KR102603535B1 - 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents
휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 표면개질되어 산소를 1 ∼ 10 중량% 포함하고, 구형화도가 80% 이상인 표면 개질된 구형 활성탄소를 포함하는 것을 특징으로 하여, 휘발성 유기화합물 제거효율 및 강도를 향상시킨다.
Description
본 발명은 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터에 관한 것으로서, 활성탄소의 높은 구형화도 및 산소함량 조절을 통하여, 강도 및 휘발성 유기화합물에 대한 정수성능을 향상시킨다.
물은 일반적으로 그 용도에 따라 식수, 농업용수, 공업용수 등으로 나누며, 다양한 용도에 맞춰 지하수나 강물 등을 정수하여 사용한다. 특히, 식수는 강물이나 지하수를 여과 및 살균 등의 다단계로 이루어지는 정수과정을 통하여 만들어져 공급되며, 상기 정수과정에서는 물에 함유된 각종 이물질을 흡착 및 제거하기 위하여 활성탄소를 사용한다.
일반적으로 활성탄소는 정수기내 필터에 분말 형태로 충진되어, 공급되는 물로부터 각종 이물질을 흡착하여 제거한다. 이러한 활성탄소 필터의 경우 구성이 간단하여 경제적이라는 이점이 있으나, 정수 과정에서 활성탄소의 미분진이 발생되어 정수된 물과 함께 배출되거나 또는 탄분으로 정수기 필터를 검게 오염시킬 우려가 있다.
이에 정수기 필터의 일 예로서 정수기내 필터에 활성탄소를 충진하되, 상기 활성탄소부와 연결되는 배출부에 미분진 흡착부를 더 포함하여, 미분진 유출을 방지하거나 또는 한국 등록특허 제10-1844686호(특허문헌 0001)와 같이 활성탄소 필터에 바인더를 결합시켜, 활성탄소 블록필터로 제조함으로써, 활성탄소의 미분진이 발생을 방지한다. 그러나, 이러한 방법은 비경제적이고 상기 바인더의 경우, 정수과정에서 마모 및 탈리되어 미세플라스틱으로 정수된 물과 함께 배출될 수 있어 건강상 문제를 일으킬 수 있으며, 여전히 미분진 발생의 문제가 남아있어, 활성탄소의 압출강도, 내마모성을 향상시켜 근본적으로 활성탄소의 비산을 방지할 필요가 있다.
또한, 산업발전과 함께 화학물질 사용량이 증가됨에 따라 산업폐수 및 생활하수로 배출되는 유해한 휘발성 유기화합물(Volatility Organic Compound;VOC)이 증가되고 있고, 상기 VOCs는 정수의 처리과정을 거친 후에도 방류수중에 잔류하여 환경수계로 유입되어 지하수, 하천수에 잔류함으로써, 환경호르몬, 생태계 교란, 인체에 암을 유발하거나 독성을 나타내어 환경생태계 전반에 악영향을 미치고 있어, 휘발성 유기화합물에 대한 정수가 요구된다.
그러나, 활성탄소는 넓은 표면적을 사용한 물리적 흡착작용만을 나타내므로, 휘발성 유기화합물을 흡착 및 제거하는데 한계가 있어 물리적인 제조방법의 개량 보다는 흡착질의 화학 흡착이 가능하도록 특수한 물질을 첨착하거나 표면을 개질하여 흡착능을 향상시킬 필요가 있다.
미국 등록특허 제9102551호(특허문헌 0002)는 음료수 내 중금속 및 휘발성 부산물 제거용 매체에 관한 것으로서, 수질 정화 매체로 적어도 부분적으로 비정질 티타노실리케이트로 코팅된 활성탄을 포함하여, 총트리할로메탄(휘발성 유기화합물)을 제거할 수 있음을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 0002의 경우, 코팅된 비정질 티타노실리케이트의 탈리로 인한 미분진 문제가 발생될 우려가 있다.
한국 등록특허 제10-2235450호(특허문헌 0003)은 유무기 복합체 및 이를 포함하는 수처리 필터에 관한 것으로서, 구상의 산화 탄소 나노 입자를 포함한 유무기 복합체를 수처리 필터로서 적용할 수 있음을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 0003의 경우, 구상의 산화 탄소 나노 입자는 충분한 압력을 갖지 않음에 따라 그 자체만으로는 수처리 과정에서 마모되어 수중에 탄소 나노 입자가 흩어질 위험이 있어, 고분자 매트릭스에 분산된 형태로 유무기 복합체를 형성하여 수처리 필터에 충전된다. 또한, 수처리 필터로서 적용될 수는 있으나 휘발성 유기화합물 제거에 대해서는 개시하고 있지 않다.
따라서, 본 발명은 활성탄소를 수처리 필터로 사용하되, 상기 활성탄소의 형태를 조절하고 표면을 개질하여 활성탄소만으로도 휘발성 유기화합물을 안전하게 제거할 수 있도록 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터를 제공하고자 한다.
본 발명은 종래 활성탄소 필터의 비산 및 흡착의 한계성을 보완하기 위하여, 활성탄소의 형태를 80 % 이상의 구형으로 조절하고, 표면을 개질하여 산소 관능기를 갖도록 함으로써, 활성탄소만으로도 충분한 압축강도를 나타내어 정수과정에서 비산되지 않고, 휘발성 유기화합물 또한 효과적으로 흡착 및 제거할 수 있도록 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터의 제조방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 측면으로 표면개질되어 산소를 1 ∼ 10 중량% 포함하고, 구형화도가 80% 이상인 표면 개질된 구형 활성탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터를 제공한다.
일 실시예로, 상기 구형 활성탄소는 탄소를 85 ~ 95 중량% 포함할 수 있고, 압축강도가 8 N 이상일 수 있으며, BET 비표면적이 1000 ~ 2000 m2/g일 수 있다.
또한, 본 발명은 다른 일 측면으로, 80% 이상의 구형화도를 갖는 구형의 활성탄소를 제조하는 단계; 상기 구형의 활성탄소를 질소가스 분위기에서 산소를 1 ~ 10 부피% 포함하여, 300 ~ 600 ℃에서 30 ~ 120분간 유지시켜, 표면을 개질하는 단계; 및 상기 표면 개질된 구형 활성탄소를 정수용 카본필터로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 수처리 필터는 활성탄소만으로도 충분한 압축강도를 가져, 정수과정에서 비산되지 않고, 균일한 입자 형상을 가짐에 따라 필터에 균일하게 충전될 수 있어 유입수가 고르게 필터 소재층을 통과하도록 한다.
또한, 표면개질을 통해 형성된 산소관능기에 의해 휘발성 유기화합물을 효과적으로 흡착 및 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구형 활성탄소 산화조건에 따른 산소 및 탄소 함량변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 활성탄소의 산소함량별 필터의 휘발성 유기화합물 흡착성능을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 활성탄소의 산소함량별 필터의 휘발성 유기화합물 흡착성능을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 포함한 발명의 구성을 상세히 설명한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
다른 식으로 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 일 측면으로, 표면개질되어 산소를 1 ∼ 10 중량% 포함하고, 구형화도가 80% 이상인 표면 개질된 구형 활성탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터를 제공한다.
활성탄소는 분말상으로 사용될 경우 정수과정에서 정수된 물과 함께 활성탄소의 분진이 함께 배출될 우려가 있고, 입자상으로 사용될 경우에는 정수과정에서 입자상이 마모됨에 따라 부스러져 분말상의 활성탄소와 같이 분진을 발생시켜, 정수된 물과 함께 배출될 우려가 있다.
이에, 본 발명은 카본필터가 구형화도가 80% 이상인 구형 활성탄소를 포함하여 이루어지도록 한다. 상기 활성탄소의 구형화도가 80% 이상일 경우에는 구형 활성탄소가 필터 내에 균일하게 충전될 수 있고 유입수가 필터 소재 층으로 고르게 통과할 수 있어 휘발성 유기화합물의 제거성능이 유지 또는 향상될 수 있고, 압축강도, 내마모성이 향상되어 정수과정에서 마찰에 의해 발생되는 활성탄소의 마모가 억제되어, 활성탄소 분진 방지를 위한 바인더 또는 별도의 흡착제가 필요하지 않다.
반면에, 카본필터가 구형 활성탄소로 이루어지되, 80% 미만의 구형화도를 가질 경우, 입자의 균일성 감소로 필터에 충전할 시, 충전재로서의 조밀성이 감소되어 차압 및 다량의 공극에 의한 유입수의 채널링 현상이 발생되어, 정수성능이 감소되고, 더욱이 구형화도가 낮아 입자의 균일성 향상이 충분하지 않음에 따라 낮은 압축강도 및 내마모성을 갖게 되어 정수과정에서의 마찰에 의한 활성탄소의 마모 및 이에 따른 분진 발생 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 상기 구형 활성탄소의 구형화도는 80% 이상, 바람직하게는 90 % 이상이다.
또한, 상기 구형화도가 80% 이상인 구형의 활성탄소는 100 ~ 600 ㎛의 입도 범위를 갖는다. 상기 입도범위를 갖는 경우, 활성탄소의 조밀성이 증가되어 필터로서 적용할 시, 정수 성능이 향상된다.
본 발명의 카본필터는 정수과정에서 휘발성 유기화합물에 대한 충분한 제거성능 나타내기 위하여, 표면개질되어 산소를 1 ~ 10 중량%로 포함한다.
상기 구형 활성탄소가 산소를 1 중량% 미만으로 포함할 경우에는 구형 활성탄소 표면의 산소 관능기가 충분히 분포되지 않아, 산소 관능기에 의한 휘발성 유기화합물 제거 효과를 기대할 수 없고, 10 중량%를 초과할 경우에는 산소함량 증가에 따라 탄소함량이 감소되어 오히려 활성탄소 자체의 흡착성능이 저하되어 휘발성 유기화합물 제거효과가 감소되기 때문이다.
상기 산소의 함량에 구형 활성탄소의 탄소의 함량은 85 ~ 95 중량%으로 조절될 수 있고, 상기 탄소 함량을 가질 때, 활성탄소 자체의 흡착성과 함께 산소 관능기에 의한 휘발성 유기화합물에 대한 효과적인 흡착 효과를 나타낼 수 있으며, 이러한 구형 활성탄소의 산소 및 탄소 함량범위는 활성탄소의 표면개질 조건에 의해 조절될 수 있다.
이러한, 상기 구형 활성탄소는 BET 비표면적이 1000 ~ 2000 m2/g이다. 이는 1000 m2/g 미만인 경우, 유입수와 접촉할 수 있는 표면적이 좁아 충분한 정수 성능을 나타낼 수 없고, 2000 m2/g를 초과하는 경우에는 구형 활성탄소의 압축강도가 낮아져 수압에 의한 파손이 발생될 수 있기 때문이다.
따라서, 상기 구형 활성탄소는 BET 비표면적이 1000 ~ 2000 m2/g, 바람직하게는 1,000 ~ 1,600 m2/g이다.
또한, 상기 산화된 구형 활성탄소는 압축강도가 8 N이상이다. 압축강도가 8N 이상일 경우에는 필터제작 후 사용 시 수압에 의한 파손이 쉽게 일어나지 않으며, 내마모도 또한 향상되는 장점들이 있다. 반면, 8N 미만일 경우에는 정수 과정에서 마찰에 의해 활성탄소의 구형이 파손되어 분진이 발생될 수 있고, 더불어 이로 인한 채널링 현상으로 인해 성능이 저하될 수 있다.
이러한 본 발명의 산화된 구형 활성탄소를 포함하는 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터는 정수기의 기준·규격 및 검사기관 지정고시(환경부고시 제2021-157호, 2021.08.03.)의 항목별 기준 농도 및 제거율을 만족한다.
본 발명은, 80% 이상의 구형화도를 갖는 구형의 활성탄소를 제조하는 단계; 상기 구형의 활성탄소를 질소가스 분위기에서 산소를 1 ~ 10 부피% 포함하여, 300 ~ 600 ℃에서 30 ~ 120분간 유지시켜, 표면을 개질하는 단계; 및 상기 표면 개질된 구형 활성탄소를 정수용 카본필터로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터의 제조방법을 제공한다.
먼저, 80% 이상의 구형화도를 갖는 구형의 활성탄소를 제조하는 단계는 활성탄소가 구형을 갖되 구형화도를 80% 이상으로 조절하는 단계로 상기 구형화도를 80% 이상으로 최적화하는 한 그 제조방법이 제한되지 않으나, 일 예로, 퍼퓨릴 알코올, 가교제, 물 및 촉매로 이루어진 반응물에 보호콜로이드를 첨가하여 승온 및 경화하여, 구형 퓨란수지를 제조하는 제 1 단계; 상기 구형 퓨란수지를 탄화한 후, 활성화하여, 구형 활성탄소를 제조하는 제 2 단계를 포함하여 제조할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제 1 단계는 퍼퓨릴 알코올, 가교제, 물 및 촉매로 이루어진 반응물에 보호콜로이드를 첨가하여 승온 및 경화함으로써, 구형 퓨란수지를 제조하는 단계로, 상세하게는 상기 반응물을 1차 승온한 후, 보호콜로이드를 첨가하여 2차 승온함으로써 경화하여 구형 퓨란수지를 제조한다.
상기 반응물은 퍼퓨릴 알코올 100중량부와, 상기 퍼퓨릴 알코올 100중량부 기준으로 가교제 80 내지 130 중량부, 물 100 내지 300중량부 및 촉매 1 내지 4중량부로 이루어진다.
상기 반응물에 있어서, 가교제가 퍼퓨릴 알코올 100중량부 기준으로 80 내지 130 중량부로 포함되는 것은, 80 중량부 미만으로 포함될 경우에는 구형퓨란수지의 표면이 고르지 않아 마모가 발생할 수 있으며, 130 중량부를 초과할 경우에는 구형활성탄소의 압축강도가 낮아지는 문제가 있기 때문이다.
상기 반응물에 있어서, 물이 퍼퓨릴 알코올 100중량부 기준으로 100 내지 300중량부로 포함되는 것은 물의 함량이 100 중량부 미만으로 포함될 경우에는, 반응물이 난형 또는 덩어리로 형성되고, 300 중량부를 초과할 시에는 반응시간이 길어져 합성에 부적합하기 때문이다.
또한, 상기 반응물에 있어서 산 촉매는 퍼퓨릴 알코올 및 물이 혼합된 반응물의 pH를 1 내지 5, 바람직하게는 pH를 2 내지 3으로 조절하여 반응성을 제어하기 위하여 투입되는 것으로서, 퍼퓨릴 알코올 100 중량부에 1 ~ 4 중량부로 투입된다. 이는, 상기 산 촉매가 1 중량부 미만으로 포함될 시에는 반응이 진행되지 않거나 경화가 이루어지지 않으며, 4 중량부를 초과하여 투입될 시에는, 반응이 급격하게 진행되어 입자가 덩어리로 형성되거나 원하는 입자상을 얻기 어렵기 때문이다.
상기 산 촉매는 특정 물질로 제한되지 않으나, 황산, 염산, 질산, 아인산, 인산 등의 무기산이나, 데실벤젠술폰산, 도데실벤젠술폰산, 락트산, 말레산, 말론산, 말산, 메탄술폰산, 벤젠술폰산, 벤조산, 살리실산, 술파닐산, 시트르산, 아세트산, 아스코르브산, 옥살산, 옥타데실벤젠술폰산, 타르타르산, 테트라데실벤젠술폰산, 트리플루오로아세트산, 파라톨루엔술폰산, 페놀술폰산, 푸마르산, 프로피온산, 피루브산 및 헥사데실벤젠술폰산 중 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 바람직하게는 도데실벤젠술폰산인 것을 특징으로 한다.
이러한 상기 반응물은 50 ~ 100℃에서 1차 승온된다. 이는 반응물의 온도가 50℃ 미만일 경우에는 반응시간이 길어지거나 반응이 진행되지 않으며, 100℃를 초과할 경우에는 생성된 입자의 크기가 제어되지 않아 덩어리가 생성되기 때문이다.
상기 1차 승온 후에는 상기 반응물에 보호콜로이드를 투입하고, 1차 승온보다 높은 온도로 2차 승온하여 경화함으로써, 구형 퓨란수지를 제조한다.
상기 보호콜로이드는 입자의 분산 과정에서 표면에 작용하여 응집을 지연시키기 위하여 투입된 것으로, 퍼퓨릴 알코올 100 중량부에 대해 0.01 내지 0.3 중량부로 투입되는데, 이는 상기 보호콜로이드가 0.01 중량부 미만으로 투입될 시에는 반응시간이 길어지거나 구형의 입자가 형성되지 않으며, 0.3 중량부를 초과하여 투입될 시에는 입자가 작게 형성되거나 분말형태로 제조되기 때문이며, 상기 보호콜로이드는 메틸셀룰로오스, 부분 가수분해 폴리비닐알코올, 아라비아검 및 하이드록시에틸셀룰로오스로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 아라비아검일 수 있다.
상기 2차 승온은 60 내지 120 ℃에서 이루어지며, 이는, 상기 2차 승온 온도가 60 ℃미만일 경우, 경화시간이 길어지거나 경화가 진행되지 않아 원하는 입자상을 얻을 수 없고, 120 ℃를 초과할 경우에는 퓨란수지가 용융되어 난형입자 혹은 덩어리가 생성되기 때문으로, 바람직하게는 80 내지 100 ℃이다.
또한, 상기 1차 및 2차 승온 시 교반은 150 내지 300 rpm, 바람직하게는 200 내지 300 rpm으로 이뤄짐에 따라, 80% 이상의 구형화와 고압축강도를 갖는 구형 퓨란수지를 제조할 수 있다.
상기 2차 승온으로 경화된 구형 퓨란수지는 냉각된 후 세척 및 건조되며, 상기 냉각, 세척 및 건조는 종래 알려진 방법에 의해 실시될 수 있어, 한정되지 않는다.
본 발명에 있어서, 제 2 단계는 상기 구형 퓨란수지를 탄화한 후, 활성화하여, 구형 활성탄소를 제조하는 단계로, 종래 알려진 탄화 및 활성화 방법에 의해 구형 활성탄소를 제조할 수 있어, 탄화 및 활성화 방법은 한정되지 않으나, 바람직하게는 상기 제조된 구형 퓨란수지를 400 내지 600 ℃에서 1 내지 2시간 동안 탄화한 후, 800 내지 1000 ℃ 에서 20분 내지 70분간 수증기로 활성화하여 제조할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 있어서 상기 구형의 활성탄소의 표면을 개질하는 단계는, 상기 구형의 활성탄소를 질소가스 분위기에서 산소를 1 ~ 10 부피% 포함하여, 300 ~ 600 ℃에서 30 ~ 120분간 유지시켜, 표면을 개질한다.
이때, 온도가 300 ℃ 미만인 경우, 구형 활성탄소 표면에서 반응이 잘 진행되지 않아, 산소 함량을 조절하기 어렵고, 600 ℃ 초과하는 경우 열효율 저하 및 구형 활성탄소의 수축이 일어나는 것이 용이하기 때문으로, 바람직하게는 400 ~ 500 ℃이며, 상기 온도에서 30 ~ 120 분간 반응이 유지된다. 이는 30분 미만으로 반응이 유지될 경우, 활성탄소에 대한 불충분한 표면개질로 산소를 1% 미만으로 포함하게 되어 휘발성 유기화합물에 대한 정화성능이 감소될 수 있으며, 120 분을 초과하는 경우, 과도한 반응으로 산소함량이 증가됨에 따라 탄소함량이 감소되어 활성탄소 자체의 정화성능이 감소될 수 있기 때문이다.
다음으로, 본 발명은 상기 표면 개질된 구형 활성탄소를 정수용 카본필터로 제조한다. 본 발명의 경우, 상기 표면 개질된 구형 활성탄소가 충분한 압력강도를 가짐에 따라 바인더를 포함한 별도의 첨가물 없이 활성탄소만으로 제조될 수 있어 경제적일 뿐만 아니라 정수과정에서의 분진발생 위험을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 카본필터는 80% 이상의 구형상과 표면개질에 의한 산소관능기를 가짐에 따라 필터에 균일하게 충전되어 유입수가 고르게 필터 소재 층을 통과할 수 있도록 하고, 흡착성능 향상으로 휘발성 유기화합물에 대한 충분한 정수성능을 갖는다.
이하, 본 발명을 실시예로서 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
1. 산소함량이 제어된 구형탄소 제조
제조예 1 내지 제조예 4
구형화도가 80% 이상이며, 입도 범위가 100 내지 600 ㎛인 구형의 활성탄소를 로터리킬른에 충전하여 표면개질 반응을 실시하였다.
상기 구형 활성탄소의 산화는 질소(N2) 분위기에서 산소(O2)를 5 부피%로 제어한 후 470 ℃에서 30 ~ 120분(유지시간) 유지하여 실시되었으며, 상기 유지시간에 따라 제조예 1 내지 4로 하였다.
비교 제조예 1
상기 제조예 1과 동일한 구형 활성탄소를 사용하되, 표면개질을 진행하지 않았다.
비교 제조예 2
상기 구형 활성탄소 개질시 유지시간을 10 분으로 한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 구형 활성탄소를 표면개질하였다.
비교 제조예 3
상기 구형 활성탄소 개질시 유지시간을 150 분으로 한 것을 제외하고는 상기 제조예 1과 동일한 방법으로 구형 활성탄소를 표면개질하였다.
2. 구형탄소 원소분석
하기 표 1 및 도 1은 상기 제조예 1 ~ 4와 비교 제조예 1 ~ 3을 원소분석(Elemental Analysis)하여 제조예 각각에 대한 산소함량 및 탄소함량을 나타낸 것이다.
| 제조예1 | 제조예2 | 제조예3 | 제조예4 | 비교 제조예1 |
비교 제조예2 |
비교 제조예3 |
||
| 산화조건 | 산화온도 (℃) |
470 | 470 | 470 | 470 | 미처리 | 470 | 470 |
| 승온속도 (℃/min) |
10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | ||
| 유지시간 (min) |
30 | 60 | 90 | 120 | 10 | 150 | ||
| 산소함량(wt%) | 1.73 | 3.76 | 6.83 | 9.65 | 0.32 | 0.75 | 12.21 | |
| 탄소함량(wt%) | 94.81 | 92.83 | 90.20 | 87.66 | 96.72 | 96.13 | 81.27 | |
상기 표 1 및 도 1로부터, 표면 개질시 유지시간에 따라 구형의 활성탄소 표면의 산소 관능기의 함량 및 이에 따른 탄소함량이 변화됨을 확인할 수 있다.
3. 휘발성 유기화합물 흡착성능 평가
(1) 필터제조
상기 제조된 제조예 1 ~ 4와 비교 제조예 1 ~ 3의 구형 활성탄소를 이용하여 하기 방법에 따라 정수용 카본필터를 제작하였다.
<정수용 카본필터제조>
필터케이스에 구형 활성탄소 45 g을 채운 후 50 회 이상 바닥면에 두드려 준다. 그 후 원료의 높이 변화가 없으면 45 g을 추가로 첨가하여 반복 후 총 90 g의 원료를 채운 상태로 밀봉한다.
(2) 휘발성 유기화합물 제거실험
상기 제조된 정수용 카본필터를 이용하여, 하기 방법에 따라 휘발성 유기화합물 제거실험을 진행하였다.
<휘발성 유기화합물 제거실험>
증류수에 각각의 휘발성 유기화합물을 유입수 기준농도에 맞게 주입하여 유입수를 제조한 후, 상기 유입수 농도를 측정하였다. 정수필터 시험장치에 필터를 고정한 후 유입수를 1 kgf/cm2의 압력하에서 100 L를 통수하였다. 100L 통수 직후 배출수를 채취하여 유입수 농도와 비교하여 제거율을 확인하였다.
이때, 유입수 및 배출수의 농도는 먹는물 수질공정시험기준(휘발성 유기화합물-퍼지·트랩-기체크로마토그래피 ES 05601.2C)으로 분석하였으며, 항목별 기준 농도 및 제거율은 정수기의 기준·규격 및 검사기관 지정고시(환경부고시 제2021-157호, 2021.08.03.)을 참고하여 진행하였다.
하기 표 2는 휘발성 유기화합물 각 항목별 제거율 기준을 나타내고, 하기 표 3 및 도 2는 상기 방법에 따라 실시된 휘발성 유기화합물 제거율 실험 결과를 나타낸다.
| 크실렌 | 톨루엔 | 총트리할로메탄 | 디클로로메탄 | 벤젠 | 에틸벤젠 | |
| 항목별 제거율 기준 (%) | 80 | 80 | 90 | 90 | 90 | 90 |
| 필터 | 구형탄소 | 휘발성 유기화합물 제거율(%) | |||||||
| 크실렌 | 톨루엔 | 총트리할로메탄 | 디클로로메탄 | 벤젠 | 에틸벤젠 | ||||
| 비교예1 | 비교 제조예1 |
산소함량 (중량 %) |
0.32 | 60 | 82 | 63 | 70 | 65 | 60 |
| 비교예2 | 비교 제조예2 |
산소함량 (중량 %) |
0.75 | 71 | 85 | 73 | 73 | 71 | 65 |
| 비교예3 | 비교 제조예3 |
산소함량 (중량 %) |
12.21 | 88 | 89 | 86 | 87 | 91 | 86 |
| 실시예1 | 제조예1 | 산소함량 (중량 %) |
1.73 | 83 | 88 | 90 | 91 | 92 | 94 |
| 실시예2 | 제조예2 | 산소함량 (중량 %) |
3.76 | 85 | 90 | 92 | 94 | 94 | 96 |
| 실시예3 | 제조예3 | 산소함량 (중량 %) |
6.83 | 100 | 97 | 100 | 100 | 98 | 100 |
| 실시예4 | 제조예4 | 산소함량 (중량 %) |
9.65 | 100 | 100 | 100 | 99 | 99 | 100 |
상기 표 2 및 3, 그리고 도 2를 통해, 구형 활성탄소의 산소함량이 약 1 내지 10 중량%인 경우, 휘발성 유기화합물의 흡착성능이 우수하여, 휘발성 유기화합물 제거율 기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
반면, 구형의 활성탄소의 산소함량이 1 중량% 미만이거나 또는 10 중량%를 초과한 경우에는 휘발성 유기화합물 흡착성능이 감소되어, 휘발성 유기화합물 제거율 기준에 미달하였다. 이는, 구형의 활성탄소 산화가 1 중량% 미만으로 이루어질 경우, 산소함량을 갖는 관능기 부족으로 휘발성 유기화합물 흡착성능이 감소되고, 반대로 구형의 활성탄소 산화가 과도하게 실시될 경우(산소함량 10 중량% 초과)에는 구형의 활성탄소 내의 탄소함량이 감소되어 휘발성 유기화합물 흡착성능이 감소되기 때문이다.
상기 결과로부터, 구형의 활성탄소의 관능기 제어(산소함량)를 통한 휘발성 유기화합물 제거성능 향상을 위해서는, 구형 활성탄소 표면 개질 조건 최적화가 요구됨을 알 수 있다.
4. 구형화도에 따른 산소 함유 구형탄소의 휘발성 유기화합물 흡착성능 평가
구형화도에 따른 휘발성 유기화합물 제거성능을 측정하기 위하여, 구형화도가 상이한 구형의 활성탄소를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 필터를 제조하여 톨루엔 제거율을 측정하였다. 이때, 구형화도는 하기 방법에 따라 측정되었다.
구형화도 측정방법: 단축길이(a) / 장축길이(b) × 100(%)
하기 표 4는 구형탄소의 구형화도에 따른 톨루엔 제거율을 측정하여 나타낸 것이다.
| 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 6 | 비교예 4 | 비교예 5 | 비교예 6 | |
| 산소 함량 | 9.65 | 9.43 | 9.55 | 9.67 | 9.72 | 9.57 |
| 구형화도 (%) | 99 | 90 | 82 | 52 | 64 | 76 |
| 톨루엔 제거율 (%) (제거율기준 80%이상) |
100 | 95 | 86 | 23 | 53 | 71 |
상기 표 4로부터, 동일한 수준의 산소함량을 가지는 구형 활성탄소라도, 구형화도에 따라 휘발성 유기화합물의 제거성능이 달라지는 것을 알 수 있다.
즉, 비교예 4 ~ 6과 같이 구형화도가 낮을 경우 입자의 균일성 감소로 인하여 필터에 충전하였을 때, 공극이 다량 형성되어 유입수의 채널링 현상이 발생되는 반면, 실시예 4 ~ 6과 같이 구형화도가 높을 경우 필터 내부에 구형탄소가 균일하게 충전되어 유입수가 고르게 필터소재 층을 통과할 수 있으므로 우수한 휘발성 유기화합물 제거성능을 나타낼 수 있다.
5. 구형화도에 따른 산소 함유 구형탄소의 압축강도 평가
구형화도에 따른 활성탄소의 압축강도를 알아보기 위하여, 상기 표 4의 실시예 4 ~ 6과 비교예 4 ~ 6에 대하여 하기 방법으로 압축강도를 측정하고 그 결과를 표 5에 나타내었다.
<압축강도 측정방법>
압축강도 측정기 (ASM 1000, DIGITECH 사) 를 이용하여 1 mm/min의 속도로 구형 활성탄소에 압력을 가한다.
구형 활성탄소가 파손되는 시점까지 지시되는 최대값을 기록한다.
상기와 같은 방법으로 총 22회 측정하여 하한값, 상한값을 제한 후 평균값을 압축강도로 한다.
| 실시예 4 | 실시예 5 | 실시예 6 | 비교예 4 | 비교예 5 | 비교예 6 | |
| 산소 함량 | 9.65 | 9.43 | 9.55 | 9.67 | 9.72 | 9.57 |
| 구형화도 (%) | 99 | 90 | 82 | 52 | 64 | 76 |
| 압축강도(N) | 12.2 | 10.7 | 8.6 | 4.0 | 5.8 | 7.3 |
표 5의 결과로부터, 산소함량이 1~ 10 중량%로 동일하더라도 구형화도에 따라 압축강도가 상이하며, 구형화도가 80% 이상인 경우(실시예 4 ~ 6)에 8N 이상의 충분한 압축강도를 나타냄을 확인할 수 있다.
Claims (5)
- 산화에 의해 표면개질되어 산소를 2 ∼ 10 중량% 포함하고, 구형화도가 80% 이상인 표면 개질된 구형 활성탄소를 포함하고,
상기 구형 활성탄소의 압축강도는 8 N 이상인 것을 특징으로 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 구형 활성탄소는 탄소를 85 ~ 95 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 구형 활성탄소는 BET 비표면적이 1000 ~ 2000 m2/g인 것을 특징으로 하는, 휘발성 유기 화합물 제거용 수처리 필터.
- 80% 이상의 구형화도를 갖는 구형의 활성탄소를 제조하는 단계;
상기 구형의 활성탄소를 질소가스 분위기에서 산소를 1 ~ 10 부피% 포함하여, 300 ~ 600 ℃에서 30 ~ 120 분간 유지시켜, 표면을 개질하는 단계; 및
상기 표면 개질된 구형 활성탄소를 정수용 카본필터로 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 휘발성 유기화합물 제거용 수처리 필터의 제조방법.
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2022
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