KR101948212B1 - 휘발성유기화합물 농축기, 이의 제조방법 및 이를 이용한 휘발성유기화합물 농도측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 셀룰로오스를 포함하는 필터페이퍼; 및 상기 필터페이퍼의 표면에 형성되는 코팅폴리머층;을 포함하되, 상기 코팅폴리머층은 하이드록시기(-OH) 말단기로 개질되어 상기 셀룰로오스의 하이드록시기(-OH)와 결합되는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기를 제공한다.
따라서 고가의 휘발성유기화합물 농축기를 대체하여 대량생산이 가능한 경제적인 휘발성유기화합물 농축기를 제공할 수 있다.
따라서 고가의 휘발성유기화합물 농축기를 대체하여 대량생산이 가능한 경제적인 휘발성유기화합물 농축기를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 휘발성유기화합물을 농축하여 유기화합물의 농도를 분석할 수 있는 휘발성유기화합물 농축기, 이의 제조방법 및 이를 이용한 휘발성유기물의 농도 측정방법에 관한 것이다.
휘발성유기화합물은 탄화수소화합물로 이루어지며, 증기압이 높아서 대기 중으로 쉽게 증발되는 액체 또는 기체상 유기화합물의 총칭이다. 대기 중에서 광화학반응을 일으켜 오존 및 광화학스모그를 발생시키는 물질로 알려져 있다.
또한 휘발성유기화합물을 대기 중에 휘발되는 경우 악취를 일으키며, 피부접촉이나 호흡기 호흡을 통해 신경계 장애를 일으키기도 한다.
최근 대기환경에 대한 규제가 강화되고 있으며, 이에 따라 암모니아. 황화수소 등 악취성분과 톨루엔, 자일렌과 같은 화합물에 대한 처리기술이 지속적으로 개발되고 있다.
휘발성유기화합물의 제거를 위하여 정확한 농도의 측정을 통한 분석과정이 필수이나, 종래 헤드스페이스 가스(headspace gas)를 직접 추출하여 분석을 수행하는 농도측정방법은 분석실 온도 및 사용자에 따라 상대표준오차(RSD)가 커서 측정된 데이터의 신뢰성이 매우 낮은 문제가 있다.
특히 저농도 가스상 휘발성유물의 분석 전처리 과정으로 고상마이크로추출(SPME), 니들트랩(needle trap), 테낙스튜브(Tenax tube) 등에 휘발성유기화합물을 농축시키는 방법이 일반적으로 사용되고 있으나, SPME 등 농축샘플러 제품은 매우 고가이며, 휴대용 펌프 등 샘플링에 필요한 추가적인 액세서리 제품을 사용해야 하는 불편함이 있다.
각종 사고 및 실내에서 휘발성유기화합물의 발생이 잦아지고, 이에 대한 분석 수요가 매우 증가하고 있기 때문에 보다 경제성이 있으며, 편리한 방법으로 휘발성유기화합물을 농축하여 포집할 수 있는 휘발성유기화합물 농축기의 개발이 시급한 실정이다.
이와 관련된 선행문헌으로는 대한민국 특허 제1711618호(공고일: 2017.03.03)에 개시되어 있는 악취 및 휘발성유기화합물 흡착농축기가 있다.
따라서, 본 발명은 보다 경제적이고 제조할 수 있으며, 저농도의 유기화합물도 농축하여 분석할 수 있으며, 현장에서 즉시성이 있는 휘발성유기화합물 농축기, 이의 제조방법 및 이를 이용한 유기화합물의 농도측정방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 셀룰로오스를 포함하는 필터페이퍼; 및 상기 필터페이퍼의 표면에 형성되는 코팅폴리머층;을 포함하되, 상기 코팅폴리머층은 하이드록시기(-OH) 말단기로 개질되어 상기 셀룰로오스의 하이드록시기(-OH)와 결합되는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기를 제공한다.
또한 상기 코팅폴리머층은 가교제에 의하여 반응성이 증가된 전구체와 하이드록시 말단기 폴리디메틸실록산(hydroxyl terminated polydimethylsiloxane)이 반응하여 겔(gel)화 된 것일 수 있다.
또한 상기 가교제는 트리플루오르아세틱 애시드(trifluoroacetic acid)이고, 상기 전구체는 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)이며, 상기 트리플루오르아세틱 애시드가 메틸트리메톡시실란의 반응성을 증가시킬 수 있다.
또한 상기 필터페이퍼와 코팅폴리머층 사이에 탄소층을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 탄소층은 활성탄소(activated carbon), 플러렌(fullerene) 및 그래파이트(graphite)로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 전구체와 고분자를 혼합하여 균질한 혼합물을 형성하는 단계(제1단계); 상기 혼합물에 가교제를 첨가하여 코팅액을 제조하는 단계(제2단계); 필터페이퍼에 상기 코팅액을 도포하여 겔(gel)화 반응시켜 코팅폴리머층을 형성하는 단계(제3단계); 및 상기 코팅폴리머층이 형성된 필터페이퍼를 회수하여 세척 건조하는 단계(제4단계)를 포함하는 휘발성유기화합물 농축기 제조방법을 제공한다.
또한 상기 가교제는 95% 트리플루오르아세틱 애시드(trifluoroacetic acid)이고, 상기 전구체는 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)이며, 상기 전구체 100 중량부에 대하여 상기 가교제를 10 내지 50 중량부로 첨가할 수 있다.
또한 상기 제2단계에 있어서, 상기 고분자는 하이드록시 말단기 폴리디메틸실록산(hydroxyl terminated polydimethylsiloxane)이며, 상기 고분자 100 중량부에 대하여 전구체 150 내지 800 중량부를 혼합하여 코팅액을 제조할 수 있다.
또한 상기 제3단계의 코팅폴리머층은 직경 42.5 mm인 필터페이퍼 (qualitative filter paper) 에 대하여 100 내지 400 μL의 폴리디메틸실록산이 첨가되어 형성될 수 있다.
또한 상기 제3단계 이전에 상기 탄소물질을 슬러리로 생성하되, 상기 코팅액 대비 탄소물질이 1 wt% 이내가 되도록 슬러리를 도포하여 탄소층을 형성할 수 있다.
또한 상기 탄소물질은 활성탄소(activated carbon), 플러렌(fullerene) 및 그래파이트(graphite)로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명은 (a) 전구체와 고분자를 혼합하여 균질한 혼합물을 형성하는 단계; (b) 상기 혼합물에 가교제를 첨가하여 코팅액을 제조하는 단계; (c) 필터페이퍼에 상기 코팅액을 도포하여 겔(gel)화 반응시켜 코팅폴리머층을 형성하는 단계; (d) 상기 코팅폴리머층이 형성된 필터페이퍼를 회수하여 세척 건조하여 휘발성유기화합물 농축기를 제조하는 단계; 및 (e) 휘발성유기화합물이 함유된 용기 헤드스페이스에 농축기를 노출시켜 휘발성유기화합물의 농도를 측정하는 단계;를 포함하되, 휘발성유기화합물 농도 측정값의 상대표준편차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기를 이용한 휘발성유기화합물 농도측정방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 고가의 휘발성유기화합물 농축기를 대체하여 대량생산이 가능한 경제적인 휘발성유기화합물 농축기를 제공한다.
또한 셀룰로오스 기반의 필터페이퍼를 사용하여 표면적을 크게 증가시킨 기질에 유기화합물과 반응하여 농축될 수 있는 고분자물질을 확인하여 이에 따른 새로운 코팅방법을 제공할 수 있다.
또한 제조된 휘발성유기화합물 농축기는 동시에 여러 시료를 테스트할 수 있으므로, 패시브 방식으로 여러 장소에서 휘발성유기물의 노출평가를 동시에 진행하는 대기 환경 모니터링에 바로 적용 가능하다.
또한 저농도의 휘발성유기화합물을 효율적으로 농축하여 상대표준오차를 감소시킬 수 있으므로, 휘발성유기화합물의 농도측정에 대한 신뢰도를 크게 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 다른 측면에 의한 휘발성유기화합물 농축기의 제조방법의 공정 순서를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 의한 휘발성유기화합물 농축기의 제조과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 측면에 의한 휘발성유기화합물 농축기를 이용한 휘발성유기화합물 농도측정방법의 공정순서를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기와 대조군의 푸리에 변환 적외선 분광분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기의 제조방법에 있어서 코팅액 중에 고분자 함량에 따른 표면의 형태변화를 나타낸 전자주사현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기를 사용하여 바이알에서 휘발성유기물질을 농축하는 과정의 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기의 첨가제에 따른 농축효율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 의한 휘발성유기화합물 농축기의 제조과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 측면에 의한 휘발성유기화합물 농축기를 이용한 휘발성유기화합물 농도측정방법의 공정순서를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기와 대조군의 푸리에 변환 적외선 분광분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기의 제조방법에 있어서 코팅액 중에 고분자 함량에 따른 표면의 형태변화를 나타낸 전자주사현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기를 사용하여 바이알에서 휘발성유기물질을 농축하는 과정의 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기의 첨가제에 따른 농축효율을 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 휘발성유기화합물 농축기는 필터페이퍼 및 코팅폴리머층을 포함한다.
상기 필터페이퍼는 셀룰로오스(cellulose)로 이루어져 있다.
상기 필터페이퍼는 종래에 휘발성유기화합물의 분석을 위하여 사용되는 샘플러인 고상마이크로추출(SPME) 카트리지보다 매우 우수한 경제성을 나타낼 수 있다.
상기 필터페이퍼를 기질로 하여 휘발성유기화합물 농축기를 제조하는 경우 대량생산이 가능하고 쉽게 형상 변형이 가능하여 휘발성유기화합물이 발생되는 다양한 현장 및 실내분석에 효율적으로 대응할 수 있다.
상기 필터페이퍼는 셀룰로오스로 이루어져 있으므로, 질량에 비하여 표면적이 매우 커서 휘발성유기화합물의 농축에 매우 유리하다.
상기 코팅폴리머층은 소수성폴리머(hydrophobic polymer)가 코팅되어 형성될 수 있다.
상기 코팅폴리머층은 하이드록시기말단기(-OH terminated)를 갖는다.
따라서 상기 코팅폴리머층은 소수성폴리머로써 하이드록시 말단기를 가지는 폴리디메틸실록산((hydroxyl terminated polydimethylsiloxane; OH-terminated PDMS)일 수 있다.
상기 필터페이퍼의 셀룰로오스는 하이드록시기(-OH)를 다량 포함하여 상기 폴리디메틸실록산의 하이드록시 말단기와 결합할 수 있다.
상기 코팅폴리머층은 가교제에 의하여 반응성이 증가된 전구체와 하이드록시 말단기 폴리디메틸실록산(hydroxyl terminated polydimethylsiloxane; 이하 'OH-terminated PDMS')이 반응하여 겔(gel)화 될 수 있다.
상기 가교제는 트리플루오르아세틱 애시드(trifluoroacetic acid 이하'TFA')이고, 상기 전구체는 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)이다.
TFA는 CF3 그룹의 높은 전기음성도(electronegativity)로 인하여 강한 산성을 띄며 산화촉매(acid catalyst)로써 작용할 수 있다. TFA는 셀룰로즈의 -OH, hydroxyl-terminated PDMS, 전구체의 Si-OMe 사이의 축합(condensation) 반응성을 높여주어 필터페이퍼 표면에서 gel화를 촉진한다. 또한 TFA의 끓는점이 72.4 ℃로 낮아 농축기 후처리의 건조 과정 중 잔류물 제거에 매우 용이하다.
폴리디메틸실록산의 가교제는 주로 알콕시실란(alkoxysilane) 계열의 물질이 사용되며, 테트라알콕시실란(Tetraalkoxysilane)에 비하여 하나의 알콕시(alkoxy) 그룹이 알킬(alkyl) 그룹으로 치환된 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)이 건조과정에서 갈라짐을 방지할 수 있으므로 메틸트리메톡시실란을 전구체로 사용하는 것이 매우 바람직하다.
상기 가교제인 트리플로오르아세틱 애시드가 첨가되어 전구체인메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)의 반응성이 매우 증가할 수 있다.
상기 반응성이 증가된 메틸트리메톡시실란의 일부는 셀룰로오스의 하이드록시기와 반응하고, 일부는 OH-terminated PDMS와 졸-겔(sol-gel)반응으로 코팅폴리머층을 형성한다.
상기 폴리디메틸실록산 및 메틸트리메톡시실란으로 코팅된 필터페이퍼(이하 'PDMS-FP')는 휘발성유기화합물의 농축기로 사용할 수 있으며, 종래의 SPME를 대체할 수 있다.
한편 상기 필터페이퍼와 코팅폴리머층 사이에 탄소층을 더 포함할 수 있다.
상기 탄소물질은 활성탄소(activated carbon), 플러렌(fullerene) 및 그래파이트(graphite)로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 탄소층이 형성되는 경우 저분자량 휘발성유기화합물에 대한 농축효과가 크게 증가할 수 있다.
특히 상기 탄소층이 활성탄소로형성되는 경우에는 플러렌이나 그래파이트에 비하여 매우 높은 농축효율을 나타낼 수 있어서 매우 바람직하다.
도 1은 본 발명의 다른 측면에 의한 휘발성유기화합물 농축기의 제조방법의 공정 순서를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 의한 휘발성유기화합물 농축기의 제조과정을 나타낸 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 휘발성유기화합물 농축기 제조방법은 전구체와 고분자를 혼합하여 균질한 혼합물을 형성하는 단계(제1단계) 전구체와 고분자를 혼합하여 균질한 혼합물을 형성하는 단계(제1단계); 상기 혼합물에 가교제를 첨가하여 코팅액을 제조하는 단계(제2단계); 필터페이퍼에 상기 코팅액을 도포하여 겔(gel)화 반응시켜 코팅폴리머층을 형성하는 단계(제3단계); 및 상기 코팅폴리머층이 형성된 필터페이퍼를 회수하여 세척 건조하는 단계(제4단계)를 포함한다.
상기 전구체에 가교제를 첨가하여 전구체의 반응성을 증가시킬 수 있다(S100).
상기 가교제는 트리플루오르아세틱 애시드(trifluoroacetic acid)이고, 상기 전구체는 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)이다.
여기서 상기 전구체 100 중량부에 대하여 상기 가교제를 10 내지 50 중량부로 첨가할 수 있다.
상기 가교제의 첨가량이 10 중량부 미만이면, 반응성을 증가시키기 어렵고 50 중량부를 초과하는 경우에 코팅층의 경화도가 높아 농축기가 부서지는 등 사용상의 불편함이 있다.
한편 상기 고분자는 하이드록시 말단기를 가지는 폴리디메틸실록산(hydroxyl terminated polydimethylsiloxane)이다.
상기 OH-terminated PDMS와 반응성이 증가된 전구체인 메틸트리메톡시실란을 혼합하여 코팅액을 제조할 수 있다(S20).
상기 고분자 100 중량부에 대하여 전구체 150 내지 800 중량부를 혼합하여 코팅액을 제조할 수 있다.
여기서 전구체가 150 중량부 미만으로 첨가되는 경우 점도가 높아서 필터페이퍼에 도포하는 경우 균일하게 코팅층을 형성하기 어려우며, 800 중량부 이상을 첨가하는 경우에는 점도가 감소하여 균일하게 코팅층을 형성하기는 유리하나, 코팅폴리머층의 코팅작업 중 코팅액이 필터페이퍼 밖으로 유실되는 단점이 있다.
상기 OH-terminated PDMS의 하이드록시기가 전구체와 졸-겔 반응에 위하여 겔(gel)화될 수 있으므로, 상기 필터페이퍼에 코팅폴리머층을 형성할 수 있다.
상기 필터페이퍼에 상기 코팅액을 도포하여 겔(gel)화 반응시켜 코팅폴리머층을 형성할 수 있다(S30).
상기 코팅폴리머층은 상기 직경 42.5 mm 필터페이퍼 (Whatman GR1) 에 대하여 100 내지 400 μL의 코팅액이 첨가될 수 있다.
상기 코팅액의 첨가량이 증가될수록 농축되는 휘발성유기화합물이 증가되나, 400 μL을 초과하는 경우에는 초과량에 따른 휘발성유기화합물의 농축효과에 차이가 없으며, 농축기가 잘 부서지는 성질이 나타나며, 표면적 증가의 효과가 없다.
코팅액이 100 μL 이하인 경우에는 농축효율이 급격히 떨어지며, 농도측정 값에 대한 상대표준오차(relative standard deviation: 이하 'RSD')가 커서 측정값에 대한 신뢰성이 낮다.
상기 제3단계 이전에 상기 탄소물질을 슬러리로 생성하되, 상기 코팅액 대비 탄소물질이 1 wt% 이내가 되도록 슬러리를 도포하여 탄소층을 형성할 수 있다.
상기 탄소물질은 활성탄소(activated carbon), 플러렌(fullerene) 및 그래파이트(graphite)로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 탄소물질을 활성탄소로 선택하는 경우에는 플러렌이나 그래파이트 보다 휘발성유기화합물이 농축효과가 커서 매우 바람직하다.
상기 범위 이내로 첨가되어 탄소층을 형성하는 경우에도 휘발성유기화합물의 농축효과를 크게 증가시킬 수 있으며, 0.2 내지 1 wt% 첨가율 범위에서 첨가율이 높을수록 농축효과가 증가하는 경향이 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면 본 발명은 휘발성유기화합물 농축기를 이용한 휘발성유기화합물 농도측정방법을 제공한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 측면에 의한 휘발성유기화합물 농축기를 이용한 휘발성유기화합물 농도측정방법의 공정순서를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 휘발성유기화합물 농도측정방법은 도 1에 따라 휘발성유기화합물 농축기를 제조하고, 휘발성유기화합물이 함유된 용기 헤드스페이스에 농축기를 노출시켜 휘발성유기화합물의 농도를 측정하되, 휘발성유기화합물 농도 측정값의 상대표준편차를 크게 감소시킬 수 있다.
이 때 상기 휘발성유기화합물은 고체상 물질과 혼합될 수 있으며, 상기 고체상 물질과 떨어진 곳에 농축기를 배치할 수 있다.
상기 고체상 물질은 활성탄소, 건사 또는 몬모릴로나이트와 같은 방제제일 수 있다.
또한 상기 휘발성유기화합물은 휘발성유기화합물이 혼합된 액체상 물질로 10 ppb 이상 농도를 가질 수 있다.
따라서 헤드스페이스를 직접 추출하여 휘발성유기화합물의 농도를 측정하는 경우에 오차율인 상대표준편차가 매우 커서 신속하고 정확한 휘발성유기화합물의 농도측정이 어려우나, 소량의 활성탄소를 코팅폴리머층이 형성된 휘발성유기화합물 농축기와 함께 배치하는 경우 매우 정확하고 신속하게 휘발성유기화합물의 농도를 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
1>
휘발성유기화합물
농축기(
PDMS
-
FP
) 제조
직경 25 mm필터페이퍼(Whatman GR1 filter paper, Sigma-Aldrich)를 준비하였다.
상기 필터페이퍼는 두께 180 μm, 공극 크기(Pore size) 11 μm, 애쉬(Ash) 함량 0.06% 이하이고, 밀도: 87 g/m2 였다.
4 mL 메틸트리메틸실란(methyltrimethoxysilane, Sigma-Aldrich)에 2 mL 하이드록시 말단기 폴리디메틸실록산(hydroxyl terminated polydimethylsiloxane, Sigma-Aldrich)과 0.5 mL 95% 트리플루오르아세틱 애시드(trifluoroacetic acid, Sigma-Aldrich)를첨가하여 코팅액을 제조하였다.
상기 코팅액을 planetary centrifugalmixer를 사용하여 5분간 2000 rpm속도로 혼합하여코팅액을 균질화 하였다.
각각의 필터페이퍼에 코팅액 80μL를 도포한 후 110 ℃에서 1시간 건조하고 서서히 실온으로 온도를 낮춘다.
상기 필터페이퍼를 DI-water와 아세톤에 각각 24 시간 담가 불순물을 제거하고, 세척 후 건조하여 휘발성유기화합물 농축기를 제조하였다.
<
실시예
2> 탄소 첨가제 함유
PDMS
-
FP
제조
직경 25 mm 필터페이퍼(Whatman GR1 filter paper, Sigma-Aldrich)를 준비하였다.
40 mL 메틸트리메틸실란에 400 mg 활성탄소(activated carbon), 플러렌(fullerene) 또는 그래파이트(graphite)를 볼밀링으로 분산시키고,이 슬러리를 메틸트리메틸실란으로 2배 - 10배 묽혀 필터페이퍼에 탄소층을 입히는 데에 쓴다.
스핀코터(spin-coater)에 필터페이퍼를 올리고 400 rpm 회전속도에서 25초간 상기 탄소 슬러리 120 μL을 도포하고 110 ℃에서 1시간 건조한다.
4 mL메틸트리메틸실란(methyltrimethoxysilane, Sigma-Aldrich)에 2 mL하이드록시 말단기 폴리디메틸실록산(hydroxyl terminated polydimethylsiloxane, Sigma-Aldrich)과 0.5 mL 95% 트리플루오르아세틱 애시드(trifluoroacetic acid, Sigma-Aldrich)를첨가하여 코팅액을 제조하였다.
상기 코팅액을 planetary centrifugalmixer를 사용하여 5분간 2000 rpm속도로 혼합하여 코팅액을 균질화 하였다.
상기 탄소층이 입혀진 필터페이퍼에 코팅액 80?l를 도포한 후 110에서 1시간 건조하고,서서히 실온으로 온도를 낮춘다.
상기 필터페이퍼를 DI-water와 아세톤에 각각 24시간 담가 불순물을 제거하고, 세척 후 건조하여 휘발성유기화합물 농축기를 제조하였다.
<
실험예
1>
휘발성유기화합물
농축기의 물성
필터페이퍼에 코팅폴리머층이 형성된 것을 확인하기 위하여 제조된 휘발성유기화합물 농축기의 표면 화학 작용기를 푸리에 변환 적외선 분광분석기(FT-IR/ATR)를 사용하여 분석하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기와 대조군의 푸리에 변환 적외선 분광분석 결과이다.
도 4를 참조하면, 필터페이퍼와 OH-termainated PDMS가 트리플루오르아세틱 애시드존재시 cross -linking에 의하여 -OH 작용기가 소멸된 것을 확인하였다.
따라서 가교제인 트리플루오르아세틱 애시드가 필터페이퍼와 고분자가 가교되는 것에 결정정인 역할을 수행한 것을 확인하였다.
한편 필터페이퍼에 대한 코팅액 중의 OH-termainated PDMS 함량에 따른 표면 및 단면의 형태를 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 관찰하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기의 제조방법에 있어서 코팅액 중에 고분자 함량에 따른 표면의 형태변화를 나타낸 전자주사현미경 사진이다.
도 5를 참조하면, 코팅액의 첨가량이 100 내지 200 μL인 경우에 필터페이퍼의 섬유(fiber) 구조가 매우 잘 유지되었으며, 첨가량이 증가할수록 고분자 코팅면에 의해 섬유 구조가 덮이는 경향을 확인할 수 있었다.
<
실험예
2>
휘발성유기화합물
농도 분석
종래의 헤드스페이스 가스직접 추출에 의한 휘발성유기화합물 농도측정방법의 오차율(RSD)이 큰 문제점을 해결하기 위해 실시예 1에 따른 휘발성유기화합물 농축기(이하 'PDMS-FP')를 사용하여 가스상 톨루엔 농도를 측정하여 헤드스페이스 가스 headspace gas 직접분석방법 결과와 비교하였다.
직접분석방법은 바이알 헤드스페이스 가스를가스밀봉 주사기(gas-tight syringe)를 이용하여 10μL 추출하여, 직접 GC/MS에 주입하여 분석하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기를 사용하여 바이알에서 휘발성유기물질을 농축하는 과정의 사진이다.
도 6을 참조하면 PDMS-FP를 사용한 방법은 PDMS-FP를 바이알 뚜껑에 끼워 기화된 톨루엔에 노출시킨 후 농축기를 수거하여 2 mL CS2로 추출하고, 추출 용액 1 μL를 GC/MS에 주입하여 분석하였다.
| 분석방법 | PDMS첨가량(μL) | sampler 농도 (mg toluene/g sampler) |
RSD(%) |
| Headspace gas GC-MS에 직접 주입 |
0 | NA | 38.2 |
| 농축기 농축 후 추출 분석 | 100 | 0.7 | 257.8 |
| 200 | 51.7 | 12.5 | |
| 300 | 50.3 | 37.3 | |
| 400 | 59.2 | 11.2 |
상기 표1은 헤드스페이스 가스와 농축기로 농축한 이후에 추출하여 분석한 결과를 나타낸 것이다.
헤드스페이스 가스직접분석 방법보다 PDMS-FP를 사용한 경우 (코팅액 주입량100μL일 때 제외) RSD 값이 낮았으며, 코팅액 주입량이 많을수록 톨루엔 농축 효율이 높아짐을 확인할 수 있었다. 톨루엔 농축효율이 코팅액 주입량 200 μL 이상일 때, 큰 변화가 없었으며, 주입량이 높을수록 PDMS-FP가 잘 깨지는(brittle) 경향이 있고, 필터페이퍼 표면의 섬유 구조에서 오는 표면적 증가 효과를 적어, 코팅액 주입량은 200 μL 수준으로 결정하였다.
<
실험예
3>
방제제
성능평가에 활용
PDMS-FP를 이용하여 방제제 처리 시 휘발성유기화합물의 휘발 억제 성능을 확인하였다.
도 6을 참조하면 휘발성유기화합물 0.2g과 방제제 1g(20)을 바이알에 배치하였고,수평믹서상에 1시간 동안 혼합되는 과정에서 기화된 휘발성유기화합물은 PDMS-FP(10)에 흡수된다.
| 방제제 | Blank 시료 대비 방제제함유 샘플 증기 발생량± RSD (%) |
증발 억제효과 |
| Blank | 100%± 11% | 기준점 (방제제 미처리) |
| 건사 | 111%± 5% | -11% |
| 몬모릴로나이트 | 76%± 4% | 24% |
| 활성탄 | 6%± 9% | 94% |
Blank 결과는 방제제가 처리되지 않고 액체상 휘발성유기화합물이 존재하는 상황에서 헤드스페이스에 기화된 휘발성유기화합물이PDMS-FP 에 노출된 양을 나타내며, 그 값을 100% 기준값으로 설정하였다.
나머지 세 가지 방제제가 휘발성유기화합물과 섞여있을 때, PDMS-FP 에 노출된 VOC 양을 blank 값과 비교하면 1) 건사의 경우 방제제를 처리한 것보다 오히려 VOC 휘발 억제하는 방제효과가 떨어지며, 2) 활성탄의 경우 방제제 처리하지 않았을 때 휘발될 VOC 양의 94%가방제제로 인해 휘발이 억제되었음을 알 수 있었다.
이때, RSD가 표 1에 나타난 헤드스페이스 가스 직접 분석의 경우보다 크게 낮아 PDMS-FP 농축 과정을 통하여 분석의 신뢰성이 높아졌음을 재확인할 수 있었다.
<
실험예
4> 코팅액 첨가제 효과
활성탄소(Activated carbon), 탄소나노튜브(carbon nanotube) 등 표면적이 높은 탄소물질은 소수성 유기 화합물(hydrophobic organic chemical) 의흡착력이 뛰어나기 때문에 이러한 성질을이용하여PDMS-FP의 성능 개선 실험을 실시하였다.
몇 가지 탄소 물질(carbon material)을 코팅액의 1 wt%로 하여 첨가하였다.
대표적인 탄소물질로 활성탄소 계열로써 활성탄소(activated carbon; AC), 플러렌(fullerene; FL) 및 그래파이트(graphite; GP)를 첨가제로 사용하였으며, 균질한 코팅을 위하여 볼밀(ball-milling)을 사용하여 분산도를 높였다.
최종 세척(washing) 과정에서 탄소물질(carbon material)의 소실을 막기 위하여 탄소슬러리를 도포하고 건조 후 탄소층에 위에 폴리머코팅층을 입혀 탄소층을 보호하였다.
제조된 PDMS-FP 의 성능을 다양한 휘발성유기화합물을 대상으로 평가해보기 위하여 40ml 바이알 뚜껑에 직경 25 mm 농축기를 삽입하고 탈이온수(DI water) 10 ml씩 채워 넣은 후 자석 교반기(magnetic spin bar)를 작동하여, VOC MIX(10ppm) 10 μL를 첨가한 즉시 농축기가 끼워진 바이알 뚜껑을 닫고 10분간 방치하였다.
시료를 20 ml 바이알로 옮긴 후 CS2로 30분 동안 추출하고, 추출액을 GC/MS 분석하였다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 휘발성유기화합물 농축기의 첨가제에 따른 농축효율을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 1 wt% 활성탄소(AC) 첨가 시 휘발성유기화합물 농축 효과가 첨가제가 없는 경우보다 눈에 띄게 증가하였고, 특히 저분자량 화합물의 경우 그 효과가 컸다.
본발명은 경제성이 있으며, 편리한 방법으로 사고현장 및 실내에서 발생되는 휘발성유기화합물 분석에 활용할 농축기를 필터페이퍼(filter paper)를 활용하여 제작하였고, 그 성능을 평가하였다.
셀룰로오스(cellulose) 기반필터페이퍼와 PDMS가 sol-gel 반응을 통해 제조하는 방법은 기존에 시도되지 않은 방법으로, 비용효율이 높은 경우 그 응용 범위가 확장될 수 있다.
헤드스페이스 가스 직접 분석 방법과 비교했을 때, 제조한 휘발성유기화합물 농축기를이용한 경우 오차율이 낮아져 분석 품질을 높이는 효과를 확인하였고, 여러 실험 조건을 동시에 테스트 할수 있어 실험시간을 단축하는 효과 또한 볼 수 있었다. 더 나아가 코팅폴리머층 아래에 표면적이 넓은 탄소 계열 첨가제(활성탄, 흑연, 플러렌)를 도포하여 휘발성유기화합물 농축 효율을 높일 수 있는지를 알아보는 실험을진행하였고, 활성탄 첨가 시 EPA VOC MIX2 물질의 농축효율이 높아짐을 확인하였다.
특히 휘발성이 높은저분자량의 물질이 농축효율이 상대적으로 낮은 것은 PDMS 기반 기존 농축샘플러(SPME 등)에서 공통적인 단점으로 지적된 부분이었고, 본 실험 결과는 이러한 단점을 소량의 활성탄 첨가로 개선 가능함을 시사한다.
본 발명에 따른 휘발성유기화합물 농축기는 패시브(passive) 방식으로 여러 장소에서의 노출평가를 동시에 진행하는 대기환경 모니터링에서 활용할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 휘발성유기화합물 농축기, 이의 제조방법 이를 이용한 휘발성유기화합물 농도측정방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (12)
- 셀룰로오스를 포함하는 필터페이퍼; 및
상기 필터페이퍼의 표면에 형성되는 코팅폴리머층;을 포함하되,
상기 코팅폴리머층은 하이드록시기(-OH) 말단기로 개질되어 상기 셀룰로오스의 하이드록시기(-OH)와 결합되고, 트리플루오르아세틱 애시드(trifluoroacetic acid)를 가교제로 하여 반응성이 증가된 메틸트리메톡시실란의 일단은 상기 셀룰로오스의 하이드록시기에 결합되어 상기 필터페이퍼 표면에 고정되고, 상기 메틸트리메톡시실란의 말단이 하이드록시기(-OH) 말단기로 개질된 폴리디메틸실록산과 매질이 필요없는 졸-겔 반응으로 고정된 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 필터페이퍼와 코팅폴리머층 사이에 탄소층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기.
- 제4항에 있어서,
상기 탄소층은
활성탄소(activated carbon), 플러렌(fullerene)및 그래파이트(graphite)로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기.
- 전구체와 고분자를 혼합하여 균질한 혼합물을 형성하는 단계(제1단계);
상기 혼합물에 가교제를 첨가하여 코팅액을 제조하는 단계(제2단계);
필터페이퍼에 상기 코팅액을 도포하여 겔(gel)화 반응시켜 코팅폴리머층을 형성하는 단계(제3단계); 및
상기 코팅폴리머층이 형성된 필터페이퍼를 회수하여 세척 건조하는 단계(제4단계)를 포함하되,
상기 가교제는 95% 트리플루오르아세틱 애시드(trifluoroacetic acid)이고, 상기 전구체는 메틸트리메톡시실란(methyltrimethoxysilane)이며,
상기 전구체 100 중량부에 대하여 상기 가교제를 10 내지 50 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기 제조방법.
- 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 제2단계에 있어서,
상기 고분자는 하이드록시 말단기 폴리디메틸실록산(hydroxyl terminated polydimethylsiloxane)이며,
상기 고분자 100 중량부에 대하여 전구체 150 내지 800 중량부를 혼합하여 코팅액을 제조하는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 제3단계의 코팅폴리머층은
상기 직경 42.5 mm필터페이퍼 (Whatman GR1) 에 대하여 100 내지 400 μL의 코팅액을 첨가하여형성되는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 제3단계 이전에
탄소물질을 슬러리로 생성하되,
상기 코팅액 대비 탄소물질이 1 wt% 이내가 되도록 슬러리를 도포하여 탄소층을 형성하는 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 탄소물질은
활성탄소(activated carbon), 플러렌(fullerene) 및 그래파이트(graphite)로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기 제조방법.
- (a) 전구체와 고분자를 혼합하여 균질한 혼합물을 형성하는 단계;
(b) 상기 혼합물에 가교제를 첨가하여 코팅액을 제조하는 단계;
(c) 필터페이퍼에 상기 코팅액을 도포하여 겔(gel)화 반응시켜 코팅폴리머층을 형성하는 단계;
(d) 상기 코팅폴리머층이 형성된 필터페이퍼를 회수하여 세척 건조하여 휘발성유기화합물 농축기를 제조하는 단계; 및
(e) 휘발성유기화합물이 함유된 용기 헤드스페이스에 농축기를 노출시켜 휘발성유기화합물의 농도를 측정하는 단계를 포함하되,
상기 (c) 단계는 상기 코팅액을 200 μL로 도포하여 코팅폴리머층을 형성하고,
상기 (e) 단계는 헤드스페이스 가스 직접 분석 방법과 비교하여 휘발성유기화합물 농도 측정값의 상대표준편차가 감소된 것을 특징으로 하는 휘발성유기화합물 농축기를 이용한 휘발성유기화합물 농도측정방법.
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