KR102538781B1 - Fiberboard filters fabricated with wood bark-produced active carbon for the reduction of particulate matter, volatile organic compounds and heavy metals - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기 중에 존재하는 오염물질인 미세먼지, VOC, 중금속의 흡진/흡착을 위하여 목재수피로 제조한 활성탄-첨가 섬유판 필터 및 그의 제조기술에 관한 것으로, 상층, 중층 및 하층의 3층 구조체로 형성되고, 상층 및 하층에는 목섬유만을 포함하고, 중층에는 목섬유 및 활성탄이 무작위로 혼합되는 혼합체를 포함하는, 미세먼지, 휘발성 유기화합물, 중금속의 흡진 및 흡착용 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터를 제공한다.The present invention relates to an activated carbon-added fiberboard filter made of wood bark for absorption/adsorption of pollutants such as fine dust, VOC, and heavy metals in the air, and a manufacturing technology thereof, comprising a three-layer structure of upper, middle, and lower layers. A fiberboard filter containing wood bark activated carbon for absorption and adsorption of fine dust, volatile organic compounds, and heavy metals is provided, wherein the upper and lower layers contain only wood fibers, and the middle layer contains a randomly mixed mixture of wood fibers and activated carbon.

Description

미세먼지, 휘발성 유기화합물, 중금속의 흡진 및 흡착용 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터{Fiberboard filters fabricated with wood bark-produced active carbon for the reduction of particulate matter, volatile organic compounds and heavy metals}Fiberboard filters fabricated with wood bark-produced active carbon for the reduction of particulate matter, volatile organic compounds and heavy metals}

본 발명은 미세먼지, 휘발성 유기화합물, 중금속의 흡진 및 흡착용 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fiberboard filter containing wood bark activated carbon for absorption and adsorption of fine dust, volatile organic compounds, and heavy metals, and a method for manufacturing the same.

미세먼지의 유입 및 발생으로 인한 실내외 공기질 악화로 국민의 삶 만족도 저하와 함께 건강에 대한 불안을 야기하는 상황에서 다양한 실내외 공간에 존재하는 미세먼지를 효율적으로 저감할 수 있는 대책 마련이 시급한 실정이다. 특히 지하철과 관련된 공간인 승강장, 지하터널, 전동차 실내 등은 밀폐된 공간인 관계로 지하철 운행 및 다양한 오염원으로부터 발생되거나 실외에서 유입되는 미세먼지 및 인체 유해물질의 배출이 어렵고, 자연 환기가 불가하여 이용자 및 지하철 근무자의 건강에 직·간접적으로 악영향을 주고 있다. 그러나 오염 배출원에 대한 엄격한 제어가 불가능한 관계로 이의 해결을 위한 배출원 관리방안의 적용은 현재까지 한계가 있으며, 결과적으로 지하철 생활공간 내에서 미세먼지 배출원에 대한 억제보다는 배출물질을 효과적으로 저감할 수 있는 해결방안의 마련이 필요한 상황이다.In a situation where indoor and outdoor air quality deterioration due to the inflow and occurrence of fine dust reduces people's satisfaction with life and causes health anxiety, it is urgent to prepare countermeasures that can efficiently reduce fine dust existing in various indoor and outdoor spaces. In particular, subway platforms, underground tunnels, train interiors, etc., which are related to subways, are enclosed spaces, making it difficult to discharge fine dust and harmful substances generated from various pollutants or from outside, and natural ventilation is not possible. and directly or indirectly adversely affect the health of subway workers. However, since it is impossible to strictly control pollutant emission sources, the application of emission source management measures to solve this problem has been limited to date. It is a situation where a plan is needed.

현재까지 미세먼지의 저감을 위하여 상용화된 기술로는 미세 기공을 보유한 멤브레인 (membrane)을 여과필터로 이용하여 다양한 크기의 오염원을 제어하는 방안이 주로 사용되고 있으며, 이 외에 건식인 전기집진 방식과 습식인 스크러버 등도 단독 또는 공동으로 적용되고 있다 (여, 2016). 그러나 상기 기술들은 빠른 유속을 감당하지 못하여 대형시설에 적용이 불가하거나, 낮은 미세먼지 제거효율, 짧은 필터의 사용기한, 높은 필터 교체비용의 부담 등과 같은 단점이 있다 (이, 2019). 한편 건식의 여과필터는 주로 미세먼지만을 저감시키는 공기청정 기술인 관계로 실내외 공간에 존재하는 인체유해성 휘발성 유기화합물 및 중금속 등을 제한적으로만 저감하게 된다. 또한 공기 청정기 및 미세먼지 저감장치에 사용되는 여과필터는 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET)와 같은 합성섬유 부직포로 제조되고 있어 매립시 생분해에 많은 시간이 소요되어 결과적으로 토양 오염과 대량의 쓰레기를 발생시키며, 소각시 지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소를 대량으로 발생시키게 된다 (복, 2018; Marketsandmarkets, 2020). 따라서 함성섬유 부직포를 대체할 수 있는 재생섬유를 여과필터의 원료로 사용한 고효율 저비용의 새로운 포집 및 여과 기술의 개발이 필요하다.As a commercialized technology to reduce fine dust to date, a method to control pollutants of various sizes by using a membrane with fine pores as a filter is mainly used. Scrubbers, etc. are also applied individually or jointly (Yeo, 2016). However, the above technologies have disadvantages such as not being able to handle fast flow rates and thus not being applicable to large facilities, low fine dust removal efficiency, short filter lifespan, and high filter replacement costs (Lee, 2019). On the other hand, since the dry filtration filter is an air cleaning technology that mainly reduces only fine dust, it reduces only a limited amount of volatile organic compounds and heavy metals harmful to the human body existing in indoor and outdoor spaces. In addition, filters used in air purifiers and fine dust reduction devices are made of synthetic fiber non-woven fabrics such as polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET), so it takes a long time to biodegrade when landfilled, resulting in soil contamination and mass production. of waste, and when incinerated, it generates a large amount of carbon dioxide, which is the main cause of global warming (Bok, 2018; Marketsandmarkets, 2020). Therefore, it is necessary to develop a high-efficiency and low-cost new collection and filtration technology using regenerated fibers as raw materials for filtering, which can replace synthetic fiber nonwoven fabrics.

미세먼지 저감과 관련하여 국내외에서 개발되고 있는 기술동향을 보면, 전반적으로 미세먼지 처리 소재와 공정개발 기술, ICT 기반 대기오염물질 관리 분야 등 실적용을 위한 기술 확보가 주로 이루어지고 있다 (하 & 이, 2018). 특히 국내의 경우, 물질별 제거 반응의 원인 규명, 소재 원천기술 및 소재/공정 주요 핵심기술 개발 분야에 집중하고 있으며, 1차 배출(집진)과 2차 생성(탈질·탈황) 전구물질 제거에도 초점이 맞추어져 있다. 또한 배출저감 기술의 개발보다 미세먼지 발생원에 설치 공간을 최소화하면서 미세먼지 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 집진장치에 대한 기술개발이 진행되고 있다. 그러나 저감 대상이 50 μm 이하의 TSP (total suspended particles)에서 2.5 μm 이하의 PM 2.5로 이동하고 있어 기존 설비의 개선 및 집진기술의 성능개선을 위한 기술 확보가 요구되고 있다. 국외의 경우, 최고 수준의 미세먼지 저감기술은 초미세먼지 규제가 강화된 미국, 일본을 중심으로 독일과 스웨덴에서 산업설비의 배기후 처리장치와 관련한 다양한 설비를 개발 중에 있으나, 실내외 초미세먼지 저감기술의 개발은 아직 미흡한 상황이다 (이 & 백, 2018). Looking at the technology trends being developed at home and abroad in relation to fine dust reduction, overall, technology for practical use, such as fine dust treatment materials, process development technology, and ICT-based air pollutant management, is mainly being secured (Ha & Lee , 2018). In particular, in Korea, we are concentrating on identifying the causes of elimination reactions by material, developing material source technology and major core technology for materials/processes, and focusing on removing primary emissions (dust collection) and secondary generation (denitrification and desulfurization) precursors. this is aligned In addition, rather than the development of emission reduction technology, technology development for dust collectors that can drastically reduce fine dust emissions while minimizing the installation space at the source of fine dust is in progress. However, since the reduction target is moving from TSP (total suspended particles) of 50 μm or less to PM 2.5 of 2.5 μm or less, it is required to secure technology to improve existing facilities and performance of dust collection technology. In the case of foreign countries, the highest level of fine dust reduction technology is developing various facilities related to post-exhaust treatment devices for industrial facilities in Germany and Sweden, centering on the United States and Japan, where ultrafine dust regulations have been strengthened, but indoor and outdoor ultrafine dust reduction The development of technology is still insufficient (Lee & Baek, 2018).

따라서 초미세먼지를 포함한 다양한 오염물질을 실용화 및 비용 측면에서 효율적으로 저감할 수 있도록 기존 설비를 이용한 집진 및 여과기술의 개발이 요구된다.Therefore, the development of dust collection and filtration technology using existing facilities is required to effectively reduce various pollutants including ultrafine dust in terms of practicality and cost.

본 발명은 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터로서, 상층, 중층 및 하층의 3층 구조체로 형성되고, 상층 및 하층에는 목섬유만을 포함하고, 중층에는 목섬유 및 활성탄이 무작위로 혼합되는 혼합체를 포함하는 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터를 제공한다. 비제한적으로, 본 발명에 의한 섬유판 필터는 상층, 중층 및 하층을 관통하는 다수의 통기구가 구비된다. 본 발명에 의한 필터에서 활성탄의 중량비는 필터 기준으로 20중량% ~ 40중량%이며, 섬유판 필터의 밀도는 바람직하게는 150kg/m3 내지 250kg/m3로 설계된다. 본 발명에 의하면, 필터의 중층을 구성하는 혼합체는 목섬유 및 활성탄을, 인모, 돈모 및 돈혈에서 선택되는 천연원료의 가수분해물과 낙엽송 수피 열수 추출물을 포함하는 천연접착제를 이용하여 분사하여 제조된다. The present invention is a wood bark activated carbon-containing fiberboard filter formed of a three-layer structure of an upper layer, a middle layer, and a lower layer, wherein the upper and lower layers contain only wood fibers, and the middle layer contains a mixture of wood fibers and activated carbon randomly mixed. An impregnated fiberboard filter is provided. Without limitation, the fiberboard filter according to the present invention is provided with a plurality of vents penetrating the upper, middle and lower layers. In the filter according to the present invention, the weight ratio of activated carbon is 20% to 40% by weight based on the filter, and the density of the fiberboard filter is preferably designed to be 150kg/m 3 to 250kg/m 3 . According to the present invention, the mixture constituting the middle layer of the filter is prepared by spraying wood fiber and activated carbon using a natural adhesive containing a hydrolyzate of natural raw materials selected from human hair, pig hair and pig blood, and a hot-water extract of larch bark.

본 발명에 의한 여과필터는 실내외 공간에 존재하는 미세먼지를 포함하여 휘발성 유기화합물 (VOC), 중금속을 효율적으로 저감한다. 또한 생활/도축/산업 폐기물의 재자원화 실현 및 쓰레기 감량을 통한 사업화 기반의 조성 외에 폐기 여과필터의 고체 바이오연료화에 의한 온실가스 감축으로 기후변화협약 대응이 가능하다. The filter according to the present invention efficiently reduces volatile organic compounds (VOCs) and heavy metals, including fine dust existing in indoor and outdoor spaces. In addition, it is possible to respond to the Convention on Climate Change by reducing greenhouse gas emissions by converting waste filtration filters into solid biofuels, in addition to creating a foundation for commercialization through realization of recycling of living/slaughter/industrial wastes and waste reduction.

도 1은 섬유판 제조용 스파이크 장착 카울 플레이트 (spiked caul plate) 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 다양한 섬유판 필터들의 사진이다.
1 is a schematic diagram of a spiked caul plate for manufacturing fiberboard.
2 is a photograph of various fiberboard filters according to the present invention.

본 발명은 미세먼지, VOC, 중금속의 흡진/흡착을 위한 합성섬유 기반 부직포 대체용 활성탄-첨가 바이오매스 섬유 기반 섬유판 형태의 여과필터 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an activated carbon-added biomass fiber-based fiberboard type filter and manufacturing method for replacing synthetic fiber-based nonwoven fabric for absorption/adsorption of fine dust, VOC, and heavy metals.

현재 합성섬유인 부직포로 주로 제조되고 있는 여과필터의 원료를 재생가능한 식물성 섬유로 대체하는 기술개발이 요구된다. 식물성 섬유 가운데 국내에서 공급 가능량 및 가격을 토대로 목섬유가 여과 필터의 원료로 가장 적합할 것으로 판단되나, 이를 기계적, 화학적, 열적 공정을 통하여 병렬, 교차, 임의 방식으로 결합하여 부직포와 같은 형태로 변환하는 방안은 여러 단계의 공정이 필요한 관계로 제조비용적인 측면에서 비경제적이다. 따라서 본 발명은 목섬유를 저밀도섬유판 형태로 제조하고, 이를 여과필터로 이용하는 방안에 착안하였다. 그러나 목섬유만을 이용하여 제조한 여과필터는 다양한 실내외 공간에 존재하는 휘발성 유기화합물 (VOC) 및 중금속과 같은 오염물질의 여과에 한계가 있을 것으로 예상되며, 이를 해결하기 위하여 목섬유에 VOC 및 중금속 흡착성능이 우수한 활성탄을 매질로 첨가하여 섬유판 형태로 제조하는 방안을 강구한다. 여과필터 제조에 사용되는 활성탄은 경제성 및 폐기물의 재자원화 측면을 고려하여 미활용 목재부산물을 원료로 이용하는 방안이 제기되었다. 목섬유와 목질계 활성탄으로 제조한 여과필터는 섬유판 형태인 관계로 일정 수준의 강도를 보유해야 하며, 이를 위하여 접착제의 적용이 요구된다. 여과필터 제조에 사용되는 섬유원료가 탄소중립의 목질계 자원이므로 사용/수거된 필터는 고체 바이오연료로 사용이 가능하며, 따라서 기존 섬유판 제조에 사용되는 석유화학계 합성수지 접착제가 아닌 천연 접착제를 이용하여 제조하는 방안이 대두되었다. 천연 접착제로 제조한 여과필터를 고체 연료로 사용할 경우, 연소시 유독성 가스 및 이산화탄소 발생량의 최소화가 가능하다. 또한 접착제의 원료로 생활/도축/산업 폐기물을 이용하면 쓰레기 발생량의 감축과 함께 폐기물 자원의 효율적인 재자원화 및 부가가치화 외에 매우 저렴한 비용으로 여과필터의 생산이 가능할 것으로 판단된다. 이와 같은 조건을 충족하는 원료로 국내외에서 폐기물로서 대량으로 발생하는 인모, 돈모, 돈혈, 목재 수피를 접착제의 원료로 사용하는 방안이 제안되었다.It is required to develop technology to replace the raw material of the filtration filter, which is currently mainly manufactured with non-woven fabric, which is a synthetic fiber, with renewable vegetable fiber. Among vegetable fibers, wood fiber is judged to be the most suitable raw material for filtration filters based on the quantity and price that can be supplied in Korea, but it is converted into a form such as non-woven fabric by combining it in parallel, cross, and arbitrary ways through mechanical, chemical, and thermal processes. This method is uneconomical in terms of manufacturing cost because it requires a multi-step process. Therefore, the present invention focused on a method of manufacturing wood fiber in the form of a low-density fiberboard and using it as a filter. However, filters manufactured using only wood fibers are expected to have limitations in filtration of pollutants such as volatile organic compounds (VOCs) and heavy metals present in various indoor and outdoor spaces. A method of manufacturing in the form of a fiberboard by adding excellent activated carbon as a medium is sought. A plan to use unused wood by-products as a raw material for the activated carbon used in filter manufacturing has been proposed in consideration of economic feasibility and recycling of waste. Since the filter made of wood fiber and wood-based activated carbon is in the form of a fiber board, it must have a certain level of strength, and for this purpose, an adhesive is required. Since the fiber raw material used in manufacturing the filter is a carbon-neutral wood-based resource, the used/collected filter can be used as a solid biofuel. Therefore, it is manufactured using a natural adhesive rather than a petrochemical synthetic resin adhesive used in conventional fiberboard manufacturing. A plan to do so emerged. When a filter made of natural adhesive is used as a solid fuel, it is possible to minimize the amount of toxic gas and carbon dioxide generated during combustion. In addition, if household/slaughter/industrial wastes are used as raw materials for adhesives, it is judged that it will be possible to produce filter filters at a very low cost in addition to efficient recycling and value-adding of waste resources as well as reduction of waste generation. As a raw material that satisfies these conditions, a method of using human hair, pig hair, pig blood, and wood bark, which is generated in large quantities as waste at home and abroad, as a raw material for adhesives has been proposed.

이하 구체적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하지만 이에 국한되는 것은 아니다.The present invention is described below with reference to specific examples, but is not limited thereto.

재료 및 방법Materials and Methods

1.1 공시재료1.1 Disclosed materials

섬유판 형태의 여과필터 제조에 사용된 목섬유(함수율: 10 ± 1%)와 emulsion 왁스(고형분 함량: 43 ± 1%)는 ㈜ 유니드(전북, 군산)에서 무상으로 공급받아 사용하였다. Wood fiber (moisture content: 10 ± 1%) and emulsion wax (solid content: 43 ± 1%) used in the manufacture of the fiberboard type filter were supplied free of charge from UNID Co., Ltd. (Jeonbuk, Gunsan).

접착제 원료로 사용된 인모 (HH)는 전북대학교 전주캠퍼스 인근 미용실에서 무상으로 확보한 후, 일반 가위로 1 cm 정도의 크기로 절단하여 전처리없이 접착제 조제에 이용하였다. 돈모 (PH)와 돈혈 (PB)은 전북 김제시 소재 목우촌에서 무상으로 공급받아 사용하였다. 수거된 PH는 1주일 이상 자연건조하여 함수율을 9 ± 1%로 조절하였으며, 이를 인모와 동일하게 일반 가위로 1 cm 정도의 크기로 절단하여 접착제 원료로 사용하였다. PB의 경우, 추가공정 없이 접착제 원료로 사용하였다. 대부분 단백질 성분으로 구성된 접착제에 강도 향상을 위하여 산림조합중앙회 동부목재유통센터(강원, 동해)에서 무상으로 공급받은 낙엽송 수피의 열수 추출물을 첨가하였다. Human hair (HH) used as a raw material for the adhesive was obtained free of charge from a hair salon near the Jeonju campus of Chonbuk National University, and then cut into a size of about 1 cm with general scissors and used for preparing the adhesive without pretreatment. Pig hair (PH) and pig blood (PB) were supplied free of charge from Mokwoo Village in Gimje-si, Jeonbuk Province. The collected PH was naturally dried for more than one week to adjust the moisture content to 9 ± 1%, and it was cut to a size of about 1 cm with general scissors, the same as human hair, and used as an adhesive raw material. In the case of PB, it was used as an adhesive raw material without any additional process. In order to improve the strength of the adhesive, which is mostly composed of protein components, a hot water extract of larch bark, which was supplied free of charge from the Forestry Cooperative Federation's Eastern Wood Distribution Center (Gangwon, Donghae), was added.

HH, PH, PB의 가수분해에 이용된 수산화나트륨, 수산과 방부를 목적으로 첨가된 붕산나트륨은 랩스토리사이언스(충북, 청주)에서 화학실험용 시약을 구입하여 사용하였다. 섬유판 필터의 방염성능 부여를 위하여 접착제에 첨가한 인산계 방염제는 ㈜ 행복홈우드테크 (전남, 무안)에서 공급받아 사용하였다. 한편, 조제된 단백질계 천연접착제와 접착능 비교를 위하여 대조구로 사용된 석탄산수지 (phenol formaldehyde, 이하 PF)는 50%의 고형분 함량과 200 m·Pa·s의 점도를 보유한 것으로 강남화성(경기, 안양)에서 구입하였다.Sodium hydroxide and oxalic acid used for hydrolysis of HH, PH, and PB and sodium borate added for preservative purposes were purchased from Lab Story Science (Chungbuk, Cheongju) and used as reagents for chemical experiments. In order to impart flame retardant performance to the fiberboard filter, the phosphoric acid flame retardant added to the adhesive was supplied from Happy Homewood Tech Co., Ltd. (Muan, Jeonnam) and used. On the other hand, phenol formaldehyde (hereinafter referred to as PF), which was used as a control for comparison of adhesive performance with the prepared protein-based natural adhesive, had a solid content of 50% and a viscosity of 200 m Pa s, and was manufactured in Gangnam Hwaseong (Gyeonggi, Korea). Anyang).

섬유판 필터 내에서 VOC와 중금속 흡착을 위하여 첨가된 활성탄은 국내 미이용 목재부산물인 낙엽송 및 편백나무 수피를 이용하여 제조하였는데 각각 산림조합중앙회 동부목재유통센터와 ㈜ 행복홈우드테크(전남, 무안)에서 무상으로 공급받았다. 또한 육류 구이용 굴참나무 숯을 제조하는 좋은참숯(서울, 송파)에서 부분적으로 수피를 포함하고 있어 판매되지 않는 숯 (cork oak active-carbon, COA)을 무상으로 공급받아 활성탄으로 사용하였다. 낙엽송 수피 (larch bark active-carbon, LBA) 및 편백나무 수피 활성탄 (cypress bark active-carbon, CBA), COA의 VOC 및 중금속에 대한 흡착능 비교를 위하여 야자각 활성탄 (coconut shell active-carbon, CSA)과 S사 공기청정기용 일체형 필터에 내장된 활성탄을 ㈜ 에코생활건강(대구, 남구)과 S사 인터넷 쇼핑몰에서 각각 구입하여 대조구로 사용하였다.Activated carbon added to adsorb VOCs and heavy metals in the fiberboard filter was manufactured using larch and cypress bark, which are unused wood by-products in Korea, and are provided free of charge by the Forestry Cooperative Federation’s Dongbu Wood Distribution Center and Happy Homewood Tech Co., Ltd. (Muan, Jeonnam), respectively. was supplied with In addition, charcoal (cork oak active-carbon, COA), which is not sold because it partially contains bark, was supplied free of charge from Good Charcoal (Seoul, Songpa), which produces oak charcoal for meat roasting, and used as activated carbon. Coconut shell active-carbon (CSA) and coconut shell active-carbon (CSA) were used to compare the adsorption capacities of larch bark active-carbon (LBA), cypress bark active-carbon (CBA), and COA for VOCs and heavy metals. Activated carbon embedded in the integral filter for air purifiers from S company was purchased from Eco Life & Health Co., Ltd. (Daegu, Nam-gu) and S company's internet shopping mall, respectively, and used as controls.

1.2 접착제 성분의 준비1.2 Preparation of adhesive components

HH 및 PH를 접착제의 원료로 사용하기 위하여 액화가 필요하며, 이를 위하여 5% 농도의 NaOH (AK) 수용액(350 ml)에 200 g의 HH와 PH를 각각 천천히 투입하였으며, 95 ± 2.5 ℃에서 240분간 가수분해반응을 수행하였다 (Yang & Ahn, 2017; Park et al., 2017). 가수분해 반응 중에 발생하는 거품을 제거하기 위하여 일신화학(경북, 고령)에서 제조한 소포제(Defoamer-NW)를 3 ml 용량의 플라스틱 스포이드를 이용하여 15 drop을 첨가하였다. 가수분해 반응으로 얻은 인모 (HH-AK) 및 돈모 알칼리 가수분해물 (PH-AK)의 고형분 함량은 35 - 40%, pH는 약 12.8, 점도는 25 ℃에서 500 m·Pa·s 범위로 측정되었으며, 불충분하게 가수분해된 인모와 돈모는 선별과정을 통하여 제거함으로서 분사에 있어 분사구가 막히는 등의 문제가 전혀 발생하지 않았다.To use HH and PH as raw materials for adhesives, liquefaction is required. To this end, 200 g of HH and PH were slowly added to a 5% NaOH (AK) aqueous solution (350 ml), respectively, at 95 ± 2.5 ° C. Minutes of hydrolysis were performed (Yang & Ahn, 2017; Park et al., 2017). In order to remove bubbles generated during the hydrolysis reaction, 15 drops of a defoamer (Defoamer-NW) manufactured by Ilshin Chemical (Goryung, Gyeongbuk) were added using a plastic pipette with a capacity of 3 ml. The solid content of human hair (HH-AK) and pork hair alkaline hydrolysate (PH-AK) obtained by the hydrolysis reaction was 35 - 40%, the pH was about 12.8, and the viscosity was measured in the range of 500 mPa s at 25 ℃. In addition, insufficiently hydrolyzed human hair and pork hair were removed through a sorting process, so that no problems such as clogging of the nozzles occurred during spraying.

PB는 HH 및 PH와 달리 액상인 관계로 충분히 교반시킨 후, 직접 가수분해 반응을 실시하였다. HH-AK와 PH-AK의 pH가 12 이상인 관계로 경화반응의 단축을 위하여 pH를 낮추는 경화제의 첨가 필요성에 제기되었으며, 결과적으로 PB의 산가수분해물을 경화제로 사용하였다. PB의 산가수분해물 (PB-AC)은 단백질계 천연접착제를 이용하여 제조한 섬유판 필터의 사용 및 수거 이후, 화력발전소 등의 고체 바이오 연료로 제공하기 위하여 염소, 황, 질소를 함유한 무기산이 아닌 유기산인 수산 (HOOCCOOH)으로 반응시켰다. 가수분해 반응은 충분히 교반한 PB에 PB 고형분 함량 기준 5%의 수산을 첨가한 후, 90 ± 5 ℃에서 0.5시간 동안 반응시켜 가수분해물 (PB-AC)을 얻었다 (Yang et al., 2017; Yang & Ahn, 2017). PB-AC의 고형분 함량은 19.3%, pH는 2.1로 측정되었으며, 반응의 종료와 함께 진흙과 같은 형태가 되어 점도의 측정은 불가하였다.Unlike HH and PH, since PB is in a liquid state, a direct hydrolysis reaction was performed after stirring sufficiently. Since the pH of HH-AK and PH-AK is higher than 12, the necessity of adding a curing agent to lower the pH was raised to shorten the curing reaction, and as a result, acid hydrolyzate of PB was used as a curing agent. Acid hydrolyzate of PB (PB-AC) is not an inorganic acid containing chlorine, sulfur, and nitrogen to be used as solid biofuel for thermal power plants after the use and collection of fiberboard filters manufactured using protein-based natural adhesives. It was reacted with an organic acid, HOOCCOOH. For the hydrolysis reaction, after adding 5% oxalic acid based on the PB solid content to sufficiently stirred PB, the reaction was performed at 90 ± 5 ° C for 0.5 hour to obtain a hydrolyzate (PB-AC) (Yang et al., 2017; Yang & Ahn, 2017). The solid content of PB-AC was measured to be 19.3% and the pH was 2.1, and upon completion of the reaction, it was in the form of mud, making it impossible to measure the viscosity.

단백질계 성분만으로 구성된 접착제를 섬유판 제조에 사용할 경우, 강도 저하가 우려되어 수피에서 탄닌과 같은 phenolic compounds 들을 추출하여 접착제에 첨가하였다. 이를 위하여 일정한 크기로 파쇄된 낙엽송 수피를 95 ± 2 ℃의 열수에서 4시간 동안 일차적으로 반응시킨 후, 증발과정을 통하여 농축된 가수분해물 (LB-HE)을 얻었다. 이렇게 얻은 LB-HE의 고형분 함량은 38% 내외, 점도는 1,000 m·Pa·s 이상, pH는 5.4로 측정되었다. 이와 같은 추출과정은 긴 시간이 소요되고, 확보할 수 있는 양이 적어 이에 대한 해결방안으로 건강원에 의뢰하여 LB-HE를 대량으로 확보하였으며, 구체적인 방법은 다음과 같다. 약 7 kg의 낙엽송 수피를 열탕기(50 liter)에 충분한 물과 함께 넣은 후, 120 ℃에서 1시간 동안 반응시키고, 그 상태에서 overnight 유지하였다. 액상의 추출액 외에 열수추출한 수피를 압착기에 넣어 추가적으로 액상 추출액을 확보하였다. 이 액상 추출액을 선별체로 3회에 걸쳐 크기가 큰 잔사를 제거한 후, 파우치로 포장하였다. 파우치에 보관된 LB-HE의 고형분 함량은 5% 정도로 접착제 조제에 앞서 증발과정을 통하여 38% 내외로 농축하여 접착제 조제에 사용하였다. 실험실에서 추출하여 얻은 LB-HE는 상온에서 보관할 경우 단기간에 부패가 발생하였으나, 건강원에서 대량으로 조제한 LB-HE는 파우치로 포장되어 있어 상온에서 부패없이 6개월 이상 보관이 가능하였다. When an adhesive composed of only protein-based components is used for fiberboard manufacturing, there is a concern about a decrease in strength, so phenolic compounds such as tannins are extracted from bark and added to the adhesive. To this end, larch bark crushed to a certain size was primarily reacted in hot water at 95 ± 2 ° C for 4 hours, and then concentrated hydrolyzate (LB-HE) was obtained through evaporation. The solid content of the LB-HE thus obtained was measured to be around 38%, the viscosity was 1,000 m Pa s or more, and the pH was 5.4. This extraction process takes a long time and the amount that can be secured is small. As a solution to this, a large amount of LB-HE was secured by requesting the Health Center, and the specific method is as follows. After putting about 7 kg of larch bark with enough water in a boiling water heater (50 liter), it was reacted at 120 ° C. for 1 hour, and maintained overnight in that state. In addition to the liquid extract, the hot water extracted bark was put into a press to obtain an additional liquid extract. After removing large-sized residues from this liquid extract three times with a sorting sieve, it was packed in a pouch. The solid content of LB-HE stored in the pouch was about 5%, and prior to adhesive preparation, it was concentrated to around 38% through an evaporation process and used for adhesive preparation. LB-HE obtained by extraction in the laboratory deteriorated in a short period of time when stored at room temperature, but LB-HE prepared in large quantities at the Health Center was packaged in a pouch and could be stored at room temperature for more than 6 months without decay.

1.3 접착제 조제1.3 Adhesive preparation

섬유판 필터의 제조를 위한 접착제는 HH-AK, PH-AK, PB-AC 및/또는 LB-HE를 반응시켜 조제하였다. 선행연구 결과를 통하여 HH-AK/PH-AK/PB-AC/LB-HE를 고형분 함량 기준 40/40/10/10, 40/40/20/0, 35/35/10/20, 35/35/20/10 (wt%/wt%/wt%/wt%)로 조절하여 접착제를 조제하였다 (Yang et al., 2014; Park et al., 2017; Yang & Ahn 2017; Yang et al., 2017; Yang et al., 2018). 한편, 접착제의 주성분이 단백질인 관계로 부패 가능성이 있어 20% 농도의 붕산나트륨 수용액을 조제한 후, 적용에 앞서 접착제에 15 drops를 첨가하였다. 유럽연합의 경우, 현재 borates의 식품용 방부제로서 사용을 금지하고 있으나, 그 외의 많은 지역과 국가에서는 다양한 용도의 방부제 원료로서 첨가되고 있어 인체에 무해할 것으로 사료되어 사용하였다 (Thevenon et al., 2010). 제조될 섬유판 필터에 방염성능 부여를 위하여 인산계 방염제 용액을 ㈜ 행복홈우드테크에서 제공받아 접착제에 15 drops 첨가하였다.An adhesive for manufacturing a fiberboard filter was prepared by reacting HH-AK, PH-AK, PB-AC and/or LB-HE. Through the results of previous studies, HH-AK/PH-AK/PB-AC/LB-HE was classified as 40/40/10/10, 40/40/20/0, 35/35/10/20, 35/ An adhesive was prepared by adjusting to 35/20/10 (wt%/wt%/wt%/wt%) (Yang et al., 2014; Park et al., 2017; Yang & Ahn 2017; Yang et al., 2017; Yang et al., 2018). On the other hand, since the main component of the adhesive is protein, there is a possibility of decay, so after preparing a 20% concentration sodium borate aqueous solution, 15 drops were added to the adhesive prior to application. In the case of the European Union, the use of borates as a food preservative is currently prohibited, but in many other regions and countries, it is added as a preservative raw material for various purposes, so it is thought to be harmless to the human body (Thevenon et al., 2010 ). In order to impart flame retardant performance to the fiberboard filter to be manufactured, 15 drops of a phosphoric acid flame retardant solution provided by Happy Homewood Tech Co., Ltd. were added to the adhesive.

1.4 활성탄의 제조 및 원소 분석1.4 Preparation of activated carbon and elemental analysis

LBA와 CBA의 대량확보를 위하여 200 리터 용량의 철재 드럼통을 사용하였으며, 그 과정은 다음과 같다. 드럼통의 상부 및 하부를 절단한 후, 내부 모서리에 받침대로 2.5 cm 높이의 4개의 불목을 세웠다. 불목 위에 개방된 75 리터 드럼통을 올리고 탄화에 사용할 원료의 양을 조절하기 위하여 그 내부에 석쇠를 칸막이로 이용하였다. 드럼통 상부가 외부로 향하도록 공구를 이용하여 최대한 구부려 치마 드럼통이 걸치게 한 후, 기화된 물질의 배출을 위하여 드럼통 상부에 직경 60 mm의 철 파이프를 설치하여 배기구로 사용하였다. 드럼통 3분의 2 하부지점에 탄화로를 매설하고, 그 주위에 소석회 1 파트, 연탄재 2 파트, 황토 1 파트로 구성된 내용물을 채웠다. 연탄 또는 갈탄을 이용하여 48시간에 걸쳐 서서히 탄화 및 냉각시켜 다양한 종류의 LBA 및 CBA를 얻었다 (Figure 1). 한편 무상으로 제공받은 COA는 현재 판매 중에 있어 제공업체로부터 제조과정을 구체적으로 확보할 수 없었으나, 숯가마에서 높은 탄화 온도 및 긴 탄화 시간의 적용과 함께 대량 제조되는 것으로 확인하였다.To secure large quantities of LBA and CBA, a steel drum with a capacity of 200 liters was used, and the process is as follows. After cutting the upper and lower parts of the drum, four 2.5 cm high wooden beams were erected at the inner corners as supports. An open 75-liter drum was placed on the firewood and a grill was used as a partition to control the amount of raw material to be used for carbonization. After bending the top of the drum as much as possible using a tool so that the upper part of the drum is directed outward, the skirt drum is covered, and then an iron pipe with a diameter of 60 mm is installed on the top of the drum to discharge the vaporized material and used as an exhaust port. A carbonization furnace was buried at the bottom of two thirds of the drum, and the contents consisting of 1 part slaked lime, 2 parts briquettes, and 1 part red clay were filled around it. Various types of LBA and CBA were obtained by slowly carbonizing and cooling using briquettes or lignite over 48 hours (Figure 1). On the other hand, the COA provided free of charge was currently on sale, so it was not possible to specifically secure the manufacturing process from the supplier, but it was confirmed that it was mass-produced with the application of high carbonization temperature and long carbonization time in a charcoal kiln.

각 활성탄의 원소분석을 위하여 시료를 1,014 ℃의 온도에서 연소시켜 석영관의 구리층을 통과시키면서 조성 원소별로 분석에 용이한 기체분자 (CO2, N2, H2O)로 전환하였다. 이 혼합가스를 gas chromatography column에 통과시키면서 각각을 분리한 후, 열전도검출기 (Thermal Conductivity Detector)에 의하여 전기신호로 정량적으로 변환하였다. 마지막으로 표준시료를 이용하여 검량곡선을 작성한 후, 각 시료별 탄소, 수소, 질소의 함유량을 측정하였으며, 원소 분석의 결과는 3회 반복의 평균값으로 표시하였다.For elemental analysis of each activated carbon, the sample was burned at a temperature of 1,014 °C and passed through a copper layer of a quartz tube to convert into gaseous molecules (CO 2 , N 2 , H 2 O) that are easy to analyze for each element. After separating each of these mixed gases while passing through a gas chromatography column, they were quantitatively converted into electrical signals by a thermal conductivity detector. Finally, after preparing a calibration curve using standard samples, the contents of carbon, hydrogen, and nitrogen for each sample were measured, and the results of elemental analysis were expressed as the average value of three repetitions.

1.5 활성탄의 중금속 및 휘발성 유기화합물 1.5 Heavy metals and volatile organic compounds in activated carbon 흡착능adsorption capacity 평가 방법 Assessment Methods

흡착능의 평가에 앞서 95 ± 2.5 ℃의 오븐에서 overnight 보관한 활성탄 50 g를 부직포 봉지에 넣은 후, 지퍼백에 밀봉하여 보관하였다. 이를 다양한 실내외 공간(흡연실, 금속가공업체, 전철역 인근 건물 복도, 제재소, 지하주차장)에 1주일 이상 노출시킨 후, 회수하여 환경보건법 시행령에 따라 활성탄에 흡착된 납, 구리, 철, 알루미늄, 크롬, 아연의 양을 측정하였다. 즉 노출이 종료된 활성탄을 65%의 질산용액 (HNO3)을 이용하여 회분을 제외한 모든 성분을 제거한 후, 증류수로 희석한 용액을 조사된 각 원소의 검출 파장에 따라 Inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometer (Perkin-Elmer Optima 4300 DV)를 이용하여 수행하였다. 예를 들면 구리의 함량은 324.8 nm의 파장에 탐지되는 양을 조사하여 얻었다.Prior to the evaluation of adsorption capacity, 50 g of activated carbon stored overnight in an oven at 95 ± 2.5 ° C. was placed in a nonwoven fabric bag, and then sealed and stored in a zipper bag. After exposing it to various indoor and outdoor spaces (smoking rooms, metal processing companies, corridors of buildings near subway stations, sawmills, underground parking lots) for more than a week, it is collected and collected according to the Enforcement Decree of the Environmental Health Act. The amount of zinc was measured. That is, after removing all components except for ash by using 65% nitric acid solution (HNO 3 ) from the activated carbon after exposure, the solution diluted with distilled water is inductively coupled plasma (ICP) emission according to the detection wavelength of each element irradiated. It was performed using a spectrometer (Perkin-Elmer Optima 4300 DV). For example, the content of copper was obtained by examining the amount detected at a wavelength of 324.8 nm.

활성탄에 흡착된 VOC 양을 측정하기 위하여 중금속 흡착능 측정에 사용된 활성탄 시료를 스텐레스 스틸 재질로 제작된 마이크로 챔버에 넣고 고순도 질소로 120 mL/min 유속으로 purge 하면서 50, 100, 150 ℃ 온도를 유지하여 발생하는 기체를 100 mL/min 유속으로 10분 동안 Tenax TA 흡착관으로 포집하여 열탈착-기체크로마토그래프-MS법을 응용하여 VOC를 정량적으로 분석하였다. 활성탄의 VOCs 흡착 성능 시험법은 외부 환경에 노출시키지 않은 활성탄 시료를 고정틀에 넣고 액상 VOCs (벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스틸렌) 표준물질을 200 ℃에서 기화시킨 후, 100 mL/min 유속으로 활성탄 시료가 설치된 고정틀에 통과시켰다. 이렇게 활성탄 통과 전·후 기체 샘플을 Tenax TA 흡착관으로 포집하여 열탈착 GC/MS를 이용하여 정량 분석하였다. In order to measure the amount of VOC adsorbed on the activated carbon, the activated carbon sample used to measure the adsorption capacity of heavy metals was placed in a microchamber made of stainless steel and purged with high-purity nitrogen at a flow rate of 120 mL/min while maintaining the temperature at 50, 100, and 150 ℃. The generated gas was collected with a Tenax TA adsorption tube for 10 minutes at a flow rate of 100 mL/min, and VOCs were quantitatively analyzed by thermal desorption-gas chromatography-MS method. The VOCs adsorption performance test method of activated carbon is to put an activated carbon sample that is not exposed to the external environment into a fixed frame, vaporize the liquid VOCs (benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, styrene) standard substance at 200 ℃, and then The sample was passed through a fixing frame in which an activated carbon sample was installed. Gas samples before and after the passage of activated carbon were collected with Tenax TA adsorption tubes and quantitatively analyzed using thermal desorption GC/MS.

VOCs 정량 평가를 위한 방법은 실내공기질공정시험기준 (2020) 실내 및 건축자재에서 방출되는 휘발성유기화합물 측정방법 - 고체흡착관과 기체크로마토그래프 - MS,FID법 (ES 02602.1c)을 사용하였다. As a method for quantitative evaluation of VOCs, the Indoor Air Quality Process Test Standards (2020) method for measuring volatile organic compounds emitted from indoor and building materials - solid adsorption tube and gas chromatograph - MS, FID method (ES 02602.1c) was used.

1.6 섬유판 필터의 제조1.6 Manufacture of fiberboard filters

섬유판 필터의 목표밀도 결정을 위하여 다양한 함지율 (4, 8, 10, 14%)에서 6, 10 또는 12분의 열압시간, 열압기의 온도 및 압력을 각각 180 ℃와 24 kg/cm2로 고정한 상태에서 섬유판에서 활성탄이 차지하는 양을 30 wt%, 40 wt% 또는 50 wt%로 조절한 후, 다양한 목표밀도(100, 125, 150, 180, 200, 250, 300 kg/m3)로 1 cm 두께의 섬유판(25 cm x 25 cm)을 폐쇄형 열압기를 이용하여 제조하였다. 이렇게 제조된 섬유판의 강도와 통기성 결과를 토대로 섬유판 필터의 목표밀도를 200 kg/m3 이상으로 결정하였다. 그러나 이렇게 제조한 섬유판의 통기성이 낮았으며, 이를 해결하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 최대 64개의 원추형 통기구(직경: 10 mm 이하)를 보유한 섬유판을 제조할 수 있는 spiked caul plate를 특수 stainless steel로 제작하였다. 이를 이용하여 아래와 같은 방법으로 섬유판 필터를 제조하였다. In order to determine the target density of the fiberboard filter, the heating pressure time of 6, 10, or 12 minutes at various content ratios (4, 8, 10, 14%), the temperature and pressure of the heating press were fixed at 180 ℃ and 24 kg/cm After adjusting the amount of activated carbon in the fiberboard to 30 wt%, 40 wt%, or 50 wt% in the condition of A thick fiberboard (25 cm x 25 cm) was prepared using a closed thermocompressor. The target density of the fiberboard filter was determined to be 200 kg/m 3 or more based on the results of strength and air permeability of the fiberboard thus manufactured. However, the air permeability of the fiberboard thus manufactured was low. To solve this problem, as shown in FIG. 1, a spiked caul plate capable of manufacturing a fiberboard having up to 64 conical vents (diameter: 10 mm or less) was made of special stainless steel. produced. Using this, a fiberboard filter was manufactured in the following manner.

정해진 치수와 목표밀도에 따라 일정량의 목섬유를 60 리터의 플라스틱 통에 넣고, 고점도 페인트용 분무기를 사용하여 목섬유의 전건중량 대비 2%의 왁스 emulsion을 분사한 후, 정해진 함지율로 계산된 양의 접착제를 분사하였다. 성형과정을 설명하면, 먼저 접착제가 분사된 전체 목섬유 중량의 25%를 spiked caul plate가 놓인 열압틀에 일정하게 분산시키면서 성형한 후, 그 위에 전체 목섬유 중량의 50%와 활성탄의 혼합물을 순차적으로 성형하였으며, 마지막으로 나머지 25% 중량의 목섬유를 그 위에 성형하였다. 성형이 완료된 목섬유와 활성탄 매트 위에 flat caul plate를 올려놓은 후, 180 ℃의 열압기 온도, 24 kg/cm2의 압력에서 12분간 열압을 실시하였다. 한편 대조구로 사용된 PF 수지는 동일한 조건의 열압기 온도와 압력으로 5%의 함지율로 7분간 열압하여 섬유판을 제조하였다. 섬유판 필터는 각 조건마다 2 - 3개씩 제조하였으며, 24시간 이상 항온항습실에서 방치한 후, 지퍼백에 넣어 성능시험 시까지 보관하였다.Put a certain amount of wood fibers into a 60 liter plastic bucket according to the specified dimensions and target density, spray 2% wax emulsion based on the total dry weight of the wood fibers using a sprayer for high-viscosity paint, and then apply the amount of adhesive calculated at the fixed content rate. was sprayed. Describing the molding process, first, 25% of the total weight of wood fibers to which the adhesive was sprayed was molded while being uniformly distributed in a thermopress mold with a spiked caul plate, and then a mixture of 50% of the total weight of wood fibers and activated carbon was sequentially molded on top of it. Finally, the remaining 25% weight of wood fiber was molded on it. After placing the flat caul plate on the molded wood fiber and activated carbon mat, hot pressing was performed at a pressure of 24 kg/cm 2 at a temperature of 180 °C for 12 minutes. On the other hand, the PF resin used as a control was hot-pressed for 7 minutes with a 5% paper content under the same hot press temperature and pressure to prepare a fiber board. 2-3 fiberboard filters were prepared for each condition, and after being left in a constant temperature and humidity room for more than 24 hours, they were put in a zipper bag and stored until the performance test.

1.7 섬유판 필터의 강도 비교 및 오염물질 방출량 측정1.7 Strength comparison of fiberboard filters and pollutant emission measurement

제조된 섬유판 필터의 강도는 국립산림과학원 고시 "목재제품의 규격과 품질기준"에 따라 시험편의 표면에 평균 10 min/mm의 속도로 하중을 가하면서 휨강도를 측정하여 종류별로 비교하였다 (국립산림과학원, 2015). 오염물질 방출량은 친환경건축자재 인증용 시험방법에 의거하여 측정하였다. 국립환경과학원에서 고시한 실내공기질공정시험기준(2020-19호) 건축자재 방출 휘발성 유기화합물 및 폼알데하이드 시험방법-소형챔버법(ES 02131.1d)에 따라 측정하였다. 방출시험은 소형방출시험챔버 내 온도 (25 ± 1.0) ℃ 상대습도 (50 ± 5) % 조건에서 섬유판을 7일 동안 노출시킨 후, 총 휘발성 유기화합물 (TVOC, 분자량 C6 ~ C16 사이 물질의 총합), 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스틸렌, 폼알데하이드 및 아세트알데하이드 방출량을 측정하였다.The strength of the manufactured fiberboard filter was compared by type by measuring the bending strength while applying a load to the surface of the test piece at an average rate of 10 min/mm in accordance with the National Institute of Forest Science notice "Specifications and Quality Standards for Wood Products" (National Institute of Forest Science , 2015). Pollutant emission was measured according to the test method for eco-friendly building material certification. It was measured according to the Indoor Air Quality Process Test Standards (No. 2020-19), Volatile Organic Compounds and Formaldehyde Test Methods Emitted from Building Materials-Small Chamber Method (ES 02131.1d) announced by the National Institute of Environmental Research. In the emission test, the total volatile organic compounds (TVOC, molecular weight of substances between C 6 and C 16 Total), benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, styrene, formaldehyde and acetaldehyde emissions were measured.

1.8 섬유판 필터의 미세먼지 1.8 Fine dust in the fiberboard filter 흡진능absorption capacity 평가 evaluation

국립환경과학원고시 (제2020-30호) 대기오염공정시험기준에 환경대기 중 먼지 측정 방법-고용량 공기시료채취기법 (ES 01604.1)에 의해 수행하였다.It was carried out according to the National Institute of Environmental Research Notice (No. 2020-30) air pollution process test standard, dust measurement method in the environmental atmosphere-high-capacity air sampling technique (ES 01604.1).

(20 ± 5) ℃, (20 ± 5) %에서 7일 이상 항온·항습을 처리한 섬유판, 한지, 먼지측정용 석영필터의 무게를 측정하였다. 미세먼지 주의보가 발령된 날에 서울시 관악구 신림동 서울대학교 201동 2층 외부에서 8시간동안 500 L/min 유량으로 먼지를 포집하고 다시 항온·항습 처리한 후, 무게변화의 측정을 통하여 미세먼지 흡진능을 조사하였다.The weight of the fiberboard, Korean paper, and quartz filter for dust measurement treated with constant temperature and humidity for more than 7 days at (20 ± 5) ℃ and (20 ± 5) % was measured. On the day when the fine dust advisory was issued, dust was collected from the outside on the 2nd floor of Building 201, Seoul National University, Sillim-dong, Gwanak-gu, Seoul at a flow rate of 500 L/min for 8 hours, and then subjected to constant temperature and humidity treatment again, and the fine dust absorption capacity was measured by measuring the weight change. was investigated.

결과 및 고찰Results and Discussion

1.1 활성탄의 중금속 1.1 Heavy metals in activated carbon 흡착능adsorption capacity

다양한 실내외 공간에 노출시킨 활성탄의 중금속 흡착능 측정결과, 야자각 활성탄 (CSA)의 경우, 비노출 CSA와 비교하여 흡연실과 지하주차장에 노출시킨 시료에서 낮은 알루미늄 함량을 제외하고 모든 시료에서 중금속을 많이 흡착한 것으로 나타났다. 특히 옥외 지하철역에서 약 30 m 거리에 있는 건물의 개방된 창과 연결된 통로와 제재소에서 노출한 CSA에서 비노출 CSA보다 10배 정도 많은 철 및 알루미늄이 흡착된 것으로 측정되어 환기가 어려운 지하철 전동차 및 승강장 내에 많은 중금속이 존재할 것으로 예상된다. As a result of measuring the heavy metal adsorption capacity of activated carbon exposed to various indoor and outdoor spaces, in the case of coconut shell activated carbon (CSA), compared to non-exposed CSA, heavy metals were adsorbed in all samples except for the low aluminum content in the samples exposed to smoking rooms and underground parking lots. appeared to be In particular, it was measured that about 10 times more iron and aluminum were adsorbed in the exposed CSA at the sawmill and the passageway connected to the open window of the building about 30 m away from the outdoor subway station than the non-exposed CSA. is expected to exist.

1.2 활성탄의 휘발성 유기화합물 1.2 Volatile Organic Compounds in Activated Carbon 흡착능adsorption capacity

실내외 공간에 노출시킨 활성탄에 흡착된 VOC는 50 ℃ 및 100 ℃에서 기화시킨 노출-활성탄에서 검출되지 않았다. 이는 활성탄에 물리화학적으로 결합된 VOC가 충분하지 않아 발생한 결과라 추정된다. 한편 150 ℃에서 기화시킨 노출 활성탄에서는 TVOC와 일부 5VOC가 검출되었다.VOCs adsorbed on activated carbon exposed to indoor and outdoor spaces were not detected in exposed activated carbon vaporized at 50 °C and 100 °C. This is presumed to be the result of not enough VOCs physically and chemically bound to the activated carbon. On the other hand, TVOC and some 5VOC were detected in the exposed activated carbon vaporized at 150 °C.

활성탄에 흡착된 VOC를 정확하게 측정하기 위하여 활성탄의 VOC 흡착능을 측정하기 전에 오븐에 넣어 충분히 정화시킨 시료에 기화시킨 VOC를 강제로 통과시켜 통과 전후의 VOC 양을 측정하였다. 그 결과를 보면, CSA, COA, SAA는 99% 이상의 5VOC를 흡착하는 것으로 측정되었다. 그러나 LBA와 CBA의 5VOC 흡착량은 각각 76.0%와 35.2%로 타 활성탄과 비교하여 매우 낮았다. 또한 TVOC 흡착능도 COA가 98.5%로 가장 높았으며, CSA (97.2%), SAA (93.0%) 순으로 나타났으며, LBA와 CBA의 TVOC 흡착능은 5VOC의 결과와 유사하였다. 따라서 COA를 이용하여 섬유판 필터를 제조할 경우 대기 중에 존재하는 VOC를 저감시킬 것으로 생각한다. 한편 LBA와 CBA의 낮은 VOC 흡착능은 발열량이 낮은 연탄의 이용으로 충분히 탄화되지 않아 발생한 결과라 판단되어 높은 발열량을 가진 갈탄을 이용하여 탄화하였다. 이렇게 제조된 LBA-L과 CBA-L의 VOC 흡착능을 측정한 결과를 보면, TVOCs 흡착능은 각각 92.0%와 95.5%로 LBA 및 CBA보다 크게 증가하였으며, SAA보다 높은 것으로 측정되었다. 또한 CSA 또는 COA보다 높거나 차이가 없는 TVOC 및 5VOC 흡착능을 나타내었다. 이 결과를 토대로 낙엽송 및 편백 수피를 활성탄 원료로 이용하기 위하여 갈탄을 이용한 탄화가 필요하다는 결론을 얻었다. In order to accurately measure the VOC adsorbed on the activated carbon, the vaporized VOC was forcibly passed through the sample sufficiently purified in an oven before measuring the VOC adsorption capacity of the activated carbon, and the amount of VOC before and after passage was measured. As a result, CSA, COA, and SAA were measured to adsorb more than 99% of 5VOC. However, the 5VOC adsorption of LBA and CBA was 76.0% and 35.2%, respectively, which was very low compared to other activated carbons. In addition, the TVOC adsorption capacity of COA was the highest at 98.5%, followed by CSA (97.2%) and SAA (93.0%). The TVOC adsorption capacity of LBA and CBA was similar to that of 5VOC. Therefore, when manufacturing a fiberboard filter using COA, it is thought that VOC present in the air can be reduced. On the other hand, it was determined that the low VOC adsorption capacity of LBA and CBA was the result of insufficient carbonization by using briquettes with low calorific value, so lignite with high calorific value was used for carbonization. As a result of measuring the VOC adsorption capacity of the LBA-L and CBA-L thus prepared, the TVOCs adsorption capacity was 92.0% and 95.5%, respectively, which was significantly higher than that of LBA and CBA and higher than that of SAA. In addition, TVOC and 5VOC adsorption capacities were higher than those of CSA or COA or had no difference. Based on these results, it was concluded that carbonization using lignite is necessary to use larch and cypress bark as raw materials for activated carbon.

1.3 활성탄의 원소 분석1.3 Elemental analysis of activated carbon

연탄보다 갈탄으로 탄화한 활성탄의 중금속 및 VOC 흡착능이 우수하다는 결론을 확인하기 위하여 각 활성탄에 대한 탄소, 수소, 질소 분석을 수행하였다. 연탄으로 탄화한 LBA 및 CBA와 비교하여 갈탄을 이용한 탄화 (LBA-L 및 CBA-L)가 탄소함량을 증가시키고, 수소함량은 감소시켰다. 특히 LBA-L 및 CBA-L의 탄소함량은 CSA보다 낮으나, SSA 및 COA보다 높았다. 따라서 많은 연구 결과에서 언급한 바와 같이 활성탄의 VOC 및 중금속 흡착능은 탄소함량과 비례한다는 것을 확인할 수 있었다.In order to confirm the conclusion that the adsorbability of heavy metals and VOCs of the activated carbon carbonized with lignite is superior to that of briquettes, carbon, hydrogen, and nitrogen analyzes were performed for each activated carbon. Compared to LBA and CBA carbonized with briquettes, carbonization using lignite (LBA-L and CBA-L) increased the carbon content and decreased the hydrogen content. In particular, the carbon content of LBA-L and CBA-L was lower than that of CSA, but higher than that of SSA and COA. Therefore, as mentioned in many research results, it was confirmed that the adsorption capacity of activated carbon for VOCs and heavy metals was proportional to the carbon content.

1.4 접착제의 특성1.4 Characteristics of adhesives

섬유판 필터의 제조에 사용된 접착제가 70 wt% 이상의 고알칼리성 HH-AK와 PH-AK, 10 wt% 또는 20 wt%의 고산성 PB-AC 및 중성의 LB-HE로 구성된 관계로 pH는 11 이상으로 측정되었다. 고형분 함량의 경우, 주성분이 37 wt% 이상의 HH-AK와 PH-AK, 20 wt% 내외의 PB-AC 그리고 38 wt% 이상의 LB-HE로 조제되어 전체적으로 약 35% 정도로 조사되었다. 이와 같은 조건으로 조제된 접착제의 점도를 점탄성 측정기 (ARES, TA Instruments, USA)를 이용하여 측정한 결과, 목질복합재료 제조용 열경화성 접착제인 urea-formaldehyde와 유사한 점도를 나타내었다.Since the adhesive used in the manufacture of the fiberboard filter is composed of 70 wt% or more of highly alkaline HH-AK and PH-AK, 10 wt% or 20 wt% of highly acidic PB-AC and neutral LB-HE, the pH is 11 or more. was measured as In the case of solid content, the main components were prepared with 37 wt% or more of HH-AK and PH-AK, 20 wt% or more of PB-AC, and 38 wt% or more of LB-HE, and the total was about 35%. As a result of measuring the viscosity of the adhesive prepared under these conditions using a viscoelasticity meter (ARES, TA Instruments, USA), the viscosity was similar to that of urea-formaldehyde, a thermosetting adhesive for wood-based composite materials.

상기의 점탄성 측정기 (ARES, TA Instruments, USA)를 이용하여 상온에서 200 ℃까지 2 ℃/min의 속도로 승온하면서 측정한 경화거동을 보면, 40 - 90 ℃ 온도 구간에서는 저장탄성율의 변화가 없었으며, 90 - 100 ℃ 구간에서는 수분의 증발에 의한 영향을 나타나기 시작하였다. 100 ℃ 이후부터는 온도가 상승함에 따라 저장탄성률이 증가하여 대부분의 열경화성 접착제에서 나타나는 점탄성적 성질을 확인하였으며, 170 ℃에서 최댓값을 나타내어 접착제의 완전경화를 위하여 그 이상의 열압온도가 필요할 것으로 보인다. Looking at the curing behavior measured while raising the temperature from room temperature to 200 ℃ at a rate of 2 ℃ / min using the above viscoelasticity meter (ARES, TA Instruments, USA), there was no change in storage modulus in the temperature range of 40 - 90 ℃ , in the range of 90 - 100 ℃, the effect of evaporation of moisture began to appear. After 100 ℃, the storage modulus increased as the temperature increased, confirming the viscoelastic properties of most thermosetting adhesives.

1.5 섬유판 필터의 휨강도 및 통기성 결과에 따른 제조조건 선정1.5 Selection of manufacturing conditions according to the results of flexural strength and air permeability of fiberboard filters

먼저 200 kg/m3의 밀도로 제조한 섬유판의 휨강도는 우수하였으나, 통기성에 문제가 있었다. 밀도를 100, 125 kg/m3으로 낮추어 제조한 섬유판의 경우, 통기성은 향상되었으나 강도가 매우 낮아 목표밀도로 부적합한 것으로 나타났다. 목표밀도를 올려 150, 180 kg/m3의 목표밀도로 제조한 섬유판의 휨강도는 증가하였으나, 제조 및 운반 과정에서 부분적인 파괴와 함께 통기성의 향상도 필요한 것으로 판단하였다. 다음으로 목표밀도를 200 kg/m3으로 고정하고 4%, 8%, 10%, 14% 함지율로 제조한 섬유판의 휨강도는 함지율의 증가와 함께 증가하는 경향을 나타내었다. 목표밀도 및 함지율 결정을 위한 선행연구 결과를 통하여 섬유판 필터의 목표밀도와 함지율을 각각 200 kg/m3 이상과 8% 또는 10%로 결정하였다. First, the fiberboard manufactured with a density of 200 kg/m 3 had excellent flexural strength, but had a problem in air permeability. In the case of the fiber board manufactured by lowering the density to 100 and 125 kg/m 3 , the air permeability was improved, but the strength was very low, and it was found to be unsuitable for the target density. Although the flexural strength of fiberboards manufactured with target densities of 150 and 180 kg/m 3 by increasing the target density increased, it was judged that air permeability should be improved along with partial destruction during manufacturing and transportation. Next, the flexural strength of the fiberboards manufactured with 4%, 8%, 10%, and 14% paper content with the target density fixed at 200 kg/m 3 showed a tendency to increase with the increase of the paper content. Through the results of previous studies for determining the target density and the loading rate, the target density and the loading rate of the fiberboard filter were determined to be 200 kg/m 3 or more and 8% or 10%, respectively.

상기 조건에서 섬유판 필터의 전건무게 기준으로 30 wt%, 40 wt%, 50 wt%의 활성탄을 첨가하여 섬유판을 제조하였을 때, 30 wt%와 40 wt%에서는 강도에 미치는 영향이 크지 않았으나, 50 wt% 첨가량에서는 강도에 부정적인 영향을 미쳤다. 따라서 활성탄 첨가량을 최대 40 wt%로 결정하였다. 한편 섬유판 내에서 활성탄의 분포에 의한 강도를 육안으로 확인한 결과, 무작위 첨가시 강도에는 크게 영향을 미치지 않았으나, 섬유판 표층에 존재하는 활성탄이 제조 및 운송과정에서 탈착되는 문제점이 발생할 것으로 예상되어 활성탄 첨가방법에서 제외하였다. 다음으로 섬유판의 두께방향 중간층에 단층 (1 layer)으로 활성탄을 첨가하여 제조하였으나, 활성탄에 접착제가 적용되지 않아 시험편 제조를 위한 절삭시 섬유판 중앙에서 분리되는 현상이 발생하여 활성탄 첨가방법에서 제외하였다. 이 결과를 토대로 섬유판 표층(상층 및 하층)에는 목섬유만을 사용하고, 심층(중층)에는 목섬유와 활성탄을 무작위로 혼합하는 방법을 적용하여 3층 섬유판을 제조하는 것으로 결정하였다. 한편 활성탄의 입도 크기가 섬유판 필터의 강도에 미치는 영향을 확인한 결과, 섬유판의 전건무게 대비 50 wt%의 분말상 활성탄(< 4 mesh)을 두께방향 중간층에 단층(1 layer)으로 첨가하여 제조한 섬유판에서 시험편 제조를 위한 절삭시 중앙층에서 분리되는 현상이 발생하였다. 그러나 동일한 조건에서 입자상 활성탄(>2 mesh)으로 제조한 섬유판의 경우, 절삭에 따른 분리현상이 발생하지 않았다. 따라서 강도적 측면에서 분말상보다 입자상 활성탄을 적용하여 섬유판을 제조하는 것으로 결정하였다.Under the above conditions, when the fiberboard was prepared by adding 30 wt%, 40 wt%, and 50 wt% of activated carbon based on the dry weight of the fiberboard filter, the effect on the strength was not significant at 30 wt% and 40 wt%, but at 50 wt% The % addition had a negative effect on strength. Therefore, the amount of activated carbon added was determined to be up to 40 wt%. On the other hand, as a result of visually confirming the strength by the distribution of activated carbon within the fiberboard, random addition did not significantly affect the strength, but it is expected that the problem of desorption of the activated carbon present on the surface layer of the fiberboard during the manufacturing and transportation process will occur. excluded from Next, it was prepared by adding activated carbon to the middle layer in the thickness direction of the fiberboard in a single layer, but since the adhesive was not applied to the activated carbon, it was separated from the center of the fiberboard during cutting to prepare a test piece. Based on these results, it was decided to manufacture a three-layer fiberboard by using only wood fibers for the surface layers (upper and lower layers) of the fiberboard and randomly mixing wood fibers and activated carbon for the core layer (middle layer). On the other hand, as a result of confirming the effect of the particle size of activated carbon on the strength of the fiberboard filter, in the fiberboard manufactured by adding 50 wt% of powdered activated carbon (< 4 mesh) to the thickness direction intermediate layer in a single layer, compared to the total dry weight of the fiberboard, A phenomenon of separation from the center layer occurred during cutting to prepare the test piece. However, in the case of a fiberboard made of particulate activated carbon (> 2 mesh) under the same conditions, separation due to cutting did not occur. Therefore, in terms of strength, it was decided to manufacture a fiber board by applying particulate activated carbon rather than powder.

상기에서 결정된 조건을 토대로 200 kg/m3의 목표밀도로 40 wt%의 입자상 활성탄을 심층에 목섬유와 함께 첨가하여 제조한 3층 섬유판의 경우, 높은 밀도로 통기성이 낮아 이를 보완하기 위하여 일정한 간격으로 동일한 직경의 통기구를 갖도록 전동드릴을 이용하여 타공하였다. 이를 통하여 통기성은 향상되었으나, 흡진 또는 흡착되지 않고 통과되는 미세먼지와 VOC/중금속이 많을 것으로 판단하여 타공된 2 장의 섬유판 사이에 타공하지 않은 낮은 목표밀도의 섬유판 및/또는 하단에 필터지(한지)로 구성된 섬유판 필터 세트를 실내외용 미세먼지/VOC/중금속의 흡진/흡착용 필터로 이용하는 것으로 결정하였다. 한편 섬유판이 저밀도(200 kg/m3)인 관계로 타공과정에서 통기구 주위에 섬유가 부풀어 오르는 외관상 문제가 발생하여 목표밀도를 250 kg/m3까지 증가시키는 방안과 열압과정에서 pressure plate에 spikes를 접합시켜 통기구가 있는 섬유판을 제조하는 방안을 조사하는 것으로 결정하였다. Based on the conditions determined above, in the case of a three-layer fiberboard prepared by adding 40 wt% of particulate activated carbon to the core layer with wood fibers at a target density of 200 kg/m 3 , high density and low air permeability were obtained at regular intervals to compensate for this. It was perforated using an electric drill to have vents of the same diameter. Through this, air permeability is improved, but it is judged that there will be a lot of fine dust and VOC/heavy metals that pass through without being absorbed or adsorbed, so a low target density fiber board that is not perforated between two perforated fiber boards and/or a filter paper (Korean paper) at the bottom It was decided to use the fiberboard filter set composed of as a filter for the absorption/adsorption of fine dust/VOC/heavy metal for indoor and outdoor use. On the other hand, since the fiber board has a low density (200 kg/m 3 ), there is an external problem that the fiber swells around the vent during the perforation process, so a plan to increase the target density to 250 kg/m 3 and spikes on the pressure plate during the hot pressure process have been developed. It was decided to investigate a method of bonding to produce vented fiberboard.

1.6 1.6 야자각coconut shell 활성탄-첨가 섬유판 필터 강도에 의한 제조조건의 선정 Selection of manufacturing conditions by activated carbon-added fiberboard filter strength

1.6.1 목표밀도 및 활성탄 첨가량 1.6.1 Target density and added amount of activated carbon

먼저 열압시간을 결정하기 위하여 200 kg/m3의 목표밀도, 40 wt%의 활성탄 함유량, 10%의 함지율에 6분의 열압시간으로 제조한 섬유판은 강도가 낮았으며, 전체적으로 쉽게 부서지는 현상이 발생하였다 (도 2, A). 열압시간을 12분까지 연장하여 제조한 섬유판의 강도는 향상되었으나, 제조된 것을 취급하는 과정에서 모서리 부분이 부서지는 현상이 일부에서 발생하였다 (도 2, B). 따라서 동일한 조건에서 목표밀도를 300 kg/m3까지 올려 제조한 섬유판의 강도는 200 kg/m3로 제조한 것과 비교하여 크게 향상되었으며, 전체적으로 취급이 매우 용이하였다 (도 2, C). 다음으로 목표밀도를 250 kg/m3으로 조절하여 제조한 섬유판도 취급이 충분히 가능할 정도의 강도를 보유한 것으로 나타났다 (도 2, D).First, in order to determine the hot pressing time, the fiberboard prepared with a target density of 200 kg/m 3 , activated carbon content of 40 wt%, and a 10% paper content with a hot pressing time of 6 minutes had low strength and was easily broken as a whole. occurred (FIG. 2, A). Although the strength of the fiberboard manufactured by extending the hot pressing time to 12 minutes was improved, the corner portion was broken in some cases in the process of handling the manufactured board (Fig. 2, B). Therefore, the strength of the fiberboard manufactured by raising the target density to 300 kg/m 3 under the same conditions was greatly improved compared to that manufactured at 200 kg/m 3 , and overall handling was very easy (FIG. 2, C). Next, it was found that the fiberboard manufactured by adjusting the target density to 250 kg/m 3 had sufficient strength to be handled (FIG. 2, D).

다음으로 섬유판 제조를 위한 접착제로 HH-AK/PH-AK/PB-AC/LB-HE = 40 wt%/40 wt%/10 wt%/10 wt%를 사용하여 40 wt%의 활성탄과 함께 목표밀도를 200 kg/m3과 250 kg/m3로 조절하여 180 ℃의 온도에서 12분간 열압하여 제조한 섬유판의 휨강도는 각각 0.27과 0.39 kgf/cm2로 측정되었으나, 통계학적으로 차이가 없었다 (p = 0.13). 상기 결과들을 토대로 섬유판 필터의 목표밀도와 활성탄 첨가량을 각각 200 kg/m3, 30 wt% 그리고 250 kg/m3, 40 wt%로 결정하였다.Next, using HH-AK / PH-AK / PB-AC / LB-HE = 40 wt% / 40 wt% / 10 wt% / 10 wt% as an adhesive for fiberboard production, the target with 40 wt% of activated carbon The flexural strengths of the fiberboards manufactured by adjusting the density to 200 kg/m 3 and 250 kg/m 3 and hot-pressing at 180 °C for 12 minutes were measured as 0.27 and 0.39 kgf/cm 2 , respectively, but there was no statistical difference ( p = 0.13). Based on the above results, the target density of the fiberboard filter and the amount of activated carbon added were determined to be 200 kg/m 3 , 30 wt% and 250 kg/m 3 , 40 wt%, respectively.

1.6.2 함지율1.6.2 Paper content rate

상기와 동일한 접착제를 사용하여 40 wt%의 활성탄과 함께 함지율을 8%, 10%, 12%로 조절하여 200 kg/m3의 목표밀도, 180 ℃ 및 12분의 열압 온도와 시간으로 제조한 섬유판의 휨강도는 0.43, 0.23 그리고 0.32 kgf/cm2로 8% 함지율에서 가장 높았으며 (8%/10%: p = 0.04; 8%/12%: p = 0.33), 10%와 12% 함지율에서는 차이가 없는 것으로 분석되었다 (p = 0.27). 향후 사용한 후에 수거될 섬유판 필터를 고체 바이오연료로 사용할 예정이므로 연소함에 있어 단백질계 접착제 내에 존재하는 질소 및 황 배출량의 최소화를 위하여 함지율을 8%로 고정하는 것으로 결정하였다. Using the same adhesive as above, the content ratio was adjusted to 8%, 10%, and 12% with 40 wt% of activated carbon to prepare a target density of 200 kg / m 3 , 180 ° C., and a hot pressure temperature and time of 12 minutes. The flexural strength of the fiberboard was 0.43, 0.23 and 0.32 kgf/cm 2 , which was the highest at 8% fat content (8%/10%: p = 0.04; 8%/12%: p = 0.33), both 10% and 12%. It was analyzed that there was no difference in the index (p = 0.27). Since the fiberboard filter, which will be collected after use, will be used as a solid biofuel, it was decided to fix the content ratio at 8% to minimize nitrogen and sulfur emissions present in the protein-based adhesive during combustion.

1.6.3 접착제의 종류1.6.3 Types of adhesives

상기 결과를 토대로 250 kg/m3의 목표밀도, 40 wt%의 활성탄 함량, 8%의 함지율, 180 ℃ 및 12분의 열압 온도와 시간으로 고정한 후, 다양한 종류의 접착제를 적용하여 섬유판을 제조하여 휨강도를 측정하였으며, 35 wt% HH-AK/35 wt% PH-AK/20 wt% PB-AC/10 wt% LB-HE (p = 0.02)를 제외하고 나머지 종류의 접착제로 제조한 섬유판의 휨강도는 대조구인 석탄산 수지로 제조한 섬유판의 휨강도와 통계학적으로 차이가 없었다. 한편, 40 wt% HH-AK/40 wt%PH-AK/20 wt% PB-AC 접착제의 경우, 적용시 분사기의 노즐이 막히는 경우가 수시로 발생하였는데 이는 분사 전에 접착제 내에 함유된 HH-AK 또는 PH-AK와 20 wt%까지 증가된 양의 PB-AC가 결합하며 분자량이 증가하여 발생하는 현상으로 추정하여 섬유판 제조용 접착제에서 배제하였다. 다음으로 40 wt% HH-AK/40 wt% PH-AK/10 wt% PB-AC/10 wt% LB-HE의 경우, HH-AK 및 PH-AK의 원재료비 및 제조 비용이 LB-HE보다 높아 접착제 비용이 증가할 것으로 판단되어 섬유판 제조용 접착제에서 배제하였다. 결과적으로 섬유판 제조용 접착제를 35 wt% HH-AK/35 wt% PH-AK/10 wt% PB-AC/20 wt% LB-HE로 결정하여 사용하였다. Based on the above results, a target density of 250 kg/m 3 , an activated carbon content of 40 wt%, a coating ratio of 8%, and a hot pressure temperature and time of 180 ° C and 12 minutes were fixed, and then various kinds of adhesives were applied to prepare a fiber board. The flexural strength was measured, and the fiberboards manufactured with the remaining types of adhesives except for 35 wt% HH-AK/35 wt% PH-AK/20 wt% PB-AC/10 wt% LB-HE (p = 0.02) The flexural strength was not statistically different from the flexural strength of the control fiber board prepared with phenolic resin. On the other hand, in the case of 40 wt% HH-AK/40 wt% PH-AK/20 wt% PB-AC adhesive, the nozzle of the sprayer was clogged frequently during application, which was caused by the HH-AK or PH contained in the adhesive before spraying. -AK and PB-AC in an increased amount up to 20 wt% were combined and the molecular weight increased, which was assumed to be a phenomenon that was excluded from the adhesive for manufacturing fiberboard. Next, in the case of 40 wt% HH-AK/40 wt% PH-AK/10 wt% PB-AC/10 wt% LB-HE, the raw material cost and manufacturing cost of HH-AK and PH-AK were higher than those of LB-HE. It was judged that the cost of the adhesive would increase, so it was excluded from the adhesive for manufacturing fiberboard. As a result, 35 wt% HH-AK/35 wt% PH-AK/10 wt% PB-AC/20 wt% LB-HE was used as an adhesive for manufacturing fiberboard.

1.6 섬유판 필터의 오염물질 방출량1.6 Pollutant emissions from fiberboard filters

상기 접착제로 제조한 섬유판에서 방출되는 오염물질의 종류를 보면, C6 - C16 사이 물질의 총합인 총휘발성 유기화합물 (TVOC)와 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스틸렌의 합인 5VOC, 폼알데하이드, 아세트알데하이드로 그 결과는 Table 5와 같다. 방출되는 5VOC는 전혀 존재하지 않았으며, TVOC는 HB 친환경 건축자재 등급기준에서 최우수등급 기준보다 크게 낮았으며, 알데하이드류도 기준치보다 크게 낮은 것으로 조사되었다. 결과적으로 본 발명에서 제안된 섬유판 필터는 환경부의 친환경 보드등급과 HB 마크의 최우수등급 기준을 충족하는 것을 확인할 수 있었다.Looking at the types of contaminants emitted from the fiberboard made with the adhesive, total volatile organic compounds (TVOC), which is the sum of substances between C6 and C16, and 5VOC, which is the sum of benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, and styrene, formaldehyde, and acet With aldehyde, the results are shown in Table 5. There was no emitted 5VOC at all, TVOC was significantly lower than the highest grade standard in the HB eco-friendly building material rating standard, and aldehydes were also investigated to be significantly lower than the standard value. As a result, it was confirmed that the fiberboard filter proposed in the present invention satisfies the environment-friendly board grade and the highest grade standard of the HB mark of the Ministry of Environment.

1.7 섬유판 필터의 1.7 of the fiberboard filter VOCVOCs 저감능reduction

CSA와 COA를 활성탄으로 첨가하여 제조한 섬유판 필터의 VOC 저감능을 측정한 결과를 살피면, 목섬유만으로 제조한 필터를 포함하여 본 발명에서 제조된 모든 활성탄-첨가 섬유판 필터가 S사 공기청정기 부직포 필터와 비교하여 높은 VOC 저감능을 보유한 것으로 확인되었는데 이는 S사 부직포 필터의 경우 활성탄으로 구성된 탈취필터없이 VOC 저감능을 측정한 결과라 판단된다. 그러나 활성탄만에 대한 VOC 저감능을 측정한 결과를 보면, S사 활성탄의 낮은 VOC 흡착능 결과로부터 본 발명에서 제조된 활성탄-첨가 섬유판 필터보다 S사의 필터의 VOC 저감능이 낮을 것으로 예상된다. 다음으로 활성탄없이 제조한 섬유판 필터의 VOC 저감능은 활성탄과 함께 제조한 섬유판 필터보다 낮았으며, 이 결과를 통하여 활성탄이 섬유판 필터 내에서 VOC의 흡착 및 여과를 위한 중요한 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다.Looking at the results of measuring the VOC reduction ability of the fiberboard filter prepared by adding CSA and COA as activated carbon, all activated carbon-added fiberboard filters manufactured in the present invention, including filters made only from wood fibers, were compared with the non-woven fabric filter of S company air purifier. It was confirmed that it had a high VOC reduction ability by comparison. However, when looking at the results of measuring the VOC reduction ability of only the activated carbon, it is expected that the VOC reduction ability of the S company filter is lower than that of the activated carbon-added fiberboard filter prepared in the present invention from the low VOC adsorption capacity of the S company activated carbon. Next, the VOC reduction ability of the fiberboard filter prepared without activated carbon was lower than that of the fiberboard filter prepared with activated carbon, and through this result, it was confirmed that activated carbon plays an important role in the adsorption and filtration of VOCs in the fiberboard filter.

목표밀도를 각각 200 및 250 kg/m3으로 고정한 상태에서 CSA 활성탄 첨가량을 30 wt% 및 40 wt%로 조절하여 제조한 섬유판 필터의 TVOC와 5VOC 저감능을 조사한 결과, 30 wt%에서는 목표밀도의 증가와 함께 차이가 없었으나, 40 wt%에서는 목포밀도의 증가와 함께 감소하였다. 이는 통기구를 제외하고 고밀도로 제조한 섬유판 필터 자체의 낮은 통기성에서 기인한 결과라 생각한다. 이 결과를 토대로 섬유판의 목표밀도-활성탄 첨가량을 250 kg/m3-40 wt%, 200 kg/m3-30 wt%, 200 kg/m3-20 wt%, 150 kg/m3-20 wt%로 조절하여 제조하는 것으로 결정하였다.As a result of examining the TVOC and 5VOC reduction capacities of the fiberboard filters prepared by adjusting the addition amount of CSA activated carbon to 30 wt% and 40 wt% with the target density fixed at 200 and 250 kg/m 3 , respectively, 30 wt% There was no difference with increase, but at 40 wt%, it decreased with increase in wood cloth density. This is thought to be the result of low air permeability of the fiberboard filter itself manufactured with high density except for the ventilation hole. Based on this result, the target density of the fiberboard - the amount of activated carbon added was 250 kg/m 3 -40 wt%, 200 kg/m 3 -30 wt%, 200 kg/m 3 -20 wt%, 150 kg/m 3 -20 wt% It was determined to be prepared by adjusting to %.

한편, CSA와 COA를 사용하여 각각 제조한 섬유판 필터의 VOC 저감능 측정 결과를 보면, 동일한 제조조건에서 COA-첨가 섬유판 필터의 TVOCs와 5VOC 저감능이 CSA-첨가 섬유판 필터보다 전반적으로 높은 것으로 나타났다. 그러나 COA와 CSA 자체의 VOC 흡착능 간에 차이가 크지 않음에도 불구하고 섬유판 필터의 VOC 저감능 차이가 발생한 이유는 섬유판 필터 내에서 COA와 목섬유 간의 어떠한 상호 작용에 의한 것으로 추정된다. On the other hand, when looking at the VOC reduction performance measurement results of the fiberboard filters prepared using CSA and COA, respectively, the TVOCs and 5VOC reduction abilities of the COA-added fiberboard filter were generally higher than those of the CSA-added fiberboard filter under the same manufacturing conditions. However, although the difference between the VOC adsorption capacity of COA and CSA itself was not large, the reason for the difference in VOC reduction capacity of the fiberboard filter was presumed to be due to some interaction between COA and wood fibers in the fiberboard filter.

COA-첨가 섬유판 필터의 VOC 저감능 결과를 보면, TVOCs의 경우 200 kg/m3-30 wt% 조건으로 제조한 시편에서 가장 높았으며, 250 kg/m3-40 wt%, 200 kg/m3-20 wt%, 150 kg/m3-20 wt% 순으로 측정되었다. 5VOC의 경우, 200 kg/m3-30 wt%와 250 kg/m3-40 wt%가 동일한 저감능과 함께 가장 높았으며, 다음으로 200 kg/m3-20 wt%, 150 kg/m3-20 wt% 순으로 측정되었다. 이 결과로부터 섬유판 필터에서 활성탄 첨가량이 최소 30 wt% 이상이 요구되며, 이 첨가량에서 용이한 취급을 위한 강도 유지를 위하여 목표밀도의 조절이 필요하다는 결론을 얻었다. Looking at the VOC reduction results of the COA-added fiberboard filter, in the case of TVOCs, it was the highest in the samples manufactured under the conditions of 200 kg/m 3 -30 wt%, and 250 kg/m 3 -40 wt%, 200 kg/m 3 -20 wt%, 150 kg/m 3 -20 wt% were measured in order. For 5VOC, 200 kg/m 3 -30 wt% and 250 kg/m 3 -40 wt% were the highest with the same reduction, followed by 200 kg/m 3 -20 wt% and 150 kg/m 3 It was measured in order of -20 wt%. From these results, it was concluded that at least 30 wt% of activated carbon is required in the fiberboard filter, and that the target density needs to be adjusted to maintain strength for easy handling at this amount.

마지막으로 여과필터의 제조비용 절감을 위하여 목섬유를 저가의 재생섬유로 대체하여 필터를 제조하였다. 이를 위하여 확보가 용이한 골판지 생산공정에서 발생하는 슬러지 (SW)를 이용하여 다양한 조건에서 제조하였으며, 취급이 가능한 강도 유지를 위하여 목표밀도 및 활성탄 첨가량을 각각 최소 350 kg/m3과 최대 20 wt%로 조절하는 것이 필요하였다. 이 필터의 TVOCs 및 5VOC 저감능은 목섬유로 제조한 필터와 비교하여 매우 낮았는데 이는 필터의 높은 목표밀도로 인한 통기성 저하, 활성탄으로 VOC 흡착능이 낮은 편백 수피 활성탄 (CBA)의 사용, CBA의 낮은 첨가량에서 기인한 결과라고 보여진다. Finally, in order to reduce the manufacturing cost of the filter, the filter was manufactured by replacing wood fiber with inexpensive regenerated fiber. To this end, it was manufactured under various conditions using sludge (SW) generated in the corrugated board production process, which is easy to secure. It was necessary to adjust with The TVOCs and 5VOC reduction ability of this filter was very low compared to the filter made of wood fiber. This was due to the low air permeability due to the high target density of the filter, the use of activated carbon of Cypress Bark (CBA) with low VOC adsorption capacity, and the low amount of CBA added. It appears to be a result of

1.8 섬유판 필터의 미세먼지 1.8 Fine dust in the fiberboard filter 저감능reduction

본 발명에서 제조된 섬유판 필터의 미세먼지 저감능을 측정한 결과, 본 발명에서 제조된 대부분의 활성탄-첨가 섬유판 및/또는 여과지로 구성된 필터 세트의 미세먼지 저감능은 석영필터보다 높았다. 특히 20 wt%의 COA 그리고 40 wt%의 CSA를 첨가하여 200 kg/m3으로 제조한 섬유판 필터의 미세먼지 저감능은 매우 우수한 것으로 측정되었다. 심지어 활성탄-미첨가 섬유판 필터 세트의 경우에도 높은 미세먼지 저감능을 나타내었다. 따라서 섬유판 필터의 미세먼지 저감능을 확인할 수 있었으나, 석영필터와 달리 섬유판 및 여과지의 경우 친수성의 천연 섬유로 대부분 구성된 관계로 대기 중에 존재하는 수분의 흡착이 미세먼지 저감능에 영향을 미칠 수 있을 것으로 생각하여 습도에 따른 섬유판 필터의 중량 변화율을 조사하였다. 습도가 20%에서 50%로 증가함에 따라 섬유판의 중량도 2 - 4% 증가하였으나, 습도가 20%로 다시 낮아짐에 따라 초기중량보다 0.5% 미만의 중량이 증가한 것으로 측정되었다. 이 결과와 함께 섬유판과 여과지에 대한 미세먼지 저감능 측정을 위하여 25 ℃ 및 20% 습도 조건의 항온항습실에서 24시간 보관한 후, 중량을 측정한 관계로 섬유판 필터 세트의 미세먼지 저감능에 수분흡착이 미치는 영향은 극히 제한적일 것으로 생각한다. As a result of measuring the fine dust reduction ability of the fiberboard filter prepared in the present invention, most of the activated carbon-added fiberboard and / or filter paper manufactured in the present invention had a higher fine dust reduction ability than the quartz filter. In particular, the fine dust reduction ability of the fiberboard filter prepared at 200 kg/m 3 by adding 20 wt% of COA and 40 wt% of CSA was measured to be very good. Even the activated carbon-free fiberboard filter set exhibited high fine dust reduction ability. Therefore, it was confirmed that the fine dust reduction ability of the fiberboard filter was confirmed, but unlike the quartz filter, in the case of fiberboard and filter paper, it was thought that the adsorption of moisture present in the air could affect the fine dust reduction ability because most of the fiberboard and filter paper were composed of hydrophilic natural fibers. The weight change rate of the fiberboard filter according to humidity was investigated. As the humidity increased from 20% to 50%, the weight of the fiberboard also increased by 2-4%, but as the humidity decreased again to 20%, it was measured that the weight increased by less than 0.5% from the initial weight. In addition to this result, in order to measure the fine dust reduction ability of the fiberboard and filter paper, it was stored in a constant temperature and humidity room at 25 ℃ and 20% humidity for 24 hours, and then the weight was measured. The impact is expected to be extremely limited.

한편, 각 섬유판 필터 세트의 미세먼지 저감능을 비교한 결과에 의하면, 본 발명자들에 의해 조사된 모든 섬유판의 제조조건에서 높은 미세먼지 저감능을 확인할 수 있었으며, 특히 30 wt%-200 kg/m3 및 40 wt%-250 kg/m3 COA-첨가 섬유판의 경우 매우 우수한 TVOCs 및 5VOC 저감능을 보유한 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에서 제안되는 섬유판 및 여과지로 구성된 필터 세트를 실내외용 미세먼지 여과를 위한 필터로 사용이 가능할 것으로 판단된다. On the other hand, according to the result of comparing the fine dust reduction ability of each fiberboard filter set, it was confirmed that the fine dust reduction ability was high under all the fiberboard manufacturing conditions investigated by the present inventors, and in particular, 30 wt%-200 kg/m In the case of 3 and 40 wt%-250 kg/m 3 COA-added fiberboard, it was found to have very good TVOCs and 5VOC reduction capabilities. Therefore, it is determined that the filter set composed of the fiberboard and the filter paper proposed in the present invention can be used as a filter for indoor and outdoor fine dust filtration.

본 발명은 대기 중에 존재하는 오염물질인 미세먼지, VOC, 중금속의 흡진/흡착을 위하여 목재수피로 제조한 활성탄-첨가 섬유판 필터 및 그의 제조기술에 관한 것이다. 다양한 실내외 공간에 노출시킨 활성탄의 경우, 대조구인 CSA, SAA를 비롯하여 COA, LBA-L, CBA-L에서 상당한 양의 금속성분이 검출되어 환기가 어려운 지하철 전동차 및 승강장과 같은 실내공간을 포함하여 실외에도 많은 금속성분이 존재할 것으로 예상된다. 또한 이 활성탄에서 많은 양의 TVOCs와 5VOC가 검출되어 필터 제조용 원료로 사용할 경우 일정 공간에 존재하는 VOC의 저감을 위한 역할을 충분히 수행할 것으로 생각한다. 이에 대한 탄소함량 분석을 통하여 활성탄의 중금속 및 VOC 흡착능을 확인할 수 있었다. 활성탄을 담체화한 여과필터 제조를 위하여 리그노셀룰로오스 섬유를 기질로 이용하여 섬유판을 제조하였는데 이를 위하여 인모, 돈모, 돈혈을 주성분으로 낙엽송 수피 열수추출물과 함께 제조한 단백질계 천연접착제는 적용 및 열압조건을 적절하게 조절할 경우 공급자 및 사용자 입장에서 전혀 문제가 발생하지 않을 것으로 생각한다. 다양한 구성으로 조제한 접착제를 적용하여 제조한 섬유판의 강도 및 접착제 제조비용을 고려하여 35 wt%의 HH-AK, 35 wt%의 PH-AK, 10 wt%의 PB-AC 및 20 wt%의 LB-HE로 조제한 접착제가 섬유판 필터 제조에 있어 가장 적합한 것으로 조사되었다. 한편 섬유판 제조에 있어 통기성 향상으로 위하여 일정한 간격과 직경의 통기구를 가질 수 있도록 spiked caul plates를 이용하여 제조하였는데 이를 통하여 충분한 통기성을 확보할 수 있었다. 한편 상기 접착제를 적용하여 제조한 타공 섬유판에서 8%의 함지율, 200과 250 kg/m3의 목표밀도, 그리고 20, 30, 40 wt%의 섬유판 내의 활성탄 함량이 최적 제조 조건으로 확인된다. 이 섬유판은 단백질계 천연접착제로 제조된 관계로 환경부의 친환경 보드등급과 HB 마크의 최우수등급 기준을 충족하였다. 이렇게 제조된 섬유판과 여과지로 구성된 섬유판 필터 세트의 VOC 저감능을 확인한 결과, 섬유판의 목표밀도-활성탄 첨가량을 250 kg/m3-40 wt%, 200 kg/m3-30 wt%, 200 kg/m3-20 wt%, 150 kg/m3-20 wt%로 조절하여 제조하는 것으로 결정하였다. 이 조건에서 COA, LBA-L, CBA-L과 함께 제조된 섬유판은 매우 우수한 TVOCs 및 5VOC 저감능을 가진 것으로 나타났다. 또한 이 섬유판 필터 세트에 대한 미세먼지 저감능 결과를 보면, 석영필터와 비교하여 매우 우수하였다. 특히 30 wt%-200 kg/m3 및 40 wt%-250 kg/m3 COA-첨가 섬유판은 우수한 TVOCs 및 5VOC 저감능을 보유한다. The present invention relates to an activated carbon-added fiberboard filter made of wood bark for absorption/adsorption of pollutants such as fine dust, VOC, and heavy metals in the air and a manufacturing technology thereof. In the case of activated carbon exposed to various indoor and outdoor spaces, significant amounts of metal components were detected in COA, LBA-L, and CBA-L as well as control groups CSA and SAA, including indoor spaces such as subway trains and platforms where ventilation is difficult. It is expected that many metal components will also be present in In addition, a large amount of TVOCs and 5VOCs were detected in this activated carbon, and when used as a raw material for filter manufacturing, it is thought that it will sufficiently play a role in reducing VOCs present in a certain space. Through the carbon content analysis, it was possible to confirm the adsorption capacity of heavy metals and VOCs of the activated carbon. To manufacture a filter using activated carbon as a carrier, a fiberboard was manufactured using lignocellulosic fibers as a substrate. If it is appropriately adjusted, it is thought that there will be no problem at all from the viewpoint of the supplier and the user. 35 wt% of HH-AK, 35 wt% of PH-AK, 10 wt% of PB-AC, and 20 wt% of LB- Adhesives formulated with HE were found to be most suitable for fabricating fiberboard filters. On the other hand, in order to improve air permeability in the manufacture of fiberboard, it was manufactured using spiked caul plates to have vents of constant spacing and diameter, through which sufficient air permeability could be secured. On the other hand, in the perforated fiberboard manufactured by applying the adhesive, a paper content of 8%, a target density of 200 and 250 kg/m 3 , and an activated carbon content in the fiberboard of 20, 30, and 40 wt% were confirmed as optimal manufacturing conditions. Since this fiberboard is manufactured with protein-based natural adhesive, it has met the highest standard of eco-friendly board grade and HB mark of the Ministry of Environment. As a result of confirming the VOC reduction ability of the fiberboard filter set composed of the fiberboard and the filter paper manufactured in this way, the target density of the fiberboard - the amount of activated carbon added was 250 kg/m 3 -40 wt%, 200 kg/m 3 -30 wt%, 200 kg/m 3 m 3 -20 wt%, 150 kg / m 3 It was determined to be prepared by adjusting to -20 wt%. In this condition, the fiberboards prepared with COA, LBA-L and CBA-L showed very good TVOCs and 5VOC reduction ability. Also, when looking at the fine dust reduction results for this fiberboard filter set, it was very excellent compared to the quartz filter. In particular, the 30 wt%-200 kg/m 3 and 40 wt%-250 kg/m 3 COA-added fiberboards have excellent TVOCs and 5VOC reducing abilities.

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12(3): 253-257.Thevenon, M., Tondi, G., Pizzi, A. 2010. Environmentally friendly wood preservative system based on polymerized tannin resin-boric acid for outdoor application, Maderas. Ciencia and tecnolog
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Claims (7)

목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터로서, 상층, 중층 및 하층의 3층 구조체로 형성되고, 상층 및 하층에는 목섬유만을 포함하고, 중층에는 목섬유 및 활성탄이 무작위로 혼합되는 혼합체를 포함하되, 상기 혼합체는 목섬유 및 활성탄을, 인모, 돈모 및 돈혈에서 선택되는 천연원료의 가수분해물 및 낙엽송 열수 추출물을 포함하는 천연접착제를 이용하여 혼합되는, 미세먼지, 휘발성 유기화합물, 중금속의 흡진 및 흡착용 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터.A fiberboard filter containing wood bark activated carbon, formed of a three-layer structure of an upper layer, a middle layer, and a lower layer, wherein the upper and lower layers contain only wood fibers, and the middle layer includes a mixture in which wood fibers and activated carbon are randomly mixed, wherein the mixture includes wood fibers and A fiberboard filter containing activated carbon of wood bark for absorption and adsorption of fine dust, volatile organic compounds and heavy metals, mixed with activated carbon using hydrolyzates of natural raw materials selected from human hair, pig hair and pig blood, and natural adhesives including larch hot water extract . 제1항에 있어서, 상기 상층, 중층 및 하층을 관통하는 다수의 통기구가 구비되는, 섬유판 필터.The fiberboard filter according to claim 1, wherein a plurality of vents are provided through the upper, middle and lower layers. 제1항에 있어서, 상기 활성탄의 중량비는 필터 기준으로 20중량% ~ 40중량%인, 섬유판 필터.The fiberboard filter according to claim 1, wherein the weight ratio of the activated carbon is 20% to 40% by weight based on the filter. 제1항에 있어서, 상기 필터의 밀도는 150kg/m3 내지 250kg/m3인, 섬유판 필터.The fiberboard filter according to claim 1, wherein the filter has a density of 150 kg/m 3 to 250 kg/m 3 . 삭제delete 제1항의 섬유판 필터가 제2항의 섬유판 필터 2장 사이에 개제되는 섬유판 필터 조립체.A fiberboard filter assembly in which the fiberboard filter of claim 1 is sandwiched between two sheets of the fiberboard filter of claim 2. 제2항의 섬유판 필터가 중첩되되, 바닥면에 필터지가 부착되는 섬유판 필터 조립체.A fiberboard filter assembly in which the fiberboard filter of claim 2 is overlapped and the filter paper is attached to the bottom surface.
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