KR20210089957A - 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터에 관한 것으로서, 가열처리되어 기공이 형성된 미세먼지 흡착필터를 KOH 수용액에 침지하여 다공성 흡착물 상태로 커피 찌꺼기를 제조하고, 상기 다공성의 커피 찌꺼기와 결합제, 증점제, 분산제 및 물을 혼한한 함침용액에 폴리우레탄폼을 침지후 건조하여 미세먼지의 흡착이 우수한 친환경 필터를 제조할 수 있다.

Description

커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터 {Filter for adsorption of fine dust using from coffee grounds}

본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터에 관한 것이다.

현대인의 커피 섭취가 증가함에 따라 발생하는 커피박(원두를 추출하고 남은 찌꺼기) 또한 해마다 증가하고 있다. 커피 원두는 0.2%만이 추출되고 나머지 99.8%는 모두 일반쓰레기로 분류되어 버려진다. 이를 처리하기 위해 커피전문점에서 구매하는 종량제 봉투는 연간 27억 원 수준이다. 잔류 카페인이 미생물에게 독성으로 작용하여 환경오염을 초래한다는 점은 환경문제까지 일으킨다고 볼 수 있다.

미세먼지(Fine dust) 또는 초미세먼지는 지름이 2.5~10 ㎛ 오염물질(pollution material, PM)이나 2.5 ㎛ 이하의 오염물질을 의미하며, 미세먼지의 입자 크기는 매우 작기 때문에 모낭 또는 호흡기를 통해 체내 침투 문제가 발생하는데, 근래 미세먼지의 증가로 인해 피부질환, 호흡기질환 등 많은 부작용이 일어나고 있다. 장기간 미세먼지에 노출될 경우 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기질환은 물론 심혈관 질환, 피부질환, 안구질환 등 각종 질병에 노출될 수 있다.

이에 본 발명자들은 앞선 두 가지 문제점을 인식하고 해결방안을 모색하고자 하기 위해, 버려지는 자원인 커피 찌꺼기를 활용하여 필터를 제작하여, 미세먼지로 인한 환경문제를 방지하고, 피부 또는 호흡기 질환의 개선과 더불어 폐자원을 활용하고 폐기비용을 줄임으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2013-0017059호 (발명의 명칭 : 원두커피 찌꺼기를 이용한 냄새제거 장치, 출원인 : 이서준, 공개일 : 2013년02월19일) 대한민국 등록특허 제10-1711008호 (발명의 명칭 : 원두커피 찌꺼기를 활용한 항균 다공성 세라믹의 제조방법, 출원인 : (주)메가크리에이트, 등록일 : 10-1711008)

본 발명의 목적은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터를 제공하는 데에 있다.

본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터에 관한 것이다.

상기 필터는 다음의 방법을 통해 제조될 수 있다.

(제1단계) 커피 찌꺼기를 건조 후 열처리하는 단계;

(제2단계) 열처리된 커피 찌꺼기를 식힌 후 KOH 수용액에 침지하는 단계;

(제3단계) KOH 수용액에 침지한 커피 찌꺼기를 물로 세척하는 단계;

(제4단계) 제3단계에서 세척된 커피 찌꺼기, 결합제, 증점제 및 물을 교반하여 함침용액을 제조하고, 상기 함침용액에 폴리우레탄폼 시트를 넣어 침지하는 단계; 및,

(제5단계) 상기 함침용액에서 폴리우레탄폼 시트를 꺼내 압착하여 수분을 제거한 후 건조하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.

상기 제1단계의 건조는 15~34℃에서 1~2일간 그늘진 곳에서 건조하거나 35~90℃의 온도로 1~5시간 동안 열풍건조하여 진행할 수 있고, 소량의 커피 찌꺼기가 발생될 때마다 수거하여 이를 적량 모아 제2단계를 수행할 수 있다.

상기 제1단계의 열처리를 통해 커피 찌꺼기 내의 기공 크기 및 기공의 개수가 확장되어 다공성이 증가되고, 미세먼지의 흡착성이 증가될 수 있다.

상기 기공 크기는 열처리 전 0.1~2㎛에서 열처리 후 20~100㎛로 확장되며, 보다 바람직하게는 30~60㎛의 고른 크기로 확장될 수 있다.

상기 제1단계의 열처리는 목적하는 온도인 450~500℃에서 1~3시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 목적온도의 열처리 시간 전후로 15~34℃의 실온에서 목적온도로의 상승시간, 목적온도에서 15~34℃의 실온으로의 하강 시간이 각각 0.5~2시간 정도 소요된다.

제2단계의 KOH 수용액에 침지 전 커피 찌꺼기는 10~30℃로 식혀 사용하는 것이 바람직하다.

상기 제2단계의 KOH 수용액의 농도는 10~20M인 것이 바람직하며, 15M인 것이 더 바람직하다. 이 때, 제2단계에서 커피 찌꺼기를 KOH 수용액에 침지하는 시간은 12~48시간, 더 바람직하게는 24시간인 것이 좋다.

상기 제2단계의 KOH 침지 단계를 거친 커피 찌꺼기는 미세먼지의 흡착력이 증강되는데, 특히, 미세먼지의 주성분인 질산염의 흡착능이 더 효과적으로 증가한다.

상기 제3단계에서 커피 찌꺼기는 KOH가 충분히 제거되도록 수회 반복하여 세척할 수 있다.

상기 제3단계에서 세척한 커피 찌꺼기는 그대로 4단계에서 사용할 수도 있으며, 건조하여 사용할 수도 있다. 이 과정에서의 건조 조건도 15~34℃에서 1~2일간 그늘진 곳에서 건조하거나 35~90℃의 온도로 1~5시간 동안 열풍건조하여 진행하는 것이 좋다.

상기 제4단계의 폴리우레탄폼 시트의 침지시간은 10~30분인 것이 좋다.

상기 제4단계에서 사용되는 폴리우레탄폼은 통상적으로 필터용으로 사용하는 폴리우레탄폼은 모두 사용가능하며,

상기 제4단계의 함침용액은 제3단계에서 세척이 완료된 커피 찌꺼기 15~20 중량%, 결합제 1~5 중량%, 증점제 0.2~10 중량% 및 물 70~80중량%가 포함된 것일 수 있다.

상기 제4단계의 결합제는 칼슘 실리케이트, 칼슘 알루미네이트, 벤토나이트, 카올린, 알루미나졸, 실리카졸, 보에마이트, 폴리비닐알코올, 폴리글라이콜 및 전분으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

상기 제4단계의 증점제는 폴리아크릴아마이드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리에틸렌옥사이드, 젤라틴, 폴리사카라이드, 셀룰로오스 및 키토산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다. 또한 상기 셀룰로오스로서, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 벤질셀룰로오스, 트리틸셀룰로오스, 시아노에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 카르복시에틸셀룰로오스, 아미노에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 셀룰로오스에테르 및 카르복시메틸셀룰로오스 나트륨염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.

상기 제4단계의 교반은 10~35℃에서 150~400rpm으로 20~60분간 수행하는 것이 좋다.

상기 제5단계에서 사용하는 폴리우레탄폼은 시트상태인 것이 바람직하며, 그 두께는 필요에 따라 적절한 것을 사용할 수 있으나, 가장 바람직하게는 1~20㎜의 두께를 가진 것일 수 있다.

상기 제5단계의 압착은 폴리우레탄폼 내 수분을 용이하게 제거하기 위해 사용할 수 있는 압착기라면 어떤 것이든지 사용가능하다.

상기 제5단계의 폴리우레탄폼의 건조 온도는 크게 제한되지 않으나, 120~180℃로 10~15시간 건조하는 것이 바람직하다.

또한 제5단계에서 건조된 폴리우레탄폼 시트를 다시 제4단계에서 사용하고 남은 함침용액 또는 여분의 새로운 함침용액에 넣어 침지한 후 폴리우레탄폼 시트를 꺼내 압착하여 수분을 제거한 후 건조하는 단계를 수회(1~10회) 반복할 수 있다. 이 때의 반복 함침 후 건조 온도는 첫 번째 건조온도인 120~180℃를 유지해도 좋으나 이보다 더 낮은 120℃ 미만으로 유지하는 것이 좋으며, 바람직하게는 40℃ 이상 120℃ 미만인 것이 더 바람직하다.

또 다른 양태에서 본 발명은 상기 제3단계에서 세척된 커피 찌꺼기를 결합제 및 증점제와 혼합하여 커피 찌꺼기 활성탄 상태로 제조할 수 있으며, 이를 공기청정기용 필터 등에 사용할 수 있다. 이 때 커피 찌꺼기 100 중량부 기준으로 결합제 1~5 중량부 및 증점제 0.2~10 중량부를 혼합하고 적량의 물(1~10 중량부)을 더 추가한 뒤 교반한 후, 3~10㎜의 지름을 갖는 구형, 또는, 3~10㎜의 가로/세로/높이를 갖는 사각 입자 상태로 성형 및 건조하여 활성탄을 대신하는 미세먼지 흡착용 필터 입자로 제조할 수 있다.

본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터에 관한 것으로서, 가열처리되어 기공이 형성된 미세먼지 흡착필터를 KOH 수용액에 침지하여 다공성 흡착물 상태로 커피 찌꺼기를 제조하고, 상기 다공성의 커피 찌꺼기와 결합제, 증점제 및 물을 혼한한 함침용액에 폴리우레탄폼을 침지 후 건조하여 미세먼지의 흡착이 우수한 친환경 필터를 제조할 수 있다.

도 1은 열처리 전의 커피 찌꺼기 분말의 기공 상태를 촬영한 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 500℃로 열처리 한 후, KOH 함침 및 세척한 커피 찌꺼기 분말의 기공 상태를 촬영한 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 500℃로 열처리 한 후, KOH 함침 및 세척한 커피 찌꺼기 분말의 비표면적 분석(BET) 결과를 나타낸다.
도 4는 커피 찌꺼기 분말을 가열처리 한 조건에 따른 미세먼지 농도 변화 결과를 나타낸다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다.

<실시예 1. 커피 찌꺼기를 이용한 필터의 제조>

에스프레소를 추출하고 남은 커피 찌꺼기를 2일 동안 100℃에서 건조한 분말을 준비하고, 이를 그대로 가열하지 않고 사용하거나, 300℃ 또는 500℃까지로 상승 1시간(실온에서 목적온도까지), 목적온도 유지 2시간(300℃ 또는 500℃), 하강 1시간(목적온도에서 실온까지)을 거쳐 전기로를 사용하여 열처리하였다. 열처리된 커피 찌꺼기를 25℃의 실온 온도로 식히고, 비가열처리한 커피찌꺼기 분말 또는 300℃ 또는 500℃에서 가열처리된 커피 찌꺼기 분말을 15M의 KOH 수용액에 24시간 동안 침지한 후, 증류수로 여러 번 세척하여 커피찌꺼기에서 KOH를 제거하였다. 이 때, 중성을 확인하기 위해 pH 테스트 페이퍼를 사용하였다.

다음으로는, 세척이 완료된 커피 찌꺼기 20 중량%, 결합제로서 폴리비닐알코올(컴사이언스社) 2중량%, 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스(에코탄社) 1.6 중량% 증류수 76.4 중량%가 되도록 25℃, 250rpm에서 30분 동안 교반하여 함침 용액을 제조하고 상기 함침 용액에 5㎜ 두께의 폴리우레탄폼 시트를 넣어 10분 정도 롤링하여 함침 용액이 스며들게 하였다. 그 후 압착하여 상기 폴리우레탄폼 시트에 함침된 여분의 함침용액을 압착 배출한 후 약 120℃에서 12시간 동안 건조하였다. 이 후 사용하였던 함침 용액에 한 번 더 폴리우레탄폼 시트를 동일 조건으로 침지 및 압착을 하고, 30~50℃에서 10~15시간 동안 건조를 시켜준다. 이를 통해서 커피박을 포함한 필터를 제조하였다.

위 조건에서 시트 상태의 폴리우리탄폼은 블루윈에서 제조하는 연질우레탄폼 R322 제품을 사용하였고, 이 연질 우레판폼은 주제와 경화제를 100:33의 중량비로 혼합할 때 발포 상태의 우레탄폼으로 성형된다.

<실험예 1. 열처리 조건에 따른 커피 찌꺼기의 상태 확인>

실시예 1의 과정 중, 열처리 전과 500℃로 열처리 한 후의 커피 찌꺼기 상태를 전자주사현미경(SEM)으로 촬영한 기공상태의 사진을 도 1과 도 2에 나타내었다.

도 1은 열처리 전의 커피 찌꺼기 입자의 사진으로서, 기공이 거의 없거나 1㎛ 전후의 크기임을 확인할 수 있으나, 도 2의 500℃ 열처리 후의 커피 찌꺼기 상태를 살펴볼 때, 30~60㎛의 고른 크기의 기공이 생성된 것을 확인할 수 있다.

<실험예 2. 열처리에 따른 비표면적 분석(BET) 결과>

실시예 1의 과정 중, 500℃로 열처리 및 KOH 처리된 후의 커피 찌꺼기 분말을 이용하여 비표면적 분석(BET)을 수행하여 도 3과 같은 결과를 얻었다.

도 3의 비표면적 분석(BET) 그래프 곡선으로 보았을 때, 흡착과 탈착 곡선이 유사한 기울기로 점점 증가하는 곡선을 보이는 것으로 보아 흡착 및 탈착이 골고루 잘 이루어짐을 확인할 수 있다. 또한, BET 그래프 곡선유형에 따라 micropore, mesopore, nonpore 등을 알 수 있는데, 도 3에서 상기 커피 찌꺼기 분말 내에 MICROPORE(기공의 크기가 2nm 이하)와 MESOPORE( 기공의 크기가 2 ~ 50 nm)가 혼재되어 있음을 알 수 있는데, 이는 기공이 거의 존재하지 않던 가공 전의 커피찌거기 분말과 대비하여 기공크기가 확대됨을 제시한 도 1의 SEM 결과 사진을 입증한다.

<실험예 3. 미세먼지 흡착 결과>

폐쇠된 CHAMBER 안에 미세먼지와 입자크기가 비슷한 향을 피워 인위적으로 미세 입자를 발생시킨 후, 커피찌꺼기가 없는 상태, 300℃, 500℃ 열처리 후 KOH 처리된 커피 찌꺼기가 놓인 상태에서 각각 측정기기(KoAres 미세미세S4)를 이용해 20초 간격으로 미세먼지 농도가 줄어드는 양을 측정하였다.

측정 결과 도 4와 같이 시간당 미세먼지 농도의 감소비율(미세먼지 농도값을 나타낸 색의 기울기값의 절댓값)이 500℃에서 가장 큰 것을 알 수 있다. 또한 이 때 가열처리 전의 커피찌꺼기를 이용하였지만 이 값은 300℃보다 미미하였다.

이상과 같은 결과를 통해 본 발명에서 제조한 가열 커피 찌꺼기 및 이를 이용하여 제조한 필터가 미세먼지의 제거 효율이 가장 우수함을 확인할 수 있다.

Claims (5)

1. 가열처리된 커피 찌꺼기를 이용하여 제조한 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 흡착필터가 다음의 방법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터.
   (제1단계) 커피 찌꺼기를 건조 후 열처리하는 단계;
   (제2단계) 열처리된 커피 찌꺼기를 식힌 후 KOH 수용액에 침지하는 단계;
   (제3단계) KOH 수용액에 침지한 커피 찌꺼기를 물로 세척하는 단계;
   (제4단계) 제3단계에서 세척된 커피 찌꺼기, 결합제, 증점제, 분산제 및 물을 교반하여 함침용액을 제조하고, 상기 함침용액에 폴리우레탄폼 시트를 넣어 침지하는 단계; 및,
   (제5단계) 상기 함침용액에서 폴리우레탄폼 시트를 꺼내 압착하여 수분을 제거한 후 건조하는 단계.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1단계의 열처리 온도가 450~500℃인 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제2단계의 KOH 수용액의 농도가 10~20M인 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터.
5. 제2항에 있어서,
   상기 제2단계에서 커피 찌꺼기를 KOH 수용액에 침지하는 시간이 12~48시간인 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터.

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