KR20160069678A - 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 및 여과재 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 및 여과재 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물 혼합 및 페놀수지 함침에 따른 성형 여과재로써, 기존 여과재의 대체 물질로 활용 가능하며, 고온 소성에 따른 활성화를 통하여 기존 여과재보다 우수한 여과력 및 우수한 흡착력이 가능하고, 페놀수지 바인더 사용에 따른 탄소수율 증가로 여과처리의 기능을 개선시킬 수 있으며, 기존 입상 여층의 여과재 사용에 따른 문제점을 개선시키고자 탄소성분을 함유한 유기물 또는 폐목재에 의해 입자의 크기를 크게 성형 제조함으로써 적정 유효경 및 균등계수 등의 조정을 통하여 고효율 여과처리가 가능한 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 및 여과재 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물 혼합 및 페놀수지 함침에 따른 성형 여과재로써, 기존 여과재의 대체 물질로 활용 가능하며, 고온 소성에 따른 활성화를 통하여 기존 여과재보다 우수한 여과력 및 우수한 흡착력이 가능하고, 페놀수지 바인더 사용에 따른 탄소수율 증가로 여과처리의 기능을 개선시킬 수 있는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 및 여과재 제조방법에 관한 것이다.
인구의 도시집중화 및 대도시화 등으로 인한 생활하수 발생량의 급증은 곧바로 공공수역의 수질악화로 연결되고 있다. 특히 우리나라는 가용 수원으로서 지표수에 대한 의존도가 90%에 이르므로, 호수나 저수지 또는 하천 등의 수질보전이 취수용 원수 보호 측면에서 매우 중요한 의미를 가지고 있다.
특히 질소와 인(Phosphorus)을 포함한 유출수는 호수와 저수지의 부영양화를 가속시킬 수 있어 하수나 폐수의 배출 시 특히 주의하여야 할 주요 영양염류이다. 이에 따라 산업폐수, 가축분뇨, 침출수, 하수, 오수, 등의 유출수에 존재하는 질소와 인을 제거하기 위한 여러 가지 효과적인 방법이 모색되고 있다.
상기한 유출수 내에서 질소와 인을 제거하기 위한 여러 가지 생물학적 처리 장치나 공정이 개발되어 있으나, 이러한 장치는 우리나라 실정에 맞지 않아 대부분 효율이 좋지 못하고 고가(高價)이다. 우리나라 오폐수의 경우 유기물 농도가 질소나 인의 농도에 비해 낮고, 특히 산업 폐수에는 질소와 인이 다량 함유된 경우가 많기 때문에 상기한 종래의 처리방법으로 질소나 인을 효과적으로 제거하기 어려운 것이다.
이렇듯, 수처리 공정 중 미세입자를 제거시키는 핵심적인 공정이 여과이다. 가장 일반적인 여과공정은 일정한 입경과 깊이를 갖는 입상여층을 사용한다. 전처리된 여과지 유입수의 현탁 물질은 대부분 여층의 윗부분에서 제거되지만 일부는 여층을 통과하면서 여층 전체에 걸쳐 포착된다.
이때, 일반적인 여과재는 여과방식에 따라 표면여과형과 심층여과형의 두 가지로 분류할 수 있는데, 표면여과형은 오염물질을 여과재의 겉 표면에서 부착 제거하는 방식의 여과재이고, 심층여과형은 오염물질을 여과재의 내부에서 제거하는 방식의 여과재이다.
근래에는 여과성능을 향상시키기 위해 상기의 두 가지 여과방식에 흡착기능이 추가된 새로운 여과방식의 여과재에 대한 연구가 활발하며, 최근 수질 및 대기환경 개선과 실생활에 편하고 널리 활용할 수 있는 흡착 및 여과성능이 우수한 새로운 형태의 기능성 여과재 연구가 많이 이루어지고 있다.
여러 여과재 중 소결 여과재의 연구가 활발한데, 소결 여과재는 일종의 심층여과형의 여과재라고 할 수 있는 것으로, 종래의 소결 여과재로는 크게 세라믹(무기물)소결 여과재와 고분자 소결 여과재로 나눌 수 있는데, 세라믹 소결 여과재는, 무기물 입자를 1000℃ 이상의 초고온에서 가열 가압하여 성형함으로써 제조한다.
하지만 종래의 무기물 소결 여과재는, 1000℃ 이상의 초고온에서 소결공정을 수행하기 때문에 제조원가가 매우 높아서 일반적인 전처리 여과재로서 사용하기에는 어려운 실정이었고, 또한 여과기능도 단순하여 다양한 용도로 사용하기에는 많은 제한이 있었으며, 여과성능도 더욱 개선될 필요가 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,
점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물 혼합 및 페놀수지 함침에 따른 성형 여과재로써, 기존 여과재의 대체 물질로 활용 가능하며, 고온 소성에 따른 활성화를 통하여 기존 여과재보다 우수한 여과력 및 우수한 흡착력이 가능하고, 페놀수지 바인더 사용에 따른 탄소수율 증가로 여과처리의 기능을 개선시킬 수 있는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 및 여과재 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 기존 입상 여층의 여과재 사용에 따른 문제점을 개선시키고자 탄소성분을 함유한 유기물 또는 폐목재에 의해 입자의 크기를 크게 성형 제조함으로써 적정 유효경 및 균등계수 등의 조정을 통하여 고효율 여과처리가 가능한 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 및 여과재 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물에 바인더를 혼합하여 성형 제작되는 여과재로써, 점토광물 85 ~ 90 중량%와, 탄소성분을 함유한 유기물 5~ 10 중량%와, 바인더 5 ~ 10 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물을 준비하는 단계(S100);
상기 준비된 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물에 바인더를 넣어 혼합하는 단계(S200);
상기 혼합된 혼합물을 성형기에서 원하는 형상으로 성형하는 단계(S300);
상기 성형된 성형물을 고온로에서 800 ~ 1500℃의 온도로 1 ~ 3시간에 걸쳐 가열하여 활성화(ACTIVATION)시키는 단계(S400);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 제조방법에 관한 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 및 여과재 제조방법은 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물을 페놀수지에 의해 혼합하여 제조됨으로써, 여러 가지 여과기능을 발휘하여 다양한 용도로 사용할 수 있고, 친환경적으로 여과능력이 우수하며, 내열성 및 내약품성 등의 물성이 우수하여 용도의 제한이 거의 없고, 저렴한 비용으로 용이하게 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 여과재의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 여과재의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재는 무기물 미립자 점토광물에 바인더를 사용하여 생성하는 무기물 소결 여과재로써, 특히 다양한 용도로 사용가능하면서도 여과능력 및 기계적 물성이 우수하고, 저렴한 비용으로 용이하게 제조할 수 있는 무기물 소결 여과재이다.
여기서, 상기 무기물 소결 여과재는 점토광물 85 ~ 90 중량%와, 탄소성분을 함유한 유기물 5~ 10 중량%와, 바인더 5 ~ 10 중량%로 이루어진다.
그리고, 상기 바인더는 페놀수지로 이루어지는데, 상기 페놀수지를 바인더로 사용함으로써, 성형된 여과재에 여과시 부서짐과 마모 등의 현상이 줄어들고 여과재의 강도와 여과능이 높아진다.
또한, 상기 탄소성분을 함유한 유기물은 여과재 내 혼합하는 유기성물질이 고온 소성시 가열에 의하여 기공발달됨에 따라 공극률 확대로 인한 여과능 증대와 유기성 물질 중 탄소성분 활성 확대에 따른 흡착 능을 높이기 위하여 유기성 물질의 재료를 혼합하며, 이런 유기성물질의 재료로는 목재, 톱밥, 파쇄된 폐목재, 왕겨, 수피(bark), 볏집, 활성슬러지, 건조된 음식물 폐기물 및 퇴비, 기타 유기성 물질의 재료 및 독성이 없는 유기성 물질의 폐기물 중 어느 하나를 선택적으로 사용한다.
이렇듯, 상기 점토광물은 적당한 온도로 소성을 하면 소결(sintering)하여 점토광물의 결정구조, 화학조성, 수용액중의 이온종류, 수용액의 농도, pH 및 온도 등에 의하여 흡착반응이 일어나 여과재로서 활용 가능하며, 탄소성분을 함유한 유기물은 주성분인 섬유질(셀룰로오스)는 온도와 시간에 따른 고려에 의해 목탄(활성탄)에 버금가는 재료로서 이용 가능할 것으로 보고되고 있다.
또한, 강도 개선을 위해 사용된 페놀수지는 촉매, 열 또는 압력을 가하면 비가역적 화학반응에 의하여 경화되어 성형에 열, 압력과 적당한 경화시간을 주면 불용, 불융의 성형물을 얻을 수 있다. 경화시 수지가 가교화되면서 강성률이 높아지고 열 및 화학물질에 대한 저항성이 증가하지만 파괴점에서의 신축성과 충격강도는 감소한다.
그리고, 상기 페놀수지는 열 및 화학물질에 대한 안정성이 에폭시 수지에 비하여 우수하며 탄소수율이 55 ~ 65%로 높고, 열변형 온도가 높으며, 고온에서 강도를 그대로 유지하는 장점을 갖고 있기 때문에 용발재 및 마찰재용 탄소복합재료의 결합재로 사용 가능하다.
여기서, 상기 페놀수지의 특성을 살펴보면, 열경화성 수지인 페놀수지는 촉매, 열 또는 압력을 가하며 비가역적 화학반응에 의하여 경화가 된다. 경화시 수지가 가교화되면 강성률이 높아지고 열 및 화학물질에 대한 저항성이 증가하지만 파괴점에서의 신도와 충격강도는 감소한다. 탄소복합재료에 따른 결합재는 주로 사용되는 것은 에폭시, 폴리이미드, 폴리에스터, 페놀 및 퓨란수지 등이며 이들 결합재는 겔단계를 거쳐서 최종적으로 가교화되어 불용, 불융의 무정형 고체가 된다. 페놀수지는 300를 초과하면 열분해를 시작하는데 그때에 많은 코크스상 탄소가 남는다. 그렇기 때문에 전기적 성능속에서의 내아크성은 불량하지만 이 잔류탄소의 기계적 강도나 내열성을 살린 제품도 많이 개발되고 있다. 따라서, 페놀수지는 탄소수율이 55~65%로 높고, 열변형 온도가 높으며, 전기적 특성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강도를 그대로 유지하는 장점을 갖고 있기 때문에 마찰재용 탄소복합재료의 결합재로 적당하다.
또한, 상기 페놀수지는 유리, 규상, 알미나등에 대해서도 뛰어난 접착성을 가지며 내열성도 뛰어나기 때문에 무기질재료의 결합재료서의 수요량은 해마다 증대하고 있다. 예컨대 수용성 레졸은 유리섬유나 석면 섬유의 단열재용 결합제로서 오래전부터 많은 수요가 있으며 최근에는 내한로재용 결합제로서의 수요가 급증하고 있다. 한편 노볼락/헥사민 계의 2단법 수지는 연삭용 레지노이드 지석(숫돌), 주물용 사형(셀몰드)과 같은 고도의 내열성이 요구되는 제품에 대한 내열성 결합제로서 불가결한 공업용 기초자료로 되어 있다. 이것은 열분해 후에 다량으로 남는 코크스상 탄소가 뛰어난 강도를 갖는 것을 이용한 것이며 지석은 강재의 절단이나 연마에, 주물용 사형은 자동차 엔진부품의 주조등에 각각 다량의 수요가 있다. 또한 자동차용 브레이크 라이닝과 같은 마찰재에도, 페놀수지가 그 특성을 살린 결합제로서 사용되고 있다. 그 밖에 실리카등의 무기질의 충전재를 다량으로 배합한 페놀수지는 전구의 마우스피느용 접착제로서, 또한 내산타일의 조인팅용 실리카시멘트로 사용된다.
이렇듯, 상기 여과재는 수처리 여과에 사용될 수 있으며, 수계 비점오염원 처리 등의 수처리 여과재로서 활용 가능하고, 성형 크기 및 모양 등의 조건을 바꾸어 생물바이오 담체로서도 활용 가능하다.
이하에서는 상기에서 기술한 여과재의 제조방법을 도면을 참고하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 제조방법은 우선, 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물을 준비하는데(S100), 여기서, 탄소성분을 함유한 유기물 이외에 폐목재를 사용할 수 있다. 이때, 상기 탄소성분을 함유한 유기물 또는 수거된 폐목재를 알맞은 크기로 파쇄하여 잘라주고, 상기 점토광물은 채거름망을 통해서 설정된 크기의 입자로 준비한다.
그런 다음, 상기 준비된 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물을 혼합하는데, 이때, 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물의 혼합을 용이하게 하기 위해 바인더를 넣어서 혼합하여 혼합물을 생성한다(S200). 여기서, 상기 바인더는 페놀수지로써, 상기 페놀수지는 접착제로써, 그 성능과 역할은 상기에 기술되어 있어 별도로 기술하지 않는다.
그리고, 상기 혼합물은 점토광물 85 ~ 90 중량%와, 탄소성분을 함유한 유기물 또는 파쇄된 폐목재 5~ 10 중량%와, 바인더인 페놀수지 5 ~ 10 중량%로 이루어진다.
이렇게 상기와 같이 이루어진 혼합물은 점토광물 반죽이 가능한 점토광물 반죽기(clay working machine)에 의해 반죽 혼합된다.
그런 다음, 상기 혼합된 혼합물을 성형기에서 원하는 형상으로 성형하는데(S300), 점토광물의 압출성형기에 의해 압출성형하면서 그 형태는 펠렛(pellet)형으로 성형한다.
마지막으로, 상기 성형된 성형물을 고온로에서 800 ~ 1500℃의 온도로 1 ~ 3시간에 걸쳐 가열하여 활성화(ACTIVATION)시킨다(S400).
여기서, 상기 고온로는 조정인자로서 시간, 온도 및 가스 주입 등의 조절 장치가 필요하며, 소성시간은 보통 1 ~ 3시간, 온도는 800 ~ 1500℃ 정도 유지 가능하다. 이때, 상기 여과재의 경우에 따라 질소 등의 환원장치를 위한 가스 주입 장치가 필요하다.
상기 가스 주입 장치를 이용한 가스활성화법(N2 가스 주입)은 여과재 제조시 탄소성분을 함유한 유기물 등의 물질에 대한 활성화를 통하여 기공을 발달시킬 수 있으며, 이런 기공 형성은 여과의 효율 및 여과재의 기능을 높여줄 수 있는 방법이다. 활성화 방법 중 가스 활성화와 약품활성화가 있으며, 본 여과재는 가스 활성화법을 활용하여 기공발달이 촉진되도록 유도하였으며, 가스 활성화 방법에는 수증기, 이산화탄소, 산소, 기타 산화성 가스와 접촉 반응시켜 미세한 다공질의 여과재 및 흡착재가 되도록 만드는 방법이다.
그리고, 본 발명에서는 성형된 성형물을 1200℃의 온도에서 1시간 가량 가열하여 고온 활성 바이오 세라믹으로 성형하는 것이다.
이하에서는 상기에서 기술한 제조방법에 의해 제조된 본 발명의 여과재와 기존에 고가의 제올라이트로 이루어진 여과재의 효능을 아래의 [표 1]에서 비교한다.
본 발명의 여과재 | 기존의 제올라이트 여과재 | |
특성 | - 입자의 60% 이상이 나노미터 단위의 많은 미세기공 발달로 여과 효능 - 우수한 이온교환에 의한 흡착과 모세관 응축에 의한 흡착 - 비표면적의 발달로 식물의 유효수분 극대화 - 호기성 유효 미생물의 선택적 배양 가능 우수한 공극율과 토양의 기상확대로 여과에 도움을 줌 - 높은 압축강도로 붕괴 없이 기능유지 - 고온소성에 의한 병원균이 없는 친환경적 소재 - 비중이 높아 담체 및 여과체로서의 활용이 용이함 - 제조 조건에 따라 적정 경도를 유지시킬 수 있음 - 백색도 및 미세한 결정질 상태에 따른 부서짐과 유출율이 비교적 적음 |
- 양이온들을 선택적으로 교환하고 광종에 따라 선호도가 각기 다른 선택적 교환특성 나타냄 - 선택적 흡착특성은 제올라이트의 공도의 크기와 형태에 따라 다른 성향을 보임 - 분자들을 흡착할 수 있을 만큼 큰 공동과 높은 공간제척율로 촉매효과 좋음 - 일반적으로 낮은 비중, 취약한 경도, 높은 백색도, 미세한 결정질 상태에 따른 물성적 특징을 보임 |
이화학적 특성 |
- 비중 : 1.22.0 - 경도 : 3.05.0 - 강도(Mpa) : 4.0-10.0 - 공극율(%) : 4570 - 파괴강도(kgf) : 건조시 1.3-1.8, 습윤시 1.0-1.5 - 함수율(%) : 35-48 - pH : 6.0-7.0 |
- 비중 : 0.210.93 - 경도 : 2.55.5 - pore size(Å) : 310 - 공극율(%) : 6070 - 비표면적 80100/g - 함수율(%) : - pH : 4.88.0 |
구성물질 | - Si 22.9% - Al 17.26% - K 3.65 |
- Si 70.1% - Al 15.72% - TiO2 0.36 |
이렇듯, 본 발명의 여과재는 점토광물로 만들어진 여과재에 목재성분을 혼합함으로써 제조 후 세라믹의 기공발달을 돕고 흡착 및 여과 등의 성능을 개선시킨 여과재로서 입자의 60% 이상이 나노미터 단위의 많은 미세기공을 발달시킨 여과재이다. 우수한 이온교환에 의한 흡착과 모세관 응축에 의한 흡착 및 비표면적의 발달로 우수한 공극율과 토양의 기상확대로 여과에 도움을 줄 수 있다.
또한, 본 발명의 여과재는 제올라이트 특성인 분자들을 흡착할 수 있을 만큼 큰 공동과 높은 공간 체적율로 촉매효과 좋은 점, 흡착특성은 제올라이트의 공도의 크기와 형태에 따라 다른 성향을 보이는 등의 유사한 특성을 가지고 있다.
반면, 제올라이트의 경우 일반적으로 낮은 비중, 취약한 경도, 높은 백색도, 미세한 결정질 상태에 따른 물성적 특징을 보이는데 반해, 본 발명의 여과재는 비중이 높아 담체 및 여과체로서의 활용이 용이하며, 높은 압축강도로 붕괴 없이 기능 유지가 가능하여 백색도 및 미세한 결정질 상태에 따른 부서짐과 유출율이 비교적 적고, 경우에 따라 제조 조건에 따라 적정 경도를 유지시킬 수 있는 것이 장점이다.
이하에서는 본 발명의 여과재를 이용한 실험 데이터를 [표 2]로 기술한다.
전체 분석 항목 시료 |
원수 (/) |
여재 여과 후 농도 (/) | 제거율 (%) |
SS | 878.4 | 29.0 | 96.7 |
COD | 285.0 | 23.4 | 91.8 |
T-N | 71.1 | 23.2 | 67.4 |
T-P | 13.3 | 2.3 | 82.5 |
Claims (6)
- 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물에 바인더를 혼합하여 성형 제작되는 것을 특징으로 하는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재.
- 제 1항에 있어서,
점토광물 85 ~ 90 중량%와, 탄소성분을 함유한 유기물 5~ 10 중량%와, 바인더 5 ~ 10 중량%를 혼합하여 성형 제작하는 것을 특징으로 하는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 탄소성분을 함유한 유기물은 목재, 톱밥, 파쇄된 폐목재, 왕겨, 수피(bark), 볏집, 활성슬러지, 건조된 음식물 폐기물, 퇴비, 독성이 없는 유기성 물질의 폐기물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재.
- 제 1항에 있어서,
상기 바인더는 페놀수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재.
- 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물을 준비하는 단계(S100);
상기 준비된 점토광물과 탄소성분을 함유한 유기물에 바인더를 넣어 혼합하는 단계(S200);
상기 혼합된 혼합물을 성형기에서 원하는 형상으로 성형하는 단계(S300);
상기 성형된 성형물을 고온로에서 800 ~ 1500℃의 온도로 1 ~ 3시간에 걸쳐 가열하여 활성화(ACTIVATION)시키는 단계(S400);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 제조방법.
- 제 5항에 있어서,
상기 혼합물은 점토광물 85 ~ 90 중량%와, 탄소성분을 함유한 유기물 5~ 10 중량%와, 바인더인 페놀수지 5 ~ 10 중량%인 것을 특징으로 하는 고온 활성 바이오 세라믹 성형 여과재 제조방법.
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KR200399986Y1 (ko) | 2005-06-17 | 2005-11-02 | 주식회사 맥퀸트로닉 | 정수용 여과재 |
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