KR20190086397A - 수처리용 그래핀 필터 모듈 - Google Patents
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Abstract
그래핀 필터 층을 포함하는 수처리용 그래핀 필터 모듈에 관한 것이다.
Description
본원은, 그래핀 필터 층을 포함하는 수처리용 그래핀 필터 모듈에 관한 것이다.
우리가 사용하고 있는 원수는 대부분 강, 하천으로부터 얻으며 침전, 약품, 소독 등의 단계를 거쳐서 각종 이물질, 불순물을 걸러내어 가정, 산업 등으로 깨끗한 물을 제공 받게 된다. 최근 산업의 발달로 인해 산업 폐기물, 생활 오수로 인해 호수, 강, 하천 등의 자연수가 더욱더 오염되고 있다.
물의 오염이 심각해짐에 따라 정수처리 없이는 사용하지 못함은 물론 최근에는 가정에서 가정용 정수기를 추가하여 수돗물을 한번 더 정수하여 마시는 것이 일반화되어 있다.
이러한 방법은 정수장에서는 응집, 침전, 약품 처리 단계 등을 거치면서 높은 설치비용과 넓은 부지가 필요하며 그에 따라 설치비의 제약이 따른다.
오염된 원수를 정수장을 거치고 추가로 일반 가정용 정수기 물을 거쳐서 비로소 우리가 음용할 수 있는 물로 되돌아온다.
깨끗한 물을 마시기 위해 추가로 정수기를 사용함에도 불구하고 정수가 잘되지 않음은 물론 중금속이 나오는 등 정수기에 대한 신뢰가 낮아지고 있다.
이에, 초미세입자, 중금속 등을 거를 수 있는 우수한 여과 능력을 가지며 정수 단계를 줄일 수 있는 정수 필터의 개발이 시급하다.
[선행기술문헌]
WO 2011-090261.
본원은, 그래핀 필터 층을 포함하는 수처리용 그래핀 필터 모듈을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 그래핀 필터 모듈로서, 상기 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층; 상기 외부 멤브레인 층 내부에 배치된 내부 멤브레인 층; 및 상기 외부 멤브레인 층과 상기 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 그래핀 필터 층을 포함하며, 유입된 물이 상기 외부 멤브레인 층, 상기 그래핀 필터 층, 및 상기 내부 멤브레인 층을 통과하며 필터링되는 것인, 그래핀 필터 모듈을 제공한다.
본원의 구현예들에 따르면, 유입된 원수가 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층을 순서대로 통과하며 3 차례 필터링됨으로써, 원수 내 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다.
본원의 일 구현예들에 따른 그래핀 필터 모듈은, 상기 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층이 하나의 모듈로 일체화되어 있으므로, 가정용 정수기, 세척 필터, 비데 필터, 샤워 필터에서부터 대용량 폐수처리용으로 활용될 수 있다.
본원의 구현예들에 따르면, 상기 3 가지의 필터 층을 통해 오염물질이 효과적으로 제거될 수 있으며, 특히, 상기 그래핀 필터 층에 의하여 염색폐수 내의 염색 미세입자들을 제거하여 맑은 정수를 수득할 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 필터 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 필터 모듈의 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층의 단면도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, A형 그래핀 필터 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, B형 그래핀 필터 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, B 형 그래핀 필터 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 그래핀 필터 모듈의 수처리 실험 전후를 나타낸 비교 이미지이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, A형 그래핀 필터 모듈의 수처리 실험 결과를 나타낸 이미지이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, B형 그래핀 필터 모듈을 이용한 필터 시스템을 나타낸 것이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, B형 그래핀 필터 모듈을 이용한 필터 시스템의 수처리 실험 전후를 나타낸 비교 이미지이다.
도 10은, 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 필터 모듈을 이용한 역삼투(RO) 정수기의 예시를 나타낸다.
도 11은, 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 필터 모듈을 이용한 역삼투(RO) 정수기의 예시를 나타낸다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 필터 모듈의 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층의 단면도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, A형 그래핀 필터 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, B형 그래핀 필터 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, B 형 그래핀 필터 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 그래핀 필터 모듈의 수처리 실험 전후를 나타낸 비교 이미지이다.
도 7은, 본원의 일 실시예에 있어서, A형 그래핀 필터 모듈의 수처리 실험 결과를 나타낸 이미지이다.
도 8은, 본원의 일 실시예에 있어서, B형 그래핀 필터 모듈을 이용한 필터 시스템을 나타낸 것이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, B형 그래핀 필터 모듈을 이용한 필터 시스템의 수처리 실험 전후를 나타낸 비교 이미지이다.
도 10은, 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 필터 모듈을 이용한 역삼투(RO) 정수기의 예시를 나타낸다.
도 11은, 본원의 일 구현예에 있어서, 그래핀 필터 모듈을 이용한 역삼투(RO) 정수기의 예시를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀(graphene)"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 형성하는 시트가 단일층으로 이루어진 경우, 이들이 서로 적층되어 복수층을 형성할 수 있으며, 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 옥사이드(graphene oxide)"이라는 용어는 그래핀 산화물이라고도 불리우고, "GO"로 약칭될 수 있다. 단일층 그래핀 상에 카르복실기, 히드록시기, 또는 에폭시기 등의 산소를 함유하는 작용기가 결합된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "환원된 그래핀 산화물" 또는 "환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)"이라는 용어는 환원 과정을 거쳐 산소 비율이 줄어든 그래핀 산화물을 의미하는 것으로서, "rGO"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 나노플레이트렛(Graphene Nano Platelet)"이라는 용어는 천연 흑연(Natural Graphite)를 물리적 또는 화학적 방법에 의해 제조된 10~100여층의 탄소층을 갖는 물질로 "GNP"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 그래핀 필터 모듈로서, 상기 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층; 상기 외부 멤브레인 층 내부에 배치된 내부 멤브레인 층; 및 상기 외부 멤브레인 층과 상기 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 그래핀 필터 층을 포함하며, 유입된 물이 상기 외부 멤브레인 층, 상기 그래핀 필터 층, 및 상기 내부 멤브레인 층을 통과하며 필터링되는 것인, 그래핀 필터 모듈을 제공한다.
도 1 및 도 2를 통해, 본원의 일 구현예에 따른 그래핀 필터 모듈(100)을 설명할 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필터 모듈(100)은 3 개의 층을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층(200), 그래핀을 포함하는 그래핀 필터 층(300), 및 내부 멤브레인 층(400)으로 이루어지는 것일 수 있으며, 상기 그래핀 필터 층은 상기 외부 멤브레인 층과 상기 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 오염된 물인 원수가 상기 3 개의 필터를 통과하면서 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 미세입자 또는 초미세입자가 여과되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 오염된 물은 상기 외부 멤브레인 층에서 큰 입자의 불순물, 중간 사이즈의 불순물과, 중금속 및/또는 박테리아가 제거되고, 상기 외부 멤브레인 층을 통해 제거되지 못한 약 10 nm 내지 약 100 nm의 초미세입자는 상기 그래핀 필터 층의 산소-함유 기능기, 핀홀, 나노동공 등에 의해 제거되며, 마지막으로 내부 멤브레인 층을 통과하면서 미처 제거되지 못했던 불순물들이 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 모듈은, 상기 외부 멤브레인 층, 상기 그래핀 필터 층, 및 상기 내부 멤브레인 층으로 구성된 주름형 막의 A 형 구조; 또는 그래핀이 파우더 형태로 충진되어 있는 그래핀 필터 층을 포함하는 B 형 구조로 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 도 3을 참고하면, 상기 A 형 그래핀 필터 모듈은, 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층으로 구성된 그래핀 함유-필터 페이퍼를 부채처럼 접혀서 표면적을 늘린 상태의 주름형 구조로 형성된 구조일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 모듈이 상기 외부 멤브레인 층, 상기 그래핀 필터 층, 및 상기 내부 멤브레인 층으로 구성된 주름형 막의 A 형 구조로 형성된 것일 경우, 가정용으로 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 가정용 정수기 또는 샤워기로 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 모듈이 상기 외부 멤브레인 층, 상기 그래핀 필터 층, 및 상기 내부 멤브레인 층으로 구성된 주름형 막의 A 형 구조로 형성된 것일 경우, 상기 외부 멤브레인 층 또는 상기 내부 멤브레인 층은 멤브레인 성분으로서 셀룰로오스, 글래스 파이버, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 파이버, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
또는, 예를 들어, 도 4를 참고하면, 상기 그래핀 필터 모듈은 그래핀 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층(200), 상기 외부 멤브레인 층 내부에 배치된 내부 멤브레인 층(400) 사이에, 그래핀이 파우더 형태로 충진되어 있는 B형 구조일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다(도 4).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층이 그래핀이 파우더 형태로 충진되어 있는 B 형 구조로 형성된 것일 경우, 산업용으로 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 산업용 폐수처리 필터로 사용되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층이 그래핀이 파우더 형태로 충진되어 있는 B 형 구조로 형성된 것일 경우, 상기 외부 멤브레인 층 또는 상기 내부 멤브레인 층은 멤브레인 성분으로서 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 세라믹, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층이 그래핀이 파우더 형태로 충진되어 있는 구조로 형성된 것일 경우, 그래핀이 포함된 주름형 막 구조로 형성된 구조보다 그래핀의 양이 더 많은 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 외부 멤브레인 층 및 상기 내부 멤브레인 층은 단단한 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 셀룰로오스, 유리, 알루미나, 활성탄, 폴리프로필렌, 카본블랙, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 외부 멤브레인 층 및 상기 내부 멤브레인 층은 각각 서로 다른 물질로 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층은 그래핀, 그래핀 산화물, 환원 그래핀 산화물, 그래핀 나노플레이트렛(GNP), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층은 활성탄, 카본블랙, 제올라이트, 실리카, 이온교환수지, 알루미나, KDF 필터(Kinetic Degradation Fluxion filter), 세라믹 볼, 카본나노튜브, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층의 동공(pore)의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필터 층의 동공의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 모듈은 입수 방향과 출수 방향의 동공 크기가 서로 상이할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 그래핀 필터 모듈의 경우, 입수 방향의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm, 약 0.1 μm 내지 약 80 μm, 약 0.1 μm 내지 약 60 μm, 약 0.1 μm 내지 약 40 μm, 약 0.1 μm 내지 약 20 μm, 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 100 μm, 약 1 μm 내지 약 80 μm, 약 1 μm 내지 약 60 μm, 약 1 μm 내지 약 40 μm, 약 1 μm 내지 약 20 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 10 μm 내지 약 100 μm, 약 10 μm 내지 약 80 μm, 약 10 μm 내지 약 60 μm, 약 10 μm 내지 약 40 μm, 약 10 μm 내지 약 20 μm, 약 20 μm 내지 약 100 μm, 약 20 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 50 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 그래핀 필터 모듈의 경우, 출수 방향의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 8 μm, 약 0.1 μm 내지 약 6 μm, 약 0.1 μm 내지 약 4 μm, 약 0.1 μm 내지 약 2 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 8 μm, 약 1 μm 내지 약 6 μm, 약 1 μm 내지 약 4 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 8 μm, 약 2 μm 내지 약 6 μm, 약 2 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 8 μm, 약 4 μm 내지 약 6 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 6 μm 내지 약 8 μm, 또는 약 8 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 그래핀 필터 모듈의 경우, 상기 외부 멤브레인 층의 동공(pore)의 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 외부 멤브레인 층의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm, 약 0.1 μm 내지 약 80 μm, 약 0.1 μm 내지 약 60 μm, 약 0.1 μm 내지 약 40 μm, 약 0.1 μm 내지 약 20 μm, 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 100 μm, 약 1 μm 내지 약 80 μm, 약 1 μm 내지 약 60 μm, 약 1 μm 내지 약 40 μm, 약 1 μm 내지 약 20 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 10 μm 내지 약 100 μm, 약 10 μm 내지 약 80 μm, 약 10 μm 내지 약 60 μm, 약 10 μm 내지 약 40 μm, 약 10 μm 내지 약 20 μm, 약 20 μm 내지 약 100 μm, 약 20 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 50 μm 내지 약 100 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 그래핀 필터 모듈의 경우, 상기 내부 멤브레인 층의 동공(pore)의 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 내부 멤브레인 층의 동공 크기는 약 0.1 μm 내지 약 10 μm, 약 0.1 μm 내지 약 8 μm, 약 0.1 μm 내지 약 6 μm, 약 0.1 μm 내지 약 4 μm, 약 0.1 μm 내지 약 2 μm, 약 0.1 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 8 μm, 약 1 μm 내지 약 6 μm, 약 1 μm 내지 약 4 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 10 μm, 약 2 μm 내지 약 8 μm, 약 2 μm 내지 약 6 μm, 약 2 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 10 μm, 약 4 μm 내지 약 8 μm, 약 4 μm 내지 약 6 μm, 약 6 μm 내지 약 10 μm, 약 6 μm 내지 약 8 μm, 또는 약 8 μm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유입된 물에 포함된 직경 약 10 μm 미만의 미세입자가 상기 그래핀 필터 층에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필터 층의 그래핀이 갖는 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착되거나 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어들어감으로써 제거될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층에 의하여 종래 음수용 정수 필터에서 제거하지 못한 잉크 또는 염료 등을 제거할 수 있다. 상기 잉크 또는 염료는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위의 입자를 포함하는 것으로, 상기 그래핀 필터 층에 포함된 산소-함유 기능기, 핀홀, 및 나노 사이즈의 동공을 통해 상기 잉크 또는 염료에 포함된 입자가 흡착되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 유입된 물에 포함된 직경 약 10 μm 미만의 미세입자가 상기 그래핀 필터 층에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀 필터 층의 그래핀이 갖는 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착되거나 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어들어감으로써 제거될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층에 의하여 종래 음수용 정수 필터에서 제거하지 못한 잉크 또는 염료 등을 제거할 수 있다. 상기 잉크 또는 염료는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위의 입자를 포함하는 것으로, 상기 그래핀 필터 층에 포함된 산소-함유 기능기, 핀홀, 및 나노 사이즈의 동공을 통해 상기 잉크 또는 염료에 포함된 입자가 흡착되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 모듈은 약 0.1 내지 약 100 중량부의 그래핀, 그래핀 산화물, 환원 그래핀 산화물 또는 그래핀 나노플레이트렛을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 그래핀 필터 모듈의 그래핀 필터 층은 약 0.1 내지 30 중량부의 그래핀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 A 형 그래핀 필터 모듈의 그래핀이 30중량%를 초과할 경우, 유량 감소 등의 문제점이 발생될 수 있으므로, 상기 그래핀은 약 0.1 내지 30 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 그래핀 필터 모듈의 그래핀 필터 층은 약 0.1 내지 약 100 중량부의 그래핀을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 층은 활성탄, 고분자 화합물, 모래, 자갈, 숯, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 A 형 그래핀 필터 모듈의 경우, 외부 멤브레인 층, 그래핀 필터 층, 및 내부 멤브레인 층을 모두 포함하여 그 두께가 약 1 내지 10 mm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 B 형 그래핀 필터 모듈의 경우, 상기 그래핀 필터 층의 두께는 약 0.1 내지 100 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 B 형 그래핀 필터 모듈의 경우 상기 그래핀 필터 층의 두께는 약 0.1 내지 100 mm, 약 0.1 내지 50 mm, 약 0.1 내지 10 mm, 약 0.1 내지 1 mm, 약 1 내지 100 mm, 약 1 내지 50 mm, 약 1 내지 10 mm, 약 10 내지 100 mm, 약 10 내지 50 mm, 또는 약 50 내지 100 mm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 필터 모듈은 장치 또는 물품, 예를 들어, 정수기, 샤워기, 물통, 폐수처리용 필터, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 장치 또는 물품에 적용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본원을 좀더 자세히 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.
[
실시예
]
1.
그래핀
필터 모듈의 제조
1-1.
A 형
그래핀
필터 모듈의 제조
먼저, 그래핀과 활성탄 등의 다른 필터 소재들을 증류수에 분산시켰다. 다음으로, 내부 멤브레인 층으로 사용될 여재를 상기 그래핀 등이 분산된 혼합액을 위로 떠올리면서 체거름하여 그래핀 등의 소재가 내부 멤브레인용 여재에 잔류하게 하거나, 상기 그래핀 등이 분산된 혼합액을 내부 멤브레인 층으로 사용될 여재에 통과시켜 그래핀 등의 필터 소재가 잔류하도록 하였다.
그 후, 상기 필터 여재를 80℃ 내지 150℃의 온도에서 건조하였다. 건조가 완료된 후 외부 멤브레인 층으로 사용될 여재를 그래핀 등의 필터 소재들이 여과된 층의 위쪽에 접착한 후, 30℃ 내지 60℃의 온도로 건조하였다.
건조 후, 제조된 3 중 필터를 절곡하여 A 형 필터 모듈을 수득하였다.
1-2.
B 형
그래핀
필터 모듈의 제조
스펀 본드(Spun Bond) 또는 멜트블로운(melt blown)으로 제작된 두께 3 내지 50 mm의 외부 멤브레인 층으로 사용될 필터 여재와, 내부 멤브레인 층으로 사용될 필터 여재를 출수용 통로가 있는 필터캡(A)과 1 차 결합하였다. 그 후, 상기 외부 멤브레인 층과 내부 멤브레인 층 사이에 그래핀이 포함된 필터 소재를 충진하였다. 충진이 완료되면 필터캡(B)로 밀폐하여, B 형 그래핀 필터 모듈을 수득하였다(도 5).
2.
그래핀
필터 모듈의 정수 능력 확인
2-1. 폐수
필터링
상기 실시예에서 제조된 그래핀 필터 모듈이 오염된 원수를 정수할 수 있는지 확인하기 위하여, 중국 염색공장에서 채취한 공장폐수를 B형 그래핀 필터 모듈에 10 분간 통과시킨 전후 탁도, COD, 암모니아 농도, TDS, 및 전기 전도도를 측정하였다.
도 6 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 염색 폐수를 그래핀 필터 모듈에 통과시킨 결과 육안으로도 맑은 정수가 수득되었으며, 분석 결과 탁도, 암모니아 농도 등이 현저히 감소하였다.
2-2. 세균 오염수
필터링
상기 실시예에서 제조된 A 형 그래핀 필터 모듈이 오염된 원수를 정수할 수 있는지 확인하기 위하여, 인공적으로 제조한 세균 오염수를 A 형 그래핀 필터 모듈에 10 분간 통과시킨 전후 대장균(E. coli)과 황색포도상구균(S. aureus)의 세균수를 측정하였다.
도 7 및 표 2에 나타낸 바와 같이, A형 그래핀 필터 모듈은 주전자 형태의 정수기에 적용 가능하며, 유량 100 mL/min으로 세균 오염수 통과 시 대장균(E. coli)과 황색포도상구균(S. aureus)을 99% 이상 제거할 수 있었다.
2-3. 세균 오염수 필터링
상기 실시예에서 제조된 B 형 그래핀 필터 모듈 Lab scale로 확장하여 그래핀 필터 모듈 시스템을 제조하였다(도 8). 상기 필터 시스템은 MF, 활성탄, 그래핀 필터를 조합하여 만든 것으로서, 상기 그래핀 필터 시스템을 이용하여 유량 250 mL/min으로 염색 폐수를 처리한 결과를 표 3 및 도 8에 나타내었다.
도 9 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 염색 폐수를 B 형 그래핀 필터 모듈을 포함하는 필터 시스템에 통과시킨 결과 크롬, 망간 등의 중금속이 약 88% 이상 효과적으로 제거되었으며, 오염도가 감소하여 맑은 정수가 수득된 것을 확인할 수 있었다.
2-4. 종합 필터링 실험 - 태화강
상기 실시예에서 제조된 A 형 그래핀 필터 모듈에 울산광역시 태화강에서 채취한 물을 부어 필터링을 진행한 후, 여과된 강물의 오염도를 분석하여 비교하였다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 채취한 원수는 박테리아를 함유하며, 중금속 등을 포함하고 탁도가 높았지만, 그래핀 필터 모듈 통과 결과 중금속, 박테리아 등이 효과적으로 제거된 것을 확인할 수 있었다.
2-5. 종합 필터링 실험
상기 실시예에서 제조된 A 형 그래핀 필터 모듈을 포함한 중력식 정수기 시제품에 인공적으로 제조한 오염수를 부어 필터링을 진행한 후, 여과된 원수의 오염도를 정수기 시험기관에 의뢰하여 한국 평가 기준에 맞게 분석하였다.
필터링 결과, 박테리아, 중금속 등의 오염물질뿐만 아니라 일반 필터로는 제거되지 않는 초미세입자가 제거되어, 한국 음용수로서 기준이 적합한 것을 확인할 수 있었다.
2-6. 종합 필터링 실험
표 6은, 미시간주 플린트에서 채취한 수돗물을 A 형 필터 모듈을 사용하여 48 개의 파라미터에 대해 Parogon Lab에서 분석한 필드 테스트 결과를 나타낸 것이다. 표 6에는, 원수에 대한 중금속 측정 결과, 일반적인 수돗물 필터링 결과, 및 본원의 상기 실시예에 따른 그래핀 필터 모듈을 통과 후 분석 결과를 각각 측정하여 나타내었다. 일반적인 수돗물 필터링 결과에는 염소 이온 등이 제거되지 않았으나, 본원의 그래핀 필터 모듈을 이용한 경우 박테리아, 중금속 등의 오염물질뿐만 아니라 일반 필터로는 제거되지 않는 초미세입자가 제거되어, 미국 및 WHO의 심사기준에 적합한 것을 확인할 수 있었다.
도 10 및 11은, 상기 실시예에서 제조된 그래핀 필터 모듈을 이용한 RO(역삼투) 정수기에 적용한 예시를 나타낸다.
도 10은, 역삼투막 필터(RO membrane filter)에 앞쪽에 본 실시예에 따른 그래핀 필터 모듈(SG composite filter)을 설치한 예시로서, 이 경우 역삼투막 필터의 오염과 스케일 발생을 유발하는 미세먼지, 잔류 염소, 미생물 등을 제거할 수 있으며, 이에 따라 역삼투막 필터의 수명을 증가시키거나, 정수비율(recovery)를 개선할 수 있으며, 또는 박테리아 등의 미생물이 제거된 보다 안전한 세척수(washing water)를 공급할 수 있는 장점을 갖는다.
도 11은, 역삼투막 필터(RO membrane filter) 뒤쪽에 본 실시예에 따른 그래핀 필터 모듈(SG composite filter)을 설치한 예시로서, 이 경우 박테리아 등의 미생물이 제거된 음용 가능한 물을 공급할 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (10)
- 그래핀 필터 모듈로서,
상기 필터 모듈의 외면을 형성하는 외부 멤브레인 층;
상기 외부 멤브레인 층 내부에 배치된 내부 멤브레인 층; 및
상기 외부 멤브레인 층과 상기 내부 멤브레인 층 사이에 배치된 그래핀 필터 층
을 포함하며,
유입된 물이 상기 외부 멤브레인 층, 상기 그래핀 필터 층, 및 상기 내부 멤브레인 층을 통과하며 필터링되는 것인,
그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 필터 모듈은,
상기 외부 멤브레인 층, 상기 그래핀 필터 층, 및 상기 내부 멤브레인 층으로 구성된 주름형 막 구조로 형성된 것이거나; 또는
그래핀이 파우더 형태로 충진된 그래핀 필터 층을 포함하는 구조로 형성된 것인, 그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 필터 층은 그래핀, 그래핀 산화물, 환원 그래핀 산화물, 그래핀 나노플레이트렛, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 필터 층은 활성탄, 카본블랙, 제올라이트, 실리카, 이온교환수지, 알루미나, KDF 필터, 세라믹 볼, 카본나노튜브, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 추가 포함하는 것인, 그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 필터 층은 상기 그래핀, 그래핀 산화물, 환원 그래핀 산화물 또는 그래핀 나노플레이트렛을 0.1 내지 100 중량부로 포함하는 것인, 그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀 필터 층의 동공의 크기는 1 nm 내지 20 nm인 것인, 그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유입된 물에 포함된 직경 10 μm 미만의 미세입자가 상기 그래핀 필터 층에 의해 제거되는 것인, 그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 외부 멤브레인 층 및 상기 내부 멤브레인 층은 각각 셀룰로오스, 글래스 파이버, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 탄소섬유, 활성탄소섬유, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 서로 다른 물질로 형성된 것인, 그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 외부 멤브레인 층의 동공의 크기는 0.1 μm 내지 100 μm 인 것인, 그래핀 필터 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 내부 멤브레인 층의 동공의 크기는 0.1 μm 내지 10 μm인 것인, 그래핀 필터 모듈.
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