KR101734120B1 - 필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치 - Google Patents

필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치에 관한 것으로, 필터 여재는 다공성 기재; 상기 다공성 기재의 양측에 적층되며, 고분자 물질을 전기 방사하여 형성된 다수의 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹; 및 상기 다공성 기재와 상기 나노 섬유 웹을 일체로 접착시키는 접착수단;을 포함하며, 상기 접착수단은, 상기 다공성 기재의 융점보다는 낮고 상기 나노섬유 웹의 융점보다는 높은 열을 가하여 이루어진다.

Description

필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치{Filter Media and Method for manufacturing thereof, and Filter Apparatus using the Same}
본 발명은 수처리 필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전기방사에 의해 제조되는 나노 섬유 웹을 채용한 필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치에 관한 것이다.
최근 산업의 고도화로 고순도, 고품질의 제품이 요구됨에 따라 분리막(membrane) 기술이 매우 중요한 분야로 인식되고 있다. 특히 환경분야에서는 맑은 물에 대한 욕구와 물 부족에 대한 인식이 증가함에 따라 이를 해결하기 위한 방안의 하나로 분리막을 이용한 기술이 크게 주목을 받고 있다.
분리막을 이용한 정수, 하수, 폐수, 담수화 등의 공정은 이미 보급이 확산되고 있다. 또한 분리막 자체에 대한 기술개발에서 벗어나 이를 응용제품에 활용하고 있으며 응용에 따른 분리막 성능 향상에 대한 제고와 함께 주변기술로의 개발확대가 이루어지고 있다.
분리막이란 서로 다른 두 물질 사이에 존재하는 선택능을 가진 물질로서, 어떤 물질을 선택적으로 통과시키거나 배제시키는 역할을 하는 소재를 의미한다. 분리막의 구조나 재료, 그리고 분리막을 통과하는 물질의 상태나 이동원리 등의 제한은 없으며, 단지 두 물질 사이를 서로 격리시키고, 그 사이의 막을 통해 물질의 선택적 이동이 일어난다면 그 소재를 분리막이라 부를 수 있다.
분리막의 종류는 매우 다양하며 여러가지 기준으로 분류되어 진다.
먼저 분리조작에 의한 분류는 분리하려는 대상물질의 상태에 따른 분류법으로서 액체분리, 기액분리, 기체분리 등으로 분류된다. 그리고 액체분리는 여과대상물의 크기에 따라 정밀여과(micro filtration), 한외여과(ultra filtration), 나노여과(nano filtration), 역삼투여과(reverse osmosis filtration) 등으로 분류된다.
기체분리는 분리하려는 기체의 종류에 따라 세부적으로 분리할 수 있는데, 산소기체를 분리하기 위한 막일 경우에는 산소부화, 질소를 분리하기 위한 막일 경우에는 질소부화, 수소분리, 제습막 등으로 분류된다.
막의 형상에 의한 분류는 평막(flat membrane), 중공사막(hollow fiber membrane), 관형막(tubular membrane)으로 분류되며, 또한 이들은 필터모듈 형태에 따라 플레이트형, 나권형, 카트리지형, 평막셀형, 침적형, 튜브형 등으로 분류된다.
재료에 의한 분류는 무기막과 고분자를 이용한 유기막이 있다. 최근에는 무무기막이 내열성, 내구성 등의 장점을 바탕으로 그 용도를 확대하고 있으나, 현재 제품화된 대부분은 고분자 분리막이 차지하고 있다.
일반적으로, 여과(filtration)란 유체로부터 2종류 이상의 성분을 분리하는 것, 즉, 용해되지 않은 입자(고체)를 분리하는 것을 의미한다. 고체의 분리에 있어서 여과 메카니즘은 체거름, 흡착, 용해, 확산 메커니즘으로 설명할 수 있으며 기체분리막, 역삼투막 등 일부의 분리막을 제외하면 대부분은 전적으로 체거름 메카니즘에 의존한다고 할 수 있다.
따라서 기공을 가지고 있는 소재라면 어떠한 것이든 필터 미디어로서 사용이 가능한데, 대표적인 필터미디어로는 부직포(nonwovens), 직물(fabric), 메쉬(mesh), 다공성 멤브레인((porous membrane) 등이 있다.
부직포, 직물, 메쉬 등은 1um이하의 기공을 만들기 어려워 입자여과(particle filtration) 영역대에 국한하여 전처리 필터 개념으로 사용이 된다. 반면 다공성 멤브레인은 정밀하고 작은 기공을 만들 수 있어 정밀여과(micro filtration), 한외여과(ultra filtration), 나노여과(nano filtration), 역삼투여과(reverse osmosis filtration) 등의 광범위한 여과영역대와 최고의 정밀도를 요구하는 공정에 사용되고 있다.
부직포, 메쉬, 직물은 수 마이크로에서 수백마이크로 굵기의 섬유로 이루어져 있어 1마이크로 이하의 미세기공을 만들기 어렵다. 특히 부직포의 경우 섬유의 무작위 배열에 의해 웹이 형성됨으로 균일한 기공을 만드는 것이 사실상 불가능하다. 멜트-블로운(melt-blown)의 경우, 1~5um 범위의 선경을 가지는 매우 미세한 섬유로 이루어진 부직포라고 할 수 있는데, 열 카렌딩 전의 기공 크기는 6마이크로 이상이며 카렌딩 후의 기공 크기는 약 3마이크로에 불과하며 평균 기공 크기의 편차가 기준점을 중심으로 ±20%이상 발생하며 상당히 큰 기공들이 공존하는 구조를 가진다.
이에 따라, 부직포, 메쉬 및 직물은 상대적으로 큰 기공을 통한 오염물질의 유출을 막기 어려워 필터효율이 낮을 수 밖에 없다. 따라서 상기의 필터미디어들은 정밀하지 못한 여과공정이나 정밀여과공정에 있어서 전처리 개념으로 사용되고 있다.
한편, 다공성 멤브레인은 용매상전이법(NIPS), 열유도상전이법(TIPS), 연신법(stretching process), 조사에칭법(track etching), 졸겔법(sol-gel) 등의 방법으로 제조되는데, 재질은 대부분 유기고분자로써, 폴리테트라플루오르에틸렌 (PTFE), 폴리비닐라이덴플루오르(PVDF), 나일론(Nylon6, Nylon66), 폴리술폰(PS), 폴리에테르술폰(PES), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 니트로셀룰로오스 (NC) 등이 대표적으로 사용되고 있다. 이러한 종래의 다공성 멤브레인은 정밀하고 작은 크기의 기공을 만들 수 있는 반면, 제조 공정상 닫힌기공(closed pore)이나, 막힌기공(blinded pore)이 제조공정상 불가피하게 발생할 수 밖에 없어 여과유량이 적고 운전압력이 많이 걸리며 여과수명이 짧은 문제점을 가지고 있어 높은 운전비용 및 잦은 필터 교체가 문제점으로 지적되고 있다.
한국 공개특허공보 제2013-0011192호에는 열가소성 고분자 섬유 부직포를 플라즈마 처리하여 표면을 개질하는 제1단계 및 상기 표면처리된 부직포 상에 알루미나를 증착하는 제2단계를 포함하는 알루미나 복합 부직포의 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 알루미나 복합 부직포를 이용한 필터 여재는 섬유의 절단에 의한 손상이 없으면서도 바이러스 제거성능이 우수하나, 부직포의 기공 크기가 커서 필터링 효율이 낮은 단점이 있다.
한국공개특허 제2013-0011192호
본 발명의 목적은 전기 방사에 의해 형성되는 나노 섬유 웹을 이용하여 필터 여재를 제조함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있고 기공 사이즈를 자유롭게 조절할 수 있어 사용 목적에 따라 다양한 제품을 만들 수 있는 필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전기 방사에 의해 형성되는 나노 섬유 웹을 이용하여 필터 여재를 제조함으로써, 필터 여재의 두께를 얇게 만들 수 있고, 이에 따라 여과판의 두께를 얇게 만들 수 있어 적은 공간에 많은 여과판을 적층할 수 있어 여과 시스템의 사이즈를 줄일 수 있는 필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3차원의 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹과 부직포를 적층하여, 취급성과 강도를 우수하게 하고, 필터 효율을 향상시킬 수 있는 필터 여재 및 그 제조방법과, 이를 이용한 필터 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 필터 여재는, 다공성 기재; 상기 다공성 기재의 양측에 적층되며, 고분자 물질을 전기 방사하여 형성된 다수의 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹; 및 상기 다공성 기재와 상기 나노 섬유 웹을 일체로 접착시키는 접착수단;을 포함하며, 상기 접착수단은, 상기 다공성 기재의 융점보다는 낮고 상기 나노 섬유 웹의 융점보다는 높은 열을 가하여 이루어지는 열 융착 구조인 것을 특징으로 한다.
대안적으로, 상기 접착수단은 상기 다공성 기재의 융점보다는 높고 상기 나노 섬유 웹의 융점보다는 낮은 열을 가하여 이루어지는 열 융착 구조일 수 있다.
또한, 상기 접착수단은, 핫 멜트 파우더 또는 핫 멜트 웹일 수 있다. 핫 멜트 파우더의 경우, 도트 어레이 형태로 배치하여 접착 후 통기성을 확보할 수 있고, 또한, 핫 멜트 웹의 경우는, 다수의 미세 기공을 갖고 있으므로 접착 후 통기성을 확보할 수 있다.
여기서, 상기 다공성 기재는 폴리에스터 계열, 나일론 계열, 폴리올레핀 계열 및 셀룰로오우스 계열 중 어느 한 계열의 부직포이고, 상기 나노 섬유 웹을 형성하는 고분자 물질은PVdF를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자 물질은 PVdF와 PAN을 5:5 또는 6:4로 혼합한 고분자 물질일 수 있다.
또한, 상기 열 융착 구조는, 상기 나노 섬유 웹의 1/5 내지 1/2 두께 부분이 상기 부직포에 침투하여 접착되어 있는 구조이거나, 또는 상기 부직포의 1/5 내지 1/2 두께 부분이 상기 부직포에 침투하여 접착되어 있는 구조일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 나노 섬유 웹이 상기 부직포의 상면을 제외한 전체 면에 적층되어 있는 구조일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 필터 여재는 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 양측에 고분자 물질을 직접 전기 방사하여 형성된 다수의 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹;을 포함하며, 상기 나노 섬유 웹은, 저농도의 고분자 물질 혼합 용액을 전기 방사하거나, 코팅 또는 스프레잉하여 형성된 제1나노 섬유 웹층과, 고농도의 고분자 물질 혼합 용액을 전기 방사하여 형성된 제2나노 섬유 웹층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 저농도의 고분자 물질 혼합 용액은 고분자 물질이 8~10wt% 함유된 것이고, 상기 고농도 고분자 물질 혼합 용액은 고분자 물질이 15~17wt% 함유된 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 필터 여재의 제조방법은, 부직포를 준비하는 단계; 이형지에 고분자 물질을 전기방사하여 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 부직포의 양면에 상기 나노 섬유 웹을 합지하여 상기 부직포의 융점보다는 낮고 상기 나노 섬유 웹의 융점보다는 높은 온도로 가열하여 부직포와 나노 섬유 웹을 열융착 접합하는 단계;를 포함한다.
대안적으로, 상기 열융착 접합단계는, 상기 부직포의 융점보다 높고 상기 나노 섬유 웹의 융점보다는 낮은 온도로 가열하여 부직포와 나노 섬유 웹을 열융착 접합하는 방법으로 할 수도 있다.
다른 실시예에 의하면, 필터 여재의 제조방법은, 부직포를 준비하는 단계; 상기 부직포의 일면에 고분자 물질이 8~10wt% 함유된 저농도 고분자 물질 혼합 용액과 고분자 물질이 15~17wt% 함유된 고농도 고분자 물질 혼합 용액을 순차적으로 전기 방사하여 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 부직포의 타면에 고분자 물질이 8~10wt% 함유된 저농도 고분자 물질 혼합 용액과 고분자 물질이 15~17wt% 함유된 고농도 고분자 물질 혼합 용액을 순차적으로 전기 방사하여 나노 섬유 웹을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 필터 여재의 제조방법은, 부직포를 준비하는 단계; 이형지에 고분자 물질을 전기방사하여 나노 섬유 웹을 형성하는 단계; 및 상기 부직포의 양면에 핫 멜트 파우더 또는 핫 멜트 웹을 개재하여 상기 나노 섬유 웹을 합지하고 열 압착하여 접합하는 단계;를 포함한다.
한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 필터 장치는, 오폐수 유입구 및 배출구를 구비하는 하우징; 상기 하우징 내에 일정 간격을 두고 배열되어, 하우징 내에 저장된 오폐수를 여과하는 상술한 바와 같은 구조로 이루어지는 다수의 필터 여재; 및 상기 배출구에 연결되어 상기 하우징 내부의 물을 펌핑하거나 세척수를 하우징 내부로 공급하는 펌프;를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 필터 장치는 상기 하우징의 일측에 설치되어 필터 여재를 세척하는 기능을 하는 기포 발생용 노즐을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 전기방사에 의해 형성되는 나노 섬유웹을 부직포의 양면에 열 융착 구조 또는 핫 멜트 접착제를 이용하여 접합하여 필터 여재를 제조함으로써, 내구성을 향상시킬 수 있고 기공 사이즈를 자유롭게 조절할 수 있어 사용 목적에 따라 다양한 제품을 만들 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에서는 전기 방사에 의해 형성되는 나노 섬유 웹을 이용하여 필터 여재를 제조함으로써, 필터 여재의 두께를 얇게 만들 수 있고, 이에 따라 여과판의 두께를 얇게 만들 수 있어 적은 공간에 많은 여과판을 적층할 수 있어 여과 시스템의 사이즈를 줄일 수 있는 장점이 있다.
더불어, 본 발명에서는 3차원의 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹과 부직포를 적층하여 필터 여재를 구성함으로써, 취급성과 강도가 우수하고, 필터 효율을 향상시킬 수 있는 필터 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재의 평면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재의 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 섬유 웹의 확대 사진,
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재의 나노 섬유 웹을 형성하는 전기 방사장치의 구성도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재를 설명하기 위한 일부 단면도, 그리고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재에 적용된 나노 섬유 웹의 확대 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 장치의 단면도이다.
일 실시예에 따른 필터 장치는 하수 또는 폐수가 외부에서 유입되어 저장되는 하우징(10)과, 하우징(10) 내에 일정 간격으로 복수로 배열되고 하우징 내의 하수 및 폐수 등의 처리수를 여과시키는 필터 여재(20)와, 하우징(10)의 하측에 설치되어 필터 여재(20)를 세척하는 기능을 하는 복수의 기포 발생용 노즐(30)을 포함한다.
하우징(10)은 일측에 정수를 위한 물(예컨대, 하수, 폐수 등과 같은 오폐수)이 유입되는 유입구(12)가 형성되고, 상측에 하우징(10) 내부에서 정수된 물이 배출되는 배출구(14)가 형성된다.
필터 여재(20)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 물이 통과할 수 있는 다수의 기공을 갖는 부직포(22)와, 부직포(22)의 일면에 적층되고 물을 여과시킬 수 있는 미세 다공을 갖는 제1나노 섬유 웹(24)과, 부직포(22)의 타면에 적층되고 물을 여과시킬 수 있는 미세 다공을 갖는 제2나노 섬유 웹(26)을 포함한다.
그리고, 다수의 필터 여재(20)는 하우징(10) 내에 일정 간격을 두고 배열되어 하우징(10) 내에 저장된 오폐수를 여과한다.
여기에서, 사용 가능한 부직포는 예를 들면, 멜트 블로운(melt-blown) 부직포, 스펀 본드(spun bond) 부직포, 서멀 본드 부직포, 캐미컬 본드 부직포, 웨트 레이드(wet-laid) 부직포 중 어느 하나를 지지체로 사용할 수 있다. 부직포는 파이버의 직경이 30-60㎛이고, 기공이 50 내지 200㎛ 정도인 것을 사용할 수 있다.
부직포(22)는 다수의 기공을 구비하여 물이 통과할 수 있는 통로 역할을 함과 아울러 제1나노 섬유 웹(24)과 제2나노 섬유 웹(26)이 평판 형태를 유지할 수 있도록 지지하는 지지층 역할을 한다.
본 발명에서는 물이 통과할 수 있는 다수의 기공을 구비한 다공성 기재로서 부직포의 양측에 고분자 물질을 전기 방사하여 형성된 다수의 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹을 적층하여 필터 여재를 구현할 수 있다. 이때, 필터 여재는 상기 부직포와 상기 나노 섬유 웹을 일체로 접착시키는 접착수단을 포함할 수 있다.
상기 접착수단은, 상기 다공성 기재의 융점보다는 낮고 상기 나노 섬유 웹의 융점보다는 높은 열을 가하여 이루어지는 열 융착 구조일 수 있다.
상기 다공성 기재는 폴리에스터 계열, 나일론 계열, 폴리올레핀 계열 및 셀룰로오우스 계열 중 어느 한 계열의 부직포일 수 있고, 상기 나노 섬유 웹을 형성하는 고분자 물질은 PVdF를 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명에서는 나노 섬유 웹을 형성하기 위하여 전기 방사되는 고분자 물질은 PVdF와 PAN을 5:5 또는 6:4로 혼합한 고분자 물질일 수 있으며, 상기 열 융착 구조는, 상기 나노 섬유 웹의 1/5 내지1/2 두께 부분이 상기 부직포에 침투하여 접착되어 있는 구조일 수 있다.
상기와 같이 다공성 기재의 융점보다는 낮고 나노 섬유 웹의 융점보다는 높은 열을 가하여 열압착을 하게되면, 나노 섬유 웹의 일정부분, 즉 나노 섬유 웹의 1/5 내지 1/2 두께 부분이 녹으면서 다공성 기재(예컨대 부직포)에 침투하여 강하게 접착되게 된다.
대안적으로, 상기 열 융착 구조는 다공성 기재의 융점보다 높고 나노 섬유 웹의 융점보다는 낮은 열을 가하여 두 부재, 즉 다공성 기재와 나노 섬유 웹을 열압착하여 접착시킬 수도 있는데, 이와 같은 경우, 다공성 기재의 1/5 내지 1/2 두께 부분이 녹으면서 나노 섬유 웹에 침투하여 강하게 접착되게 된다.
상기와 같은 열 융착 구조를 갖는 필터 여재에서는 상기 나노 섬유 웹이 다공성 기재의 상면을 제외한 전체 면에 적층되는 구조를 취할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 필터 여재는, 제1나노 섬유 웹(24)과 제2나노 섬유 웹(26)을 다공성 기재, 즉 부직포에 직접 전기방사하여 강하게 접착되는 형태의 필터 여재를 구성할 수도 있다.
즉, 제1나노 섬유 웹(24)과 제2나노 섬유 웹(26)은, 전기 방사 가능한 고분자 물질과 용매를 일정 비율로 혼합하여 방사용액을 만들고, 이 방사용액을 전기 방사에 의해 방사하면 나노 섬유(112,114)가 형성되고, 나노 섬유가 부직포(22)의 표면에 축적되어 물을 여과시킬 수 있는 미세 기공(110)을 갖도록 형성된다.
여기서, 상기 나노 섬유(112,114)의 직경은 0.1~3.0um 범위로 하는 것이 바람직하다.
제1나노 섬유 웹(24)과 제2나노 섬유 웹(26)은 전기 방사장치에서 방사되는 시간에 따라 두께가 자유롭게 조절되고, 나노 섬유 웹의 두께에 따라 기공(110) 사이즈가 결정된다.
따라서, 본 실시예에서는 제1나노 섬유 웹(24)과 제2나노 섬유 웹(26)의 기공 사이즈를 자유롭게 조절할 수 있어 여과 종류에 따라 기공 사이즈를 다양하게 제조할 수 있다.
이와 같이 부직포의 양측에 고분자 물질을 직접 전기 방사하여 나노 섬유 웹을 형성한 필터 여재는 다공성 기재; 및 상기 다공성 기재의 양측에 고분자 물질을 직접 전기 방사하여 형성된 다수의 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹;을 포함한다.
이때, 상기 나노 섬유 웹은, 저농도의 고분자 물질 혼합 용액을 전기 방사하여 형성된 제1나노 섬유 웹층과, 고농도의 고분자 물질 혼합 용액을 전기 방사하여 형성된 제2나노 섬유 웹층으로 구현할 수 있다. 여기서, 상기 제1나노 섬유 웹층은 전기 방사 뿐만 아니라 코팅 또는 스프레잉의 방법으로 형성할 수도 있다.
그리고, 저농도의 고분자 물질 혼합 용액은 고분자 물질이 8~10wt% 함유된 것이고, 고농도 고분자 물질 혼합 용액은 고분자 물질이 15~17wt% 함유된 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 고분자물질은 전기방사가 가능한 것으로 예를 들면, 친수성 고분자와 소수성 고분자 등을 들 수 있으며, 이러한 고분자들을 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에서 사용 가능한 고분자물질로는 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고, 전기방사에 의해 나노 섬유를 형성할 수 있는 수지이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 또는 이들의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
또한, 사용 가능한 고분자물질로는 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈 아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트프로피오네이트 등이 있다.
상기 고분자물질 중에서 본 발명의 필터재료로 특히 바람직한 것은 PAN, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리에스테르 설폰(PES: Polyester Sulfone), 폴리스티렌(PS)를 단독으로 사용하거나, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)와 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 혼합하거나, PVdF와 PES, PVdF와 열가소성 폴리우레탄(TPU:Thermoplastic Polyurethane)을 혼합하여 사용할 수 있다.
필터 여재(20)는 부직포(22)의 양면에 제1나노 섬유 웹(24)과 제2나노 섬유 웹(26)이 적층되고, 부직포(22)의 상면을 제외한 나머지 3면 가장자리는 열 압착 등의 방법에 의해 압착되어 제1나노 섬유 웹(24)과 제2나노 섬유 웹(26)이 부직포(22)의 측면 부분을 감싸도록 형성되고, 부직포(22)의 상면은 제1나노 섬유 웹(24) 및 제2나노 섬유 웹(26)에 비해 돌출되고, 부직포(22)의 돌출된 부분(32)은 부직포(22)를 통해 정화된 물이 배출되는 배출 파이프(50)가 연결된다.
여기에서, 배출 파이프(50)는 부직포(22)를 통과한 물만 배출될 수 있도록 부직포(22)의 돌출부분(32)에 감싸지게 고정되는 고정부(52)와, 고정부(52)에 연결되고 하우징(10)에 형성된 배출구(14)에 연결되는 연결관(54)을 포함한다.
하우징(10)의 하측에 배치되는 기포 발생용 노즐(30)은 외부에서 공기를 주입할 수 있는 컴프레셔 등과 연결되고, 하우징(10)의 바닥면에 복수로 배열된다.
여기에서, 기포 발생용 노즐(30)은 공기를 하우징(10) 내부로 배출시켜 기포 및 수류를 발생시키는 역할을 하는 것으로, 필터 여재(20)의 표면에 부착된 부착물질을 제거하는 역할을 한다.
이러한 기포 발생용 노즐(30)의 구조는 수류 및 기포를 발생시킬 수 있는 노즐은 어떠한 형태의 노즐도 적용이 가능하다. 그리고, 하우징(10)의 하면에는 필터 여재(20) 세척 작용에 의해 바닥에 쌓인 이물질을 외부로 배출시키는 배출통로(미도시)가 형성된다.
본 발명의 필터 여재 제조방법을 다음에서 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재를 제조하는 전기 방사장치의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기방사 장치는 부직포(22)가 이송되는 제1콜렉터(110)와, 제1콜렉터(110)의 상면에 배치되고 고전압 발생기가 연결되어 부직포(22)의 일면에 제1나노 섬유 웹(24)을 형성하는 제1방사노즐(120)과, 제1나노 섬유 웹(24)이 형성된 부직포(22)의 타면이 상면을 향하도록 이송되는 제2콜렉터(130)와, 제2콜렉터(130)의 상면에 배치되고 고전압 발생기와 연결되어 부직포(22)의 타면에 제2나노 섬유 웹(26)을 형성하는 제2방사노즐(140)을 포함한다.
제1방사노즐(120) 및 제2방사노즐(140)은 전기 방사 가능한 고분자 물질과 용매가 혼합된 방사용액을 방사하여 초극세 나노 섬유사를 만드는 역할을 한다.
제1콜렉터(110)의 전방에는 부직포(22)가 감겨진 부직포 롤(100)이 배치되고, 제2콜렉터(130)의 후방에는 제1나노 섬유 웹(24) 및 제2나노 섬유 웹(26)이 적층된 필터 여재(20)가 감겨지는 필터 여재 롤(190)이 배치된다.
그리고, 제1콜렉터(110)와 제1방사노즐(120) 사이 및 제2콜렉터(130)와 제2방사노즐(140) 사이에는 90~120Kv의 고전압 정전기력을 인가함에 의해 초극세 섬유가닥(112,114)이 방사되어 초극세 나노 섬유 웹을 형성한다.
제1방사노즐(120), 제2방사노즐(140)에는 각각 에어 분사장치(70,72)가 구비되어 제1방사노즐(120) 및 제2방사노즐(140)에서 방사되는 섬유 가닥(112,114)이 제1콜렉터(110) 및 제2콜렉터(130)에 포집되지 못하고 날리는 것을 방지한다.
본 발명의 멀티-홀 방사팩 노즐(Spin pack nozzle)은 에어 분사의 에어압을 0.1~0.6MPa 범위로 설정된다. 이 경우 에어압이 0.1MPa 미만인 경우 포집/집적에 기여를 하지 못하며, 0.6MPa를 초과하는 경우 방사노즐의 콘을 굳게 하여 니들이 막히는 현상이 발생하여 방사 트러블이 발생한다.
이와 같이, 구성되는 전기방사 장치를 이용하여 필터 여재를 제조하는 공정을 다음에서 설명한다.
먼저, 제1콜렉터(110)가 구동되면, 부직포 롤(100)에 감겨진 부직포(22)가 제1콜렉터(110)의 상면을 따라 이동된다.
그리고, 제1콜렉터(110)와 제1방사노즐(120) 사이에 고전압 정전기력을 인가함에 의해 제1방사노즐(120)에서 방사 용액을 초극세 섬유 가닥들(112)로 만들어 부직포(22)의 일면에 방사한다. 그러면 부직포(22)의 일면에 초극세 섬유 가닥들이 축적되어 미세 다공을 갖는 제1나노 섬유 웹(24)이 형성된다.
그리고, 제1나노 웹(24)의 제조가 완료되면, 부직포(22)의 타면에 제2나노 섬유 웹(26)을 적층하는 공정을 실시한다.
즉, 제1나노 섬유 웹(24)이 적층된 부직포(22)는 제2콜레터(130)로 이동되는데, 이때 제2콜렉터(130)는 제1콜렉터(110)의 하측에 배치되므로 부직포(22)가 180도 뒤집어진 상태로 제2콜렉터(130)로 이동된다. 그러면, 부직포(22)의 타면이 위를 향하도록 된다.
그리고, 제2콜렉터(130)와 제2방사노즐(140) 사이에 고전압 정전기력을 인가함에 의해 제2방사노즐(140)에서 방사용액을 초극세 섬유 가닥들로 만들어 부직포(22)의 타면에 방사한다. 그러면 부직포(22)의 타면에 초극세 섬유 가닥들이 축적되어 미세 다공을 갖는 제2나노 섬유 웹(26)이 형성된다.
이러한 공정을 거쳐 제조된 필터 여재(20)는 가압 롤러(180)를 통과하면서 일정 두께로 가압된 후 필터 여재 롤(190)에 감겨진다.
여기서, 본 발명에서는 부직포를 준비하고, 상기 부직포의 일면에 고분자 물질이 8~10wt% 함유된 저농도 고분자 물질 혼합 용액과 고분자 물질이 15~17wt% 함유된 고농도 고분자 물질 혼합 용액을 순차적으로 전기 방사하여 나노 섬유 웹을 형성한 후, 상기 부직포의 타면에 고분자 물질이 8~10wt% 함유된 저농도 고분자 물질 혼합 용액과 고분자 물질이 15~17wt% 함유된 고농도 고분자 물질 혼합 용액을 순차적으로 전기 방사하여 나노 섬유 웹을 형성하여 필터 여재를 제조할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 부직포를 준비한 다음, 이형지에 고분자 물질을 전기방사하여 나노 섬유 웹을 형성하고, 그 후, 상기 부직포의 양면에 상기 나노 섬유 웹을 합지하여 상기 부직포의 융점보다는 낮고 상기 나노 섬유 웹의 융점보다는 높은 온도로 가열하여 부직포와 나노 섬유 웹을 열융착 접합하여 필터 여재를 제조하는 방법도 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 필터 여재는 부직포와 나노 섬유 웹을 핫 멜트 파우더나 핫 멜트 웹을 이용하여 접착시켜 제조할 수도 있다.
이하 상기와 같은 필터 여재를 구비하여 구성되는 필터 장치의 작용을 설명한다.
하우징(10) 내부로 여과를 위한 물이 유입되면, 배출구(14)에 연결된 펌프(16) 작동으로 물이 필터 여재(20)를 통과하면서 여과되어 배출구를 통해 배출된다.
그리고, 필터 여재(20)의 표면에 부착된 부착물질을 제거하는 필터 여재 세척공정을 실시할 경우 펌프(16)가 역방향으로 구동되어 배출구(14)를 통해 세척수가 유입된다. 이때 세척수는 세척에 필요한 약품이 투여된 세척수가 사용될 수 있다.
여기서, 펌프(16)는 배출구(14)에 연결되어 하우징(10) 내부의 물을 펌핑하거나 세척수를 하우징(10) 내부로 공급하는 기능을 수행한다.
배출구(14)를 통해 세척수로 유입되면 부직포(22)를 통해 유입된 세척수가 제1나노 웹(24)과 제2나노 웹(26)으로 배출되면서 제1나노 웹(24)과 제2나노 웹(26)의 표면에 부착된 부착물질이 떨어진다.
그리고, 기포 발생용 노즐(30)에서 발생된 기포가 제1나노 웹(24)과 제2나노 웹(26)의 표면으로 공급되어 제1나노 웹과 제2나노 웹에 부착된 부착물질을 떼어내는 역할을 한다. 즉, 기포 발생용 노즐(30)은 하우징(10)의 일측에 설치되어 필터 여재(20)를 세척하는 기능을 수행한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 여재를 설명하기 위한 일부 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 적용된 나노 섬유 웹의 나노 섬유 단면도이다.
전술된, 필터 여재는 부직포에 나노 섬유 웹이 적층되어 있는 구조를 갖는다. 나노 섬유 웹은 부직포의 일면에 적층된 제1나노 섬유 웹 및 부직포의 타면에 적층된 제2나노 섬유 웹 구조, 또는 부직포의 상면을 제외한 모든 면에 나노 섬유 웹이 적층된 구조로 구현될 수 있다.
이때, 부직포와 나노 섬유 웹은 열 압착으로 인하여 융착될 수 있으며, 나노 섬유 웹의 융점을 부직포의 융점보다 낮게 설계하여, 열 압착시 인가되는 열에 의해 나노 섬유 웹이 녹아서 부직포에 융착되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 나노 섬유 웹을 형성하기 위한 고분자물질이 PVdF로 적용한 경우, PVdF의 융점(melting point)은 155℃이므로, 부직포는 155℃보다 높은 융점을 갖는 폴리에스터 계열, 나일론 계열 및 셀룰로오스 계열 중 하나로 이루어진 부직포를 적용한다.
그러므로, 열 압착시, 부직포에 접한 나노 섬유 웹 영역이 녹아서 부직포와 융착된다. 여기서, 부직포의 기공 크기는 나노 섬유 웹의 기공 크기보다 월등히 크므로, 녹은 나노 섬유 웹의 일부는 부직포의 기공 내부에 침투하게 된다. 즉, 도 6과 같이, 열 압착되기 전의 부직포와 나노 섬유 웹의 경계면(29)을 기준으로, 열 압착한 후에 그 경계면(29)에서 나노 섬유 웹 방향(A) 및 부직포 방향(B)으로 녹은 나노 섬유 웹이 확산되어 분포하게 된다. 이러한 기술적인 특징을 바탕으로, 나노 섬유 웹의 녹은 량의 정도를 조절하게 되면 부직포의 기공에 나노 섬유 웹이 녹아들어가게 되고, 부직포 기공에 스며들어간 나노 섬유 웹이 락킹(Locking)하는 역할을 수행하여 나노 섬유 웹과 부직포의 접착력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는, 나노 섬유 웹을 형성하는 고분자물질로, PVdF와 PAN을 5;5 또는 6:4로 혼합한 고분자물질을 적용할 수 있다. 이때, 전기방사된 나노 섬유는 도 7과 같이, PAN으로 이루어진 코어(27a), 및 그 코어(27a) 외주면을 감싸고 PVdF로 이루어진 외피부(27b)를 갖는 구조로 형성되고, 이러한 구조의 나노 섬유가 적층되어 나노 웹을 형성하게 된다. 코어(27a) 및 외피부(27b) 구조를 갖는 나노 섬유가 적층된 나노 섬유 웹과 부직포가 열 압착하게 되면, 외피부(27b)의 PVdF가 녹아서 부직포에 스며들어 융착된다.
본 발명에서는 다른 방법으로, 나노 섬유 웹과 부직포 사이에 융착 보강재(미도시)를 개재시킬 수 있다. 융착 보강재는 나노 섬유 웹 및 부직포 각각과 우수한 접착력이 있어야 한다. 즉, 융착 보강재의 일면은 나노 섬유 웹과 융착되고, 융착 보강재의 타면은 부직포와 융착됨으로써, 융착 보강재를 사용하여 나노 섬유 웹과 부직포를 융착하는 경우, 열압착에 의하여 나노 섬유 웹과 부직포를 융착하는 것보다 접착 강도를 더 증가시킬 수 있다. 따라서, 이런 필터 여재 구조는 필터 장치 내에서 필터 기능 및 세척 기능이 반복수행되는 동안 나노 섬유 웹과 부직포의 박리 현상을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이때, 융착 공정은 열 압착에 의해 나노 섬유 웹과 부직포 각각을 녹여서 융착 보강재에 융착시키는 공정일 수 있다.
또한, 융착 보강재는 물이 통과될 수 있는 개구들이 형성되어 있어야 한다. 이런 개구는 나노 섬유 웹의 기공과 부직포의 기공을 연결하여, 나노 섬유 웹과 부직포 사이에 물이 원활하게 통과시킬 수 있다. 아울러, 융착 보강재는 필터 여재의 강도를 보강할 수 있는 기능을 갖는 재질로 구현할 수 있다.
상기한 바와 같은 융착 보강재로는 핫 멜트 파우더 또는 핫 멜트 웹을 들 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10: 하우징 12: 유입구
14: 배출구 20: 필터 여재
22: 부직포 24: 제1나노 웹
26: 제2나노 웹 30: 기포 발생용 노즐
110: 제1콜렉터 120: 제1방사노즐
130: 제2콜렉터 140: 제2방사노즐

Claims (17)

  1. 다공성 기재;
    상기 다공성 기재의 양측에 적층되며, 고분자 물질을 전기 방사하여 형성된 다수의 미세 기공을 갖는 나노 섬유 웹; 및
    상기 다공성 기재와 상기 나노 섬유 웹을 일체로 융착하기 위한 융착 보강재;를 포함하며,
    상기 융착 보강재는 상기 나노 섬유 웹과 다공성 기재 사이에 위치하며, 핫 멜트 파우더 및 핫 멜트 웹 중에서 선택된 어느 하나이고,
    상기 다공성 기재는 폴리에스터 계열, 나일론 계열, 폴리올레핀 계열 및 셀룰로오스 계열 중에서 선택된 어느 한 계열의 부직포이고,
    상기 나노 섬유 웹은 상기 나노 섬유 웹보다 돌출된 상기 부직포의 상면을 제외한 전체 면에 감싸도록 적층 형성되어 있으며,
    상기 부직포의 상면의 돌출된 부분에는 상기 부직포를 통해 정화된 물이 배출되는 배출 파이프가 연결되는 것을 특징으로 하는 필터 여재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 섬유 웹을 형성하는 고분자 물질은 PVdF를 포함하는 필터 여재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 PVdF와 PAN을 5:5 또는 6:4로 혼합한 고분자 물질인 필터 여재.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 오폐수 유입구 및 배출구를 구비하는 하우징;
    상기 하우징 내에 일정 간격을 두고 배열되어, 하우징 내에 저장된 오폐수를 여과하는 청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 기재된 다수의 필터 여재; 및
    상기 배출구에 연결되어 상기 하우징 내부의 물을 펌핑하거나 세척수를 하우징 내부로 공급하는 펌프;를 포함하는 필터 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하우징의 일측에 설치되어 필터 여재를 세척하는 기능을 하는 기포 발생용 노즐을 포함하는 필터 장치.
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