KR20010075329A - 활성탄 여과기 - Google Patents

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엘러즈옌스
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아울미히 게., 렌트파이 테.
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Abstract

본 발명은 활성탄 여과기 제조용 결합제로서 사용되는 신규한 중합체에 관한 것이다. 본 발명의 중합체는 용융 유량(MFR 190/15)이 1.2 내지 10g/10분이고 다분산도(Mw/Mn)가 3 내지 30이고 벌크 밀도가 0.05 내지 0.5g/cm3이고 입자 크기가 5 내지 300㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체이다.

Description

활성탄 여과기{Activated carbon filter}
본 발명은 활성탄 여과기 제조용 결합제로서의 신규한 중합체에 관한 것이다.
액체 또는 기체 정제용 정제 여과기가 공지되어 있다. 이러한 여과기의 특정 그룹에서, 활성탄와 같은 흡착 물질 입자의 헐거운 층(bed)이 입자들을 가두는 2개의 다공성 벽 사이에 위치한다[참조: DE-A 제32 04 022호]. 입상 물질 내에는 점착성이 없기 때문에, 유동 및 여과기 사용 시간을 제어하기 어렵다. 여액의 유동 및 파쇄의 결과로서, 다양한 입자 크기 분획의 재배치, 세척에 의한 제거 또는 미립자에 의해 야기되는 국소적 차단이 발생할 수 있다. 그러나, 특히 여액의 대부분이 여과기 물질을 입자들 사이의 틈을 통해 유동하고 필수적으로 입자 표면만 접촉하기 때문에, 입자의 내부 다공성으로부터 기인하는 입자 물질의 흡착성은 단지 약간의 정도로 유효하다. 여과기 카트리지 또는 여과기 캔들(filter candle)로서 또한 공지되어 있는 이러한 유형의 여과기 유니트는 단기간 사용후에 교체하거나 입상 물질을 교체해야 한다.
수돗물을 정제하는 데 사용되는, 흡착성 성형체를 여과기 유니트로서 함유하는 또 다른 여과기가 문헌에 공지되어 있다[참조: EP-A 제0 253 132호]. 성형체는 자기-지지 소결체로서 배열되어 있고 미분된 흡착제 및 열가소성 결합제를 포함한다. 열가소성 소결에 의해 소결체를 제조하는 동안, 흡착제의 상당 부분의 입자 표면 및 미공은 열가소성 물질의 접착 및 통과에 의해 유착(conglutination) 또는 차단된다. 따라서, 입자의 상응하는 내부 표면은 흡착성이 소실된다. 그 결과, 전체 여과기 유니트의 흡착 용량이 손상된다.
EP-A 제0 554 223호에는 여과기 유니트를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 결합제의 점도가 높으면 수득된 여과기 유니트의 강도가 저하된다.
EP-A 제0 792 673호에는 압출 기술로 여과기를 제조하기 위한 결합제가 기재되어 있다. 결합제는 매우 높은 유량 및 불균일한 분포를 갖는다. 혼합물의 분포가 불균일하면 취성 제품이 수득된다. 또한, 활성탄의 표면적이 결합제에 의해 감소된다. 결과적으로, 여과기 용량이 감소된다.
US-A 제4,753,728호에는 중합체에 의해 결합되어 여과기 블록을 제공하는 활성탄 입자를 함유하는 활성탄 여과기 블록이 기재되어 있다. 당해 중합체는 STM D 1238에 따라 190℃ 및 하중 15kg에서 측정한 용융 유량이 약 1g/10분 미만이다. 당해 중합체는 승온에서 점착성이다. 당해 중합체는 활성탄 입자를 실질적으로 습윤화하기에 충분히 유동적이지는 않다. STM D 1238에 따라 190℃ 및 하중 15kg에서 측정한 용융 유량이 약 0.1g/10분 미만이고 초고분자량 폴리에틸렌인 시판중인 중합체 GURR212가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 강도가 높고 결합제 함량이 낮은 활성탄 여과기(여기서, 활성탄은 피복되어 있지 않다)를 제조하는 데 사용되는 결합제를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 용융 유량(MFR 190/15)이 1.2 내지 10g/10분이고다분산도(Mw/Mn)가 3 내지 30이고 벌크 밀도가 0.05 내지 0.5g/cm3이고 입자 크기가 5 내지 300㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체에 의해 달성된다.
본 발명의 결합제는 매우 우수한 생체 적합성을 갖는다. 당해 결합제는 점도가 높고 활성탄을 피복시키는 경향이 적으며 다공성이 높고 공정에 대한 민감도가 낮다. 당해 결합제는 벌크 밀도가 낮고 표면적이 크고 특정 형태 및 100 내지 140㎛의 입자 크기를 갖는다. 당해 결합제는 특히 양호한 열안정성을 나타낸다.
본 발명의 결합제를 사용하여 제조된 여과기 유니트는 활성탄의 흡착성이 높고 매우 다공성인 구조를 갖는다.
본 발명에 따르는 가능한 결합제는 유기 열가소성 물질이다. 특히 적합한 결합제는 가열시 점성 전이 상으로 결합될 수 있고 소결 공정에서 활성탄와 다공성 구조를 형성시키는 고분자량 또는 초고분자량 열가소성 물질, 특히 폴리에틸렌의 분말인 것으로 밝혀졌다.
소결 후, 높은 흡착성 및 양호한 기계적 강도를 갖는 활성탄 블록이 수득된다. 높은 다공성에 의해 높은 여액 유량이 가능하다.
정제 여과기는 경우에 따라 하나 이상의 이러한 여과기 유니트를 사용하여 구성될 수 있다. 가공수 처리, 폐수 정제, 식수 처리, 음료, 식품 및 화학 산업 분야에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 기체 정제에도 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태는 용융 유량(MFR 190/15)이 1.2 내지 10g/10분이고 다분산도(Mw/Mn)가 3 내지 10이고 벌크 밀도가 0.1 내지 0.5g/cm3이고 입자 크기가60 내지 200㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체에 관한 것이다. 이 결합제는 높은 강도 및 낮은 결합제 함량을 갖는 활성탄 여과기를 제공한다. 용융 유량은 바람직하게는 1.3 내지 10g/10분이다.
본 발명의 더욱 바람직한 양태는 용융 유량(MFR 190/15)이 1.4 내지 5g/10분이고 다분산도(Mw/Mn)가 4 내지 8이고 벌크 밀도가 0.13 내지 0.3g/cm3이고 입자 크기가 80 내지 160㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체에 관한 것이다. 이 결합제는 특히 높은 강도 및 낮은 결합제 함량을 갖는 활성탄 여과기를 제공한다.
본 발명의 특히 바람직한 양태는 용융 유량(MFR 190/15)이 1.4 내지 3g/10분이고 다분산도(Mw/Mn)가 4 내지 8이고 벌크 밀도가 0.15 내지 0.28g/cm3이고 입자 크기가 80 내지 160㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체에 관한 것이다. 이 결합제는 매우 특히 높은 강도 및 낮은 결합제 함량을 갖는 활성탄 여과기를 제공한다.
본 발명의 추가의 양태는 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체 및 활성탄을 포함하는 여과기 물질에 관한 것이다.
식수 정제용 활성탄을 기본으로 하는 정제 여과기의 경우, 두 가지 주요 그룹으로 구분된다. 제1의 기존 형태의 경우, 헐거운 활성탄이 다공성 용기에 배치되어 있다. 여기서, 입상 물질 내에는 점착성이 없다. 그 결과, 유동 및 여과기 특성을 조절하기 어렵다. 입상 물질의 흡착성은 단지 적은 정도로만 유효하다.여액은 여과기 물질을 입자들 사이의 틈을 통해 유동할 수 있어 활성탄의 활성 표면을 충분히 사용할 수 없다.
이들 여과기의 추가의 단점은 세균에 의해 매우 신속히 오염된다는 것이다. 활성탄 입자는 세균에 있어 우수한 영양 배지이다. 또한, 이러한 여과기는 순전히 흡착 작용만 한다. 기계적 여과 특성은 불량하거나 전혀 존재하지 않는다.
제2의 가능성은 여과기를 소결체로서 형성시키는 것이다. 이는 미분 흡착제, 즉 활성탄을 열가소성 물질과 혼합하고 이 혼합물을 열가소성 소결에 의해 금형 내에서 압밀(consolidation)시킴으로써 달성된다. 여기서, 열가소성 물질은 접착제로서 작용한다. 이는 활성탄 입자 표면의 상당 부분을 차단하여 활성탄의 활성 표면적을 상당히 감소시킨다. 이들 여과기의 흡착성은 낮다.
본 발명의 여과기 블록은 높은 흡착성 및 매우 양호한 기계적 여과 특성을 갖는 강도 높은 성형체를 제공하는 방법에 의해 제조된다. 이 여과기는 매우 미세한 활성탄을 고분자량 폴리에틸렌과 건식 혼합하여 제조한다. 혼합물을 금형에 넣고 공기 부재하에 결합제의 융점 범위보다 상당히 높은 온도로 가열한다. 이 온도에서 결합제가 서서히 용융된다. 또한 건식 혼합, 금형으로의 도입, 압착, 시간 프로그램에 따르는 가열 및 이형의 공정 단계를 매스(mass) 제조방법으로 수행할 수 있다.
수득된 여과기는 1㎛ 미만의 여과기 섬도(fineness) 및 높은 흡착성을 가질 수 있는 강도 높은 자기-지지체이다. 활성탄의 흡착성은 열가소성 물질과의 유착에 의해 감소되지는 않는다. 여과기 블록은 매우 양호한 기계적 여과 특성 및 매우 높은 흡착성을 갖는 여과기 카트리지를 제공한다.
여과기 블록은 이의 여과 특성 때문에 물 또는 수용액으로부터 광범위한 물질을 제거하는 데 적합하다. 여과기 섬도가 1 내지 10㎛ 미만인 수득된 여과기는 여과에 의해 모래, 녹, 먼지 및 석회 입자 및 또한 석면 섬유의 양을 감소시킬 수 있다. 유기 오염물, 예를 들면, CFC, 농약(아트라진, DDT 및 린단) 및 PAH가 흡착에 의해 보유될 수 있다.
수용 용량은 헐겁게 충전된 활성탄 여과기에 비해 4.5배 증가된다. 또한, 무기 중금속에 대한 정제 성능을 갖는다. 여과기는 다량의 카드뮴, 철, 납 및 구리를 제거할 수 있다. 이들 중금속은 여전히 허용되어 있는 농도에서도 어린이들의 건강에 악영향을 미칠 수 있기 때문에, 여과 시스템의 경우 이들 물질을 감소시키는 것이 매우 중요하다.
세균 및 바이러스 오염은 사람이 소비하는 물에 큰 문제를 야기한다. 세계 여러 지역에서는 식수에 살균제로서 염소를 첨가한다. 비록 이 물질이 소량으로는 무독성이지만, 물 맛에 상당히 악영향을 미친다. 여과 블록은 존재하는 염소를 실제적으로 완전히 촉매에 의해 제거한다.
가정용 여과기의 성능은 식수로부터 광범위한 오염물을 제거함을 제1의 최대 목적으로 한다. 용도에 따라 적합한 여과기 섬도를 선택할 수 있다. 여과기는 먼지, 유기 및 무기 물질 및 악취 또는 나쁜 맛을 제거하는 데 사용할 수 있다. 식수로부터 세균을 제거하고자 하는 경우, 0.5㎛ 또는 0.3㎛의 여과기 섬도를 갖는 미세 여과기를 선택해야 한다. 여과기의 유동 성능은 여과기 섬도에 따라 변한다.
본 발명의 바람직한 양태는 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체 1 내지 50중량% 및 활성탄 50 내지 99중량%를 포함하는 여과기 물질에 관한 것이다.
본 발명의 특히 바람직한 양태는 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체 5 내지 40중량% 및 활성탄 60 내지 95중량%를 포함하는 여과기 물질에 관한 것이다.
본 발명의 매우 특히 바람직한 양태는 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체 8 내지 30중량% 및 활성탄 70 내지 92중량%를 포함하는 여과기 물질에 관한 것이다.
본 발명의 추가의 양태는 첨가제를 추가로 포함하는 여과기 물질에 관한 것이다.
본 발명의 추가의 양태는 활성탄을 포함하는 여과기 물질용 결합제로서의 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체의 용도에 관한 것이다.
정제 여과기에 대해 또한 상이한 구조 형태를 고려할 수 있다. 당해 제조방법에서 제조 단계를 변화시킬 수 있다. 따라서, 기계적 미세 여과기의 여과기 유니트는 각각의 용도 또는 여액에 존재하는 고체 입자의 최소 크기에 따라 달라진다. 미세 여과기의 경우, 중요한 인자는 이러한 입자가 흡착체에 도달하여 이를 차단하지 않는다는 것이다. 미세 여과기 또는 지지 벽에 소결가능한 미분 플라스틱 대신에 다른 물질, 예를 들면, 다공성 세라믹을 사용할 수도 있다.
여액의 살균과 관련된 특정 필요조건을 충족시켜야 하는 경우, 미세 여과기 또는 양쪽 지지 벽을 살균제, 예를 들면, 미분 은으로 함침시킬 수 있다. 또한, 기타 유기 결합제도 흡착체로서 고려할 수 있다. 혼합공정 및 특히 저온 탄화 및소결 동안의 온도는 결합제에 따라 달라진다. 중요한 것은, 제조된 성형체의 최종 상태에서 입상 흡착제의 공극이 결합제에 의해 차단되지 않거나 기껏해야 단지 약간의 정도만 차단된다는 것이다.
본 발명을 도면 및 실시예를 사용하여 설명한다.
도면
도면은 세 개의 주사 전자 현미경 사진을 포함한다.
도 1은 (a) 건식 혼합, (b) 금형으로의 도입, (c) 금형 폐쇄, (d) 시간 프로그램에 따른 가열 및 소결체로서의 이형, (e) 압착, (f) 냉각 및 (g) 제거의 제조단계를 나타낸다. 미분 활성탄을 열가소성 물질과 혼합하고 이 혼합물을 열가소성 소결에 의해 금형 내에서 압밀시키고 소결체로서 이형시킨다.
도 2는 세 개의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 세 개의 모든 도면은 여과기 블록, 즉 도 2A는 GURR2122를 갖는 활성탄, 도 2B는 GURR2105를 갖는 활성탄 및 도 2C는 HDPE를 갖는 활성탄을 나타낸다. 도 2A에서, 활성탄 입자 뿐만 아니라 변하지 않은 형태를 갖는 손상되지 않은 GURR2122를 볼 수 있다. 도 2B는 본 발명에 따르는 결합제 물질 GURR2105를 포함하는 여과기를 나타낸다. 결합제의 약간의 유동 때문에, 초기 형태는 전혀 남아있지 않다. 결합제의 높은 점도는 활성탄 입자 간의 브릿지(brigde)를 많이 형성시킨다. 결합제에 의한 활성탄 입자의 피복은 관찰되지 않는다. 도 2C는 활성탄의 비결합 영역을 나타낸다. 결합제, 예를 들면, HDPE, EVA, LDPE 또는 유사한 결합제는 이의 높은 유동 때문에 여과기 블록에 불균일하게 분포되어 있다. 여과기 블록 내의 결합제 농도가 높음에도 불구하고 도면에 나타낸 영역 내에 결합제는 전혀 관찰되지 않는다. 여과기는 불균일한 분포 때문에 취성을 갖는다.
도 3은 두 개의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 도 3X는 본 발명에 따르는 결합제 물질 GURR2105를 나타낸다. 당해 결합제는 높은 다공성과 특정 형태를 갖는다. 이러한 특성에 의해 통상적인 결합제 물질, 예를 들면, HDPE, LDPE, EVA 등으로부터 본 발명의 결합제가 명확히 구별된다. 도 3Y는 예로서 전형적인 UHMWPE 분말을 나타낸다. 도면에 나타낸 통상적인 물질(도 3Y)은 압착 구조를 갖고, 매우 다공성인 몸체를 제조하는 데에는 덜 적합하다.
실시예
도 2에 나타낸 바와 같은 조성물을 사용하여 여과기 블록의 세 가지 샘플을 도 1에 도시된 바와 같이 제조한다. 활성탄 및 GURR2105를 포함하는 제1 여과기 블록이 본 발명의 결합제 및 본 발명의 여과기 물질에 상응한다. 비교를 위해, GURR2122를 갖는 활성탄 및 HDPE를 갖는 활성탄의 샘플을 비교용으로서 제조한다. 아래의 표 1에 샘플의 특성에 대해 수득된 결과를 비교하여 나타내었다.
성분 조성 압력 저하 APS 특성
(%) (mbar) (㎛)
GURR2105 25 12 16 높은 흡착성
활성탄 75 높은 강도
GURR2122 25 17 16 높은 흡착성
활성탄 75 낮은 강도
HDPE 25 26 11 낮은 흡착성
활성탄 75 낮은 강도취성

Claims (10)

  1. 용융 유량(MFR 190/15)이 1.2 내지 10g/10분이고 다분산도(Mw/Mn)가 3 내지 30이고 벌크 밀도가 0.05 내지 0.5g/cm3이고 입자 크기가 5 내지 300㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체.
  2. 제1항에 있어서, 용융 유량(MFR 190/15)이 1.2 내지 10g/10분이고 다분산도(Mw/Mn)가 3 내지 10이고 벌크 밀도가 0.1 내지 0.5g/cm3이고 입자 크기가 60 내지 200㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융 유량(MFR 190/15)이 1.4 내지 5g/10분이고 다분산도(Mw/Mn)가 4 내지 8이고 벌크 밀도가 0.13 내지 0.3g/cm3이고 입자 크기가 80 내지 180㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 용융 유량(MFR 190/15)이 1.4 내지 3g/10분이고 다분산도(Mw/Mn)가 4 내지 8이고 벌크 밀도가 0.15 내지 0.28g/cm3이고 입자 크기가 80 내지 160㎛인 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 청구된 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체 및 활성탄을 포함하는 여과기 물질.
  6. 제5항에 있어서, 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체 1 내지 50중량% 및 활성탄 50 내지 99중량%를 포함하는 여과기 물질.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체 5 내지 40중량% 및 활성탄 60 내지 95중량%를 포함하는 여과기 물질.
  8. 제5항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체 8 내지 30중량% 및 활성탄 70 내지 92중량%를 포함하는 여과기 물질.
  9. 제5항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 첨가제를 추가로 포함하는 여과기 물질.
  10. 활성탄을 포함하는 여과기 물질용 결합제로서의 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 청구된 폴리에틸렌 단독중합체 및/또는 공중합체의 용도.
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