KR102289699B1 - 수용성 고분자 셀룰로오스 및 계면활성제를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물 - Google Patents

수용성 고분자 셀룰로오스 및 계면활성제를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 계면활성제와 셀룰로오스 고분자를 포함함으로써 직경이 크고 체공시간이 긴 버블을 만들 수 있는 조성물에 관한 것으로, 상기 버블을 이용하면 대기 중에 존재하는 미세 또는 초미세 분진을 효과적으로 제거할 수 있다.

Description

수용성 고분자 셀룰로오스 및 계면활성제를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물{COMPOSITION FOR PREPARING DUST SETTLING BUBBLE CONTAINING WATER-SOLUBLE POLYMER CELLULOSE AND SURFACTANT}
본 발명은 미세 또는 초미세 분진을 제거하기 위한 버블 제조용 조성물 및 이로 제조된 분진 침강용 버블에 관한 것이다.
산업화에 따른 화석 연료의 대한 의존도가 높아짐에 따라 아황산 가스 및 질소산화물과 같은 1차 오염물질의 배출이 증가하고, 1차 오염물질의 대기 중에서 광화학 반응 등으로 생성된 에어로졸과 같은 미세한 부유 분진의 대기농도가 높아지고 있으며, 이는 인간생활 및 생태계에 심각한 악영향을 미치고 있는바, 이에 대한 대책이 시급한 상황이다. 대기 중의 1차 오염물질 등이 2차 오염물질인 질산염으로 전환되어 고농도의 미세 분진(먼지)이 발생하는 것으로 보고 있다.
미세먼지는 이질계 반응(heterogeneous reaction)으로 형성되는데, 이는 “기체상 물질 간 반응”과 같이 같은 상(phase)을 가진 물질 간의 반응이 아니라 기체상 물질, 액체상 물질, 고체상 물질 등 다른 상을 가진 물질 간의 반응으로 미세먼지와 기체상의 물질이 결합되는 것을 의미하며, 이와 같은 이질계 반응에 의해 형성된 대기중의 미세먼지에는 유기성 및 무기성 이온물질 및 중금속을 포함하는 금속 물질 등 다양한 성분이 존재하게 된다.
미세먼지에 포함된 이온 중, 음이온의 경우에는 NO3-, SO4 2-가 주요 성분으로 나타났고, 양이온의 경우에는 NH4+ 와 금속이온이 주요 성분으로 나타났다. 변동폭을 살펴보면 PM10(입자직경이 10μm 이하인 분진)과 PM2.5(입자직경이 2.5μm 이하인 분진) 모두 동일하게 SO42->NO3-> Cl-> Ca2+ 등의 순서로 나타났다. 이러한 변동폭의 차이는 외부의 영향에 의한 변동을 의미하는 것으로 외부 발생원의 영향을 많이 받는 것을 의미한다.
미세먼지에는 이온성분뿐만 아니라 다양한 금속성분이 존재하며, 이중에는 인체에 해가 되는 중금속도 다수 포함되어 있다. 황(S)성분을 제외한 금속성분의 분율을 살펴보면 PM10은 Fe, Ca, Al, K, Na, Mg, Zn 순으로 높은 비율을 차지하였고, PM2.5는 동일 원소들이 이와 유사한 순서로 높은 비율을 차지하였다. 즉, 미세먼지에는 질산염, 황산염이 암모늄 형태로 결합되어 있고 여기에 고체상으로 여러 금속 물질 등이 결합되어 있다고 볼 수 있다.
한편, 이온성분과 금속성분을 포함하는 미세 및 초미세 분진은 크기가 작고 질량이 작기 때문에, 대기 중에 장시간 부유하거나 바람 또는 수직 상승기류에 의하여 이동한다. 이러한 부유 분진(suspended particles)을 빠른 속도로 효과적으로 침강시켜 제거하기 위해, 단순히 물을 뿌리거나 분진 제거 용액을 뿌리는 것이 아니라, 버블을 만들어 분진을 응집시켜 침강시킬 수 있다. 분진을 효과적으로 제거하기 위해, 분진을 잘 흡착할 수 있으며, 지속시간이 긴 버블을 제조할 필요성이 있다.
한국공개특허 10-2014-0012205
본 발명은 분진 침강용 버블을 제조용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 분진 침강용 버블을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 분진을 제거하는 방법을 제공함에 있다.
1. 수용성 고분자 셀룰로오스 및 계면활성제를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
2. 위 1에 있어서, 상기 수용성 고분자 셀룰로오스는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 메틸셀룰로오스(MC), 하드록시프로필메틸 셀룰로오스(HPMC), 하이드록시프로필 셀룰로오스(HPC) 또는 하이드록시에틸 셀룰로오스(HEC) 중 적어도 하나인 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
3. 위 1에 있어서, 상기 계면활성제는 코코베타인 또는 소듐코코일애플아미노산 중 적어도 하나인 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
4. 위 1에 있어서, 글리세린 또는 폴리에틸렌글리콜을 더 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
5. 위 1에 있어서, 물엿을 더 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
6. 위 1에 있어서, 킬레이트 형성제를 더 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
7. 위 6에 있어서, 상기 킬레이트 형성제는 알라닌, 폴리포스페이트 나트륨, 메타포스페이트 나트륨, 인산, 타르타르산 또는 에틸렌디아민 테트라아세트산(EDTA) 중 적어도 하나인 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
8. 위 1에 있어서, 상기 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부 및 상기 계면활성제 5 내지 50 중량부를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
9. 위 4에 있어서, 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 5 내지 15 중량부를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
10. 위 5에 있어서, 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부 및 물엿 5 내지 15 중량부를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
11. 위 1에 있어서, 상기 분진은 0.1 내지 100μm 직경을 가지는 것인 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
12. 위 1 내지 11 중 어느 한 항의 조성물로 제조된 분진 침강용 버블.
13. 위 12의 버블을 대기 또는 밀폐공간 중에 살포하여 분진을 제거하는 방법.
본 발명의 조성물은 분진을 흡착할 수 있는 성분을 포함하고 있고, 상기 조성물에 의해 버블이 원활하게 형성될 수 있으며 제조된 버블의 체공시간이 증가되는 효과를 가는바, 본 발명의 조성물을 버블로 만들어 대기 중에 존재하는 미세 또는 초미세 먼지를 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 조성물로 제조된 버블의 형태를 도식화한 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 조성물로 제조된 버블에 분진이 흡착되어 침강되는 과정을 도식화한 것이다.
본 발명은 수용성 고분자 셀룰로오스 및 계면활성제를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물을 제공한다.
수용성 고분자 셀룰로오스는 자연계로부터 얻어지는 것일 수 있고, 공업적으로 제조하여 판매되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
수용성 고분자 셀룰로오스는 카르복시메틸 셀룰로오스(CMC), 메틸셀룰로오스(MC), 하드록시프로필메틸 셀룰로오스(HPMC), 하이드록시프로필 셀룰로오스(HPC) 또는 하이드록시에틸 셀룰로오스(HEC)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
계면활성제는 양이온계, 음이온계 또는 비이온계일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 제거 대상 오염물의 특성에 따라 계면활성제의 종류를 조절할 수 있다.
계면활성제는 천연으로부터 유래된 천연 계면활성제일 수 있고, 인공적으로 합성된 합성 계면활성제일 수 있다.
예를 들어, 계면활성제는 비누, 모노알킬 황산염, 알킬폴리옥시에틸렌 황산염, 알켈벤젠술폰산염, 모노알킬인산염, 디알킬디메틸암모늄염, 알킬벤질메틸암모늄염, 알킬설포베타인, 알킬카르복시베타인, 폴리옥시에틸렌알킬에테르, 지방산 솔비탄에스테르, 지방산 디에탄올아민 또는 알킬모노글리세릴에테르 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다른 예를 들어, 계면활성제는 코코베타인, 애플워시(소듐코코일애플아미노산), 올리브오일베이스, 라우랄그리코사이드 또는 코코글루코사이드 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명 버블 제조용 조성물은 전체 조성물 100 중량부에 대하여 계면활성제를 5 내지 50 중량부로 포함할 수 있다.
본 발명 버블 제조용 조성물은 수용성 고분자 셀룰로오스를 0.01 내지 10 중량부 및 계면활성제 5 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
상기 수용성 고분자 셀룰로오스는 0.01 내지 10 중량부, 0.05 내지 9 중량부, 0.1 내지 8 중량부, 1 내지 7 중량부, 2 내지 6 중량부, 3 내지 5 중량부로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 수용성 고분자 셀룰로오스는 0.1 내지 3 중량부, 0.5 내지 2.5 중량부, 1 내지 2 중량부로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 계면활성제는 5 내지 50 중량부, 10 내지 45 중량부, 15 내지 40 중량부, 20 내지 35 중량부 또는 25 내지 30 중량부로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 계면활성제는 10 내지 50 중량부, 20 내지 40 중량부 또는 25 내지 35 중량부로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 버블 제조용 조성물은 자연 분해성 수용성 고분자, 알지네이트, 이당류 또는 다당류 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 자연 분해성 수용성 고분자는 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리비닐알콜(PVA) 또는 글리세린일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다. 상기 알지네이트는 해조류에서 추출된 것 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 이당류 또는 다당류는 물엿일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명 버블 제조용 조성물이 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부를 포함하는 경우에 자연 분해성 수용성 고분자는 예를 들면 5 내지 15 중량부 포함될 수 있다.
상기 자연 분해성 수용성 고분자는 5 내지 15 중량부, 6 내지 14 중량부, 7 내지 13 중량부, 8 내지 12 중량부 또는 9 내지 11 중량부로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명 버블 제조용 조성물이 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부를 포함하는 경우에 다당류 또는 이당류는 예를 들면 5 내지 15 중량부 포함될 수 있다.
상기 다당류 또는 이당류는 5 내지 15 중량부, 6 내지 14 중량부, 7 내지 13 중량부, 8 내지 12 중량부 또는 9 내지 11 중량부로 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명 버블 제조용 조성물이 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부를 포함하는 경우에 자연 분해성 수용성 고분자는 예를 들면 5 내지 15 중량부, 다당류 또는 이당류는 5 내지 15 중량부 더 포함될 수 있다.
예를 들어, 본 발명 버블 제조용 조성물은 조성물 전체 100 중량부 대비 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부, 자연 분해성 수용성 고분자 5 내지 15 중량부, 다당류 또는 이당류 15 중량부를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명 버블 제조용 조성물은 조성물 전체 100 중량부 대비 수용성 고분자 셀룰로오스 0.1 내지 2.5 중량부, 계면활성제 15 내지 50 중량부, 자연 분해성 수용성 고분자 5 내지 15 중량부, 다당류 또는 이당류 15 중량부를 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 버블 제조용 조성물은 킬레이트 형성제를 더 포함할 수 있으며, 금속이온과 결합하여 킬레이트 화합물을 형성하는 여러 자리 리간드를 가지는 물질이면 제한 없이 포함될 수 있다.
예를 들어, 킬레이트 형성제는 알라닌, 폴리포스페이트 나트륨, 메타포스페이트 나트륨, 인산, 타르타르산, 에틸렌디아민 테트라아세트산(EDTA), 옥살산이온, 시트르산, CyDTA(1,2-cyclo-hexadiamine tetraacetic acid) 또는 나이트릴로 트리아세테이트(nitrilotriacetic acid; NTA) 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 킬레이트 형성제는 분진에 존재하는 중금속과 착물을 형성하여 중금속을 안정화시킬 수 있다.
예를 들어, EDTA는 EDTA-1Na, EDTA-2Na, EDTA-3Na, EDTA-4Na, EDTA-Ca2Na 또는 EDTA-FeNa일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명 버블 제조용 조성물이 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부를 포함하는 경우에 킬레이트 형성제는 예를 들면 0.01 내지 30 중량부 더 포함될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 킬레이트 형성제의 양은 분진에 포함된 중금속의 종류나 양에 따라 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 버블 제조용 조성물은 물, 정제수, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 아세톤, DMSO, DMF 또는 아세토니트릴을 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 물을 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이들 성분은 본 발명 조성물의 전체 양 또는 부피를 조절하기 위해 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 물은 본 발명 조성물의 전체 양을 100 중량%로 맞추기 위해 포함될 수 있다.
본 발명 조성물로 버블을 제조하면, 버블 형성 효율이 높아질 수 있다. 또한, 본 발명 조성물로 버블을 제조하면, 분진을 침강시키기에 적절한 형태 및 크기의 버블이 제조될 수 있다. 나아가, 본 발명 조성물로 버블을 제조하면, 버블의 지속시간이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 조성물로 제조된 분진 침강용 버블을 제공한다.
상기 버블은 이중 노즐이나 버블 제조기를 이용해 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명 조성물로 제조된 버블은 분진을 침강시키기에 적절한 형태로 제조될 수 있다.
본 발명의 버블은 구형의 형태일 수 있으며, 이는 버블 제조용 조성물에 표면장력을 줄이는 성질을 가지는 성분이 포함되어 있는 것으로부터 기인한 것일 수 있다. 예를 들어, 버블의 구형 형태는 조성물에 포함된 계면활성제의 양으로부터 기인한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명 조성물로 제조된 버블은 분진을 침강시키기에 적절한 크기로 제조될 수 있다.
상기 버블은 1mm 내지 30cm의 직경을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 버블은 1mm 내지 30cm, 1cm 내지 20cm, 2cm 내지 15cm, 2.5cm 내지 10cm, 3 내지 5cm의 직경을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 조성물로 제조된 버블은 지속시간이 길 수 있으며, 이는 버블 제조용 조성물에 수분 증발을 막는 성분이 포함되어 있기 때문일 수 있다. 예를 들어, 버블은 지속시간이 길어지는 것은 조성물에 포함된 계면활성제의 종류 또는 양, 수용성 고분자 셀룰로오스의 종류 또는 양, 자연 분해성 고분자의 종류 또는 양, 다당류 또는 이당류의 종류 또는 양 및 킬레이트의 종류 또는 양 중 적어도 하나로부터 기인한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 버블의 지속시간은 공기 중에서 100 내지 2000, 120 내지 1900, 140 내지 1800, 160 내지 1700, 180 내지 1600, 200 내지 1500, 220 내지 1400, 240 내지 1300, 260 내지 1200, 280 내지 1100, 300 내지 1000, 320 내지 900, 340 내지 800, 360 내지 700, 380 내지 600 또는 400 내지 500 초 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 버블의 지속시간은 공기 중에서 200 내지 300, 300 내지 400, 400 내지 500, 500 내지 600, 600 내지700, 700 내지 800, 800 내지 900, 900 내지 1000, 1000 내지 1100, 1100 내지 1200, 1200 내지 1300, 1300 내지 1400, 1400 내지 1500, 1500 내지 1600, 1600 내지 1700, 1700 내지 1800, 1800 내지 1900, 1900 내지 2000초 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 버블은 대기 중에 존재하는 분진을 흡착할 수 있다.
본 발명 버블은 초미세 분진 또는 미세 분진 중 하나 이상을 흡착할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적인 예를 들어, 본 발명 버블은 PM10 (입경이 10 μm 이하인 분진; 미세 분진) 또는 PM 2.5(입경 2.5 μm 이하인 분진; 초미세 분진)를 흡착할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 분진의 입경은 0.01 내지 100 μm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 발명 버블이 흡착할 수 있는 분진의 입경은 0.01 내지 100, 0.1 내지 90, 1 내지 80, 1.5 내지 70, 2 내지 60, 2.5 내지 50, 3 내지 40, 3.5 내지 30, 4 내지 20, 4.5 내지 10 μm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명 버블과 분진에 포함된 성분과 물리적 및/또는 화학적인 충돌을 통해, 분진이 흡착 및/또는 응집될 수 있다.
본 발명 버블은 분진에 포함된 무기이온, 유기이온 또는 금속 성분 중 적어도 하나 이상과 결합할 수 있으며, 이를 통해 분진을 흡착 및/또는 응집시킬 수 있다. 분진이 버블에 흡착 및/또는 응집되면 질량이 증가하여 중력에 의해 분진이 침강될 수 있으며, 이로 인해 대기 중의 분진이 저감되거나 제거될 수 있다.
나아가, 본 발명은 전술한 조성물로 제조된 분진 침강용 버블을 살포하여 분진을 제거하는 방법을 제공한다.
버블을 살포하는 방법으로, 버블 살포기, 항공기 또는 드론 비행체를 이용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
항공기 또는 드론 비행체를 이용하여 버블을 살포할 때, 분진을 제거하고자 하는 공간의 풍향과 분진 분포를 유체학적으로 해석하여 특정 고도에서 버블을 살포할 수 있다. 예를 들어, 본 발명 버블을 항공기 또는 드론 비행체를 이용하여 고도 100 내지 1000m 부근에서 살포할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 버블을 살포하여 분진을 저감 또는 제거할 수 있다. 본 발명의 버블을 살포하여 실내, 실외의 대기 또는 밀폐공간 중에 존재하는 분진을 침강 시킬 수 있고, 궁극적으로 실내, 실외 또는 밀폐공간에 존재하는 분진을 저감 또는 제거할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 버블을 석면을 제거하는 장소에 살포하여 석면 분진을 저감 또는 제거할 수 있다. 다른 예를 들어, 본 발명의 버블을 방사선 물질이 포함된 장소에 살포하여 방사선 물질이 포함된 분진 또는 방사선 물질을 저감 또는 제거할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 본 발명의 버블을 박테리아 또는 바이러스 등에 오염된 공간에 살포하여 박테리아 또는 바이러스 등을 저감 또는 제거할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 본 발명의 버블을 독가스 오염된 공간에 살포하여 독가스를 저감 또는 제거할 수 있다.
본 발명의 버블을 이용하면 도시규모 또는 광역규모 지역의 미세 또는 초미세 분진을 제거 또는 저감할 수 있다.
본 발명의 버블을 이용하면 적은 비용으로 미세 또는 초미세 분진을 제거 또는 저감할 수 있다. 또한, 본 발명의 버블은 인체 무해한 성분을 포함하고 있는바, 친환경적으로 미세 또는 초미세 분진을 제거 또는 저감할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
실험 재료
본 연구에 사용한 메틸셀룰로오스는 신에츠(Shin Etsu) 화학사에서 제조한 20℃ 2중량%에서 점도가 15인 제품을 사용하였다. 고분자 알지네이트(pristine sodium alginate, Mw: 446,400)는 준세이(Junsei)사의 제품을 사용하였다.
실험 결과
실시예 1. 천연 계면활성제 종류별 첨가에 따른 버블형성 크기의 비교
환경 친화적이며 인체에 유해하지 않는 계면활성제인 코코베타인(Lauramidopropyl betaine), 애플워시 (소듐코코일애플아미노산), 올리브오일 베이스, 라우랄그리코사이드, 코글루코사이드를 사용하여 버블을 제조 하였다.
정제수 70g, 계면활성제 20g, 수용성 고분자인 글리세린 또는 폴리에틸글리콜(PEG) 10g을 포함하는 실험 용액 (100g)을 제조하였고, 이중 0.1㎖를 취하여 직경 5mm 대롱으로 불어서 만들어지는 버블의 직경을 비교하였다.
하기 표 1은 계면활성제의 종류에 따라 형성된 버블의 직경(단위: cm)을 비교한 것이다.
Figure 112019089690770-pat00001
버블의 직경이 클수록 혼합되는 계면활성제의 표면장력을 감소시키는 능력이 크다는 것을 의미하는 바, 직경이 큰 버블을 형성한 두 가지 계면활성제 코코베타인과 애플워시를 선택하여 이후 실험을 진행하였다.
실시예 2. 계면활성제의 첨가량이 버블의 체공 지속시간에 미치는 영향
폴리에틸글리콜(PEG)을 10g으로 고정하고 계면활성제의 양을 변화시키면서 버블의 체공 지속시간을 측정하였다.
계면활성제의 양은 코코베타인과 애플워시 각각에 대하여 15g, 20g, 25g, 30g, 40g, 50g 첨가하였으며, 정제수를 첨가하여 실험 용액을 100g으로 제조하였다.
하기 표 2는 계면활성제의 첨가량에 따른 버블의 체공 지속시간(단위: 초)을 비교한 것이다.
Figure 112019089690770-pat00002
계면활성제의 첨가량에 따른 버블의 지속시간은 코코베타인의 경우 전체 조성물 대비 20 중량% 이상 첨가시 증가하고, 애플워시의 경우 30 중량% 이상 첨가시 크게 증가하는 것으로 나타났다.
실시예 3. 메틸셀룰로오스 및/또는 알지네이트의 첨가에 따른 버블 지속시간의 증가 효과
1. 실험 용액 제조
(1) 실험 용액 Ⅰ: 대조 용액
실험 용액 Ⅰ은 정제수 50g, 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g을 혼합하여 제조하였다.
(2) 실험 용액 Ⅱ: 메틸셀룰로오스 첨가
계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 각각 0.5g, 1g, 1.5g, 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워서 100g의 조성물(실험 용액 Ⅱ-1 내지 실험 용액 Ⅱ-4)을 제조하였다.
1) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 0.5g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅱ-1(100g)을 제조하였다.
2) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅱ-2(100g)를 제조하였다.
3) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅱ-3(100g)을 제조하였다.
4) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 2g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅱ-4(100g)를 제조하였다.
(3) 실험 용액 Ⅲ: 알지네이트 첨가
계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 각각 0.5g, 1g, 1.5g, 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워서 100g의 조성물(실험 용액 Ⅲ-1 내지 실험 용액 Ⅲ-4)을 제조하였다.
1) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 0.5g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅱ-1(100g)을 제조하였다.
2) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 1g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅱ-2(100g)를 제조하였다.
3) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 1.5g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅱ-3(100g)을 제조하였다.
4) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 2g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅱ-4(100g)를 제조하였다.
(4) 실험 용액 Ⅳ: 메틸셀룰로오스 및 알지네이트 첨가
계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 0.3g, 메틸셀룰로오스 각각 0.5g, 1g, 1.5g, 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워서 100g의 조성물(실험 용액 Ⅳ-1 내지 실험 용액 Ⅳ-4)을 제조하였다.
1) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 0.3g, 메틸셀룰로오스 0.5g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅳ-1(100g)을 제조하였다.
2) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 0.3g, 메틸셀룰로오스 1g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅳ-2(100g)를 제조하였다.
3) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 0.3g, 메틸셀룰로오스 1.5g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅳ-3(100g)을 제조하였다.
4) 계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 알지네이트 0.3g, 메틸셀룰로오스 2g을 첨가하고 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅳ-4(100g)를 제조하였다.
2. 실험 용액으로 제조된 버블의 지속시간 확인
버블 지속시간 측정 방법은 제조한 용액 0.1ml를 빨대를 이용해 불어 막이 터질 때까지의 시간을 재는 방식으로 진행되었다.
하기 표 3에 실험 용액으로 제조된 버블의 체공 지속시간을 나타냈으며, 작성된 값은 총 5회 반복하여 측정한 결과의 평균값이다.
Figure 112019089690770-pat00003
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 실험 용액 전체를 기준으로 메틸셀룰로오스를 0.5 중량부로 첨가한 경우(실험 용액 Ⅱ-1) 버블의 지속시간이 메틸셀룰로오스를 첨가하지 않은 경우(실험 용액 Ⅰ) 보다 10배 이상 증가하였고, 실험 용액 전체를 기준으로 메틸셀룰로오스를 1.5 중량부로 첨가한 경우(실험 용액 Ⅱ-3) 버블의 지속시간이 첨가하지 않은 경우(실험 용액 Ⅰ) 보다 20배 이상 증가하였다.
즉, 메틸셀룰로오스와 같은 막을 형성하는 수용성 고분자의 첨가는 버블의 지속시간을 크게 증가시키는 것으로 나타났다. 한편, 알지네이트의 첨가는 버블의 지속시간을 증가시키지 못하였고, 메틸셀룰로오스와 함께 알지네이트를 첨가하는 경우에도 버블의 지속시간을 증가시키지 못하였다. 이는 알지네이트가 막 형성에 기여하지 못한다는 점과 알지네이트의 큰 표면장력에 기인한 것일 수 있다.
실시예 4. EDTA의 첨가가 버블의 지속시간에 미치는 영향
1. 실험 용액 제조
(1) 실험 용액 Ⅴ
계면활성제(코코베타인) 30g 내지 50g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, EDTA-2Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워서 100g의 조성물(실험 용액 Ⅴ-1 내지 실험 용액 Ⅴ-3)을 제조하였다.
1) 실험 용액 Ⅴ-1
계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, EDTA-2Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅴ-1(100g)을 제조하였다.
2) 실험 용액 Ⅴ-2
계면활성제(코코베타인) 40g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, EDTA-2Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅴ-2(100g)를 제조하였다.
3) 실험 용액 Ⅴ-3
계면활성제(코코베타인) 50g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, EDTA-2Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅴ-3(100g)을 제조하였다.
(2) 실험 용액 Ⅵ
계면활성제(코코베타인) 30g 내지 50g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, EDTA-4Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워서 100g의 조성물(실험 용액 Ⅵ-1 내지 실험 용액 Ⅵ-3)을 제조하였다.
1) 실험 용액 Ⅵ-1
계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, EDTA-4Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅵ-1(100g)을 제조하였다.
2) 실험 용액 Ⅵ-2
계면활성제(코코베타인) 40g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, EDTA-4Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅵ-2(100g)를 제조하였다.
3) 실험 용액 Ⅵ-3
계면활성제(코코베타인) 50g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, EDTA-4Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅵ-3(100g)을 제조하였다.
(3) 실험 용액 Ⅶ
계면활성제(코코베타인) 30g 내지 50g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, 알지네이트 0.3g, EDTA-2Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워서 100g의 조성물(실험 용액 Ⅶ-1 내지 실험 용액 Ⅶ-3)을 제조하였다.
1) 실험 용액 Ⅶ-1
계면활성제(코코베타인) 30g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, 알지네이트 0.3g, EDTA-2Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅶ-1(100g)을 제조하였다.
2) 실험 용액 Ⅶ-2
계면활성제(코코베타인) 40g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, 알지네이트 0.3g, EDTA-2Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅶ-2(100g)를 제조하였다.
3) 실험 용액 Ⅶ-3
계면활성제(코코베타인) 50g, 폴리에틸글리콜(PEG) 10g, 물엿 10g, 메틸셀룰로오스 1.5g, 알지네이트 0.3g, EDTA-2Na 2g을 첨가하고, 나머지를 정제수로 채워 실험 용액 Ⅶ-3(100g)을 제조하였다.
2. 실험 용액으로 제조된 버블의 지속시간 확인
버블 지속시간 측정 방법은 제조한 용액을 빨대를 이용해 불어 막이 터질 때까지의 시간을 재는 방식으로 진행되었다.
하기 표 4에 실험 용액으로 제조된 버블의 체공 지속시간을 나타냈으며, 작성된 값은 총 5회 반복하여 측정한 결과의 평균값이다.
Figure 112019089690770-pat00004
EDTA의 첨가 자체는 버블의 지속기간에 영향을 주지 않았으나, 계면활성제의 첨가량에 따라서 버블의 지속시간이 크게 증가하는데, 이는 EDTA 이온이 계면활성제와 화학적 반응을 통하여 버블 막의 형성을 강하게 하기 때문인 것으로 해석된다.
치환되는 Na의 수는 따라서는 버블의 지속시간에 영향을 주지 않았으나, 2Na-EDTA가 4Na-EDTA 에 비하여 버블의 지속간이 길게 나타났다.
실시예 5. 버블의 직경, 미세먼지 농도에 따른 버블의 침강시간
주사기로 일정량의 용액을 주입하여 공기량을 변화시켜 직경이 다른 버블을 만들었고, 각 버블이 원통(직경 0.5m, 높이 1.65m) 안에서 1.5m 하강하는데 걸린 침강시간을 산출하였다.
하기 표 5는 버블의 직경에 따른 침강시간을 측정하고, 침강속도를 계산한 결과로, 상기 방법에 따라 15회 반복 측정하여 얻은 값의 평균 값이다.
Figure 112019089690770-pat00005
하기 표 6은 버블의 직경과 PM10의 농도에 따른 침강시간(sec)을 나타낸 것이고, 표 7은 버블의 직경과 PM10의 농도에 따른 속도(m/s)를 나타낸다.
Figure 112019089690770-pat00006
Figure 112019089690770-pat00007
실시예 6. 버블의 부피 및 버블막의 두께 계산
버블 제조용 주사기에 주입되는 공기량을 변화시켜 버블의 직경을 변화시켰고, 하기 수학식 1을 이용하여 버블막의 두께를 계산하였다.
Figure 112019089690770-pat00008
(m: 버블의 질량, r: 버블의 반지름, ρ: 버블 제조용 용액의 밀도).
하기 표 8은 제조된 버블의 직경에 따른 막의 두께를 나타낸다.
Figure 112019089690770-pat00009
실시예 7. 버블 직경과 대기 오염 농도에 따른 표면에 흡착된 분진의 중량 산출
한 개의 버블이 길이 1.5m의 원통 안의 미세먼지 농도 변화에 따라 포획된 미세먼지의 양을 침강속도 변화를 이용하여 버블 표면에 흡착된 미세먼지의 중량을 산출하였다(원통: 직경 0.5m 높이 1.65m).
구체적으로, Stoke's law(하기 수학식 2 및 3)를 이용하여 버블에 흡착된 양(μg)을 계산하였다.
[수학식 2]
Fg (중력) = Fb(부력) + Fd(항력) (단, 부력 Fb=0으로 가정).
[수학식 3]
mg = 3πμDV (m=질량, g= 중력가속도, μ=점성, D=직경, V=속도).
버블의 직경이 동일하면 점성은 동일하므로, 위 수학식 3에 일상대기 중의 속도와 각각의 오염농도 중의 속도를 대입한 두 식을 얻어, 그 차이를 통해 흡착된 미세먼지의 양을 구하였다.
하기 표 9는 미세먼지 농도와 버블 직경에 따른 미세먼지 포획량을 나타낸다.
Figure 112019089690770-pat00010
위 실시예들로부터, 버블의 직경이 작을수록 버블의 침강시간(sec)이 빨라지는 것을 확인 할 수 있으며, 버블의 직경이 클수록 침강속도(m/s)가 느려져 더 많은 먼지를 흡착한다는 것을 확인 하였다.
또한, 아크릴 원통 속의 대기 오염농도(㎍/㎥)가 높을수록 버블의 침강속도가(m/s) 빨라지는 것을 확인하였으며, 오염농도가 높을수록 흡착량이 많음을 확인하였다.
실시예 8. 수용성 셀룰로오스와 계면활성제가 포함된 조성물로 제조된 버블의 미세먼지 제거 효과
실험용 챔버(가로 1.3m, 세로 0.75m, 높이 1.7m)에 미세먼지농도 측정기와 버블살포 장치(Bubble machine)를 설치하고, 모기향을 이용하여 연소에 의한 인공 미세먼지를 공급하여 미세먼지 농도를 조절하고, 미세먼지 크기별로 PM10 및 PM2.5농도를 측정하였다.
버블 제조를 위한 용액은 전체 1000g를 기준으로, 계면활성제 30%(300g), PEG 10%(100g), 물엿 10%(100g), 메틸셀룰로오스 1.5%(15g) 를 포함시켜 제조하였다.
미세먼지 농도 측정 결과, PM10의 초기 농도는 930㎍/m3, PM2.5의 초기 농도는 550㎍/m3 였고, 버블 살포 후 10분 후에는 PM10는 550㎍/m3, PM2.5는 174㎍/m3로 각 40.86%와 66.34% 감소되어, PM10의 감소 폭이 크게 나타났다.
살포 후 20분 경과 시 PM10는 84.5%, PM2.5는 88.2% 감소하였고, 살포 후 30분 경과시 PM10는 94.73%, PM2.5는 94.78% 감소하였다. 살포 후 30분 경과시 미세먼지의 직경에 상관없이 94% 이상 제거되는 것으로 나타났다.
하기 표 10은 제조된 버블의 살포에 의한 미세먼지 제거 효과를 나타낸다.
Figure 112019089690770-pat00011

Claims (13)

  1. 수용성 고분자 셀룰로오스 및 계면활성제를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물로, 상기 수용성 고분자 셀룰로오스는 메틸셀룰로오스이고, 상기 계면활성제는 코코베타인 또는 소듐코코일애플아미노산 중 적어도 하나인, 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    글리세린 또는 폴리에틸렌글리콜을 더 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    물엿을 더 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    킬레이트 형성제를 더 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 킬레이트 형성제는 알라닌, 폴리포스페이트 나트륨, 메타포스페이트 나트륨, 인산, 타르타르산 또는 에틸렌디아민 테트라아세트산(EDTA) 중 적어도 하나인 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부 및 상기 계면활성제 5 내지 50 중량부를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  9. 청구항 4에 있어서,
    수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부 및 폴리에틸렌글리콜 5 내지 15 중량부를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  10. 청구항 5에 있어서,
    수용성 고분자 셀룰로오스 0.01 내지 10 중량부, 계면활성제 5 내지 50 중량부 및 물엿 5 내지 15 중량부를 포함하는 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 분진은 0.1 내지 100μm 직경을 가지는 것인 분진 침강용 버블 제조용 조성물.
  12. 청구항 1, 및 4 내지 11 중 어느 한 항의 조성물로 제조된 분진 침강용 버블.
  13. 청구항 12의 버블을 대기 또는 밀폐공간 중에 살포하여 분진을 제거하는 방법.
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