KR101753705B1

KR101753705B1 - 유체의 오염물을 제거하는 물질 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101753705B1
Application number: KR1020127003826A
Authority: KR
Inventors: 세리뉴 디움
Original assignee: 세리뉴 디움
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2017-07-04
Also published as: EP2454199A1; JP6044341B2; ES2659882T3; AU2010272428A1; RU2559498C2; AU2010272428B2; MX2012000689A; PT2454199T; EP2454199B1; JP2012532921A; WO2011007097A1; CN102482119A; CO6612192A2; PL2454199T3; BR112012000768B1; US20120138526A1; CA2768001C; PE20121295A1; NO2454199T3; IL217496A0

Abstract

본 발명은 유체에서 오염물을 제거하는 물질(10)에 관한 것으로, 외부 및 내부 비표면(14)을 가지는 다공성 바디(12)와 상기 다공성 바디(12)의 외부 및 내부 비표면(14)의 적어도 일부를 덮는 최대 나노 스케일 두께의 금속층(16)을 포함한다. 상기 금속층(16)은 분자 내 힘의 작용에 의한 화학 결합(18)으로 상기 다공성 바디(12)에 결합되는 적어도 하나의 금속(Ag)을 포함한다.
또한, 상기 금속층(16)은 분자 내 힘의 작용에 의한 화학 결합(18)으로 상기 다공성 바디(12)에 결합되는 실리콘을 더 포함한다.

Description

유체의 오염물을 제거하는 물질 및 그 제조방법{PRODUCT FOR REMOVING POLLUTANTS FROM A FLUID, AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 유체의 오염물 제거를 위한 물질에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다.

여과에 의해 작용하는 수중 오염물 제거 물질이 잘 알려져 있다. 예컨대, 활성 탄소, 모래 또는 다른 다공성 바디는 매우 큰 흡착성을 제공하는 큰 외부 및 내부 비표면에 의하여 매우 우수한 여과 성능은 가진다. 그러나 이러한 물질의 주요한 단점은 직접적인 기계적 여과력 외에 살균 효과 또는 항균 효과가 없다는 것이다. 오히려 세균의 완벽한 번식 장소가 될 수 있으며 여과수가 음용 가능한지를 보장할 수 없는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 처리 과정에서 소독양(염소, 과산화물 등)을 첨가하여야 한다.

물의 살균 처리를 위한 물질로서, 염 형태의 은이 주입된 활성 탄소로 만들어진 물질이 또한 잘 알려져 있다. 이러한 처리 물질은 특히 활성 탄소를 질산염 및 다른 은염 용액에 담금으로써 생성될 수 있다. 예컨대, 이러한 유형의 물질에 대한 정보는 FR 2 585 694로 공개된 특허에 개시되어 있다. 이러한 물질의 단점은 불가피하게 처리수에 은 및 질산염이 침전됨으로써 야기된다. 얻어진 물질에 남은 질산염 및 처리 과정에서 첨가된 은은 약한 반데르발스 화학 결합에 의하여 다공성 바디에 결합된다.

또한, FR 2 585 694 및 US 4,407,865로 공개된 특허에서는, 고진공이 생성되는 불활성 대기 중에서 가열함으로써, 활성 탄소의 금속화에 금속 음이 제공된다. 이때 은은 탄소에 침투될 수 있도록 증발된다. 이러한 과정은 탄소의 공극에 은이 잘 확산하도록 하지만 은이 탄소 공극에 부착하는 것은 처리수에서 은이 침전되도록 한다. 또한, 얻어진 물질은 잘 부서지며 물이 통과하면서 마모된다. 이러한 예는 안정적인 물질을 제공하지 못하고, 물질을 산업적으로 획득하기 어렵다.

최근에, 나노기술의 도입은 나노 물질 또는 하나 이상의 나노 스케일 성분을 가진 물질의 개발에 대한 전망을 제시하였다. 이러한 물질 또는 물질 성분은 특히 환경을 보호하거나 오염을 제거하는 적용예에 잘 맞는 특정의 우수한 특성을 가진다. 특히, 유체 또는 물을 처리하는 분야에서는, 유체의 살균 또는 적어도 정균 처리 분야 또는 특히 금속 나노 입자에 의하여 화학적 오열물을 저하시키는 처리 분야에서와 같이 여과 분야(신세대 막을 통한 한외 여과(ultrafiltration))에서도 얼마간의 연구 개발이 이루어졌다.

예컨대, 나노입자 화학에 기초한 살충제를 제거하는 필터가 Chennai Institute of Technology (IIT)에서 개발되었다. 이는 금 또는 은의 나노입자와의 반응에 이어서 4염화탄소와 같은 할로겐화 탄화수소가 금속 할로겐화물 및 비결정성 탄소로 부서지는 것을 발견한 결과이다. 그러나. 이러한 필터는 살균 또는 정균 효과를 가지지 못한다.

다른 예는 홍콩대학(University of Hong Kong)이 개발한 Nano-Fotocide unit(상표명)으로서, 그 원리는 저에너지 자외선의 작용 및 티타늄 이산화물의 활성화에 기초한 것이며, 탄소 이산화물 및 물을 얻음으로써 세균 또는 바이러스와 같은 특정 오염물을 산화시키는 히드록실라디칼을 생성하기 위하여, 그 표면이 공기 또는 물이 있을때 촉매로 작용한다. 그러나, 탄소 이산화물을 생성하는 이러한 반응은 온실가스 방출을 줄이기 위해서는 이상적이지 않다.

마지막으로, 최근 특히 라이스 대학(Rice University, Houston, USA)에서, 이중 금속 나노입자, 및 자외선 작용에 의한 유기 향료와 하수에 포함된 살충제를 분해하는 그 효능에 대한 연구가 실행되었다.

또한, 최근의 플라즈마 환경에서 다공성 바디에 금속 원자를 주입하는 방법은 우수하게 제어되며, 주입된 금속 원자와 다공성 바디의 특정면 사이에 강한 화학 결합을 형성함으로써 금속염을 생성하지 않는 발전을 보였다.

'강한 화학 결합'은 분자내 힘의 작용에 의한 화학 결합에 관계된 모든 결합을 의미하며: 즉 공유 결합(두 원자 사이에 전자 구름의 공유), 이온 결합(하나의 원자로부터 다른 원자로 적어도 하나의 전자의 전달) 또는 하나나 복수의 전자의 고에너지 수준의 결합을 포함한다. 반대로, 약한 화학 결합은 분자간 힘, 즉 원자, 분자 또는 결정 사이의 약한 강도의 전기적 상호작용의 힘의 작용으로부터 기인한다: 특히 원자들 사이에 전자 공유가 없는 반데르발스(Van de Waals) 유형 결합이 이 카테고리에 속한다.

따라서, 본 발명은 특히 상기한 유형의 물질로서, 외부 및 내부 비표면을 가지는 다공성 바디와 상기 다공성 바디의 외부 및 내부 비표면의 적어도 일부를 덮는 최대 나노 스케일 두께의 금속층을 포함하며, 상기 금속층은 분자 내 힘의 작용에 의한 화학 결합에 의하여 상기 다공성 바디에 결합되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 물질에 적용된다.

이러한 물질에 대한 정보는 EP 0 979 212로 공개된 특허에 개시되어 있다. 이러한 물질은 다공성 바디와 이 다공성 바디의 전체 외부 및 내부 비표면에 균일하게 퍼져있는 금속층을 포함하고, 금속 원자가 공유 결합에 의하여 다공성 바디의 외부 및 내부 표면에 결합된다. 물과 같은 유체의 처리에 이러한 물질을 사용하는 것은 그 잠재적 살균 효능을 증명한다.

그러나, 여전히 유체에서 오염물을 제거하는 물질로서 이러한 유체의 처리를 더 향상시킬 수 있는 발명의 필요성이 있다.

따라서, 본 발명의 대상은, 외부 및 내부 비표면을 가지는 다공성 바디와 상기 다공성 바디의 외부 및 내부 비표면의 적어도 일부를 덮는 최대 나노 스케일 두께의 금속층을 포함하며, 상기 금속층은 분자 내 힘의 작용에 의한 화학 결합으로 상기 다공성 바디에 결합되는 적어도 하나의 금속을 포함하는, 유체에서 오염물을 제거하는 물질에 있어서, 상기 금속층은 분자 내 힘의 작용에 의한 화학 결합으로 상기 다공성 바디에 결합되는 실리콘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질이다.

다공성 바디에 강한 결합에 의해 결합된 금속층에 실리콘을 추가하는 것은 물질의 살균 특성을 보존하면서 예상치 못한 새로운 특성, 즉 전자기 선에 대하여, 특정 탄화수소 및 다른 살충제와 같은 화학 오염물의 분해 과정에서 처리된 유체 및 활성 촉매에 에너지의 전달을 제공한다.

선택적으로, 상기 실리콘의 적어도 일 부분은 또한 상기 금속층의 금속에 분자 내 힘의 작용에 의한 화학 결합으로 결합된다.

선택적으로, 상기 다공성 바디는 탄소질의 요소를 포함하고, 상기 다공성 바디와 상호작용하는 상기 금속층은 약 283 eV의 에너지 레벨에서 명확히 드러나는 금속 규화물의 탄소화물인 요소를 포함한다.

선택적으로, 상기 금속층은 공유 화학 결합에 의하여 결합되는 탄소, 실리콘 및 금속 원자들을 갖는 요소들을 더 포함한다.

선택적으로, 상기 다공성 바디는 탄소 파우더(carbon powder), 그래파이트(graphite), 활성 탄소(activated carbon), 모래(sand) 및 제올라이트(zeolite)로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 요소를 포함한다.

선택적으로, 상기 금속은 원소 질량이 구리보다 크거나 구리와 같은 하나 이상의 중금속을 포함한다.

선택적으로, 상기 금속층은 상기 다공성 바디의 외부 및 내부 비표면을 골재(aggregates)를 형성함으로써 부분적으로 덮는다.

본 발명의 다른 대상은 외부 및 내부 비표면을 가지는 다공성 바디를 불활성 가스 플라즈마 증착 반응기에서 고주파 방전으로 처리하는 단계로서, 다공성 바디를 플라즈마에 잠입하고 플라즈마에 금속을 주입함으로써 처리하는 단계를 포함하는, 유체에서 오염물을 제거하는 물질의 제조방법에 있어서, 상기 다공성 바디를 처리하는 단계는 플라즈마에 실리콘을 주입하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질의 제조방법이다.

선택적으로, 상기 증착 반응기는 약 10 kW의 전력을 가지고 RLC 임피던스 매칭박스(RLC impedance matching-box)에 연결된 다이오드 반응기(diode reactor)이고, 상기 처리 단계 중 플라즈마의 여기 온도는 5000 K 내지 7000 K 사이로 된다.

선택적으로, 본 발명에 따른 유체에서 오염물을 제거하는 물질의 제조방법은 특히 5 내지 500 Pa 사이의, 저압의 유동층 반응기(fluidized bed reactor)에서 저온 불활성 가스 플라즈마와 유도 방전으로 다공성 바디를 기능화하는 예비 단계를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조한 실시예를 통하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
- 도 1은 본 발명에 따라 유체에서 오염물을 제거하는 물질의 일부에 대한 구조를 나타내는 도면이다.
- 도 2는 도 1의 물질의 제조 방법을 구현할 수 있는 일반적인 설치구조를 나타내는 도면이다.
- 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 물질을 포함하는 여과장치에 의해 처리되거나 처리되지 않은 유체에 대해 측정한 에너지 레벨을 나타내는 도면이다.

유체에서 오염물을 제거하는 물질(10)은 그 일부가 개략적으로 도 1에 도시되어 있는데, 다공성 바디(12)를 포함하며 이 다공성 바디는 외부 및 내부 비표면(14)(outer and inner specific surface)을 구비하며, 이 표면의 영역은 상당한 여과능력을 갖고 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 다공성 바디는 예를 들어 평균 입도가 0.5mm 내지 1mm인 탄소 분말 또는 입자, 시트 또는 막대 형태의 흑연, 활성탄, 활성탄의 조직 또는 섬유, 이들의 조합과 같은 탄소질 요소를 포함한다. 또한, 다공성 바디는 다른 요소들, 특히 모래나 제올라이트처럼 내부에 규소를 갖고 있는 요소들을 포함할 수 있다. 특별한 처리를 하지 않아도, 이러한 다공성 바디는 이미 여과능력을 갖추고 있으나, 살균성질이나 정균성질은 갖추고 있지 않다.

도 2와 관련하여 자세히 설명하게 될 처리과정을 거치면, 이 물질(10)은 금속층(16)을 갖게 되는데, 이 층의 두께는 최대 나노 규모(nanoscale)인데, 다공성 바디(12)의 외부 및 내부 비표면(14)의 적어도 일부분을 커버하게 된다. 두께가 최대로 해도 나노 규모이므로, 두께는 결코 수 나노미터(a few nanometer)를 초과하지 아니하고 - 대부분 심지어는 1 나노미터보다 작게 유지될 수도 있다.

금속층은 금속, 예를 들어 은을 포함하며 또한 규소도 포함한다. 이러한 요소의 은(Ag)과 규소(Si) 원자는 다공성 바디(12)에 결합되는데, 이러한 결합은 강한 화학 결합에 의해, 즉 위에서 제공된 정의에 따라 분자 내 힘에 의한 화학 결합에 의해 이루어진다. 또한, 금속층(16)의 특정 은(Ag) 및 규소(Si) 원자는 분자 내 힘에 의한 화학 결합에 의해 서로 결합할 수 있다.

도 1의 물질은 은으로 금속화된 층을 구비하고 있는데, 이는 단지 하나의 예일 뿐이며 결코 이에 한정되는 것은 아니고, 따라서 다른 모든 중금속 또는 중금속의 조합(예를 들어 바이메탈)으로도 금속화되는 층을 똑같이 구현할 수 있고, 특히 금, 구리 및 아연을 예로 들 수 있다. 보다 일반적으로, 중금속이라 함은 원자질량이 구리와 같거나 더 큰 것으로 이해할 수 있다. 니켈도 또한 적용할 수 있다: 니켈은 보통 알레르기를 일으키고 암을 유발하는 것으로 알려져 있지만, 해로운 영향을 미치지 않을 정도의 매우 소량으로 물질(10)에 포함될 수 있다.

이런식으로, 물질(10)은 주로 탄소와 매우 소량의 규소 및 중금속으로 구성되며, 중금속은 불순물이 없는 매우 순수한 형태로 존재하는 것이 바람직하다. 금속의 순도는 예를 들어 N6으로서, 즉 99.9999%에 해당한다. 또한, 이 물질을 얻는 방법은 도 2를 참고로 하여 상세히 설명할 것이데, 이 방법을 통해 산화되지 않은 형태(은을 사용하는 경우 Ag^o의 형태)의 금속을 포함하는 강한 화학 결합으로 금속층을 증착(deposition)시킬 수 있다.

은과 규소와 다공성 바디 사이에 강한 화학 결합이 이루어진 은을 입힌 층은 산화반응의 강한 촉매작용에 의해 물질(10)에 살균효과를 제공하거나, 적어도 정균효과를 제공한다.

도 2를 참고하여 설명하는 물질의 제조 방법을 이용하면, 금속층(16)은 다공성 바디(12)와 반응하여 규화금속의 탄화물 성분을 포함하게 되는 이점이 있고, 이 탄화물은 대략 283 eV의 에너지 레벨에서 뚜렷이 나타난다. 분자구조가 매우 안정적이어서 견고하고 강한 이러한 요소를 생성한다는 것은, 금속과 규소와 다공성 바디(특히 다공성 바디의 탄소 부분) 사이의 화학 결합이 매우 강하고, 더 구체적으로는 공유결합이나 이온결합보다 더 강하다는 것을 의미한다. 따라서, 물질(10)은 예를 들어 물과 같은 유체를 처리하는데 사용할 경우 구성성분 중 하나를 잃을 위험이 없고, 비록 금속층의 두께가 최대로 해도 나노규모일지라도 나노입자는 염석(salting-out)의 위험이 없기 때문에, 물을 마실 수 있도록 이용될 수 있고 또한 유체를 정화해야하는 다른 농작-영양(agro-alimentary)의 산업처리에 연계시킬 수도 있다.

또한, 금속층(16)은 공유 결합으로 함께 결합되는 탄소와 규소 및 금속 원자를 포함하는 요소를 구비할 수 있다.

마지막으로, 바람직한 실시예로서, 금속층(16)은 집합체를 형성하여 다공성 바디(12)의 외부 및 내부 비표면(14)의 일부분만 덮을 수 있다. 이 경우, 활성부위가 이온교환과 흡착 및 촉매반응에 참여할 수 있는 다공성 바디의 구멍(특히 미세공)은 금속층(16)에 의해 완전히 차단되지 않는다.

도 2의 장치(20)는 상술한 물질(10)을 제조하는 방법을 구현하기 위한 것이다. 이 장치는 단지 개략적으로만 표현되어 있으며 축척도 고려하지 않았다.

이 장치는 제1 기능 플라즈마-향상 반응기(22)를 포함하고 있고, 이 반응기(22)는 게이트(28)를 포함하는 이송시스템을 구비하는 덕트(26)를 이용하여, 플라즈마에 의해 제2 오프-밸런스 증착 반응기(24)에 연결되어 있다. 이송시스템과 게이트(28)를 제어함으로써, 플레이트(30)는 제1 반응기(22)의 내부에서 제2 반응기(24)의 내부로 이동하게 된다. 각각의 반응기에서, 전극(32) 사이에 플라즈마 환경이 생성되고, 플레이트(30)에 배치되는 다공성 바디(12)는 플라즈마 속에 잠기게 된다.

더 구체적으로, 상기 물질(10)의 제조 방법을 이용하여, 제1 기능화 단계(100)가 진행되는 동안, 다공성 바디(12)는 제1 반응기(22)의 플라즈마 속에 잠긴다. 반응기(22)는 낮은 압력의, 바람직하게는 그 압력이 5 Pa 내지 500 Pa 정도인 유동층 베드를 갖고 있는데, 저온 불활성 가스 플라즈마와 유도성 방전이 제공된다. 사용하는 불활성 가스는 예를 들어 아르곤일 수 있다. 제1 단계(110)가 진행되는 동안, 다공성 바디(12)는 아르곤 이온에 의해 충격을 받게 되는데, 이로써 생기는 첫 번째 효과는 불순물을 제거하는 것이고 또한 외부 및 내부 비표면을 증가시키고 고정 부위를 생성함으로써 활성 표면을 전개하는 것이다.

단계(100)에서 작용하는 매개변수는 다음과 같다:

- 아르곤 흐름: 사용하는 물질의 유형에 따라 달라짐

- 반응기 압력: 5 Pa 내지 500 Pa

- 반응기 온도: 저온 플라즈마 환경일 때의 표준 온도

- 플라즈마의 여자(excitation) 전력: 100 W 내지 400 W, 예를 들어 400 W, 및

- 기능화 단계의 기간: 5분

제2 증착 단계(102)가 진행되는 동안, 예를 들어 게이트(28)를 열고 이송 시스템을 제어하여, 즉 덕트(26)를 통해 플레이트(30)를 이동시킴으로써, 다공성 바디(12)는 제2 반응기(24)의 플라즈마에 잠기게 된다. 반응기(24)는 전력이 약 10 kW인 다이오드 반응기로서, 이 반응기는 RLC 임피던스 매칭-박스에 연결되어 있고, 따뜻한 불활성 가스 플라즈마와 고주파 방전이 제공된다. 사용하는 불활성 가스는 예를 들어 아르곤일 수 있다. 증착 반응기(24)는 은과 규소의 공급원을 더 포함하고 있다. 은 공급원은 예를 들어 하나 이상의 은 와이어 또는 은 플레이트 또는 은 시트일 수 있고, 그 크기가 반응기(24)에서 생성되는 플라즈마 환경을 방해하지 않을 정도로 되어 있다. 규소 공급원은 예를 들어 석영 플레이트 또는 석영 조각일 수 있고, 역시 그 크기와 형태는 플라즈마 환경을 방해하지 않을 정도로 되어 있다.

또는, 다공성 바디가 규소를 포함하는 경우, 특히 모래나 제올라이트를 포함할 때, 규소 공급원은 다공성 바디 자체가 될 수 있다. 예를 들어, 다공성 바디는 활성탄과 제올라이트의 혼합물로 이루어질 수 있다. 제올라이트는 복잡한 구조적 관점에서 보면, 산소 이온 교환에 의해 서로 결합된 사면체 AlO₄ 및 SiO₄에 4중 결합된 일련의 3차원 구조체에 기초하는, 무기 결정성 중합체이다. 이러한 혼합물을 이용하는 경우, 기능화 단계(100)에 의하면, 얇은 층으로 덮음으로써 탄소 대공극이 일반적인 제올라이트 대공극에 결합되게 된다. 탄소 대공극을 통해서, 활성 부위가 이온교환, 흡착 및 촉매반응에 참여할 수 있는 제올라이트 대공극에 쉽게 접근할 수 있게 된다.

제2 단계(102)가 진행되는 동안, 플라즈마 온도가 5000 K 내지 7000 K인 상태에서 은과 규소의 공급원은 아르곤 이온에 의해 충격을 받게 되어, 적어도 다공성 바디(12)의 외부 및 내부 비표면에서 아르곤 플라즈마에 은과 규소 원자가 주입되고, 따라서 금속층이 형성되며, 그 두께는 최대로 해도 나노 규모이며, 이 금속층은, 은 규화물의 탄화물을 형성함으로써 그리고 탄소와 은과 규소를 결합하는 공유결합된 부산물을 형성함으로써 다공성 바디에 결합된다. 이 층은 바람직하게는 집합물 형태로서, 단계(102)의 처리 매개변수를 조절하여 더 균일한 층을 생성할 수 있어도, 다공성 바디(12)의 구멍을 막지 않는다. 단계(102)가 수행되는 기간은 달라질 수 있지만, 두께가 최대 나노 규모인 집합물 형태로 금속층을 생성함에 있어서 5분 미만의 시간이 소요되는 것이 바람직할 것이다. 제2 반응기(24)에서 전극(32) 사이의 공간은 예를 들어 약 4 cm로서, 매우 높은 전기장을 플라즈마 내에 형성할 수 있다. 이로써 아르곤 이온 유동의 강도의 모듈성을 강화할 수 있고, 다공성 바디(12)의 표면의 기능성을 최적화할 수 있다. 또한, 이 제2 단계(102)에 의하면, 외부 및 내부 비표면을 증가시킴으로써 물질(10)의 활성 표면이 성장하게 된다.

단계(102)에서 작동 매개변수는 아래와 같다:

- 유동 또는 아르곤: 약 40 sccm (분당 cm³),

- 반응기 내 압력: 약 0.01 Pa,

- 반응기 내 플라즈마 여자 온도: 5000 K 내지 7000 K, 주로 약 6000 K,

- 플라즈마 여자 전력: 1.5 kW,

- 고주파 방전 주파수: 13.56 MHz,

- 자동 분극 전압: 적어도 1.2 x 10⁵ V/m,

- 증착 단계의 기간: 3분, 및

- 증착 두께: 5 내지 10 옹스트롬.

이러한 조건에서, 준안정 여자 상태 ³P₂ 에서 고밀도의 아르곤 원자를 생성할 수 있고, 이로써 다공성 바디(12)와 접촉할 때 대량의 하방천이(deexcitation) 에너지가 제공된다. 물질의 주입속도는 7.5 ㎍/s이다.

획득한 물질(10)의 X 레이 광전자분광법 특성에 의해, 은 규화물의 탄화물의 에너지 피크는 283 eV에서 현저히 드러나고, 또한 탄소와 규소와 은과 관련한 기타의 결합 에너지뿐만 아니라 기타의 극소량의 산화된 상태도 볼 수 있고, 이는 화학적 청소 메커니즘에 도움이 되며 유체를 처리할 때 우연히 발생하는 박테리아와 바이러스를 산화시키는 데도 도움이 된다.

본 발명에 의해 생성되며 활성탄과 같은 물질에 의해 상술한 방법과 같은 하나의 동일한 통합방법에 의해 기능성을 갖게 되는 물질(10)에 대하여, 물을 처리하도록 시험을 하고 분석을 하였다. 살균처리가 잘 이루어진다는 것이 입증되었고, 또한 화학적 오염물을, 즉 특정 탄화수소 및 예를 들어 DDT(디클로로디페닐트리클로로에탄)와 같은 다른 살충제를 분해하는 과정의 촉매도 될 수 있었다. 또한, 탄화물 형태로 규소가 존재하면 물질의 전기적 성질로 개선된다는 것을 알 수 있다.

시험의 실험 조건

제1 두께 필터와 처리 물질(10)을 포함하는 제2 탄소 필터를 구비한 여과장치를 실험실에 설치하여, 물에 있는 일정수의 인체병원성세균을 제어할 때 그 효과를 측정하였다. 물의 공급원으로서 템스(Thames) 강에서 가져온 처리가 안된 물을 이용하여, 클래스 III 생물안전 모듈에서 작동하도록 여과장치를 세팅하였다.

시험에 사용한 장비의 정확한 품목은 아래와 같았다:

- 클래스 III 미생물 안전 작업대(class III microbiological safety cabinet),

- Watson-Marlow 800 시리즈 펌프(상표명),

- 가압 튜브,

- 템스강에서 가져온 50 리터의 물,

- 두 개의 살균, 50 리터 Nalgene(상표명) 용기,

- 제1 두께 필터(0.2μ),

- 물질(10)을 포함하는 탄소 필터,

- 플레이트 상의 한천(BCYE, YEA).

사용한 미생물은 아래와 같다:

- 슈도모나스 디미누타(Pseudomonas diminuta): 가장 작은 수중 박테리아 중 하나로서, 종종 필터를 시험하는데 사용되는데, 그 이유는 필터 시스템을 가장 잘 통과할 것 같은 유기체이기 때문이다,

- 대장균(Escherichia coli): 찌꺼기 오염(faecal contamination)을 나타내는 매우 중요한 지표,

- 녹농균(Pseudomonas aeruginosa): 면역결핍 환자의 기회감염 박테리아(opportunist bacteria),

- 레지오넬라 뉴모필라 혈정군 1 폰티악(Legionella pneumophila serogroup 1 Pontiac): 냉각 굴뚝뿐만 아니라 건물의 온수 시스템에서 증가하는, 리저넬라병(Legionnaire's disease)의 원인이 되는 박테리아 제제,

- 작은와포자충(Cryptosporidium parvum): 가장 흔히 사용되는 소독약인 염소에 대한 저항성 때문에 물 산업에 큰 문제가 되고 있는 원생동물 기생충(protozoan parasite).

미생물 원은 하룻밤 동안 37^oC로 인큐베이션된 적절한 한천 배지(breeding ground)에서 배양하였고, 그 후 각각의 미생물에 대해 ml당 10² 내지 10⁶의 접종물(inoculation)을 얻기 위해 별도로 미생물 원을 시험수에 부가하였다. 작은와포자충을 부가하여 ml당 10⁴ 내지 10⁵ 정도의 양을 획득하였다.

적어도 30분 동안 여과장치에서 순환 폐회로를 사용하여, 시험을 진행하기 전에 여과장치를 조정하였다. 박테리아 접종물(inoculation)을 포함하는 물을 4.15 l/min의 주입률로 필터에 주입하여, 박테리아 부하량(load)를 감소시키는 경우에 있어서 여과장치의 효율을 측정할 수 있었다.

제1 필터로부터 연속으로 희석을 하여, 여과장치에 들어가서 여과장치를 통과하는 박테리아의 유효 숫자(ml당 콜로니를 형성하는 단위)를 측정하였다.

여과된 물(100 ml)의 샘플을 여과시켜 농축시켰다.

이 샘플은 레지오넬라를 분석하기 위해 BCYE 한천의 배지에서 배양시켰다. 녹농균, 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 및 대장균 샘플을 적절한 한천 배지(YEA)에서 배양하였다.

각각의 시험으로부터 얻은 여과된 물의 샘플을 보존한 후 15일 후에 다시 배양하여, 재성장이 발생했는지 여부를 측정해보았다.

여과된 물의 표본(10 ml)을 여과되기 전의 물의 10 ml와 즉시 혼합시켰고, 5분 후에 그리고 15일 후에 즉시 배양할 수 있는 유기체의 수를 측정하였다.

프로피디움(propidium)과 다피(4'-6' diamidino 2-phenylindole)를 이용하여 생명 오염(vital contamination)을 측정하여, 여과전 물과 여과후 물의 작은와포자충(Cryptosporidium parvum)의 생존가능한 난모세포의 퍼센트를 측정하였다. 형광현미경을 이용하여, 현미경 시험을 통해 결과를 얻었다.

크립토스포리디움 단일클론 항체 오염(Cryptosporidium monoclonal antibody contamination)을 이용하여, 처리하기 전의 물과 처리된 물의 샘플에서 ml 내의 생존가능한 작은와포자충 난모세포의 수를 측정하였다. 이러한 항체는 형광물질로 표시하였다.

마지막으로, 장비를 포름알데히드로 훈증 소독하였고, 여과 장치 내부에 따뜻한 물(60^oC)을 지나가게 하여 작은와포자충을 비활성화시켰다.

시험 결과 및 논의

시험했던 여과장치는 시험했던 모든 종류의 박테리아의 99.9% 이상을 제거하였다. 대장균과 레이오넬라 뉴모필라(Legionella pneumophila)의 수는 100% 감소하였고, 처리 후에 박테리아는 전혀 발견할 수 없었다. 이것은 100 ml의 여과된 물을 농축하고 박테리아가 존재하는지에 대한 분석을 하였을 때 확인할 수 있었다. 템스강으로부터 퍼온 물을 이용하여 단순히 4.15 l/min 의 주입률로 물을 여과장치에 주입함으로써, 이러한 여과장치는 물에 있는 병원성 박테리아를 99.9% 이상 제거할 수 있다는 것을 알 수 있다.

여과된 물의 샘플을 15일 동안 보존하였고, 여과된 물의 샘플에서 다시 발현되는 현상은 일어나지 않았다.

박테리아를 여과된 물에 부가하여 잔여 살균효과를 측정하였다. 결과는, 5분 내에 10% 내지 20% 감소하였다. 그러나, 15일 후에, 90% 이상 감소한 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는, 여과된 물은 이 시험에서 사용한 박테리아에 의해 다시 오염되는 것을 빨리 극복할 수 없다는 것을 나타낸다.

원생동물 작은와포자충은 살균제에 의한 처리에 특히 저항력이 있다. 그러나, 여과장치를 통과하는 작은와포자충의 수가 현저히(95% 이상) 감소하였다.

나아가, 이 시험을 통해서 물질(10)을 포함하는 여과장치가 정화하는 성질이 있다는 것을 알 수 있게 되었고, 또한 매우 독특한 성질로서 정화 처리의 잔류성(remanence)이 있다는 것을 알 수 있게 되었다. 잔류성은 어떤 현상의 원인이 사라졌음에도 그 현상이 잔존하는 것으로 정의할 수 있다. 시험을 했던 살균성 처리의 경우, 처리된 유체는 정화력을 보존하여, 이 정화력은 염소나 기타 다른 물질과 같은 어떤 화학 물질을 전혀 보충하지 않아도 물의 청결성이 계속 유지되는 것을 보장한다. 이러한 잔류성을 연구하고 특성화함으로써, 여과장치를 통과하는 운동에너지나, 그 미네랄 성분, 등등과 같이 사용하는 처리 과정에 영향을 미치는 다른 매개변수를 결정할 수 있게 된다.

또한, 여과장치로 처리하기 전후의 물의 온도와 같은 매개변수를 보면, 처리 후에 촉매반응의 흡열 성질을 볼 수 있는데, 이는 대기온도가 27 ^oC 일 때 처음에는 26 ^oC 였던 처리하지 않은 물이 여과장치에서 나올 때 18 ^oC 였고, 대기온도가 일정할 때 동일한 환경에서 외부의 공기에 노출된 상태에 놓여져 있을 때에도 몇 시간 후에 계속 19 ^oC를 유지하는데, 이는 엔탈피의 변화가 양의 값이 되도록 한다.

마지막으로, Sonoscope라는 회사가 판매하는 "바이오스코프 시스템(Bioscope System)"(상표명)과 같은 장치를 사용하여, 물질(10)과 관련된 정전기 현상을 관찰하면, 처리된 유체에서는 매우 약한 전기장의 역학을 연구하는 것에 흥미를 갖게 된다. 이 장치가 작동하는 원리는 전자-바이오-임피던스에 기초하며, 이 장치는 모든 대생물작용 환경에 공통되는 전자-음향 분야에서 미묘한 변화를 기록한다. 이 장치는 비-음향 주파수에서 기준 신호를 생성하고, 이 신호는 확장할 수 있는 전기장을 조절하는데 사용된다. 이 기준 신호는 변환기 전극을 통해 분석대상인 샘플로 전송된다. 기준 신호는 장치와 디지털화된 샘플 사이에 설정된다. 물질이 환경과 접촉하면, 동요가 발생하게 되고 따라서 기준신호도 변경된다.

이 장치는 화학적 분석으로 검출할 수 없는 미묘한 상태 변화를 표시한다. 따라서, 매개변수의 변화를 매우 신속히 표시할 수 있고, 이 매개변수의 변화는 처리된 물의 수질의 변화 및 일어날 수 있는 오염의 변화를 포함한다.

도 3은 다이어그램을 이용하여 여자 주파수(281.25 Hz)가 동일하고 출구 유동이 동일한 경우, 물질(10)에 의해 처리된 물(다이어그램의 좌측)과 처리하지 않은 경우의 물(다이어그램의 우측)의 에너지 레벨의 차이를 명확히 나타내고 있다. 이 다이어그램은, 여자 파장에 대한 응답으로 0 Hz 내지 4000 Hz 사이에서 대응하는 환경(좌측에는 처리된 물이고 우측에는 처리하지 않은 물)이 전송하는 파장의 스펙트럼을 시간에 따른 구배로 나타내고 있다.

또한, 도 4에 있는 스펙트럼에서와 같이, 전자기 효과와 물질(10)의 활동적인 효과는 유체가 물질과 직접 접촉하지 않는 경우에도 처리된 유체에 영향을 미친다. 이 도면에서는, 물질(10)에 의해 처리된 물(좌측 다이어그램)과 처리하지 않았지만 물질(10)을 포함하는 여과장치 가까이에서 취득한 물(우측 다이어그램)의 에너지 차이가 덜 크다는 것을 알 수 있다.

관측한 정전기 현상이 이와 같이 입증되었고, 유체가 물질(10)에 근접한 상태에 있을 때 직접 접촉하지 않는 경우에도 처리해야할 유체를 여자(excite)시키는 힘을 증가시키는 효과가 시험을 수행한 여과장치에 있음을 알 수 있다. 이러한 전기적 성질은 규화금속의 탄화물이 존재하기 때문에 발생한다.

이러한 원동력은 다른 양의 물을 세포 배지에 주입할 때 그리고 단백질의 흡광도를 측정할 때 세포 레벨에 영향을 미친다. 처리되지 않은 물과 물질(10)을 사용하여 처리한 물의 효과를 비교하는 연구는 섬유아세포(firoblasts)의 배지(배지의 20% 내지 50%)에서 완료되었다. 48시간의 처리 후에 상청액(supernatant)에서 측정을 하였다. 결과는, 물질(10)을 사용하여 처리한 물을 주입하는 것이 배지에 대하여 50% 이상으로 증가 될 수 있었고, 반면 처리하지 않은 물은 셀들이 죽지 않고는 10%에 이를 수 없었다. 물의 비율을 늘리면 영양 배지가 약해지므로, 배지의 생물학적 이용률은 처리된 물에 의해 증가되는 것을 명확히 알 수 있다. 이에 따른 효과는 처리된 물에 의해 셀 성장이 더 좋다는 것이라 할 수 있다.

본 발명에 따라 오염물을 제거하는 물질, 특히 앞에서 설명하고 시험하였던 물질은 물, 공기 또는 기타 산업 유체와 같은 유체의 살균반응에 있어서 우수한 촉매반응력을 갖고 있다는 것을 명확히 알 수 있다. 시험결과가 보여주듯이, 에너지의 힘을 크게 증가시킴으로써, 처리된 유체의 살균효과가 몇 주 동안이나 잔류하고 또한 생물학적 이용율이 크게 향상되는 놀라운 효과가 있었다. 마지막으로, 직접 접촉하지 아니하면서 멀리서도 전자파가 유체에 영향을 미치는 효과도 있다.

도 2와 관련하여 설명한 오염물을 제거하는 물질을 얻는 방법에 의하면, 최종 물질의 비표면의 크기를 상당히 증가시킬 수 있고, 따라서 흡착력을 개선하여 여과능력도 개선시킬 수 있는데, 이는 기능화 단계(100)와 증착 단계(102)와 관련하여 구체적으로 설명하였다.

또한, 본 발명은 앞서 설명한 실시예로 한정되는 것은 아니다. 다른 금속, 특히 은을 제외한 중금속을 사용하여 층을 금속으로 피복할 수 있고, 이 층의 두께는 최대 나노 규모이다.

더 일반적으로, 당업자에게 잘 알려져 있듯이, 개시된 내용과 관련하여 상술한 실시예를 다양하게 변형할 수 있다. 아래의 청구항에서, 사용하는 용어는 청구항을 위에서 설명한 실시예로 한정하는 것으로 해석해서는 안되며, 청구항이 그 표현으로 커버하려는 모든 균등한 내용을 포함하고, 또한 의도하는 내용이 당업자가 일반적인 지식을 개시한 내용에 적용하여 도달할 수 있는 범위 내에 있는 것을 모두 포함하는 것으로 해석하여야 한다.

Claims

외부 및 내부 비표면(14)을 가지고 탄소질 요소(carbonaceous component)를 포함하는 다공성 바디(12)와, 상기 다공성 바디(12)의 외부 및 내부 비표면(14)의 적어도 일부를 덮는 최대 나노 스케일 두께의 금속층(16)을 포함하며, 상기 금속층(16)은 분자 내 힘의 작용에 의한 화학 결합(18)으로 상기 다공성 바디(12)에 결합되는 적어도 하나의 금속을 포함하는, 유체에서 오염물을 제거하는 물질(10)에 있어서,
상기 금속층(16)은 분자 내 힘의 작용에 의한 화학 결합(18)으로 상기 다공성 바디(12)에 결합되는 실리콘(silicon)을 더 포함하여, 다공성 바디의 탄소질 요소와 상호작용하는 금속 규화물의 탄소화물 요소를 형성하며, 상기 금속 규화물의 탄소화물 요소는 다공성 바디(12)를 고주파 방전과 함께 불활성 가스 플라즈마 증착 반응기(24)의 플라즈마 내로 잠입하고, 상기 적어도 하나의 금속 및 상기 실리콘(silicon)을 플라즈마에 주입함으로써 획득되는 것을 특징으로 하는, 유체에서 오염물을 제거하는 물질.
제1항에 있어서,
상기 금속 규화물의 탄소화물은 283 eV의 에너지 레벨에서 드러나는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질.
제1항에 있어서,
상기 금속층(16)이, 다공성 바디와 상호작용하는, 공유 결합에 의하여 상호 결합된, 탄소, 실리콘(silicon) 및 금속 원자들을 갖는 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질.
제1항에 있어서,
상기 다공성 바디(12)는 탄소 파우더, 그래파이트, 활성 탄소, 모래 및 제올라이트로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 금속은 원소 질량이 구리보다 크거나 구리와 같은 하나 이상의 중금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질.
제1항에 있어서,
상기 금속층(16)은 상기 다공성 바디(12)의 외부 및 내부 비표면(14)을 골재(aggregates)를 형성함으로써 부분적으로 덮는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질.
외부 및 내부 비표면(14)을 가지고 탄소질 요소(carbonaceous component)를 포함하는 다공성 바디(12)를 고주파 방전으로 불활성 가스 플라즈마 증착 반응기(24) 내에서 처리하는 처리 단계(102)를 포함하는, 유체에서 오염물을 제거하는 물질(10)의 제조 방법에 있어서,
상기 처리 단계(102)는, 금속 층(16)을 형성하기 위한, 다공성 바디(12)를 플라즈마에 잠입하는 단계와, 금속 및 실리콘(silicon)을 플라즈마에 주입하는 단계로 구성되며, 상기 금속 층은 최대 나노 스케일 두께를 가지고 상기 다공성 바디(12)의 외부 및 내부 비표면(14)을 덮으며, 다공성 바디의 탄소질 요소와 상호작용하는 금속 규화물의 탄소화물(carbide of metal silicide) 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
제7항에 있어서,
상기 증착 반응기(24)는 10 kW의 전력을 가지고 RLC 임피던스 매칭박스에 연결된 다이오드 반응기(diode reactor)이고, 상기 처리 단계(102) 내 플라즈마의 여기 온도는 5000 K 내지 7000 K 사이로 되는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질(10)의 제조방법.
제7항에 있어서,
저압의 유동층 반응기(fluidized bed reactor)(22)에서 저온 불활성 가스 플라즈마와 유도 방전으로 다공성 바디(12)를 기능화하는 예비 단계(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질(10)의 제조방법.
제9항에 있어서,
저압이 5 내지 500 Pa 사이인 것을 특징으로 하는 유체에서 오염물을 제거하는 물질(10)의 제조방법.