KR20180006010A - 활성탄 블록 필터 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정수기 등에 설치되어 물 속의 세균과 이물질을 걸러내주는 역할을 하는 활성탄 블록 필터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 활성탄 블록의 압축 성형 시 높은 압력으로 1차 압축한 후에 열처리 과정을 실시하고, 계속해서 열처리 직후 낮은 압력으로 2차 압축하여 활성탄 블록을 성형하는 새로운 활성탄 블록 제조 방식을 구현함으로써, 자체적으로 미세 분진이 발생하지 않는 제품을 제조할 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있는 활성탄 블록 필터 제조 방법을 제공한다.

Description

활성탄 블록 필터 제조 방법{Method for manufacturing carbon block filter}

본 발명은 활성탄 블록 필터 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정수기 등에 설치되어 물 속의 세균과 이물질을 걸러내주는 역할을 하는 활성탄 블록 필터를 제조하는 방법과 이 방법으로 제조한 활성탄 블록 필터에 관한 것이다.

최근 산업 고도화와 함께 필연적으로 발생되고 있는 각종 공해문제 중에서도 가장 심각한 문제는 상수원의 오염문제이다.

상수원의 오염은 공장이나 축산 농가 등에서 배출되는 각종 오폐수와 생활 하수에 의하여 발생되고 있으며, 상수원 자체의 품질 저하와 함께 상수원 및 수돗물 공급 관로의 노후화와 아파트 등의 집단 주거 시설 증가는 각 가정에 공급되는 수돗물의 질을 더욱 떨어뜨리는 요인이 되고 있다.

따라서, 근래에 들어 각 가정이나 사무실에서는 천연 생수를 구입하여 음용수로 사용하거나, 다양한 방식의 각종 정수기를 사용하여 수돗물을 정수한 후, 음용수로 이용하고 있는 실정이다.

수돗물 등의 정수를 위해 사용되는 정수기에는 각종 오염물질을 제거하기 위한 필터로서 정수기 내에 활성탄이나 이온교환수지 또는 활성탄과 고분자막 필터 등이 복합된 다양한 종류의 필터 카트리지가 사용되고 있다.

그 중에서 활성탄은 다양한 세공구조를 가진 탄소로서 오래전부터 대표적인 흡착제로 사용되어 왔다.

활성탄은 염소, 유기물의 제거나 트리할로메탄을 비롯한 전 유기 할로겐, 오존처리로 생기는 생물동화가 가능한 유기탄소 및 맛, 냄새의 원인 물질을 제거할 수 있다.

현재 활성탄의 용도는 산업용으로는 폐가스 처리 및 휘발성 용제회수, 탈취분야, 수처리 분야에서는 독성유기물 제거 그리고 최근에는 정수장의 고도정수처리용이나 가정용 정수기 내의 전,후처리 흡착필터로도 사용되고 있는 등 그 사용용도 및 사용량이 점차 확대되고 있다.

보통 정수기 등에 사용되는 활성탄 블록 필터는 활성탄 단독이나 2종 이상의 입자범위가 다른 활성탄을 바인더와 혼합하고, 이를 몰드 압축 및 열처리를 통해 튜브 형태나 원통 형태 등의 블록으로 성형한 후, 블록의 내면이나 외면을 부직포로 감싸는 방법 등으로 제조된다.

한편, 활성탄 블록 필터의 사용 목적은 일반 입상 활성탄 정수 필터 내에서 발생하는 미세 분진 입자를 막기 위한 것이나, 초 미세 입자의 경우 여전히 활성탄 블록 필터에서 발생하고 있으며, 대부분의 활성탄 블록 필터는 5㎛ 이하의 분진을 계속 발생시킨다.

다시 말해, 0.5∼1㎛ 크기의 초 미세 입자는 활성탄 블록 필터 자체에서도 여전히 발생하는 상황이며, 활성탄 블록 필터 외부에 부직포 필터를 적용하여 유입수의 미세 입자를 1차적으로 제거하여도, 활성탄 블록 필터 자체에서 다시 미세 입자를 발생시키기 때문에 완벽히 제거하기가 어렵다.

예를 들면, 중공의 원기둥 형태로 되어 있는 활성탄 블록 필터 제조 시, 프레스 몰드에서 1,000∼1,500psi의 높은 압력으로 압축 성형한 후, 오븐에서 약 150℃ 및 1시간 정도의 조건으로 열처리하고, 계속해서 활성탄 블록에서 코어를 빼내는 과정을 통해 활성탄 블록 필터를 제조하게 된다.

이때, 열팽창 및 복원력에 의해 필터의 크기가 미세하게 상승하는 현상이 발생하며, 이는 필터 내 강도 및 밀도의 감소와 표면이 거칠어지는 현상으로 이어지게 된다.

또한, 내경면에 물려있던 코어를 빼내는 과정 등에서 이미 약해진 활성탄 블록의 내경면에 스크레치 또한 발생하게 된다.

결국, 활성탄 블록 필터의 사용 시 활성탄의 입자의 분포 형상이 균일하지 못하게 되므로 0.5∼1㎛ 크기의 미세 입자들이 계속해서 떨어져 나와 음용하는 물 속에 섞이게 되는 등 미세 입자의 완벽한 제거가 어려운 실정이다.

한국 공개특허 10-2013-0073196호 한국 공개특허 10-2001-0095349호

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 활성탄 블록의 압축 성형 시 적절히 높은 압력으로 1차 압축한 후에 열처리 과정을 실시하고, 계속해서 열처리 직후 적절히 낮은 압력으로 2차 압축하여 활성탄 블록을 성형하는 새로운 활성탄 블록 제조 방식을 구현함으로써, 자체적으로 미세 분진이 발생하지 않는 제품을 제조할 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있는 활성탄 블록 필터 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 활성탄 블록 필터 제조 방법은 다음과 같은 특징이 있다.

상기 활성탄 블록 필터 제조 방법은 분말 활성탄과 입상 바인더를 혼합하는 단계와, 프레스 성형 몰드에 활성탄과 바인더의 혼합물을 투입하는 단계와, 활성탄과 바인더의 혼합물을 프레스 성형 몰드 내에서 350∼500psi의 압력으로 1차 압축하는 단계와, 1차 압축 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 오븐 내에서 150∼200℃의 온도로 30분 내지 2시간 정도 열성형하는 단계와, 열성형 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 프레스 성형 몰드 내에서 250∼350psi의 압력으로 2차 압축하는 단계와, 2차 압축 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 냉각 처리하는 단계로 이루어진다.

여기서, 상기 열성형하는 단계 후 약 30초 내지 1분 이내에 즉시, 즉 성형체가 유동이 있을 시간 내에 2차 압축하는 단계를 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 1차 압축하는 단계 및/또는 2차 압축하는 단계는 상방향과 하방향에서 동시에 프레스 압을 가하여 압축하는 과정을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 분말 활성탄과 입상 바인더를 혼합하는 단계에서는 활성탄 80∼90중량%, 바인더 20∼10중량%의 비율로 혼합할 수 있으며, 이때의 분말 활성탄은 150∼250mesh의 크기를 가지는 것을 사용할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 활성탄 블록 필터 제조 방법은 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 활성탄 블록의 압축 성형 시 350∼500psi의 압력으로 1차 압축하는 공정, 150∼200℃에서 1시간 정도 열성형하는 공정, 350∼500psi의 압력으로 2차 압축하는 공정을 연계적으로 수행하여 활성탄 블록을 성형함으로써, 활성탄 블록을 성형하는 공정 상에서 스크래치 등의 손상 문제를 완전히 배제할 수 있으며, 따라서 0.5∼1㎛ 정도의 크기를 가지는 미세 입자 발생을 근본적으로 방지할 수 있는 등 우수한 품질의 활성탄 블록 필터 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 활성탄 블록의 압축 성형 시 프레스의 방향을 양방향으로 설정하여 가압하는 몰드 압축 방법을 적용함으로써, 길이가 긴 규격을 가지는 활성탄 몰드의 경우에도 압축 힘을 고르게 전달하여 필터의 상/하 품질 및 강도를 균일하게 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 블록 필터 제조 방법의 공정을 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 블록 필터 제조 방법에서 각 활성탄 입경과 프레스 압력에 따른 미세 입자 제거율을 나타내는 데이터
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 블록 필터 제조 방법에서 각 활성탄 입경과 프레스 압력에 따른 활성탄 블록 필터의 내부 표면을 나타내는 사진

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 블록 필터 제조 방법의 공정을 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 활성탄 블록 필터 제조 방법은 활성탄 블록을 제조하는 공정에서 압축하는 공정 및 이와 연계한 열성형 공정를 개선하여, 자체 미세 분진이 발생하지 않는 제품을 제조할 수 있는 방법이다.

이를 위하여, 상기 활성탄 블록 필터 제조 방법은 분말 활성탄과 입상 바인더를 혼합하는 단계를 포함한다.

상기 분말 활성탄은 대개 150∼250mesh의 입자 크기를 갖는다.

보통 분말 활성탄은 단위체적당 높은 충진률에 의해 흡착량이 높고 염소제거율이 우수한 반면, 통수량이 작거나 압력손실이 증가하는 단점이 있다.

즉, 분말 활성탄의 입자가 너무 작으면 블록의 성형이 어려우며, 입자가 클 경우에는 활성탄 입자와 바인더의 사이가 균질하지 못하고 표면이 거칠어지며, 이에 미세 분진 입자가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 성형성 및 통수성 등을 고려하고 바인더와의 결속 등을 고려하여 150∼250mesh의 입자 크기를 갖는 분말 활성탄을 적용한다.

상기 바인더는 활성탄 입자를 결합하여 충진률을 향상시키고 미세 입자의 탈락을 방지하기 위한 목적으로 사용된다.

이러한 바인더로는 우레탄이나 에폭시 등과 같은 열경화성 수지, 저융점 폴리에틸렌이나 폴리에스터 등과 같은 열가소성 수지 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 낮은 열처리 온도에서도 바인더 표면의 용융으로 인해 활성탄의 접착력을 향상시킬 수 있는 저융점 폴리에틸렌을 사용하는 것이 유리하다.

상기 바인더의 경우 분말상 활성탄에 대해서는 입상 바인더가 유리하며, 그 이유는 활성탄과 바인더 간의 접착표면적을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 사용되는 바인더 양을 최소화할 수 있기 때문이다.

상기 활성탄과 바인더의 사용량(혼합 비율)은 활성탄 80∼90중량%, 바인더 20∼10중량%의 비율이 되도록 하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 활성탄의 함량이 80중량% 미만이면 흡착력에 문제가 있고, 90중량%를 초과하면 압력손실이 증가하는 단점이 있다.

그리고, 상기 바인더의 경우 10중량% 미만이면 통수량 증가가 미비하고, 20중량%를 초과하면 활성탄과의 혼합이 불균하게 되는 단점이 있다.

또한, 상기 활성탄 블록 필터 제조 방법은 프레스 성형 몰드에 활성탄과 바인더의 혼합물을 투입하는 단계를 포함한다.

상기 프레스 성형 몰드는 혼합물 충전 공간(15)과 중심축선을 따라 수직 형성되는 코어핀(12)을 가지는 원통형의 하우징(13)과, 상기 하우징(13)의 개방되어 있는 상부를 마감하는 것으로 코어핀 수용을 위한 코어핀 홈(14)과 혼합물 충전 공간 내에 삽입되는 가압블럭(13)을 가지는 원통형의 캡(11)으로 구성될 수 있다.

이러한 프레스 성형 몰드는 프레스(미도시) 상에 설치되며 프레스 가동 시에 캡(11)측에 단독으로, 또는 하우징(13)측에 단독으로, 또는 캡(11)측과 하우징(13)측에 함께 프레스 힘이 상하 방향에서 가해지게 되므로서, 혼합물 충전 공간(15) 내의 활성탄과 바인더의 혼합물이 압축 성형될 수 있게 된다.

예를 들면, 필터 제품의 크기가 길어지면 프레스 힘의 전달이 고르지 못하는 현상이 발생하고, 이는 필터 제품의 상,하의 품질 및 강도 등이 달라짐에 따라 정상적인 필터 제품의 제조가 불가능하므로, 이 경우 상방향과 하방향에서 동시에 프레스 힘을 가하는 것이 바람직하며, 결국 본 발명에서는 후술하는 1차 압축하는 단계나 2차 압축하는 단계, 1차 압축하는 단계 및 2차 압축하는 단계에서 상방향과 하방향에서 동시에 프레스 압을 가하여 압축하는 과정을 제공한다.

따라서, 상기 하우징(13)의 혼합물 충전 공간(15) 내에 활성탄과 바인더 혼합물을 채운 후에 캡(11)을 씌우고, 이 상태에서 프레스 설비에 장착하면 압축 성형 공정을 위한 준비가 완료된다.

또한, 상기 활성탄 블록 필터 제조 방법은 활성탄과 바인더의 혼합물을 프레스 성형 몰드 내에서 350∼500psi의 압력으로 1차 압축하는 단계를 포함한다.

즉, 활성탄과 바인더 혼합물이 채워져 있는 프레스 성형 몰드를 프레스 설비에 장착하고, 위아래 방향에서 소정의 압력, 예를 들면 350∼500psi의 압력을 가함으로써, 활성탄과 바인더 혼합물을 1차 압축하는 단계를 실시한다.

이때의 압축비 부분에 있어서 압축율이 높으면 미세 분진의 자체 발생은 적으나, 바인더가 활성탄 공극 사이를 막아 통수압이 높아지게 되고, 이로 인해 정수기 필터로서의 통수량, 통수압이 적절치 않게 된다.

반대로, 압축율이 낮을 경우, 활성탄 분말 사이의 공극이 넓어지고 내부 강도가 약해짐에 따라 심미적 영향 요인(맛, 염소 등), 미세 입자의 제거가 용이하지 못하다.

이러한 점을 고려하여 때, 1차 압축 시의 압력은 350∼500psi가 적절하며, 이때 압력이 낮을 경우 블록의 강도가 약해져 제대로 된 성형품이 만들어지지 않게 된다.

또한, 상기 활성탄 블록 필터 제조 방법은 1차 압축 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 오븐 내에서 150∼200℃의 온도로 30분 내지 2시간 정도 열성형하는 단계를 포함한다.

즉, 1차 압축 성형을 마친 활성탄과 바인더 혼합물이 들어 있는 프레스 성형 몰드 전체를 오븐(16) 내에 투입하고, 오븐(16) 내에서 150∼200℃의 온도 조건과 30분 내지 2시간 정도, 바람직하게는 1시간 정도의 시간 조건 하에서 열성형을 실시한다.

여기서, 상기 오븐은 일반적인 열풍형 강제 순환 오븐(forced convection oven) 등과 같은 타입의 오븐을 적용할 수 있다.

또한, 상기 활성탄 블록 필터 제조 방법은 열성형 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 프레스 성형 몰드 내에서 250∼350psi의 압력으로 2차 압축하는 단계를 포함한다.

즉, 열성형 단계를 마친 활성탄과 바인더 혼합물이 채워져 있는 프레스 성형 몰드를 재차 프레스 설비에 장착하고, 위아래 방향에서 소정의 압력, 예를 들면 250∼350psi의 압력을 가함으로써, 활성탄과 바인더 혼합물을 2차 압축하는 단계를 실시한다.

여기서, 위의 1차 압축 단계를 실시한 후에 열성형 단계를 진행할 때, 열팽창 및 복원력에 의해 필터 제품(1차 압축된 활성탄과 바인더 혼합물)의 크기가 2∼3mm 상승하는 현상이 발생하며, 이는 필터 제품 내 강도 및 밀도의 변화로 이어지게 되고, 이로 인해 필터 제품 내부 표면, 즉 필터 제품 내경면이 약해지고 거칠게 변하는 현상을 유발하게 되면서 결국 거칠어진 표면에서 미세 입자가 떨어져 나와 미세 분진의 발생으로 이어지게 된다.

이에 본 발명에서는 열처리 단계를 완료한 직후(필터 제품 내부가 굳기 전), 예를 들면 약 1분 정도 이내에 즉시, 즉 성형체가 유동이 있을 시간 내에 추가로 2차 압축을 가하는 단계를 실시하여 단단하게 다져주는 과정을 거침으로써, 열팽창 및 복원력에 의해 약해지고 거칠어진 블록 필터를 매끈한 내경면을 얻을 수 있고, 또 코어를 빼내는 과정에서도 견고하고 매끈한 내경면으로 인해 코어 역시 부드럽게 빠지게 되므로 스크래치가 발생하지 않게 되며, 이와 더불어 정수기 필터의 적정 통수압인 1∼2kgf/㎠을 만족시키면서 자체 미세 분진이 발생하지 않는 제품을 제조할 수 있다.

여기서, 2차 압축 단계에서의 압력이 250psi 보다 낮을 경우 그 효과가 적게 발생하게 되어 2차 압력을 가해주는 의미가 없어진다.

또한, 상기 활성탄 블록 필터 제조 방법은 2차 압축 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 냉각 처리하는 단계를 포함한다.

즉, 2차 압축 단계를 완료한 다음, 냉각 공정을 거치게 되며, 프레스 성형 몰드로부터 활성탄 블록 제품(17)을 분리한다.

이때의 냉각은 상온(약 25℃ 정도)에서 자연 냉각시킬 수 있고, 또는 수냉식으로 냉각 처리할 수도 있다.

그리고, 성형 몰드로부터 활성탄 블록 제품을 분리하는 과정을 마친 활성탄 블록 제품(17)의 외벽에 부직포 필터(18)를 감아줌으로써, 유입수 미세 입자의 제거율을 향상시킬 수 있으며, 블록 자체 내에서도 추가적인 미세 입자 발생이 없기 때문에 0.5∼1㎛ 크기의 초 미세 입자는 제거가 가능한 활성탄 블록 필터를 제조할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 블록 필터 제조 방법에서 각 활성탄 입경과 프레스 압력에 따른 미세 입자 제거율을 나타내는 데이터이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 여기서는 활성탄 입경(mesh)을 60∼250으로 설정하고, 소정의 1차 압력 및/또는 2차 압력의 가하여 제조한 필터 제품에 대한 미세 입자 제거율을 보여준다.

즉, 150∼250mesh의 입경을 가지는 활성탄을 사용하고, 1차 압력 350∼500psi, 2차 압력 250∼350psi으로 제조한 필터 제품을 정수기 필터에 삽입하여 성능평가를 진행하였다.

그 결과, 본 발명의 방법으로 제조한 활성탄 블록 필터가 정수기 필터의 적정 통수압인 1∼2kgf/㎠을 만족시키면서 미세 분진 제거율이 98∼99%로 가장 높은 것을 알 수 있다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 블록 필터 제조 방법에서 각 활성탄 입경과 프레스 압력에 따른 활성탄 블록 필터의 내부 표면을 나타내는 사진이다.

사진에서 볼 수 있듯이, 150∼250mesh의 입경을 가지는 활성탄을 사용하여 1차 압력 350psi, 2차 압력 250psi으로 제조한 필터 제품(도 3d)의 경우, 다른 활성탄 입경과 압력으로 제조한 제품들(도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 3f)에 비해 필터 내부 표면이 균질하고 고른 것을 알 수 있으며, 결국 자체 미세 분진을 발생하지 않는 제품임을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 1차 압축 공정과 2차 압축 공정, 그리고 열성형 공정을 연계시킨 새로운 형태의 활성탄 블록 필터 제조 방식을 제공함으로써, 자체적으로 미세 분진이 발생하지 않는 제품을 제조할 수 있는 등 제품의 품질을 확보할 수 있으며, 이렇게 제조한 활성탄 블록 필터는 휴대용 정수기, 수도직결형 정수기, 가정용 정수기의 필터로서 유용하게 사용할 수 있을 뿐만 아니라 일반 산업용 수처리 및 고도 정수처리 분야에서도 효과적으로 사용할 수 있다.

10 : 하우징
11 : 캡
12 : 코어핀
13 : 가압블럭
14 : 코어핀 홈
15 : 혼합물 충전 공간
16 : 오븐
17 : 활성탄 블록 필터 제품
18 : 부직포 필터

Claims (6)

1. 분말 활성탄과 입상 바인더를 혼합하는 단계;
   프레스 성형 몰드에 활성탄과 바인더의 혼합물을 투입하는 단계;
   활성탄과 바인더의 혼합물을 프레스 성형 몰드 내에서 350∼500psi의 압력으로 1차 압축하는 단계;
   1차 압축 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 오븐 내에서 150∼200℃의 온도로 30분 내지 2시간 정도 열성형하는 단계;
   열성형 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 프레스 성형 몰드 내에서 250∼350psi의 압력으로 2차 압축하는 단계;
   2차 압축 후에 활성탄과 바인더의 혼합물을 냉각 처리하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄 블록 필터 제조 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열성형하는 단계 후 30초 내지 1분 이내에 2차 압축하는 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 활성탄 블록 필터 제조 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 1차 압축하는 단계 및/또는 2차 압축하는 단계는 상방향과 하방향에서 동시에 프레스 압을 가하여 압축하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 활성탄 블록 필터 제조 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 분말 활성탄과 입상 바인더를 혼합하는 단계에서는 활성탄 80∼90중량%, 바인더 20∼10중량%의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 활성탄 블록 필터 제조 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 분말 활성탄과 입상 바인더를 혼합하는 단계에서 분말 활성탄은 150∼250mesh의 크기를 가지는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 활성탄 블록 필터 제조 방법.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 방법으로 제조한 것을 특징으로 하는 활성탄 블록 필터.

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