KR101816303B1

KR101816303B1 - 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그에 의해 제조되는 한지 필터

Info

Publication number: KR101816303B1
Application number: KR1020170066226A
Authority: KR
Inventors: 김광수; 김성연
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2017-05-29
Publication date: 2018-01-09

Abstract

본 발명은 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그를 이용한 분진, 휘발성 물질 제거 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조의 한지 필터를 제조할 수 있는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그를 이용한 분진, 휘발성 물질 제거 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기한 목적을 달성하기 위하여, 셀룰로오스를 마련하는 제1 준비 단계; 상기 셀룰로오스를 음이온화 하는 음이온화 단계; 상기 셀룰로오스와 혼합될 분말 활성탄을 마련하는 제2 준비 단계; 상기 분말 활성탄을 양이온화 하는 양이온화 단계; 상기 음이온화된 셀룰로오스와 상기 양이온화된 분말 활성탄을 혼합하는 혼합 단계; 및 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 냉동 건조하여 상기 분말 활성탄이 함침된 한지 필터를 생성하는 냉동 건조 단계를 포함하는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 동일한 방법에 의해 제조된 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터가 제공될 수 있다.

Description

분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그에 의해 제조되는 한지 필터{Preparation of Triple Layer Han-ji Filter and Its Application for Dust and VOCs removal}

본 발명은 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그를 이용한 분진, 휘발성 물질 제거 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조의 한지 필터를 제조할 수 있는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그를 이용한 분진, 휘발성 물질 제거 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 지구상 자연계의 생물에서 가장 많이 추출할 수 있는 유기탄소는 셀룰로오스(cellulose)이다. 셀룰로오스 성분은 1838년 Payen에 의해 발견되어 물리화학적 측면에서 오랫동안 광범위하게 연구하여 왔지만, 구체적인 구조가 밝혀진 것은 그렇게 오래 되지 않았다.

구체적으로, 셀룰로오스는 β-1.4-anhydro-D glucose가 연결된 직쇄의 폴리사카라이드(polysaccharide)이며, 자연계에서 생산되는 셀룰로오스는 glucose 단당류가 약 10,000-15,000개가 chain을 형성한 고분자 물질이다.

그리고, 이러한 셀룰로오스에 이종 물질을 투입하여 공기 중의 미세 먼지, 초 미세 먼지 또는 휘발성 물질을 제거할 수 있는 한지 필터를 제조하는 방법이 제시되어 왔다.

그러나 이와 같은 종래와 같은 한지 필터를 제조함에 있어서 셀룰로오스를 생물학적/화학적으로 분해한 후에 이종 물질과 혼합하여 한지 필터를 제조할 수 있으나, 셀룰로오스는 단량체(monomer)인 anhydro-glucose(3개의 수산기(OH-)함유)가 두 개가 모여서 이합체(dimer)인 셀로비오스(cellobiose)를 구성하며, 셀로비오스가 수소결합에 의해 반복적으로 강력하게 연결되어 있어서, 생물학적 그리고 화학적으로 분해하기가 매우 어렵다.

또한, 종래의 한지 필터의 제조 방법에 있어서, 셀룰로오스는 친수성 물질이어서 물과의 접촉 시 표면장력에 의해 섬유 간에 꼬임현상이 일어나 수중에서 균일한 농도로 분산하기가 매우 어렵다. 용액 내에서의 상기한 바와 같은 셀룰로오스의 뭉침 현상에 의한 불 균일 농도로 인하여 분말 활성탄이나 분말 제올라이트 등 휘발성 물질 흡착기능이 있는 이종의 물질을 투입 시 균일한 혼합이 매우 어려운 문제가 있다.

즉, 종래의 한지 필터 제조 방법은, 셀룰로오스를 분해하는 과정이 어려워 분말 활성탄을 함침시키기 곤란한 문제가 있다.

한편, 본 발명과 관련된 선행기술로는 한국특허등록 제 10-1551850 호, 한국특허공개 제 10-2012-0132898 호, 한국특허공개번호 10-2013-0096710 호 및 한국특허등록 제 10-1595424 호가 있다.

(문헌 1) 한국특허등록 제 10-1551850 호 (문헌 2) 한국특허공개 제 10-2012-0132898 호 (문헌 3) 한국특허공개번호 10-2013-0096710 호 (문헌 4) 한국특허등록 제 10-1595424 호

따라서, 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 분쇄한 한지 셀룰로오스에 분말 활성탄을 함침시켜, 다양한 크기의 초 미세먼지뿐만 아니라 휘발성 물질도 동시에 제거할 수 있도록 하는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조의 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그를 이용한 분진, 휘발성 물질 제거 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 한지 셀룰로오스 섬유의 가장 큰 문제점으로서, 한지 셀룰로오스 섬유가 용액 내에서 서로 뭉쳐지는 현상을 방지할 수 있는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그를 이용한 분진, 휘발성 물질 제거 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 음전하를 띈 셀룰로오스가 용액 내에서 서로 분산되어, 분말 활성탄의 각 입자와 균일하게 혼합될 수 있도록 하는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그를 이용한 분진, 휘발성 물질 제거 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따르면, 셀룰로오스를 마련하는 제1 준비 단계; 상기 셀룰로오스를 음이온화 하는 음이온화 단계; 상기 셀룰로오스와 혼합될 분말 활성탄을 마련하는 제2 준비 단계; 상기 분말 활성탄을 양이온화 하는 양이온화 단계; 상기 음이온화된 셀룰로오스와 상기 양이온화된 분말 활성탄을 혼합하는 혼합 단계; 및 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 냉동 건조하여 상기 분말 활성탄이 함침된 한지 필터를 생성하는 냉동 건조 단계를 포함하는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법이 제공된다.

본 발명에 있어서, 상기 음이온화 단계는, 상기 셀룰로오스를 분쇄하는 분쇄 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 분쇄 단계 이전에, 상기 마련된 셀룰로오스를 열 건조시키는 열 건조 단계; 및 상기 열 건조된 셀룰로오스를 압밀하는 압밀 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 열 건조 단계는, 상기 마련된 셀룰로오스를 100℃ 이상의 온도에서 열 건조시키는 고온 열 건조 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 분쇄 단계 이후에, 상기 분쇄된 셀룰로오스를 산화시키는 산화 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 산화 단계는, 상기 분쇄된 셀룰로오스에 템포(2, 2, 6, 6 tetramethyl-1-piperidinyloxy, TEMPO)를 첨가하는 산화제 첨가 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 양이온화 단계는, 상기 마련된 분말 활성탄에 수용성 양이온 고분자 물질을 코팅하는 양이온 코팅 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 수용성 양이온 고분자 물질은, 폴리머 수지를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 폴리머 수지는, 폴리에틸렌아민(polyethylenamine)을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 폴리머 수지는, 폴리에틸렌이민(polyethylenimine)을 포함하며, 상기 양이온 코팅 단계 단계는, 분말 활성탄 10g 당 상기 폴리에틸렌이민을 1ml씩 코팅하는 폴리에틸렌이민 코팅 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 혼합 단계는, 상기 음이온화된 셀룰로오스와 상기 양이온화된 분말 활성탄을 1:2의 비율로 혼합하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액으로부터 수분을 여과하여 상기 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 생성하는 여과 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 여과 단계는, 상기 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액을 진공 상태에서 가압하는 가압 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 가압 단계는, 상기 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액의 진공 압력을 시간의 경과에 따라 증가시키는 증가 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 진공압 증가 단계는, 상기 진공 압력을 0.01기압에서 1기압으로 증가시키는 진공압 증가 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 여과 단계는, 상기 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액으로부터 수분을 하향류로 여과하는 하향류 여과 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기한 방법들에 의해 제조된 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 필터를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법 및 그를 이용한 분진, 휘발성 물질 제거 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명은 셀룰로오스를 초 미세 크기로 미립화 시킬 수 있어 정전기적으로 음전하를 쉽게 띄게 할 수 있으며, 이에 따라 셀룰로오스 각 입자가 용액 내에서 균일하게 분산될 수 있고, 이에 따라 각 셀룰로오스가 서로 응집되는 것을 방지할 수 있으므로, 셀룰로오스의 미립화 공정이 더욱 용이해지는 효과가 있다.

본 발명은 셀룰로오스를 초 미세 크기로 미립화 시킬 수 있어, 셀룰로오스의 손상된 부분에 분말 활성탄 입자가 쉽게 함침될 수 있으므로, 이에 따라 셀룰로오스 내에 분말 활성탄 입자의 함침 함량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 분말 활성탄이 함침된 한지 필터를 이용하여 공기 내의 미세 먼지, 초 미세 먼지 또는 휘발성 물질들을 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 물리적인 방법에 의해 음전하를 띄게 된 셀룰로오스의 표면을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 화학적인 방법에 의해 음전하를 띄게 된 셀룰로오스의 표면을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 화학적인 방법에 의해 음전하를 띄게 된 셀룰로오스의 표면에 대하여 FT-IR 분석한 실험 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 용액 내에서 표면이 양전하를 띄며 분포하는 분말 활성탄을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 셀룰로오스에 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터의 표면을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법에 의해 제조된 3중 구조 한지 필터의 BTEX 제거 능력에 대한 실험 데이터를 나타난 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법에 의해 제조된 한지 필터의 분진 제거 능력에 대한 실험 데이터를 나타난 그래프이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 및 그 제조 방법에 대하여 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 물리적인 방법에 의해 음전하를 띄게 된 셀룰로오스의 표면을 도시하며, 도 3은 본 발명에 따른 화학적인 방법에 의해 음전하를 띄게 된 셀룰로오스의 표면을 도시하고, 도 4는 본 발명에 따른 화학적인 음전하화 단계에 의해 음전하를 띄게 된 셀룰로오스의 표면에 대하여 FT-IR 분석한 실험 데이터를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 용액 내에서 표면이 양전하를 띄며 분포하는 분말 활성탄을 도시하고, 도 6은 본 발명에 따른 셀룰로오스에 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터의 표면을 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 셀룰로오스를 마련하는 제1 준비 단계; 상기 셀룰로오스를 음이온화 하는 음이온화 단계; 상기 셀룰로오스와 혼합될 분말 활성탄을 마련하는 제2 준비 단계; 상기 분말 활성탄을 양이온화 하는 양이온화 단계; 상기 음이온화된 셀룰로오스와 상기 양이온화된 분말 활성탄을 혼합하는 혼합 단계; 및 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 냉동 건조하여 상기 분말 활성탄이 함침된 한지 필터를 생성하는 냉동 건조 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 단계 101에서, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 분말 활성탄이 함침될 물질로서 셀룰로오스를 마련하는 제1 준비 단계를 포함할 수 있다.

예를 들면, 셀룰로오스는 한지 필터의 구성성분을 이루는 것으로서 셀룰로오스 섬유 또는 섬유질을 포함할 수 있고 한지의 형태가 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 단계 103에서, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 분말 활성탄과 셀룰로오스의 부착력을 향상시키기 위한 단계로서 셀룰로오스를 음이온화 하는 음이온화 단계를 포함할 수 있다.

단계 103의 음이온화 단계는 물리적인 음이온화 단계 또는 화학적인 음이온화 중 어느 하나로 구성될 수 있다.

먼저, 물리적인 음이온화 단계는 셀룰로오스 섬유의 하나의 예인 닥나무 백피를 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 닥나무 백피를 100℃ 이상의 고온 상태에서 건조시켜 닥나무 백피 내의 수분을 제거함으로써 초 미세크기로 미립화하기 위한 사전 준비가 완성된다.

그 다음, 셀룰로오스의 표면이 정전기적으로 음전하를 띄도록 하는 물리적인 표면 음전하화 단계는 건조된 닥나무 백피를 롤러(roller)로 압밀하여 닥나무 백피의 탄성을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

마지막으로, 셀룰로오스의 표면이 정전기적으로 음전하를 띄도록 하는 물리적인 표면 음전하화 단계는 탄성이 제거된 닥나무 백피를 5000rpm 이상의 고속의 분쇄기로 그라인딩(glinding) 하여 5μm 이하의 크기로 미립화 또는 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.

이렇게 셀룰로오스의 수분을 완전히 제거하고 다시 건조상태에서 압밀과정을 거쳐 압착시킨 후 칼날로 고속 그라인딩 함으로써 셀룰로오스를 5μm 미만의 초 미세 크기로 미립화할 수 있고, 셀룰로오스의 섬유 표면이 손상되어 관 형태의 셀룰로오스 내부(lumen)에 분말 활성탄이 함침될 수 있는 공간이 마련될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 물리적인 음이온화 단계에 의해 표면이 음전하를 띄게 된 각 셀룰로오스 입자는 다른 셀룰로오스 입자와의 분산력에 의해 용액 내에서 서로 척력에 의해 균일하게 분산될 수 있다.

다음으로 화학적인 음이온화 단계는 먼저 고분자 물질의 일종인 셀룰로오스 섬유를 분쇄 또는 미립화하는 단계와, 그 이후 셀룰로오스 섬유를 산화시키는 산화 단계를 포함할 수 있다.

화학적 음이온화 단계는 셀룰로오스 섬유의 수소결합을 산화제를 사용하여 알데하이드(-CHO) 또는 카르복실(-COO) 관능기로 변화시킴으로써 수중에서 균일하게 분산상태를 유지할 수 있고, 셀룰로오스 섬유의 표면이 손상되어 분말 활성탄이 안치될 수 있는 공간이 마련된다.

예를 들어 셀룰로오스 섬유를 분쇄 또는 미립화하는 단계는 한지 셀룰로오스 닥나무 백피를 5000rpm의 분쇄기로 1차 미분화하는 과정을 거침으로써 셀룰로오스 섬유를 미립화하는 공정이 실시될 수 있다.

예를 들면, 셀룰로오스 섬유를 산화시키는 단계는 분쇄된 셀룰로오스 섬유에 산화제인 템포(2, 2, 6, 6 tetramethyl-1-piperidinyloxy, TEMPO)를 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 셀룰로오스 섬유에 산화제인 템포를 첨가함으로써, 셀룰로오스 섬유 내에 포함된 수소 결합(----OH-HO-OH-HO----)이 알데히드기(-CHO) 관능기 또는 카르복실(-COO) 관능기로 변화될 수 있다.

예를 들면, 음이온화 되어 음전하를 띄는 셀룰로오스는 용액 내에서 서로 응집되지 않고 분산될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 화학적인 음전하화 단계에 의해 표면이 음이온화된 각 셀룰로오스 입자는 표면의 음이온 사이의 척력에 의해 서로 응집되지 않고 용액 내에서 균일하게 분산될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 셀룰로오스가 포함된 용액 내에서 셀룰로오스 입자 내의 수소결합이 음이온화 단계가 수행됨에 따라 알데히드 및 카르복실기로 치환됨을 확인할 수 있다.

한 예로, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 셀룰로오스를 물에 희석하여 생성되는 셀룰로오스 현탁액을 마련하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 셀룰로오스 현탁액은 분말 활성탄을 셀룰로오스에 함침시키기 위한 수용액이 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 단계 105에서, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 셀룰로오스에 함침시키기 위한 분말 형태의 활성탄을 마련하는 제2 준비 단계를 포함할 수 있다.

예를 들면, 활성탄은 탄소를 포함하는 흑연, 또는 다이아몬드로 구성될 수 있으며, 목재 또는 갈탄을 염화아연으로 처리, 건조하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 분말 활성탄은 활성탄이 부서진 형태의 파쇄탄을 의미할 수 있다. 예를 들면, 분말 활성탄의 크기는 200mesh 이상이 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 단계 107에서, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 분말 활성탄이 서로 뭉쳐지지 않고, 분말 활성탄이 음이온화된 셀룰로오스에 효과적으로 함침되도록 하기 위하여, 마련된 분말 활성탄을 양이온화 하는 양이온화 단계를 포함할 수 있다.

예를 들면, 분말 활성탄을 양이온화 하는 양이온화 단계는 분말 활성탄의 표면에 수용성 양이온 고분자 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 코팅하는 단계는 분말 활성탄의 표면에 수용성 양이온 고분자 물질인 폴리머 수지를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 폴리머 수지는 폴리에틸렌아민(polyethyleneamine) 또는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 코팅 단계는 분말 활성탄 10g 당 폴리에틸렌이민을 1ml씩 코팅하여 수행될 수 있다. 이와 같은 과정을 통해 양전하를 띄는 분말 활성탄 또한 용액 내에서 서로 응집되지 않고 분산된 상태로 존재할 수 있으며, 음이온화된 셀룰로오스와 더 효과적으로 결합될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 용액 내에서 존재하는 분말 활성탄의 표면이 양이온화 됨에 따라, 각 입자가 서로 척력에 의해 응집되지 않고 균일하게 용액 내에서 분산될 수 있다.

본 발명에 따르면, 단계 109에서, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 음이온화된 셀룰로오스 현탁액에 양이온화된 분말 활성탄을 첨가하여 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액을 생성하는 혼합 단계를 포함할 수 있다.

혼합 단계는 음이온화된 셀룰로오스와 양이온화된 분발 활성탄을 전기적으로 결합하도록 하기 위하여 서로 혼합시키는 단계로서, 수용성 양이온 고분자 물질로 표면이 코팅된 분발활성탄과 셀룰로오스 섬유 미립자가 수중에서 고른 혼합 및 분산상태를 유지하도록 함으로써 셀룰로오스와 활성탄이 수중에서 전기적으로 안정화되어 골고루 분산되도록 할 수 있다.

예를 들면, 음이온화된 셀룰로오스와 양이온화된 분말 활성탄의 혼합 비율은 1:2가 될 수 있다.

예를 들면, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액으로부터 수분을 여과하여 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 생성 또는 추출하는 여과 단계를 포함할 수 있다.

여과 단계는 셀룰로오스와 분말 활성탄이 포함된 혼합 용액을 진공 상태에서 진공 압력을 0.01기압에서 시간 경과에 따라 점차 1기압까지 증가시키면서 혼합 용액으로부터 셀룰로오스와 분말 활성탄의 혼합물을 하향류로 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 여과 단계는 여과포를 이용하여 셀룰로오스와 분말 활성탄이 포함된 혼합 용액을 여과하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 여과포는 면 섬유가 70%, 폴리프로필렌섬유가 30%인 상태로 직조된 것이 사용될 수 있다. 여과 단계는 정밀여과 멤브레인막(synthetic platemicromenbrane filter)을 이용하여 진공을 이용한 여과압에 의해 균일하게 여과하는 단계를 포함할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법에 포함된 여과 단계에 의해 셀룰로오스 내로 활성탄이 함침될 수 있다.

본 발명에 따르면, 단계 111에서, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법은 셀룰로오스-활성탄 혼합물에 급속고압진공을 가하여 건조시키는 냉동 건조 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 냉동 건조 단계는 생성 또는 추출된 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 영하 80도에서 급속 냉각 시키는 냉동 단계 및 진공에 의해 건조시키는 건조 단계를 포함하여, 셀룰로오스가 건조된 후에도 셀룰로오스의 형태가 그대로 유지될 수 있음을 확인할 수 있다.

반면에, 도시하지는 않았으나, 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법과 달리, 음이온화 하지 않은 셀룰로오스 분말과, 양이온화 하지 않은 분말 활성탄을 혼합한 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 냉동 건조한 한지 필터의 경우, 셀룰로오스 및 활성탄 각각이 서로 응집되고, 셀룰로오스 내부(lumen)에 분말 활성탄이 함침될 수 있는 공간이 마련되지 않아 활성탄이 균일하게 분산된 한지 필터가 형성되지 않는다는 사실을 확인할 수 있었다.

도 7은 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법에 의해 제조된 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터의 BTEX 제거 능력에 대한 실험 데이터를 나타난 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 2g에 분말 활성탄의 투입량을 달리하여 제조된 각 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터의 휘발성 물질 제거 효율을 나타낸 것으로서 분말 활성탄의 투입량이 0.1g 이상이 되면 제거 효율이 90% 이상인 것을 확인할 수 있다. 예를 들면, 분말 활성탄을 투입하지 않은 상태에서 B, T, E, X 데이터는 모두 20% 이하의 수준을 나타내고 있으나, 분말 활성탄이 0.1g 투입된 상태에서 B 데이터는 40%, T, E, X 데이터는 90% 이상의 수치를 나타내고 있다. 또한, 분말 활성탄이 1g, 2.5, 5g, 8g 투입된 상태에서는 B, T, E, X 데이터 모두 95% 이상의 수치를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

또한, 도시하지는 않았으나, 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법과 달리, 음이온화 하지 않은 셀룰로오스 분말과, 양이온화 하지 않은 분말 활성탄을 혼합한 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 냉동 건조한 한지 필터의 휘발성 물질 제거 효율을 분석한 결과, 분말 활성탄의 B, T, E, X 데이터 모두 분말 활성탄의 투입량이 0.1g인 경우보다 제거 효율(removal efficiency, %)이 낮은 것을 확인할 수 있었으며, 이와 같은 사실을 통해서, 셀룰로오스 및 활성탄 각각이 서로 응집되어 균일한 분산을 갖는 한지 필터가 형성되지 않아 오염물의 제거효율이 떨어진다고 예측되었다.

도 8은 본 발명에 따른 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법에 의해 제조된 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터의 분진 제거 능력에 대해 실험 데이터를 나타난 그래프이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법에 의해 제조된 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터를 투입한 이후에, 실험실 내에 투입되는 분진의 양과 상관없이 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터의 분진 제거 효율은 99% 이상인 것으로 확인되고 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

셀룰로오스를 마련하는 제1 준비 단계;
상기 셀룰로오스를 분쇄하고, 분쇄한 셀룰로오스에 템포(2, 2, 6, 6 tetramethyl-1-piperidinyloxy, TEMPO)를 첨가하여 상기 셀룰로오스를 음이온화시키는 음이온화 단계;
상기 셀룰로오스와 혼합될 분말 활성탄을 마련하는 제2 준비 단계;
상기 분말 활성탄에 폴리에틸렌이민(polyethylenimine)을 포함하는 수용성 양이온 고분자 물질을 코팅하여 상기 분말 활성탄을 양이온화시키는 양이온화 단계;
상기 음이온화된 셀룰로오스와 상기 양이온화된 분말 활성탄을 혼합하는 혼합 단계; 및
상기 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 냉동 건조하여 상기 분말 활성탄이 함침된 한지 필터를 생성하는 냉동 건조 단계를 포함하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
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제1항에 있어서,
상기 음이온화 단계는,
상기 셀룰로오스를 분쇄하기 전에, 상기 마련된 셀룰로오스를 열 건조시키는 열 건조 단계; 및
상기 열 건조된 셀룰로오스를 압밀하는 압밀 단계를 포함하는 방법으로 상기 셀룰로오스를 분쇄하는 것을 특징으로 하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 열 건조 단계는,
상기 마련된 셀룰로오스를 100℃ 이상의 온도에서 열 건조시키는 고온 열 건조 단계를 포함하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
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제1항에 있어서,
상기 양이온 코팅 단계는,
분말 활성탄 10g당 상기 폴리에틸렌이민을 1ml씩 코팅하는 폴리에틸렌이민 코팅 단계를 포함하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
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제1항에 있어서,
셀룰로오스-활성탄 혼합 용액으로부터 수분을 여과하여 상기 셀룰로오스-활성탄 혼합물을 생성하는 여과 단계를 포함하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 여과 단계는,
상기 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액을 진공 상태에서 가압하는 가압 단계를 포함하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 가압 단계는,
상기 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액의 진공 압력을 시간의 경과에 따라 증가시키는 증가 단계를 포함하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
제14항에 있어서,
상기 증가 단계는,
상기 진공 압력을 0.01기압에서 1기압으로 증가시키는 진공압 증가 단계를 포함하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 여과 단계는,
상기 셀룰로오스-활성탄 혼합 용액으로부터 수분을 하향류로 여과하는 하향류 여과 단계를 포함하는
분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법.
제1항, 제3항, 제4항, 제10항, 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항의 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터 제조 방법에 의해 제조되는 분말 활성탄이 함침된 3중 구조 한지 필터.