KR20200014494A - 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 활성탄소섬유 원단에 TiO2계 무광촉매를 코팅하여 탈취, 먼지·미세먼지·초미세먼지 포집, 휘발성유기화합물(VOCs) 및 세균·바이러스 제거기능을 가지면서도 흡착된 VOCs, 악취물질, 세균, 바이러스를 분해 제거하여 필터의 미세공(Micro pore)를 반복 재생시켜 필터의 수명을 연장시킬 수 있는 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 폴리에스터(Polyester) 부직포, 폴리에틸렌(Polyethylene)계 부직포 및 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 중 적어도 어느 하나로 제작된 필터용 시트에 TiO2계 무광촉매를 코팅한 것을 특징으로 하는 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법{Nonphotocatalyst coated multifunctional activated carbon fiber filter and method for manufacturing the same}
본 발명은 활성탄소섬유 필터(ACF filter)에 관한 것으로서, 특히 기존의 활성탄소섬유 원단에 이산화티타늄(TiO2)계 무광촉매를 코팅하여 탈취, 먼지·미세먼지·초미세먼지 포집, 휘발성유기화합물(VOCs), 라돈가스 및 세균·바이러스 제거기능을 가지면서도 흡착된 VOCs, 악취물질, 세균·바이러스를 분해·제거하여 필터의 미세공(Meso pore 및 Micro pore)를 반복 재생시시킴으로써 필터의 수명을 연장시킬 수 있는 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
활성탄은 목재, 갈탄, 무연탄 및 야자껍질 등을 원료로 제조되는 미세 세공이 잘 발달된 무정형 탄소의 집합체로서, 활성화 과장에서 분자 크기 정도의 미세 세공이 잘 형성되어 큰 내부 표면적을 가지게 되는 흡착제이다.
섬유 형태로 제조되어 활성탄보다 흡착성능이 개선된 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF)는 종전의 활성탄을 흡착제로 사용할 때보다 흡착능력이 월등히 뛰어난 것으로 알려져 있다.
활성탄에서의 흡착과정을 살펴보면, 피흡착물질은 활성탄 표면에 형성되어 있는 공경 50㎚-수㎛의 매크로포어(Macro pore)라는 구멍 속으로 확산을 통해 이동하여 내부에 형성되어 있는 공경 2-50㎚의 메조포어(Meso pore)에서 흡착이 일어난다.
이에 반하여, ACF는 표면에 매크로포어가 없이 메조포어와 공경 2㎚이하의 마이크로포어(Micro pore)가 바로 위치하고 있기 때문에 피흡착재의 확산 과정 없이 훨씬 빠른 흡착속도를 보이며, 흡착물질의 제거에 있어서도 섬유 형태가 열전도율이 좋기 때문에 훨씬 쉽고 빠르게 탈착이 가능하다.
그러나 기존의 ACF를 이용하여 제조된 ACF필터는 오염물질의 흡착 진행 중에 분자량이 큰 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)이 기공의 입구를 막아버림으로써 흡착된 VOCs와 악취를 흡착만 할 뿐 분해·제거 하지 못하므로 흡착력이 급격히 반감하여 수명이 짧아져서 빈번히 교체해야 하는 문제점이 있다.
특히, 자동차나 선박의 건조공정에 있어서 도장에 사용되는 용제는 VOCs의 일종으로서, 최근 크게 문제가 되고 있는 미세·초미세먼지의 전구물질로 지적되는바, 이를 제거하기 위해 필터링하는 장비가 필수적으로 요구된다. 이때, 기존에 사용되는 ACF필터는 흡착력의 반감으로 인해 교체주기가 1개월 이내로 매우 짧으며, 교체를 하는 동안에는 작업공정이 중지되므로 작업기간이 연장되고, 작업기간 연장에 따른 크고 작은 문제점이 연쇄적으로 발생한다.
따라서 ACF필터의 흡착력을 유지 또는 향상시키면서도 분자량이 큰 VOCs의 흡착에도 흡착력의 반감을 늦추어 필터의 교체주기를 늘릴 수 있는 방안이 시급히 요망된다.
VOCs는 주로 석유화학, 정유, 도료, 도장공장의 제조와 저장과정, 자동차 배기가스, 페인트나 접착제 등 건축자재, 주유소의 저장탱크 등에서 발생하는데, 특히 최근에 선박도장, 자동차도장, 가구도장공정에 발생하는 대량의 VOCs가 사회적 문제로 제기되고 있다. 이들은 피부접촉이나 호흡기 흡입을 통해 신경계에 장애를 일으키는 발암물질로서, 벤젠이나 포름알데히드, 톨루엔, 자일렌, 에틸렌, 스틸렌, 아세트알데히드 등을 통칭한다. 이들 VOCs는 저농도에서도 악취를 유발하며, 화합물 자체로서도 환경 및 인체에 직접적으로 유해하거나 대기중에서 광화학반응에 참여하여 광화학산화물 등 2차 오염물질을 생성하기도 한다.
이에 따라, 배기가스를 배출하는 자동차의 수가 포화상태에 이른지 오래고, 이로 인하여 연중 미세먼지 농도가 위험단계 이상인 날이 기하급수적으로 증가하면서 산업현장뿐만 아니라 가정에서도 VOCs를 비롯한 각종 미세먼지와 초미세먼지 및 세균과 바이러스 등을 제거하기 위한 공기정화기의 사용이 증가하고 있으나 전술한 바와 같이 공기중에 입자가 큰 VOCs가 증가함에 따라 필터의 흡착력은 더욱 반감되어 공기정화기가 제 성능을 발휘하지 못하는 실정이다.
이뿐만 아니라, 음전하를 띤 대기 중 성분이 세균을 죽이는 공기정화 성능이 있다는 주장이 유행을 타면서 음이온을 방출하는 방식의 공기정화기가 다수 가정에 보급되어 있는데, 이 중에서 티타늄, 토르마린, 제올라이트, 게르마늄, 모자나이트 등 광물 내 함유된 방사성 핵종이 방사선을 방출하여 대기 중 분자를 이온화시키는 원리를 이용한 음이온 발생 방식은 오존 발생량의 위험성을 높일 뿐만 아니라, 소량이고 반감기가 매우 짧지만 인체에 매우 유해한 라돈가스를 방출하기 때문에 이러한 라돈가스 또한 포집할 수 있는 필터의 필요성이 급증하고 있는 상황이다.
KR 10-2006-0092169 A (2006.08.22.) KR 10-1531864 B1 (2015.06.22.) KR 10-1532719 B1 (2015.06.22.) KR 10-1532718 B1 (2015.06.22.) KR 10-0824907 B1 (2008.04.17.) KR 10-1039898 B1 (2011.06.01.)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하여 기존의 ACF필터가 지닌 한계 및 문제점의 해결에 역점을 두어, ACF필터에 흡착된 VOCs, 악취물질, 세균, 바이러스, 라돈가스 등을 분해 및 중화 제거하여 ACF필터의 마이크로포어를 반복 재생시킴으로써 필터의 흡착력을 장기간 유지할 수 있는 새로운 ACF필터를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 탈취, 먼지·미세먼지·초미세먼지 포집, VOCs, NOx, SOx, 라돈가스 및 세균·바이러스 제거기능을 가지면서도 흡착된 VOCs, 악취물질, 세균·바이러스 등의 오염물질을 분해 및 제거하여 필터의 흡착력을 장기간 유지할 수 있는 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터는 폴리에스터(Polyester) 부직포, 폴리에틸렌(Polyethylene)계 부직포 및 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 중 적어도 어느 하나로 제작된 필터용 시트에 TiO2계 무광촉매를 코팅한 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 상기 무광촉매는, 이소프로판올에 티타늄-(n)에톡시드와 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)을 첨가하여 형성한 이산화티타늄 졸(TiO2 sol)을, 탈이온수에 Zn, Mn, Fe, Cu, Ni, Co, Cr, V, Zr, Mo, Ag, W, Pt, 및 Au로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 금속의 질산염(nitrate), 황산염(sulfate) 또는 염화염(chloride)을 용해시켜 만든 전이금속염 수용액에 부가하고 산 촉매 하에서 20~90℃, 1~6시간 반응시킴으로써 얻어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 제조방법은, 폴리에스터(Polyester) 부직포, 폴리에틸렌(Polyethylene)계 부직포 및 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 중 적어도 어느 하나로 제작된 필터용 시트를 투입하는 단계; 상기 필터용 시트를 용기에 담긴 무광촉매액에 침지(dipping) 또는 분사(spray)시켜 코팅시키는 단계; 및 상기 무광촉매액에 침지시킨 필터용 시트를 건조하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 제조방법에 있어서, 상기 필터용 시트는 롤 형태로 감긴 상태로 무광촉매액이 담긴 용기 또는 스프레이노즐 및 건조기를 사이에 두고 서로 이격된 한 쌍의 롤러 중 일측의 롤러에 거치되고, 상기 롤에서 풀려나온 일단이 나머지 타측의 롤러에 감기면서 상기 필터용 시트의 투입과, 무광촉매액에 침지(dipping) 또는 분사(spray) 및 건조가 자동으로 이루어지는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 ACF필터에 흡착된 VOCs, 악취물질, 세균, 바이러스, 라돈가스 등을 분해 및 중화 제거하여 ACF필터의 메조포어 및 마이크로포어를 반복 재생시킴으로써 필터의 흡착력을 장기간 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 ACF필터의 흡착력을 장기간 유지함으로써 필터의 교체시기를 연장시키고, 이에 따라 필터 교체로 인한 공기정화기의 가동 중지 회수를 획기적으로 줄일 수 있어 공정기간을 단축하여 경제성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기존의 ACF필터가 제공하는 탈취나 먼지포집 기능에 더하여 VOCs, NOx, SOx, 미세·초미세먼지, 세균·바이러스 및 라돈가스 제거기능을 더 부가함으로써 산업현장에서뿐만 아니라 가정에서도 안심하고 사용할 수 있는 공기정화기용 필터를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실온에서도 높은 처리효율을 나타내므로 별도의 신규설비 설치 없이 처리 가능하며, 추가기간이 필요 없어 시설 및 운전비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 기존설비의 사용이 가능하므로 초기 설치비가 들지 않아 유지비 관리가 용이하고, Sol-Gel법으로 제조하여 바인더 없이도 부착성이 우수하며, 무광촉매를 양면 코팅하여 성능 저하를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 활성탄소섬유 필터의 작용원리를 간략히 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 작용원리를 도식화한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터에 적용되는 무광촉매의 작용원리를 나타낸 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 VOCs 제거효율을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 제조방법을 도식화한 도면,
도 6은 라듐의 붕괴에 따른 α선의 무광촉매에 의한 무해화 원리를 간략히 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 VOCs 제거 메커니즘을 간략히 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 미세·초미세먼지 제거 원리를 간략히 나타낸 도면,
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 다기능성 ACF필터에 코팅되는 무광촉매의 각종 악취제거 성능 시험성적서,
도 10a 내지 도 10h는 대표적인 VOCs 유해물질의 분해 및 제거 반응을 나타낸 화학식 및 구조식,
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에서 이루어지는 NOx 및 SOx의 분해 메커니즘,
도 12는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에 의한 바이러스 제거 메커니즘을 설명하기 위한 도면,
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에 코팅되는 무광촉매에 대한 항균력 시험사진.
이하에서는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, "부"의 용어에 대한 의미는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 또는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1은 종래기술에 따른 활성탄소섬유 필터의 작용원리를 간략히 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 작용원리를 도식화한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 ACF필터(10)는 유해물질입자(20)가 공기 중에 떠돌다 ACF필터(10)의 표면에 흡착되는데, ACF필터(10)의 표면적이 유해물질입자(20)에 의해 포화되면 흡착력이 반감되면서 모든 흡착력이 소멸된다.
반면에, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터(100)는 ACF층(110)에 무광촉매를 코팅한 무광촉매층(120)을 형성한다. ACF층(110)에 무광촉매층(120)이 코팅된 본 발명에 따른 ACF필터(100)는 무광촉매층(120)의 표면에서 슈퍼옥사이드음이온라디칼(·O2-) 및 하이드록시라디칼(·OH)(30)이 발생되며, 발생된 슈퍼옥사이드음이온라디칼(·O2-) 및 하이드록시라디칼(·OH)(30)과 무광촉매층(120)의 표면에 흡착된 유해물질입자(20)들이 여러 단계의 반응을 거처 최종적으로 이산화탄소(CO2) 또는 물(H2O)(40) 형태로 치환되면서 ACF층(110)에 흡착되는 VOCs, 악취, 세균, 박테리아, 라돈가스 등의 유해물질입자(20)들이 분해 및 중화되어 제거됨으로써 필터의 흡착력을 정상상태로 유지시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 ACF필터(100)의 수명이 크게 증가하게 되고 기존 ACF필터의 교체주기에 비해 10배 이상의 긴 교체주기를 보장한다.
본 발명에 따른 ACF필터(100)에 의하여 분해 및 제거되는 유해물질들 중 먼저, 라돈가스는 라듐의 α붕괴로 인해 생성되는 무색, 무취, 무미의 기체로서, 반감기가 3.8일로 짧은 자연방사능 물질로 분류된다. 그러나 라듐은 하기의 수학식 1에 나타난 바와 같이, α붕괴에 의해서 라돈낭핵종(radon daughter)을 생성하는데, 이 낭핵종
Figure pat00001
은 기체가 아닌 미세한 입자로서 이것이 폐에 흡입되면, 폐포나 기관지에 부착해 α선(He2+)을 방출하여 생화학적 거대분자나 세포막의 성분을 파괴 또는 DNA의 결합을 변형시키기 때문에 위험성이 있다. 또한, α선(He2+)입자는 크기 때문에 침투력은 약하지만 많은 양이온을 발생시키므로 인체에 매우 위험하다.
Figure pat00002
따라서 라돈가스를 중화하여 제거하는 것이 중요한데, 본 발명에 따른 다기능성 ACF필터(100)는 무광촉매를 코팅하여 무광촉매층(120)을 형성함으로써 라돈방사성 핵종(Rn), 딸핵종(Po), α선(He2 +) 모두를 정전기 포집(electrostatic collection)한다.
라돈방사성 핵종(Rn), 딸핵종(Po), α선(He2+)을 흡착하여 중화하는데 빛이 필요한 광촉매(photocatalyst)와 달리, 무광촉매(nonphotocatalyst)는 빛이 없는 조건 즉, 주·야 24시간 작용할 뿐만 아니라, 다양한 건축자재, 콘크리트, 석고보드, 기타 라돈가스를 발생하는 어떤 물질에도 잘 코팅·부착되어 작용하는 실용적이고도 효과적인 라돈 제거제이다. 특히, 라돈가스와 α선(He2+)은 모두가 TiO2계 무광촉매에 흡착되고, 특히 α선(He2+)은 양전하를 띤 핵으로서 전자가 부족하므로 TiO2계 무광촉매의 표면에서 생성된 음전하(e-), 슈퍼옥사이드음이온라디칼(·O2-) 및 하이드록시라디칼(·OH) 등의 화학종에 끌려서 중성화(neutralisation)된다. 라듐의 α붕괴과정에서 α선(He2+)의 무광촉매에 의한 무해화(중성화) 원리를 도 6에 간략히 도시하였다.
또한, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터(100)는 ACF층(110)에 직접 흡착시켜 유해물질(20)을 제거할 뿐만 아니라 무광촉매층(120)에서 발생되는 슈퍼옥사이드음이온라디칼(·O2-) 및 하이드록시라디칼(·OH)(30)이 공기 중의 유해물질(21)과도 결합하여 이를 분해·중화시켜 제거함으로써 기존의 ACF필터에 비하여 월등한 성능을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에 적용되는 무광촉매의 작용원리를 간략히 나타낸 개념도로서, VOCs, 포름알데히드, 암모니아, 악취, 세균, 바이러스 등을 구성하는 활성 이온들이 본 발명에 따른 ACF필터(100)에 코팅된 무광촉매와 반응하여 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 및 질소분자(N2)로 분해 및 제거된다. 이때, 도 2에서 ACF층(110)의 외표면만에 무광촉매층(120)이 코팅된 것처럼 도시되었으나, ACF층(110)을 구성하는 모든 마이크로포어의 표면에 무광촉매층(120)이 형성된 것으로 이해하여야 한다.
다음으로, 도 8에 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 미세·초미세먼지 제거 원리를 간략히 도시하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 양전하를 띠는 미세·초미세먼지 입자(D1)를 무광촉매에서 발생되는 음전하(·O2-, ·OH)에 의해서 무광촉매층(120)의 표면에 정전기적 포집을 수행함과 아울러, 미세한 메조포어 및 마이크로포어 구조(111)의 물리적 흡착에 의하여 전기적으로 중성인 미세·초미세먼지(D2)를 흡착한다. 하기의 표 1에 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 미세·초미세먼지 제거성능 데이터를 정리하였다.
Figure pat00003
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 입자크기 0.3 내지 10.0㎛의 미세·초미세먼지에 대하여 모두 99.9% 이상의 제거율을 갖는다.
본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에 적용되는 무광촉매는 이소프로판올에 티타늄-(n)에톡시드와 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)을 첨가하여 형성한 이산화티타늄 졸(TiO2 sol)을, 탈이온수에 Zn, Mn, Fe, Cu, Ni, Co, Cr, V, Zr, Mo, Ag, W, Pt, 및 Au로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 금속의 질산염(nitrate), 황산염(sulfate) 또는 염화염(chloride)을 용해시켜 만든 전이금속염 수용액에 부가하고 산 촉매 하에서 20~90℃, 1~6시간 반응시킴으로써 얻어진다.
이에 따라, ACF층(110)에 코팅된 무광촉매층(120)을 형성하는 TiO2의 표면으로 이행된 전자가 공기 중의 산소 또는 물과 반응하여 복합산소이온과 산소라디칼을 생성하고 생성된 복합산소이온과 산소라디칼의 산화력에 의해서 포름알데히드와 같은 휘발성 유기화합물 및 각종 유해가스를 분해·제거할 뿐만 아니라 항균, 항곰팡이, 항박테리아, 항바이러스 및 방오 등의 작용을 하게 된다. 무광촉매 및 그 제조방법은 등록특허 제10-1531864호에 기재되어 있으므로 이에 대한 상세한 내용은 생략한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 기존의 ACF필터보다 더 나은 VOCs 제거효율을 가지면서도 월등히 긴 기간 동안 흡착력을 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 VOCs 제거효율을 나타낸 그래프로서, 무광촉매 처리를 하지 않은 기존의 ACF필터와 비교할 때, 무광촉매 처리한 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 장기간에 걸쳐 VOCs의 제거효율이 월등히 유지됨을 알 수 있다. 도 7에 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 VOCs 제거 메커니즘을 간략히 도시하였고, 도 10a 내지 도 10h에 몇몇의 대표적인 VOCs 유해물질의 분해 및 제거 반응을 도시하였다.
도 10a 내지 도 10h는 각각 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에서 이루어지는 알코올(1-butanol, 1-propanol), 아세트산(acetic acid) 및 프로피온산(propanoic acid), 케톤류(Ketones; acetone, methyl isobutyl ketone) 및 알데히드류(Aldehydes; acetaldehyde), 에스테르류(Esters; methyl ester, butyl ester), 톨루엔(Toluene), 크실렌(Xylene; o-xylene, m-xylene, p-xylene), 벤젠(Benzene), 에틸벤젠(Ethylbenzene)의 분해 및 제거 반응을 화학식 및 구조식으로 나타낸 것이다.
도 7 및 도 10a 내지 도 10h에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 유해물질인 VOCs를 공기 중의 이산화탄소 및 산소와 결합시켜 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 치환한다.
또한, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 유해물질인 VOCs뿐만 아니라 NOx와 SOx도 공기 중의 산소와 결합시켜 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 치환한다. 도 11a 및 도 11b에 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에서 이루어지는 NOx 및 SOx의 분해 메커니즘을 각각 도시하였다. 도 11a 및 도 11b에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터(100)는 NOx 및 SOx를 분해함으로써 VOCs를 비롯한 각종 유해물질을 차단뿐만 아니라 제거할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에 의한 바이러스 제거 메커니즘을 설명하기 위한 도면으로서, 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 코팅된 무광촉매에서 생성되는 활성라디칼에 의하여 바이러스 표면의 단백질을 파괴한다.
도 2 및 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터(100)의 무광촉매층(120)에서 생성된 음전하(e-), 슈퍼옥사이드음이온라디칼(·O2-) 및 하이드록시라디칼(·OH) 중 활성수산기인 하이드록시라디칼(·OH)이 조류인플루엔자 바이러스(avian influenza virus, AIV)의 외피를 구성하는 H와 반응하여 물분자(H2O)를 생성함에 따라 AIV 표면의 단백질이 파괴됨으로써 항바이러스 기능을 수행한다.
도 13a 및 도 13b에 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에 코팅되는 무광촉매에 대한 항균력 시험사진을 나타내었고, 하기의 표 2에 FITI 시험연구원을 통해 확인한 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 ACF층 표면에 코팅되는 무광촉매에 대한 항균력 시험결과(문서확인번호: 6MDT-KAGW-4ABI)의 항균력(ASTM E 2315 : 2016, TIME KILL TEST) 데이터를 정리하였다.
본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터에 코팅되는 무광촉매에 대한 항균력 시험은 TRYPTIC SOY AGAR 배지에서 배양한 제1균주인 Staphylococcus aureus ATCC 6538 및 제2균주인 Klebsiella pneumoniae ATCC 4352를 D/E NEUTRALIZING BROTH로 중화한 원액을 실온에서 5분간 접촉한 후 측정한 결과이다. 도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 ACF층 표면에 코팅되는 무광촉매에 대한 항균력 시험사진을 제1균주 및 제2균주에 대하여 각각 나타낸 것이다.
Figure pat00004
상기 표 2와 도 13a 및 도 13b에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 ACF층 표면에 코팅되는 무광촉매에 대한 항균력 시험결과, 균감소율이 99.999%이므로, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 사용공시균주들에 대하여 우수한 항균력를 제공한다.
하기의 표 3은 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 탈취(Odor 제거 및 분해) 반응을 정리한 것으로서, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 악취의 주요 원인물질들인 황화수소(hydrogen sulfide), 메틸메르캅탄(methyl mercaptan), 암모니아(ammonia) 및 트리메틸아민(trimethylamine)을 제거 및 분해한다.
Figure pat00005
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 다기능성 ACF필터에 코팅되는 무광촉매의 초기 및 1시간 또는 2시간 후의 악취제거 성능을 테스트한 시험성적서로서, 도 9a는 암모니아에 대한 탈취 시험성적서이고, 도 9b는 포름알데히드에 대한 탈취 시험성적이며, 도 9c는 트리메틸아민에 대한 탈취 시험성적서이다.
도 9a 내지 도 9c에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 다기능성 ACF필터에 코팅되는 무광촉매는 암모니아, 포름알데히드 및 트리메틸아민을 제거하므로, 이에 따라 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터는 악취의 주요 원인물질인 암모니아, 포름알데히드 및 트리메틸아민을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 ACF필터의 제조방법을 도식화한 도면으로서, 201단계에서 폴리에스터(Polyester)나 폴리에틸렌(Polyethylene)계 부직포 또는 ACF로 제작된 필터용 시트를 투입하여, 203단계에서 용기에 담긴 무광촉매액에 침지(dipping)시킨 후, 205단계에서 건조를 시킴으로써 제조될 수 있다. 또한, 필터용 시트 생산공정 중 상기 203단계의 무광촉매액을 코팅시키는 단계는 스프레이노즐을 설치하여 분사(spray)방식으로 무광촉매액을 코팅하고, 205단계에서 건조하는 방식으로 구현할 수도 있다.
이때, 201단계의 시트는 롤 형태로 감긴 상태로 무광촉매액이 담긴 용기(또는 스프레이노즐) 및 건조기를 사이에 두고 서로 이격된 한 쌍의 롤러 중 일측의 롤러에 거치될 수 있으며, 롤에서 풀려나온 일단이 나머지 타측의 롤러에 감기면서 201단계의 시트 투입과 203단계의 무광촉매액에 침지 또는 무광촉매액 분사 후 205단계의 건조하는 일련의 공정이 자동으로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법은 ACF필터에 흡착된 VOCs, NOx, SOx, 악취물질, 세균, 바이러스, 라돈가스 등을 분해 및 중화시켜 제거하여 ACF필터의 마이크로포어를 반복 재생시킴으로써 필터의 흡착력을 장기간 유지할 수 있으며, ACF필터의 흡착력을 장기간 유지함으로써 필터의 교체시기를 연장시키고, 이에 따라 필터 교체로 인한 공기정화기의 가동 중지 회수를 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법은 기존의 ACF필터가 제공하는 탈취나 먼지포집 기능에 더하여 VOCs, NOx, SOx, 미세·초미세먼지, 세균·바이러스 및 라돈가스 제거기능을 더 부가함으로써 산업현장에서뿐만 아니라 가정에서도 안심하고 사용할 수 있는 공기정화기용 필터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법은 기존 VOCs의 저감기술과 대비할 때, VOCs의 제거효율이 높고, 시설비 및 운전비(연료비)가 저렴하여 경제적이며, 오존이나 다이옥신의 발생이 없어 2차오염의 위험이 없을 뿐만 아니라, 무광촉매를 사용하므로 장치내의 UV, Vis 발생을 위한 조명장치가 필요하지 않다.
또한, 본 발명에 따른 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터 및 그 제조방법은 고온에서만 활성화되던 기존시설 대비 고온에서뿐만 아니라 실온에서도 활성화되어 작용하므로 기존설비의 사용이 가능하며, 바인더를 사용하지 않아도 부착력이 우수하여, 바인더를 사용해야 하는 기존의 광촉매 대비 우수한 성을 제공한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.
30: 슈퍼옥사이드음이온라디칼(·O2-) 및 하이드록시라디칼(·OH) 층
40: 이산화탄소 및 물 100: ACF필터
110: ACF층 120: 무광촉매층

Claims (4)

  1. 폴리에스터(Polyester) 부직포, 폴리에틸렌(Polyethylene)계 부직포 및 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 중 적어도 어느 하나로 제작된 필터용 시트에 TiO2계 무광촉매를 코팅한 것을 특징으로 하는 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 무광촉매는,
    이소프로판올에 티타늄-(n)에톡시드와 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)을 첨가하여 형성한 이산화티타늄 졸(TiO2 sol)을, 탈이온수에 Zn, Mn, Fe, Cu, Ni, Co, Cr, V, Zr, Mo, Ag, W, Pt, 및 Au로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 금속의 질산염(nitrate), 황산염(sulfate) 또는 염화염(chloride)을 용해시켜 만든 전이금속염 수용액에 부가하고 산 촉매 하에서 20~90℃, 1~6시간 반응시킴으로써 얻어진 것을 특징으로 하는 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터.
  3. 폴리에스터(Polyester) 부직포, 폴리에틸렌(Polyethylene)계 부직포 및 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber, ACF) 중 적어도 어느 하나로 제작된 필터용 시트를 투입하는 단계;
    상기 필터용 시트를 용기에 담긴 무광촉매액에 침지(dipping)하는 방식 및 스프레이노즐을 통해 무광촉매액을 분사(spray)하는 방식 중 어느 하나로 코팅하는 단계; 및
    상기 무광촉매액에 침지시킨 필터용 시트를 건조하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 필터용 시트는 롤 형태로 감긴 상태로 무광촉매액이 담긴 용기 또는 스프레이노즐 및 건조기를 사이에 두고 서로 이격된 한 쌍의 롤러 중 일측의 롤러에 거치되고, 상기 롤에서 풀려나온 일단이 나머지 타측의 롤러에 감기면서 상기 필터용 시트의 투입과, 무광촉매액에 침지(dipping) 또는 분사(spray) 및 건조가 자동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무광촉매가 코팅된 다기능성 활성탄소섬유 필터의 제조방법.
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