KR20200053773A - Process for producing antibacterial activated carbon and antibacterial activated carbon filter using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 항균 및/또는 살균 기능을 갖는 금속 나노입자 포함 활성탄의 제조방법 및 이를 이용한 정수용, 공기정화용, 또는 VOC 제거용 활성탄 필터에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing activated carbon containing metal nanoparticles having antibacterial and / or sterilizing functions, and an activated carbon filter for purifying water, purifying air, or removing VOC using the same.
활성탄은 탄소물질 혹은 탄소를 포함하는 물질을 활성화시킨 것으로서 표면적이 크고 흡착력이 강한 특성을 지닌다. 활성탄의 흡착능력은 기공의 크기분포 및 표면적에 의존한다. 통상적으로 활성탄의 기공은 크기에 따라 미세기공 (micropore), 중간기공 (mesopore), 거대기공 (macropore) 으로 구분한다. 거대기공은 100 nm 이상의 크기를 말하며, 주로 피흡착물질을 포집하는 기능을 담당한다. 중간 기공의 크기는 2 ~ 100 nm 정도이며 피흡착물질들은 중간기공을 따라 확산된다. 미세기공의 크기는 2 nm 이하이며 피흡착물질을 저장하는 기능을 담당한다. Activated carbon is activated carbon material or a material containing carbon, and has a large surface area and strong adsorption power. The adsorption capacity of activated carbon depends on the pore size distribution and surface area. Usually, the pores of activated carbon are classified into micropores, mesopores, and macropores depending on the size. The macropore refers to a size of 100 nm or more, and is mainly responsible for collecting an adsorbed material. The size of the intermediate pores is about 2 to 100 nm, and the adsorbed substances diffuse along the intermediate pores. The size of the micropore is 2 nm or less and is responsible for storing the adsorbed material.
활성탄의 용도별 분류로는 기상흡착용, 액상흡착용, 촉매용, 특수 공정용 (폐수처리용, 의약용 활성탄 등) 등으로 구분된다. 기상흡착용 활성탄의 경우 미세기공이 발달한 활성탄을 주로 사용하며 담배필터, 공기정화, 용제회수, 자동차용 캐니스터(canister), 방독마스크, 가스정제 등에 응용된다. 액상흡착용 활성탄은 분자가 큰 물질이 잘 흡착되도록 중간기공 및 거대기공이 발달된 활성탄을 사용하며 정수, 폐수정화, 당액탈색 등의 응용분야에 적용된다. 촉매의 담체용 활성탄은 촉매물질이 흡착되어도 높은 비표면적을 유지할 수 있도록 중간기공이 발달한 고강도, 저 회분의 특성을 지닌 활성탄을 주로 사용한다. The classification of activated carbon is classified into gas phase adsorption, liquid adsorption, catalyst, and special process (wastewater treatment, pharmaceutical activated carbon, etc.). Activated carbon for vapor adsorption mainly uses activated carbon with fine pores, and is applied to cigarette filters, air purification, solvent recovery, car canisters, gas masks, and gas purification. Activated carbon for liquid adsorption uses activated carbon with medium pores and large pores so that large molecules are well adsorbed, and is applied to applications such as water purification, wastewater purification, and sugar discoloration. The activated carbon for the carrier of the catalyst is mainly used activated carbon having high-strength and low ash characteristics, which has developed intermediate pores to maintain a high specific surface area even when the catalyst material is adsorbed.
이와 같이, 물을 포함한 다양한 용매들과 공기를 포함한 다양한 기체들에서 다양한 모양을 갖는 활성탄은 낮은 가격, 낮은 질량, 높은 비표면적, 다양한 화학약품에 안정, 고온에서의 안정적 구조유지 등의 장점 등으로 산업에 많이 사용되고 있다. As such, activated carbon having various shapes in various solvents including water and various gases including air has advantages such as low price, low mass, high specific surface area, stability to various chemicals, and stable structure maintenance at high temperatures. It is used a lot in industry.
또한 다공성의 활성탄에 신규 기능 즉 화학적 촉매의 기능을 갖는 백금, 팔라듐 등을 첨가한 화학반응용 활성탄, 염소와 VOC(휘발성 유기 화합물) 유해가스 제거를 위한 할라이드(halide)화물 형성이 가능한 금속들을 첨가한 유해 가스 제거의 기능을 갖는 활성탄 등이 개발되었다.In addition, activated carbon for chemical reactions in which platinum, palladium, etc. having a new function, that is, a chemical catalyst, is added to porous activated carbon, and metals capable of forming halide for removing harmful gases of chlorine and VOC (volatile organic compounds) are added. Activated carbon and the like having the function of removing one harmful gas have been developed.
하지만 우리의 생활에 위에서 언급한 다양한 기능의 활성탄이 기체나 액체 내에서 사용되는 동안, 상기 기체나 액체 내에는 항상 다양한 종류의 미생물 세균과 미생물이 번식하기 위한 다양한 영양분들이 동시에 존재할 수 있다. 이러한 미생물들이나 영양분들은 다공성 활성탄내에 쉽게 흡착되며, 흡착된 미생물들은 같이 존재하는 영양분들에 의해 급격한 번식을 일으킬 수 있다. 그 결과 활성탄 비표면적의 급속한 감소로 다양한 물질들의 흡착 기능이 급격히 감소한다. However, while the activated carbon of various functions mentioned above is used in a gas or liquid in our lives, various kinds of microbial bacteria and various nutrients for the microorganism to reproduce can be present in the gas or liquid at the same time. These microorganisms or nutrients are easily adsorbed in the porous activated carbon, and the adsorbed microorganisms can cause rapid reproduction by the nutrients present. As a result, the rapid reduction of the specific surface area of activated carbon rapidly reduces the adsorption function of various materials.
최근에는 활성탄의 흡착성능을 오래 유지할 수 있도록 항균기능을 갖는 재료를 활성탄에 첨가하여 활성탄에 흡착한 미생물이나 바이러스들의 성장을 방지하며 사용기간을 증대시키는 연구들이 많이 개발되었다. Recently, many studies have been developed to prevent the growth of microorganisms or viruses adsorbed on activated carbon and to increase the service life by adding a material having an antibacterial function to activated carbon to maintain the adsorption performance of activated carbon for a long time.
가장 단순한 방법은 방부제 역할을 하는 화학약품에 활성탄을 담지한 후 건조시키는 화학약품처리의 항균 활성탄 제조이다. 하지만 이는 화학물질들이 미생물이나 박테리아의 내성을 키우고 내성에 따라 변종형이 발생하기 쉽다는 단점이 있다. 또한 화학물질 항균제는 열에 약하여 쉽게 분해되고 장기간 사용이 어려우며 열에 쉽게 증발되거나 쉽게 물에 녹아 또 다른 오염을 만드는 단점을 가지고 있다.The simplest method is to manufacture antibacterial activated carbon by chemical treatment, in which activated carbon is supported on a chemical that acts as a preservative and then dried. However, this has the disadvantages that chemicals increase the resistance of microorganisms or bacteria, and that a variant is likely to occur depending on the resistance. In addition, chemical antimicrobial agents have the disadvantages of being easily decomposed due to their weakness in heat, difficult to use for a long time, easily evaporated into heat, or easily dissolved in water.
이런 화학적 약품의 함침에 의한 단점을 해결하기 위하여 항균성을 갖는 은, 구리 아연 또는 이의 합금 등의 나노입자들을 활성탄에 첨가하는 방법이 시도되었다. 기존의 유기 화학약품의 살균제와는 달리, 이런 무기물의 금속 나노입자들에 의한 항균 방법들은 박테리아의 내성과 관계 없고, 열에서 안정함을 보여 사용시간을 늘려줌과 동시에 고온에서 증발되지 않고 쉽게 용출되지 않는 장점들이 있다.In order to solve the disadvantages caused by the impregnation of such chemical agents, a method of adding nanoparticles such as silver, copper zinc or alloys thereof having antibacterial properties to activated carbon has been attempted. Unlike conventional organic chemical disinfectants, antibacterial methods by these metal nanoparticles of inorganic substances are independent of bacterial resistance and show stability in heat, thus increasing the use time and not easily evaporating at high temperatures. There are advantages that are not.
이러한 종래의 활성탄에 금속 나노입자를 형성하는 방법은 대부분 화학적인 방법이다. 예를 들면 AgNO3 와 같은 금속 염의 용액에 활성탄을 침지시켜 활성탄 내에 AgNO3 용액을 함침시킨 후, 여기에 환원제, 분산제 등을 첨가하여 금속의 이온들을 환원시켜 금속 나노입자들을 활성탄내에 형성하는 것이다. Most of the conventional methods of forming metal nanoparticles on activated carbon are chemical methods. For example, after immersing the activated carbon in a solution of a metal salt such as AgNO 3 to impregnate the AgNO3 solution in the activated carbon, a reducing agent, a dispersing agent, etc. are added to reduce metal ions to form metal nanoparticles in the activated carbon.
화학적 AgNO3 를 이용한 활성탄 내의 은 나노입자 형성과 이를 이용한 항균 필터로의 활용에 대한 학술 논문에서(참고문헌 1) 분말상의 약 100mesh 정도 크기의 활성탄을 AgNO3에 함침 시킨 후 기계적 회전 증발, 다양한 온도에서의 건조 및 400℃에서의 열처리 후 항균 성질을 갖는 은 나노입자-활성탄 복합체를 제조하였다. 은 나노입자의 크기는 대략 100- 400nm 정도이었으며 은의 농도는 약 4000- 5000ppm이었다. 그러나 상기 논문은 활성탄에 항균 성능은 부여 하였지만 높은 농도의 은 나노입자의 농도로 인하여 과도한 은 이온의 용출이 발생되었다. In an academic paper on the formation of silver nanoparticles in activated carbon using chemical AgNO3 and its use as an antibacterial filter (Ref. 1), after impregnating AgNO 3 with powdered activated carbon about 100 mesh in size, mechanical rotational evaporation at various temperatures After drying and heat treatment at 400 ° C., a silver nanoparticle-activated carbon composite having antibacterial properties was prepared. The size of the silver nanoparticles was about 100-400 nm and the concentration of silver was about 4000-5000 ppm. However, the above paper gave antibacterial performance to activated carbon, but excessive silver ion elution occurred due to the high concentration of silver nanoparticles.
또한 다공성 탄소 섬유(fiber)에 AgNO3 금속 염을 이용한 화학적 방법으로 은 나노입자를 형성하고 이에 대한 항균 및 살균 효과를 본 연구 결과들이 있었다. (참고 문헌 2, 3) 하지만 이들의 연구 결과들을 보면 탄소 섬유(fiber)의 은 나노입자에 의한 항균 살균 효과들은 관찰하였으나 대부분의 은 나노입자들이 탄소 섬유(fiber) 표면에 형성 되어 활성탄이 갖는 높은 비표면적에 의한 흡착 기능을 거의 상실하는 문제점이 있었다.In addition, the results of this study were to form silver nanoparticles by a chemical method using AgNO3 metal salts on porous carbon fibers and to show antibacterial and sterilizing effects. (References 2 and 3) However, the results of these studies showed that the antibacterial sterilization effects of the silver nanoparticles of the carbon fibers were observed, but most of the silver nanoparticles were formed on the surface of the carbon fibers to have high activated carbon. There was a problem in that the adsorption function was almost lost due to the specific surface area.
또 다른 방법은 무전해 도금 또는 전기도금 방식에 의한 탄소 활성탄 섬유(fiber)에 은 나노입자의 형성이다. 이 경우 전기를 통하는 탄소 활성탄 섬유에 질산은 용액 내에서 음전기를 가하여 Ag+ 이온이 탄소 활성탄 표면에 Ag로 환원 되는 공정인데 대부분의 은 나노입자들은 탄소 섬유(fiber)의 겉 표면에 형성 되어 탄소 활성탄 내부에 다공성의 성질을 완전히 잃어버려 다공성의 기능을 활용하는 탄소 섬유(fiber)라기 보다는 은이 코팅된 다공성을 잃은 탄소 섬유(fiber) 로서의 항균 탄소 섬유(fiber)라 할 것 같다. Another method is the formation of silver nanoparticles on carbon activated carbon fibers by electroless plating or electroplating. In this case, Ag + ions are reduced to Ag on the surface of the carbon activated carbon by applying negative electricity in the solution of silver nitrate to the carbon activated carbon fiber through electricity. Most silver nanoparticles are formed on the outer surface of the carbon fiber and inside the carbon activated carbon. It seems to be an antibacterial carbon fiber (fiber) as a carbon fiber (fiber) that has lost the porosity coated with silver, rather than a carbon fiber (fiber) that completely loses the properties of porosity and utilizes the function of porosity.
이상과 같이 종래 활성탄에 형성된 나노입자들의 문제점을 정리하면 다음과 같다. As described above, the problems of the nanoparticles formed on the conventional activated carbon are summarized as follows.
첫째, 나노입자들이 대부분 활성탄의 겉 표면에 형성되어 있고 나노입자들의 크기가 크기 때문에 활성탄 표면의 기공을 막는 현상이 일어나고 이는 활성탄 본연의 흡착성능 감소를 초래한다. 또한 비표면적 감소로 인한 활성탄의 성능 저하를 초래한다. First, since nanoparticles are mostly formed on the outer surface of activated carbon and the size of nanoparticles is large, a phenomenon of blocking pores on the surface of activated carbon occurs, which leads to a decrease in the adsorption performance of activated carbon. In addition, it leads to a decrease in the performance of activated carbon due to a decrease in specific surface area.
둘째, 표면에 형성된 입자들은 기계적 마모에 의해 쉽게 손실되고 이로 인한 은 나노입자의 급격한 용출이 발생하며 정화가 되어야 할 균의 정착지점(미세기공)에는 나노입자의 형성이 어렵다는 단점이 있다. Second, the particles formed on the surface are easily lost due to mechanical wear, resulting in rapid elution of silver nanoparticles, and there are disadvantages in that it is difficult to form nanoparticles at the settling point (microscopic pore) of the bacteria to be purified.
셋째, 활성탄에 로딩된 은 나노입자의 빠른 용출은 활성탄의 항균 성능의 급격한 감소 및 겉 표면에 형성된 나노입자의 용해 시 급속한 항균 성능 저하로 이어지면서 활성탄 항균기능 지속성 저하를 초래한다. Third, the rapid elution of silver nanoparticles loaded on activated carbon leads to a rapid decrease in the antibacterial performance of activated carbon and a rapid decrease in antibacterial performance when dissolving the nanoparticles formed on the outer surface, leading to a decrease in the persistence of antibacterial activity of activated carbon.
넷째, 미생물의 관점에서 보면 세균이 물, 공기흐름이 적은 기공에 정착하게 되며 다공성 활성탄에 걸러진 유기물과 함께 기공정착세포들은 유기물을 영양분 삼아 미생물의 번식이 초래된다. 이후 세균들의 증식과 죽은세포/신규세포를 통하여 활성탄 내에 바이오 필름이 형성되고 이런 미생물 막 형성은 여과의 기능을 하는 활성탄의 역할의 급속한 감소로 이어진다.Fourth, from a microbial point of view, bacteria settle in pores with little water and air flow, and air-adhesive cells, along with organic substances filtered by porous activated carbon, use organic substances as nutrients to cause microorganisms to reproduce. Thereafter, biofilms are formed in activated carbon through the growth of bacteria and dead / new cells, and this microbial membrane formation leads to a rapid decrease in the role of activated carbon that functions as a filtration.
요컨대, 화학적인 방법으로 활성탄에 은 나노를 제조하는 공정에는 산화제, 환원제, 분산제, 금속염, 계면활성제, 유기용매 등의 다양한 화학약품이 사용되어 환경오염의 문제를 내포하고 있다. 현재까지의 활성탄에 나노입자의 형성을 통해 항균성을 부여하는 화학적인 방법 또는 전기 도금에 의한 방법들은 제조된 나노입자들의 크기가 커서 기계적 마찰에 의하여 쉽게 탈착이 되어 용출이 되었다. 또한 내부에 균이 침착 되었을 경우 균의 성장을 막을 방법이 없으며 제조 공정이 복잡하고 많은 환경 오염물질을 배출하는 등의 문제점이 도출되었다. In short, various chemicals such as oxidizing agents, reducing agents, dispersing agents, metal salts, surfactants, and organic solvents are used in the process of manufacturing silver nano on activated carbon by chemical methods, which poses a problem of environmental pollution. To date, chemical methods that provide antibacterial properties through the formation of nanoparticles on activated carbon or methods by electroplating are easily detached by mechanical friction due to the large size of the produced nanoparticles and eluted. In addition, when bacteria were deposited inside, there was no way to prevent the growth of bacteria, and problems such as complicated manufacturing processes and discharge of many environmental pollutants were derived.
또한 표면에 응집된 금속 나노입자들은 활성탄의 기공을 막아 활성탄 본래의 기능을 약화시킬 수 있으며, 균일하게 분산된 나노입자에 비해 상대적으로 나노입자의 항균효과가 저하된다. 그리고, 화학적인 제조방법은 나노재료에 따라 다른 용매를 사용하여야 하고 제조공정 조건이 다르기 때문에 여러 가지 기능성 나노입자의 재료들을 동시에 활성탄 내에 첨가시키기가 어렵다. In addition, the metal nanoparticles aggregated on the surface may weaken the pores of the activated carbon, thereby weakening the original function of the activated carbon, and the antibacterial effect of the nanoparticles is lower than that of the uniformly dispersed nanoparticles. In addition, it is difficult to add materials of various functional nanoparticles to activated carbon at the same time because chemical manufacturing methods require different solvents according to nanomaterials and manufacturing process conditions are different.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해서는 균일하게 분산된 나노입자를 만들 수 있는 친환경적인 건식의 나노입자 제조공정이 필요하다. In order to solve the problems of the prior art as described above, an environmentally friendly dry nanoparticle manufacturing process capable of producing uniformly dispersed nanoparticles is required.
이에 본 발명은 제조공정이 간단하고, 저렴하며 성능이 우수한 기능성 항균 활성탄을 개발하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention aims to develop a functional antibacterial activated carbon having a simple manufacturing process, low cost, and excellent performance.
보다 구체적으로, 본 발명은 기능성 나노입자를 활성탄의 표면에 균일하게 분산시키고 이를 이용하여 기능성 활성탄을 제조함으로써, 활성탄의 표면적을 확보하고 활성탄에 흡착되는 유기물 혹은 세균의 증식을 억제할 수 있는 향균 활성탄 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 항균 및 살균 기능을 갖고 활성탄의 흡착성능은 우수한 항균 활성탄을 이용하여 성능이 우수한 정수용, 공기정화용, 또는 VOC 제거용 활성탄 필터를 개발하는 것을 목적으로 한다.More specifically, the present invention disperses functional nanoparticles uniformly on the surface of activated carbon and prepares functional activated carbon using the same, thereby ensuring the surface area of activated carbon and inhibiting the growth of organic substances or bacteria adsorbed on activated carbon. It aims to provide a manufacturing method. In addition, it is an object of the present invention to develop an activated carbon filter for water purification, air purification, or VOC removal, which has excellent antibacterial and sterilizing functions and has excellent adsorption performance of activated carbon using excellent antibacterial activated carbon.
상기 목적 달성을 위하여 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention
1) 활성탄 내에 형성하고자 하는 금속의 나노입자들을 수용성 담체에 형성하는 단계1) forming nanoparticles of a metal to be formed in activated carbon on a water-soluble carrier
2) 상기 금속 나노입자가 형성된 수용성 담체를 물에 녹여 금속 나노입자의 콜로이드 용액을 형성 하는 단계 2) Dissolving the water-soluble carrier on which the metal nanoparticles are formed in water to form a colloidal solution of the metal nanoparticles
3) 상기 콜로이드 용액 내에 활성탄을 함침하여 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 제조하는 단계 3) impregnating activated carbon in the colloidal solution to prepare activated carbon with metal nanoparticles
4) 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 분리하는 단계4) separating the activated carbon on which metal nanoparticles are formed
5) 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 건조하는 단계를 포함하는 항균 활성탄 제조 방법을 제공한다.5) It provides a method for producing an antibacterial activated carbon comprising drying the activated carbon on which metal nanoparticles are formed.
본 발명은 상기 방법으로 제조된 항균 활성탄을 포함하는 정수용, 공기정화용, 또는 VOC 제거용 활성탄 필터를 제공한다.The present invention provides an activated carbon filter for water purification, air purification, or VOC removal, including antibacterial activated carbon prepared by the above method.
본 발명은 상기 금속의 나노입자들을 수용성 담체에 형성하는 단계가The present invention is a step of forming the nanoparticles of the metal in a water-soluble carrier
분말 또는 칩형상의 재료를 담체로 하여, 상기 담체를 교반함과 동시에 물리적인 진공 증착법을 이용하여 금속 나노입자를 수요성 담체의 표면에 형성시키는 단계일 수 있다.It may be a step of forming the metal nanoparticles on the surface of the demanding carrier by using a powder or chip-like material as a carrier, stirring the carrier, and using a physical vacuum deposition method.
상기 콜로이드 용액 내에 활성탄을 함침하는 단계는 초음파, 또는 스크류 타입의 프로펠러를 이용하여 금속 나노입자가 활성탄 내부로 침투하게 하는 단계일 수 있다.The step of impregnating the activated carbon in the colloidal solution may be a step of allowing the metal nanoparticles to penetrate into the activated carbon by using ultrasonic waves or a screw type propeller.
또한, 본 발명은 상기 활성탄은 분말활성탄, 파쇄활성탄, 조립활성탄 등일 수 있다.In addition, in the present invention, the activated carbon may be powder activated carbon, crushed activated carbon, granulated activated carbon, or the like.
본 발명에 따르면, 항균 혹은 제균 기능을 하는 기능성 금속 나노입자가 활성탄의 표면 및 내부에 균일하게 분산된 항균 활성탄을 제공하는 효과가 있다. 또한 상기 항균 활성탄 재료를 이용하여 필터를 제조함으로써 저렴하고 항균 혹은 제균 기능이 우수한 정수용, 공기정화용, 또는 VOC 제거용 활성탄 필터를 제조할 수 있다.According to the present invention, there is an effect of providing antibacterial or activated carbon with functional metal nanoparticles having an antibacterial or antibacterial function uniformly dispersed on and inside the activated carbon. In addition, by manufacturing the filter using the antibacterial activated carbon material, it is possible to manufacture an activated carbon filter for water purification, air purification, or VOC removal that is inexpensive and has excellent antibacterial or antibacterial function.
본 발명에서는 다양한 금속 나노입자를 동일한 활성탄에 첨가시키기가 용이하기 때문에 정수용, 공기정화용, VOC제거용 활성탄 필터와 같은 다양한 활성탄 필터를 용이하게 제조할 수 있다.In the present invention, since it is easy to add various metal nanoparticles to the same activated carbon, various activated carbon filters such as water purification, air purification, and VOC removal activated carbon filters can be easily produced.
도 1은 은/ 포도당에서 은 나노입자의 전자 투과 현미경 사진 이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에서 제조한 은/포도당 및 은/활성탄의 전자현미경 사진 이다.
도 2b는 본 발명의 은/활성탄의 고배율 전자 현미경 사진 및 저배율 전자 현미경 사진이다.
도 3는 본 발명의 은/활성탄의 고배율 전자투과 현미경 사진 및 성분분석 결과이다.
도 4은 본 발명의 0.1중량% 은/활성탄의 항균테스트 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 항균 활성탄의 균 제거능력 실험도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 5에 따라 일반 활성탄 및 본 발명의 0.03% 은/활성탄을 넣은 컬럼의 균 배출그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 기능성 나노입자의 제조공정에 대한 개념도이다.
도 8는 본 발명에 따른 기능성 활성탄의 제조공정에 대한 개념도이다.
도 9는 본 발명에 따른 기능성 활성탄을 충진하여 제작한 정수용 및 공기정화용 은/활성탄 필터 모식도이다.1 is an electron transmission micrograph of silver nanoparticles in silver / glucose.
Figure 2a is an electron micrograph of silver / glucose and silver / activated carbon prepared in Examples of the present invention.
2B is a high magnification electron micrograph and a low magnification electron micrograph of the silver / activated carbon of the present invention.
Figure 3 is a high magnification electron transmission micrograph and composition analysis results of the silver / activated carbon of the present invention.
4 is an antibacterial test result of 0.1% by weight of silver / activated carbon of the present invention.
Figure 5 is an antibacterial activated carbon according to the present invention is a bacterium removal ability test.
Figure 6a and Figure 6b is a fungus discharge graph of the column containing the normal activated carbon and 0.03% silver / activated carbon of the present invention according to Figure 5, respectively.
7 is a conceptual diagram of a manufacturing process of functional nanoparticles according to the present invention.
8 is a conceptual diagram for a manufacturing process of functional activated carbon according to the present invention.
9 is a schematic diagram of a silver / activated carbon filter for water purification and air purification produced by filling the functional activated carbon according to the present invention.
본 발명에서는 친환경적이고 물리적인 방식으로 제조된 금속 나노입자를 이용하여 항균 혹은 살균 기능을 갖는 활성탄을 제조하고자 한다. In the present invention, it is intended to manufacture activated carbon having an antibacterial or sterilizing function using metal nanoparticles manufactured in an environmentally friendly and physical manner.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 The present invention
1) 활성탄 내에 형성하고자 하는 금속의 나노입자들을 수용성 담체에 형성하는 단계1) forming nanoparticles of a metal to be formed in activated carbon on a water-soluble carrier
2) 상기 금속 나노입자가 형성된 수용성 담체를 물에 녹여 금속 나노입자의 콜로이드 용액을 형성 하는 단계 2) Dissolving the water-soluble carrier on which the metal nanoparticles are formed in water to form a colloidal solution of the metal nanoparticles
3) 상기 콜로이드 용액 내에 활성탄을 함침하여 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 제조하는 단계 3) impregnating activated carbon in the colloidal solution to prepare activated carbon with metal nanoparticles
4) 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 분리하는 단계4) separating the activated carbon on which metal nanoparticles are formed
5) 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 건조하는 단계를 포함하는 항균 활성탄 제조 방법을 제공한다.5) It provides a method for producing an antibacterial activated carbon comprising drying the activated carbon on which metal nanoparticles are formed.
상기 활성탄 재료로서 분말활성탄, 파쇄활성탄, 조립활성탄 등 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다. 또한 활성탄의 재료는 식물계 활성탄, 석탄계 활성탄, 석유계 활성탄 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것일 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 활성탄 입자의 평균 입자크기는 제한이 없으나 금속 나노입자의 수용 및 필터 기능을 위하여 10~1000μm, 바람직하게는 10~500μm이다.As the activated carbon material, powdered activated carbon, crushed activated carbon, granulated activated carbon, or the like, or a combination thereof, may be used, but is not limited thereto. In addition, the material of the activated carbon may be made of plant-based activated carbon, coal-based activated carbon, petroleum-based activated carbon, or a combination thereof, but is not limited thereto. The average particle size of the activated carbon particles is not limited, but is 10 to 1000 μm, preferably 10 to 500 μm, for receiving and filtering metal nanoparticles.
상기 기능성 나노입자의 재료로 항균 혹은 제균 기능을 하는 금속, 즉 은 (Ag), 구리 (Cu), 황동 (Brass), 청동 (Bronze), 철 (Fe), 티타늄 (Ti), 아연 (Zn), 지르코늄 (Zr), 금 (Au), 백금 (Pt), 팔라듐 (Pd), 희토류 (Rare Earth Materials) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다. 바람직하게는 은 또는 구리이다.As a material of the functional nanoparticles, a metal having an antibacterial or antibacterial function, that is, silver (Ag), copper (Cu), brass (Brass), bronze (Bronze), iron (Fe), titanium (Ti), zinc (Zn) , Zirconium (Zr), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), rare earth (Rare Earth Materials), or a combination thereof, but it is not limited thereto. It is preferably silver or copper.
상기 담체 재료로 물에 녹는 재료이면 제한 없이 사용 가능하데, 바람직하게는 포도당, 소금, 설탕, 비타민 C, 구연산, 키토산, NaHCO3 또는 이들의 조합을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다.If the material is soluble in water as the carrier material, it can be used without limitation, preferably, glucose, salt, sugar, vitamin C, citric acid, chitosan, NaHCO3 or a combination thereof, but is not limited thereto.
상기 활성탄 내에 형성하고자 하는 금속의 나노입자들을 수용성 담체에 형성하는 단계는, 진공 증착조, 상기 진공 증착조 내에 구비된 교반조, 상기 교반조 내에 구비되고 담체를 교반하는 교반날개, 및 상기 진공 증착조 내에 교반조 상부에 구비되고 나노입자 형성을 위한 증기 입자를 발생시키는 증착원으로 구성되는, 담체에 부착된 나노입자의 제조 장치를 사용할 수 있다. The step of forming nanoparticles of the metal to be formed in the activated carbon on a water-soluble carrier includes a vacuum deposition tank, a stirring tank provided in the vacuum deposition tank, a stirring blade provided in the stirring tank and stirring the carrier, and the vacuum deposition It is possible to use a device for manufacturing nanoparticles attached to a carrier, which is provided on the top of the stirring tank in the tank and is composed of a vapor deposition source generating vapor particles for nanoparticle formation.
상기 교반조에 구비되는 교반날개의 형상은 담체의 종류 및 특성에 따라 스크류(screw) 타입, 페달(paddle) 타입, 터빈(turbine) 타입, 프로펠러(propeller) 타입, 앙카(anchor) 타입, 리본(ribbon) 타입 등 또는 이들의 조합일 수 있다. The shape of the stirring blade provided in the stirring tank is a screw type, a pedal type, a turbine type, a propeller type, an anchor type, a ribbon, depending on the type and characteristics of the carrier. ) Type or the like.
상기 단계 1)은 분말 또는 칩 형상의 수용성 담체를 상기 제조 장치의 진공 증착조 내의 교반조에 투입한 후 교반날개를 이용하여 담체를 교반함과 동시에 물리적인 방식의 증착법을 이용하여 기능성 금속 나노입자를 담체의 표면에 형성함으로써 기능성 금속 나노입자/담체 분말을 제조하는 단계이다. In step 1), the functional metal nanoparticles are added using a physical vapor deposition method while stirring the carrier using a stirring blade after introducing a powder or chip-shaped water-soluble carrier into a stirring tank in a vacuum deposition tank of the manufacturing apparatus. This is a step of preparing a functional metal nanoparticle / carrier powder by forming on the surface of a carrier.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 상기 단계 1)에서 물리적인 진공 증착법을 이용하여 기능성 나노입자를 담체의 표면에 형성하는 것은 a) 담체를 진공 증착조 내의 교반조에 투입하는 단계; b) 진공증착 공정을 수행하기 위하여 진공배기를 하는 단계; c) 담체를 교반하는 단계; d) 상기 증착원을 이용하여 나노입자 형성을 위한 증기 입자를 발생시키는 단계; 및 e) 상기 담체 상에 증기 입자를 증착하는 단계로 진행될 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, forming the functional nanoparticles on the surface of the carrier using the physical vacuum deposition method in step 1) comprises: a) introducing the carrier into a stirring tank in a vacuum deposition tank; b) performing vacuum evacuation to perform a vacuum deposition process; c) stirring the carrier; d) generating vapor particles for nanoparticle formation using the deposition source; And e) depositing vapor particles on the carrier.
상기 단계 d)에서 증기 입자를 발생시키기 위한 방법으로 열증착(Thermal Evaporation), 전자빔 증착(E-beam Evaporation), DC 스퍼터링(DC Sputtering), DC 마그네트론 증착법(DC magnetron sputtering), RF 스퍼터링(RF Sputtering), 이온빔 스퍼터링(Ion Beam Sputtering), 분자빔 에피텍시(Molecular Beam Epitaxy), 아크방전법(Arc Discharge Process), 레이저 어블레이션(Laser Ablation) 등을 사용할 수 있다. Thermal evaporation, E-beam Evaporation, DC Sputtering, DC magnetron sputtering, RF Sputtering as a method for generating vapor particles in step d). ), Ion Beam Sputtering, Molecular Beam Epitaxy, Arc Discharge Process, Laser Ablation, etc. can be used.
이때 담체의 성분, 담체의 크기, 담체의 밀도, 교반속도, 증착 파워, 진공도 등의 조건에 따라 형성되는 금속 나노입자의 크기와 분포는 제어될 수 있다.At this time, the size and distribution of the metal nanoparticles formed according to conditions such as the components of the carrier, the size of the carrier, the density of the carrier, the stirring speed, the deposition power, and the degree of vacuum can be controlled.
구체적으로, 상기 담체가 교반조의 교반날개에 의하여 교반되는 속도는 1 내지 200 rpm이 바람직하며, 상기 교반 속도가 1 rpm 미만이거나 교반속도가 충분하지 않을 경우에는 담체의 교반이 충분히 이루어지지 않아 나노입자가 담체 표면에 균일하게 부착되지 못하는 문제점이 있으며, 교반 속도가 200 rpm을 초과하거나 교반속도가 너무 빠르면 교반되는 담체가 비산되는 문제점이 있을 수 있다.Specifically, the speed at which the carrier is agitated by the stirring blade of the stirring tank is preferably 1 to 200 rpm, and when the stirring speed is less than 1 rpm or the stirring speed is insufficient, stirring of the carrier is not sufficiently achieved and nanoparticles There is a problem in that it is not uniformly attached to the surface of the carrier, and if the stirring speed exceeds 200 rpm or the stirring speed is too fast, there may be a problem that the stirred carrier is scattered.
또한, 상기 진공 증착조의 작업진공도(working pressure)는 1 x 10-4 내지 9 x 10-3 torr 로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 진공도가 9 x 10-3 torr 이상의 저진공에서는 증기 입자들의 평균 자유 행적의 거리가 짧아져서 증기 입자는 담체에 증착되기 어렵다.Further, it is preferable that the working pressure of the vacuum evaporation tank is adjusted to 1 x 10 -4 to 9 x 10 -3 torr. The vacuum degree In a low vacuum of 9 x 10 -3 torr or more, the distance of the average free track of the vapor particles becomes short, so that the vapor particles are difficult to deposit on the carrier.
상기 담체 상에 나노입자를 증착하여 나노입자를 형성하는 단계에서는, 나노입자 형성을 위한 증기 입자가 담체 상에 증착되어 나노입자를 형성하기 위한 핵을 형성하며, 이후 상기 핵이 증기 입자의 추가적인 증착에 의해 나노입자를 형성한 후에 담체가 교반, 회전되어 혼합되며, 증기 입자가 증착되지 않은 새로운 담체 상, 또는 증기 입자가 증착되지 않은 담체 부위에 증기 입자가 증착됨으로써, 균일한 크기의 나노입자를 형성할 수 있다. In the step of forming nanoparticles by depositing nanoparticles on the carrier, vapor particles for forming nanoparticles are deposited on the carrier to form nuclei for forming nanoparticles, and then the nuclei are further deposited for vapor particles After forming the nanoparticles by mixing, the carrier is stirred and rotated to mix, and vapor particles are deposited on a new carrier on which no vapor particles are deposited, or on a carrier region where no vapor particles are deposited, thereby providing nanoparticles of uniform size. Can form.
바람직하게는, 상기 나노입자 형성을 위한 증기 입자는 담체 상에 분당 단위면적당 1 Å 내지 10 ㎛ 두께로 증착된다.Preferably, the vapor particles for forming the nanoparticles are deposited in a thickness of 1 mm 2 to 10 μm per unit area per minute on the carrier.
상기 진공 증착조의 진공도는 불활성 가스를 포함시켜 조절하며, 상기 불활성 가스는 아르곤(Ar), 네온(Ne), N2, O2 등일 수 있으나, 반드시 이에 제한되지는 않는다.The vacuum degree of the vacuum deposition tank is controlled by including an inert gas, and the inert gas is argon (Ar), neon (Ne), N 2 , O 2 Etc., but is not limited thereto.
상기 단계 1)에서 담체 표면에 형성되는 기능성 금속 나노입자의 평균 입자크기는 1~100 nm, 바람직하게는 1~50nm이다.The average particle size of the functional metal nanoparticles formed on the surface of the carrier in step 1) is 1 to 100 nm, preferably 1 to 50 nm.
상기 단계 1)에서 담체 표면에 형성되는 기능성 금속 나노입자의 양은 100 내지 10,000ppm 이 바람직하다. 금속 나노입자가 상기 범위로 포함되는 경우 이후 활성탄에 포함되는 단계를 수행하기에 적절하다.The amount of functional metal nanoparticles formed on the surface of the carrier in step 1) is preferably 100 to 10,000 ppm. When the metal nanoparticles are included in the above range, it is suitable to perform the steps included in the activated carbon afterwards.
상기 단계 2)에서는 상기 증착공정을 통해 제조된 금속 나노입자가 형성된 수용성 담체를 이용하여 기능성 금속 나노입자를 포함하는 활성탄을 제조하는 단계이다.In step 2), the activated carbon containing functional metal nanoparticles is manufactured by using a water-soluble carrier having metal nanoparticles prepared through the deposition process.
상기 정수용 혹은 공기정화용 금속 나노입자 포함 활성탄 제조를 위해 후공정을 수행한다. 후공정이라 함은 증착공정으로 제조된 금속 나노입자가 형성된 수용성 담체를 물에 투입하여 나노입자를 분산시켜 금속 나노입자의 콜로이드 용액을 형성하는 단계, 이 용액에 활성탄을 투입하여 금속 나노입자를 활성탄의 내부 또는 표면에 부착시키는 나노입자 로딩 (loading) 단계, 증착공정에서 사용된 수용성 담체를 제거하는 여과/수세단계, 그리고, 금속 나노입자가 로딩된 활성탄을 건조하는 건조단계를 포함한다. A post-process is performed to produce activated carbon containing metal nanoparticles for water purification or air purification. The post-process is a step of forming a colloidal solution of metal nanoparticles by dispersing the nanoparticles by introducing a water-soluble carrier formed with metal nanoparticles prepared by a deposition process into water, and by introducing activated carbon into the solution, the metal nanoparticles are activated carbon. It includes a nanoparticle loading step to adhere to the inside or the surface of the filtration / washing step to remove the water-soluble carrier used in the deposition process, and a drying step of drying the activated carbon loaded with metal nanoparticles.
구체적으로 수용성 담체는 물에 녹아 분자상태로 되고 금속 나노 입자들은 물에 잘 분산 되어 나노입자들이 안정하게 콜로이드를 형성하게 되며 이렇게 분산된 금속 나노입자들은 활성탄의 내 외부에 존재하는 일반적으로 나무에 존재하는 분자구조인 셀루로즈가 일부 탄화되지 않고 존재하는 CO, COOH 같은 작용기에 우선적으로 안착하게 된다. 또한 물에 녹은 분자상태의 담체들도 활성탄 내부에 흡착을 하게 되는데 이는 수용성이므로 따뜻한 물에 같이 흘러 다시 활성탄 외부로 방출하게 된다. .Specifically, the water-soluble carrier is dissolved in water to become a molecular state, and the metal nanoparticles are well dispersed in water, so that the nanoparticles stably form a colloid, and the dispersed metal nanoparticles are generally present in wood inside and outside the activated carbon. Cellulose, which is a molecular structure, is preferentially settled on functional groups such as CO and COOH that exist without being partially carbonized. In addition, the carriers in the molecular state dissolved in water are also adsorbed inside the activated carbon, which is water-soluble, so it flows together in warm water and releases again to the outside of the activated carbon. .
본 발명은, 증착공정에서 제조된 금속 나노입자 분말을 이용하여 후공정을 통해 기능성 금속 나노입자 포함 항균 활성탄을 제조한다. 이 때 나노입자의 양은 혼합단계에서 투입하는 나노분말의 양을 제어하여 구현할 수 있다. 활성탄에 포함되는 금속 나노입자의 양은 바람직하게는 금속 나노입자가 포함된 활성탄 전체 중량 대비 0.01중량% ~ 10중량% 이다. 금속 나노입자가 상기 함량으로 포함되는 경우 활성탄의 기능을 저해하지 않으면서 항균 및 살균 기능을 수행할 수 있다. 한편 양의 증대는 항균 살균 속도를 기하급수적으로 증대시키지만 상기 이상의 경우 비용 문제가 있다.The present invention, by using a metal nanoparticle powder prepared in the deposition process to produce a functional metal nanoparticle-containing antibacterial activated carbon through a post-process. At this time, the amount of nanoparticles can be realized by controlling the amount of nanopowders input in the mixing step. The amount of the metal nanoparticles contained in the activated carbon is preferably 0.01% to 10% by weight relative to the total weight of the activated carbon containing the metal nanoparticles. When the metal nanoparticles are included in the above content, it is possible to perform antibacterial and sterilizing functions without inhibiting the function of activated carbon. On the other hand, increasing the amount increases the antibacterial sterilization rate exponentially, but there is a cost problem in the above case.
또한, 본 발명은 본 발명의 제조방법에 따라 제조되는 기능성 금속 나노입자가 활성탄의 표면 및 내부에 부착된 금속 나노입자/활성탄을 포함하는 정수용, 공기정화용, 또는 VOC 제거용 활성탄 필터를 제공한다.In addition, the present invention provides an activated carbon filter for purifying water, purifying air, or removing VOCs, wherein the functional metal nanoparticles manufactured according to the manufacturing method of the present invention include metal nanoparticles / activated carbon attached to the surface and inside of the activated carbon.
또한 본 발명은 In addition, the present invention
1) 활성탄 내에 형성하고자 하는 금속의 나노입자들을 수용성 담체에 형성하는 단계1) forming nanoparticles of a metal to be formed in activated carbon on a water-soluble carrier
2) 상기 금속 나노입자가 형성된 수용성 담체를 활성탄과 혼합하여 가열 및 성형과정을 통하여 항균 활성탄 필터를 제조하는 방법을 제공한다.2) A method of manufacturing an antibacterial activated carbon filter through a heating and molding process by mixing the water-soluble carrier on which the metal nanoparticles are formed with activated carbon is provided.
이하 첨부된 도면 및 실시예를 통해 본 발명을 설명하도록 한다. 이들 실시예는 단지 예시적인 것일 뿐, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described through the accompanying drawings and examples. These examples are merely illustrative, and do not limit the technical scope of the present invention.
<실시예 1> 은/포도당 분말을 이용한 은/활성탄의 제조 <Example 1> Preparation of silver / activated carbon using silver / glucose powder
포도당 분말을 교반조에 투입하고 기본진공도(base pressure)에 도달하기까지 진공펌핑(vacuum pumping)을 수행하였다. 이 때의 기본진공도는 1 x 10-4 Torr 이며, 기본진공도에 도달 후 포도당 분말을 교반하면서 은 타겟을 사용하여 스퍼터링 방법으로 증착공정을 수행하였다. 진공증착이 수행되는 동안의 작업진공도(working pressure)는 2 x 10-2 Torr 의 범위 내에서 유지하였다. 증착공정에서 DC전원장치의 파워를 지정하고 시간을 제어하여 은 나노입자의 함량이 1,000 ppm인 은/포도당 분말을 제조하였다.Glucose powder was introduced into the stirring tank and vacuum pumping was performed until the base pressure was reached. The basic vacuum at this time is 1 x 10 -4 Torr, and after reaching the basic vacuum, a deposition process was performed by sputtering using a silver target while stirring the glucose powder. The working pressure during vacuum deposition was maintained within the range of 2 x 10 -2 Torr. In the deposition process, the power of the DC power supply was designated and the time was controlled to prepare silver / glucose powder having a content of silver nanoparticles of 1,000 ppm.
도 1에 은/포도당 분말의 전차투과 현미경 사진을 도시하였다. 은 나노 입자의 크기는 1~15 nm 크기가 90% 이상이었다.FIG. 1 shows a transmission / transmission micrograph of silver / glucose powder. The size of the silver nanoparticles was more than 90% of the size of 1-15 nm.
은/활성탄을 제조하기 위해 증착공정에서 제조된 은/포도당 분말을 이용하여 후공정을 수행하였다. 0.1중량% 은/활성탄을 제조하기 위해 은/포도당 분말과 증류수를 혼합한 후, 입상활성탄을 투입하였다. 이 때 활성탄은 일반적 야자수 활성탄을 사용하였으며 평균 입자크기는 약 10- 300 μm 이다.In order to prepare silver / activated carbon, a post process was performed using silver / glucose powder prepared in a deposition process. To prepare 0.1 wt% silver / activated carbon, silver / glucose powder and distilled water were mixed, and then granular activated carbon was added. At this time, activated carbon was used as a palm tree activated carbon, and the average particle size was about 10-300 μm.
본 단계에서는 은/포도당 분말 수용액에서 은 나노입자가 보다 균일하게 분산되도록 초음파 장치를 이용하여 용액에 초음파를 가하였다. 또한, 은 나노입자들의 활성탄의 표면 및 내부로 균일하게 로딩되도록 교반기를 이용하여 용액을 교반하였다. 용액을 교반한 후, 은/활성탄을 회수하기 위해 여과/수세단계를 거쳐 포도당 및 증류수를 제거하였다. 수거된 은/활성탄 분말은 자연건조 방식으로 건조하였고, 건조 후 은/활성탄 분말의 수분양은 10% 이하로 제어하였다.In this step, ultrasonic waves were applied to the solution using an ultrasonic device so that the silver nanoparticles were more uniformly dispersed in the silver / glucose powder aqueous solution. In addition, the solution was stirred using a stirrer to uniformly load the surface and inside of the activated carbon of the silver nanoparticles. After stirring the solution, glucose and distilled water were removed through a filtration / washing step to recover silver / activated carbon. The collected silver / activated carbon powder was dried by a natural drying method, and after drying, the water content of the silver / activated carbon powder was controlled to 10% or less.
도 2a는 상기 증착공정을 통하여 제조된 1,000 ppm 은/포도당 분말과 후공정을 통하여 제조된 0.1중량% 은/활성탄의 사진이다. 2A is a photograph of 1,000 ppm silver / glucose powder prepared through the deposition process and 0.1% by weight silver / activated carbon prepared through a post-process.
도 2b는 상기 은/활성탄의 고배율 전자 현미경 사진 및 저배율 전자 현미경 사진이다.2B is a high magnification electron micrograph and a low magnification electron micrograph of the silver / activated carbon.
도 3은 상기 은/활성탄의 고배율 전자투과 현미경 사진 및 이에 대한 성분분석결과이다. 고배율 전자투과 현미경의 사진에서 보듯이 부분적으로 은 나노입자들이 활성탄의 내부에 안착되어 있었으며 표시된 4-4 지역을 분석한 결과 주요 성분은 은이었으며 일부 불순물들은 활성탄 제조에서 이미 존재하였던 미량의 불순물로 생각된다. 은 나노입자는 15 nm 이하의 크기가 90% 이상이었다.Figure 3 is a high magnification electron transmission micrograph of the silver / activated carbon and the component analysis results therefor. As shown in the high magnification electron transmission microscope, the silver nanoparticles were partially settled inside the activated carbon. As a result of analyzing the marked 4-4 area, the main component was silver, and some impurities were thought to be trace impurities that were already present in the production of activated carbon. do. The silver nanoparticles had a size of 15 nm or less and 90% or more.
<실시예 2> 은/포도당 분말을 이용한 은/활성탄의 제조<Example 2> Preparation of silver / activated carbon using silver / glucose powder
실시예 1의 방법과 동일한 방법으로 0.03중량% 및 1중량%의 은/활성탄 시료를 제작하였다.In the same manner as in Example 1, 0.03% by weight and 1% by weight of silver / activated carbon samples were prepared.
<실험예 1> 항균 실험<Experimental Example 1> Antibacterial experiment
상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 은/활성탄 시료를 사용하여 포도상구균 (Staphylococcus Aureus), 폐렴균 (Klebsiella Pneumonia), 대장균 (Escherichia Coli) 에 대하여 ASTM2149-2010 방법으로 항균테스트를 수행하였다. 은/활성탄 샘플에 대한 항균테스트 결과는 0.1중량%, 0.03중량%, 그리고 1중량% 은/활성탄 3 종에서 모두 상기 테스트 균들 3종에 대하여 99.99%의 항균력을 나타냈다. Using the silver / activated carbon samples prepared in Examples 1 and 2, an antibacterial test was performed using the method ASTM2149-2010 for Staphylococcus Aureus, Pneumonia (Klebsiella Pneumonia), and Escherichia Coli. The antibacterial test results for the silver / activated carbon samples showed antibacterial activity of 99.99% against the three test bacteria in 0.1% by weight, 0.03% by weight, and 3% by weight of 1% by weight of silver / activated carbon.
0.1중량% 은/활성탄 샘플의 결과를 도 4에 나타내었다.The results of the 0.1 wt% silver / activated carbon sample are shown in FIG. 4.
도 4에서 대조군의 경우 일반 배지에 각종 균을 성장시킨 경우의 사진으로 다양한 균들이 증식된 것을 볼 수 있다. 하지만 본 발명의 항균 활성탄을 사용한 경우 시험에 사용된 균들은 모두 사멸되는 효과를 보였다.In the case of the control group in Figure 4 can be seen that a variety of bacteria multiplied by a picture of the growth of various bacteria in the normal medium. However, when using the antibacterial activated carbon of the present invention, all the bacteria used in the test showed an effect of being killed.
<실험예 2> 은/활성탄의 은 용출 시험<Experimental Example 2> Silver dissolution test of silver / activated carbon
은/활성탄 제품의 정수테스트 및 은의 용출 여부를 확인하기 위해 0.1중량% 은/활성탄 제품을 5 ton 용량의 정수용 탱크에 일정량 투입하고, 매 5 톤의 물을 정수하여 정수된 물을 일정량 채취하였다. 총 정수량은 25 ton이었고 매 정수 시 채취한 용액을 ICP 분석을 통하여 은 나노입자의 용출량을 확인하였다. 총 5회의 정수과정에서 2회 활성탄을 재생하였고, 고온 수증기의 분사방식으로 활성탄을 재생하였다. 채취한 모든 5 개의 샘플을 ICP 방법으로 분석하였는데, 5 개의 모든 샘플에서 은 나노입자는 검출되지 않았다.In order to test the water purification of silver / activated carbon products and to confirm whether or not silver is eluted, a certain amount of 0.1% by weight silver / activated carbon products was put into a tank for water purification with a capacity of 5 ton, and purified water was collected by purifying every 5 tons of water. The total amount of purified water was 25 ton, and the eluted amount of silver nanoparticles was confirmed through ICP analysis of the solution collected at every purification. Activated carbon was regenerated twice in a total of five purification processes, and activated carbon was regenerated by spraying with high temperature water vapor. All 5 samples collected were analyzed by the ICP method. Silver nanoparticles were not detected in all 5 samples.
<실험예 3> 은/활성탄을 이용한 정수용 혹은 공기정화용 필터의 제조<Experiment 3> Preparation of a filter for water purification or air purification using silver / activated carbon
본 발명의 방법을 통하여 제조한 은/활성탄 분말을 이용하면, 공기정화 혹은 정수용 필터를 제작할 수 있다.When the silver / activated carbon powder produced through the method of the present invention is used, a filter for air purification or water purification can be produced.
입상활성탄을 사용하여 입상활성탄을 충진시킨 필터를 제작하여 정수용 혹은 공기정화용 필터로 사용하였다. 공기정화 혹은 정수 과정에서 공기나 물의 압력 및 흐름의 양에 따라 투입되는 활성탄의 투입양 및 필터의 크기는 변화될 수 있다. A filter filled with granular activated carbon was prepared using granular activated carbon, and used as a filter for water purification or air purification. During the air purification or water purification process, the input amount of activated carbon and the size of the filter may be changed according to the pressure and flow amount of air or water.
<실험예 4> 은/활성탄을 이용한 정수용 혹은 공기정화용 필터의 제조<Experimental Example 4> Preparation of filter for water purification or air purification using silver / activated carbon
분말활성탄을 사용하여 성형방법을 통하여 정수용 혹은 공기정화용 필터를 제작할 수 있다. 이 때 은 나노입자를 활성탄에 투입시키는 방법으로서, 은/수용성 담체분말을 녹인 수용액에 성형된 활성탄 블럭 혹은 활성탄 구조물을 담지하여 은 나노입자를 활성탄의 표면에 로딩시켜 필터를 제조하였다.A filter for water purification or air purification can be produced through a molding method using powdered activated carbon. At this time, as a method of injecting silver nanoparticles into activated carbon, a filter was prepared by loading silver nanoparticles on the surface of activated carbon by supporting a molded activated carbon block or an activated carbon structure in an aqueous solution of silver / water-soluble carrier powder.
<실험예 5> 은/활성탄의 균 제거 능력 실험<Experimental Example 5> Silver / activated carbon bacteria removal ability test
컬럼에 일반 활성탄 및 0.03중량% 은/활성탄을 각각 충전하고 항균 활성탄의 균 제거능력을 실험하였다.The column was filled with normal activated carbon and 0.03% by weight silver / activated carbon, respectively, and the antibacterial activity of the activated carbon was tested.
도 5에 컬럼 내에 기존의 활성탄과 본 발명에서 만든 활성탄을 넣어 항균력을 비교한 실험장치의 개략도를 도시하였다. 도 5에서 바이오에어로졸 제너레이터(bioaerosol generator)에 대장균을 키워 일정 시간 동안 컬럼에 통과시킨 것이다 5 shows a schematic diagram of an experimental apparatus for comparing the antibacterial activity by putting the existing activated carbon in the column and the activated carbon made in the present invention. In FIG. 5, E. coli was grown on a bioaerosol generator and passed through a column for a predetermined time.
도 6에 도 5에 따른 실험장치를 사용한 일반 활성탄 및 0.03중량% 은/활성탄을 사용한 경우의 균 배출그래프를 도시하였다. 도 6a 는 일반 활성탄을 컬럼에 충진하고 파란색의 선에 표시한 대장균의 농도를 10- 40 시간을 통과 시킨 후의 대장균의 숫자이다. 도 6a에서 보듯이 대략 적으로 1. 47x 105 - 1.7x 105 개의 대장균을 통과 시킬 경우 4x 104 - 6x 104 개의 균들이 여과되지 않고 통과 되는 것을 볼 수 있다. 도 6b는 본 발명에서 개발한 은/활성탄을 컬럼에 충진하고 파란색의 선에 표시한 대장균의 농도를 10- 40 시간을 통과 시킨 후의 항균 활성탄을 통과한 후의 대장균의 숫자이다. 도 6b에서 보듯이 대략적으로 1. 47x 105 - 1.7x 105 개의 대장균을 통과 시킬 경우 거의 대부분의 균들이 사멸되어 균이 통과 되자 않는 것을 볼 수 있다.Fig. 6 shows a graph of discharge of bacteria in the case of using normal activated carbon and 0.03% by weight silver / activated carbon using the experimental apparatus according to Fig. 5. Figure 6a is a number of E. coli after the general activated carbon is filled in a column and the concentration of E. coli indicated by the blue line is passed for 10-40 hours. Also with a substantially enemy, as shown in 6a 1. 47x 10 5 - 1.7x 10 5 of the case to pass through the E. coli 4x 10 4 - can be seen that passage to
상기 실시예 및 실험예를 통해 확인한 바와 같이 본 발명은 다양한 담체 재료 및 나노재료의 선택을 통하여 다양한 조합의 기능성 금속 나노입자/활성탄을 제조하고 이를 이용하여 정수용 혹은 공기정화용 필터를 제조할 수 있다.As confirmed through the above Examples and Experimental Examples, the present invention can prepare various combinations of functional metal nanoparticles / activated carbon through selection of various carrier materials and nanomaterials, and use them to produce filters for water purification or air purification.
따라서, 본 발명의 제조방법에 따라 친환경적인 물리적 방법으로 활성탄의 흡착성능을 연장시킬 수 있고 성능이 우수한 기능성 금속 나노입자/활성탄 및 이를 이용한 정수용 혹은 공기정화용 기능성 활성탄 필터를 제조할 수 있음을 확인하였다.Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, it was confirmed that the adsorption performance of activated carbon can be extended by an environmentally friendly physical method, and functional metal nanoparticles / activated carbon having excellent performance and a functional activated carbon filter for water purification or air purification using the same can be manufactured. .
Claims (9)
2) 상기 금속 나노입자가 형성된 수용성 담체를 물에 녹여 금속 나노입자의 콜로이드 용액을 형성 하는 단계
3) 상기 콜로이드 용액 내에 활성탄을 함침하여 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 제조하는 단계
4) 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 분리하는 단계
5) 금속 나노입자가 형성된 활성탄을 건조하는 단계를 포함하는 항균 활성탄 제조 방법1) forming nanoparticles of a metal to be formed in activated carbon on a water-soluble carrier
2) Dissolving the water-soluble carrier on which the metal nanoparticles are formed in water to form a colloidal solution of the metal nanoparticles
3) impregnating activated carbon in the colloidal solution to prepare activated carbon with metal nanoparticles
4) separating the activated carbon on which metal nanoparticles are formed
5) A method for producing an antibacterial activated carbon comprising drying the activated carbon on which metal nanoparticles are formed.
a) 담체를 진공 증착조 내의 교반조에 투입하는 단계;
b) 진공증착 공정을 수행하기 위하여 진공배기를 하는 단계;
c) 담체를 교반하는 단계;
d) 증착원을 이용하여 금속 나노입자 형성을 위한 증기 입자를 발생시키는 단계; 및
e) 상기 담체 상에 증기 입자를 증착하는 단계로 진행되는 것인 항균 활성탄 제조 방법The method according to claim 2, Using the physical vacuum deposition method to form the metal nanoparticles on the surface of the carrier
a) introducing a carrier into a stirring tank in a vacuum deposition tank;
b) performing vacuum evacuation to perform a vacuum deposition process;
c) stirring the carrier;
d) generating vapor particles for forming metal nanoparticles using a deposition source; And
e) A method for producing antibacterial activated carbon, which proceeds by depositing vapor particles on the carrier.
Activated carbon filter for water purification, air purification, or VOC removal including antibacterial activated carbon prepared by the method of claim 1
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