KR101621098B1 - 바이오 필터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 환경친화적인 자연물을 사용한 바이오 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 유해물질 제거용 미생물이 부착될 수 있는 황토혼합물로 코팅된 다공성 세라믹 담체를 포함하며, 상기 다공성 세라믹 담체는 탄화규소 구조체로서, 기공 크기는 10 내지 200㎛이고, 기공율은 30 내지 60%인 것을 특징으로 하는 바이오 필터 및 그 제조 방법을 제공하며, 이에 따라 미생물 부착에 효과적이고, 성능과 내구성이 우수한 바이오 필터를 제공할 수 있다.

Description

바이오 필터 및 그 제조 방법{Biofilter and the method of preparing the same}
본 발명은 유해물질 제거용 바이오 필터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 휘발성유기화합물(VOC) 등을 효과적으로 제거할 수 있는 천연물을 이용한 바이오 필터 및 제조방법에 관한 것이다.
흔히 VOC로 불리는 휘발성유기화합물(Volatile organic compounds)은 대기 중에서 질소산화물과 공존하면 햇빛의 작용으로 광화학반응을 일으켜 오존 및 팬(PAN; peroxyacetylnitrate) 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학스모그를 유발하는 물질을 통틀어 일컫는 말이다. 대기오염물질이며 발암성을 지닌 독성 화학물질로서 광화학산화물의 전구물질이기도 하다. 또한 지구온난화의 원인물질이며 악취를 일으키기도 한다.
이러한 VOC의 주된 배출원은 유기용제사용시설, 도장시설, 세탁소, 주유소 및 각종 운송수단의 배기가스 등을 들 수 있는데, 배출량은 세계적으로 유기용제사용시설과 자동차 등의 이동 오염원이 대부분을 차지한다. VOC는 환경과 인체에 큰 영향을 끼치므로 대부분의 국가들이 배출을 줄이기 위하여 정책적으로 노력하고 있 다.
이런 VOC를 제거하기 위한 종래 기술로는 세라믹 필터가 사용되고 있다. 하지만 세라믹 필터의 경우 시간이 지남에 따라 그 제거 효율이 감소하여 영구적으로 사용하는 장비에 장착 시 필터를 교체하기 위해 장비를 분해해야하는 수고스러움과 가격경쟁력에서 뒤떨어진다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 주기적인 필터교체를 하지 않을 경우 사용자가 쉽게 위험에 노출될 수 있다는 단점을 가지고 있다.
따라서 대기 오염에 대한 사회적 인식이 증대되는 가운데, 각종 악취가스나 VOC 등의 유해 가스를 효과적으로 제거할 수 있는 바이오 필터 개발의 필요성이 높아지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 환경친화적인 자연물을 사용하여 미생물의 부착 및 번식에 효과적이고, 성능과 내구성이 우수하며, 경제적인 유해물질 제거용 바이오 필터를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 유해물질 제거용 바이오 필터의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위해,
유해물질 제거용 미생물이 부착될 수 있는 황토혼합물로 코팅된 다공성 세라믹 담체를 포함하며, 상기 다공성 세라믹 담체는 탄화규소 구조체로서, 기공 크기는 10 내지 200㎛이고, 기공율은 30 내지 60%인 것을 특징으로 하는 바이오 필터를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 다공성 세라믹 담체는 탄화규소, 탄소 및 알루미나의 혼합물을 산화소결시켜 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 유해물질은 휘발성유기화합물(VOC)일 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 필터는 예를 들어, 탈취 제거기 또는 자동차 부품세척기 또는 공기청청기에 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위해, 탄소 분말 30 ~ 60 중량%와 탄화규소 분말 20 ~ 40 중량%를 혼합하는 단계; 상기 탄소 혼합물에 알루미나 분말 20 ~ 40 중량%과 고분자 바인더 0.1 ~ 2.0 중량%를 습식혼합한 후 분산 건조하는 단계; 상기 분산 건조된 혼합 분말을 600 내지 700℃에서 12~48시간 열처리하여 탄소를 산화시키는 단계; 상기 산화된 분말을 1500 내지 1600℃에서 3~6시간 소결하여 탄화규소 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 탄화규소 구조체를 황토혼합물로 코팅하는 단계;를 포함하는 바이오 필터의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 분산된 분말을 산화시키기 전에 냉간압입(Cold press)하여 시편으로 제조하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이때 냉간압입에 사용되는 압력은 30 ~ 70kN 인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 일실시예에 의하면, 상기 고분자 바인더는 폴리비닐피롤리돈(PVP) 또는 폴리비닐알코올(PVA)인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일실시예에 의하면 상기 황토 코팅 단계는 상기 탄화규소 구조체를 황토혼합물 용액에 담갔다가 꺼낸 후 건조시키는 방식으로 수행되는 것이 일반적이다.
또한 본 발명의 또 다른 일실시예에 의하면 사용되는 황토혼합물은 황토 이외에 활성탄, 제올라이트, 게르마늄, 몬모릴로나이트, 견운모로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수 있으며, 황토를 80~85 중량% 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바이오 필터는 미생물이 부착될 수 있는 충분한 크기의 기공 을 가진 구조체를 제조하여, 미생물이 생존하고 번식하기에 적합한 황토혼합물을 코팅시킴으로서 환경유해물질, 특히 휘발성유기화합물(VOC)을 효과적으로 제거할 수 있다는 것이 특징이다. 또한 기존의 재활용이 불가능한 세라믹 필터의 단점을 극복하고 영구적으로 사용 가능한 황토혼합물이 코팅된 친환경 바이오 필터로서, 탈취 제거기, 자동차 부품세척기 또는 공기청청기 등에 효과적으로 사용할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 바이오 필터는 유해물질 제거용 미생물이 부착될 수 있는 황토혼합물로 코팅된 다공성 세라믹 담체를 포함하며, 상기 다공성 세라믹 담체는 탄화규소 구조체로서, 기공 크기는 10 내지 200㎛이고, 기공율은 30 내지 60%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 상기 다공성 세라믹 담체는 탄화규소, 탄소 및 알루미나의 혼합물을 산화소결시켜 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일구현예에 따르면, 상기 유해물질은 휘발성유기화합물(VOC)일 수 있으며, 본 발명의 일실시예에 따른 바이오 필터는 예를 들어, 탈취 제거기 또는 자동차 부품세척기 또는 공기청청기에 사용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 바이오 필터의 제조 방법은 탄소 분말 30 ~ 60 중량%와 탄화규소 분말 20 ~ 40 중량%를 혼합하는 단계; 상기 탄소 혼합물에 알루미나 분말 20 ~ 40 중량%과 고분자 바인더 0.1 ~ 2.0 중량%를 습식혼합한 후 분산 건조하는 단계; 상기 분산 건조된 혼합 분말을 600 내지 700℃에서 12~48시간 열처리하여 탄소를 산화시키는 단계; 상기 산화된 분말을 1500 내지 1600℃에서 3~6시간 소결하여 탄화규소 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 탄화규소 구조체를 황토혼합물로 코팅하는 단계;를 포함하는 것이 특징이다.
본 발명의 일구현예에 의하면, 상기 분산된 분말을 산화시키기 전에 냉간압입(Cold press)하여 시편으로 제조하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이때 냉간압입에 사용되는 압력은 30 ~ 70kN 인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 일구현예에 의하면, 상기 고분자 바인더는 폴리비닐피롤리돈(PVP) 또는 폴리비닐알코올(PVA)인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일구현예에 의하면 상기 황토 코팅 단계는 상기 탄화규소 구조체를 황토혼합물 용액에 담갔다가 꺼낸 후 건조시키는 방식으로 수행되는 것이 일반적이다.
이때, 사용되는 황토혼합물은 황토 이외에 활성탄, 제올라이트, 게르마늄, 몬모릴로나이트, 견운모로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수 있으며, 황토를 적어도 80~85 중량% 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 VOC 등의 유해물질을 효과적으로 제거하기 위해 종래의 제품들보다 미생물 담체로서 요구되는 기본 물성치가 향상되고 보다 경제적이며 내구성이 우수한 VOC 제거를 위한 바이오 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이 특징이다.
먼저 미생물 고정용 담체로 사용하기 위한 구조체는 미생물이 부착되어 생존 가능한 충분한 비표면적을 가져야 하며, 물리적, 화학적으로 안정적이어야 하고, 담체로부터 독성이 유출되지 않아야 한다. 또한 일정한 강도가 필요하며, 실질적인 활용에 걸림돌로 작용하고 있는 높은 제조 단가 및 잦은 담체 교환주기를 고려하여 가격 경쟁력이 확보되어야 한다.
본 발명에 사용되는 황토의 경우 다양한 효소들이 들어있어 스스로 산화/환원의 순환작용이 일어나 반영구적으로 사용 가능하다는 장점을 가지고 있다. 또한 정제된 황토에는 VOC를 제거하는 많은 미생물이 살고 있어 필터로서 좋은 효과를 낼 수 있다. 하지만 순수 황토는 점력이 약해 성형이 어렵고 건조 시 깨지기 쉽다는 문제점을 가지고 있다.
한편 환경유해물질 제거용으로 사용되고 있는 세라믹 필터는 시간이 지남에 따라 그 제거 효율이 점차 감소하는 경향이 있다. 따라서 이런 문제점을 극복하기 위해 여러 가지 촉매를 다공성 세라믹 필터와 함께 사용하여 유해물질 제거 효율을 높이는 방식이 추진되고 있다. 예를 들어, 입자형 다공성 세라믹 필터는 기공 안에 여러 가지 환원/산화 촉매를 코팅하여 유해한 물질을 제거하는 촉매담체의 역할을 할 수 있다.
또한 바이오 세라믹 필터에서 미생물이 코팅될 담체는 표면적을 증가시켜 촉매와 반응물들의 접촉 면적을 늘림으로서 촉매의 활성을 도와 필터의 성능을 높여주는 역할을 한다. 따라서 이를 위해 담체는 기체들이 통과하기 쉬운 다공질의(porous) 세라믹을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 황토에 살고 있는 미생물을 이용하여 휘발성유기화합물(VOC) 등의 유해물질을 무해물질인 CO2와 H2O 등으로 배출할 수 있는 황토혼합물이 코팅될 수 있는 충분한 기공율을 가진 다공성 세라믹 담체를 개발하고, 이를 이용하여 바이오 필터를 제조하였다.
구체적으로 산화물(Al2O3: cordierit, mullite)을 이용한 세라믹 필터의 고온고압에 대한 문제점을 해결하기 위해 개발된 탄화규소(SiC) 필터는 탄화규소와 알루미나 파우더를 기반으로 하는 다공성 구조체이다. 이 다공성 구조체는 자체적으로도 유해물질을 잡아두는 필터의 역할을 수행하지만 필터의 효과를 극대화시키는 방법으로서 미생물을 첨가하여 더욱 큰 효과를 기대할 수 있다. 바이오 물질을 촉매로 하는 이 시스템은 미생물을 이용하여 악취 및 VOC 물질을 무해한 이산화탄소와 물로 분해한다. 이를 위해, 필요한 미생물의 부착이 용이하도록 산화소결법을 이용하여 제조된 다공성 구조체인 세라믹 담체가 필요하다. 도 1에는 다공성 구조체를 이용한 유해물질 제거 메커니즘이 나타나있다.
실시예 1: 다공성 세라믹 담체의 제조
다공성 세라믹 구조체를 제작하기 위해 일반적으로 사용되고 있는 방식중 하나인 유기물을 이용한 것을 대신하여 본 발명에서는 탄소를 직접 산화시키는 방법을 사용했다. 본 발명은 탄소 분말(20㎛), 알루미나 분말(AKP50 0.1~0.3㎛), 탄화규소 분말(32~75㎛)를 사용하였다. 먼저 구조체를 이루는 기본 분말인 탄화규소와 탄소 분말을 혼합한 후, 구조체의 기계적 성질을 강화시키기 위한 알루미나 분말을 1.2 중량%의 바인더와 함께 메탄올을 용매로 습식 혼합했다. 이때 장비 Ultra-sonicator를 이용하여 10분에서 1시간 동안 혼합한 후 볼밀(ball mill)공정을 통해 24시간동안 분말을 골고루 분산시켰다. 잘 분산된 분말은 회전식 증발기(rotary evaporator)를 이용하여 분산 건조시킨 후 60mesh의 체를 이용하여 혼합 분말을 만들었다. 그 다음 각각 30~70kN로 냉간압입(Cold press:CP)한 시편을 열처리하였다.
도 2는 열처리 공정의 개략적인 그래프이다. 산화조건은 실시예에 따라 700℃, 12~48시간으로 했다. 탄소는 산화되어 CO2 가스형태로 장비 밖으로 방출되고 탄소가 빠져나간 구조체에는 기공이 형성되었다. 탄소 분말의 크기와 양에 따라서 기공의 크기와 기공률을 제어할 수 있었고, 소량의 바인더는 오랜 열처리 중 기화하여 제거되었다. 소결조건에 따라 겉보기 기공률 30~60%의 10~20㎛의 크기를 가진 기공을 확인 할 수 있었으며, 각 조건에 따른 기공률 측정결과는 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 조성(vol%) CP 압력 (kN) 바인더 소결조건 기공률(%)
실시예 1 0.33C +0.33Al2O3 +0.33SiC 50 PVA

700℃ 12h
1500℃ 3h 		33.60
실시예 2 0.33C +0.33Al2O3 +0.33SiC 30 PVA 38.91
실시예 3 0.40C +0.30Al2O3 +0.30SiC 50 PVA 44.46
실시예 4 0.50C +0.25Al2O3 +0.25SiC 70 PVA 53.24
실시예 5 0.60C +0.20Al2O3 +0.20SiC 70 PVA 58.23
실시예 6 0.60C +0.20Al2O3 +0.20SiC 70 PVA 700℃ 24h 58.38
실시예 7 700℃ 48h 58.00
시험예 1-1: 압력 차이와 기공률
실시예 1과 2의 CP 압력의 차이를 비교했다. CP 압력이 50kN인 경우, 기공률이 33.60%인 것에 비해, 30kN의 CP 압력을 가했을 경우에는 38.91%로 겉보기 기공률이 커진 것을 확인할 수 있었다. 마찬가지로 실시예 3의 CP 압력이 50kN 일 때 기공률이 38.98%, 실시예 4의 CP압력이 30kN일 때 기공률이 40.98%로 소폭 증가함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 CP 압력이 낮아질수록 겉보기 기공률이 커짐을 알 수 있다.
시험예 1-2: 조성 변화와 기공률
실시예1과 3을 통해 조성의 변화가 구조체의 기공률에 끼치는 영향에 대해서 비교한다. 실시예1의 0.33 부피%의 C, 0.33 중량% Al2O3와 0.33 부피% SiC 분말의 기공률이 33.60%인데 비해 다른 실험실 조건을 일정하게 하였을 때 탄소 함유량이 0.40 부피%로 증가한 실시예3의 기공률은 44.46%로 크게 증가되었음을 알 수 있다.
또한 실시예4와 5를 비교해보면, 실시예 4의 0.50 부피%의 C, 0.25 부피% Al2O3 및 0.25 부피% SiC 분말의 기공률이 53.24%인데 비해 다른 실험실 조건을 일정하게 하였을 때 탄소 함유량을 0.60 부피%로 증가시킨 실시예 6의 기공률은 58.23%로 증가되었음을 알 수 있다. 이는 탄소 함유량이 구조체의 기공률에 큰 영향을 끼친다는 것을 의미한다.
시험예 1-3: 산화시간과 기공률
실시예 5, 6, 7을 통해 탄소의 산화시간이 기공률에 끼치는 영향에 대해서 비교했다. 기공률은 탄소산화시간에 따라 크게 달라지지 않지만 탄소가 산화되는 정도(소결체의 단면을 통해 확인가능)가 탄소산화시간에 영향을 받는다는 사실을 명확하게 확인할 수 있다. 다만 기공률이 비슷한 이유는 탄소산화시간이 짧은 경우 기공이 아닌 갈라진 틈이 생기기 때문이다.
시험예 1-4: 소결온도에 따른 소결체 단면 비교
소결 프로파일 중 700℃에서 탄소를 산화시키는 시간에 따라 탄소가 산화된 정도를 소결체의 단면을 통해 알 수 있다. 도3의 (a)는 12시간 산화시킨 소결체의 단면이고, (b)는 48시간 산화시킨 소결체의 단면 사진이다. 도면 3의 a)의 경우 가운데 회색부분은 탄소가 그대로 남아있어 전혀 산화되지 않은 모습을 관찰할 수 있다. 이렇게 부위별에 따라 다른 탄소산화 정도는 소결체내에 기공이 아닌 틈을 만들어 기공률은 높지만 경도를 떨어뜨린다. 반면 b) 소결체의 단면을 살펴보면 어떠한 단계적인 색변화 없이 균일하게 흰색을 띄고 있다. 부분별로 차이가 없이 골고루 산화되었음을 알 수 있다.
실시예 2: 황토혼합물로 코팅된 바이오 필터의 제조
상기 실시예 1에서 제조된 다공성 세라믹 담체를 이용하여 바이오 필터를 제조하였다. 황토혼합물 용액을 준비하여, 상기 다공성 세라믹 담체를 담갔다가 꺼내어 건조시킴으로서 비표면적이 큰 본 발명에 따른 다공성 세라믹 담체에 황토혼합물이 충분히 코팅되도록 한다. 상기 황토혼합물에는 환경유해물질 특히 VOC를 제거하는 많은 미생물이 살고 있어 효능이 우수한 바이오 필터를 제공할 수 있다.
시험예 2: VOC 배출량 측정
이하에는 각종 필터의 VOC 배출량의 측정 결과가 기재되어 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 바이오 필터의 효능을 입증할 수 있다. 측정 조건은 다음과 같으며, 측정 결과는 하기 표 2에 기재하였다.
- 반응기 용량 50cm3
- 흡착제양 (황토혼합물: 51.4019g, 황토혼합물 분말: 40.3207g, 본 발명 바이오필터: 51.0000g)
- 샘플량: 1l/min
샘플 종류 분석 방법 결과(ppm) 성능
흡착제가 없는 경우 TVOC 가스 크로마토그래피 1.59 -
황토혼합물 TVOC 가스 크로마토그래피 0.03 98.1%
본 발명에 따른 바이오 필터
(황토혼합물로 코팅된
탄화규소구조체)		 TVOC 가스 크로마토그래피 0.01 99.3%
황토혼합물 분말 TVOC 가스 크로마토그래피 0.22 86.2%
* N.D.: 검출되지 않음.
* TVOC: 톨루엔 농도로 변환시킴으로써 정량하였음
상기 실험은 인위적으로 배출시킨 VOC 분위기에 필터 또는 흡착제(Adsorbent)의 유무에 변화를 주어 VOC 배출량의 차이를 측정한 것이다. 흡착제를 사용하지 않았을 경우 VOC 배출량은 1.59ppm으로 나타났다. 또한 본 발명에 사용된 황토혼합물은 98.1%의 VOC 제거율을 나타냈으며, 황토혼합물을 분말 상태로 측정할 경우, 구조체의 형태를 갖는 경우보다 낮은 86.2%의 VOC 제거율의 결과를 가져왔다. 이는 황토혼합물이 구조체의 형태를 잃을 경우 더 낮은 VOC 제거율을 가진다는 것을 의미한다. 한편 본 발명의 일실시예에 따른 황토혼합물로 코팅된 다공성 탄화규소 구조체를 포함하는 바이오 필터의 경우에는 99.3%의 VOC 제거율을 보여주었다. 이에 따라 본 발명에 따른 바이오 필터의 VOC 제거 성능이 탁월함을 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다공성 구조체를 이용한 유해물질 제거 메커니즘을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 담체의 제조 과정 중 소결 조건을 나타내는 그래프이다.
도 3은 소결 프로파일 중 700℃에서의 탄소 산화 시간에 따른 탄소가 산화된 정도를 보여주는 소결체의 단면 사진이다.

Claims (11)

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  5. 탄소 분말 30 ~ 60 중량%와 탄화규소 분말 20 ~ 40 중량%를 혼합하는 단계;
    상기 탄소 혼합물에 알루미나 분말 20 ~ 40 중량%과 고분자 바인더 0.1 ~ 2.0 중량%를 습식 혼합한 후 분산 건조시키는 단계;
    상기 분산 건조된 혼합 분말을 600 내지 700℃에서 12~48시간 열처리하여 탄소를 산화시키는 단계;
    상기 산화된 분말을 1500 내지 1600℃에서 3~6시간 소결하여 탄화규소 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 탄화규소 구조체를 황토혼합물로 코팅하는 단계;를 포함하는 바이오 필터의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분산된 분말을 산화시키기 전에 냉간압입(Cold press)하여 시편으로 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필터의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉간압입에 사용되는 압력은 30 ~ 70kN 인 것을 특징으로 하는 바이오 필터의 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는 폴리비닐피롤리돈(PVP) 또는 폴리비닐알코올(PVA)인 것을 특징으로 하는 바이오 필터의 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 황토 코팅 단계는 상기 탄화규소 구조체를 황토혼합물 용액에 담갔다가 꺼낸 후 건조시키는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 바이오 필터의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 황토혼합물은 활성탄, 제올라이트, 게르마늄, 몬모릴로나이트 및 경운모로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분과 황토의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바이오 필터의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 황토혼합물 중 황토의 함량은 80 ~ 85중량%인 것을 특징으로 하는 바이오 필터의 제조 방법.
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