KR101922508B1 - 대나무 나노기포 발생막 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대나무 나노기포 발생막과 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 대나무 나노기포 발생막은 제조시 방사선을 조사함으로써 내구성, 수명연장, 위생 및 효과면에서 매우 우수하다.

Description

대나무 나노기포 발생막 및 이의 제조방법{bamboo nano-buble generator and method for preparing the same}

본 발명은 대나무 나노기포 발생막의 제조방법과 이에 따라 제조된 대나무 나노기포 발생막을 제공하는 것으로, 보다 상세하게는 대나무에 생성되어 있는 미세 크기의 기공을 통하여 액체중에서 나노 크기의 기포를 발생시킬 수 있는 대나무에 방사선을 조사하여 대나무 나노기포 발생막을 제조하는 방법과 이에 따라 제조된 대나무 나노기포 발생막에 관한 것이다.

생명체 또는 산업적 용도로 이용하기 위하여 원하는 기체를 액체 중에 높은 농도로 용해시켜야 하는 기술 분야가 있다. 산소, 수소 또는 탄산가스 등을 음용수에 용해시켜 기능성 음료 등으로 사용하는 식품분야, 기체-액체 반응을 통하여 용액 중에 입자성 물질을 생성시키는 재료합성 분야, 또는 유해기체를 용액속에 빠른 속도로 용해시켜야 하는 환경분야 등에는 장시간의 체류시간과 넓은 반응면적, 그리고 높은 생산성 또는 처리속도를 요구한다. 즉, 이러한 산업분야에서 필요한 궁극적인 기술은 원하는 기체를 가능한한 많이 액체 속에 잔류시키는 것이다.

일정 온도에서 액체에 용해될 수 있는 기체의 최대량을 포화용해도라 한다. 물에 대한 포화용해도는 기체의 종류에 따라 다르며, 일정 압력에서 기체의 포화용해도는 온도가 낮을수록, 일정 온도에서는 외부에서 가하는 압력이 높을수록 용해도가 증가한다. 즉 20℃, 대기압에서 공기 중의 산소가 순수 물에 용해될 수 있는 포화용해도는 약 9ppm이며, 2기압의 압력에서는 18ppm이다. 그러나 낮은 온도 약 10℃ 물에서의 산소 포화용해도는 12ppm으로 증가하며 공기 중의 산소가 아닌 순산소는 같은 조건에서 43ppm까지 용해될 수 있다.

순산소가 순수 물에 용해될 때 용해된 산소 원자 또는 분자는 물분자와 화학적 결합을 하지 않고 물분자의 격자 사이에 일종의 이물질로 존재한다. 물분자 내부에 허용 가능한 범위의 이물질로 존재할 수 있는 최대농도를 포화용해도라고 해도 무관한데, 포화용해도를 초과하는 기체는 물속에 잔류하지 못하고 시간이 경과함에 따라 액체 외부로 방출된다.

최근의 실험 결과에 의하면, 미세 기포의 크기가 50 마이크로미터 보다 큰 경우에는, 수초 이내에 수면 위로 부상하여 대기중으로 확산되어지지만, 그 크기가 50 마이크로미터에서 수 나노미터의 경우에는, 수면 위로 곧바로 부상하지 않고 물속에 잔존해 있으며, 최종적으로 수개월까지도 수중에 잔류할 수 있는 것으로 보고하고 있다(Masayoshi Takahashi, Kaneo Chiba, and Pan Li, Free-Radical Generation from Collapsing Microbubbles in the Absence of a Dynamic Stimulus, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 1343-1347).

또 물속에 잔류하는 기체 중의 일부는 외부압력, 또는 환경의 변화에 따라 수축되거나 액체 내에서 파열되기도 하는 것으로 알려져 있다. 기포가 액체 내에서 파열될 때는 기포내부에 포함되어 있던 수백만 또는 수천만 개의 기체원자 또는 분자를 물속에 확산시키므로 기체의 용해도가 증가하게 된다.

이상에서와 같이 기체를 물 또는 액체 내에 많은 양, 그리고 오랜 기간 동안 체류시킬 수만 있다면, 원하는 기체의 용해도를 증가시킬 수 있는데, 이러한 물리적 현상은 기포의 크기를 충분히 작게 만들면 가능하다.

나노크기의 작은 기포가 장기간 액체 중에 체류할 수 있는 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다.

통상적으로 단일기포는 부력으로 인하여 수면으로 상승하게 된다. 이때 상승속도는 Stokes의 방정식에 의해 구해지는 층류에서의 종말속도(terminal velocity: V_t)값으로 하며 식은 다음과 같다.

여기서 g는 중력가속도, r_A는 기포내 공기의 밀도, r_W는 물의 밀도, μ는 물의 점성도, 그리고 d는 기포의 반지름을 의미한다. 종말속도는 기포에 가해지는 중력과 그에 반해 기포 표면에 작용하는 저항력(drag force)이 서로 평형일 때의 속도를 의미한다. 종말속도가 클수록 기포가 빨리 상승하여 그 만큼 액체중에서 체류시간이 짧아진다고 볼 수 있다. 반면 종말속도가 작으면 기포가 액체 중에 더 오래 체류하는데 유리하다고 볼 수 있다. 이러한 측면에서 종말속도는 다른 조건이 일정할 때 기포 입자크기의 제곱에 비례한다. 따라서 기포의 크기가 작을수록 기포의 체류시간이 길어진다.

기포체류에 영향을 주는 인자는 Stokes식에 포함되어 있는 중력과 마찰 저항력 이외에 흔히 브라운 운동으로 묘사되는 열역학적 요동을 고려할 수 있다. 브라운 운동을 유발하는 원인에 대하여는 현재까지도 논문에 발표되고 있는데, 액체 중에서의 기포의 브라운 운은 간단하게는 다음 식과 같이 묘사된다 (Sriram Ramaswamy, Pollen Grains, Random Walks and Einstein, RESONANCE, Vol.3, No.3, p16-34, 2000)

여기서 V_R은 randomly directed mean speed 즉, 기포가 무작위로 움직이는 평균속도를 의미하며, k_B는 볼츠만 상수, T는 절대온도, 그리고 M은 기포부피에 상당하는 물의 질량을 의미한다. 이 메커니즘은 기포입자가 매우 작아 그에 미치는 중력이 매우 작을 때 기포의 움직임을 좌우하는 주요인자가 될 수 있다. 그런데 그에 따른 움직임이 매우 무작위적이라서 본 메커니즘과 운동에 근거하여 기포의 향후 위치를 예측하는 것은 불가능하다. 다만 기포크기 등의 조건에 따라 어느 정도 시간 내에 어느 정도 거리의 범위 내로 움직인다는 것만 예측이 가능할 뿐이다.

또 하나 고려해야 할 점으로써 브라운 운동을 Stokes 식과 연관시켜 생각할 때, 기포입자가 매우 작을 때 브라운 운동에 의한 움직임이 Stokes식에 의한 부력보다 크지만, 부력에 의한 기포의 움직임은 그 방향이 일정하여 두 메커니즘만으로는 기포의 안정적인 체류를 설명할 수 없다. 따라서 이를 설명하기 위한 또 하나의 메커니즘이 필요한데, 본 연구에서는 수중에 기포가 다수 분포되어 있을 때 기포 표면의 정전기적 반발력을 통한 기포간 척력을 다음과 같이 고려하였다. 순수한 물 중에 있는 기포의 표면은 OH^- 이온의 영향으로 계면이 음의 정전기를 띠는 것으로 알려져 있다(Martin Chaplin, Theory vs Experiment: What is the Surface Charge of Water?, WATER vol.1, p1-28, 2009).

기포간 반발력은 다음의 식과 같다 (Mooyoung Han, Hyungki Lee, Collision efficiency factor in Brownian coagulation (Br):calculation and experimental verification, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol.202, p23-31, 2002).

여기서 ε는 비저항계수이고 k는 Debye-Hukel 계수, λ는 척력이 작용하는 두 기포의 크기비 (균일한 기포의 경우 1), ψ는 표면전위로써 물질고유의 값이고, s는 두 기포 표면간의 거리를 의미한다. 정전기적 반발력은 반데르발스 인력과 일정부분 상쇄되는데 두 힘에 상당하는 에너지의 총합에 따라 기포간 척력이 구해진다. 기포표면에 존재하는 정전기적 척력이 작용하면 수직으로 부상하는 기포는 방향을 바꾸게 되고 이로 인해 기포는 물속에 오랫동안 잔류하게 된다.

실제로 액체인 물에서는 여기에서 예로 들은 부력, 브라운 운동 및 기포의 표면전하간 반발력 외에도 물분자간의 수소결합, 물분자의 쌍극자 모멘트, 반데르발스 힘, 물과 기포 경계면에서의 물분자의 계면장력, 수중의 불순물, 불순물의 전하, 더욱더 거시적인 힘 즉, 온도, 밀도 등의 차에 의한 대류, 외부충격에 의한 유동, 액체 중에서의 기체확산 등 실로 다양한 힘이 존재하므로 국부적으로 평형상태가 유지되지 못하고 액체는 끊임없이 유동하는 요인이 있어서 충분히 작은 기포는 이들 외력에 영향을 받아 끊임없이 액체 중에 오랜 시간 동안 체류할 수 있게 된다.

또한 대한민국 특허등록 제10-0989631호 "대나무를 이용한 나노크기 기포 발생막" (2010. 10. 18.)에 기술되어 있는 대나무 나노기포 발생기는 물속에서 오랜 기간 사용하거나 가압 기체의 압력이 낮을 경우 물이 대나무 조직에 역으로 침투하여 기포를 발생시키는 나노기공 주변을 덮고 있는 연질의 셀루로오즈(hemicellulose)에 물이 잔류하게 되는 문제가 있었으며, 이로 인해 재료의 팽윤 및 나노기공의 막힘 현상, 그리고 수분이 체류하는 부분에 미생물의 증식, 이로 인한 생산성 및 기포수 품질 저하 등의 문제가 있어 개선이 필요하다.

한편, 오늘날 일반적으로 알려져 있는 미세기포를 생성하는 방식들을 소개하면 아래와 같이, 가압용해법과, 초고속선회법과, 물분사법 및 멤브레인법 등을 예시할 수 있다.

가압용해 방법(Dissolved gas Method)은 밀폐된 용기의 내부에 물 또는 액체를 채워놓은 상태에서, 고압의 기체를 충진시켜서, 기체를 물 또는 용액의 내부에 용해시키는 방법이다. 그러나 이 방식에 의할 경우, 물 또는 용액의 내부에 용해된 기체가 탄산음료수에서와 같이 밀폐된 용기를 개방하는 순간 그 내부로부터 이탈하여 외부로 방출되어지게 되는 단점이 있다. 또한, 이 방법에 의해서는 미세한 기포를 원천적으로 체류시킬 수 없는 단점도 있다.

초고속선회 방법(Hydrodynamic method)은 초고속으로 회전하는 모터 프로펠러(회전속도: 약 10,000 내지 20,000 rpm)에 물과 산소를 동시에 분사하여, 산소기체가 물입자의 표면에 강제적으로 흡착되도록 하는 방법이다. 그러나 이러한 방법은 고속의 회전력에 의해 액상물질의 미세한 물리화학적인 구조가 깨지게 되는 단점이 있고, 특히 음용수의 경우 제조공정 중에 물의 클러스터 즉 물 집합체의 구조가 기계적으로 바뀌게 될 우려가 있어 바람직스럽지 못하다. 또한, 이러한 방법은 고속의 회전력을 얻기 위하여, 많은 에너지를 공급해야 하는 단점이 있으며, 고속회전에 의한 기체 분산력의 한계를 안고 있는 단점도 있다.

물의 분사방법(Water exposure method)은 물이 산소와 접촉될 수 있도록 하기 위해 산소탱크의 상부 공간에 물을 분사시키는 방법이며, 원하는 산소농도에 도달할 때까지 반복해서 분사하게 된다. 그러나 이 방법은 상업적 활용측면에서 높은 농도의 산소수를 제조하기 어렵고, 생산성도 낮아 활용도가 매우 적은 단점이 있다.

멤브레인 방식은 성형된 다공질의 세라믹 또는 금속 등을 이용하여 미세한 기포를 형성하는 방법이다. 그러나 현재 세라믹 또는 금속 분말의 성형기술로는 나노 크기의 미세 기공을 형성시킬 수 없는 기술적인 한계를 가지고 있으며, 가능하다고 하더라도 제조단가가 비싼 단점이 있다.

[문헌 1] 대한민국 특허출원 제10-2010-0097260호 (2010. 10. 7.) [문헌 2] 대한민국 특허출원 제10-2011-0002263호(2011. 1. 10.) [문헌 3] 대한민국 특허등록 제10-0989631호 (2010. 10. 18.)

[문헌 1] Masayoshi Takahashi, Kaneo Chiba, and Pan Li, Free-Radical Generation from Collapsing Microbubbles in the Absence of a Dynamic Stimulus, J. Phys. Chem. B 2007, 111, p1343-1347, 2007. [문헌 2] Martin Chaplin, Theory vs Experiment: What is the Surface Charge of Water?, WATER vol.1, p1-28, 2009. [문헌 3] Sriram Ramaswamy, Pollen Grains, Random Walks and Einstein, RESONANCE, Vol.3, No.3, p16-34, 2000. [문헌 4] Mooyoung Han, Hyungki Lee, Collision efficiency factor in Brownian coagulation (Br):calculation and experimental verification, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol.202, p23-31, 2002.

본 발명은 대나무 나노기포 발생막의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은 미세기공이 확보된 대나무에 방사선인 감마선, 전자선 또는 이온빔을 조사함으로써 대나무 나노기포 발생막에서의 수분 흡수, 기공 막힘, 유해 세균 또는 미생물 증식, 낮은 생산성 등의 문제점을 해결하고, 나아가 대나무 나노기포 발생막에서 발생되는 나노기포의 크기와 기포의 개체수를 향상시키는 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 보다 작은 크기의 기포를 발생시킬 수 있으며, 수명과 위생성이 높은 대나무 나노기포 발생막을 제공한다.

본 발명은 나노기포의 크기가 작고 기포개체수가 높으면서도 요구되는 기체의 용존농도 및 체류시간을 높일 수 있은 대나무 나노기포 발생막의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은,

a)대나무의 외피막을 제거하여 대나무의 미세기공을 확보하는 단계; 및

b)미세기공이 확보된 대나무에 감마선, 전자선 또는 이온빔인 방사선을 조사하여 나노기포 발생막을 제조하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방사선의 총조사선량은 5 ~ 100kGy일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노기포는 공기, 산소, 수소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물일 수 있으며, 나노기포의 평균크기는 150nm이하이며, 기포개체수는 2.05×10⁸개/ml이상일 수 있다.

또한 본 발명은 본 발명에 따라 제조된 대나무 나노기포 발생막을 제공한다.

또한 본 발명은 본 발명의 대나무 나노기포 발생막을 포함하는 장치를 제공한다.

본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은 감마선, 전자선 또는 이온빔을 조사하는 간단하고 경제적인 방법으로 대나무의 조직 일부를 구성하고 있는 연질의 셀루로오즈 조직을 제거하여 대나무 조직이 가지고 있는 미세기공을 보다 많이 확보할 수 있다.

또한 방사선을 조사하여 대나무 나노기포 발생막의 기계적 강도를 증가시켜 대나무 나노기포 발생막의 수명을 연장시킬 수 있으므로 매우 경제적이다.

또한 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은 감마선, 전자선 또는 이온빔인 방사선을 조사하여 대나무에 잔류할 수 있는 병원성 세균 또는 일반 미생물 등을 간단하게 멸균시킴으로써, 별도의 공정을 가지지 않아도 위생적인 측면이 해결됨으로써 매우 경제적이다.

또한 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은 방사선을 조사하여 미세기공의 기공수 증대로 인해 나노기포수의 증가, 나노기포수 크기의 감소의 효과도 더불어 가질 수 있는 장점을 가진다.

또한 본 발명의 대나무 나노기포 발생막은 대나무에 방사선을 조사함으로써 대나무를 구성하고 있는 연질의 셀룰로오즈 조직이 제거되어 대나무 자체에 생성되어 있는 미세기공을 많이 확보할 수 있고, 경질의 조직은 기계적 강도가 더욱 증가됨과 동시에 대나무에 잔류할 수 있는 세균과 미생물을 멸균함으로써 높은 내구성, 높은 생산성, 높은 위생성 및 긴 수명특성을 가진다.

보다 상세하게, 본 발명은 나노기포 발생막으로 사용하는 대나무에 방사선을 조사하여 나노기공 주변에 분포되어 있는 연질의 셀루로오즈 조직이 용이하게 제거되도록 함으로써, 대나무 조직이 가지고 있는 미세기공을 보다 많이 확보할 수 있으며, 이로써 기포의 크기를 더욱 더 작게 만들 수 있고 많은 개체수의 기포를 짧은 시간 내에 제조할 수 있어 생산성을 증대시킬 수 있으며, 기포의 체류기간을 향상시키고, 기포의 잔류량을 증대시킬 수 있다.

또한 대나무 조직의 대부분을 구성하고 있는 경질 셀루로오즈 조직의 기계적 강도 증가 효과로 내구성이 향상될 뿐만 아니라, 대나무에 잔류할 수 있는 병원성 세균 혹은 일반 미생물 등을 멸균시킴으로써 위생적인 측면이 요구되는 산업분야에도 사용할 수 있는 장점을 가진다.

도 1a는 대나무 왕죽의 절단면이며, 도 1b는 200배의 광현미경으로 관찰한 가공하지 않은 천연 대나무 조직을 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예 1에서 방사선을 조사하여 제조한 대나무 나노기포 발생막을 200배의 배율로 관찰한 조직사진을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 방사선을 조사하여 제조된 대나무 나노기포 발생막의 대나무 조직을 길이 방향으로 절단한 두께 약 3mm의 대나무 조직을 미세현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다(a)실시예 1; b) 실시예2; c)실시예 3; d) 비교예; 1).
도 4는 실시예 1에서 방사선 조사하여 제조된 대나무 나노기포 발생막에서 발생된 기포의 평균크기 및 개체수를 나타낸 도면이다.
도 5는 실시예 1의 대나무 나노기포 발생막으로 제조한 기포수를 약 6개월 동안 상온에서 보관한 후에 측정한 기포의 평균크기 및 개체수를 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예 1에서 방사선 조사없이 제조된 대나무 나노기포 발생막에서 발생된 기포의 평균크기 및 개체수를 나타낸 도면이다.
도 7은 비교예 1의 대나무 나노기포 발생막으로 제조한 기포수를 약 6개월 동안 상온에서 보관한 후에 측정한 기포의 평균크기 및 개체수를 나타낸 도면이다.

본 발명은 기존의 대나무 나노기포 발생막의 나노기포수 생산성 및 품질을 높이는 동시에 대나무 나노기포 발생막에서의 수분 흡수, 기공 막힘, 유해 세균 또는 미생물 증식, 낮은 생산성 등의 문제점을 해결하는 방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은 a)대나무의 외피막을 제거하여 대나무의 미세기공을 확보하는 단계; 및

b)미세기공이 확보된 대나무에 감마선, 전자선 또는 이온빔인 방사선을 조사하여 나노기포 발생막을 제조하는 단계;를 포함한다.

기존의 대나무 나노기포 발생막은 물속에서 오랜 기간 사용하거나 가압 기체의 압력이 낮을 경우 물이 대나무 조직에 역으로 침투하여 기포를 발생시키는 나노기공 주변을 덮고 있는 연질의 셀루로오즈(hemicellulose)에 물이 잔류하게 되는 문제가 있었으며, 이로 인해 재료의 팽윤 및 나노기공의 막힘 현상, 그리고 수분이 체류하는 부분에 세균이나 미생물의 증식, 이로 인한 생산성 및 기포수 품질 저하 등의 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은 이러한 기존의 문제점을 극복하기 위한 방법으로, 액체속에서 나노기포 발생막으로 사용하는 대나무에 방사선을 조사함으로써, 성장 중인 대나무에 내포되어 있는 연질 조직이 용이하게 기포발생기로부터 제거되도록 하여 대나무 조직에 형성되어 있는 미세기공을 보다 많이 확보할 수 있으며, 이로써 기포의 크기를 더욱 더 작게 만들 수 있고, 많은 개체수의 기포를 짧은 시간 내에 제조할 수 있어 생산성 및 기포수의 품질을 증대시킬 수 있다.

아울러 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은 대나무 조직의 대부분을 구성하고 있는 경질 셀루로오즈 조직의 기계적 강도가 증가되어 내구성이 향상될 뿐만 아니라, 대나무에 오염되어 있을 수 있는 병원성 혹은 일반 세균 등이 멸균됨으로써 위생적인 측면에서도 매우 효과적이다.

보다 구체적으로, 기존의 기술에서 기포발생막의 핵심부품인 대나무 나노기포 발생막은 천연재료인 대나무를 이용하고 있다. 대나무는 잘 발달된 단단한 경질의 셀루로오즈 조직뿐만 아니라 솜을 뭉쳐 놓은 것과 같은 연질의 셀루로우즈 조직(hemicellulose)도 동시에 가지고 있다. 종래의 기술에서는 대나무 기포발생막을 물속에서 오랜 시간 사용하면 대나무 미세기공 주변 연질의 조직이 물을 흡수하여 미세기공을 막고, 미생물도 증식되었다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 진단을 위한 X-ray 촬영, 암 치료뿐만 아니라 식품의 멸균 및 기능성 소재 개발까지 다양하게 이용되고 있는 방사선, 구체적으로, 한국원자력연구원이 보유하고 있는 방사능(감마, Co 선원)을 대나무 나노기포 발생막에 조사하여 대나무 나노기포 발생막의 안정화를 시도하였다.

본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법의 일 실시예에 따른 방사선은 한정이 있는 것은 아니나, 감마선, 전자선 또는 이온빔일 수 있으며, 바람직하게는 감마선일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방사선의 총조사선량은 5 ~ 100kGy일 수 있으나, 대나무 연질조직의 효과적인 제거와 대나무 경질조직의 내구성을 높이고 위생적인 측면을 만족하기위해서 바람직하게는 10 ~ 50kGy일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노기포는 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 용도에 따라 변경가능하나, 공기, 산소, 수소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물일 수 있다.

본 발명의 일 실시예예 따른 나노기포는 평균크기가 150nm이하이며, 기포개체수는 2.05×10⁸개/ml이상일 수 있으며, 바람직하게는 130nm이하이며, 기포개체수는 2.20×10⁸개/ml이상일 수 있다.

또한 본 발명은 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법에 따라 제조된 나노기포 발생막을 제공하며, 본 발명의 대나무 나노기포 발생막은 평균크기가 보다 작은 나노기포를 많은 개체수로 발생시킬 수 있어 생산성이 높을 뿐만 아니라 위생성이 높아 다양한 용도에 장기간 사용가능하다.

또한 본 발명은 본 발명의 대나무 나노기포 발생막을 채용한 장치를 제공하며, 본 발명의 대나무 나노기포 발생막을 채용한 장치는 한정이 있는 것은 아니나, 액체속에 요구되는 기체를 높은 농도로 포함시키기거나 채류시키기 위한 용도라면 어디에도 적용가능하다. 본 발명의 대나무 나노기포 발생막을 채용한 장치는 일례로 수조, 다양한 용도의 음용수, 가축음용수 및 오폐수의 산화조등에 사용될 수 있다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 들어 설명하나, 이러한 구체적인 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다

[실시예 1]

도 1a는 4년생 대나무 왕죽의 절단면이며, 도 1b는 200배의 광현미경으로 관찰한 가공하지 않은 천연 대나무 조직을 나타낸 것으로, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 대나무에는 속이 비고 구멍이 다소 큰 대롱모양으로 보이는 물관과, 속이 빈 볏집을 작은 다발로 묶어 세워 놓은 듯이 보이는 체관, 체관과 물관 사이를 채우고 있는 경질의 셀루로오즈 조직, 그리고 군데군데 아직은 섬유질화 되지 못한 연질의 셀루로오즈 조직으로 구성되어 있다. 대나무에 형성되어 있는 물관과 체관은 대나무의 길이방향으로 상부까지 물과 영양분을 이동시키는 통로로 사용되지만 동시에 도 3a의 하단부와 같이 측면에 생성되어 있는 미세구멍을 이용하여 좌우 수평방향으로도 물과 양분을 공급한다.

대나무 나노기포 발생막은 물관과 체관의 측면에 생성되어 있는 통로 즉 이 부분의 미세기공을 이용하며, 여기에 기체를 통과시키면 나노크기의 기포가 형성된다. 그러나 도 1b에 표시한 바와 같이 자라고 있는 대나무에는 미처 단단해지지 못한 연하고 부정형의 연질조직이 있는데, 이 부정형 연질 섬유조직은 액체, 특히 물이 역침투하는 경우 물을 흡수하여 쉽게 팽창하여 미세기공을 막으며, 늘 젖어 있어 미생물이 발생하기 쉬운 장소가 되므로 기포수의 품질 및 생산성, 내구성을 향상시키기 위해는 이러한 부정형 연질조직을 제거하여야 할 필요가 있다.

따라서 도 1에서 나타낸 대나무을 이용하여 외피막을 제거한다. 외피막의 제거는 대나무 재질의 표면을 가공할 수 있는 도구이면 어떤 도구라도 가능하며, 바람직하게는 칼날, 그라인더 등과 같은 도구를 사용할 수 있다.

상기 외피막의 제거는 상술한 외파막 제거 도구를 대나무의 길이 방향과 직각으로 위치시키고 길이 방향으로 긁어서 벗겨내는 방식으로 수행될 수 있다.

외피막이 제거되어 미세기공이 확보된 대나무에 방사능(감마, Co 선원)을 총조사선량이 50kGy이 되도록 조사하고 2기압, 80℃의 오토클레브에서 3시간동안 수분 및 유기물을 제거하여 대나무 나노기포 발생막을 제조하였다.

도 2에 제조한 대나무 나노기포 발생막을 200배의 배율로 관찰한 조직사진을 나타내었으며, 가공하지 않은 도 1b의 천연대나무와 비교해 볼 때, 단단하지 못한 연질의 조직은 모두 제거되고 단단한 섬유질의 조직만 남아 있는 것을 알 수 있다.

도 3의 a)는 제조된 대나무 나노기포 발생막의 대나무 조직을 길이 방향으로 절단한 두께 약 3mm의 대나무 조직을 미세현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.

도 3의 a)와 비교예 1인 방사선을 처리하지 않은 대나무 나노기포 발생막의 조직 사진(도 3의 d)과 대비하여보면 방사선을 조사하지 않은 조직은 매우 거칠고 단단하지 못한 연질의 셀루로오즈 조직이 많이 분포해 있는 반면 50 kGy의 방사선을 조사한 결과 이들 부정형 조직의 상당부분이 제거된 것을 볼 수 있다.

이와 같이 대나무에 방사선을 조사하여 대나무의 나노기공 주변에 분포되어 있는 연질의 셀루로오즈를 제거할 수 있었으며, 결과적으로 많은 나노기공 확보, 물의 역침투로 인한 수분의 체류, 이로 인한 재료의 팽윤, 기공의 막힘, 미생물 증식의 문제점을 상당부분 해결하였다.

또한 제조된 원통형 형태의 대나무 나노기포 발생막(외경 2.5cm, 길이 10cm)을 2 bar의 산소압력으로 30분간 물에 산소기포를 발생시키고 기포의 특성차이를 비교하였다. 생성된 기포의 크기 및 개체수는 영국 NanoSight Ltd.(www.nanosight.com)에서 제작한 LM10-HS 모델의 Nano Particle Tracking Analyzer를 이용하여 측정하였다. 이 장비는 50㎛ 굵기의 레이저 빔을 이용하여 10~2000nm 범위의 입자 크기 및 개체수를 측정하는 장비이다.

측정 결과, 방사선 조사한 대나무 나노기포 발생막에서 발생된 기포의 평균크기 및 개체수는 123 nm, 3.56×10⁸ 개/㎖로 도 4에 나타내었다.

또한 방사선조사 대나무 나노기포 발생막으로 제조한 기포수를 약 6개월 동안 상온에서 보관한 후에 측정한 시료의 기포 평균크기 및 개체수는 92 nm, 2.27×10⁸개/㎖(도 5)으로 측정되었다. 기포의 크기가 작게 측정된 것은 기포 내부에 충전된 산소 기체의 물 중에서의 확산, 그리고 표면 응집력에 의한 부피수축으로 판단되며, 기포 개체수의 감소는 불안정한 기체의 파괴, 큰 기포의 이탈 등으로 판단된다.

[실시예 2]

실시예 1에서 총조사선량을 10 kGy이 되도록 방사선을 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 대나무 나노기포 발생막을 제조하였다.

도 3의 b)에 제조된 대나무 나노기포 발생막의 대나무 조직을 길이 방향으로 절단한 두께 약 3mm의 대나무 조직을 미세현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타내었다.

[실시예 3]

실시예 1에서 총조사선량을 30 kGy이 되도록 방사선을 조사한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 대나무 나노기포 발생막을 제조하였다.

도 3의 c)에 제조된 대나무 나노기포 발생막의 대나무 조직을 길이 방향으로 절단한 두께 약 3mm의 대나무 조직을 미세현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타내었다.

[비교예 1]

실시예 1에서 방사선을 조사하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 대나무 나노기포 발생막을 제조하였다.

도 3의 d)에 제조된 대나무 나노기포 발생막의 대나무 조직을 길이 방향으로 절단한 두께 약 3mm의 대나무 조직을 미세현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타내었으며, 실시예 1에서 관찰된 대나무 조직과 대비하여 연질 셀룰로오즈 조직이 제거되지 않고 많이 분포해 있음을 알 수 있다.

따라서 방사선이 조사되지 않은 대나무 나노기포 발생막은 사용될 액체, 특히 물의 침투에 의해 기공이 막히거나 재료가 팽윤이 일어나 대나무 나노기포 발생막의 수명이 단축될 뿐만 아니라 미생물 증식으로 위생이 요구되는 분야에 사용이 어려울 수 있음을 알 수 있다.

또한 제조된 대나무 나노기포 발생막을 이용하여 발생되는 기포의 평균크기 및 개체수를 측정한 결과 341 nm, 1.06×10⁸개/㎖(도 6)로 큰 차이를 나타내었으며, 이는 실시예 1의 대나무 나노기포 발생막과 대비하여 기포의 평균크기가 현저하게 크고 기포 개체수도 매우 낮은 것을 알 수 있다.

또한 대나무 나노기포 발생막으로 제조한 기포수를 약 6개월 동안 상온에서 보관한 후에 측정한 시료의 기포 평균크기 및 개체수는 125 nm, 0.89×10⁸개/㎖(도 7)으로 측정되었으며, 방사선을 조사하여 제조한 대나무 나노기포 발생막인 실시예 1과 대비하여 현저하게 낮은 용존량을 가짐을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법에 따라 제조된 대나무 나노기포 발생막은 방사선을 조사하지 않고 제조한 대나무 나노기포 발생막과 대비하여 평균크기가 월등하게 작은 기포를 생성하고 기포 개체수가 매우 높음을 알 수 있고, 나아가 액체속에 높은 농도로 오랜기간 유지될 수 있는 장점을 가진다.

보다 구체적으로 이상과 같이 대나무 나노기포 발생기로 사용할 대나무에 5 ~ 50kGy정도의 방사선을 조사하면, 미세기공의 기공수 증대로 인한 기포의 개체수 증가, 기포크기 감소, 그리고 이로 인한 생산성 향상, 내구성 증가 및 멸균 등의 장점이 있다.

더불어 본 발명의 대나무 나노기포 발생막의 제조방법은 대나무를 구성하고 있는 연질의 셀루로오즈 조직이 상당부분 제거되어 대나무 자체에 생성되어 있는 미세기공을 많이 확보할 수 있고, 경질의 조직은 기계적 강도가 더욱 더 증가하며, 동시에 대나무에 잔류할 수 있는 병원성 세균 혹은 일반 미생물들이 멸균되는 효과가 있어 높은 내구성, 높은 생산성과 위생적인 측면에서 매우 바람직한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. a)대나무의 외피막을 제거하여 대나무의 미세기공을 확보하는 단계;
   b)미세기공이 확보된 대나무에 감마선, 전자선 또는 이온빔을 5 ~ 100kGy의 총조사선량으로 조사하여 상기 대나무 내부조직에 존재하는 연질 셀룰로오즈 조직을 제거하는 단계; 및
   c) 상기 감마선, 전자선 또는 이온빔이 조사된 대나무를 오토클레브에서 가열하여 수분 및 유기물을 제거하는 단계;를 포함하여 나노기포 발생막을 제조하며 , 상기 나노기포 발생막으로부터 발생되는 나노기포는 평균크기가 150nm이하이며, 기포개체수는 2.05×10⁸개/ml 이상인 대나무 나노기포 발생막의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 감마선, 전자선 또는 이온빔의 총조사선량은 10 ~ 50kGy인 대나무 나노기포 발생막의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 나노기포는 공기, 산소, 수소, 이산화탄소 및 이들의 혼합물인 대나무 나노기포 발생막의 제조방법.
4. 삭제
5. 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 대나무 나노기포 발생막.
6. 제 5항의 대나무 나노기포 발생막을 포함하는 장치.

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