KR20180038695A - 직수타입 정수기용 양전하 미디어, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 직수타입 정수기용 필터 카트리지 - Google Patents

직수타입 정수기용 양전하 미디어, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 직수타입 정수기용 필터 카트리지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직수타입 정수기용 양전하 미디어, 이를 제조하는 방법 및 직수타입 정수기용 필터 카트리지에 관한 것으로 보다 상세하게는, 우수한 수투과량을 가지면서도, 박테리아 제거성능 및 바이러스 제거성능을 우수한 친환경적인 직수타입 정수기용 양전하 미디어 및 이를 이용한 직수타입 정수기용 필터 카트리지를 제공할 수 있는 발명에 관한 것이다.

Description

직수타입 정수기용 양전하 미디어, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 직수타입 정수기용 필터 카트리지{Positive electric charge-media for water stream type water purifier, Manufacturing method of the same and Filter cartridge for water stream type water purifier containing the same}
본 발명은 직수타입 정수기용 양전하 미디어 및 이를 포함하는 직수타입 정수기용 양전하 필터 카트리지에 관한 것으로써, 4log 이상의 바이러스 제거능을 극대화시킨 항바이러스 및 제균이 우수한 미디어에 관한 것이다.
통상적으로 일반적으로 물 속에는 천연유기물질(Natural Organic Matter; NOM)을 비롯한 수많은 이온성 물질, 화학물질이 존재하며 상수처리 과정에서 제거되지 않고 새로운 오염물질을 발생시키는 원인물질로 작용한다. 또한, 최근에는 염소소독으로 제거되지 않은 병원성 미생물에 대한 존재 여부가 논란이 되고 있다. 바이러스(Virus), 크립토스포리디움(Crytosphoridium), 자이알디아(Giardia) 등으로 분류되는 병원성 미생물은 인체 및 동물의 분변을 통해 환경 중으로 배출되어 하수뿐만 아니라 지표수와 지하수에도 존재한다. 바이러스는 0.02 ~ 0.09㎛, 박테리아는 길이 0.4 ~ 14㎛, 폭 0.2 ~ 1.2㎛의 크기를 갖으며 크립토스포리디움, 자이알디아 등 원생동물은 바이러스나 박테리아에 비해서는 비교적 큰 편이다. 바이러스의 경우 크기가 매우 작기 때문에 일반 여과에 의해서는 거의 처리되지 않으며 내성이 강한 낭종(Cyst)을 형성하여 물에서 수개월 이상 안정적으로 살아있다. 현재 물 속의 미량오염물질을 제거하기 위하여 상수처리과정에서 고도응집처리 또는 활성탄 흡착, 막여과가 제시되고 있는데 최근 막을 사용한 정수처리 공정에 대한 국가단위의 대규모 연구가 진행 중이다.
특히, 막 여과에 대해서는 최근에 많은 연구가 이루어져 고도정수처리 과정에서 실용화가 타진되고 있는데 아직까지도 경제적인 비용과 기술적인 문제로 인해 폭넓게 이용되지는 못하고 있다. 역삼투막(RO), 나노여과막(NF), 한외여과막(UF), 정밀여과막(MF)으로 분류되는 막을 비롯한 기존 필터들은 공경(pore, 기공)의 사이즈를 이용하여 물리적인 기작에 의거하여 물 중 오염물질을 제거하는 시스템이다.
분리막의 오염물질제거에 대한 주된 메커니즘은 체분리(Sieve) 효과, 즉 입자크기에 의한 제거가 적용되어 물속에 부유하고 있는 박테리아, 바이러스, 유기 오염물 등을 제거하여 주는 것이다. 상기 입자크기에 의한 제거 외에도 분리막 표면 전하에 따른 정전기적 흡착에 의해서도 수중의 미생물 등을 걸러주며, 이 방법은 적은 운전압력 대비 높은 투수율 및 높은 입자제거 성능으로 각광 받으면서 연구되고 있다.
종래의 수처리용으로 널리 사용되는 마이크로 섬유 필터는 여과 면적이 작고 정전기력이 없기 때문에 효율이 떨어진다는 단점이 있었으며, 멤브레인 필터는 여과 효율은 높으나 압력 손실이 크다는 단점이 있었다. 따라서, 마이크로 섬유 필터와 멤브레인 필터의 단점을 보완하기 위한 마이크로 사이즈의 공경을 가지는 섬유 필터에 정전기력을 부과함으로써 섬유 필터의 여과 효율을 증가시키고, 압력 손실을 감소시키는 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 종래기술에는 항바이러스 부직포 제조를 위해 유리섬유를 기본 여재로 두고, 유리섬유 제조시에 양전하를 띄는 무기화합물을 첨가하는 방식으로 제조하여 양전하 필터를 제조하고 이를 이용하여 바이러스를 흡착제거 하였다(대한민국 특허공개번호 10-2004-0301723, 미국 등록특허 7,601,262호 등). 그러나 이 기술은 유리섬유를 사용한다는 점에서 발암 등의 유해성 논란으로 수처리 공정의 적합성이 우려되는 문제점과 유리섬유를 사용하여 제조시 첨가되는 화합물에 의해 제품군에서 다양화가 되지 못한다는 문제점이 있었다.
또한, 유리섬유 및 셀룰로오스를 사용한 양전하가 부가된 다공성 필터 미디어도 개발, 시판되고 있으나, 세섬도의 유리섬유 사용에 의한 발암물질 검출 문제 및 셀룰로오스 물질의 낮은 화학적 안정성으로 인한 필터 카트리지의 변형 문제가 있으며, 양전하 물질의 슬러리 제조 후 코팅, 합지시 불균일하게 도포되는 문제가 있었다.
한국 공개특허번호 10-2004-0101723(공개일 2004.12.03)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 박테리아 및 세균의 제거능은 유지하면서, 나노사이즈의 바이러스도 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 높은 투수 안정성을 확보한 직수타입 정수기용 양전하 필터 카트리지, 이를 이용한 미디어, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 필터 카트리지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 직수타입 정수기용 양전하 미디어는 단층의 부직포 또는 2층 ~ 3층으로 적층된 다층의 부직포를 포함하며, 상기 단층 또는 다층의 부직포의 내부 및 외부 표면은 양전하 코팅층이 형성되어 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 직수타입 정수기용 양전하 미디어는 절곡형 미디어일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 직수타입 정수기용 양전하 미디어의 상기 부직포는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유 및 셀룰로오스 섬유 중 선택된 1종 이상을 함유한 부직포일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 본 발명에 있어서, 상기 부직포는 섬도가 평균직경 0.5 ~ 10㎛ 및 평균공경 0.5 ~ 30㎛인 것을 특징으로 할 수 있으며, 또한, 상기 부직포는 평균두께 0.1 ~ 2㎜ 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예로서, 상기 부직포가 2층 또는 3층 구조로 부직포가 적층된 형태인 경우, 1층과 2층, 1층 ~ 3층 각각이 서로 다른 평균공경을 가지는 부직포로 적층될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 부직포는 멜트블로운 부직포일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 양전하 코팅층이 형성된 상기 부직포는 표면전하가 20 ~ 60 mV 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 폴리술폰계 분리막은 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리알릴에테르술폰, 폴리페닐설폰 및 폴리에테르에테르케톤 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 폴리술폰계 중합체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 직수타입 정수기용 양전하 미디어는 양전하 코팅층이 내외부에 코팅된 상기 단층 또는 다층의 부직포의 일면에 폴리술폰계 분리막이 추가로 적층되어 있으며, 필터링(filtering) 방향으로 양전하 코팅층이 코팅된 부직포 및 폴리술폰계 분리막이 적층된 형태일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예로서, 상기 폴리술폰계 분리막은 평균공경이 0.1 ~ 1㎛ 및 평균두께 100 ~ 180 ㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 양전하 코팅층은 증류수 및 디에틸렌글리콜 에틸 이서(Diethyleneglycol ethyl ether)를 포함하는 용매; 가교제; 및 다관능성 아민 화합물;을 포함하는 양전하 코팅 수지로 코팅된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 양전하 코팅 수지는 상기 가교제 0.1 ~ 6 중량% 및 상기 다관능성 아민 화합물 0.1 ~ 3 중량% 및 잔량의 상기 용매를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 용매는 증류수 4 ~ 15 중량% 및 디에틸렌글리콜 에틸 이서 85 ~ 96 중량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 양전하 코팅 수지는 가교제 및 다관능성 아민 화합물을 1 : 0.2 ~ 1 중량비로 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 가교제는 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 이상을 함유하는 다관능성 아민 화합물;을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 다관능성 아민 화합물은 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 양전하 코팅층은 평균두께 0.01 ~ 3 ㎛로 부직포 표면에 형성되어 있을 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 직수타입 정수기용 양전하 미디어는 평균수투과량이 20 ~ 80 ㎖/cm2·min·bar일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 직수타입 정수기용 양전하 미디어는 수도압 1 bar일 때, 초기 유량이 2 lpm 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 직수타입 정수기용 양전하 미디어는 유효정수량(초기 유량 대비 50% 감소된 유량 측정시의 누적 정수량)이 3,650 L 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 직수타입 정수기용 양전하 미디어는 바이러스 제거성능이 4 log 이상이고, 박테리아 제거성능이 7 log 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 다른 목적은 앞서 설명한 직수타입 정수기용 양전하 미디어를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 부직포에 양전하 코팅제를 코팅시키는 단계; 및 양전하 코팅제가 코팅된 부직포를 열가교시켜서 양전하 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 양전하 코팅제를 코팅시키는 단계의 부직포는 코로나, 플라즈마, 하이드로차징(hydro-charging), 스퍼터, 프라이머, 화염처리 및 산처리 중에서 선택된 1종 이상의 방법으로 부직포의 내부 및 표면을 전처리한 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 열가교는 60 ~ 130℃ 하에서, 15초 ~ 8시간 동안 건조 및 가교를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 앞설 설명한 직수타입 정수기용 양전하 미디어를 포함하는 직수타입 정수기용 필터 카트리지를 제공하는데 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 직수타입 정수기용 필터 카트리지는 원통형의 코어부; 단면이 절곡 형상으로, 상기 코어부의 외주면을 둘러싸도록 구비되는 필터부; 상기 필터부 외주부에 구비되는 원통형의 하우징; 및 상기 하우징의 상면 및 하면 단부에 결합되는 엔드캡;을 포함하며, 상기 필터부는 앞서 설명한 직수타입 정수기용 양전하 미디어이다.
본 발명의 직수타입 정수기용 양전하 미디어는 마이크로사이즈 및 나노사이즈의 바이러스에 대하여도 우수한 흡착 및 제거하는 성능을 가질 뿐만 아니라, 우수한 수투과유량을 가질 수 있으며, 박테리아 및 세균 등에 대한 높은 미생물 제거능력을 가질 수 있는 양전하 미디어를 제공할 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 직수타입 정수기용 필터 카트리지의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 카트리지에서 필터부(직수타입 정수기용 양전하 미디어)의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 필터부의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 A 부분의 확대도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 필터부의 확대도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 직수타입 정수기용 양전하 미디어(이하, '양전하 미디어'로 칭한다.)는 단층의 부직포 또는 2층 ~ 3층으로 적층되어 일체화된 다층의 부직포를 포함하며, 상기 단층 또는 다층의 부직포의 내부 및 외부 표면은 양전하 코팅층이 형성되어 있는 형태이다.
또한, 본 발명의 양전하 미디어는 도 2에 나타낸 바와 같이 절곡형 미디어일 수 있다.
먼저 상기 부직포에 대해 설명하면, 상기 부직포는 바이러스를 흡착하여 제거하는 역할을 하며, 바람직하게는 5 ~ 90nm 크기인 바이러스를 흡착 제거할 수 있으며, 휴믹산 등 유기오염원을 흡착 제어하여 바이오 파울링을 제거할 수 있다. 상술한 바와 같이 종래에는 유리섬유를 사용한다는 점에서 발암 등의 유해성 논란이 있으며 수처리 공정에 사용에 적합성이 우려되는 문제점과 유리섬유를 사용하여 제조시 첨가되는 화합물에 의한 제품군이 다양화되지 못하는 문제점이 있었는 바, 이에 본 발명자들은 유리섬유가 아닌 친환경적인 부직포를 이용한 항바이러스 부직포를 연구한 결과, 부직포가 높은 표면전하를 갖으면서도 부직포에 대한 접합성 및 상용성 등이 우수한 양전하 코팅제를 아래와 같이 개발하였다.
상기 부직포는 통상적으로 사용하는 것이면 적용가능하며, 바람직하게는 케미컬본딩부직포(Chemical Bonding), 써멀본딩부직포(Thermal Bonding), 에어레이부직포(Air Ray), 습식부직포(Wet Ray), 니들펀칭부직포(Needle Punching), 스판레스(수류결합법-Water zet), 스판본드(Spun Bond), 멜트블로운(Melt Blown) 및 스티치본드(Stitch Bond), 전기방사(electro spinning) 부직포 중에서 선택되는 어느 하나의 형태일 수 있다.
또한, 상기 부직포를 구성하는 섬유는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유 및 셀룰로오스 섬유 중에서 선택된 1종 이상을, 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 및 폴리에스테르 섬유 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을, 더욱 바람직하게는 폴리프로필렌 섬유 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 중에서 선택된 1종 또는 2종을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 부직포는 평균두께 0.1 ~ 2㎜ 인 것이, 바람직하게는 0.2 ~ 1㎜ 인 것이 좋으며, 이때, 평균두께가 0.1㎜ 미만이면, 바이러스 흡착 경로가 짧아서 제거효율이 감소한 문제가 있으며, 2㎜를 초과하면, 여과시 차압발생으로 유량이 감소한 문제가 있을 수 있다.
그리고, 상기 부직포를 구성하는 섬유의 섬도가 평균직경 0.5 ~ 10㎛ 및 부직포의 평균공경 0.5 ~ 30㎛일 수 있으며, 바람직하게는 섬도가 평균직경 0.5 ~ 8㎛ 및 평균공경 3 ~ 10㎛ 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 섬도가 평균직경 1 ~ 5㎛ 및 평균공경 4 ~ 8㎛일 수 있다. 이때, 부직포를 구성하는 섬유의 섬도가 평균직경이 0.5㎛ 미만이면, 여과시 차압발생에 따른 유량 감소하는 문제가 있을 수 있고, 10㎛를 초과하면, 다공도가 떨어져 여과효율이 감소하는 문제가 있을 수 있다. 또한, 평균공경이 0.5㎛ 미만이면, 유량 감소한 문제가 있으며, 30㎛를 초과하면, 바이러스 제거성능이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
상기 부직포는 단층 형태일 수 있으며, 또는 2층 또는 3층 구조로 부직포가 적층된 다층 형태일수 있다.
그리고, 다층 형태인 경우, 1층과 2층, 1층 ~ 3층 각각이 서로 다른 평균공경을 가지는 부직포로 적층될 수도 있다.
앞서 설명한 단층 또는 다층의 부직포 내외부에 형성된 상기 양전하 코팅층은 증류수 및 디에틸렌글리콜 에틸 이서(Diethyleneglycol ethyl ether)를 포함하는 용매; 가교제; 및 다관능성 아민 화합물;을 포함하는 양전하 코팅 수지로 코팅된 것일 수 있다.
양전하 코팅 수지의 상기 가교제는 다관능성 아민 화합물 간의 가교제 역할 및 바인더 역할을 할 뿐만 아니라, 부직포와 코팅성분 간에 접착성을 향상시키는 역할을 하는 것으로서, 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 수소첨가된 비스페놀 A 에폭시 수지, 수소첨가된 비스페놀 F 에폭시 수지, 난연성 에폭시(brominated epoxy) 수지 및 노볼락형 에폭시 수지 중에서 선택된 1종을 또는 2종 이상을 혼합사용할 수 있으며, 바람직하게는 비스페놀 A 에폭시 수지, 비스페놀 F 에폭시 수지, 수소첨가된 비스페놀 A 에폭시 수지, 수소첨가된 비스페놀 F 에폭시 수지 및 노볼락형 에폭시 수지 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을, 더욱 바람직하게는 노볼락형 에폭시 수지를 사용할 수 있다.
상기 가교제의 사용량은 양전하 코팅 수지 전체 중량 중 0.1 ~ 6 중량%를 바람직하게는 0.3 ~ 4 중량%를, 더욱 바람직하게는 0.5 ~ 2.5 중량%를 사용할 수 있다. 이때, 가교제의 함량이 0.1 중량% 미만이면 다관능성 아민 화합물이 부직포로부터 쉽게 떨어져 나갈 수 있고, 아민화합물의 수용양이 작아 바이러스 흡착이 원활하지 않은 문제가 있을 수 있고, 6 중량%를 초과하여 사용하면 양전하 코팅제의 점도가 너무 높아져서 부직포의 내부 즉, 부직포의 섬유를 충분하게 코팅시키지 못하여 여재 공경 크기 감소로 인한 투수량 감소의 문제가 있을 수 있다.
상기 다관능성 아민 화합물은 부직포의 내부 및 외부에 양전하를 나타내는 정전기적 성질을 부여하는 역할을 하며, 폴리에틸렌이민, 디에틸렌트리아민, 피페라진, 디메틸렌피페라진 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 디에틸렌트리아민 및 디페닐아민 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 다관능성 아민 화합물의 함량은 양전하 코팅 수지 전체 중량 중 0.1 ~ 3 중량%를 바람직하게는 0.2 ~ 2 중량%를, 더욱 바람직하게는 0.3 ~ 1.5 중량%를 사용할 수 있다. 이때, 다관능성 아민 화합물의 사용량은 0.1 중량% 미만이면 본 발명의 양전하 카트리지 필터의 바이러스 제거능이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 3 중량%를 초과하여 사용하면 양전하 코팅제의 점도가 너무 높아져서 부직포의 내부 즉, 부직포의 섬유를 충분하게 코팅시키지 못하는 문제가 있을 수 있고, 미반응물이 용출되는 문제가 있을 수 있다.
그리고, 상기 가교제 및 다관능성 아민 화합물은 1 : 0.2 ~ 1 중량비로, 바람직하게는 1 : 0.3 ~ 1 중량비로 사용하는 것이 이들간의 상용성면에서 유리하다.
또한, 상기 양전하 코팅 수지 성분 중 상기 용매는 상기 가교제 및 다관능성 아민 화합물 외에 나머지 코팅 수지의 잔량을 구성한다. 그리고, 상기 용매는 증류수 4 ~ 15 중량% 및 디에틸렌글리콜 에틸 이서 85 ~ 96 중량%를 포함하도록, 바람직하게는 증류수 5 ~ 12 중량% 및 디에틸렌글리콜 에틸 이서 88 ~ 95 중량%가 되도록 혼합하여 사용하는 것이 좋다.
이러한 조성 및 조성비를 가지는 양전하 코팅 수지로 부직포 내외부에 코팅시켜 형성시킨 양전하 코팅층은 평균두께 0.01 ~ 3㎛을 갖도록 형성시키는 것이, 바람직하게는 평균두께 0.05 ~ 1㎛을 갖도록 하는 것이 좋으며, 이때, 코팅층의 평균두께가 0.01㎛ 미만이면 코팅 균일도 감소로 인한 물성편차 문제가 있을 수 있고, 3㎛를 초과하면 코팅층 내구성 감소로 용출문제가 있을 수 있다.
양전하 코팅층이 형성된 부직포의 표면전하는 20 ~ 60 mV 일 수 있으며, 바람직하게는 22 ~ 60 mV일 수 있다. 이는 부직포의 표면전하가 양전하를 나타냄으로써, 음전하를 갖는 바이러스를 흡착하여 포집할 수 있게 되는데, 만약 부직포의 표면전하가 20 mV 미만이면, 바이러스 흡착능이 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 60mV를 초과하여도 바이러스 흡착능은 유사하나 공정시 높은 표면전하를 나타내기 위한 반응시간 및 농도 증가에 의한 생산비용 증가한 문제가 있을 수 있다.
그리고, 상기 표면전하는 Anton Parr 사의 Surpass 모델을 사용하여 흐름전위를 측정하여 하기 수학식 1에 의해 계산된 방법에 의거하여 측정할 수 있는데, 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상기 수학식 1에서, ζ:제타전위(mV), U : 흐름전위(streaming potential, p:압력(pressure), η: 전해질 점도, ε: 전해질의 기본유전율, ε0 : 전해질의 유전체상수, Kb : 전해질의 전기전도도
이러한, 본 발명의 양전하 미디어는 부직포에 양전하 코팅제를 코팅시키는 단계; 및 양전하 코팅제가 코팅된 부직포를 열가교시켜서 양전하 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 양전하 코팅제를 코팅시키는 단계의 부직포는 코로나, 플라즈마, 하이드로차징(hydro-charging), 스퍼터, 프라이머, 화염처리 및 산처리 중에서 선택된 1종 이상의 방법으로 부직포의 내부 및 표면을 전처리한 것일 수 있다.
그리고 상기 부직포는 단층 또는 다층으로 적층시킨 것을 사용할 수 있는데, 상기 부직포를 다층 적층시키는 방법은 통상적으로 사용가능한 방법으로 가능하며, 바람직하게는 크로스 적층한 방법으로 수행할 수 있으며, 적층 후에는 압축하는 공정을 더 수행할 수 있다. 그리고, 부직포의 종류, 특징, 물성은 앞서 설명한 바와 같다.
상기 양전하 코팅제를 코팅시키는 방법은 당업계에서 사용하는 일반적인 방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 양전하 코팅제에 부직포를 침전시켜서 코팅을 수행할 수 있다. 그리고, 상기 침전은 15 ~ 40℃에서 수행하는 것이, 바람직하게는 20 ~ 30℃에서 수행하는 것이 좋으며, 이때, 15 미만에서 수행시 에폭시 점착력이 감소되는 문제가 있을 수 있고, 40를 초과하는 온도에서 수행시 용매 증기 발생에 의한 유해환경 및 폭발의 문제가 있을 수 있으므로 상기 온도 범위에서 침전을 수행하는 것이 좋다. 그리고, 침전시간은 5초 ~ 15시간 동안, 바람직하게는 20초 ~ 13시간 정도 수행하는 것이 좋다.
양전하 미디어의 제조방법에 있어서, 상기 열가교는 60 ~ 130℃ 하에서, 바람직하게는 70 ~ 110℃ 하에서, 더욱 바람직하게는 80 ~ 100℃에서 건조 및 가교를 수행하는 것이 좋은데, 이때, 열가교 온도가 60 미만이면 가교제와 아민화합물의 가교반응이 충분히 이루어 지지 않아 물성 및 제조 공정의 효율이 감소되는 문제를 발생할 수 있으며, 130를 초과하면 부직포의 열변형을 가져와서 여재의 공경(기공)이 좁아져서 수투과량에 악영향을 줄 수 있으므로 상기 온도 범위 내에서 열가교를 수행하는 것이 좋다. 그리고, 열가교 시간은 열가교 온도에 따라 상대적으로 변하는 것으로서, 바람직하게는 15초 ~ 8시간 정도 수행하는 것이, 바람직하게는 30초 ~ 6시간 동안 수행하는 것이 좋다.
양전하 코팅층이 코팅된 부직포로 구성된 본 발명의 양전하 미디어는 상기 부직포에 폴리술폰계 분리막이 필터링(filtering) 방향으로 더 적층된 형태일 수 있다. 상기 적층은 통상적으로 사용가능한 방법으로 가능하며, 바람직하게는 크로스 적층(수평 적층) 및 버티컬적층(수직 적층) 중 선택되는 어느 하나 이상의 방법을 사용할 수 있다.
폴리술폰계 분리막은 박테리아 및 세균 등을 제거하는 역할 및 마이크로 크기를 가지를 입자를 제거하는 역할을 하며, 바람직하게는 0.2 ~ 20㎛의 미생물 등을 제거할 수 있다.
상기 폴리술폰계 분리막은 통상적인 제조방법을 통해 제조된 폴리술폰계 분리막일 수 있으며, 그 제조방법 역시 통상적으로 당업자들이 제조할 수 있는 방법이라면 무관하다. 그리고 폴리술폰계 분리막의 두께는 100 ~ 180㎛, 바람직하게는 110 ~ 170㎛일 수 있다. 이때, 폴리술폰계 분리막의 두께가 평균두께가 100㎛ 미만이면, 사용주기 감소한 문제가 있으며, 평균두께가 180㎛를 초과하면, 차압발생에 의한 효율 감소하는 문제가 있을 수 있다.
또한, 분리막의 종류는 대칭막, 비대칭막, 약대칭막 등을 모두 포함할 수 있으며, 이뿐만 아니라 평막 또는 중공사도 포함될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 폴리술폰계 분리막은 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리알릴에테르술폰, 폴리페닐설폰 및 폴리에테르에테르케톤 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 폴리술폰계 중합체를 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리에테르술폰, 폴리술폰 및 폴리알릴에테르술폰 중에서 선택된 1종 이상을 함유한 폴리술폰계 중합체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폴리술폰계 분리막은 평균공경이 0.1㎛ ~ 1㎛일 수 있으며, 바람직하게는 0.1㎛ ~ 0.7㎛일 수 있다. 이때, 평균공경이 0.1㎛ 미만이면, 유량 감소한 문제가 있을 수 있고, 1㎛를 초과하면, 박테리아 및 세균 등을 제거성능이 미흡한 문제가 있을 수 있다.
본 발명에서 사용하는 상기 폴리술폰계 분리막은 통상적인 제조방법을 통해 제조된 폴리술폰계 분리막일 수 있으며, 바람직하게는 다음의 방법대로 수행될 수 있다.
상기 풀리술폰계 분리막은 지지체 상에, 폴리술폰계 중합체, 친수성 공경조절제 및 잔량의 용매로 이루어진 고분자용액을 캐스팅하여 막을 형성하는 제1공정; 상기 형성된 막에 온도 20 ~ 60℃ 및 습도 30% ~ 99%로 유지된 공기분사에 의해 막의 상층부에 공경(또는 기공)을 형성하는 제2공정; 및 상기 제 2공정 이후, 응고조에 침지하여 상기 지지체로부터 막을 박리시키는 제3공정;을 포함하는 공정을 수행하여 제조할 수 있다.
상기 제1공정에 사용되는 지지체는 금속소재 또는 폴리에틸렌 프탈레이트 필름이며, 상기 금속소재 특성상, 그 표면온도는 5 ~ 30℃일 수 있고, 지지체의 바람직한 일례로는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 알루미늄합금 또는 구리합금 폴리에틸렌 프탈레이트 필름 등을 사용할 수 있다.
그리고 상기 고분자용액은 폴리술폰계 중합체 8 ~ 40중량%, 친수성 공경 조절제 10 ~ 20중량% 및 잔량의 용매로 이루어질 수 있으며, 상기 고분자용액의 친수성 공경조절제는 내부 공경(또는 기공)을 형성하기 위하여 사용할 수 있다. 그리고 상기 친수성 공경조절제는 용매와 잘 혼합되는 것이라면 사용 가능하며, 바람직하게는 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌글리콜 및 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 중량평균분자량 10,000 ~ 100,000의 범위를 가지는 폴리비닐피롤리돈을 친수성 공경조절제로서 사용할 수 있다.
상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈, 디메틸포름아마이드, 디메틸설폭사이드 및 디메틸아세트아마이드로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이 사용되며, 이때, 용매의 함량은 전체 100 중량%에서 상기 조성함량을 제외한 잔량이 사용될 수 있다. 또한, 상기 고분자 용액에는 에틸렌글리콜 및 글리세롤을 포함하는 글리콜류; 에탄올 및 메탄올을 포함하는 알코올류; 및 아세톤을 포함하는 케톤류;로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 친수성 첨가제를 더 혼합할 수 있다.
다음 상기 제2공정은 형성된 막에 공경(또는 기공)을 형성하는 단계로서, 제2공정에서 형성되는 막 상층부의 평균공경크기는 0.01 ㎛~ 0.50 ㎛ 직경이며, 상기 상층부를 제외한 막의 하층부의 평균공경크기가 0.45 ㎛ ~ 20 ㎛ 직경일 수 있다.
구체적으로, 상층부에 공경을 형성하는 조건은 공기분사온도 20 ~ 60? 및 습도 30% ~ 99%로 유지된 조건하에서 0.01 ~ 5 m/min의 속도로 공기분사를 수행하여 공경을 형성할 수 있으며, 이때 공기 노출시간은 5초 ~ 10분 동안 수행될 수 있는데, 만약 상기 공기분사속도가 0.01 m/min 미만이면, 공정 컨트롤의 문제가 있고, 5 m/min를 초과하는 속도로 수행되면, 막 표면에 흠집을 발생하여 공경 형성에 영향을 주기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 공기분사시의 공기 노출시간이 5초 미만이면, 표면의 공경 형성이 미흡하므로, 응고시키기 위한 체류시간을 충분하게 제어하도록 하는 것이 바람직하며, 공기노출시간이 10분을 초과하면, 막의 외관이 좋지 않아져 바람직하지 않다.
상기 공기분사에 의해 형성되는 폴리술폰계 분리막 상층부의 공경크기는 0.01㎛ ~ 0.5㎛이며, 폴리술폰계 분리막 하층부의 공경크기 0.45㎛ ~ 20㎛일 수 있으며, 하층부의 공경형성은 지지체 상에 고분자용액을 캐스팅할 때, 지지지체와 고분자용액간의 온도차에 의해 공경이 형성될 수 있다. 이때, 지지체는 금속소재의 특성상 그 표면온도가 5 ~ 30℃이며, 이때, 지지체의 온도가 5℃ 미만으로 지나치게 낮으면, 접촉하는 고분자용액간의 온도차가 커져 균일한 도포가 어려워 막형성이 어려울 수 있으며, 반면에 30로 높게 유지되면, 고분자 용액간의 온도차가 작아져 열유도상전이법에 의한 공경의 구조를 조절하기 비효율적이다. 따라서 상기 지지체 상에 캐스팅되는 고분자용액의 온도는 상기 지지체 온도보다 높은 온도로 유지하되, 바람직하게는 10℃ ~ 40℃를 유지하는 것이 좋다.
즉, 본 발명의 바람직한 폴리술폰계 분리막 제조방법에 의해 상층부의 공경크기는 0.01㎛ ~ 0.50㎛이고, 하층부의 공경크기가 0.45㎛ ~ 20㎛인 비대칭구조의 폴리술폰계 막을 제공할 수 있다.
이러한, 본 발명의 양전하 미디어는 평균수투과량이 20 ~ 80 ㎖/cm2·min·bar일 수 있다.
본 발명의 양전하 미디어는 수도압 1 bar일 때, 초기 유량이 2 lpm 이상일 수 있다.
본 발명의 양전하 미디어는 유효정수량(초기 유량 대비 50% 감소된 유량 측정시의 누적 정수량)이 3,650 L 이상일 수 있다.
본 발명의 양전하 미디어는 바이러스 제거성능이 4 log 이상일 수 있다.
본 발명의 양전하 미디어는 폴리술폰계 분리막을 포함하는 경우, 박테리아 제거성능이 7 log 이상일 수 있다.
본 발명은 직수타입 정수기용 필터 카트리지는 도 1 및 도 2에 도면으로 나타낸 바와 같이, 앞서 설명한 양전하 미디어를 필터부로 포함한다.
본 발명의 직수타입 정수기용 필터 카트리지는 원통형의 코어부(110); 단면이 절곡 형상으로, 상기 코어부의 외주면을 둘러싸도록 구비되는 필터부(120); 상기 필터부 외주부에 구비되는 원통형의 하우징; 및 상기 하우징의 상면 및 하면 단부에 결합되는 엔드캡;을 포함한다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 코어부(110)는 본 발명에 따른 필터부를 지지하여 카트리지 필터를 제조할 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 직경이 20 ~ 80 mm인 원통형태인 것이 좋다.
또한, 코어부(110)는 금속 또는 플라스틱 같은 강체형 물질로 제조될 수 있다.
필터부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 그 단면이 절곡된 형상이 연속해서 이루어질 수 있으며, 절곡된 형상의 주름들이 코어부(110)의 외주면을 따라 서로 접할 수 있고, 충분한 수의 주름들이 형성되어야 원수들을 여과하는데 효과적이다.
즉, 필터부(120)는 제1절곡부(122) 및 제 2절곡부(124)를 포함하여 절곡된 형상을 형성할 수 있다. 이 때, 제 1 절곡부는 상기 코어부의 외측 방향으로 굽어진 형태로 이루어질 수 있다. 그리고, 제 2 절곡부는 상기 코어부의 내측 방향으로 굽어진 형태로 이루어질 수 있다. 필터부(120)는 제1절곡부(122) 및 제2절곡부(124)가 교대로 반복되어 형성될 수 있다.
그리고, 필터부는 도 4에 도시한 바와 같이 단층의 부직포(제1부직포, 도 4의 126)로 형성될 수 있고, 도 5와 같이 2층 구조(제1부직포 및 제2부직포, 도 5의 126 및 129)로 형성될 수 있으며, 도면으로 도시하지 않았지만, 3층 구조일 수도 있다. 그리고, 제1부직포와 제2부직포 및/또는 제3부직포는 서로 같거나 다른 공경을 가지는 부직포일 수 있다.
하기의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[ 실시예 ]
실시예 1 : 직수타입 정수기용 양전하 미디어의 제조
증류수 10.2중량% 및 디에틸렌 글리콜 에틸 이서 89.8중량%를 포함하는 용매를 준비하였다.
다음으로, 노볼락형 에폭시 수지 1 중량%, 폴리에틸렌 이민 1 중량% 및 상기 용매 98 중량%를 혼합한 후, 이를 상온에서 30분간 교반하여 양전하 코팅액을 제조하였다.
다음으로, 평균공경 6 ㎛, 평균 두께 700 ㎛ 를 갖는 폴리프로필렌 멜트블로운 부직포를 제조된 코팅용액에 상온에서 30초간 침적하고 80℃에서 6시간 동안 열 가교를 실시하여 단층 형태의 양전하 미디어를 제조하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 노볼락형 에폭시 수지 0.5 중량%, 폴리에틸렌 이민 0.5 중량% 및 상기 용매 99 중량%를 혼합 및 교반하여 양전하 코팅액을 제조한 후, 이를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 용매로서, 증류수 5.1중량% 및 디에틸렌 글리콜 에틸 이서 94.9중량%를 포함하는 용매를 사용하여 양전하 코팅액을 제조한 후, 이를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 노볼락형 에폭시 수지 1.5 중량%, 폴리에틸렌 이민 0.5 중량% 및 상기 용매 98 중량%를 혼합 및 교반하여 양전하 코팅액을 제조한 후, 이를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 130℃에서 10분간 열 가교시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 양전하 미디어를 제조하였다.
실시예 6
양전하 코팅층 형성시, 코팅을 1분간 실시한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 양전하 미디어를 제조하였다.
실시예 7
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 실시예 1의 부직포를 2층으로 적층시킨 부직포를 사용한 것으로 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 양전하 미디어를 제조하였다.
비교예 1
실시예 1의 부직포 자체를 미디어로 준비하였다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 평균공경 50 ㎛, 평균 두께 700 ㎛ 를 갖는 폴리프로필렌 멜트블로운 부직포를 사용하여 실시예 1과 동일하게 실시하여 양전하 미디어를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 50℃에서 6시간 동안 열가교시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하여 양전하 미디어를 제조하였다.
비교예 4
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 노볼락형 에폭시 수지 1.8 중량%, 폴리에틸렌 이민 0.2 중량% 및 상기 용매 98 중량%를 혼합 및 교반하여 양전하 코팅액을 제조한 후, 이를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하였다.
비교예 5
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 용매로서, 증류수 20.5 중량% 및 디에틸렌 글리콜 에틸 이서 79.5중량%를 포함하는 용매를 사용하여 양전하 코팅액을 제조한 후, 이를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하였다.
비교예 6
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하되, 노볼락형 에폭시 수지 4 중량%, 폴리에틸렌 이민 4 중량% 및 상기 용매 92 중량%를 혼합 및 교반하여 양전하 코팅액을 제조한 후, 이를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 양전하 미디어를 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 ~ 7, 비교예 1 ~ 6 에서 제조된 양전하 미디어의 기본 물성을 파악하기 위해 분리막 기공 평가기(Maker:PMI, model: CFP-1200-AE) 기기를 사용하여 평균공경을 측정하였고, 평막 평가기((주)도레이케미칼 제작)를 이용하여 직경이 90mm인 샘플 홀더를 통해 일정한 압력(1bar)으로 단위면적 및 분당 유량을 측정하였다.
또한, 평막 평가기((주)도레이케미칼 제작)-직경이 90mm인 샘플 홀더를 통해 1bar의 정압에서 PFU/㎖(PFU: plaque formingunits)단위로 8?105/㎖로 희석한 바이러스(MS2 phage) 용액을 투과시켜 미생물 제거성능을 평가하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 코팅 전/후
무게증감(%)		 수투과도
(ml/cm2·min·bar)		 표면
전하
(mV)		 바이러스
제거성능
(log)		 단위면적당
코팅율(%)
실시예 1 15 75 35 5.1 92
실시예 2 6 72 18 3.5 89
실시예 3 18 80 40 4.7 92
실시예 4 24 68 15 2.4 95
실시예 5 14 73 35 5.0 95
실시예 6 17 74 36 5.1 92
실시예 7 15 72 36 5.8 92
비교예 1 - 68 -35 0.1 -
비교예2 12 380 40 1.0 83
비교예3 4 69 -5 0.1 57
비교예4 42 66 4 0.7 84
비교예5 용액 불균일
비교예6 용액 불균일
제조예 1 : 직수타입 정수기용 필터 카트리지의 제조
실시예 1에서 제조한 양전하 미디어 2장을 적층한 후, 유효 단면적 0.1m2의 단면적을 갖도록 절곡한 후 엔드캡 및 하우징과 체결하여 필터 카트리지를 제조하였다.
실험예 2
상기 제조예 1에서 제조된 필터 카트리지의 기본 물성을 파악하기 위해 분리막 기공 평가기(Maker:PMI, model: CFP-1200-AE) 기기를 사용하여 평균공경을 측정하였고, 평막 평가기((주)도레이케미칼 제작)를 이용하여 직경이 90mm인 샘플 홀더를 통해 일정한 압력(1bar)으로 단위면적 및 분당 유량을 측정하였다(표 2 참조).
구분 누적 투과유량
(L)		 투과유속(ml/min) K.Terrigena
제거율
(LRV)		 MS2 bacteriophage
제거율
(LRV)
제조예 1 1,000 189 7.5 5.3
2,500 174 7.8 4.0
4,500 132 7.1 5.4
6,000 99 6.7 5.3

Claims (7)

  1. 단층의 부직포 또는 2층 ~ 3층으로 적층된 다층의 부직포를 포함하며, 상기 단층 또는 다층의 부직포의 내부 및 외부 표면은 양전하 코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직수타입 정수기용 양전하 미디어.
  2. 제1항에 있어서, 절곡형 미디어인 것을 특징으로 하는 직수타입 정수기용 양전하 미디어.
  3. 제1항에 있어서, 폴리술폰계 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직수타입 정수기용 양전하 미디어.
  4. 제1항에 있어서, 상기 양전하 코팅층은 증류수 및 디에틸렌글리콜 에틸 이서(Diethyleneglycol ethyl ether)를 포함하는 용매; 가교제; 및 다관능성 아민 화합물;을 포함하는 양전하 코팅 수지로 코팅된 것을 특징으로 하는 직수타입 정수기용 양전하 미디어.
  5. 제4항에 있어서, 상기 양전하 코팅 수지는 상기 가교제 0.1 ~ 6 중량% 및 상기 다관능성 아민 화합물 0.1 ~ 3 중량% 및 잔량의 상기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 직수타입 정수기용 양전하 미디어.
  6. 부직포에 양전하 코팅제를 코팅시키는 단계; 및
    양전하 코팅제가 코팅된 부직포를 열가교시켜서 양전하 코팅층을 형성시키는 단계;를 포함하며,
    상기 양전하 코팅제는 증류수 및 디에틸렌글리콜 에틸 이서(Diethyleneglycol ethyl ether)를 포함하는 용매; 가교제; 및 다관능성 아민 화합물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 직수타입 정수기용 양전하 미디어의 제조방법.
  7. 원통형의 코어부; 단면이 절곡 형상으로, 상기 코어부의 외주면을 둘러싸도록 구비되는 필터부; 상기 필터부 외주부에 구비되는 원통형의 하우징; 및 상기 하우징의 상면 및 하면 단부에 결합되는 엔드캡;을 포함하며,
    상기 필터부는 제1항 내지 제5항 중에서 선택된 어느 한 항의 직수타입 정수기용 양전하 미디어를 포함하는 것을 특징으로 하는 직수타입 정수기용 필터 카트리지.
KR1020160129645A 2016-10-07 2016-10-07 직수타입 정수기용 양전하 미디어, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 직수타입 정수기용 필터 카트리지 KR20180038695A (ko)

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KR101951763B1 (ko) 2018-09-07 2019-05-21 (주)현대와코텍 사각 정수 필터

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