KR102090669B1 - 필터 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 필터 시스템에 관한 것이다. 일 측면에 따른 필터 시스템은 물에 존재하는 음전하 입자가 정전기적 인력에 의해 이온흡착되도록 적어도 일부가 양전하를 띠는 정전 흡착 필터; 상기 정전 흡착 필터의 출구 측에 구비되는 제1 카본 블럭 필터; 상기 제1 카본 블럭 필터의 출구 측에 구비되며, 물에 존재하는 바이러스를 필터링하기 위한 기공을 구비하는 중공사막 필터; 및 상기 중공사막 필터의 출구 측에 구비되는 제2 카본 블럭 필터를 포함한다.
Description
본 발명은 필터 시스템에 관한 것이다.
물을 깨끗하게 하는 장치인 정수기에는 다양한 필터가 사용된다. 그 중 가장 대표적인 것은 역삼투압 멤브레인 필터와 중공사막 필터다.
역삼투압 멤브레인 필터(Reverse Osmosis Membrane Filter)는 삼투 현상을 역으로 이용한 필터를 일컫는다. 반투막으로 격리되어 있는 고농도의 용액과 저농도의 용액에서는 물이 자연적으로 반투막을 통과하여 저농도의 용액으로부터 고농도의 용액으로 이동한다. 이러한 현상을 삼투 현상이라 하며, 이때 발생하는 고농도의 용액과 저농도의 용액의 수위 차이를 삼투압이라 한다. 그러나 고농도의 용액에 삼투압 이상의 압력을 가하면 자연 현상과는 반대로 물이 반투막을 통과하여 고농도의 용액으로부터 저농도의 용액으로 이동한다. 이러한 현상을 역삼투 현상이라 하며, 이때 발생하는 저농도의 용액과 고농도의 용액의 수위 차이를 역삼투압이라 한다. 역삼투압 멤브레인 필터는 역삼투 현상을 이용하여 물 분자만을 반투막에 통과시켜 정화하도록 이루어진다.
중공사막 필터(Hollow Fiber Membrane Filter)는 대나무와 같이 중앙이 비어 있는 실과 같은 형태의 필터를 이용한다. 중공사막 필터에는 물에 섞여 있는 제거 대상 물질을 걸러내고 물 분자를 통과시키도록 기공이 형성된다. 수압을 이용하여 물이 중공사막 필터를 통과하도록 하면 기공보다 큰 크기의 제거 대상 물질들은 기공을 통과하지 못하고, 물 분자는 기공보다 작으므로 중공사막 필터를 통과할 수 있다. 중공사막 필터는 이와 같은 원리를 이용하여 원수를 정화하도록 이루어진다. 다만, 중공사막 필터는 역삼투압 필터에 비해 더욱 미세한 물질을 제거하지 못하는 것으로 알려져 있다.
원수에 존재하는 제거 대상 물질 중 바이러스는 눈에 보이지 않는 매우 미세한 크기로 형성된다. 특히 노로 바이러스와 같이 인체에 악영향을 끼치는 바이러스가 음용수에 포함되어 있다면 복통 등을 유발하기 때문에, 정수기에서는 반드시 바이러스를 제거할 필요가 있다. 다만, 바이러스는 미세한 크기로 형성되고 미세한 물질을 제거하는 것은 일반적으로 중공사막 필터에 비하여 역삼투압 멤브레인 필터가 효과적이므로, 원수에서 바이러스를 제거하는 것은 일반적으로 역삼투압 멤브레인 필터를 이용해 왔다.
그러나 출원인은 중공사막에 대한 연구 개발을 통해 바이러스를 제거할 수 있는 중공사막을 구현하였다. 그런데 바이러스를 제거할 수 있는 중공사막은 바이러스보다 작은 크기의 기공을 가지기 때문에, 시간이 흐름에 따라 물에 존재하는 나노입자에 의하여 통수량의 감소가 급격하게 발생하는 문제가 제기되었다.
따라서, 바이러스를 제거할 수 있는 중공사막을 적용하였을 때 나노입자에 의하여 통수량의 급격한 감소가 발생하는 현상을 극복할 수 있는 필터 시스템에 대하여 고려할 수 있다.
본 발명의 일 목적은 바이러스를 제거할 수 있는 크기의 기공을 갖는 중공사막을 필터에 적용하였을 때 발생하는 통수량의 급격한 감소를 방지하도록 이루어지는 필터 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 중공사막 필터의 교환주기를 짧게 만드는 원인을 제거할 수 있는 필터 시스템을 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 정전 흡착 필터와 중공사막 필터를 이용하여 다양하게 확장될 수 있는 필터 시스템을 개시하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 필터 시스템은, 물에 존재하는 음전하 입자가 정전기적 인력에 의해 이온흡착되도록 적어도 일부가 양전하를 띠는 정전 흡착 필터; 상기 정전 흡착 필터의 출구 측에 구비되는 제1 카본 블럭 필터; 상기 제1 카본 블럭 필터의 출구 측에 구비되며, 물에 존재하는 바이러스를 필터링하기 위한 기공을 구비하는 중공사막 필터; 및 상기 중공사막 필터의 출구 측에 구비되는 제2 카본 블럭 필터를 포함하고, 상기 정전 흡착 필터의 외측 면에는 상기 양전하를 띠는 이온 흡착부가 형성되어, 상기 정전 흡착 필터를 통과하는 물에 포함된 입자가 큰 음전하가 흡착되고, 상기 정전 흡착 필터의 중심에는 중공부가 형성되어, 상기 이온 흡착부를 통과한 물이 상기 중공 사막 필터로 안내되도록 하며, 상기 중공 사막 필터의 기공은, 물 속에 포함된 평균 크기 25nm 이상의 바이러스를 제거하도록 25nm 보다 작은 크기로 형성되고, 상기 이온 흡착부에 의해 흡착되는 입자의 크기는 상기 기공의 크기보다 크다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 크기 배제 메커니즘에 의해 바이러스를 제거할 수 있는 중공사막의 유량 감소를 유발하는 나노입자를 정전 흡착 필터를 이용하여 미리 제거할 수 있다. 따라서, 물에 존재하는 나노입자는 중공사막 필터를 통과하기 전에 미리 제거되므로, 본 발명은 중공사막 필터의 유량 감소 현상을 방지할 수 있다.
또한 본 발명은, 정전 흡착 필터와 중공사막 필터의 유기적인 조합에 의하여 바이러스를 제거하면서 필터의 조기 교체 필요성을 감소시키고 필터 시스템의 성능을 확보할 수 있다.
또한 본 발명은, 정전 흡착 필터와 중공사막 필터를 필수구성요소로 하면서 필요에 따라 1단으로 형성되거나 다단으로 확장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 필터 시스템의 유체 흐름도.
도 2a는 본 발명의 필터 시스템에 적용된 중공사막 필터의 사시도.
도 2b는 중공사막의 확대 사진.
도 3a는 본 발명의 필터 시스템에 적용된 정전 흡착 필터의 사시도.
도 3b는 이온흡착부의 세부 구성을 나타내는 개념도.
도 3c는 이온흡착부의 세부 구성을 나타내는 다른 개념도.
도 4a는 도 3b에 도시된 이온흡착부의 사진.
도 4b는 도 4a의 이온흡착부에 나노입자가 이온흡착되는 메커니즘을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 정전 흡착 필터의 적용에 따른 통수량 감소 방지 효과를 설명하기 위한 그래프.
도 6은 정전 흡착 필터의 적용에 따른 나노입자 제거 효과를 설명하기 위한 그래프.
도 7은 카본 블럭에 이온흡착부를 결합하는 것을 보인 개념도.
도 8은 단일의 하우징에 중공사막 필터와 정전 흡착 필터를 내장한 것을 보인 단면도.
도 9는 서로 구분되는 하우징에 각각 중공사막 필터와 정전 흡착 필터를 내장한 것을 보인 개념도.
도 10은 필터 시스템을 3단으로 확장한 것을 보인 개념도.
도 11은 필터 시스템을 4단으로 확장한 것을 보인 개념도.
도 2a는 본 발명의 필터 시스템에 적용된 중공사막 필터의 사시도.
도 2b는 중공사막의 확대 사진.
도 3a는 본 발명의 필터 시스템에 적용된 정전 흡착 필터의 사시도.
도 3b는 이온흡착부의 세부 구성을 나타내는 개념도.
도 3c는 이온흡착부의 세부 구성을 나타내는 다른 개념도.
도 4a는 도 3b에 도시된 이온흡착부의 사진.
도 4b는 도 4a의 이온흡착부에 나노입자가 이온흡착되는 메커니즘을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 정전 흡착 필터의 적용에 따른 통수량 감소 방지 효과를 설명하기 위한 그래프.
도 6은 정전 흡착 필터의 적용에 따른 나노입자 제거 효과를 설명하기 위한 그래프.
도 7은 카본 블럭에 이온흡착부를 결합하는 것을 보인 개념도.
도 8은 단일의 하우징에 중공사막 필터와 정전 흡착 필터를 내장한 것을 보인 단면도.
도 9는 서로 구분되는 하우징에 각각 중공사막 필터와 정전 흡착 필터를 내장한 것을 보인 개념도.
도 10은 필터 시스템을 3단으로 확장한 것을 보인 개념도.
도 11은 필터 시스템을 4단으로 확장한 것을 보인 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 필터 시스템에 대하여 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 필터 시스템(100)의 유체 흐름도다.
필터 시스템(100)은 중공사막 필터(110)와 정전 흡착 필터(120)를 포함한다. 원수의 정수를 구현하거나, 원수를 정수하는 장치(정수기)를 제품으로 구현하기 위해서는 도 1에 도시된 구성요소보다 많은 구성요소를 필요로 하나, 도 1에서는 본 발명의 기술적 사상과 관련된 필수구성요소만을 도시하였고, 나머지 구성요소들은 생략하였다.
중공사막 필터(110)는 바이러스를 제거하도록 이루어진다. 중공사막 필터(110)는 물에 존재하는 바이러스를 제거하도록 바이러스의 평균 크기보다 작은 평균 크기의 기공을 구비한다.
종래의 중공사막 필터에 구비되는 기공의 평균 크기는 약 100㎚ 내외였다. 그러나 바이러스의 평균 크기는 약 25~27㎚ 수준이므로, 종래의 중공사막 필터를 이용하여서는 바이러스를 제거할 수 없었다. 종래의 중공사막 필터가 바이러스보다 큰 크기의 기공을 구비하는 이유는, 종래의 중공사막 필터의 기능이 바이러스를 제거하는 것과 무관하기 때문이었다.
이와 달리 본 발명에서 중공사막 필터(110)는 바이러스를 제거하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명에서 제안하는 중공사막 필터(110)는 바이러스를 제거하도록 바이러스의 평균 크기보다 작은 평균 크기의 기공을 구비한다. 물에서 제거해야 하는 바이러스의 평균 크기가 약 25~27㎚ 수준이므로, 중공사막 필터(110)의 평균 기공 크기는 약 25㎚ 이하로 형성된다. 바이러스 제거의 신뢰성을 확보하기 위하여 중공사막 필터(110)의 평균 기공 크기는 약 20㎚ 내외로 형성되는 것이 바람직하다.
약 25㎚보다 작은 평균 기공 크기를 갖는 중공사막 필터(110)는 크기 배제 메커니즘에 의하여 물에 존재하는 바이러스를 제거할 수 있다. 특히, 크기 배제 메커니즘에 의해 바이러스를 제거하는 중공사막 필터(110)는 원수의 종류에 관계없이 바이러스를 제거할 수 있다는 장점이 있다. 종래의 방식 중에서 크기 배제 메커니즘을 사용하지 않고 다른 방식으로 바이러스를 제거하는 필터가 제안된 바 있는데 종래의 방식은 원수의 pH 등과 같이 원수의 조건에 따라 그 성능이 결정되기도 하는 단점이 있다.
본 발명에서 중공사막 필터(110)는 크기 배제 메커니즘을 이용하므로 원수의 조건에 영향을 받지 않는 장점이 있다. 그러나 수도수와 같은 원수에는 바이러스뿐만 아니라 약 200㎚ 이하의 크기를 갖는 나노입자가 존재한다. 나노입자를 포함하는 원수에서 바이러스를 제거하기 위해 중공사막 필터(110)로 원수를 통과시키는 경우, 시간의 흐름에 따라 중공사막 필터(110)의 기공이 나노입자에 의해 막히고 이로 인하여 중공사막 필터(110)의 통수량이 급격하게 감소하는 문제가 발생한다.
100㎚ 내외의 평균 기공 크기를 갖는 종래의 중공사막 필터에서는 나노입자에 의해 통수량이 크게 감소하는 현상을 뚜렷하게 발견할 수 없었다. 따라서, 종래의 중공사막 필터에서 나노입자에 의한 통수량 감소 문제는 정수기의 성능에 큰 영향을 미치는 요소가 아니었다. 그러나 본 발명에서와 같이 약 25㎚보다 작은 평균 기공 크기를 갖는 중공사막 필터(110)를 사용하는 필터 시스템(100)에서 나노입자에 의한 통수량 감소는 정수기의 성능에 큰 영향을 미친다.
현재 일반적으로 사용되고 있는 정수기의 필터들은 주기적으로 교체된다. 그러나 나노입자에 의한 통수량의 감소는 중공사막 필터(110)의 교체 시기를 더욱 짧게 만든다. 또한, 통수량의 감소는 사용자에게 제공되는 정수량의 감소를 유발하므로, 사용자의 입장에서 통수량의 감소는 정수기의 품질을 낮게 평가하는 원인이 된다.
본 발명은 바이러스를 제거할 수 있는 크기의 기공을 구비하는 중공사막 필터(110)를 적용하고, 상기 중공사막 필터(110)를 적용함에 있어 발생 가능한 통수량의 감소 문제를 해결하고자 정전 흡착 필터(120)를 중공사막 필터(110)와 함께 사용하는 필터 시스템(100)을 제안한다.
정전 흡착 필터(120)는 정전기적 인력에 의해 물에 존재하는 음전하의 나노입자와 이온흡착되도록 적어도 일부가 양전하를 띈다. 음용수의 pH 범위에서 물에 존재하는 대부분의 입자성 물질들은 음전하를 띄며, 정전 흡착 필터(120)에서 제거하고자 하는 나노입자도 음전하를 띈다. 따라서 나노입자들은 양전하와 정전기적 인력에 의하여 이온흡착될 수 있다.
정전 흡착 필터(120)는 나노입자에 의해 중공사막 필터(110)의 통수량이 급격하게 감소하는 것을 방지하도록 중공사막 필터(110)로 공급될 물에서 나노입자를 미리 제거한다. 물의 통과 순서를 기준으로 설명하면 정전 흡착 필터(120)는 중공사막 필터(110)의 앞에 위치한다. 따라서, 필터 시스템(100)에서 정수되는 물은 1차적으로 정전 흡착 필터(120)를 먼저 통과하고, 2차적으로 중공사막 필터(110)를 통과하게 된다.
정전 흡착 필터(120)는 중공사막 필터(110)로 공급될 물에서 미리 나노입자를 제거하므로, 정전 흡착 필터(120)를 통과한 물(B)에는 바이러스가 존재할 수 있다. 그러나 통수량의 감소를 유발하는 나노입자는 정전 흡착 필터(120)에 의해 제거된다. 따라서, 정전 흡착 필터(120)를 통과한 물(B)을 중공사막 필터(110)로 공급하면 중공사막 필터(110)에서 통수량 감소 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
필터 시스템(100)에서 정수되는 물(C)은 원수(A)와 1차 정수(B), 2차 정수(C)로 구분할 수 있다. 원수(A)는 필터 시스템(100)을 통과하기 전의 물을 가리키며, 전혀 정수되지 않은 물을 가리킨다. 예를 들어 원수(A)는 수도수를 포함한다.
1차 정수(B)는 정전 흡착 필터(120)를 통과한 물을 가리킨다. 원수(A)가 정전 흡착 필터(120)를 통과하면, 원수(A)로부터 나노입자가 제거되고, 원수(A)는 1차 정수(B)가 된다. 1차 정수(B)는 원수(A)에서 나노입자가 제거된 물로 이해될 수 있다. 1차 정수(B)에는 바이러스가 존재할 수 있다.
2차 정수(C)는 정전 흡착 필터(120)와 중공사막 필터(110)를 순차적으로 통과한 물을 가리킨다. 1차 정수(B)가 중공사막 필터(110)를 통과하면, 1차 정수(B)로부터 바이러스가 제거되고, 1차 정수(B)는 2차 정수(C)가 된다. 2차 정수(C)는 1차 정수(B)에서 바이러스가 제거된 물로 이해될 수 있다. 나노입자는 정전 흡착 필터(120)에 의해 제거되고, 바이러스는 중공사막 필터(110)에 의해 제거되었으므로, 2차 정수(C)에는 나노입자와 바이러스가 거의 존재하지 않는다.
본 발명에 의하면, 원수(A)에 존재하는 바이러스는 중공사막 필터(110)에 의해 제거될 수 있다. 또한, 중공사막 필터(110)에 통수량 감소 현상을 일으키는 나노입자는 정전 흡착 필터(120)에 의해 제거될 수 있다. 특히, 정전 흡착 필터(120)는 중공사막 필터(110)를 통과한 물에서 나노입자를 제거하는 것이 아니라, 중공사막 필터(110)로 제공될 물에서 나노입자를 미리 제거하도록 이루어진다. 따라서, 본 발명은 크기 배제 메커니즘을 이용하여 바이러스 제거를 제거할 수 있음과 아울러 중공사막 필터(110)의 통수량 감소 현상을 방지할 수 있다.
이하에서는 중공사막 필터(110)와 정전 흡착 필터(120)의 세부 구조에 대하여 설명한다.
도 2a는 본 발명의 필터 시스템(100, 도 1 참조)에 적용된 중공사막 필터(110)의 사시도다. 도 2b는 중공사막의 확대 사진이다.
도 2a의 중공사막 필터(110)는 도 2b의 중공사막(112)을 다발로 묶어 형성된다. 하단부는 폴리우레탄과 같은 레진에 의해서 포팅 되어 물의 흐름을 막고, 상단부는 포팅 후에 레진이 절단되어 중공사막의 가운데로 물을 출수하게 된다. 중공사막(112)은 가운데 부분이 비어있는 실과 같은 형태의 막을 의미한다. 중공사막(112)에는 기공(미도시)이 형성되어 있으며, 기공은 바이러스를 제거할 수 있도록 약 25㎚ 이하의 크기로 형성된다. 더욱 확실하게 바이러스를 제거하기 위해서 기공의 평균 크기는 약 20㎚ 내외로 형성되는 것이 바람직하다.
중공사막 필터(110)의 가운데 부분에는 물을 배출할 수 있는 유로(111)가 형성된다. 물은 중공사막 필터(110)의 외주면으로 유입된다. 중공사막 필터(110)를 통과하는 동안 물에 존재하는 바이러스는 기공을 통과하지 못하므로 물에서 제거된다. 도 2a의 화살표는 물의 흐름을 나타낸다. 물은 중공사막 필터(110)의 가운데 부분에 형성된 유로(111)를 통해 배출된다.
도 3a는 본 발명의 필터 시스템(100, 도 1 참조)에 적용된 정전 흡착 필터(120)의 사시도다.
정전 흡착 필터(120)는 중공부(121) 및 이온흡착부(122)를 포함한다.
중공부(121)는 물을 배출할 수 있는 유로를 형성한다. 중공부(121)는 예를 들어, 나노입자가 제거된 물을 중공사막 필터(110)로 제공하는 물의 유로를 형성할 수 있다.
이온흡착부(122)는 물을 통과시켜 중공부(121)로 흐르게 하도록 중공부(121)의 둘레에 형성된다. 물은 정전 흡착 필터(120)의 외주면에 형성된 이온흡착부(122)를 통해 유입된다. 이온흡착부(122)를 통과하는 동안 물에 존재하는 음전하의 나노입자들은 정전기적 인력에 의해 이온흡착부(122)에 흡착된다. 나노입자가 제거된 물은 중공부(121)에 형성되는 유로를 통해 배출된다. 도 3a의 화살표는 물의 흐름을 나타낸다.
이온흡착부(122)는 물과 접촉하는 표면적을 증대시키도록 중공부(121)의 둘레에 주름진 외주면(pleated outer surface)을 형성한다. 이온흡착부(122)는 정전기적 인력에 의해 물에 존재하는 나노입자들을 제거하므로, 나노입자와 접촉할 기회가 많을수록 이온흡착부(122)는 나노입자들을 더 많이 제거할 수 있다. 따라서, 이온흡착부(122)가 도 3a에 도시된 바와 같이 주름진 형태의 외주면을 형성하면, 물과 접촉하는 표면적이 증대된다. 표면적의 조절을 위해 주름의 수(또는 산의 수)는 조절될 수 있다. 그리고 주름진 형태의 외주면을 구비하는 이온흡착부(122)는 요철이 없는 외주면에 비하여 나노입자를 더욱 많이 제거할 수 있다.
도 3b는 이온흡착부(122)의 세부 구성을 나타내는 개념도다.
이온흡착부(122)는 정전기적 인력을 이용하여 물에 존재하는 음전하의 나노입자를 제거하도록 이루어진다. 이온흡착부(122)는 부직포 지지체(122a), 유리섬유(122b) 및 이온흡착 소재(122c)를 포함한다.
부직포 지지체(122a)는 정전 흡착 필터(120)의 외주면을 형성한다. 특히 부직포 지지체(122a)는 시트(sheet)의 형태로 제작되며, 가공을 통해 주름진 형태로 정전 흡착 필터(120)의 외주면을 형성할 수 있다. 부직포 지지체(122a)는 유리섬유(122b)를 지지한다. 부직포 지지체(122a)에는 물을 통과시키도록 기공을 구비한다.
유리섬유(122b)는 부직포 지지체(122a)의 표면에 부착된다. 유리섬유(122b)는 이온흡착 소재(122c)를 고정하기 위한 것이다. 소섬유 형태의 유리섬유(122b)는 부직포 지지체(122a)의 표면에 무작위로 배치되어 서로 얽히고 설힌다. 유리섬유(122b)와 유리섬유(122b)의 사이에는 약 2~3㎛ 내외의 틈이 형성될 수 있으며, 이 틈으로 물이 통과할 수 있다. 틈의 크기보다 큰 입자들은 크기 배제 메커니즘에 의해 물에서 제거될 수 있다.
이온흡착 소재(122c)는 유리섬유(122b)의 표면에 그라프팅(grafting) 되어 형성된다. 그라프팅이란 유리섬유(122b)의 표면에 이온흡착 소재(122c)를 고정하기 위한 공정을 가리키며, 물리적인 롤링을 통해 유리섬유(122b)에 이온흡착 소재(122c)를 고정하는 과정을 포함한다. 이온흡착 소재(122c)는 부직포를 통과하는 물에 존재하는 음전하의 나노입자와 이온흡착 되도록 양전하는 제공한다.
이온흡착 소재(122c)는 알루미나(AlOOH)를 포함한다. 알루미나는 물에서 AlO+ 양이온과 OH- 음이온으로 해리된다. 이온흡착 소재(122c)는 AlO+ 양이온을 이용하여 이온흡착에 필요한 양전하를 제공한다. 양전하의 크기는 약 +80㎷ 내외일 수 있다.
이온흡착 소재(122c)에 의해 제공되는 양전하에 의하여 음전하를 띄는 나노 입자들은 이온흡착부(122)에 이온흡착될 수 있다.
도 3c는 이온흡착부(122')의 세부 구성을 나타내는 다른 개념도다.
부직포 지지체(122a')는 도 3b에서 설명한 것과 동일하다. 따라서, 부직포 지지체(122a')에 대한 설명한 도 3b의 설명으로 갈음한다.
이온흡착부(122')는 도 3b에서 사용된 유리섬유(122b) 대신 셀룰로오스(122b')를 포함한다. 셀룰로오스(122b')는 부직포 지지체(122a')의 표면에 부착된다. 셀룰로오스(122b')도 이온흡착 소재(122c')를 고정하기 위한 것이다. 소섬유 형태의 셀룰로오스(122b')는 부직포 지지체(122a')의 표면에 무작위로 배치되어 서로 얽히고 설힌다. 셀룰로오스(122b')와 셀룰로오스(122b')의 사이에는 약 0.5~1㎛ 내외의 틈이 형성될 수 있으며, 이 틈으로 물이 통과할 수 있다. 틈의 크기보다 큰 입자들은 크기 배제 메커니즘에 의해 물에서 제거될 수 있다.
유리섬유(122b, 도 3b 참조)에 비하여 셀룰로오스(122b')는 몇 가지 장점이 있다.
먼저, 셀룰로오스(122b')는 인체에 무해하다. 정전 흡착 필터(120, 도 3a 참조)는 음용수를 형성하는 필터 시스템(100, 도 1 참조)의 구성요소이므로 인체에 유해해서는 안 된다. 셀룰로오스(122b')는 유리섬유(122b, 도 3b 참조)에 비하여 그 무해성이 입증되어 있으므로, 음용수를 처리하는 정전 흡착 필터(120, 도 1 참조)의 구성요소로 적합하다.
또한, 셀룰로오스(122b')와 셀룰로오스(122b')의 사이에는 유리섬유(122b, 도 3b 참조)에 비하여 작은 크기의 틈이 형성된다. 따라서, 크기 배제 메커니즘에 의해 물에 존재하는 불순물을 제거하는 성능이 유리섬유(122b, 도 3b 참조)에 비하여 향상될 수 있다.
이온흡착 소재(122c')는 셀룰로오스(122b')의 표면에 그라프팅되어 형성된다. 이온흡착 소재(122c')에 대한 설명은 도 3b의 설명으로 갈음한다.
도 3b, 도 3c의 화살표는 물이 흐르는 방향을 나타낸다.
도 4a는 도 3b에 도시된 이온흡착부(122)의 사진이다. 사진에서 좌측 하단과 우측 상단의 밝은 색 부분은 부직포 지지체에 해당한다. 그리고 좌측 상단에서 우측 하단으로 이어지는 어두운 색의 섬유는 유리섬유에 해당한다. 유리섬유의 표면에 배치되는 입자들은 알루미나에 해당한다.
도 4b는 도 4a의 이온흡착부에 나노입자가 이온흡착되는 메커니즘을 설명하기 위한 개념도다.
도 4b를 참조하면, 3개의 유리섬유가 서로 얽히도록 배치되어 있다. 3개의 유리섬유 사이에는 삼각형의 틈이 형성되며, 이 틈으로 물이 통과할 수 있다. 유리섬유의 표면에 고정된 알루미나는 양이온을 이용하여 이온흡착에 필요한 양이온을 제공한다. 따라서, 유리섬유의 표면에는 양전하가 형성된다. 물에 존재하는 나노입자들은 음전하를 띄므로, 물이 유리섬유를 통과하는 동안 나노입자들은 유리섬유의 표면에 존재하는 양이온과 이온흡착된다. 도 4b에서 화살표는 물의 흐름을 나타낸다.
이하에서는 정전 흡착 필터(120, 도 1 참조)를 중공사막 필터(110, 도 1 참조)와 함께 적용함에 따른 나노입자 제거와 통수량 감소 방지 효과를 그래프 및 표와 함께 설명한다.
도 5는 정전 흡착 필터의 적용에 따른 통수량 감소 방지 효과를 설명하기 위한 그래프다.
가로축은 누적 통수량(단위 L)을 의미하고, 세로축은 유량(단위 L/min)을 의미한다. 누적 통수량이 증가함에 따라 유량이 감소한다는 것은 나노입자에 의해 중공사막 필터의 기공이 막힌다는 것을 의미하며, 중공사막 필터의 교체 시기가 짧은 것을 의미한다.
도 5에서 라인 X는 정전 흡착 필터 없이 중공사막 필터만을 적용한 결과이고, 라인 Y는 본 발명의 정전 흡착 필터와 중공사막 필터를 함께 적용한 결과이다.
먼저, 라인 X의 정전 흡착 필터 없이 중공사막 필터만을 이용하여 물을 정수하는 경우를 검토하면, 누적 통수량이 증가함에 따라 유량이 계속하여 감소하는 것을 알 수 있다. 초기 유량이 약 1.4L/min 임에 반해 누적 통수량이 약 1,000L가 되었을 때의 유량은 0.5L/min에 불과하다. 따라서, 정전 흡착 필터 없이 중공사막 필터만을 이용하여 물을 정수하게 되면, 중공사막 필터의 기공이 나노입자에 의해 막히고 중공사막을 조기에 교체해야 한다.
다음으로, 라인 Y의 정전 흡착 필터와 중공사막 필터를 함께 적용하는 경우를 검토하면, 누적 통수량이 증가하더라도 초기의 유량이 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 누적 통수량이 약 2,000L에 이르더라고 유량은 거의 변화가 없다. 정전 흡착 필터와 중공사막 필터를 함께 이용하는 경우에는 정전 흡착 필터에 의해 나노입자가 제거되므로, 중공사막 필터의 기공이 막히는 것을 방지할 수 있고, 중공사막 필터의 유량(통수량)이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
도 6은 정전 흡착 필터(120, 도 1 참조)의 적용에 따른 나노입자 제거 효과를 설명하기 위한 그래프다.
가로축은 나노입자의 크기(단위 ㎛)를 의미하고, 세로축은 단위유량당 나노입자의 수(counts/㎖)를 의미한다. 단위유량당 나노입자의 수는 0.05㎛ 이하의 입자, 0.1㎛ 이하의 입자, 0.15㎛ 이하의 입자, 0.2㎛ 이하의 입자로 구분하여 측정하였다. 수도수(원수)와, 정전 흡착 필터만을 적용한 경우, 정전 흡착 필터와 중공사막 필터를 적용한 경우를 함께 비교하여 표 1에 나타내었다.
단위유량당 나노입자의 수 | ||||
나노입자의 크기 | 0.05㎛ | 0.1㎛ | 0.15㎛ | 0.2㎛ |
1. 수도수 | 8402 | 4395 | 1353 | 757 |
2. 정전 흡착 필터 | 434 | 204 | 68 | 41 |
3. 정전 흡착 필터+중공사막 필터 | 152 | 58 | 17 | 20 |
수도수에는 크기별도 많은 나노입자가 존재한다. 특히, 0.05㎛ 이하의 나노입자와 0.1㎛ 이하의 나노입자가 대다수를 차지한다. 도 6의 그래프 및 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 정전 흡착 필터는 수도수에 존재하는 나노입자를 90% 이상 제거할 수 있다. 도 6과 표 1에서는 정전 흡착 필터가 나노입자를 제거할 수 있음을 확인할 수 있으며, 나노입자에 의해 유발되던 중공사막 필터의 통수량 감소를 완화하는 효과를 확인할 수 있다.
이하에서는 앞서 설명했던 정전 흡착 필터와 중공사막 필터를 변형 또는 응용하여 형성되는 필터 시스템에 대하여 설명한다.
도 7은 카본 블럭(231)에 이온흡착부(222)를 결합하는 것을 보인 개념도다.
필터 시스템(미도시)은 카본 블럭(231)에 물을 통과시켜 물에 존재하는 잔류염소를 제거하도록 이루어지는 카본 블럭 필터(231, 232a, 232b)를 추가적으로 포함할 수 있다. 카본 블럭 필터(231, 232a, 232b)는 카본 블럭(231)의 상단과 하단에 각각 덮개(232a, 232b)가 결합되어 형성된다. 카본 블럭(231)의 가운데 부분에는 중공부가 형성될 수 있으며, 덮개(232a, 232b)에도 카본 블럭(231)의 중공부에 대응되는 부분에 홀이 형성된다.
이온흡착부(222)는 카본 블럭(231)과 결합되어 복합 필터(230)를 형성할 수 있다. 이온흡착부(222)는 카본 블럭(231)으로 제공될 물에서 나노입자를 미리 제공하도록 카본 블럭(231)의 외주면을 감싼다. 이온흡착부(222) 의한 유량 감소를 방지하도록 이온흡착부(222)는 하나의 레이어로 형성되는 것이 바람직하다. 물은 복합 필터(230)의 외주면으로 유입되며, 물에 존재하는 나노입자는 이온흡착부(222)에 의해 제거된다. 나노입자가 제거된 물은 이어서 카본 블럭(231)을 통과하며, 물에 존재하는 잔류염소는 카본 블럭(231)에 의해 제거된다. 아울러, 물에 존재하는 중금속 또는 유기화합물은 카본 블럭(231)에 구비되는 흡착소재에 의해 추가로 제거될 수 있다. 필터 시스템(100, 도 1 참조)은 복합 필터(230)와 중공사막 필터(110, 도 1 참조)로만 이루어질 수도 있다.
카본 블럭 필터(미도시) 또는 복합필터(230)는 중금속 또는 유기화합물을 추가로 제거하도록 흡착소재(미도시)를 구비할 수 있다. 흡착소재는 바인더(미도시)와 함께 카본 블럭(231)의 원료에 혼합 및 압축 성형되어 카본 블럭 필터를 형성할 수 있다.
흡착소재는 예를 들어, 수산화철과 실리카 소재를 포함한다. 수산화철은 물에 존재하는 비소를 제거하도록 이루어지며, 실리카 소재는 물에 존재하는 납을 제거하도록 이루어진다. 또한, 흡착소재는 물에 존재하는 대표적인 유기화합물인 클로로포름을 제거하는 소재를 포함할 수 있다.
도 8은 단일의 하우징(301)에 중공사막 필터(310)와 정전 흡착 필터(320)를 내장한 것을 보인 단면도다.
필터 시스템(300)은 정전 흡착 필터(320)와 중공사막 필터(310)가 결합된 1단 필터로 형성될 수 있으며, 필터 시스템(300)은 중공사막 필터(310)와 정전 흡착 필터(320)를 수용하는 하우징(301)을 포함한다.
하우징(301)의 내부에는 정전 흡착 필터(320)와 중공사막 필터(310)가 배치된다. 정전 흡착 필터(320)와 중공사막 필터(310)는 도 8에 도시한 바와 같이 하우징(301)의 내부에 순차적으로 적층될 수 있다. 중공사막 필터(310)는 정전 흡착 필터(320)의 출구 측에 배치된다. 하우징(301)에는 원수의 유입 유로를 형성하는 입구(301a)와, 정수된 물을 배출하는 유로를 형성하는 출구(301b)가 형성된다.
하우징(301)의 내부 유로는, 원수 제공 유로(302a), 연결 유로(302b) 및 배출 유로(302c)를 포함한다.
원수 제공 유로(302a)는 원수를 정전 흡착 필터(320)로 흐르게 하도록 입구(301a)로부터 정전 흡착 필터(320)의 외주면으로 이어진다. 하우징(301)의 입구(301a)를 통해 유입된 원수는 원수 제공 유로(302a)를 따라 정전 흡착 필터(320)의 외주면으로 공급된다. 정전 흡착 필터(320)로 유입되는 물은 정전 흡착 필터(320)의 외주면에 배치된 이온흡착부(122, 도 3a 참조)를 통과하고, 정전 흡착 필터(320)의 중공부(121, 도 3a 참조)로 흐른다.
연결 유로(302b)는 정전 흡착 필터(320)를 통과하면서 1차적으로 나노입자가 제거된 물을 중공사막 필터(310)로 흐르게 하도록 정전 흡착 필터(320)에서 중공사막 필터(310)의 외주면으로 이어진다. 정전 흡착 필터(320)의 중공부(121, 도 3a 참조)를 통해 배출된 물은 연결 유로(302b)를 따라 중공사막 필터(310)의 외주면으로 유동한다. 물에 존재하는 바이러스는 중공사막 필터(310)에 의해 제거된다.
배출 유로(302c)는 중공사막 필터(310)를 통과하면서 2차적으로 바이러스가 제거된 물을 하우징(301)의 외부로 흐르게 하도록 출구(301b)에 연결된다. 하우징(301)의 입구(301a)로 유입된 물은 원수 제공 유로(302a), 정전 흡착 필터(320), 연결 유로(302b), 중공사막 필터(310) 및 배출 유로(302c)를 통과하여 하우징(301)의 출구(301b)로 배출된다. 이 과정에서 물에 존재하는 나노입자와 바이러스는 각각 정전 흡착 필터(320)와 중공사막 필터(310)에 의해 순차적으로 제거된다.
단일의 하우징(301)에 정전 흡착 필터(320)와 중공사막 필터(310)를 배치하고, 원수 제공 유로(302a), 연결 유로(302b) 및 배출 유로(302c)를 앞서 설명한 바와 같이 연결하면, 필터 시스템(300)은 하나의 모듈로 형성될 수 있다. 하나의 모듈로 구성된 필터 시스템(300)은 정전 흡착 필터(320)와 중공사막 필터(310)를 별개로 구비하는 필터 시스템(300)에 비하여 전체적인 크기를 줄일 수 있다. 따라서 하나의 모듈로 구성된 필터 시스템(300)을 이용하면 소형 정수기를 구현할 수 있다.
도 9는 서로 구분되는 하우징(401, 401')에 각각 중공사막 필터(410)와 정전 흡착 필터(420)를 내장한 것을 보인 개념도다.
필터 시스템(400)은 서로 구분되는 하우징(401, 401')에 중공사막 필터(410)와 정전 흡착 필터(420)를 각각 내장하도록 중공사막 필터(410)를 수용하는 제1하우징(401)과 정전 흡착 필터(420)를 수용하는 제2하우징(401')을 포함한다. 중공사막 필터(410)와 정전 흡착 필터(420)는 각각의 모듈로 형성된다. 물은 정전 흡착 필터(420)를 먼저 통과하고, 이어서 중공사막 필터(410)를 통과한다.
도 9와 같이 중공사막 필터(410)와 정전 흡착 필터(420)가 별개의 모듈로 형성되는 경우, 도 8에서 설명한 단일의 모듈에 비하여 크기는 증가한다. 그러나 중공사막 필터(410)와 정전 흡착 필터(420)는 각각의 교체 주기를 따르므로, 두 필터 (410, 420) 중 어느 하나의 필터가 기능을 상실하였다고 하여 다른 하나까지 교체해야 할 필요는 없다는 장점이 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 필터 시스템(400)은 중공사막 필터(410)와 정전 흡착 필터(420)를 포함할 수 있다. 또한, 필터 시스템(400')은 도 7에서 설명한 복합 필터(430)와 중공사막 필터(410)를 포함할 수도 있다. 후자의 필터 시스템(400')은 전자의 필터 시스템(400)에 비하여 물에 존재하는 잔류염소, 중금속 또는 유기화합물을 추가로 제거할 수 있다.
도 10은 필터 시스템(500)을 3단으로 확장한 것을 보인 개념도다.
필터 시스템(500)은 정전 흡착 필터(520), 중공사막 필터(510) 및 카본 블럭 필터(540)를 포함한다. 정전 흡착 필터(520), 중공사막 필터(510) 및 카본 블럭 필터(540)는 각각의 모듈로 형성된다. 정전 흡착 필터(520), 중공사막 필터(510) 및 카본 블록 필터(540) 각각의 기능에 대하여는 앞서 설명한 것으로 갈음한다.
도 10을 참조하면 물은 정전 흡착 필터(520), 중공사막 필터(510) 및 카본 블록 필터(540)를 순차적으로 통과하면서 정수된다. 정전 흡착 필터(520)는 나노입자를 제거하고, 중공사막 필터(510)는 바이러스를 제거하며, 카본 블럭 필터(540)는 잔류염소를 제거한다. 카본 블럭 필터(540)가 흡착소재를 구비하는 경우 중금속 또는 유기화합물을 추가로 제거할 수 있다.
카본 블럭 필터(540)는 정전 흡착 필터(520)를 통과하면서 나노입자가 제거된 물과 중공사막 필터(510)를 통과하면서 바이러스가 제거된 물 중 적어도 하나를 정수하도록 배치된다. 따라서, 카본 블럭 필터(540)의 위치는 도 10에 도시한 바와 같이 중공사막 필터(510)의 뒤에서 정전 흡착 필터(520)의 뒤로 옮겨질 수 있다. 다만, 정전 흡착 필터(520)가 중공사막 필터(510)보다 앞에 위치하는 것은 변하지 않는다.
도 11은 필터 시스템(600)을 4단으로 확장한 것을 보인 개념도다.
필터 시스템(600)은 정전 흡착 필터(620), 제1 카본 블럭 필터(631), 중공사막 필터(610) 및 제2 카본 블럭 필터(640)를 포함한다. 제1 카본 블럭 필터(631)와 제2 카본 블럭 필터(640) 중 적어도 하나는 흡착소재(미도시)를 구비할 수 있다.
도 11을 참조하면 물은 정전 흡착 필터(620), 제1 카본 블럭 필터(631), 중공사막 필터(610) 및 제2 카본 블럭 필터(640)를 순차적으로 통과하면서 정수된다. 정전 흡착 필터(620)는 나노입자를 제거하고, 중공사막 필터(610)는 바이러스를 제거하며, 제1 카본 블럭 필터(631)와 제2 카본 블럭 필터(640)는 잔류염소를 제거한다. 제1 카본 블럭 필터(631)와 제2 카본 블럭 필터(640) 중 적어도 하나는 흡착소재(미도시)를 구비하여 중금속 또는 유기화합물을 추가로 제거할 수 있다.
각 필터의 순서는 변경될 수 있다. 다만, 정전 흡착 필터(620)가 중공사막 필터(610)보다 앞에 위치하는 것은 변하지 않는다. 필터 시스템(600)은 정전 흡착 필터(620)와 중공사막 필터(610)를 필수구성요소로 하되 다단으로 확장될 수 있다.
본 발명에 의하면, 크기 배제 메커니즘에 의해 바이러스를 제거할 수 있는 중공사막의 유량 감소를 유발하는 나노입자를 정전 흡착 필터를 이용하여 미리 제거할 수 있다. 따라서, 물에 존재하는 나노입자는 중공사막 필터를 통과하기 전에 미리 제거되므로, 본 발명은 중공사막 필터의 유량 감소 현상을 방지할 수 있다.
이상에서 설명된 필터 시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (5)
- 물에 존재하는 음전하 입자가 정전기적 인력에 의해 이온흡착되도록 적어도 일부가 양전하를 띠는 정전 흡착 필터;
상기 정전 흡착 필터의 출구 측에 구비되는 제1 카본 블럭 필터;
상기 제1 카본 블럭 필터의 출구 측에 구비되며, 물에 존재하는 바이러스를 필터링하기 위한 기공을 구비하는 중공사막 필터; 및
상기 중공사막 필터의 출구 측에 구비되는 제2 카본 블럭 필터를 포함하고,
상기 정전 흡착 필터의 외측 면에는 상기 양전하를 띠는 이온 흡착부가 형성되어, 상기 정전 흡착 필터를 통과하는 물에 포함된 입자가 큰 음전하가 흡착되고,
상기 정전 흡착 필터의 중심에는 중공부가 형성되어, 상기 이온 흡착부를 통과한 물이 상기 중공 사막 필터로 안내되도록 하며,
상기 중공 사막 필터의 기공은, 물 속에 포함된 평균 크기 25nm 이상의 바이러스를 제거하도록 25nm 보다 작은 크기로 형성되고,
상기 이온 흡착부에 의해 흡착되는 입자의 크기는 상기 기공의 크기보다 큰 필터 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 정전 흡착 필터와 상기 중공사막 필터와 상기 제1 및 제2 카본 블럭 필터는 서로 독립된 하우징에 각각 내장되는 것을 특징으로 하는 필터 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 이온 흡착부는,
물과 접촉하는 표면적이 증대되도록 주름진 면(pleated surface)을 형성하는 필터 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 카본 블럭 필터 중 적어도 하나는 중금속 또는 유기화합물을 제거하기 위하여 상기 카본 블럭 필터의 원료에 혼합되는 흡착소재를 더 포함하는 필터 시스템.
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