KR20190009570A - 미세섬유에 바이오매스를 담지한 수처리 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입자의 크기가 작은 바이오매스를 미세섬유에 담지하여 수중의 오염물을 신속하게 제거할 수 있는 미세섬유에 바이오매스를 담지한 수처리 필터를 제공한다. 본 발명은 바인더인 섬유에 바이오매스가 담지된 수처리 필터에 있어서, 상기 바이오매스는 입자크기가 1~500㎛인 것을 특징으로 하는 수처리 필터를 제공한다.

Description

미세섬유에 바이오매스를 담지한 수처리 필터{Water Treatment Filter Adsorbing Biomass on Fine Fiber}

본 발명은 미세섬유에 바이오매스를 담지한 수처리 필터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입자의 크기가 작은 바이오매스를 미세섬유에 담지하여 수중의 오염물을 신속하게 제거할 수 있는 수처리 필터에 관한 것이다.

염색 공장 등의 각종 산업현장에서는 납, 수은, 카드뮴 등의 중금속 또는 염료가 함유된 폐수가 발생하고 있다. 이러한 중금속 또는 염료 함유 폐수가 수계에 유입시 심각한 오염을 유발하여 수중 생태계를 파괴하고 생물농축에 의해 인간에게까지 해로운 영향을 미치기 때문에 효과적인 처리 방법이 모색되고 있다.

산업 폐수 중의 염료 및 중금속 등의 오염물질을 제거하는 방법으로는 화학적 처리방법, 물리화학적 처리방법 및 생물학적 처리방법 등이 사용되고 있다. 화학적 처리방법으로는 대표적으로 염소계 산화법, 펜톤 시약법, 오존법 등이 있다. 그러나 이러한 화학적 처리방법은 화학적 슬러지를 발생하고 해로운 중간 생성물이 발생되며 운전비용이 비싸다는 단점이 있다.

생물학적 처리방법은 일반적으로 활성화된 호기성 미생물에 의해 유기물을 흡착 또는 분해시키는 활성슬러지 공정이 가장 많이 이용되고 있으나, 이것은 슬러지 발생량이 많고 침전조에서 고액분리가 잘 되지 않는 단점이 있다. 또한, 염색폐수 내의 염료는 대부분이 생물학적으로 분해하기 어려운 물질로 구성되어 있고 분해가 되더라도 독성물질을 생성할 수 있기 때문에 처리효율이 좋지 못하다. 산업 폐수의 물리적인 처리 방법으로는 침전법, 이온교환수지법, 흡착법, 전기영동법 및 막 제거법이 있으나, 이들 방법은 높은 슬러지의 생성, 비선택성, 과다한 초기 시설비와 높은 운전비 등의 문제가 있다. 따라서 환경친화적이면서도 염료 및 중금속 등의 난분해성 물질에 대한 높은 선택성 및 효율성을 가지는 생물학적 방법이 필요한데, 생물학적인 방법으로 이러한 난분해성 물질을 제거할 경우 선택적으로 제거할 수 있으며, 적당한 고정화 방법을 이용하면 기존의 공정과 비교하여 경제성 및 효율성이 높을 것으로 예상되므로 생체흡착기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 따라서 염료, 중금속 등과 같은 난분해성 오염물질을 효과적으로 처리할 수 있는 바이오매스의 개발이 요구되고 있다.

또한 수중의 중금속 오염물질을 제거하기 위해 바이오매스를 이용한 생체흡착기술이 보고되고 있다. 여기에 사용되는 바이오매스는 세균, 바이러스, 진균(효모, 곰팡이), 조류, 균체, 해조류, 해초류, 폐지, 목재, 파티클 보드, 톱밥, 농업 폐기물, 오수, 사일리지, 목초, 왕겨, 바가스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마, 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 옥수수 여물, 지팽이풀, 자주개자리, 건초, 코코넛 헤어, 면, 해초 및 조류등 다양한 생체소재들이 이용될 수 있다. 하지만 이러한 바이오매스 중 중금속의 제거 효과가 탁월한 미생물은 입자의 사이즈가 매우 작기 때문에 필터로 제작하는 경우 필터의 공극사이를 막아 물막힘 현상을 일으킬 수 있다는 단점을 가진다.

이를 해결하기 위하여 바이오매스의 입자 크기를 크게 하는 기술이 개발되어 왔다. 그 대표적인 기술로는 키토산, 알긴산, 셀룰로오스등을 이용한 입상화 방법이 널리 사용되고 있다. 이렇게 입상화된 바이오매스를 사용하는 경우 기존의 미생물 보다 입자의 사이즈가 매우 커져서 물막힘 현상을 현저하게 개선할 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 입상화된 바이오매스는 비표면적이 작아져 흡착속도가 떨어진다는 단점을 가지고 있다. 이를 개선하기 위하여 상기 입상화된 바이오매스를 다공질화 하는 기술이 많이 연구되어 있지만, 다공질화에도 불구하고 확산저항이 높아 흡착속도가 떨어짐과 더불어 다공성을 유지하기 위하여 주기적으로 재생을 해야한다는 단점을 가지고 있다.

대한민국 공개특허 제10-2003-0013916호에서는 악취제거를 위한 탄화코르크를 이용한 바이오 필터용 여과담체 및 그 제조방법에 관하여 개시하고 있다. 이 발명에서는 탄화코르크에 미생물을 담지하여 악취 및 휘발성 유기화합물을 제거하고 있지만, 담체의 표면에만 미생물이 흡착될 수 있으므로 미생물에 의한 분해능이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

일본 공개특허 제1999-244878호에서는 오염물질 생분해를 위한 장치 및 오염물질의 생분해 방법에 관하여 개시하고 있다, 이 발명에서는 담체를 이용하여 미생물을 담지하는 것으로 미생물을 재순환 하고 있지만 담체의 확산저항으로 인하여 미생물의 효과가 떨어질 수 있다.

전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 입자의 크기가 작은 바이오매스를 미세섬유에 담지하여 수중의 오염물을 신속하게 제거할 수 있는 미세섬유에 바이오매스를 담지한 수처리 필터를 제공하고자 한다.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 바인더인 섬유에 바이오매스가 담지된 수처리 필터에 있어서, 상기 바이오매스는 입자크기가 1~500㎛인 것을 특징으로 하는 수처리 필터를 제공한다.

상기 섬유는; 동물성 섬유, 식물성 섬유 및 광물성 섬유에서 선택되는 첨연섬유; 또는 나일론, 폴리에스터, 아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리프로필렌 및 폴리우레탄에서 선택되는 합성섬유를 포함할 수 있다.

상기 섬유는 직경 1nm~1㎛의 미세섬유를 추가로 포함할 수 있다.

상기 바이오매스는 입자 크기가 1~10um인 구형 또는 두께가 1~10um이고 길이가 50~500um인 선형일 수 있다.

상기 바이오매스는 세균, 미세조류, 효모, 바이러스, 진균 또는 균체를 포함할 수 있다.

상기 필터는 활성탄을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 미세섬유에 바이오매스를 담지한 수처리 필터는 입자의 크기가 작은 바이오메스를 직접 미세섬유에 담지함에 따라, 기존의 담지체를 이용한 필터에 비하여 확산속도가 우수하여 빠른 속도 및 높은 효율로 수처리가 가능하므로, 정수기, 하수처리장, 폐수처리장 등에서 유용하게 사용 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 수처리 필터의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 수처리필터의 성능 평가징치를 간략히 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 유속 0.1 LPM에서의 카드늄 제거 성능 평가실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 유속 0.4 LPM에서의 카드늄 제거 성능 평가실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 유속 0.8 LPM에서의 카드늄 제거 성능 평가실험의 결과를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 바인더인 섬유에 바이오매스가 담지된 수처리 필터에 있어서, 상기 바이오매스는 입자크기가 1~500㎛인 것을 특징으로 하는 수처리 필터에 관한 것이다.

상기 바인더인 섬유는 상기 바이오매스가 담지되어 고정되는 부분으로, 표면에 작용기를 가지고 있지 않아 흡착제로는 사용될 수 없지만 화학적으로 안정하고 탄성, 신축률, 강도 등이 높은 섬유가 사용될 수 있다. 상기 섬유는 동물성 섬유, 식물성 섬유 및 광물성 섬유에서 선택되는 첨연섬유; 또는 나일론, 폴리에스터, 아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리프로필렌 및 폴리우레탄에서 선택되는 합성섬유를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 정수시 물의 흐름을 방해하지 않으면서도 인체에 유해한 성분을 가지지 않는 천연펄프를 사용할 수 있다.

또한 상기 섬유는 상기 바이오매스의 담지량을 늘리면서도 미세한 부유물을 물리적으로 여과할 수 있도록 직경 1nm~1㎛의 미세섬유가 추가로 포함되는 것이 바람직하다. 상기 미세섬유는 상기 바인더인 섬유에 비하여 직경이 작음에 따라 많은 양의 바이오매스의 담지가 가능하지만, 미세섬유만으로 바인더가 구성되는 경우 압축에 의하여 공극이 줄어들게 되어 통수량이 떨어질 수 있으므로, 바인더인 섬유와 미세섬유를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이때 바인더인 섬유는 주로 지지체의 역할을 수행하며, 미세섬유는 담지체의 역할을 주로 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서 상기 바이오매스는 오염물을 흡착하거나 분해하는 역할을 수행하는 것으로 산업 생산에 사용될 수 있는 살아있거나 죽은 생물학적 재료(biological material)가 사용될 수 있으며, 예를 들면 세균, 바이러스, 진균(효모, 곰팡이), 조류, 균체, 해조류, 해초류, 폐지, 목재, 파티클 보드, 톱밥, 농업 폐기물, 오수, 사일리지, 목초(grasses), 왕겨, 바가스, 황마, 대마, 아마, 대나무, 사이잘마(sisal), 마닐라삼, 짚, 옥수수 속대, 옥수수 여물(corn stover), 지팽이풀(switchgrass), 자주개자리(alfalfa), 건초, 코코넛 헤어(coconut hair), 면, 해초 및 조류(algae)의 군에서 선택하여 사용될 수 있다. 바람직하게는 세균, 미세조류, 효모, 바이러스, 진균 또는 균체가 포함될 수 있으며, 정수기 등 먹는물의 수처리에 사용되는 경우 심미적 또는 위생적인 효과를 고려하여 식용이 가능한 미세조류 또는 효모를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 바이오매스는 입자크기가 1~500㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 입자 크기가 1~10um인 구형 또는 두께가 1~10um이고 길이가 50~500um인 선형일 수 있다. 상기 바이오매스의 입자크기가 1㎛미만인 경우, 바이오매스의 크기가 작아져 상기 섬유 또는 미세섬유에 충분한 양이 담지되기 어려우며, 입자크기가 500㎛를 초과하는 경우에는 표면적이 줄어들어 흡착속도가 떨어질 수 있다.

특히 클로렐라와 효모의 경우, 직경 2~10㎛의 구형구조를 가지고 있어 빠른 흡착속도를 가질 만큼 충분히 크기가 작으면서도 미세섬유에 담지가 가능하도록 충분한 크기를 가지고 있으며, 스피룰리나의 경우 직경 1~10㎛에 길이 50~500㎛의 원통형 구조를 가지고 있어 쉽게 담지되면서도 높은 흡착량을 가질 수 있다. 아울러 상기 클로렐라, 효모 및 스피룰리나는 식용으로 널리 사용되고 있는 만큼, 먹는 물의 정화시에도 유용하게 사용될 수 있다.

상기 수처리 필터는 활성탄을 추가로 포함할 수 있다. 상기 활성탄은 수처리에 의하여 제거되지 않는 미량의 화합물과 냄새를 제거할 수 있으며, 이에 따라 상기 수처리 필터를 통과한 물이 즉시 음용 가능하도록 할 수 있다. 상기 활성탄은 50~200㎛의 크기를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다, 상기 활성탄의 크기가 50㎛미만인 경우 상기 섬유에 담지되는 양이 떨어지며, 200㎛를 초과하는 경우에는 표면적이 줄어들어 처리된 물의 수질이 떨어질 수 있다.

상기 활성탄은 입상 활성탄 또는 활성탄 섬유가 사용될 수 있으며, 필터 제조시 혼합되거나, 필터의 상부 또는 하부에 별도의 활성탄 층으로 존재할 수 있으며, 상부 및 하부에 동시에 존재할 수도 있다.

상기 수처리 필터는 정수기, 하수처리장, 폐수처리장 등 수처리가 필요한 곳이라면 제한없이 사용 가능하지만, 바람직하게는 정수기, 특히 가정용 정수기에 사용될 수 있다. 본 발명에 의한 수처리 필터는 유해한 화학물질의 사용이 없으며, 클로렐라나 스피룰리나와 같은 식용이 가능한 바이오매스를 이용하여 수처리를 수행함과 더불어 빠른 속도로 이물질의 흡착이 가능하므로, 가정용 정수기에 사용될 수 있다. 또한 스케일 생성방지 또는 장치 보호용으로 사용되는 안티스케일 필터에 사용될 수도 있다. 기존의 안티스케일 필터의 경우 약산성의 이온교환 수지를 이용하여 유입수의 pH를 5.5~6.0으로 낮추는 방식으로 스케일의 생성을 억제하였지만, 본 발명에서 사용되는 클로렐라의 경우 상기 약산성의 안티스케일 필터와 동일한 역할을 수행 가능하므로, 상기 이온교환 수지의 대체품으로 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.

실시예 1

두께 2mm의 판지형태로 된 천연펄프를 물 20L에 용해시켜 2%w/w의 펄프 슬러리를 제조하였다. 천연펄프가 물에 잘 풀어지도록 손으로 찢어준 후에 리파이너(refiner)에서 50분 동안 고해 작업하여 펄프 고해액을 제조하였다. 펄프 고해액 500mL에 입도 분포(d10-d90)가 2-15um인 클로렐라 분말 5g과 평균크기 100um인 활성탄 15g을 투입하여 혼합액을 제조하였다. 이 혼합액을 25x25x50cm(w, d. h)크기인 사각 수조(바닥에 메쉬망이 있고, 레버를 열면 메쉬망 아래로 물이 순간적으로 빠질 수 있는 구조)에 넣고 물 8L를 추가로 투입한 후 균일하게 혼합되도록 약 30초간 교반하였다. 그리고 메쉬망 아래로 순간적으로 물을 제거하여 메쉬망 위에 걸러진 케이크를 70℃ 3kgf으로 5분동안 압축한 후, 90℃ 오븐에서 24시간 동안 완전 건조하여 3mm두께의 수처리 필터를 제조하였다.

비교예 1

실시예 1에서 리파이너에(refiner)에서 고해하지 않고 교반기로 50분동안 교반 한 펄프액을 비교예 1로 사용하였다.

비교예 2

이온교환수지(Amberlite IRC86) 20g을 3mm두께가 되도록 얇게 펼쳐서 카트리지에 충진하였다.

실험예

실시예 1과 비교예 1, 및 비교예 2의 중금속 흡착성능을 평가하기 위해 도 2와 같은 성능평가 장치에 넣고 유속을 0.1 LPM, 0.4 LPM, 0.8 LPM으로 달리하여 카드뮴 제거율을 평가하였다. 원수는 Cd(NO₃)₂ 시약을을 이용하여 100ppb 농도로 제조하였고 정수 중에 있는 카드뮴 농도는 inductively coupled plasma spectrometer (ICP-7510m Shimadzu, Japan)를 이용해 측정하였다. 카드뮴 제거율은 하기의 식 1을 이용해 계산하였다.

[식 1]

Re% = (Ci - Cf) x 100 / Cf

유속 0.1 LPM, 0.4 LPM, 0.8 LPM에서의 카드뮴 제거 성능 평가 결과를 도 3, 도 4, 도 5에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이, 비교예1의 경우 초기부터 제거율이 80% 이하로 낮아지는 것을 알 수 있었다. 또한 도 4와 도 5에 나타난 바와 같이, 보면 유속이 빨라짐에 따라 비교예1과 2 모두 제거율이 매우 낮지만, 실시예1 의 제거율은 98%이상 유지됨을 알 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

1 : 섬유
2 : 미세섬유
3 : 바이오매스
4 : 활성탄

Claims (6)

1. 바인더인 섬유에 바이오매스가 담지된 수처리 필터에 있어서,
   상기 바이오매스는 입자크기가 1~500㎛인 것을 특징으로 하는 수처리 필터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 섬유는;
   동물성 섬유, 식물성 섬유 및 광물성 섬유에서 선택되는 첨연섬유; 또는
   나일론, 폴리에스터, 아크릴로니트릴, 폴리비닐알코올, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리프로필렌 및 폴리우레탄에서 선택되는 합성섬유;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 필터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 섬유는 직경 1nm~1㎛의 미세섬유를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 필터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 바이오매스는 입자 크기가 1~10um인 구형 또는 두께가 1~10um이고 길이가 50~500um인 선형인 것을 특징으로 하는 수처리 필터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 바이오매스는 세균, 미세조류, 효모, 바이러스, 진균 또는 균체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 필터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 필터는 활성탄을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 필터.

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