KR20190143026A - 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템 - Google Patents

고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노 셀룰로오스 원료를 챔버 내에서 고전단 믹싱 및 초음파를 이용하여 분해하되 최적의 진동 및 온도 조건과 순환구조를 통해 균질한 나노 셀룰로오스를 높은 수율로 획득할 수 있도록 하는 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템에 관한 것이다.

Description

고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템 {Complex distribution system combining high shear dispersion and ultrasonic dispersion}
본 발명은 분산시스템에 관한 것으로, 자세하게는 나노 셀룰로오스 원료를 챔버 내에서 고전단 믹싱 및 초음파를 이용하여 분해하되 최적의 진동 및 온도 조건과 순환구조를 통해 균질한 나노 셀룰로오스를 높은 수율로 획득할 수 있도록 하는 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템에 관한 것이다.
나노기술(NT: nanotechnology)이란, 나노 크기 입자의 재료가 가진 특유의 특성을 이용하여 원하는 특성을 얻는 기술로, 최근 나노기술의 활발한 연구과 함께 친환경적인 고분자에 대한 관심이 높아지고 있다. 이는 종래의 화석 연료를 바탕으로 하는 고분자의 환경적인 문제점 해결을 위한 대체재인 친환경 고분자로, 이러한 천연 고분자 중에서도 셀룰로오스는 지구상에 있는 유기물 가운데 가장 많은 양을 차지하고 있다.
이러한 셀룰로오스는 천연의 물질로부터 공급이 용이하여 비용을 낮출 수 있는 장점과 더불어 재생산이 가능하며 이용 시 자연에 대한 부하를 비교적 적게 주는 재료로 폐기시에도 자연적으로 분해가 되는 장점이 있다.
셀룰로오스로부터 나노 셀룰로오스를 얻는 단리방법은 크게 화학적 처리와 물리적 처리로 나눌 수 있다. 화학적 처리방법은 강산을 이용하여 셀룰로오스의 비결정영역을 제거하여 나노 크기의 셀룰로오스를 만드는 산 가수분해 방법이 있으며, 물리적인 방법으로는 고강도 초음파 처리, 고압 refiner 처리, grinder 처리, 고압 homogenizer 처리가 있고, 그밖에 효소를 이용하여 나노 셀룰로오스를 단리 할 수 있다.
이러한 과정에서 셀룰로오스 원료를 약품 및 물과 혼합 후 고전단 믹서 및 초음파를 통해 분산시키는 방법이 요구되는 가운데, 초음파 처리시 초음파 진동의 영향에 의해 발산부분에서 움푹 패는 침식현상이 발생하였으며 이러한 침식부가 발생함에 따라 진동주파수가 변화하여 성능저하 및 에너지 소모가 많아지는 문제가 있었다. 또한, 장시간 초음파 발진에 따른 열이 발생하여 온도가 상승함에 따라 원료가 변질될 수 있음에 따라 사용시간에 제약이 따랐다.
또한, 셀룰로오스를 함유한 액상의 원료로부터 수분을 분리하기 위한 필터링 작업도 함께 이루어지게 되나, 이러한 복잡한 공정을 거치면서 분산이 원활하지 않음에 따라 나노 셀룰로오스의 수율이 낮아질 수밖에 없는 현실에서 이를 개선하기 위한 방안이 요구되고 있었다.
등록특허공보 제10-0357638호 (2002.10.08)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 내구성 및 증폭을 위한 최적의 형상의 혼을 통해 장시간 운용이 가능한 초음파 분산과 고전단 믹싱 챔버를 순환시켜 균질한 나노 셀룰로오스를 높은 수율로 획득할 수 있는 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 셀룰로오스 분산시스템에 있어서, 상측으로 셀룰로오스 원료 및 물과 촉매를 포함한 약품을 공급받되, 투입된 원료 및 물과 약품의 혼합을 위한 교반기를 구비하고, 하부 중앙으로 좁아지며 제1배출밸브를 구비한 제1배출관이 형성된 통 형상의 혼합탱크; 상기 제1배출관으로 배출되는 혼합액을 분산시키되, 상기 제1배출관이 중심축 방향으로 연결되며 외측으로 제2배출관이 형성되는 원통형의 분산챔버와, 상기 분산챔버 내측으로 상기 중심축으로부터 동심원상에 등간격으로 돌출된 복수의 고정날개가 2열 이상 형성되는 스테이터와, 상기 스테이터에 대향하여 고정날개와 접촉하지 않도록 동심원상에 등간격으로 돌출된 회전날개를 구비한 로터와, 상기 로터를 회전시키는 모터로 이루어지는 고전단분산부; 한쪽에 상기 제2배출관이 연결되고 다른 쪽에 제3배출관이 연결되되, 내부에는 개구부를 구비한 수직의 격판이 간격을 두고 복수로 형성되며 분산공간을 형성하며, 각 분산공간은 하부 중앙으로 좁아지며 슬러지밸브를 구비한 슬러지배출관이 형성된 탱크로서, 설정된 주파수의 초음파를 생성하여 출력하는 발진부 및 진동자와, 상기 진동자와 결합하여 내측에 수직으로 위치하되 상기 주파수에 대응한 초음파 증폭이 이루어지도록 측면이 돌출된 증폭부와 단부가 바닥면에 대응한 원뿔형상으로 돌출된 돌출부를 구비한 초음파혼이 각 분산공간에 설치되는 초음파분산부; 상기 제3배출관으로부터 배출된 액을 상기 혼합탱크로 이송하도록 제1순환밸브를 구비한 제1순환관; 나노필터를 구비하여 상기 제3배출관으로부터 배출된 액을 필터링하여 나노 셀룰로오스 성분을 분리 배출하되, 상기 나노필터를 통과한 액을 상기 혼합탱크로 이송하는 제2순환관이 연결되는 필터링부; 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 초음파분산부는, 상기 제1배출관에서 공급되는 용액이 충돌하도록 하되 하측으로 개구부가 형성된 제1격판과, 제1분산공간을 사이에 형성하도록 상기 제1격판과 평행하게 설치되되 상측으로 개구부가 형성된 제2격판과, 제2분산공간을 사이에 형성하도록 상기 제2격판과 평행하게 설치되되 하측으로 개구부가 형성된 제3격판과, 제3분산공간을 사이에 형성하도록 상기 제3격판과 평행하게 설치되되 상측으로 개구부가 형성된 제4격판과, 제4분산공간을 사이에 형성하도록 상기 제4격판과 평행하게 설치되되 하측으로 개구부가 형성된 제5격판과, 상기 제4격판 하측으로 유동된 용액을 상측으로 흐르도록 유도하는 경사판 및 상측으로 흐르는 용액을 부분적으로 막아 흐름을 방해하는 스크린판을 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3배출관에 설치되어 광학센서를 통해 배출중인 액의 나노 셀룰로오스의 분해상태를 확인하며 감지결과에 따라 제1순환밸브를 개폐하는 광학센서부와, 상기 제1순환관에 설치되어 순환하는 원료를 냉각하는 열교환부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명을 통해 고전단 분산과 초음파 분산을 혼합하여 셀룰로오스 원료의 분산 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 특히 초음파혼의 장시간 운용에도 침식 등의 파손이 발생하지 않으면서 최적의 분산효율을 얻을 수 있으며, 원료의 냉각 및 나노화 수준 모니터링을 통해 변질되지 않으면서도 균질한 나노 셀룰로오스를 취득할 수 있다.
또한, 셀룰로오스 원료를 촉매를 통해 분해하되 필터링 및 처리수를 재활용함으로 나노 셀룰로오스 입자를 최소화하고, 처리수 및 촉매를 재활용에 따른 비용절감이 이루어질 수 있으며 양질의 나노 셀룰로오스를 높은 수율로 효율적인 제조가 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분해 탱크의 구조를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고전단분산부의 구조를 나타낸 측단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고전단분산부의 구조를 나타낸 정단면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파분산부의 구조를 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초음파혼의 구조를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템의 구성을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 개념도로서, 본 발명에 따른 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템의 개략적인 배열관계를 나타내고 있으며, 혼합탱크(1)와 고전단분산부(2) 및 초음파분산부(3)를 비롯하여, 제1순환관(41)과, 필터링부(5)와, 제2순환관(61)과 저장탱크(81) 및 재생탱크(82)의 구성을 통해 나노셀룰로오스의 제조가 이루어진다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분해 탱크의 구조를 나타낸 단면도이다.
상기 혼합탱크(1)는 펄프형태의 셀룰로오스 원료를 촉매를 비롯한 각종 약품을 통해 처리하는 역할을 하는 통 형상의 구성으로, 상측으로 셀룰로오스 원료 및 물과 촉매를 포함한 약품을 공급받게 된다.
구체적으로 산화제가 수용된 제1약품공급부(71)와, 촉매가 수용된 제2약품공급부(72)와 산도조절제(산화보조제)가 수용된 제3약품공급부(73)가 각각 구비된 공급펌프(P)를 통해 연결되어 산화제와 촉매와 산도조절제를 각각 정량 공급받을 수 있도록 구성된다.
더불어 상기 제1약품공급부(71)와 제2약품공급부(72)와 제3약품공급부(73)에 각각 수용된 산화제와 촉매와 산도조절제가 균질한 상태로 혼합탱크(1)에 공급될 수 있도록 각각 교반부(A)가 설치될 수 있다. 상기 교반부(A)는 수직으로 형성된 회전축 및 상기 회전축에 형성된 교반날개와, 상기 회전축을 회전시키는 구동부로 이루어지는 공지의 구성이다.
또한, 상기 산화제와 촉매와 산도조절제의 경우 셀룰로오스 섬유 제조를 위해 공지된 약품을 사용하게 되며, 이에 대하여는 본 발명의 취지가 흐려지는 것을 방지하기 위해 명세서상에 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 상기 처리탱크의 측면으로는 후술되는 원료순환을 위한 제1순환관(41) 및 처리수를 유입 받는 제2순환관(61)이 연결되며, 내부에는 수용된 원료의 pH를 감지하는 제1센서부(14) 및 수용된 원료의 레벨을 감지하는 제2센서부(15)가 구비되어, 수용된 원료가 설정된 범위의 레벨 및 pH를 상시 유지할 수 있도록 별도의 제어부를 통해 제어된다.
마찬가지로 내부로 공급된 원료가 물, 산화제, 촉매, 산도조절제와 원활히 혼합될 수 있도록 상기 처리탱크 내측의 원료를 섞어주는 교반기(13)가 구비되어 지속적인 교반을 통해 충분한 반응이 이루어질 수 있도록 구성된다.
또한, 혼합탱크(1)의 상측에는 펄프 형태의 셀룰로오스 원료를 공급받는 원료공급관(16) 및 물을 각각 공급받는 물공급관(17)이 연결된다. 상기 제1센서부(14) 및 제2센서부(15)의 감지결과와 제어부의 제어를 통해 상기 원료공급관(16) 및 물공급관(17)을 개폐하여 적정한 농도 및 레벨로 물과 원료가 공급될 수 있도록 하며, 혼합탱크(1) 내부에 투입된 원료 및 물과 약품의 혼합을 위한 교반기를 구비하여 원활한 혼합이 이루어지도록 한다.
또한, 상기 혼합탱크(1)는 하부 중앙으로 좁아지며 제1배출관(11) 및 제1배출밸브(12)를 통해 제1저장탱크와 연결됨으로, 상기 촉매를 통해 처리된 원료를 상기 고전단분산부(2)로 배출 및 이송할 수 있도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고전단분산부의 구조를 나타낸 측단면도, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고전단분산부의 구조를 나타낸 정단면도로서, 상기 고전단분산부(2)는 상기 제1배출관(11)으로 배출되는 혼합액을 고속으로 회전하는 모터에 의해 분산시키는 구성으로 원심펌프 형상의 믹서 구조를 갖는다.
구체적으로 상기 제1배출관(11)이 중심축 방향으로 연결되며 중앙으로 혼합액이 유입되도록 하되 내부 공간을 통과한 혼합액이 외측으로 제2배출관(22)이 형성되는 원통형의 분산챔버(21)가 구비되며, 원심펌프의 구조와 다소 유사하다.
상기 분산챔버(21) 내측으로 구체적으로 상기 제1배출관(11)이 연결되는 측의 내벽에는 상기 중심축으로부터 동심원상에 등간격으로 돌출된 복수의 고정날개(25)가 2열 이상 형성되는 스테이터(24)가 구성되며, 상기 스테이터(24)에 대향하여 고정날개(25)와 접촉하지 않도록 동심원상에 등간격으로 돌출된 회전날개(27)를 구비한 로터(26) 및 상기 로터(26)를 고속으로 회전시키는 모터(28)가 구성된다.
첨부된 도 5와 같이 상기 고정날개(25) 및 회전날개(27)는 접촉하지 않되 미량의 유체만 통과할 수 있도록 간극을 유지하도록 형성되어, 상기 제1배출관(11)을 통해 분산챔버(21) 중앙으로 유입된 유체가 분산챔버(21) 외측의 제2배출관(22)으로 연속적으로 흐름에 있어 5000 rpm 이상의 고속으로 회전하는 로터(26)의 전단력에 의한 분산 작용이 이루어진다. 이때 첨부된 도면과 같이 상기 고정날개(25) 및 회전날개(27) 사이에 상호 경사각을 주어 고속 회전에 따른 부하 저감이 이루어지면서도 효과적인 분산이 이루어지도록 구성하게 된다.
상기 고전단분산부(2)에서 배출된 혼합액은 초음파분산부(3)로 이송되어 나노 수준의 분산이 이루어지게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파분산부의 구조를 나타낸 단면도로서, 상기 초음파분산부(3)는 한쪽에 상기 제2배출관(22)이 연결되고 다른 쪽에 제3배출관(38)이 연결되는 통 형상의 구조체로서, 내부에는 개구부(33)를 구비한 수직의 격판(32)이 간격을 두고 복수로 형성되며 복수의 분산공간(31)을 형성하게 된다. 이때 각 분산공간(31)을 상기 개구부(33)를 통해 일부가 연통되어 상기 제2배출관(22) 및 제3배출관(38) 사이를 유동하는 혼합액이 각 분산공간(31)을 모두 통과하며 흐르게 되며 각 분산공간에는 초음파혼(37)이 설치되어 분산공간의 횟수만큼의 초음파 분산공정이 수행된다.
이때 상기 초음파분산부(3)에 구비되는 각 분산공간(31)은 하부 중앙으로 좁아지며 슬러지밸브(35)를 구비한 슬러지배출관(34)이 형성되어 초음파분산중 발생하는 슬러지 성분을 분산공간(31)마다 모아 따로 배출할 수 있도록 구성된다.
초음파분산을 위한 세부구성은 설정된 주파수의 초음파를 생성하여 출력하는 발진부(36) 및 진동자(361)와 더불어 상기 진동자(361)와 결합하여 상기 분산공간마다 수직으로 설치되어 수용된 혼합액으로 초음파를 인가하는 초음파혼(37)으로 구성된다
이때 상기 발진부(36)는 20㎑ 내외의 주파수를 갖는 초음파를 생성하여 셀룰로오스 원료를 분해하게 되며, 설정된 범위 내에서 주파수의 가변이 이루어질 수 있다. 상기 발진부(36)를 통해 생성된 초음파는 실질적으로 상기 분산공간 상측에 설치된 상기 진동자(361)를 통해 출력되며 초음파 출력에 따른 진동으로 인해 장시간 운용시 진동자의 온도가 올라감에 따라 이를 냉각할 수 있는 냉각팬(362)의 설치가 함께 이루어지게 된다.
상기 진동자(361) 하측에는 분산공간을 형성하는 격벽과 간격을 두며 설치되는 원기둥 형상의 초음파혼(37)이 결합되어 원료 내부로 균질하게 초음파를 인가하게 된다. 이때 견고한 고정 및 원활한 초음파 전달을 위해 진동자(361)와 초음파혼(37)은 스터드 볼트를 통해 결합되며 바람직하게는 초음파 진동으로 인한 초음파혼(37)의 침식 및 강도 유지를 위해 티타늄 재질로 초음파혼(37)을 구성하게 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초음파혼의 구조를 나타낸 단면도이다.
상기 초음파혼(37)이 일정 길이를 갖는 기둥 형상으로 이루어지고 상측에서 하측으로 초음파를 전달함에 따라 생성 및 전달되는 주파수에 대응한 초음파 증폭이 이루어지도록 측면이 돌출된 형상의 증폭부(334)가 형성된다. 첨부된 도면에서는 길이방향을 따라 총 3개소의 증폭부(334)가 형성되어 초음파 주파수에 따른 증폭이 이루어지면서 원활한 초음파의 인가가 이루어지도록 구성하고 있으며, 해당 증폭부(334)에서 초음파 증폭이 최대화될 수 있도록 상기 발진부(36)를 통한 초음파의 조절도 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 초음파혼(37)의 하단부가 상기 초음파분산부(3)의 하측면에 대응한 원뿔형상의 돌출부(372)가 형성되되, 상기 돌출부(372)에 나선형홈(373)을 형성하게 된다.
종래의 초음파혼(37)의 단부는 일자형으로, 본 발명에서는 원뿔형인 V자 단면을 통해 접촉면 확대를 통해 나노화를 빠르게 촉진하게 되며, 상기 돌출부(372)가 분산공간의 바닥면과 동일한 경사각을 갖도록 구성함과 더불어 바닥과 다소 근접함으로 유동되는 혼합액이 상기 돌출부(372)와 접촉하여 나선형홈(373)을 따라 유동하여 진동면과 접하는 체류시간이 길어짐에 따라 나노화 효과를 증진시킬 수 있다.
또한, 나노화되지 않은 상대적으로 무거운 함유물이 분산공간 바닥면과 돌출부(372)의 경사로 인해 하측으로 이동하도록 함에 따라 상대적으로 큰 셀룰로오스 입자가 원활히 분해될 수 있도록 한다.
상기 분산공간(31)은 필요에 따라 적정한 수로 구성될 수 있으나, 본 발명에서는 바람직한 실시예로 4개의 분산공간을 형성하여 4차에 걸친 초음파 분산이 이루어질 수 있도록 구성된다.
구체적으로 상기 제1배출관(11)에서 공급되는 용액이 충돌하도록 하되 하측으로 개구부가 형성된 제1격판(321)과, 제1분산공간(311)을 사이에 형성하도록 상기 제1격판(321)과 평행하게 설치되되 상측으로 개구부가 형성된 제2격판(322)과, 제2분산공간(312)을 사이에 형성하도록 상기 제2격판(322)과 평행하게 설치되되 하측으로 개구부가 형성된 제3격판(323)과, 제3분산공간(313)을 사이에 형성하도록 상기 제3격판(323)과 평행하게 설치되되 상측으로 개구부가 형성된 제4격판(324)과, 제4분산공간(314)을 사이에 형성하도록 상기 제4격판(324)과 평행하게 설치되되 하측으로 개구부가 형성된 제5격판(325)이 형성되어, 상하방향의 지그재그 경로로 유동이 이루어지도록 한다.
이때 제3배출관(38) 측으로는 상기 제4격판(324) 하측으로 유동된 용액을 상측으로 흐르도록 유도하는 제1경사판(326) 및 상측으로 흐르는 용액을 부분적으로 막아 흐름을 방해하는 스크린판(327)을 구성하여 와류에 의한 분산을 마지막까지 촉진하게 된다.
이와 같은 초음파분산부(3)의 구성과 더불어 수용된 원료의 충분한 나노화가 이루어질 때까지 지속적으로 순환시켜주기 위한 제1순환관(41)이 구비된다.
상기 제1순환관(41)은 상기 제3배출관(38)으로부터 배출된 액을 상기 혼합탱크(1)로 이송하여 순환되도록 제1순환밸브(42)를 구비한 배관으로 이를 위한 별도의 순환펌프(미도시)를 구비할 수 있다.
이때 순환되는 원료의 나노화 수준을 모니터링할 수 있도록 상기 제3배출관(38)에 연결되는 제1순환관(41)의 일부 내지는 전체를 투명한 재질로 구성하되 광학센서를 통해 상기 제1순환관(41)을 통과하는 원료의 나노 셀룰로오스의 분해상태를 확인하는 광학센서부(43)가 구비된다.
구체적으로 상기 광학센서는 투명한 재질로 일부 형성한 제1순환관(41)측으로 설정된 파장 및 색상의 빛을 방출하는 발광수단과, 투명한 제1순환관(41) 부분을 통과한 빛을 수광하는 수광센서로 이루어져 수광되는 결과에 따른 원료 중 셀룰로오스 물질의 나노화 수준을 모니터링 할 수 있다.
더불어 상기 초음파분산부(3) 내에서 원료가 장시간 초음파를 받게 됨에 따라 초음파혼(37)의 온도상승과 더불어 원료의 온도가 상승하여 변질되는 것을 방지하기 위해 상기 제1순환관(41)을 순환하는 원료가 설정된 온도범위를 유지할 수 있도록 냉각하는 열교환부(44)가 설치될 수 있다.
상기 열교환부(44)는 상기 초음파분산부(3) 내부에 설치되어 수용된 원료의 온도를 측정하는 온도센서부(미도시)와 연계하여 수냉 방식 또는 열전소자와 같은 냉각수단을 통해 제1순환관(41)을 통과하는 원료를 냉각시킬 수 있도록 구성될 수 있으며 상용의 다양한 냉각용 열교환기를 장착하여 사용할 수 있다.
이를 위해 상기 광학센서부(43) 및 온도센서부의 감지결과에 따라 상기 제1순환밸브를 개폐 제어하고, 상기 열교환부(44)를 제어하는 작업이 제어부를 통해 이루어질 수 있다.
만약 상기 제3배출관(38)을 통해 배출되는 원료의 나노화 분산이 원활하게 이루어졌다면 상기 제2순환밸브(62)를 차단하고, 구비된 제3배출밸브(39)를 개방하여 상기 필터링부(50)로 원료가 이송되도록 할 수 있으며, 필요에 따라서는 필터링부(50)를 통한 나노 셀룰로오스 분리작업의 부하조절을 위한 저장탱크(81)를 구성하여 상기 제3배출관(38)을 통해 배출되는 원료를 저장탱크(81)에 임시저장한 상태에서 균일하게 필터링부(50)로의 공급이 이루어지도록 구성할 수 있다.
앞서 설명한 구성을 통해 셀룰로오스 원료를 나노화하는 과정을 나타내면 다음과 같다.
먼저, 공급펌프(P) 및 원료공급관와 물공급관를 통해 약품, 셀룰로오스 원료, 물이 혼합탱크(1)로 정량 이송된다. 이후 상기 혼합탱크(1) 내부에서 교반기(13)를 통해 설정된 농도의 혼합액이 만들어지고, 상기 제1배출관(11)을 통해 고전단분산부(2)로 이송되어 스테이터(24) 및 고속회전하는 로터(26) 사이에서 고전단 분산이 이루어진다. 이후 초음파분산부(3)에서 각 분산공간을 통과하여 분산공간마다 설치된 초음파혼을 통해 초음파 분해가 이루어진다. 이때 원하는 수준의 분산이 이루어지지 않은 경우 제3배출밸브(39)를 닫은 상태에서 상기 제1순환밸브(42)를 개방하며 상기 제1순환관(41)을 통해 원료의 지속적인 순환이 이루어지며 광학센서부(43)를 통한 나노화 수준 모니터링과 열교환부(44)를 통한 원료 냉각이 이루어진다. 상기 광학센서부(43)를 통해 나노화가 충분히 이루어진 것으로 확인됨에 따라 상기 제1순환밸브(42)를 닫고 제3배출밸브(39)를 개방하여 나노화된 원료를 상기 저장탱크(81)로 이송하게 된다.
상기 필터링부(2)는 분산처리 원료를 필터링하여 셀룰로오스 성분은 분리하고 나머지 처리수는 배출하여 재사용될 수 있도록 하는 구성이다. 이를 위해 처리원료 중 셀롤로오스 성분을 분리하기 위한 다양한 수단을 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 처리수 및 촉매성분이 통과 가능한 나노필터를 통과시켜 제2순환밸브(62)를 구비한 제2순환관(61)을 통해 혼합탱크(1)로 공급되어 재이용이 이루어진다.
구체적으로 원통형의 탱크에 나노필터를 설치하여 원료 중 수분 및 촉매를 비롯한 약품은 나노필터를 통과하여 재사용을 위해 이동하고, 나노 셀룰로오스 입자는 나노필터를 통과하지 못하여 머무르게 됨에 따라 이를 따로 배출할 수 있도록 한다.
이때 상기 제2순환관(61)상에 상기 혼합탱크(1)로 재공급되는 처리수양의 조절을 위한 재생탱크(82)를 설치하여 처리수를 임시저장하여 필요에 따라 혼합탱크(1)로 공급되도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도로서, 앞서 언급한 센서들, 즉 제1센서부(14) 제2센서부, 광학센서부(43), 온도센서부 및 전기/전자적으로 동작하는 구성인 교반부(A), 교반기(13), 공급펌프(P), 제1배출밸브(12), 제2배출밸브(23), 제3배출밸브(39), 제1순환밸브(42), 제2순환밸브(62), 슬러지밸브(35)를 비롯한 다양한 밸브들, 발진부(36), 냉각팬(362), 모터(28) 및 열교환부(44) 등을 별도의 제어부를 통해 일괄제어할 수 있음을 나타내고 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
1: 혼합탱크 11: 제1배출관
12: 제1배출밸브 13: 교반기
14: 제1센서부 15: 제2센서부
16: 원료공급관 17: 물공급관
2: 고전단분산부 21: 분산챔버
22: 제2배출관 23: 제2배출밸브
24: 스테이터 25: 고정날개
26: 로터 27: 회전날개
28: 모터 3: 초음파분산부
31: 분산공간 311: 제1분산공간
312: 제2분산공간 313: 제3분산공간
314: 제4분산공간 32: 격판
321: 제1격판 322: 제2격판
323: 제3격판 324: 제4격판
325: 제5격판 326: 경사판
327: 스크린판 33: 개구부
34: 슬러지배출관 35: 슬러지밸브
36: 발진부 361: 진동자
362: 냉각팬 37: 초음파혼
371: 증폭부 372: 돌출부
373: 나선형홈 38: 제3배출관
39: 제3배출밸브 41: 제1순환관
42: 제1순환밸브 43: 광학센서부
44: 열교환부 50: 필터링부
61: 제2순환관 62: 제2순환밸브
71: 제1약품공급부 72: 제2약품공급부
73: 제3약품공급부 81: 저장탱크
82: 재생탱크 P: 공급펌프
A: 교반부

Claims (3)

  1. 셀룰로오스 분산시스템에 있어서,
    상측으로 셀룰로오스 원료 및 물과 촉매를 포함한 약품을 공급받되, 투입된 원료 및 물과 약품의 혼합을 위한 교반기(13)를 구비하고, 하부 중앙으로 좁아지며 제1배출밸브(12)를 구비한 제1배출관(11)이 형성된 통 형상의 혼합탱크(1);
    상기 제1배출관(11)으로 배출되는 혼합액을 분산시키되, 상기 제1배출관(11)이 중심축 방향으로 연결되며 외측으로 제2배출관(22)이 형성되는 원통형의 분산챔버(21)와, 상기 분산챔버(21) 내측으로 상기 중심축으로부터 동심원상에 등간격으로 돌출된 복수의 고정날개(25)가 2열 이상 형성되는 스테이터(24)와, 상기 스테이터(24)에 대향하여 고정날개(25)와 접촉하지 않도록 동심원상에 등간격으로 돌출된 회전날개(27)를 구비한 로터(26)와, 상기 로터(26)를 회전시키는 모터(28)로 이루어지는 고전단분산부(2);
    한쪽에 상기 제2배출관(22)이 연결되고 다른 쪽에 제3배출관(38)이 연결되되, 내부에는 개구부(33)를 구비한 수직의 격판(32)이 간격을 두고 복수로 형성되며 분산공간(31)을 형성하며, 각 분산공간(31)은 하부 중앙으로 좁아지며 슬러지밸브(35)를 구비한 슬러지배출관(34)이 형성된 탱크로서, 설정된 주파수의 초음파를 생성하여 출력하는 발진부(36) 및 진동자(361)와, 상기 진동자(361)와 결합하여 내측에 수직으로 위치하되 상기 주파수에 대응한 초음파 증폭이 이루어지도록 측면이 돌출된 증폭부(371)와 단부가 바닥면에 대응한 원뿔형상으로 돌출된 돌출부(372)를 구비한 초음파혼(37)이 각 분산공간(31)에 설치되는 초음파분산부(3);
    상기 제3배출관(38)으로부터 배출된 액을 상기 혼합탱크로 이송하도록 제1순환밸브(42)를 구비한 제1순환관(41);
    나노필터를 구비하여 상기 제3배출관(38)으로부터 배출된 액을 필터링하여 나노 셀룰로오스 성분을 분리 배출하되, 상기 나노필터를 통과한 액을 상기 혼합탱크로 이송하는 제2순환관(61)이 연결되는 필터링부(50); 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파분산부(3)는,
    상기 제1배출관(11)에서 공급되는 용액이 충돌하도록 하되 하측으로 개구부(33)가 형성된 제1격판(321)과, 제1분산공간(311)을 사이에 형성하도록 상기 제1격판(321)과 평행하게 설치되되 상측으로 개구부가 형성된 제2격판(322)과, 제2분산공간(312)을 사이에 형성하도록 상기 제2격판(322)과 평행하게 설치되되 하측으로 개구부가 형성된 제3격판(323)과, 제3분산공간(313)을 사이에 형성하도록 상기 제3격판(323)과 평행하게 설치되되 상측으로 개구부가 형성된 제4격판(324)과, 제4분산공간(314)을 사이에 형성하도록 상기 제4격판(324)과 평행하게 설치되되 하측으로 개구부가 형성된 제5격판(325)과, 상기 제4격판(324) 하측으로 유동된 용액을 상측으로 흐르도록 유도하는 경사판(326) 및 상측으로 흐르는 용액을 부분적으로 막아 흐름을 방해하는 스크린판(327)을 구비하는 것을 특징으로 하는 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3배출관(38)에 설치되어 광학센서를 통해 배출중인 액의 나노 셀룰로오스의 분해상태를 확인하며 감지결과에 따라 제1순환밸브(42)를 개폐하는 광학센서부(43)와, 상기 제1순환관(41)에 설치되어 순환하는 원료를 냉각하는 열교환부(44)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고전단 분산 및 초음파 분산이 결합된 복합 분산시스템.
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