KR20190012868A - 미세먼지 저감용 부직포 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

미세먼지 저감용 부직포 필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세먼지 저감용 부직포 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 미세먼지 저감용 부직포 필터에 따르면, 공기 중 존재하는 미세먼지를 효율적으로 제거할 수 있다.

Description

미세먼지 저감용 부직포 필터 및 이의 제조방법{Non-woven fabric filter for reducing particulate matter and Method for preparing the same}
본 발명은 미세먼지 저감용 부직포 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
미세먼지(Particulate Matter, PM) 또는 분진(粉塵)이란 아황산가스, 질소 산화물, 납, 오존, 일산화탄소 등과 함께 수많은 대기 오염 물질을 포함하는 물질로 자동차, 공장 등에서 발생하여 대기 중 장기간 떠다니는 미세한 먼지를 일컬으며, 입경에 따라 입경 10㎛ 이하인 경우의 미세 먼지를 PM10이라 하고, 입자가 2.5㎛ 이하인 경우는 PM 2.5라고 한다.
공기 청정기, 차량용 공기 정화 필터, 에어컨 등의 실내 공기질 향상을 위한 제품에는 미세먼지 저감용 필터를 대부분 적용하고 있다.
미세먼지 저감용 필터에는 크게 폴리프로필렌(polypropylene)으로 이루어진 부직포 필터나, 유리섬유로 된 헤파(HEPA) 필터의 두 종류가 있는데, 폴리프로필렌 부직포 필터는 입경이 2.5㎛ 이하의 미세먼지(PM 2.5)는 제거할 수 있지만 그보다 작은, 입경 0.3㎛ 이하의 초미세먼지는 제거가 어렵다.
헤파 필터는 여러가지 등급이 있지만 일반적으로 입경이 0.3㎛인 입자상 물질을 통과시켰을 때 99.97% 이상 제거되는 경우 헤파 필터로 인증한다.
헤파 필터는 초미세먼지 제거율은 높지만 유리섬유로 되어 있어 가격이 비싸고 쉽게 깨지기 때문에 적용에 한계가 있고 인체용 마스크에는 적용이 불가능하다.
한편 금속 이온이 유기 리간드와 배위 결합을 이루며, 다공성의 금속 유기 구조체인 MOF(Metal-organic framework)는 차세대 기능성 흡착제로 주목받고 있다. 그러나, MOF는 흡습성으로 인해 정전기 형성이 어렵기 때문에 미세먼지 저감용 필터에 적용에 어려움이 있다.
이에 일본 공개특허 제 2017-501862호에서는 고분자로 이루어진 멤브레인을 기재로 사용하며, MOF와 고분자와의 상용성(compatiblity)을 높이기 위해 MOF에 작용기를 도입하는 표면 개질을 실시하고, 도입된 작용기와 고분자들의 반응 기 사이에 형성된 공유 결합들을 통하여 중합 매트릭스에 결합하며, 멤브레인을 플라즈마-처리, 전자기 방사선(electromagnetic radiation) 처리, 또는 열-처리하는 것을 특징으로 하고 있다.
그러나 상기 일본특허에 개시된 방법에 의하면, MOF의 표면 개질과 멤브레인의 처리 공정을 필요로 하여 공정이 번거롭게 되는 단점이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 미세먼지, 특히 입경이 0.3㎛ 이하인 초미세먼지 제거에 우수한 효율을 나타내는 부직포 필터 및 이의 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해서 본 발명의 일 측면은,
MOF(Metal-organic framework)가 부직포에 담지된, 미세먼지 저감용 부직포 필터를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 측면은,
MOF를 고분자 용액과 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계; 및
상기 방사 용액을 기재 상에 전기방사하는 단계를 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 미세먼지 저감용 부직포 필터에 따르면, HEPA 필터(high efficiency particulate air filter) 규격에 부합되는 정도로, 입경 0.3㎛ 이하의 초미세먼지를 효율적으로 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 부직포 필터의 제조방법에 따르면 MOF에 대한 표면 개질을 필요로 하지 않아 공정이 단순화되고 생산 원가를 절감할 수 있으며, HEPA 필터를 대체하는 공기 정화용 필터로 다양하게 활용가능하다.
또한, 부직포 재질로 인체에 안전하고 가격이 저렴하며 유연한 구조를 가지므로 공기 청정기용 뿐 아니라 인체용 마스크로도 사용가능할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부직포 필터를 보여주는 SEM 사진이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 미세먼지 저감용 부직포 필터 및 이의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 미세먼지 저감용 부직포 필터는 MOF(Metal-organic framework)가 부직포에 담지된 것을 특징으로 한다.
HEPA 필터(high efficiency particulate air filter)는 공기 중의 먼지 등을 제거하는 에어필터로 입경 0.3㎛의 입자에 대해 등급에 따라 85 ~ 99.9999% 이상의 포집 능력을 가지며 주로 직경 1 ~ 10㎛의 유리 섬유로 되어 있다.
국내 산업안전보건법 및 대기환경법에서는 HEPA 필터의 성능에 대해서 규정하지 않고 있으나, 국내 학계 및 산업계에서는 미국 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air conditioning Engineers, 냉동공조전문가협회) STANDARD 52-2-1999에서 규정한 성능 기준을 참고로 하면, 입경이 0.3㎛인 입자상 물질을 99.97% 이상 포집 가능할 때 HEPA 필터를 정의하고 있다.
HEPA 필터의 미세먼지 포집 성능을 측정하는 방법으로는 계수법, 비색법, 중량법, 압력손실 측정, Leak Test법 등이 있다.
그런데 HEPA 필터는 미세먼지 제거율은 높지만 유리섬유로 되어 있어 가격이 비싸고 쉽게 깨지기 때문에 적용에 일정한 한계가 있다.
한편, MOF(Metal-organic framework)는 금속 유기 구조체라고도 불리며, 금속 이온 또는 이온 클러스트가 유기 리간드와 배위하여 1차, 2차 또는 3차 구조를 갖는 유기-무기 하이브리드 물질로, 금속 이온과 유기 리간드의 선택에 따라 다양한 MOF를 만들 수 있다.
상기 MOF는 구조 내에 빈 공간이 존재하는 다공성인 특징이 있으며, MOF를 이루는 금속 이온 및 유기 리간드의 종류와 결합 방식에 따라 기공의 크기, 기공도, 표면적 등이 다양하게 설계될 수 있다.
이러한 다공성으로 인해 MOF는 다양한 물질에 대해 흡착성을 가지며, 특히 종래에 널리 알려진 제올라이트나 활성탄과 비교하여 우수한 흡착성을 나타내어 차세대 기능성 흡착제로 주목받고 있다. 또한 상기 MOF는 높은 온도에서 변형이 쉽게 일어나지 않으며 단단한 골격을 가지고 있어 화학적 안정성 및 열 안정성이 우수하다.
또한 MOF는 높은 기공도를 가지며, 또한 자유로운 표면 개질로 인한 흡착 특성의 최적화가 가능한 장점을 갖는다.
그러나, MOF는 대기 중 수분에 쉽게 분해될 수 있고 강한 흡습성으로 인한 흡착 성능이 저하되는 단점이 있어 MOF를 이용한 공기 필터의 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 또한, MOF를 이루는 물질의 종류와 기공 형태에 따라 미세 먼지에 대한 흡착성은 차이가 있다.
이에, 본 발명은 MOF가 부직포에 담지된, 미세먼지 저감용 부직포 필터를 제공한다.
본 발명의 미세먼지 저감용 부직포 필터에 따르면, MOF가 부직포에 담지되어 효율적인 미세먼지 제거율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MOF는 예를 들어 ZIF-8 (Zn2 ++2-methylimidazole), ZIF-67 (Co2 ++2-methylimidazole), NH2-UiO-66 (Zr4 ++2-aminoterephthalic acid), 및 NH2-MIL-101(Al3 ++2-aminoterephthalic acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는, ZIF-8 또는 NH2-MIL-101를 사용할 수 있다.
본 발명의 미세먼지 저감용 부직포 필터에 사용되는 부직포는, 고분자 용액과 MOF가 혼합된 방사 용액을 전기방사(electrospinning)하여 제조한 것일 수 있다.
부직포를 제조하기 위한 방법은 전기방사, 용융방사, 습식방사, 기재 상에 도포, 열압착 등 여러 가지가 있으며, 전기방사는 정전기력에 의해 고분자 용액을 기재(substrate) 위에 섬유 형태로 방사하여 부직포 형태의 섬유 집합체를 얻는 방법이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 용액은, 고분자, 분산 용매, 분산제, 첨가제 등을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(poly acrylonitrile, PAN), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리아크릴로니트릴을 사용할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분산 용매로는 디메틸아세트아미드, 디에틸아세트아미드, 디메틸메톡시아세트아미드, N-메틸피롤리돈, 디메틸포름아미드 등을 들 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 저감용 부직포 필터에 있어 상기 부직포는 고분자를 포함하는 고분자 용액과 MOF가 혼합된 방사 용액을 기재 상에 또는 기재없이 직접 섬유 형태로 전기방사함으로써, 부직포를 제조함과 동시에 상기 부직포에 MOF가 담지된 형태로 수득될 수 있다.
이와 같이 전기방사용 고분자 용액에 MOF를 함께 혼합하여 이 혼합된 용액을 전기방사하여 제조된 본 발명의 부직포 필터는, 부직포를 먼저 제조하고 그 후에 MOF를 부직포에 코팅하거나 침지하여 담지한 필터에 비하여, MOF의 표면 개질과 멤브레인의 처리 공정을 필요로 하지 않아 공정이 간단하고 외력에 의해서 MOF 입자가 탈착될 우려가 적어 안정적인 필터를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MOF는 부직포 100 중량부에 대하여, MOF를 약 10 중량부 이상, 또는 약 30 중량부 이상, 또는 약 50 중량부 이상이면서 약 95 중량부 이하, 또는 약 90 중량부 이하, 또는 약 85 중량부 이하로 포함할 수 있다. 상기 MOF가 너무 적게 포함되면 미세먼지 제거성능이 저하될 수 있고, 너무 많이 포함될 경우 외부 풍량에 MOF 입자가 탈착될 수 있어, 이러한 관점에서 상기와 같은 중량부 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MOF가 담지되기 전의 부직포의 비표면적은 약 0.1 m2/g 이상, 또는 약 5 m2/g 이상, 또는 약 8 m2/g 이상이면서, 약 50 m2/g 이하, 또는 약 30 m2/g 이하, 또는 약 20 m2/g 이하일 수 있다. 상기 부직포의 비표면적이 너무 적으면 표면에 부착되는 MOF의 양이 줄어들어 미세먼지 흡착성능이 저하될 수 있고, 너무 많으면 형성되는 부직포의 강도가 떨어질 수 있어 이러한 관점에서 상기 중량 범위를 갖는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MOF가 담지된 후의 부직포의 비표면적은 담지되기 전보다 훨씬 증가하며, 예를 들어 약 50 m2/g 이상, 또는 약 70 m2/g 이상, 또는 약 80 m2/g 이상이면서, 약 200 m2/g 이하, 또는 약 180 m2/g 이하, 또는 약 150 m2/g 이하일 수 있다. 상기와 같이 다공성의 MOF가 담지되어 비표면적이 훨씬 증가함으로써 단위 면적당 보다 많은 미세먼지를 흡착할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 MOF가 담지된 부직포는 약 10_% 이상, 또는 약 30 % 이상, 또는 약 50 % 이상이면서, 약 95 % 이하, 또는 약 90 % 이하, 또는 약 85 % 이하의 기공도를 가질 수 있다. 상기 부직포의 기공도가 너무 작으면 대전 성능이 약해 질 수 있고, 너무 크면 ---부직포의 기계적 강도가 약해질 수 있어 이러한 관점에서 상기 기공도 범위를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 부직포를 이루는 섬유는 직경이 약 100 nm 이상, 또는 약 150 nm 이상, 또는 약 200 nm 이상이면서, 약 900 nm 이하, 또는 약 800 nm 이하, 또는 약 700 nm 이하일 수 있다. 상기 섬유의 직경이 너무 작으면 압력 손실이 커져서 에너지 소모가 늘어날 수 있고, 너무 크면 ---입자 제거 성능이 떨어질 수 있어 이러한 관점에서 상기 직경 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 MOF가 부직포에 담지된, 미세먼지 저감용 부직포 필터는, HEPA 필터 규격에 만족하여 입경이 0.3㎛인 입자상 물질을 99.97% 이상 포집 가능하여 높은 미세먼지 제거율을 나타낼 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, MOF를 고분자 용액과 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계; 및 상기 방사 용액을 기재 상에 전기방사하는 단계를 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 미세먼지 저감용 부직포 필터의 제조방법에서, 먼저 MOF를 고분자 용액과 혼합하여 방사 용액을 제조한다. 이때 상기 MOF, 고분자 용액, 및 방사 용액에 대한 구체적인 설명 및 예시적인 물질은 앞서 미세먼지 저감용 부직포 필터에서 설명한 바와 같다.
이렇게 제조된 방사 용액을 기재 상에 또는 기재없이 전기방사하여 MOF가 부직포에 담지된, 미세먼지 저감용 부직포 필터를 제조한다.
상기 전기방사는 부직포 제조방법으로 알려진 일반적인 방법 및 조건을 사용하여 수행할 수 있다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1
폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 32g, 디메틸아세트아미드(dimethylacetamide) 30ml를 혼합하여 고분자 용액을 준비하였다.
ZIF-8(Zn2 ++2-methylimidazole) 20g을 상기 고분자 용액에 혼합하여 방사 용액을 준비하였다. 이를 전기방사법으로 방사하여 ZIF-8가 담지된 부직포 필터(비표면적 15 m2/g, 두께 500nm)를 제조하였다.
제조된 부직포 필터를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면, ZIF-8가 섬유에 담지된 형태인 부직포 필터가 제조되었음을 확인할 수 있다.
실시예 2
MOF로 ZIF-8(Zn2 ++2-methylimidazole) 20g 대신 ZIF-67 (Co2 ++2-methylimidazole) 20g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 MOF가 담지된 부직포 필터를 제조하였다.
실시예 3
MOF로 ZIF-8(Zn2 ++2-methylimidazole) 20g 대신 NH2-UiO-66 (Zr4 ++2-aminoterephthalic acid) 20g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 MOF가 담지된 부직포 필터를 제조하였다.
실시예 4
MOF로 ZIF-8(Zn2 ++2-methylimidazole) 20g 대신 NH2-MIL-101 (Al3 ++2-aminoterephthalic acid) 20g을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 MOF가 담지된 부직포 필터를 제조하였다.
<실험예>
실시예의 부직포 필터에 대하여, 하기 방법으로 미세먼지 제거능을 측정하였다.
실시예 각각의 부직포 필터에 대하여 0.3㎛ 입경의 NaCl 입자를 분무하여 부직포 필터를 통과하는 입자 개수를 확인하여 입자 차폐율을 계산하였다.
그 결과, 실시예 1은 99.99%, 실시예 2는 99.83%, 실시예 3은 90.95%, 실시예 4는 99.97%의 차폐율을 나타냈다.
상기와 같이, 본 발명의 MOF가 담지된 부직포 필터는, 모두 미세먼지 제거능이 우수하였으며, 특히 실시예 1의 ZIF-8와 실시예 4의 NH2-MIL-101은 HEPA 필터 규격을 만족하는 것을 확인하였다.

Claims (10)

  1. MOF(Metal-organic framework)가 부직포에 담지된, 미세먼지 저감용 부직포 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MOF는 ZIF-8(Zn2 ++2-methylimidazole), 및 NH2-MIL-101(Al3 ++2-aminoterephthalic acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부직포는 MOF 및 고분자 용액을 포함하는 방사 용액을 전기방사하여 제조되는 것인, 미세먼지 저감용 부직포 필터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고분자 용액은 고분자, 및 분산 용매를 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(poly acrylonitrile, PAN), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 부직포 필터는 헤파 필터(high efficiency particulate air filter)인, 미세먼지 저감용 부직포 필터.
  7. MOF(Metal-organic framework)를 고분자 용액과 혼합하여 방사 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 방사 용액을 기재 상에 전기방사하는 단계;
    를 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 MOF는 ZIF-8(Zn2 ++2-methylimidazole), 및 NH2-MIL-101(Al3 ++2-aminoterephthalic acid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 고분자 용액은 고분자, 및 분산 용매를 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴(poly acrylonitrile, PAN), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride, PVC), 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는, 미세먼지 저감용 부직포 필터의 제조방법.
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