KR20080071015A - Asymmetric multi-layer ceramic filter, manufacturing method thereof and the water filtration system using the filter - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a는 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터의 일례를 나타낸 것이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 다층 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 1A illustrates an example of an asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention, and FIG. 1B illustrates a multilayer structure of an asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 세부 구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.2 to 4 are electron micrographs showing the detailed structure of an asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 향균 테스트 결과를 나타낸 것이다.Figure 5 shows the antimicrobial test results of the asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 세라믹 코팅층을 기존 세라믹 필터들과 비교한 전자현미경 사진이다.Figure 6 is an electron micrograph comparing the ceramic coating layer of the asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention with conventional ceramic filters.
도 7a는 종래 중고사막 필터 및 종래 세라믹 필터의 세부구조를 도 7b는 본 발명의 일실시예 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 세부구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.Figure 7a is a detailed structure of the conventional heavy-duty desert filter and the conventional ceramic filter Figure 7b is an electron micrograph showing the detailed structure of the asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터와 기존 세라믹 필터들의 시간에 따른 정수량을 비교한 그래프이다.8 is a graph comparing the amount of purified water according to time of the asymmetric multilayer ceramic filter and the conventional ceramic filters according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터 제조 방법의 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터를 이용한 정수시스템을 도시한 도면이다.10 is a view showing a water purification system using an asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 비대칭 다층 세라믹 필터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 정수 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 외층이 내층보다 기공 크기가 작고 각 층에는 은 나노 입자가 증착되어 있는 정수기용 비대칭 다층 세라믹 필터 및 그 제조 방법과 이를 이용한 정수 시스템이다.The present invention relates to an asymmetric multilayer ceramic filter, a method of manufacturing the same, and a water purification system using the same. Specifically, the outer layer has a smaller pore size than the inner layer, and each layer has an asymmetric multilayer ceramic filter for a water purifier, and the production thereof. Method and water purification system using the same.
종래의 정수기 필터에 따른 정수 방식에는, 중공사막 필터 방식, 역삼투압 필터 방식, 자연하중필터 여과방식, 이온교환수지 필터 방식 및 기능성 필터를 추가한 방식 등이 있다. 이 중에서 기능성 필터를 추가한 정수 방식에서는 파이 세라믹 필터나 실버 카본 필터 등이 사용되고 있다.The water purification method according to the conventional water purifier filter includes a hollow fiber membrane filter method, a reverse osmosis filter method, a natural load filter filtration method, an ion exchange resin filter method, and a method in which a functional filter is added. In the water purification method to which the functional filter was added, the pie ceramic filter and the silver carbon filter etc. are used.
특히 종래 세라믹 필터는 하나의 층으로 구성되는 단순한 구조를 가지고 있으며, 특히, 규조토 등 가격이 저렴한 저질의 세라믹 분말로 성형하고 소성한 결과 기공의 크기가 수 마이크론에서 수백 마이크론까지 분포하는 불균일하고 조악한 기공구조를 갖고 있다. 이로 인해 실질적인 필터 기능을 하지 못함을 물론 사용 시간이 경과 할수록 정수량이 현저히 떨어지며, 역세척시에도 여과 물질이 잘 세척되지 않아 반복 사용이 불가능한 문제점이 있었다.In particular, the conventional ceramic filter has a simple structure composed of a single layer, and in particular, as a result of molding and firing of low-cost low-cost ceramic powder such as diatomaceous earth, the pore size varies from several microns to several hundred microns, resulting in uneven and coarse pores. It has a structure. Because of this, the practical filter function, of course, as the use time elapses significantly reduced, there is a problem that can not be repeatedly used because the filter material is not washed well even during backwash.
전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는, 기공 크기를 달리하는 비대칭 다층 필터 구조를 창안하여 종래 세라믹 필터보다 여과 기능을 개선하고 사용 시간이 경과하여도 정수량을 유지하며 역세척이 가능하여 반 영구적 사용이 가능한 새로운 구조의 세라믹 필터를 제공하는데 있다.The technical problem of the present invention for solving the above-described problems of the prior art, by creating an asymmetric multilayer filter structure having a different pore size, improves the filtration function than the conventional ceramic filter, maintains the purified water even after using time and backwash It is possible to provide a new ceramic filter structure that can be used semi-permanently.
또한, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 구조적으로 향균 기능을 높일 수 있도록 은 나노 입자를 코팅하는 방법을 개선하고 향균볼을 추가적으로 도입하여 향균 기능이 더욱 향상된 세라믹 필터를 제공하는데 있다.In addition, another technical problem of the present invention is to improve the method of coating the silver nanoparticles in order to increase the antibacterial function structurally and to provide an additional antibacterial ball to provide a ceramic filter with improved antibacterial function.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터는, 원통형 다층 세라믹 필터로서, 원통 형상의 세라믹 지지층; 세라믹 지지층 표면에 적층된 적어도 하나의 세라믹 코팅층;을 포함하고, 세라믹 필터의 각 층은 외층의 평균 기공 크기가 인접한 내층의 평균 기공 크기의 1/5~1/20이며, 최외각층의 평균 기공 크기는 40nm~0.2㎛이고, 세라믹 필터의 각 층은 그 체적 전체에 분포되어 있는 은나노 입자를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명은 이러한 원통형 비대칭 다층 필터 구조를 갖게 되어, 원통 내부에서 외부로 물이 이동하면서 각 층별로 다양한 크기의 불순물을 여과할 수 있고, 층간 계면에서의 압력효과에 의해 물질 여과 효과를 증대시킬 수 있으며, 은 입자에 의한 향균 효과도 갖게 된다.The asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention for achieving the above technical problem, a cylindrical multilayer ceramic filter, a cylindrical ceramic support layer; At least one ceramic coating layer laminated on the surface of the ceramic support layer, wherein each layer of the ceramic filter has an average pore size of an outer layer of 1/5 to 1/20 of an average pore size of an adjacent inner layer, and an average pore size of an outermost layer. Is 40 nm to 0.2 µm, and each layer of the ceramic filter is characterized by containing silver nanoparticles distributed throughout its volume. That is, the present invention has such a cylindrical asymmetric multilayer filter structure, it is possible to filter impurities of various sizes for each layer as the water moves from inside the cylinder to the outside, and the effect of filtering the material by the pressure effect at the interlayer interface is increased. It also makes it possible to have an antibacterial effect by silver particles.
본 발명의 비대층 다층 세라믹 필터의 구체적인 구성의 일례는, 상기 세라믹 지지층은 평균 기공 크기가 25㎛~35㎛이며, 상기 세라믹 코팅층은 평균 기공 크기가 2㎛~3㎛인 제 1 세라믹 코팅층 및 평균 기공 크기가 0.1㎛~0.2㎛인 제 2 세라믹 코팅층으로 이루어질 수 있다. 또한, 제 2 세라믹 코팅층 표면에는 적층된 표층을 더 구비할 수 있고, 이러한 표층은 평균 기공 크기가 45nm~55nm인 것이 바람직하다.One example of a specific configuration of the enlarged multilayer ceramic filter of the present invention is that the ceramic support layer has an average pore size of 25 μm to 35 μm, and the ceramic coating layer has a first ceramic coating layer having an average pore size of 2 μm to 3 μm and an average. It may be made of a second ceramic coating layer having a pore size of 0.1 μm to 0.2 μm. The surface of the second ceramic coating layer may further include a stacked surface layer, and the surface layer preferably has an average pore size of 45 nm to 55 nm.
또한, 본 발명의 세라믹 필터의 각 층에 포함되어 있는 은 나노 입자는, 화학증착 방식에 의해 증착되어 세라믹 필터의 각 층의 기공을 둘러싸는 입계면과 각 층 사이의 계면에 집중적으로 분포하게 된다. 즉, 화학증착에 의하여 은 나노 입자가 표면 에너지가 상대적으로 높은 기공 주위 입계면이나 각 층 사이 계면에 집중적으로 증착됨으로써, 기공이나 층 사이의 계면을 통과하는 원수의 향균 효과를 보다 향상시킬 수 있게 된다.In addition, the silver nanoparticles contained in each layer of the ceramic filter of the present invention are deposited by a chemical vapor deposition method, so as to concentrate intensively at the interface between the grain boundaries and the layers surrounding the pores of each layer of the ceramic filter. . In other words, due to chemical vapor deposition, silver nanoparticles are concentrated on the interfacial grain boundaries or interfaces between the layers having a relatively high surface energy, thereby improving the antibacterial effect of raw water passing through the pores or the interfaces between the layers. do.
또한, 본 발명의 세라믹 필터의 각 층은, 외층의 두께가 인접하는 내층의 두께보다 작은 것이 바람직하다. 이는 기공이 작은 외층일수록 원수의 통과속도가 느려 여과 시간이 길어지므로 그 두께를 내층보다 작게 하는 것이 기능면에서나 경제적인 면에서 효과적이기 때문이다.Moreover, it is preferable that the thickness of each layer of the ceramic filter of this invention is smaller than the thickness of the inner layer which adjoins. This is because the smaller the pore outer layer is, the slower the passage speed of the raw water, the longer the filtration time, so that the thickness is smaller than the inner layer, which is effective in terms of functions and economics.
본 발명의 세라믹 필터의 세라믹 지지층은 압출 성형으로 형성되고, 세라믹 코팅층은 주입 성형(slip casting)으로 형성된다. 세라믹 지지층은 지지체를 형성하기 위한 압출성형이 바람직하나, 세라믹 코팅층은 슬러리상 분체의 안정화된 해 교를 통해 균일한 결정구조 및 기공구조를 형성하는데 유리한 주입성형 방법이 바람직하다.The ceramic support layer of the ceramic filter of the present invention is formed by extrusion molding, and the ceramic coating layer is formed by slip casting. Preferably, the ceramic support layer is extrusion molded to form a support, but the ceramic coating layer is preferably an injection molding method which is advantageous for forming a uniform crystal structure and pore structure through stabilized solution of the slurry phase powder.
구체적인 일실시예로서, 세라믹 지지층은 압출 성형되고, 1350℃~1450℃에서 110분~130분 소성하여 형성되며, 제 1 세라믹 코팅층은 주입 성형되고, 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 형성되고, 제 2 세라믹 코팅층은 주입 성형되고, 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 본 발명의 세라믹 필터가 형성된다.As a specific example, the ceramic support layer is extruded and formed by baking at 1350 ° C to 1450 ° C for 110 minutes to 130 minutes, and the first ceramic coating layer is injection molded and baked at 1300 ° C to 1350 ° C for 110 minutes to 130 minutes. And the second ceramic coating layer is injection molded and calcined at 1300 ° C to 1350 ° C for 110 minutes to 130 minutes to form the ceramic filter of the present invention.
또한, 표층은 제 2 세라믹 코팅층 표면에 주입 성형되고, 1150℃~1250℃에서 110분~130분 소성하여 형성된다.In addition, the surface layer is injection-molded on the surface of the second ceramic coating layer, and is formed by baking at 1150 ° C to 1250 ° C for 110 minutes to 130 minutes.
본 발명의 세라믹 필터의 각 층을 형성하는 세라믹 분체는 알루미나 분말인 것이 바람직하다.It is preferable that the ceramic powder which forms each layer of the ceramic filter of this invention is an alumina powder.
또한, 본 발명의 세라믹 필터의 원통 내부 공간에는, 맥반석 또는 전기석(tormaline) 재질이며, 직경이 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 향균볼이 채워질 수 있다. 이를 통하여 필터의 향균 기능을 보다 증대시킬 수 있다.In addition, the inner space of the cylinder of the ceramic filter of the present invention may be filled with antimicrobial balls having an elvan or tourmaline material, a diameter of 2 to 20 mm, and a porosity of 35% or more. Through this, the antibacterial function of the filter can be further increased.
또한 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터를 이용한 정수시스템은, 복수의 필터가 연결되어 이루어지는 정수시스템으로서, 전처리 필터; 전술한 특징을 적어도 하나 이상 구비하고 있는 비대칭 다층 세라믹 필터; 및 후처리 필터;를 포함하고,전처리 필터, 비대칭 다층 세라믹 필터, 후처리 필터가 순차적으로 연결된다.In addition, the water purification system using the asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention is a water purification system formed by connecting a plurality of filters, the pre-treatment filter; An asymmetric multilayer ceramic filter having at least one of the foregoing features; And a post-treatment filter, wherein the pretreatment filter, the asymmetric multilayer ceramic filter, and the post-treatment filter are sequentially connected.
이때, 전처리 필터는 침전필터(sediment filter), 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이고, 후처리 필터는 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이다. 전처리 필터를 통해서는 불순물을 제거하거나 염소를 여과하게 되며, 후처리 필터 를 통해서는 물에 스며든 불쾌한 맛, 색소 등을 제거하여 깨끗한 물맛을 되살릴 수 있게 된다.In this case, the pretreatment filter is at least one of a sediment filter, a carbon filter, and a compressed carbon filter, and the post treatment filter is at least one of a carbon filter and a compressed carbon filter. The pretreatment filter removes impurities or filters chlorine, and the post-treatment filter removes unpleasant tastes, pigments, etc., which have soaked in the water, and restores clean water taste.
또한, 본 발명의 정수 시스템은 정수 저장통을 더 포함하고, 후처리 필터가 정수 저장통에 연결되며, 정수 저장통에는 맥반석 또는 전기석 재질이며, 직경이 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 향균볼이 채워져 있는 것이 바람직하다. 이로써, 정수된 물이 정수통에서 장시간 머무르게 되는 경우에도 물의 오염을 방지할 수 있다.In addition, the purified water system of the present invention further comprises a purified water reservoir, the post-treatment filter is connected to the purified water reservoir, the purified water reservoir is made of elvan or tourmaline material, the diameter of 2 ~ 20mm, the porosity is more than 35% filled with antibacterial ball It is desirable to have. Thereby, even if the purified water stays in the purified water container for a long time, contamination of the water can be prevented.
본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터를 제조하는 방법은, (a) 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성하는 단계; 및 (b) 세라믹 분말의 크기가 이전 단계보다 1/5~1/20인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여, 내층의 표면에 주입 성형한 후 소성하여 세라믹 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하며, 최외각층의 평균 기공 크기가 40nm~0.2㎛이 되도록 (b) 단계를 적어도 1회 이상 수행하게 된다.The method for producing an asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention comprises the steps of: (a) filling, mixing, and extruding ceramic powder to form a cylindrical ceramic support layer; And (b) filling and mixing the ceramic powder having a size of 1/5 to 1/20 of the ceramic powder than the previous step, and injection molding the surface of the inner layer to form a ceramic coating layer. Step (b) is performed at least once so that the average pore size of each layer is 40 nm to 0.2 μm.
본 발명의 구체적인 일실시예에 따르면, (a) 단계는 직경이 25㎛~35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 1350℃~1450℃에서 110분~130분 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성하고, (b) 단계는 (b-1) 직경이 2.5㎛~3.5㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 세라믹 지지층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 1 세라믹 코팅층을 형성하는 단계 및, (b-2) 직경이 0.25㎛~0.35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 1 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 2 세 라믹 코팅층을 형성하는 단계로 이루어진다.According to a specific embodiment of the present invention, the step (a) is extrusion-molded by mixing and mixing the ceramic powder having a diameter of 25㎛ ~ 35㎛ and then fired 110 minutes to 130 minutes at 1350 ℃ ~ 1450 ℃ cylindrical ceramic Forming the support layer, (b) step (b-1) after filling and mixing the ceramic powder having a diameter of 2.5㎛ ~ 3.5㎛ by injection molding on the surface of the ceramic support layer 110 minutes ~ 130 at 1300 ℃ ~ 1350 ℃ Powder firing to form a first ceramic coating layer, and (b-2) filling and mixing a ceramic powder having a diameter of 0.25 μm to 0.35 μm, and injection molding the surface of the first ceramic coating layer to 1300 ° C. to 1350 ° C. 110 minutes to 130 minutes of baking to form a second ceramic coating layer.
또한, (b-2) 단계 이후에, (b-3) 직경이 50nm~70nm인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 2 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1150℃~1250℃에서 110분~130분 소성하여 표층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, after step (b-2), (b-3) filling and mixing the ceramic powder having a diameter of 50 nm to 70 nm, and injection molding the surface of the second ceramic coating layer, and then forming the powder at 110 minutes at 1150 ° C to 1250 ° C. The method may further include forming a surface layer by baking for 130 minutes.
전술한 (b) 단계 이후에는, (c) AgNO3 분위기에서 은 나노 입자가 증착되어 600℃~900℃에서 열처리하는 단계를 더 포함하여 은 나노 입자를 각 층 전체에 증착하게 된다. 이러한 은 나노 입자 증착 단계는 세라믹 필터의 각 층을 형성할 때 마다 각 층마다 각각 수행될 수도 있다.After step (b) above, (c) AgNO 3 The silver nanoparticles are deposited in an atmosphere, and the silver nanoparticles are deposited on each layer, further including the step of heat treatment at 600 ° C to 900 ° C. This silver nanoparticle deposition step may be performed for each layer each time to form each layer of the ceramic filter.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 구체적으로 설명한다. 이하에서 설명하는 실시예는 본 발명의 특징적인 기술적 사상을 구체화하는 일례를 서술하는 것이며 본 발명의 기술분야의 평균적 기술자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in detail. The embodiments described below describe one example of embodying the technical features of the present invention, and those skilled in the art will appreciate that various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명의 세라믹 필터는 원통 형상의 세라믹 지지층 및 세라믹 지지층 표면에 적층된 적어도 하나의 세라믹 코팅층을 포함하여 이루어진다. 즉, 원통형의 다층(muti-layer) 구조를 가지며, 각 층은 기공 크기나 두께가 다른 비대칭 구조를 갖고 있다.The ceramic filter of the present invention comprises a cylindrical ceramic support layer and at least one ceramic coating layer laminated on the surface of the ceramic support layer. That is, it has a cylindrical muti-layer structure, and each layer has an asymmetric structure with different pore sizes and thicknesses.
도 1a는 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터의 일례를 나타낸 것이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터의 다층 구조를 나타내는 도면이다. 또한, 도 2 내지 도 4는 비대칭 다층 세라믹 필터의 세부 구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.FIG. 1A illustrates an example of an asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention, and FIG. 1B illustrates a multilayer structure of an asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention. 2 to 4 are electron micrographs showing the detailed structure of the asymmetric multilayer ceramic filter.
도 1b에는 원통의 내부로부터 지지층(support), 제 1 코팅층(1st coating layer), 제 2 코팅층(2nd coating layer) 및 제 3 코팅층인 표층(top layer)으로 이루어진 다층 구조가 나타나 있다.FIG. 1B shows a multilayered structure consisting of a support layer, a first coating layer, a second coating layer, and a top layer, which is a third coating layer, from the inside of the cylinder.
본 발명에서 세라믹 코팅층(표층 포함)은 적어도 하나 이상이 형성될 수 있다. 따라서, 도 1b에서 제 2 코팅층(2nd coating layer) 또는 제 3 코팅층인 표층(top layer)이 생략될 수도 있으며, 세라믹 코팅층이 더 추가될 수도 있다. In the present invention, at least one ceramic coating layer (including surface layer) may be formed. Therefore, in FIG. 1B, a top layer, which is a second coating layer or a third coating layer, may be omitted, and a ceramic coating layer may be further added.
도 1b에 도시된 바와 같이, 각 층 내에 기공은 균일한 크기를 가지나, 각 층 사이의 기공 크기는 지지층에서 표층으로 갈수록 작아지며, 물은 원통 내부에서 외부로 이동하면서 정수된다. As shown in FIG. 1B, the pores in each layer have a uniform size, but the pore size between each layer becomes smaller from the support layer to the surface layer, and water is purified as it moves from inside the cylinder to outside.
이러한 비대칭 다층 구조로 인하여, 원통 내부에서 외부로 물이 이동하면서 각 층별로 여과되는 물질의 크기에 따라 선택적으로 여과될 수 있고 다양한 크기의 불순물을 여과할 수 있다. 또한, 각 층간 계면에서는 유체의 병목 현상에 따른 압력효과에 의해 물질 여과 효과를 증대시킬 수 있다. 즉, 외층의 기공이 인접하는 내층의 기공보다 작으므로 각 층의 계면에서는 물이 이동하는 통로가 갑자기 좁아지는 병목현상이 발생하며, 이로 인하여 경계면에서는 물의 진행방향을 방해하는 방향으로 압력이 발생하고 그 결과 물질의 여과 효과를 높일 수 있게 된다. 이는 갑자기 좁아지는 하수 구멍 주위에 미세한 물질들이 달라붙어 여과되는 현상과 유사한 것이다.Due to this asymmetrical multilayer structure, the water can be selectively filtered according to the size of the material to be filtered for each layer as the water moves from inside to outside of the cylinder, and impurities of various sizes can be filtered out. In addition, at the interface between the layers it is possible to increase the material filtration effect by the pressure effect according to the bottleneck of the fluid. That is, since the pores of the outer layer are smaller than the pores of the adjacent inner layer, a bottleneck occurs in which the passage of water suddenly narrows at the interface of each layer, and thus pressure is generated in the direction that obstructs the direction of water movement at the interface. As a result, the filtration effect of the substance can be enhanced. This is similar to the phenomenon in which fine materials adhere to and filter around sewage holes that suddenly narrow.
각 층 사이의 기공 크기의 차이가 너무 작으면 전술한 압력효과를 기대하기 어려우며, 기공 크기의 차이가 너무 크면 경계면에서 물의 진행 속도가 너무 늦어져 오히려 정수효율을 저하시키게 된다. 본 발명의 세라믹 필터의 각 층 사이의 기공 크기의 비율은 실험적으로 외층의 평균 기공 크기가 인접한 내층의 평균 기공 크기의 1/5~1/20인 것이 바람직하다.If the difference in pore size between each layer is too small, it is difficult to expect the above-mentioned pressure effect, and if the difference in pore size is too large, the rate of water progressing at the interface is too slow to decrease the water purification efficiency. It is preferable that the ratio of the pore size between each layer of the ceramic filter of this invention experimentally averages the pore size of the outer layer to 1/5-1/20 of the average pore size of the adjacent inner layer.
본 발명에서 세라믹 코팅층이 하나이거나 복수이더라도 최외각층의 평균 기공 크기는 가능한 가장 작은 크기일수록 바람직하나, 현재 제조 가능한 한도 내에서 약 40nm~0.2㎛인 것이 바람직하다. In the present invention, even if there is one or more ceramic coating layers, the average pore size of the outermost layer is preferably the smallest possible size, but is preferably about 40 nm to 0.2 μm within the limits that can be manufactured.
도 1b에 도시된 1-3 layer 구조인 경우, 본 발명의 일실시예에 따르면, 세라믹 지지층은 평균 기공 크기가 25㎛~35㎛, 제 1 세라믹 코팅층은 평균 기공 크기가 2㎛~3㎛, 제 2 세라믹 코팅층은 평균 기공 크기가 0.1㎛~0.2㎛인 것이 바람직하며, 표층은 평균 기공 크기가 45nm~55nm인 것이 바람직하다.In the case of the 1-3 layer structure shown in FIG. 1B, the ceramic support layer has an average pore size of 25 μm to 35 μm, and the first ceramic coating layer has an average pore size of 2 μm to 3 μm, The second ceramic coating layer preferably has an average pore size of 0.1 μm to 0.2 μm, and the surface layer preferably has an average pore size of 45 nm to 55 nm.
본 발명의 세라믹 필터의 각 층은, 외층의 두께가 인접하는 내층의 두께보다 작은 것이 바람직하다. 이는 기공이 작은 외층일수록 원수의 통과속도가 느려 여과 시간이 길어지므로 그 두께를 내층보다 작게 하는 것이 기능면에서나 경제적인 면에서 효과적이기 때문이다.It is preferable that the thickness of each layer of the ceramic filter of this invention is smaller than the thickness of the inner layer which adjoins. This is because the smaller the pore outer layer is, the slower the passage speed of the raw water, the longer the filtration time, so that the thickness is smaller than the inner layer, which is effective in terms of functions and economics.
본 발명의 세라믹 필터의 각 층은 그 체적 전체에 분포되어 있는 은 나노 입자를 포함하고 있다. 본 발명에서 은 코팅 방법은 스퍼터링이나 이온 클러스터 방식보다는 화학증착 방식이 보다 바람직하다. Each layer of the ceramic filter of the present invention contains silver nanoparticles distributed throughout its volume. In the present invention, the silver coating method is more preferably a chemical vapor deposition method than the sputtering or ion cluster method.
본 발명의 일실시예에서는, AgNO3의 환원 분위기에서 은 나노 입자를 증착시켜 코팅한다. 이 경우 은 나노 입자는 상대적으로 표면 에너지가 높은 기공 주변 입계면이나 각 층 사이의 계면에 집중적으로 증착되게 된다. 따라서, 코팅된 은 나노 입자는 물이 이동하는 기공 주변이나 물의 이동속도가 낮아 상대적으로 오래 머무를 수 있는 각 층의 경계면에 집중적으로 분포하게 되어 구조적으로 향균 효과를 더 높일 수 있다.In one embodiment of the present invention, silver nanoparticles are deposited by coating in a reducing atmosphere of AgNO 3 . In this case, the silver nanoparticles are concentrated on the grain boundary surface around the pores with high surface energy or at the interface between the layers. Therefore, the coated silver nanoparticles are distributed around the pores around which the water moves or the movement speed of the water is low, so that the silver nanoparticles are concentrated on the boundary surface of each layer that can stay relatively long, thereby improving the antibacterial effect structurally.
도 4는 본 발명의 세라믹 필터의 세라믹 코팅층에 은 나노 입자가 증착되어 있는 상태를 나타내는 전자현미경 사진이다.4 is an electron micrograph showing a state in which silver nanoparticles are deposited on the ceramic coating layer of the ceramic filter of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 코팅된 은 나노 입자는 기공 주변의 입계면에 집중적으로 분포하고 있는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, it can be seen that the coated silver nanoparticles are concentrated in the grain boundary around the pores.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 비대칭 다층 세라믹 필터의 향균 테스트 결과를 나타낸 것이다. 테스트는 은 나노 입자가 0.5%가 증착된 본 발명의 세라믹 필터를 일반적인 세라믹 필터를 이루는 세라믹 다공체와 비교하였으며, 배양균은 대장균 및 황색포도상구균을 이용하였다. 실험조건은.....Figure 5 shows the antibacterial test results of the asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention. In the test, the ceramic filter of the present invention, in which 0.5% of the silver nanoparticles were deposited, was compared with the ceramic porous body constituting the general ceramic filter, and the cultured bacteria were Escherichia coli and Staphylococcus aureus. Experimental conditions ...
도 5에 도시된 바와 같이, 세라믹 다공체에 비하여 은 나노 입자가 증착된 본 발명의 세라믹 필터가 향균성이 보다 뛰어나다는 것을 쉽게 알 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be easily seen that the ceramic filter of the present invention, in which silver nanoparticles are deposited, is more antibacterial than the ceramic porous body.
본 발명의 세라믹 필터의 원통 내부 공간에는, 향균볼을 채워 향균 효과를 높일 수도 있다. 본 발명의 향균볼은 맥반석 또는 전기석(tormaline) 재질이며, 직경은 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 것이 바람직하다. The antibacterial effect can also be enhanced by filling the antibacterial ball in the cylindrical inner space of the ceramic filter of the present invention. The antibacterial ball of the present invention is an elvan or tourmaline (tormaline) material, the diameter is 2 ~ 20mm, the porosity is preferably 35% or more.
이하에서는 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터의 제조 방법에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention will be described in detail.
본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터를 제조하는 방법은, (a) 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성하는 단계 및 (b) 세라믹 분말의 크기가 이전 단계보다 1/5~1/20인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여, 내층의 표면에 주입 성형한 후 소성하여 세라믹 코팅층을 형성하는 단계로 이루어지며, 최외각층의 평균 기공 크기가 40nm~0.2㎛이 되도록 상기 (b) 단계를 적어도 1회 이상 수행하게 된다. The method of manufacturing the asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention comprises the steps of (a) filling and mixing the ceramic powder, extruding and calcining to form a cylindrical ceramic support layer, and (b) the ceramic powder has a size greater than that of the previous step. Filling and mixing the ceramic powder of / 5 ~ 1/120, injection molding on the surface of the inner layer and then firing to form a ceramic coating layer, so that the average pore size of the outermost layer is 40nm ~ 0.2㎛ b) performing at least one step.
본 발명에서 세라믹 분말은 알루미나 분말을 사용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the ceramic powder is preferably used alumina powder.
본 발명의 세라믹 필터의 세라믹 지지층은 압출 성형된 후 소성되며, 세라믹 코팅층은 주입 성형(slip casting)된 후 소성된다. 세라믹 지지층은 지지체를 형성하기 위한 압출성형이 바람직하나, 세라믹 코팅층은 슬러리상 분체의 안정화된 해교를 통해 균일한 결정구조 및 기공구조를 형성하는데 유리한 주입 성형 방식이 바람직하다.The ceramic support layer of the ceramic filter of the present invention is extruded and fired, and the ceramic coating layer is slip casted and fired. The ceramic support layer is preferably extrusion molded to form a support, but the ceramic coating layer is preferably an injection molding method which is advantageous for forming a uniform crystal structure and pore structure through stabilized peptizing of slurry phase powder.
주입 성형은 분말과 분산매를 혼합하여 슬립을 제조한 후 석고몰드의 모세관힘(삼투압)을 이용하여 성형하는 방법을 말한다. 세라믹 분말을 슬러리화하면 분말 입자들의 분산이 용이하여 편리 및 불균일성이 감소하므로, 균일한 기공 형성이 필요한 본 발명에 적합하다. 또한 주입 성형은 압축 성형보다 입자 충전 변화(ΔPF)가 작아 소성시 보다 안정적인 결정 구조를 가질 수 있다.Injection molding refers to a method of forming a slip by mixing a powder and a dispersion medium, and then molding using a capillary force (osmotic pressure) of the gypsum mold. Slurrying the ceramic powder facilitates dispersion of the powder particles, reducing convenience and non-uniformity, and is suitable for the present invention requiring uniform pore formation. In addition, the injection molding may have a more stable crystal structure upon firing because the change in particle filling (ΔPF) is smaller than that of compression molding.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터 제조 방법의 흐 름도이다. 본 발명의 일실시예에서는, 세라믹 지지층을 압출 성형하여 소성하는 단계(S110), 제 1 세라믹 코팅층을 주입 성형하여 소성하는 단계(S130), 제 2 세라믹 코팅층을 주입 성형하여 소성하는 단계(S150), 표층을 주입 성형하여 소성하는 단계(S170) 및 은 나노 입자를 증착하여 코팅하는 단계(S190)로 수행된다.9 is a flow chart of a method for manufacturing an asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention. In one embodiment of the present invention, the step of firing by extrusion molding the ceramic support layer (S110), the step of firing by injection molding the first ceramic coating layer (S130), the step of injection molding and firing the second ceramic coating layer (S150) , Injection molding the surface layer and baking (S170) and depositing and coating silver nanoparticles (S190).
구체적인 일실시예에 의하면, 상기 S110 단계에서는, 직경이 25㎛~35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 압출 성형한 후 1350℃~1450℃에서 110분~130분 소성하여 원통형의 세라믹 지지층을 형성한다. 다음으로, S130 단계에서는, 직경이 2.5㎛~3.5㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 세라믹 지지층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 1 세라믹 코팅층을 형성한다. 다음으로 S150 단계에서는, 직경이 0.25㎛~0.35㎛인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 1 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1300℃~1350℃에서 110분~130분 소성하여 제 2 세라믹 코팅층을 형성한다. 다음으로 S170 단계에서는, 직경이 50nm~70nm인 세라믹 분말을 충전 및 혼합하여 상기 제 2 세라믹 코팅층의 표면에 주입 성형한 후 1150℃~1250℃에서 110분~130분 소성하여 표층을 형성한다.According to a specific embodiment, in the step S110, after filling and mixing the ceramic powder having a diameter of 25㎛ ~ 35㎛ by extrusion molding to form a cylindrical ceramic support layer by firing 110 ~ 130 minutes at 1350 ℃ ~ 1450 ℃ do. Next, in step S130, by filling and mixing the ceramic powder having a diameter of 2.5㎛ ~ 3.5㎛ by injection molding on the surface of the ceramic support layer and then calcined 110 minutes to 130 minutes at 1300 ℃ ~ 1350 ℃ to form a first ceramic coating layer Form. Next, in the step S150, after filling and mixing the ceramic powder having a diameter of 0.25㎛ ~ 0.35㎛ injection molding on the surface of the first ceramic coating layer and then calcined 110 minutes to 130 minutes at 1300 ℃ ~ 1350 ℃ second ceramic coating layer To form. Next, in step S170, by filling and mixing the ceramic powder having a diameter of 50nm ~ 70nm and injection molding on the surface of the second ceramic coating layer and then baked at 1150 ℃ 1250 ℃ 110 minutes ~ 130 minutes to form a surface layer.
상기 각 단계에서 알루미나 분말을 충전시킨 후 물과 혼합하게 되는데, 보다 고밀도로 충전하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 충전시 진동을 가하는 것도 바람직하다. 충전 후 알루미나 분말 40~50vol%, 물 50~60vol%를 혼합하여 성형하게 된다. 주입 성형에서는 해교제로서 폴리아크릴산 암모니아나 구연산 나트륨을 사용하는 것이 바람직하며, 결합제로서는 Na CMC 등이 사용될 수 있다.After filling the alumina powder in each step is mixed with water, it is preferable to fill at a higher density, it is also preferable to apply a vibration during the filling. After filling, the mixture is molded by mixing 40 to 50 vol% of alumina powder and 50 to 60 vol% of water. In injection molding, it is preferable to use ammonia polyacrylate or sodium citrate as a peptizing agent, and Na CMC or the like may be used as a binder.
다음으로 S190 단계는 AgNO3 환원 분위기에서 은 나노 입자를 증착시켜 600℃~900℃에서 열처리한다.Next, the S190 stage is AgNO 3 The silver nanoparticles are deposited in a reducing atmosphere and heat treated at 600 ° C to 900 ° C.
본 발명에서 은 나노 입자를 증착하여 코팅하는 단계는 전술한 실시예와 달리 세라믹 필터의 각 층을 형성하는 단계마다 AgNO3 환원분위기에서 은 나노 입자를 증착시켜 600℃~900℃에서 열처리할 수도 있다.In the present invention, the step of depositing and coating the silver nanoparticles is different from the above-described embodiment in each step of forming each layer of the ceramic filter AgNO 3 Silver nanoparticles may be deposited in a reducing atmosphere and heat treated at 600 ° C to 900 ° C.
전술한 바와 같이 본 발명은 세라믹 필터를 다층으로 형성하고 각 층의 형성 단계마다 해당 크기의 세라믹 분말을 분류하고 선택하여 성형 및 소성하는 방식을 채택하여 종래 세라믹 필터에 비해 균일한 결정입자 및 기공 구조를 갖게 된다.As described above, the present invention adopts a method of forming a ceramic filter in multiple layers and classifying, selecting, molding, and firing ceramic powders of a corresponding size in each step of forming each layer, so that the crystal grains and pore structure are more uniform than conventional ceramic filters. Will have
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 비대칭 다층 세라믹 필터의 세라믹 코팅층을 기존 세라믹 필터들과 비교한 전자현미경 사진이며, 도 7a는 종래 중고사막 필터 및 종래 세라믹 필터의 세부구조를 도 7b는 본 발명의 일실시예 의한 비대칭 다층 세라믹 필터의 세부구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.6 is an electron micrograph comparing a ceramic coating layer of an asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention with conventional ceramic filters, and FIG. 7A illustrates a detailed structure of a conventional used desert filter and a conventional ceramic filter. Electron micrograph showing the detailed structure of an asymmetric multilayer ceramic filter according to one embodiment of the invention.
도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터(AML)는 종래 세라믹 필터의 일종인 세라믹 파이나 카타딘 필터 또는 중공사막 필터에 비해 결정입자 및 기공 구조가 균일하게 형성되어 있음을 알 수 있다.As shown in Figures 6 and 7, the asymmetric multilayer ceramic filter (AML) of the present invention has a uniform crystal grain and pore structure than the ceramic wave, catadine filter or hollow fiber membrane filter, which is a kind of conventional ceramic filter. Able to know.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터와 기존 세라믹 필터들의 사용 시간에 따른 정수량을 비교한 그래프이다.8 is a graph comparing the amount of purified water according to the use time of the asymmetric multilayer ceramic filter and the conventional ceramic filters according to an embodiment of the present invention.
도 8에 나타난 바와 같이, 종래 세라믹 필터(CFA, CFB, CFC)는 50 내지 150 시간의 사용 기간에서도 정수량이 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 그러나 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터(AML)는 사용 시간이 1000시간을 경과한 경우에도 정수량의 감소가 완만하며, 일정수준의 정수량을 유지하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 세라믹 필터는 종래 세라믹 필터에 비해 장시간 동안 필터 기능을 유지하고 있으며, 역세척이 가능하므로 반 영구적으로 사용할 수 있다.As shown in Figure 8, it can be seen that the conventional ceramic filters (CFA, CFB, CFC) is a sharp decrease in the amount of purified water even during the 50 to 150 hours of use. However, it can be seen that the asymmetric multilayer ceramic filter (AML) of the present invention has a moderate decrease in the amount of purified water and maintains a constant level of purified water even after 1000 hours of use. As such, the ceramic filter of the present invention maintains the filter function for a long time as compared with the conventional ceramic filter, and can be used semi-permanently because back washing is possible.
이하에서는, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터를 이용한 정수 시스템에 대하여 자세히 설명한다.Hereinafter, a water purification system using the asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention will be described in detail.
본 발명의 정수 시스템은, 복수의 필터가 연결되어 이루어지며, 전처리 필터, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터 및 후처리 필터를 포함하여 구성되고, 전처리 필터, 비대칭 다층 세라믹 필터, 후처리 필터가 순차적으로 연결되어 이루어진다. 본 발명의 정수 시스템은 메인 필터의 전 후에 전/후처리 필터를 연결하여 보다 완전한 정수 시스템을 이룬다.The water purification system of the present invention comprises a plurality of filters connected to each other, and comprises a pretreatment filter, an asymmetric multilayer ceramic filter and a posttreatment filter of the present invention, and a pretreatment filter, an asymmetric multilayer ceramic filter, and a posttreatment filter are sequentially Is connected. The water purification system of the present invention forms a more complete water purification system by connecting pre / post treatment filters before and after the main filter.
이때, 전처리 필터는 침전필터(sediment filter), 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이고, 후처리 필터는 카본필터, 압축카본필터 중 적어도 하나이다. 전처리 필터를 통해서는 불순물을 제거하거나 염소를 여과하게 되며, 후처리 필터를 통해서는 물에 스며든 불쾌한 맛, 색소 등을 제거하여 깨끗한 물맛을 되살릴 수 있게 된다.In this case, the pretreatment filter is at least one of a sediment filter, a carbon filter, and a compressed carbon filter, and the post treatment filter is at least one of a carbon filter and a compressed carbon filter. The pretreatment filter removes impurities or filters chlorine, and the post-treatment filter removes unpleasant tastes, pigments, etc., which have soaked in the water, to restore clean water taste.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 다층 세라믹 필터를 이용한 정수시스템을 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 비대칭 다층 세라믹 필터에 연결된 전처리 필터는 sediment filter 및 pre-carbon filter이며, 후처리 필터로서 post-carbon filter가 연결되어 있다.10 is a view showing a water purification system using an asymmetric multilayer ceramic filter according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, the pretreatment filter connected to the asymmetric multilayer ceramic filter of the present invention is a sediment filter and a pre-carbon filter, and a post-carbon filter is connected as a post treatment filter.
또한, 후처리 필터는 정수 저장통(냉수통 또는 온수통)에 연결되고, 정수 저장통에는 향균볼을 채워 넣는 것이 바람직하다. 본 발명의 향균볼은 맥반석 또는 전기석 재질이며, 직경이 2~20mm이고, 기공률이 35% 이상인 것이 바람직하다. 이로써, 정수된 물이 정수통에서 장시간 머무르게 되는 경우에도 물의 오염을 방지할 수 있다.In addition, the post-treatment filter is connected to a purified water reservoir (cold water tank or hot water tank), it is preferable to fill the antibacterial ball in the purified water reservoir. The antimicrobial ball of the present invention is an elvan or tourmaline material, the diameter is 2 to 20mm, the porosity is preferably 35% or more. Thereby, even if the purified water stays in the purified water container for a long time, contamination of the water can be prevented.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, the optimum embodiment has been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
이상에서와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의해, 기공 크기를 달리하는 비대칭 다층 필터 구조를 창안하여 종래 세라믹 필터보다 여과 기능을 개선하고 사용 시간이 경과하여도 정수량을 유지하며 역세척이 가능하여 반 영구적 사용이 가능한 새로운 구조의 세라믹 필터를 제공할 수 있다.According to the present invention having the characteristics as described above, by creating an asymmetric multilayer filter structure having a different pore size to improve the filtration function than the conventional ceramic filter, maintain the amount of purified water even after the use time is possible to backwash semi-permanent It is possible to provide a new ceramic filter that can be used.
또한, 구조적으로 향균 기능을 높일 수 있도록 은 나노 입자를 코팅하는 방 법을 개선하고 향균볼을 추가적으로 도입하여 향균 기능이 더욱 향상된 세라믹 필터를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a ceramic filter with improved antibacterial function by improving the method of coating the silver nanoparticles so as to structurally increase the antibacterial function and by additionally introducing an antibacterial ball.
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