비하여 500 ppm인 것을 제외하고, 실시예 23에서와 같은 샘플의 테스트를 본 실시예에서 반복하였다. 2 가지의 상이한 파장을 사용하여 검출 한계치를 향상시키며; 저 농도 유출물에 대하여 290 ㎚ 그리고, 고 농도에 대하여 450 ㎚이며, 여기서 검출 한계치는 또한 약 3 ppm이다. 더 높은 이용 용량(76% 내지 147%)은 달성 가능하며(표 20), 이는 요오드값에 의하여 정의되는 바와 같은 정적 한계치의 하한치에 도달 및 초과한다. 더 높은 시험 농도를 사용한 더 높은 이용은 더 높은 농도의 소르베이트의 더 높은 보유를 예측하는 Langmuir 또는 Freundlich 흡착 등온선에 의하여 설명할 수 있다. [C. Tien, Adsorption, Calculations and Modeling, Butterworth-Heinemann, Boston, 2001]. 100% 초과의 정적 용량의 값은 제조업자인 칼곤 카본에 의하여 정의되는 요오드값이 800 ㎎/g보다 크기 때문인 것으로 설명된다. 계산에서 800 ㎎/g의 값을 가정하였다.
PAC 매체의 단일층에 의한 500 ppm 투입 농도에서의 요오드의 흡착
매체 기본
중량
(g/㎡)		 매체중의
탄소
(%)		 250 ppm 한계치까지의 흡착된
요오드 용액의 부피
(㎖)		 50% 유입물에 대하여 흡착된 I2의 양
(㎎(I2)/g 탄소)		 정적
흡착
용량
(%)
PAC/NC, #617 269 57 180 1170 147a
PAC/NC, #618 287 46 94 712 89a
PAC/NC, #619 356 44 95 607 76a
PAC/NC, #620 297 55 103 630 79a
PAC/NC, #621 322 44 150 1060 133a
가용성 오염물에 대한 PAC-NC의 높은 흡착 용량은 에어 필터로 직접 변환 가능하며, 여기서 휘발성 유기 분자는 에어 필터로 혼입된 PAC에 의하여 흡착될 수 있다.
또한, 공기 또는 물중에서 작동되는 PAC-NC 매체는 요오드를 제거하는 정도로 신속하게 염소 및 브롬을 제거할 수 있다. 이러한 필터 매체는 염소가 반응물이 되는 화학 공정에 사용될 수 있다. 특히, 배기 가스를 경유하여 대기로의 이탈로부터의 염소의 보유는, 약 0.3 ppm 이상에서 사람이 냄새에 의하여 검출 가능하며 그리고 약 0.5 ppm의 자극 역치를 갖기 때문에 매우 중요하다. 또한, 본원 발명의 PAC-NC 매체는 수송중에 염소 기체의 누출을 방지하는데 유용하다.
실시예 25
오염 보유 용량
A2 미세 테스트 분말(PTI, 인코포레이티드)에 대한 샘플 PAC-NC(샘플 621)의 오염 보유 용량을 측정하고, NC 매체와 비교하였다(표 21). 테스트는 압력 강하가 40 psi에 도달할 때까지 RO 물중의 A2 미세 오염의 250 NTU 현탁액을 사용하여 25 ㎜ 직경 디스크를 시험하는 것을 포함한다. 유출물 혼탁도는 각각의 경우에서 테스트중에 0.01 NTU의 검출 가능한 한계치 미만이 되며, 이는 유출물로의 분말의 발산이 최소가 된다는 것을 예시한다. 새로운 탄소 충전된 매체는 NC 매체와 같은 분말을 제거하는데 있어서 효과적이다. 이는 NC 매체가 입자를 흡착시키는 능력을 PAC가 소비한다고 이미 가정하였었기 때문에 놀라운 결과가 된다.
250 NTU 투입 농도에서의 오염 보유 용량a
매체 용량(㎎/㎠)
PAC/NC #621 118
NC 110
주: a약 350 ppm의 A2 미세 분말 로드에 해당함.
계산
표 1에 제시된 데이타로부터, 샘플에 대한 공기 투과율 B(㎡)은 하기 수학식 2와 같이 결정하였다:
Figure 112008068803322-pct00003
여기서 v - 소정의 ΔP에서의 흐름 속도(m/s),
μ - 공기 점도. 공기의 경우, μ=18.6×약 10-6 Pa s
z - 매체의 두께,
ΔP - 매체를 통한 압력 강하(Pa).
수학식 2는 필터를 통한 흐름이 점성 범위내에 있다는 것을 가정한다. 또한, 기체-흐름 측정의 경우, 2 가지의 추가의 조건[2]을 필요로 한다: (i) 공극 직경은 1 미크론보다 크며, (ii) 상류면에서의 절대 압력은 하류면에서의 절대 압력의 1.1 배 이하이며, 즉 하류 게이지 압력이 0(즉, 400 inH2O 절대압)인 경우 상류 게이지 압력은 40 inH2O 이하이어야만 한다. 이들 2 개의 조건이 충족될 경우, 수학식 2를 사용하여 투자율을 추론할 수 있다.
수학식 2 및 도 1로부터, 필터 매체의 투자율을 측정하였다. 투자율 값 및 다공도로부터, 흐름-평균 흐름 직경 d는 하기 수학식 3과 같이 결정한다:
Figure 112008068803322-pct00004
여기서 ε은 다공도이다.
흐름 직경 d는 표 1에 제시하였다. 나노 알루미나 매체의 평균 공극 크기는 4.2 내지 38 ㎛이다.
도 1뿐 아니라, 기타 샘플에 대한 유사한 그래프로부터, 가한 압력 강하에 대하여 매체를 통한 공기의 선형 속도의 의존성을 측정하고, 이를 표 1에 제시한다. 상기의 수학식으로부터, 3.2 m/분의 선형 흐름에서의 공기 ΔP(㎜H2O, 게이지)를 HEPA의 것과 비교하였다.
상기에서는 상당히 상세하게 본 발명을 설명하였으나, 이들 실시예 및 상세한 실시태양은 설명을 위하여 제시할 뿐, 설계 변형, 특히 형상, 크기 및 정렬을 갖는 물질을 제한하는 것이 아니며, 이는 본 발명에 포함되는 것으로 이해하여야 한다. 당업자는 이와 같은 본 발명의 변경 또는 변형 또는 구성요소들의 조합, 수정, 등가물 또는 개선이 첨부한 청구의 범위에서 정의하는 바와 같은 본 발명의 범위내에 여전히 포함되며, 본 발명은 본 명세서에서 구체적으로 설명하지 않은 어떠한 제한 없이도 적절하게 실시 가능하다는 것을 숙지할 것이다.

Claims (30)

  1. 유체 필터로서,
    a. 나노 알루미나 섬유; 및
    b. 조대 섬유와 미세 섬유의 조합을 포함하고, 상기 나노 알루미나 섬유와 혼합되어 비대칭 공극을 생성하는 제2의 섬유
    를 포함하는 유체 필터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 비대칭 공극은 5 ㎛보다 더 큰 평균 공극 크기를 갖는 것인 유체 필터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2의 섬유는 마이크로유리 섬유, 셀룰로스 섬유, 피브릴화 셀룰로스 섬유 및 리오셀 섬유로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 유체 필터.
  5. 섬유상 구조체로서,
    a. 나노 알루미나 섬유;
    b. 조대 섬유와 미세 섬유의 조합을 포함하고, 상기 나노 알루미나 섬유와 혼합되어 비대칭 공극을 생성하는 제2의 섬유; 및
    c. 상기 나노 알루미나 섬유에 배치된 복수의 입자
    를 포함하는 섬유상 구조체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 나노 알루미나 섬유는 5보다 더 큰 종횡비, 및 50 ㎚ 미만인 보다 적은 치수를 갖는 것인 섬유상 구조체.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제2의 섬유는 마이크로유리 섬유, 셀룰로스 섬유, 피브릴화 셀룰로스 및 리오셀로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 섬유상 구조체.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제2의 섬유 각각은 상기 나노 알루미나 섬유의 평균 직경의 10 배보다 더 큰 직경을 갖는 것인 섬유상 구조체.
  9. 제5항에 있어서, 상기 입자 각각은 50 ㎛ 미만인 직경을 갖는 것인 섬유상 구조체.
  10. 제5항에 있어서, 상기 입자는 미세 입자, 초미세 입자 및 나노크기 입자로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 섬유상 구조체.
  11. 제5항에 있어서, 상기 입자는 수착제, 이온 교환 수지, 촉매 및 금속 산화물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 섬유상 구조체.
  12. 제11항에 있어서, 상기 수착제 입자는 분말상 활성탄, 귀금속, 거대분자 유기물, 생물학적 화합물 및 항균제로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 섬유상 구조체.
  13. 제11항에 있어서, 상기 금속 산화물 입자는 발연 실리카, 발연 알루미나, 나노 아연 산화물 및 나노 티탄 산화물로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 섬유상 구조체.
  14. 제5항에 있어서, 상기 입자는 분말상 활성탄인 것인 섬유상 구조체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 분말상 활성탄은 함침제에 함침되는 것인 섬유상 구조체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 함침제는 촉매인 것인 섬유상 구조체.
  17. 제11항에 있어서, 상기 촉매는 산화 촉매인 것인 섬유상 구조체.
  18. 제11항에 있어서, 상기 금속 산화물은 크기가 미크론이하인 것인 섬유상 구 조체.
  19. 제5항에 있어서, 상기 섬유상 구조체는 액체, 기체 또는 공기 매체로부터의 오염물을 제거하기 위하여 사용되는 것인 섬유상 구조체.
  20. 제19항에 있어서, 상기 오염물은 1 이상의 미립자 물질을 포함하는 것인 섬유상 구조체.
  21. 제20항에 있어서, 상기 1 이상의 미립자 물질은 미크론이하 입자를 포함하는 것인 섬유상 구조체.
  22. 섬유상 구조체의 제조 방법으로서,
    a. 나노 알루미나 섬유를 형성하는 단계;
    b. 조대 섬유와 미세 섬유를 포함하는 복수의 제2의 섬유와 상기 나노 알루미나 섬유를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
    c. 상기 혼합물에 복수의 입자를 첨가하는 단계; 및
    d. 섬유상 구조체를 형성하는 단계
    를 포함하며,
    섬유상 구조체는 그 안에 복수의 비대칭 공극을 가지는 것인 섬유상 구조체의 제조 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 방법은 상기 혼합물로부터 물을 제거하여 부직 구조 체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  24. 섬유상 구조체의 사용 방법으로서,
    상기 섬유상 구조체는 사이에 비대칭 공극을 생성하는 복수의 조대 섬유와 미세 섬유를 포함하는 제2의 섬유와 혼합된 복수의 나노 알루미나 섬유를 포함하고, 여기에서 상기 나노 알루미나 섬유에는 복수의 입자가 배치되어 있으며, 상기 방법은
    a. 상기 섬유상 구조체에 유체 매체를 통과시키는 단계; 및
    b. 상기 유체 매체로부터 오염물을 제거하는 단계
    를 포함하는, 섬유상 구조체의 사용 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 오염물은 할로겐 및 1 이상의 미생물 병원체로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
  26. 의학적 구조체로서,
    a. 나노 알루미나 섬유;
    b. 조대 섬유와 미세 섬유를 포함하고 상기 나노 알루미나 섬유와 혼합된 제2의 섬유로서, 비대칭 공극을 생성하도록 정렬된 제2의 섬유; 및
    c. 상기 나노 알루미나 섬유에 배치된 복수의 입자
    를 포함하는 의학적 구조체.
  27. 제26항에 있어서, 상기 입자는 미세 입자, 초미세 입자 및 나노크기 입자로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 의학적 구조체.
  28. 제26항에 있어서, 상기 입자는 수착제, 약물 및 항균제로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 의학적 구조체.
  29. 제26항에 있어서, 상기 입자는 분말상 활성탄을 포함하는 것인 의학적 구조체.
  30. 제26항에 있어서, 상기 의학적 구조체는 상처 드레싱인 것인 의학적 구조체.
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