KR102142929B1 - 에어본 유기 및 무기 오염물질 제거용으로 처리된 활성탄 - Google Patents

에어본 유기 및 무기 오염물질 제거용으로 처리된 활성탄 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포름알데히드 등과 같은 에어본 또는 기상의 유기 불순물과의 반응에 효과적인 필터 조성물에 관한 것이다, 상기 필터 조성물은 섬유상 웹이나 압출 카본블럭 등과 같은 필터 기재로부터 성형되고 tris-(히드록시메틸) 아미노메탄으로 처리된다. 상기 조성물은 동종의 미처리된 필터 미디어에 비해서 훨씬 긴 기간에 걸쳐서 에어본 유기 불순물을 지속적으로 흡착할 수 있다는 예기치못한 결과를 낳는다. 본 발명에서 언급되고 있는 포름알데히드의 제거는 예시적인 일예이다.

Description

에어본 유기 및 무기 오염물질 제거용으로 처리된 활성탄
본 발명은 에어본(airborne)이나 기상의 유기 및 무기 오염물질과의 반응에 있어서 효과적인 필터 조성에 관한 것이자, 디젤 배기 가스에서 발견되는 이산화황, 이산화질소, 및 황화수소 등의 에어본 오염물질의 제거에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 에어본 포름알데히드를 제거할 수 있는 필터 조성에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 환경으로부터 에어본 유기 및 무기 오염물질의 양을 비가역적으로 제거하거나 감소시키기 위한 방법을 제공한다.
포름알데히드, 이산화황, 이산화질소 또는 황화수소 등의 에어본 불순물들은 환경에 만연한 유해한 관심거리를 대변한다. 일예로, 포름알데히드는 무색의 강한 냄새를 발산하는 가스로서 종종 액상(수성의) 용액 중에서 발견된다. 축합(condensation)을 통해서 상기 기체는 보다 실질적인 가치를 갖는 여러 다른 형태의 포름알데히드(다른 화학식을 갖는)로 변환된다. 병원 연구실 및 영안실에서 방부제로 흔히 쓰이는 포름알데히드는 화학제품, 파티클보드, 가정용품, 접착제, 퍼머넌트 프레스가공 직물(permanent press fabrics), 종이제품 코팅, 화이버보드 및 합판(flywood) 등과 같은 많은 제품들에서 발견되기도 한다. 포름알데히드는 산업용 살진균제, 살균제 및 소독약으로도 널리 사용되고 있다.
포름알데히드는 카르보닐기에 두 개의 수소 원자가 가해져 형성된 안정한 분자이다. 화학적으로는 HCHO(H2C=0)로 표기된다. 카르보닐기 또는 작용성 (functionality)에 기인하여 포름알데히드는 다른 분자들과 매우 잘 반응한다. 이와 같은 작용성으로 인해서 포름알데히드가 다른 분자들과 강력하게 결합할 수 있음으로 해서 독특하면서도 다목적의 성능 특성을 형성하기 위해 물질들을 서로 연결시키는데 적합한 이상적인 물질로 알려져 있다.
유기화합물이자 가장 단순한 알데히드인 포름알데히드는 과망간산칼륨 및 덜 효과적인 것으로 알려진 수산화칼륨과 요드화칼륨 등과 같은 기존의 공업용 시약과의 반응에 의해서 산화될 수 있다. 포름알데히드는 환경에 있어서 가장 일반적인 알데히드이다. 자연 배경 농도(natural background concentration)는 ＜ 1 ㎍/㎥ 이고, 평균 농도는 약 0.5 ㎍/㎥ 이다. 도시환경에서, 외부 공기 농도는 한층 가변적이고 지역적인 조건에 따라 달라지는바, 실질적인 평균치는 통상적으로 1 내지 20 ㎍/㎥ 사이이다. 일예로 교통정체이나 극심한 교통혼잡 등의 경우에서는 단기 피크치가 100 ㎍/㎥으로 오를 수 있다.
실내 공기 중의 에어본 포름알데히드의 최고치는 건축 재료 및 가구 등과 같은 다양한 소비재로부터 방출되는 곳에서 검출되고 있다. 적어도 하나의 조사에 따르면 가정에서의 포름알데히드 수치가 0.10 내지 3.68 ppm의 범위인 것으로 보고되고 있다. 오래된 일반 주택에 비해서 신축 또는 이동식 주택에서 보다 높은 수치가 발견된고 있다.
흡입을 통한 심각한 포름알데히드 노출로 초래되는 중독(toxic effect)은 눈, 코 및 목 과민상태를 비롯한 비강에서 나타난다. 높은 수준의 포름알데히드에 노출되어 인체에 나타나는 다른 영향으로는 기침, 천명(wheezing), 가슴 통증 및 기관지염이 관찰되고 있다.
인체에서의 포름알데히드 체내 피폭(ingestion exposure)은 위장관의 손상과 구강, 식도 및 위의 염증 및 궤양의 결과를 낳는다,
포름알데히드는 가스 또는 증기로 흡입되어지거나 액체로서 피부를 통해서 흡수되어질 수 있다. 인체 노출은 직물의 취급 및 수지 제작 과정에서 일어날 수 있다. 보건 전문가 및 의료 연구소의 기술자에 더하여 잠재적으로 높은 위험성을 갖는 그룹으로는 영안실 작업자를 비롯한 포름알데히드나 포르말린으로 보존된 생물학적 시편을 취급하는 교사 및 학생이 포함된다.
섭취된 포름알데히드는 독이 되어 강력한 피부자극을 일으키게 된다. 포름알데히드는 피부를 통해서 쉽게 흡수되며 가장 일반적인 피부염 원인 중 열번째에 해당한다. 고농도의 에어본 포름알데히드에 노출되면 심각한 호흡과민 증상이 초래될 수 있을뿐 아니라 영구적인 호흡기 손상이 초래될 수도 있다. 100ppm(air ppm) 이상의 에어본 농도에 노출되면 경련, 혼수상태 또는 사망에 이를 수 있다.
포름알레히드는 일차 및 이차 아민, 티올, 수산기, 및 아미드와 거의 동시에 반응하여 메틸 유도체를 형성하게 된다. 포름알데히드는 친전자체(electrophile)로서 작용하여 DNA, RNA 및 단백질 등과 같은 고분자와 반응해서 가역 어덕트 (adducts)나 비가역 교차결합(cross-link)를 형성하게 된다. 흡수된 포름알데히드는 세 개의 서로 다른 경로를 따라서 포름산염으로 산화될 수 있으며, 이산화탄소로 내쉬어질 수 있거나 테트라히드로폴레이트 의존(tetrahydrofolate-dependent) 원-카본 생합성의 경로(one-carbon biosynthetic pathways)를 통해서 생물학적 고분자에 통합되어지 수 있다.
OSHA는 포름알데히드에 대한 허용 노출한계(PEL's)를 정하고 있다. 포름알데히드에 대한 두개의 PEL's가 설정되었다: 8-시간 시간가중 평균노출기준 (PEL-TWA=0.75ppm) 및 단기간 노출한계(STEL=2.0ppm).
많은 제품들이 실내 공기 중으로 포름알데히드를 방출할 가능성을 갖고 있다고 하더라도 심각한 오염 수준을 초래할 가능성은 상대적으로 낮다. 합판 제품 및 UFFI(Urea Formaldehyde Foam Insulation)은 다른 제품들에 비해서 보다 많은 포름알데히드를 방출할 수 있다.
이에 따라, 에어본 포름알데히드의 수치를 제거 또는 저감하기 위한 방안들이 강구되어 왔다, 포름알데히드 수치를 낮추기 위한 시도들은 잠재적인 포름알데히드 방출 물품의 생산 단계를 비롯한 이러한 물품들이 설치되는 주변의 양측에서 행해졌다. 예를 들면, Lehmann 명의로 1983, 8. 9.자 등록된 미국특허 제4,397,756호의 "우드 패널의 포름알데히드 저감용 방법 및 조성을 제공하는 우드 복합체 패널의 포름알데히드 방출 저감 방법 및 조성"에는 요소, 탄수화물계 재료 및 산성 촉매로 이루어진 조성이 개시되고 있다. Dorman 등의 명의로 1985. 5. 14.자 등록된 미국특허 제4,517,111호의 "에어본 포름알데히드용 흡착제"는 과망간산이 고상의 알칼리 지지체 상에 (화학적으로) 흡수된 조성물을 제공하고 있다. 상기 조성물은 용기나 카트리지 등에 장입되어 포름알데히드로 오염된 대기와 접촉하게 된다.
Farkas 명의로 2006. 5. 30.자 등록된 "기상 및 액상 용액 내의 포름알데히드를 해독함과 아울러 포름알데히드에 대해 인체 세포주를 보호하기 위한 조성물"은 급속하게 포름알데히드 증기를 중화 및 정착시키고, 포름알데히드와의 부가체를 형성함과 아울러 경구 구강조직 및 경구 상피세포주에서의 포름알데히드에 대한 방어에 결정적인 역할을 하는 효소를 형성하는 해독 물질조합을 포함하는 화합물을 개시하고 있다.
포름알데히드 노출을 저감시키기 위한 다양한 방안들이 강구되고 있음에도 불구하고, 환경적 측면에서 저농도의 포름알데히드를 제어하기 위한 방법의 개선이 지속적으로 요구되고 있다. 이에 따라, 포름알데히드가 불가역적으로 잔류되도록 하는 필터 타입 수단이 개발이 바람직할 것이다.
종래 기술의 상기 문제점과 단점들을 감안하여, 본 발명은 이산화황, 이산화질소 또는 황화수소 및 포름알데히드 등과 같은 에어본 무기 불순물 및 예컨대 포름알데히드 등과 같은 에어본 유기 불순물 제거하도록 처리된 활성탄 필터를 제공하는데 목적을 두고 있다.
본 발명의 다른 목적은 유기 및 무기 에어본 불순물을 제거하기 위한 수단으로서 tris-(히드록실) 아미노메탄이나 TRIS이 함침된 섬유상 웹(fibrous web substrate) 기재를 처리하는데 있다.
본 발명의 상기 및 그 외의 목적들은, 본 발명이 속한 기술분야의 기술자들에게 명백할 것으로서, 유기 화합물의 제거를 위해 활성탄 미디어를 이용하는 동안에, 제1 대전(first charge)을 구비함과 아울러 에어본 포름알데히드 및/또는 여타의 알데히드를 제거하기 위한 화학 시약이 함침된 활성탄 미디어로 이루어진 에어본 유기 오염물질 제거용 여과재로서의 본 발명에 의해서 달성된다.
상기 화학 시약은 tris-(히드록실) 아미노메탄의 단분자층(mono-molecular layer)으로 활성탄 미디어를 화학적으로 처리하는 것을 포함하게 된다.
상기 활성탄 미디어는 유입수 중에 존재하는 미생물학적 오염물질이 활성탄 미디어의 제1 대전과 반대인 제2 대전으로 유지되도록 유입수의 pH를 변경시키는 pH 변경 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 활성탄 미디어는 고상 복합체 여과재, 섬유상 페이퍼 미디어 또는 나노섬유 여과재로 이루어진다.
상기 활성탄 미디어는 제1 대전됨과 아울러 이산화황, 이산화질소, 및/또는 황화수소의 제거를 위한 화학 시약으로 함침되는 것이 바람직하다.
본 발명의 이차적인 기술적 특징은, 활성탄을 tris-(하이드록실) 아미노메탄으로 함침하는 단계; 섬유상 웹 기재(피브릴화된 나노파이버)를 제공하는 단계; 상기 함침된 활성탄을 열경화성 바인더 입자와 함께 섬유상 웹 기재상에 도포하는 단계; 및 상기 함침된 활성탄과 열경화성 바인더 입자들을 섬유상 웹 기재에 융합(fusing) 시키는 단계로 이루어진 프로세스로서의 에어본 포름알데히드 및/또는 여타의 알데히드 제거용 여과재 성형 방법에 있다.
상기 방법은 상기 열경화성 바인더에 의해 상기 섬유상 웹 기재에 본딩(bondign)되는 제2 기재를 부가하는 단계를 포함할 수도 있다.
본 발명의 특징들은 신규한 것으로 여겨지며 본 발명의 특징적 기술구성은 뒤따르는 특허청구범위에 설정되어 있다. 도면은 단지 예시적인 목적인 것으로서 정확한 축척에 따라 도시되고 있지는 않다. 한편 본 발명 자체와 구성 및 동작 방법은 첨부된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명을 통해서 가장 잘 이해될 것이다.
도1은 non-TRIS 베이스의 함침된 카본에 대한 시간 경과에 따른 포름알데히드의 농도에 대한 그래프.
도2는 TRIS 베이스의 함침된 카본에 대한 시간 경과에 따른 포름알데히드의농도에 대한 그래프.
본 발명의 바람직한 실시예를 기술함에 있어서 도1 및 도2의 도면에서 본 발명의 유사한 특징들에 대해서는 유사한 도면부호가 부여되고 있다.
화학 흡착(chemisorption)은 표면과 흡착질 사이의 화학 반응을 포함하는 흡착 형태이다. 흡착제 표면에 새로운 화학적 결합이 생성된다. 휘발성 오염물질의 분자들이 흡착제의 표면과 화학적으로 반응하여 비-휘발성 생성물을 형성하는 때에 화학 흡착이 일어난다. 이와 같은 메커니즘을 통해서 포름알데히드 등과 같은 심지어 저비등점 화합물의 포착이 가능해지게 된다. 이에 따라 카본 복합체 등과 같은 흡착제 여과재의 여과 성능은 이들을 적절한 화학 시약으로 함침시킴에 의해서 상당히 향상시킬 수가 있다. 이와 같은 성능의 향상은 시약의 선택에 드는 비용에 좌우된다. 여기에서 사용된 "흡착제 여과재"나 "흡착제 전처리 여과재"는 일예로 활성탄 등과 같은 흡착제로 제조된 여과재를 의미하게 된다. 흡착제 여과재의 한 예로 미합중국 코네티컷 웨스트 헤이븐 소재의 케이엑스 테크놀로시스 엘엘씨(KX Technologies LLC)의 PLEKX®가 있다.
본 발명은, 일반적으로 대전된 미디어와 유입수 내의 오염물질이 제2 대전을 갖는 대전된 미디어와는 반대 극성인 제1 대전을 유지하도록 유입수의 pH를 변경시키는 pH 변경물질을 포함하는 PLEKX® 예시되는 활성탄 여과재 등과 같은 복합체 여과재와 결합된다. 상기 대전된 복합체 필터는, 예를 들면 고상 복합체 필터, 섬유상 페이퍼 미디어 및 나노파이버 여과재 등과 같은 기존에 알려진 대전된 미디어 어느 것이라도 될 수 있다.
설명을 위한 예시로서 PLEKX® 복합체 여과제가 사용되고 있으나, 본 발명이 이와 같은 형태의 활성탄 복합체 미디어에 전적으로 한정되는 것은 아니다. 활성탄은 높은 표면적을 갖는 다공성 재료로서 정화(purification), 물질의 분리, 촉매 작용 및 의약 등에 광범위하게 사용된다. 활성탄은 흡착성능, 표면 반응성 및 기공 크기이 범위가 높고, 이러한 요인들은 다양한 분야에서 유용한 성질을 낳는다. 활성탄은 석탄 등과 같은 천연자원, 코코넛 껍질, 목재, 토탄, 뼈, 및 폴리머 등의 합성 물질과 같은 광범위한 원료로부터 얻어진다.
상기 PLEKX® 여과재는 대개 10% 이하의 함수율을 지니며 20 x 50 메쉬 활성탄의 50 : 50 블랜드(blend)로 이루어진다. 상기 복합체 여과재는 화학식 (HOCH2)3CNH2의 유기화합물인 tris-(히드록시메틸) 아미노메탄의 단분자층으로 화학적으로 처리되는 때에 예기치않은 결과가 얻어졌다.
TRIS의 첨가는, 활성탄 베이스를 이용하여 유기 화합물의 제거가 이루어지는 동안에, 에어본 포름알데히드 및 여타의 알데히드를 제거하기 위한 여과재를 확보하기 위한 것이다. 상기 TRIS는 포름알데히드 등과 반응하여 옥사졸리디 화합물을 형성하고, TRIS와 반응하는 알데히드의 두 분자로 옥사졸리디을 형성하여 고성능의 공기정화용 흡착제를 제공한다.
TRIS 시약과 포름알데히드의 반응은 암모니아 유도체를 갖는 카르보닐 화합물의 예이다. 상기 반응 클래스(reaction class)는 카르보닐 카본이 질소 아민 (amine nitrogen)과 결합하는 결과를 낳아서 알데히드와 케톤의 포집 및 캐릭터리제이션(characterization)에 이용된다.
이와같이 새로이 처리된 활성탄은 이산화황, 이산화질소 및 황화수소 등과 같은 디젤 배기가스의 화합물과도 반응하게 된다.
플랫 시트 테스트 데이타에서에 따르면 TRIS 베이스의 복합체가 기존의(KI 함침된) 활성탄에 비해서 우수한 성능을 나타내는 것으로 입증되고 있다. 도1은 non-TRIS 베이스의 함침된 카본에 대한 시간 경과에 따른 포름알데히드의 농도에 대한 그래프이다. 도2는 TRIS 베이스의 함침된 카본에 대한 시간 경과에 따른 포름알데히드의농도에 대한 그래프이다. 두 경우 모두에서, 초기 에어본 포름알데히드의 농도는 30ppm, 50% 상대 습도 및 0.25 m/s의 이동 속도로 설정되었다.
도1에서, 함침 처리되지 않은(non-TRIS) 카본은 포화되어 약 50분 내지 60분이 경과되면 포름알데히드 여과 성능을 더 이상 제공하지 않게 된다. 이와 같은 시간대(timeframe)에서 에더본 포름알데히드의 초기 농도는 활성탄 필터의 하류에서 거의 동일한 수준(30ppm)을 유지하게 된다.
도2에서는 처리된(TRIS-based) 함침 카본이 여과재로 사용되고 있다. 포화 또는 포름알데히드 파괴점은 150분 내지 240분이 경과한 때까지 일어나지 않음에 따라 처리된 카본 필터는 처리되지 않는 필터에 비해서 에어본 포름알데히드에 대해 3배 내지 4배의 향상된 제거 성능을 나타낸다. 이는 tris-(히드록시메틸) 아미노메탄의 단분자층으로 화학적으로 처리된 복합체 여과재의 조합에서 보여지는 예기치않은 결과이다.
바람직하게는 페이퍼 형태의 활성단 필터 처리 방법은, 일예로 피브릴화된 나노필터로 이루어진 섬유상 제1 웹 기재를 제공하는 단계를 포함한다. 다음, (함침된) 활성탄소는 섬유상 제1 웹 기재 및 함침된 카본으로 융합되는 열경화성 바인더 입자와 함께 도포된다. 상기 함침 카본은 tris-(히드록시메틸) 아미노메탄으로 함침된다.
상기 웹은 열경화성 바인더에 의해 상기 제1 기재에 본딩(bonding)되는 제2 기재를 더 포함할 수 있다.
TRIS로 함침된 활성탄이 구비된 섬유상 페이퍼의 성형 웹은 기존의 보다 낮은 중량 베이스의 복합체를 이용하여 기존의 상대적으로 무거운 베이스로 제작된 상용화된 제품에 비해서 동등하거나 향상된 포름알데히드 제거 성능을 달성하게 된다.
상기한 바와 같이, 처리된 활성탄 필터는 이산화황, 이산화질소 및 황화수소 등과 같은 디젤 배기가스의 성분들과도 반응한다. 이들 에어본 불순물에 대해서도 TRIS가 구비된 활성탄 조합으로부터 예기치않은 향상된 여과 성능을 낳는다.
본 발명은 특정한 바람직한 실시예와 관련하여 설명이 되고 있으나, 상기 설명에 비추어 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에 의해 다양한 변경, 수정 및 변화가 있을 수 있음은 자명하다 할 것이다. 이에 따라 뒤따르는 특허청구의 범위는 본 발명의 기술적 범주 내에서의 그와 같은 변경, 수정 및 변화를 모두 포괄하게 될 것이다.

Claims (10)

  1. 에어본 유기 및 무기 오염물질 제거용 여과재로서:
    노출된 표면을 갖는 섬유상 웹 기재와,
    제1 대전의 대전 입자와 에어본 포름알데히드 및/또는 여타의 알데히드를 제거하기 위한 화학 시약을 구비하여 유기 화합물의 제거에 이용되는 활성탄 미디어로 이루어지고, 이때 상기 화학 시약이 구비된 활성탄 미디어는 섬유상 웹 기재의 노출된 표면에 도포되며, 상기 활성탄 미디어를 갖는 여과재는 섬유상 페이퍼 미디어를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화학 시약은 상기 활성탄 미디어를 수용성 1차 또는 3차 아민의 단분자층으로 화학적으로 처리하는 것을 포함함을 특징으로 하는 여과재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 활성탄 미디어는 유입수의 pH를 변경시켜 유입수 중의 대전된 미생물학적 오염물질이 상기 활성탄 미디어의 상기 대전된 입자들의 제1 대전과 반대인 제2 대전으로 유지되도록 하는 상기 화학 시약과는 별개의 pH 변경 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 활성탄 미디어는 고상 복합체 미디어, 섬유상 페이퍼 미디어 또는 나노필터 미디어로 이루어짐을 특징으로 하는 여과재.
  5. 제2항에 있어서, 상기 화학 시약은 tris-(히드록시메틸) 아미노메탄으로 이루어진 수용성 3차 아민의 단분자층으로 활성탄 미디어를 화학적으로 처리하는 것을 특징으로 하는 여과재.
  6. 제2항에 있어서, 상기 활성탄 미디어는 이산화황, 이산화질소 및/또는 황화수소를 제거하기 위하여 화학 시약으로 함침되는 것을 특징으로 하는 여과재.
  7. 활성탄에 tris-(히드록시메틸) 아미노메탄을 함침시키는 단계;
    피브릴화된 모노화이버로 이루어진 섬유상 웹 기재를 제공하는 단계;
    상기 함침된 활성탄은 열경화성 바인더 입자와 함께 상기 섬유상 웹 기재 상에 도포하는 단계; 및
    상기 함침된 활성탄 및 상기 열경화성 바인더 입자가 상기 섬유상 웹 기재에 융합되도록 하는 단계;
    로 이루어짐을 특징으로 하는 에어본 포름알데히드 및/또는 여타의 알데히드 제거용 여과재 성형 방법.
  8. 제7항에 있어서, 열경화성 바인더에 의해 상기 섬유상 웹 기재에 제2 기재층이 부가되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어본 포름알데히드 및/또는 여타의 알데히드 제거용 여과재 성형 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 기재층은 폴리프로필렌, 폴리에스터 및/또는 나일론 기재를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어본 포름알데히드 및/또는 여타의 알데히드 제거용 여과재 성형 방법.
  10. 에어본 유기 및 무기 오염물질 제거용 여과재로서:
    노출된 표면을 갖는 섬유상 웹 기재와,
    제1 대전의 대전 입자와 에어본 포름알데히드 및/또는 여타의 알데히드를 제거하기 위한 화학 시약을 구비하며 유기 화합물의 제거에 이용되는 활성탄 미디어로 이루어지고, 이때 상기 활성탄 미디어와 화학 시약은 상기 섬유상 웹 기재의 노출된 표면에 도포되어 상기 섬유상 웹 기재는 상기 활성탄 미디어로 로딩된 표면을 구비하는 한편 상기 활성탄 미디어를 갖는 여과재는 섬유상 페이퍼 미디어를 포함하는 것을 특징으로 하는 여과재.

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