KR20190081486A - 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제로 이루어지며, 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제를 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 압출하는 압출단계 및 상기 압출단계를 통해 압출된 압출물을 냉각하고 절단하는 냉각절단단계를 통해 제조된다.
상기의 성분 및 과정을 통해 제조되는 카본블럭 필터는 에어로겔이 함유되어 우수한 중금속 제거성능을 나타내며, 압출성형으로 제조되어 대량생산에 적합할 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수하다.

Description

에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법 {CARBON BLOCK FILTER FOR REMOVING HEAVY METAL CONTAINING AEROGEL AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}
개시된 내용은 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에어로겔이 함유되어 우수한 중금속 제거성능을 나타내며, 압출성형으로 제조되어 대량생산에 적합할 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
정수장치는 수돗물이나 지하수와 같은 원수를 정수하는 장치로서, 다양한 정수방법을 통해 원수를 음용이 가능할 정도로 정수하는 역할을 하는데, 정수를 생성하기 위해서는 침전, 여과, 살균 등의 과정을 거쳐야 하며, 이러한 과정들을 통해 유해물질이 대부분 제거된다.
일반적으로 정수장치에는 원수를 정수하기 위해 다양한 필터들이 구비되며, 이러한 필터들은 그 기능에 따라 침전 필터, 선카본 필터, 멤브레인 필터 및 후카본 필터 등으로 구분된다.
침전 필터는 원수 내의 입자가 큰 오염물질이나 부유물질(흙, 녹, 모래 등)을 침전시키기 위한 필터이며, 선카본 필터는 중금속, 입자가 작은 오염물질, 잔류 염소, 휘발성 유기 화합물이나 냄새 발생 인자들을 흡착하여 제거하기 위한 필터이다.
또한, 멤브레인 필터로는 중공사막 필터와 역삼투압 멤브레인 필터가 있으며, 중공사막 필터는 이온성 물질이나 미생물을 효과적으로 제거할 수 있는 반면 인체에 유용한 미네랄 성분을 유지하는 장점을 갖고 있다.
또한, 역삼투압 멤브레인 필터에 비해 저렴하고 낭비되는 원수를 최소화할 수 있는데, 역삼투막을 적용하여 중금속, 이온성 물질 그리고 미생물을 효과적으로 제거하기 위해 사용될 수 있다. 그러나 역삼투압 멤브레인 필터는 고가이며 많은 양의 원수가 버려지는 문제가 있을 뿐 아니라 인체에 유용한 미네랄이 제거되는 문제점이 있다.
또한, 후카본 필터는 필터의 제일 후단에 설치되는 것으로서 주로 정수의 맛에 영향을 미치는 냄새 유발물질을 제거하여 물맛을 향상시키기 위해 구비되는데, 종래에 종래에 정수장치는 상기와 같은 다양한 필터가 구비되는데도 불구하고, 중금속 제거성능이 낮은 문제점이 있었으며, 내구성이 낮아 장시간 사용이 제한적이고, 압축방식으로 제조되기 때문에, 대량생산이 곤란한 문제점이 있었다.
한국특허등록 제10-0640070호(2006.10.24). 한국특허공개 제10-2015-0076988호(2015.07.07).
개시된 내용은 에어로겔이 함유되어 우수한 중금속 제거성능을 나타내며, 압출성형으로 제조되어 대량생산에 적합할 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
하나의 일 실시예로서 이 개시의 내용은 활성탄분말, 바인더,에어로겔 및 첨가제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터에 대해 기술하고 있다.
바람직하기로는, 상기 중금속 제거용 카본블럭 필터는 활성탄분말 20 내지 88 중량%, 바인더 10 내지 50 중량%, 에어로겔 1 내지 30 중량% 및 첨가제 1 내지 30 중량%로 이루어질 수 있다.
더 바람직하기로는, 상기 바인더는 폴리프로필렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나로 이루어질 수 있다.
더욱 바람직하기로는, 상기 에어로겔은 입자크기가 10 내지 500 마이크로미터이며, 기공크기가 20 내지 50 나노미터이고, 기공률이 50 내지 99%인 것으로 이루어질 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 첨가제는 산화철 분말 또는 티타늄혼합물로 이루어질 수 있다.
더욱 더 바람직하기로는, 상기 티타늄혼합물은 티타늄 실리케이트, 티타늄 다이옥사이드 및 염화티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나로 이루어질 수 있다.
다른 일 실시예로서 이 개시의 내용은 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제를 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 압출하는 압출단계 및 상기 압출단계를 통해 압출된 압출물을 냉각하고 절단하는 냉각절단단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터의 제조방법에 대해 기술하고 있다.
이상에서와 같은 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법은 에어로겔이 함유되어 우수한 중금속 제거성능을 나타내며, 압출성형으로 제조되어 대량생산에 적합할 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터를 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.
도 1은 개시된 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 개시된 중금속 제거용 카본블럭 필터의 제조과정에서 사용되는 압출성형장치를 나타낸 정면도이다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
개시된 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터는 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제로 이루어지며, 활성탄분말 20 내지 88 중량%, 바인더 10 내지 50 중량%, 에어로겔 1 내지 30 중량% 및 첨가제 1 내지 30 중량%로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 활성탄분말 20 내지 88 중량%가 함유되는데, 개시된 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터의 주재료가 되는 성분으로, 분말의 형태로 사용되며 수중의 염소성분, 냄새, 휘발성 유기화합물 및 일부 중금속을 제거하며, 정수의 맛을 개선하는 역할을 한다.
상기 활성탄분말의 함량이 20 중량% 미만이면 상기의 효과가 미미하며, 상기 활성탄 분말의 함량이 88 중량%를 초과하게 되면 상기의 효과는 크게 향상되지 않으면서 상대적으로, 바인더, 에어로겔 및 첨가제의 함량이 줄어 필터의 중금속 제거성능 및 기계적 물성이 저하될 수 있다.
상기 바인더는 10 내지 50 중량%가 함유되며, 상기 활성탄분말, 상기 에어로겔 및 상기 첨가제 성분을 결속시키는 역할을 하는데, 폴리프로필렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 바인더의 중량평균분자량은 100000 내지 12000000g/mol인 것이 바람직한데, 필터의 흡착성과 정수성능을 향상시키기 위하여 분자량이 다른 바인더를 혼합하여 사용할 수도 있다.
예를 들면, 중량평균분자량이 400000 내지 500000g/mol인 폴리에틸렌, 중량평균분자량이 600000 내지 800000g/mol인 폴리에틸렌 및 중량평균분자량이 900000 내지 1000000g/mol인 폴리에틸렌이 혼합되어 사용될 수 있다.
상기 바인더의 함량이 10 중량% 미만이면 필터의 기계적 물성이 저하되며, 상기 바인더의 함량이 50 중량%를 초과하게 되면 필터의 중금속 제거효과가 저하된다.
상기 에어로겔은 1 내지 30 중량%가 함유되며, 고다공성 나노구조체로서 입자가 작은 오염물질, 잔류 염소, 휘발성 유기 화합물, 중금속, 미생물, 냄새 발생 인자 등을 흡착하여 제거하기 위하여 사용되는데, 실리카 에어로겔, 알루미나 에어로겔, 카본 에어로겔, 지르코니아 에어로겔, 루테니아 에어로겔, 산화철 에어로겔, 산화마그네슘 에어로겔, 산화텅스텐 에어로겔, 산화아연 에어로겔, 다공성 실리카 등이 사용될 수 있으며, 특히 실리카 에어로겔이 사용되는 것이 바람직하며, 실리카 에어로겔은 분말, 비드, 수분산 페이스트 등이 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 상기 에어로겔은 불순물 제거를 위하여 열처리 될 수 있으며, 열처리 온도는 50 내지 500℃인 것이 바람직하며, 입자크기가 10 내지 500 마이크로미터이고, 기공크기가 20 내지 50 나노미터이며, 기공률이 50 내지 99%인 것이 바람직하다.
상기 에어로겔은 기공 크기가 20 내지 50 나노미터기 때문에, 20 나노미터 이상의 크기를 갖는 물질을 효율적으로 여과할 수 있는데, 에어로겔의 입자 크기, 기공 크기 및 기공율이 상기 수치 범위를 만족하는 경우 제조된 필터의 흡착성, 내구성 및 정수성능이 극대화될 수 있다.
상기 첨가제는 1 내지 30 중량%가 함유되며, 산화철 분말 또는 티타늄혼합물로 이루어지는데, 개시된 카본블럭 필터의 중금속 흡착성능과 기계적 물성을 더욱 향상시키는 역할을 한다.
상기 첨가제의 함량이 1 중량% 미만이면 상기의 효과가 미미하며, 상기 첨가제의 함량이 30 중량%를 초과하게 되면 개시된 카본블럭 필터의 기계적 물성이 오히려 저하될 수 있다.
이때, 상기 산화철 분말은 FeO 산화철(II), Fe2O3 산화철(III) 및 Fe3O4(사산화삼철)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 티타늄혼합물은 티타늄 실리케이트, 티타늄 다이옥사이드 및 염화티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 개시된 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터의 제조방법은 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제를 혼합하는 원료혼합단계(S101), 상기 원료혼합단계(S101)를 통해 제조된 혼합물을 압출하는 압출단계(S103) 및 상기 압출단계(S103)를 통해 압출된 압출물을 냉각하고 절단하는 냉각절단단계(S105)로 이루어진다.
상기 원료혼합단계(S101)는 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계로, 활성탄분말 20 내지 88 중량%, 바인더 10 내지 50 중량%, 에어로겔 1 내지 30 중량% 및 첨가제 1 내지 30 중량%를 교반기에 투입하고 150 내지 300rpm의 속도로 5 내지 10분 동안 교반하여 이루어진다.
이때, 상기 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제의 함량에 따른 임계적 의의나 구체적인 성분 및 역할은 상기 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터에 기재된 내용과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 압출단계(S103)는 상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 압출성형기에 투입하고 압출하는 단계로, 상기와 같이 압출성형기를 이용하여 압출하게 되면 성형물은 형태안정성과 우수한 기계적 물성을 나타낸다.
또한, 상기와 같이 압출성형기를 이용하게 되면 제조되는 중금속 제거용 카본블럭 필터의 조밀도가 향상될 뿐만 아니라 밀도와 크기를 용이하게 임의로 조절할 수 있다.
이때, 상기 압출성형기는 아래 도 2에 나타낸 것처럼, 상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물이 투입되는 호퍼(hopper), 공급된 원재료를 혼합하면서 이송시키는 혼합 이송부, 혼합 이송부의 단부에 마련되어 혼합된 원재료를 토출구로 압출시키는 성형 압출부 및 상기 성형 압출부의 토출구를 개폐하는 가압 셔터(shutter)를 포함하는 구조로 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 가압 셔터가 폐쇄되어 상기 토출구를 막으면 상기 성형 압출부의 내부 압력이 상승하면서 카본 블럭 필터용 성형물이 압축되어 조밀도를 증가시킬 수 있게 된다.
상기 냉각절단단계(S105)는 상기 압출단계(S103)를 통해 압출성형된 성형물을 냉각한 후에 일정한 크기로 절단하는 단계로, 상기 압출단계(S103)를 통해 압출된 성형물을 상온으로 냉각하여 형태가 굳어지면 절단장치 등을 이용하여 일정한 크기로 절단하는 과정으로 이루어진다.
이하에서는, 개시된 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터의 제조방법 및 그 제조방법을 통해 제조된 카본블럭 필터의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.
<실시예 1>
활성탄분말 67 중량%, 바인더(분자량이 300000만인 폴리에틸렌) 15 중량%, 에어로겔 15 중량% 및 첨가제(티타늄 실리케이트) 3 중량%를 교반기에 투입하고 200rpm의 속도로 7분 동안 교반하여 에어로겔이 함유된 중금속 제거효과를 갖는 카본블럭 필터용 조성물을 제조하였다.
<실시예 2>
활성탄분말 83 중량%, 바인더(분자량이 300000만인 폴리에틸렌) 15 중량%, 에어로겔 1.5 중량% 및 첨가제(티타늄 실리케이트) 0.5 중량%를 교반기에 투입하고 200rpm의 속도로 7분 동안 교반하여 혼합물을 제조하고, 제조된 혼합물을 압출성형장치에 투입하고 압출하여 원통형의 성형물을 제조하고, 제조된 성형물을 상온으로 냉각한 후에 절단장치로 절단하여 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1과 동일하게 진행하되, 활성탄분말 75 중량%, 바인더(분자량이 300000만인 폴리에틸렌) 25 중량%를 사용하여 카본블럭 필터용 조성물을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 2과 동일하게 진행하되, 활성탄분말 83 중량%, 바인더(분자량이 300000만인 폴리에틸렌) 17 중량%를 사용하여 카본블럭 필터를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 카본블럭 필터용 조성물의 중금속 제거성능을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
(단, 중금속 제거성능은 흡착용량을 비교평가하기 위해 중금속 조제수에 실시예 1 및 비교예 1을 통해 제조된 카본블럭 필터용 조성물을 24시간 담지하여 최초 대비 농도 변화를 확인하는 방법을 이용하였다.)
<표 1>
Figure pat00001
위에 표 1에 나타낸 것처럼, 에어로겔과 중금속 제거용 첨가제인 티타늄 실리케이트가 함유된 실시예 1의 카본블럭 필터용 조성물의 중금속 제거율이 비교예 1을 통해 제조된 카본블럭 필터용 조성물에 비해 월등하게 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예 2 및 비교예 2를 통해 제조된 카본블럭 필터의 중금속 제거성능을 측정하여 아래 표 2에 나타내었다.
(단, 중금속 제거성능은 중금속 조제수를 필터로 통수시킨 후에 통수 전의 농도와 비교하는 방법을 이용하였다.)
<표 2>
Figure pat00002
위에 표 2에 나타낸 것처럼, 에어로겔과 중금속 제거용 첨가제인 티타늄 실리케이트가 함유된 실시예 2의 카본블럭 필터는 중금속 제거율이 비교예 2을 통해 제조된 카본블럭 필터에 비해 월등하게 우수한 것을 알 수 있다.
따라서, 개시된 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법은 에어로겔이 함유되어 우수한 중금속 제거성능을 나타내며, 압출성형으로 제조되어 대량생산에 적합할 뿐만 아니라, 기계적 물성이 우수한 카본블럭 필터를 제공한다.
S101 ; 첨가제혼합단계
S103 ; 압출단계
S105 ; 냉각절단단계
101 : 카본 블럭 제조용 압출기
200: 혼합 이송부
210: 이송관
250: 스크류 구동부
270: 스크류
300: 성형 압출부
309: 토출구
400: 가압 셔터
407: 커팅날
450: 셔터 구동부
500: 냉각 챔버
700: 제어부
730: 압력계
800: 호퍼

Claims (7)

  1. 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중금속 제거용 카본블럭 필터는 활성탄분말 20 내지 88 중량%, 바인더 10 내지 50 중량%, 에어로겔 1 내지 30 중량% 및 첨가제 1 내지 30 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 바인더는 폴리프로필렌, 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 에어로겔은 입자크기가 10 내지 500 마이크로미터이며, 기공크기가 20 내지 50 나노미터이고, 기공률이 50 내지 99%인 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 첨가제는 산화철 분말 또는 티타늄혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 티타늄혼합물은 티타늄 실리케이트, 티타늄 다이옥사이드 및 염화티탄으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터.
  7. 활성탄분말, 바인더, 에어로겔 및 첨가제를 혼합하는 원료혼합단계;
    상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 압출하는 압출단계; 및
    상기 압출단계를 통해 압출된 압출물을 냉각하고 절단하는 냉각절단단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터의 제조방법.



KR1020170184066A 2017-12-29 2017-12-29 에어로겔이 함유된 중금속 제거용 카본블럭 필터 및 그 제조방법 KR20190081486A (ko)

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