KR20010095335A - 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지와 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 키토산이 함유된 정수용 필터 카트리지와 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 필터 카트리지는 다공성 원통형 코어의 외주면상에 내부 부직포층과 고형분층 및 외부 부직표층이 순차적으로 적층된 적층체 구조로서, 이때 상기 고형분층은 섬유상 키토산과 분말상 활성탄 및 섬유상 활성탄소섬유로 이루어진 혼합물에 바인더로서 아세트산에 분말상 키토산이 용해된 키토산액이 첨가되어 항균성 필터층을 형성함에 기술적 특징이 있다.

본 발명의 필터 카트리지 제조 방법은 분말상 키토산을 아세트산에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계와, 이 키토산 용액을 활성탄, 활성탄소섬유, 섬유상 키토산 및 증류수와 혼합하여 키토산 혼합용액으로 제조하는 단계와, 다공성 카트리지 코어의 외주면에 필터용 내부 부직포층을 형성시킨 후 이를 상기 혼합용액이 담기는 흡착조 내에서 혼합용액을 썩션하여 용액 중의 고형분을 내부 부직포층의 외주면에 흡착시키는 단계와, 흡착이 완료된 카트리지 코어를 인출하고 금속 메쉬를 분리한 후 100∼200℃의 온도에서 건조시킨 다음 내부 부직포층 외주면에 흡착된 고형분층의 외주면에 외부 부직포층을 형성시키는 단계로 이루어 짐을 특징으로 한다.

본 발명의 필터 카트리지는 고가의 은 대신 가식성 천연 고분자 물질인 키토산을 사용함에 따라 필터 카트리지의 제조 생산성을 높일 수 있으며, 생산 비용을절감할 수 있을 뿐 아니라 필터 카트리지를 구성하는 고형분층의 결합력이 장시간 유지되고 자연적인 항균력을 발휘함으로써 사용에 따른 필터 카트리지 교환에 소요되는 유지 비용도 절감할 수 있는 이점이 있다.

Description

키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지와 그 제조 방법{Filter cartridge using chitosan as binder and its production method}

본 발명은 키토산이 함유된 정수기용 필터 카트리지에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 분말상이나 입상 활성탄 또는 섬유상의 활성탄이나 활성탄소섬유를 응집시키는 필터 카트리지의 결합 바인더(binder)로서 천연 고분자 물질인 키토산을 사용함으로써 활성탄이나 활성탄소섬유 상호간의 결합력을 강화시켜 필터 카트리지의 수명을 연장할 수 있으며 항균성을 갖는 가식성 천연 물질을 함유시킴으로써 은 첨착(添着) 공정을 생략하여 필터 카트리지의 제조 생산성을 높일 뿐 아니라 생산 원가를 낮출 수 있는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지와 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 더욱 심각해지고 있는 공해문제와 더불어 각종 오폐수에 의하여 상수원의 수질이 점차 악화되고 있는 실정이며, 상수원 공급 관로의 노후화와 아파트 등의 집단 주거 시설 증가는 각 가정에 공급되는 수돗물의 질을 더욱 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.

즉, 수돗물 공급관로의 노후화는 철, 아연 등 각종 금속 이온과 녹의 공급원이 되고 있으며, 집단 주거 시설의 수돗물 저장 탱크는 각종 미생물과 세균의 서식 장소가 됨에 따라 공급되는 수돗물을 그대로 마실 수가 없는 실정이 되었다.

따라서, 근래에 들어 각 가정이나 사무실에서 공급되는 수돗물을 그대로 음용하는 일은 거의 없고, 천연 생수를 구입하여 음용수로 사용하거나 다양한 방식의각종 정수기를 사용하여 수돗물을 정수 후 음용수로 이용하고 있다.

상기와 같이 질이 떨어지는 물의 정수에 사용되는 정수기에는 각종 오염물질을 제거하기 위한 필터로서 정수기 내에 활성탄이나 이온교환수지 또는 활성탄과 고분자막 필터 등이 복합된 다양한 종류의 필터 카트리지가 사용되고 있다.

그리고, 이러한 필터 카트리지는 통상적으로 정수 능력의 향상을 위하여 분자 흡착 작용이 있는 활성탄을 섬유상 수지에 결합시켜 불순물, 냄새, 색소 및 세균과 같이 불필요 하거나 해로운 각종 금속 이온과 이물질 등을 걸러내기 위하여 사용되고 있으나, 상기 정수기 내의 필터 카트리지는 항상 물과 접촉하고 있기 때문에 필터 카트리지를 구성하는 섬유질 내에 박테리아 등 세균의 2차 증식 위험성을 갖고 있다.

특히, 상기의 활성탄은 수돗물의 소독용 잔류 염소 제거 기능은 우수하지만 장시간 사용시 흡착 기능이 저하되어 활성탄 내에 흡착된 각종 오염물질이 탈착되므로서 정수하지 않은 물보다도 유기물이 더욱 많이 함유된 물을 배출하게 되며, 한 동안 사용을 중단하게 되면 정수기의 필터 카트리지 내에서는 각종 세균이 증식하게 된다.

상기의 각종 정수용 필터류를 사용하는 대표적인 음용수 정수 방식을 살펴보면, 공급수를 침강조 →1차 활성탄 카트리지 →멤브레인(membrane) →2차 활성탄 카트리지의 순서로 통과시킴으로써 정수가 완료된다.

이때 사용되는 활성탄 카트리지는 보통 야자계 분말 활성탄을 합성수지 케이스(카트리지)에 채운 형태이며, 특히 2차 활성탄 카트리지에 채워진 분말상 활성탄은 세균의 증식을 억제하기 위하여 은이 첨착된 분말상 활성탄을 사용하기도 하나 그 효과가 크지 않으며, 첨착 공정이 복잡하고 어려울 뿐 아니라 가격이 상승하는 문제가 있다.

그리고, 상기 1차 활성탄 카트리지의 흡착 능력이 떨어지게 되면 멤브레인의 부하가 증가하여 고가이며 핵심 구성 요소인 멤브레인의 수명을 단축시키기 때문에 활성탄 카트리지의 흡착 능력과 세균 증식 억제 능력은 매우 중요하나 상기의 은 첨착 방법을 적용하거나 카트리지를 자주 교체하는 방법 외에는 별다른 방법이 없다.

따라서, 미생물이나 곰팡이 등에 우수한 살균력을 갖는 약제들이 개발되기도 하였으나, 그러한 약제들은 음용수에 섞여 인체에 바로 흡수되는 것이기 때문에 정수기 필터에의 적용은 장시간에 걸친 충분한 검증이 필요한 실정이다.

섬유나 필터의 항균 가공에 흔히 쓰이는 항균제는 무기계와 유기계 항균제로 크게 나눌 수 있는 바, 유기계 항균제의 항균력은 우수하나 물질 자체의 안전성에 다소 문제가 있으며, 무기계의 항균제로는 은이나 구리 등의 금속류와 세라믹 계통으로 다시 나눌 수 있으며, 세라믹 계통의 경우에는 가공처리 후 항균력이 저하되고 인체 흡수시 무해하다 할 수 없기 때문에 인체에 흡수되는 경우에는 주로 금속류 항균제가 쓰이고 있다.

그러나, 상기 금속류 중에서도 구리의 경우에는 다소 논란의 여지가 있는 실정이다. 즉, 수돗물 공급관을 동관으로 사용하였을 때 용출될 수 있는 구리 이온과 청녹의 유해성 유무에 대한 논란의 여지가 있기 때문에 정수기의 경우에는 전술한바와 같이 은을 활성탄에 첨착하여 사용하는 것이 일반화되어 있다.

즉, 필터 카트리지에는 항균 능력이 있으며 인체에 무해한 은을 첨착한 분말상 활성탄을 추가 첨착시켜 제조하고 있다. 그러나, 이 또한 장시간 사용에 따라 첨착된 은이 용출되어 소모됨으로써, 항균 능력이 떨어지게되고 필터 카트리지의 수명이 단축될 뿐 아니라 탄소 성분 물질과 은의 결합이 용이하지 않기 때문에 은 첨착 필터 카트리지의 제조 공정이 전술한 바와 같이 복잡해져 생산성이 떨어지고, 고가의 은을 사용함에 따라 생산비가 상승되는 문제가 있다.

따라서, 고가의 은을 대체할 만한 항균성을 가진 가식성의 천연물질에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 그 대표적인 물질로서 순도가 어느 정도 유지되면 인체에 대한 유해성이 전혀 없는 안전한 천연고분자 물질인 키토산이 항균 첨가제로서 널리 사용되고 있다.

키토산과 관련한 공지 자료로는, 일본 특허공개공보 평 2-15904에는 항균성 및 항선충 조성물의 제조법이, 일본 특허공개공보 평 2-80051에는 항균 및 소취 고분자 조성물의 제조법이, 일본 특허공개공보 평 3-72501에는 키토산과 폴리우레탄을 기본으로 하는 소취 고분자 조성물의 제조법이, 일본 특허공개공보 평 3-76801에는 키토산 분말을 열가소성 수지와 혼합하여 직물 표면에 키토산 함유 열가소성 수지를 전사하는 방법 등이 개시되어 있으나, 키토산의 분자량이나 키토산 함유 수지가 항균성을 보유하고 있는지에 대한 언급이 없다.

따라서, 본 발명의 정수용 필터 카트리지는 상기 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 항균 능력을 보유한 천연 가식성 물질을 필터 카트리지의 구성 성분인 섬유상 물질과 활성탄소섬유 결합 바인더로서 사용하여 필터 카트리지를 구성하는 물질 간의 결합력을 높여 사용 수명을 연장할 뿐 아니라 고가의 은 첨착 공정을 생략하여 필터 카트리지의 생산성과 생산 비용을 절감할 수 있는 정수기용 필터 카트리지와 그 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명 필터 카트리지 제조를 위한 고형분 흡착 장치의 개략적인 단면도.

도 2는 본 발명 필터 카트리지를 보인 것으로,

(가)는 단면도이고,

(나)는 부분 확대도이다.

도 3은 본 발명 실시예와 비교예 필터 카트리지의 요오드 흡착력을 나타낸 그래프.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

11. 필터 카트리지 코어 13. 흡착조

14. 회전 썩션 장치 15. 금속 메쉬

21. 내부 부직포층 22. 고형분층

23. 외부 부직포층

본 발명의 상기 목적은 첫째, 분말상 키토산을 아세트산에 용해시킨 키토산 용액을 활성탄, 활성탄소섬유, 증류수와 혼합한 키토산 혼합용액으로 제조하고, 이 혼합용액을 필터용 내부 부직포층에 흡착·건조시키거나 둘째, 상기의 혼합용액에 섬유상 키토산을 추가 혼합한 후, 이 추가혼합용액을 필터용 내부 부직포층에 흡착·건조시키거나 셋째, 섬유상 키토산을 활성탄, 활성탄소섬유, 증류수와의 혼합 수용액으로 제조하고, 이 혼합수용액을 필터용 내부 부직포층에 흡착·건조시켜 제조되는 필터 카트리지와 그 제조 방법으로 달성된다.

본 발명의 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지에 있어서, 분말상 또는 섬유상 키토산의 분자량은 100,000∼2,000,000이고, 상기 분말상 키토산을 아세트산에 용해시켜 제조된 키토산 용액의 분말상 키토산 농도는 0.01∼5wt가 되도록 한다.

그리고, 필터용 내부 부직포층에 흡착시키기 전의 상기 키토산 혼합용액이나 추가혼합용액 또는 혼합수용액에 함유된 고형분 즉, 활성탄소섬유와 활성탄과 섬유상 키토산 및 분말상 키토산의 총함량은 전체 용액의 0.1∼10wt로 함과 동시에 분말상 및 섬유상 키토산이 함께 함유된 경우에는 키토산 전체 함량에 대하여 각각 50wt씩 되도록 함에 기술적 특징이 있다.

상기 키토산의 분자량, 키토산 농도 및 고형분 함량을 한정한 근거는 다음과 같다.

키토산의 항균력과 살균력이 가장 양호하게 발휘되는 분자량에 대하여는 여러가지 주장이 있으나 명확하게 규명되지는 못하였는 바, 본 발명 필터 카트리지에 고형분을 흡착시키기 위한 혼합액의 점도 특성과 작업성을 고려하여 키토산의 분자량을 100,000∼2,000,000으로 한정하였다.

그리고, 아세트산에 용해한 분말상 키토산의 농도가 0.01wt미만일 경우에는 활성탄소섬유, 분말활성탄 및 키토산 등을 부직포에 흡착시킨 후 건조시켰을 때 키토산이 바인더로서의 역할이 미미해져 필터 카트리지의 강도가 저하되며, 5wt를 초과하면 아세트산의 용해 한계를 넘게 되어 용해되지 못하는 분말상의 키토산이 존재하게 되고, 용액의 점도가 상승하여 작업성을 저해하게 된다.

또한, 혼합액 중의 고형분 함량이 0.1wt미만이면 고형분의 흡착량이 적게 되어 흡착시간이 많이 소요됨으로써 생산성이 떨어지고, 10wt를 초과하게 되면 필요한 두께의 흡착량을 얻기전 흡입 펌프의 압력 상승으로 결국 필요로 하는 두께의 흡착층을 얻을 수 없으며, 상기와 같이 제조된 필터 카트리지는 강도 또한 저하 된다.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.

도1에 키토산 혼합용액의 고형분을 내부 부직포층의 외주면에 증착(增着)시키기 위해 카트리지 코어를 장착한 흡착 장치의 개략적인 단면도를, 도2에 제조된 본 발명 필터 카트리지의 단면도와 부분 확대도를 도시하였다. 도1은 코어의 형상을 보이기 위하여 코어 외주면에 형성되는 내부 부직포층의 도면을 생략하였다.

본 발명 필터 카트리지를 제조하는 방법은 상술한 바와 같이, 키토산 용액을 제조하는 단계와, 이 키토산 용액을 혼합용액이나 추가혼합용액으로 제조하는 단계 또는 키토산 용액을 제조하지 않고 바로 키토산 수용액을 제조하는 단계와, 카트리지 코어(11)의 외주면에 필터용 부직포를 감아 내부 부직포층(21)을 형성시킨 후 이를 혼합용액(12) 등이 담기는 흡착조(13) 내에 설치된 회전 흡입 장치(14)의 플렌지(14A)(flange) 중심부에 장착하는 단계와, 상기 내부 부직포층(21)의 외주면과 일정한 간격으로 떨어져 동심원을 이루도록 카트리지 코어가 장착된 회전 흡입 장치의 플렌지 외주면에 금속 메쉬(15)를 설치하는 단계와, 상기와 같이 준비가 완료된 카트리지 코어의 회전 흡입 장치(14)가 설치된 흡착조(13)에 내부 부직포층(21)이 형성된 카트리지 코어(11)가 완전히 잠기도록 혼합용액(12) 등을 채우는 단계와, 혼합용액 등에 잠긴 카트리지 코어를 회전시키면서 코어의 중공부를 통하여 혼합용액 등을 흡입하여 용액 중의 고형분을 내부 부직포층(21)의 외주면에 흡착시키는 단계와, 흡착이 완료된 카트리지 코어를 인출하고 금속 메쉬(15)를 분리한 후 내부 부직포층(21) 외주면에 증착된 고형분층(22)을 100∼200℃의 범위에서 건조시키는 단계와, 건조된 필터 카트리지의 고형분층의 외주면을 필터용 부직포로 감싸 외부 부직포층(23)을 형성시키는 단계로 이루어 진다.

이때, 상기 내부 부직포층의 외주면에 흡착된 고형분층은 섬유상 키토산(22A), 활성탄소섬유(22B) 및 활성탄(22C)을 아세트산에 용해된 분말상 키토산(22D)이 결합시키고 있는 구조이며, 섬유상 키토산은 첨가되지 않을 수도 있다.

그리고, 상기의 건조 온도가 100℃ 미만이면 키토산이 완전히 용융되지 않아 고형분에 대한 결합 바인더로서의 역할을 수행하지 못하게 되어 필터의 강도가 저하 되며, 200℃를 초과하면 용해된 키토산이 분해됨으로써 역시 결합 바인더로서의 역할을 담당하지 못하게 된다.

상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명 실시예 세가지의 필터 카트리지 조성은 다음 표1과 같다.

(단위:wt)

구분	활성탄소섬유	분말활성탄	섬유상키토산	분말상키토산	키토산액
					키토산 농도
1	60	30	0	10	0.01∼5
2			10	0
3			5	5

표1의 실시예에서 분말상 키토산은 전량 키토산액 중에 함유된 것으로, 분말상 키토산의 중량비는 키토산액의 양으로 조절하며 섬유상 키토산은 단독으로 첨가된다. 따라서, 활성탄소섬유와 활성탄 및 키토산의 중량비가 상기 표1과 같이 조절되면 혼합용액이나 추가혼합용액 또는 혼합수용액 중에 함유된 총 고형분 농도가 0.1∼10wt가 되도록 증류수를 첨가한다.

상기 세가지 실시예와 비교하기 위한 네가지 비교예의 필터 카트리지는 다음 표2와 같으며, 제조 방법은 활성탄소섬유와 활성탄 및 결합 바인더를 증류수에 분산 혼합시킨 혼합 수용액을 제조한 후 전술한 방법과 같이 흡착·건조시켜 제조하며, 표2에 있는 고형분 농도를 유지하도록 증류수 양을 조절한다.

구분	활성탄소섬유	분말활성탄	결합 바인더	고형분농도
			종 류		함 량
5	60	30	PVA	10	0.1∼10wt
6			PAN
7			분말상 PE
8			알긴산 나트륨

* PVA : Polyvinylalcohol, PAN : Polyacrylonitrile,

PE : Polyethylene

상기 실시예와 비교예의 필터 카트리지는 모두 동일한 규격으로서, 외경 60mm, 내경 34mm, 길이 240mm 인 중공형 원통 형태로 제조되었으며, 각 필터 카트리지의 불순물 흡착성능을 분석하기 위하여 요오드의 잔류 농도가 2.5g/l일때 필터 단위 무게당 요오드의 흡착성능을 조사한 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에 도시한 바와 같이, 키토산을 사용한 본 발명의 실시예가 비교예에 비하여 요오드 흡착능력이 우수하고 특히, 분말상 키토산과 섬유상 키토산을 함께 함유하는 경우의 흡착능력이 우수함을 알 수 있다.

그리고, 아세트산을 사용하지 않고 섬유상 키토산만을 혼합한 경우 아세트산을 사용한 것 보다는 고형분층의 결합력이 다소 떨어지나 섬유상 키토산 고유의 점도에 의한 결합력이 발휘되어 사용이 가능하다.

고가의 은 대신 가식성 천연 고분자 물질인 키토산을 사용함에 따라 필터 카트리지의 제조 생산성을 높이고 생산 비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 필터 카트리지 고형분층의 결합력이 장시간 유지되고 자연적인 항균력을 발휘함으로써 사용에 따른 유지 비용도 절감할 수 있다.

Claims (12)

1. 다공성 원통형 코어의 외주면상에 내부 부직포층과 고형분층 및 외부 부직표층이 순차적으로 적층된 필터 카트리지에 있어서, 상기 고형분층은 섬유상 키토산과 분말상 활성탄 및 섬유상 활성탄소섬유 중에서 활성탄과 활성탄소섬유를 포함한 적어도 2종 이상의 물질이, 분말상 키토산을 아세트산에 용해한 키토산 용액을 바인더로 하여 결합됨을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지.
2. 제 1항에 있어서, 키토산의 분자량이 100,000∼2,000,000 임을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지.
3. 제 1항에 있어서, 키토산 용액은 키토산 농도가 0.01∼5wt되도록 아세트산에 키토산을 용해한 것 임을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지.
4. 제 1항에 있어서, 고형분층에 함유된 섬유상 키토산과 분말상 키토산의 함량은 서로 동일한 양이며, 그 총량이 고형분 전체양의 0.01∼50wt임을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지.
5. 제 1항에 있어서, 고형분층에 섬유상 키토산이 없이 분말상 키토산만이 존재하고, 이때 분말상 키토산의 함량이 고형분 전체양의 0.01∼50wt임을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지.
6. 정수기용 필터 키트리지를 제조함에 있어서, 분말상 키토산을 아세트산에 용해시켜 키토산 용액을 제조하는 단계와, 이 키토산 용액을 활성탄과 활성탄소섬유 그리고 섬유상 키토산 및 증류수 중에서 활성탄과 활성탄소섬유 그리고 증류수를 포함한 적어도 3종 이상의 물질과 혼합하여 키토산 혼합용액으로 제조하는 단계와, 카트리지 코어 외주면에 필터용 내부 부직포층을 형성시킨 후 이를 상기 혼합용액이 담기는 흡착조 내에서 흡입하여 혼합용액 중의 고형분을 내부 부직포층의 외주면에 흡착시키는 단계와, 고형분 흡착에 의하여 고형분층이 형성된 카트리지 코어를 인출하여 금속 메쉬를 분리한 후 건조하는 단계와, 내부 부직포층 외주면에 흡착된 고형분층의 외주면에 외부 부직포층을 형성시키는 단계로 이루어 짐을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지의 제조 방법.
7. 제 6항에 있어서, 키토산 용액은 키토산의 농도가 0.01∼5wt되도록 아세트산에 용해함을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지의 제조 방법.
8. 제 6항에 있어서, 키토산의 분자량이 100,000∼2,000,000이 됨을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지의 제조 방법.
9. 제 6항에 있어서, 키토산 혼합용액의 고형분 농도는 0.1∼10wt임을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지의 제조 방법.
10. 제 6항에 있어서, 키토산 혼합용액에 함유된 고형분 함량을 100wt로 하였을 때, 분말상 키토산과 섬유상 키토산의 함량은 서로 동일한 양이며, 그 총량이 고형분 전체양의 0.01∼50wt임을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지의 제조 방법.
11. 제 6항에 있어서, 키토산 혼합용액에 함유된 고형분 함량을 100wt로 하고 고형분 중에 섬유상 키토산이 없이 분말상 키토산만이 존재할때, 분말상 키토산의 함량이 고형분 전체양의 0.01∼50wt임을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지의 제조 방법.
12. 제 7항에 있어서, 고형분층을 건조시키는 온도가 100∼200℃ 임을 특징으로 하는 키토산을 함유한 정수용 필터 카트리지의 제조 방법.