KR20210107490A - 이산화염소의 발생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 이산화염소를 발생시키는 방법은, 이산화염소 공급물질과 활성화 반응 물질로 이루어진, 내용물 성분을 제공하는 단계, 각각의 내용물 성분을 흡수할 수 있는 겔 품목을 제공하는 단계 및 내용물 성분을 겔 품목 내로 흡수시켜 겔을 형성하는 단계를 갖는다. 이러한 겔을 용기 내에서 서로 접촉시키면, 내용물 성분을 서서히 방출하는 겔의 특성에 따라 이산화염소가 서서히 생성되면서 방출되는 제품이 제공된다.
혹은 이산화염소는 물속에 8g/L의 용해도를 가지는데, 특이하게도 물속에서 해리되지 않고, 가스의 형태로 존재하기 때문에 임의의 농도의 이산화염소수의 경우에는 겔에 흡수시켜놓기만 해도 서서히 이산화염소를 방출하게 되며, 이에 따라 이산화염소를 서서히 방출하는 제품이 제공된다.

Description

이산화염소의 발생방법 {Method for Generating Chlorine Dioxide}

본 발명은 겔을 이용하여 이산화염소를 서방출하는 제품의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 이산화염소를 서서히 방출시키기 위해, 임의의 농도의 이산화염소수를 겔 속에 흡수시켜서 서방출하도록 하거나, 이산화염소를 생성하는 전구체 성분과 이와 반응하여 이산화염소 생성을 활성화시키는 성분을 각각의 겔 내로 흡수시킨 후에 하나의 용기에서 서로 반응하도록 하여 이산화염소를 생성시키는 방법에 관한 것이다.

이산화염소는 아주 강력한 산화제로서 살균제나 소독제로 탁월하다. 그러나 이산화염소는 자연상태에서 가스로 존재하는데, 대기중 10%만 되어도 폭발할 수 있는 위험이 있다. 그래서 평상시 화학반응이 안정적인 전구체와 활성물질을 활용하여 저농도의 이산화염소 가스를 현장에서 만들어 사용하는 편이 유용하다. 이러한 전구체로는 아염소산나트륨이 대표적이다. 활성물질은 산이 주로 사용된다. 즉, 전구체는 산과 반응하여 ClO ₂ -를 제공한다. 저농도의 이산화염소 가스 생성을 위해서는 약산이 주로 이용된다. 산 뿐만이 아니라 알칼리메탈(alkali metal) 혹은 알칼리 토금속 클로라이트(alkaline earth metal chlorite) 등도 아염소산나트륨 등의 전구체와 지속적인 반응을 하며 이산화염소를 발생시킨다.

미국 노동부에서는 주 40시간 근무자에게 해롭지 않은 이산화염소 가스 농도를 0.1ppm/L으로 정했다. 그리고 각종 실험 결과 0.01~0.05ppm에서 수 분에서 24시간 이내에 대부분의 균이 사멸되었기 때문에 저농도로 이산화염소를 발생시키는 것이 중요하다. 그리고 이산화염소 가스는 물과 만나면 물 속으로 용존되는 성질이 매우 강하기 때문에, 사람의 호흡을 통해 폐포에 용존되어서 폐포에 부착되거나 폐속에 부유중인 균을 죽인다. 보통 성인의 경우 분당 호흡량이 6~7리터이기 때문에 사용자에 의해 이산화염소 가스가 없어지기 때문에 공간내 적정 수준의 가스 농도 유지를 위해서는 공간의 크기, 발생량, 소모량 등 다양한 변수에 대한 고려가 필요하다.

한편, 종래의 이산화염소를 발생시키는 제품들은 일반적으로 아염소산염과 유기산을 분리 보관하여 사용시 이들을 혼합하거나 또는 아염소산염과 과황산염을 증점제 및 흡수성 수지와 분리보관하여 사용시 혼합하여 이산화염 소를 발생시키도록 구성된다. 그러나 이러한 종래의 제품들은 사용초반에는 이산화염소가 과다하게 발생되어 이산화염소의 냄새에 의한 거부감과 이산화염소의 과다 노출에 의한 안전성의 문제를 일으키며, 사용 후반에는 이산화염소의 발생량이 급격하게 감소되어 사용초반과 후반의 이산화염소의 발생량의 차이가 상당히 크기 때문에, 사용 후반에는 이산화염소의 효과를 거의 얻지 못하는 단점을 가진다.

또한, 공개특허 제10-2019-0084395호 및 공개특허 제10-2015-010816호와 같이 이산화염소를 흡착제나 겔상 조성 물에 흡수시켜서 다공성 필름으로 포장하는 방법이 제안되기도 하였으나, 이러한 방법들 역시 이산화염소의 방출량을 균일하게 제어하기 곤란하여 이산화염소의 방출량이 균일하지 않아 사용초반에는 과량의 이산화염소가 방출되고 사용후반에는 발생량이 미미하기 때문에 이산화염소에 의한 항균, 소취효과 및 포름알데히드 제거효과를 장기간에 걸쳐 지속적으로 기대하기 곤란한 단점을 가진다.

[문헌1] 공개특허 제10-2019-0084395호 [문헌2] 공개특허 제10-2015-010816호 [문헌2] 공개특허 제10-2009-0122269호

공개특허 제10-2019-0084395호의 경우, 기존 이산화염소를 발생하는 방법들은 고체형 담체에 이산화염소 공급물질을 담았다가 활성화 반응 물질과 반응을 일으켜서 사용하려고 했기 때문에 혼합물에 물을 부어야 했고, 액체 상태의 물질의 안정성을 위해 겔화제를 첨가하여야 하였고, 액체 상태의 안정성을 위해 밀폐 포장을 한 후 그 내부에 이산화염소 공급물질을 따로 보관하였다가 사용시 분리막 혹은 분리체를 파괴하여 물질들이 혼합하면서 이산화염소 가스를 발생하도록 했지만, 이마저도 반응의 속도 조절에 한계가 있어서 발생량이 균일하지 않았다. 또한 담체에 코팅을 하는 등의 기술을 사용하였기 때문에 대략 5~10%의 전구물질이 활용되었기 때문에 무게/부피에 비해 사용기간은 길지 않다.

공개특허 제10-2015-010816호의 경우, 아염소산나트륨용액과 완충용액(약산)을 한데 섞은 후 겔 속에 주입을 하여 부직포 등에 넣어서 사용을 하도록 되어 있다. 이렇게 되면 이미 반응을 하고 있는 상태에서 부직포의 기체 통과 면적을 통해 이산화염소가 통과하는 양을 조절하여 이산화염소의 사용량을 조절하게 된다. 여기서는 완충용액이라고 불렀지만, 이는 본 특허에서 말하는 반응물질에 불과하며, 별도의 완충물질을 사용함이 없이, 반응물질의 함유량을 조절하는 것만으로 반응을 일으키고 있어서, 다양한 경우에 가스의 발생량과 기간의 변동에 대처할 수 없다. 즉, 전구체 물질과 반응 물질, 완충물질은 적어도 하나 이상 겔 속에서 서로 분리가 되어서 반응을 일으켜 가면서 접촉이 이루어지지 않고, 처음부터 반응이 시작된 상태로 제공이 되어서 원하는 기간에 원하는 만큼 서방출성을 얻을 수 없다.

공개번호 제10-2009-0122269호의 경우에도, 미리 전구물질과 반응물질을 반응시켜 이산화염소수를 제조한 후 이를 고분자화합물(겔)에 흡수하여 사용하는 방식이다.

본 발명에서는 이산화염소수 자체를 겔에 흡수시켜서 서서히 방출되도록 완충물질을 이용하거나, 이산화염소 전구체와 활성화 반응 물질, 완충물질 혹은 활성화 반응 물질을 각각 겔에 흡수시킨 것을 하나의 용기 내에서 서로 닿도록 하여 이산화염소를 안정적으로 발생시키거나, 혹은 각 물질의 성질에 따라 이 중 한 개의 물질만 겔에 흡수시켜서 서서히 방출되도록 하고 나머지는 막으로 분리하거나, 가스로 서서히 공급하는 등의 방법으로 이산화염소를 서방출하도록 한다.

즉, 이산화염소 공급물질과 활성화 반응 물질로 이루어진, 내용물 성분을 제공하는 단계, 각각의 내용물 성분을 흡수할 수 있는 겔 품목을 제공하는 단계 및 내용물 성분을 겔 품목 내로 흡수시켜 겔을 형성하는 단계를 갖는다. 이러한 겔을 용기 내에서 서로 접촉시키면, 내용물 성분을 서서히 방출하는 겔의 특성에 따라 이산화염소가 서서히 생성되면서 방출되는 제품이 되는 것이다.

혹은 이산화염소는 물속에 8g/L의 용해도를 가지는데, 특이하게도 물속에서 해리되지 않고, 가스의 형태로 존재하기 때문에 고농도 이산화염소수의 경우에는 겔에 흡수시켜놓기만 해도 서서히 이산화염소를 방출하게 되며, 이에 따라 이산화염소를 서서히 방출하는 제품이 되는 것이다.

겔의 경우, 본래의 부피보다 10~500배 가량 부풀기 때문에 내용물 성분이 사용되어 가면서 무게와 부피가 줄어들어서 이동성과 관리성 또한 우수하다.

이산화염소 가스는 살균제, 소독제, 탈취제로 사용되고 있다. 본 발명을 통하여 임의의 공간에, 임의의 농도로, 임의의 기간 동안 이산화염소 가스를 발생하는 제품을 만들 수 있기에 그 활용은 무궁무진하다. 이를 통해 인체의 건강은 물론 수의검역, 신선식품의 유통 등의 분야에서도 활용이 가능하다.

본원 명세서에서의 모든 온도는, 달리 지시되지 않는 한, 섭씨(℃) 온도이다. 본 명세서에 사용한 "포함하는"이라는 용어는 최종 결과에 불리한 영향을 미치지 않는 기타 단계, 성분, 요소 등이 부가될 수 있음을 의미한다. 이러한 용어는 "이루어진" 및 "본질적으로 이루어진"이라는 용어를 포함한다. “이산화염소수”는 이산화염소가스를 물 등의 용매에 용존시킨 것을 말한다. 이산화염소는 물 속에 용존하더라도 해리되지 않고 가스의 형태를 지니기 때문에 용존이라는 단어나 이산화염소수라는 단어가 의미하는 바가 현실과 다르더라도 본 발명의 진의를 파악하는데 방해를 주지 않고, 용어에 한정되지 않는다.

본 발명의 방법은 겔 품목 내로 이산화염소 전구체 성분과/혹은 활성화물질을 흡수시켜 겔을 형성시키려는 것이다. 두 가지 물질 모두 기체, 액체, 고체 등일 수 있으므로, 액체로 존재하는 것은 겔 형성이 용이하지만, 그렇지 않은 경우에는 겔 속에 포함시킬 수도 있고, 포함시키지 않을 수 있다. 기체의 경우 용기 내로 서서히 공급할 수도 있다. 고체 중 불용성과 난용성이 있을 때 겔에 포함시킬 수도, 포함시키지 않고 용기 내 위치할 수 있다. 이 경우 겔에 흡수시켜서 서방출되고 있는 물질에 의해 반응성이 조절된다. 위의 모든 경우에서 서로의 성분 혹은 일부의 성분을 구분하는 막이 사용될 수도 있다.

이러한 발명을 통해 생성하려는 성분은 이산화염소 가스이며, 이 가스는 전형적으로 살균제, 소독제, 탈취제로 활용되고 있다. 본 발명의 한 양태에서, 내용물 성분은 임의의 농도의 이산화염소수이다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 내용물 성분은 이산화염소를 생성하는 전구체 성분과 이와 반응하여 이산화염소 생성을 활성화시키는 성분이다.

내용물 성분을 흡수할 수 있는 겔 품목이 제공된다. 겔 품목은, 겔 구조를 지지하는 기존 분자를 액체 매질의 기존 분자로 교환함에 의해 액체 매질을 흡수하는 사전 형성된 겔일 수 있다. 대안적으로는, 겔 품목은 겔 전구체, 예를 들어 탈수된 겔, 분말, 화학 물질, 중합체 및/또는 "겔 칩(gel chip)"일 수 있다. 따라서, 겔 전구체는 현재 겔은 아니지만 겔의 구조를 포함하거나 전형적으로 액체 매질의 첨가 시에 반응하여 겔을 형성하는 몇몇 화학 물질을 포함한다. 이후, 겔 전구체는 액체 매질의 흡수 후, 또는 액체 매질의 흡수 때문에 겔로 형성된다. 본 발명에서 유용한 겔 품목의 예에는 천연 또는 합성 겔 둘 모두가 포함된다. 천연 겔은 크산탄 검, 구아 검, 카복시 메틸 셀룰로오스 또는 한천일 수 있다. 합성 겔은 가교결합 중합체, 예를 들어 아크릴계 중합체일 수 있다. 겔 품목은 화학적으로 가교결합되거나 물리적으로 가교결합될 수 있다. 가교결합된 중합체의 예는 가교결합된 아크릴산, 아크릴아미드, 폴리에틸렌 옥사이드, 말레산, 스티렌, 말산 등, 특히 이들의 블록 중합체이다. 물리적으로 가교결합된 중합체의 예는 폴리에틸렌 옥사이드이다. 바람직한 양태에서, 겔 품목은 겔 전구체이다. 바람직한 양태에서, 내용물 성분은 액체 매질이며 겔 품목은 탈수 겔이다. 바람직한 양태에서, 겔 품목은 중합체, 예를 들어 블록 중합체로 형성된다.

겔은 분산 매질, 예를 들어, 물, 용매, 활성 성분의 용액 또는 성분들의 혼합물을 분산 상, 예를 들어 자연 발생 물질인 크산툼, 한천, 알기네이트, 목재 펄프, 구아 또는 합성 흡수성 중합체, 예를 들어 가교결합 또는 비가교결합 또는 부분적 가교결합 폴리 아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리(에틸렌 옥사이드), 폴리(비닐 알코올), 카복시 메틸 셀룰로오스(CMC) 등과 배합함으로써 만들 수 있다. 다수의 보다 많은 이러한 예는 당업계 종사자에게 잘 알려져 있으며, 향후 새로운 성분이 나오더라도 이 특허에서 주장하는 원리에 부합한다면, 이 특허에서 주장하는 겔의 범주에 포함된다.

겔 품목은 사전 형성된 겔에 국한되지 않고, 분말형태로 되어 있는 겔의 전구체가 내용 성분과 접촉하면서 겔을 형성할 수도 있다. 즉, 성형된 탈수 겔의 경우 사전 형성된 것을 건조, 동결건조 등으로 탈수한 후에 내용 성분을 흡수하여 팽창하게 되지만, 분말형태의 겔의 경우 사전 성형된 것이 없기 때문에 내용 성분과 혼합되면서 겔의 형태를 가질 수 있다.

본 발명에서 매우 바람직한 내용물 성분은 임의의 농도의 이산화염소수이다. 이산화염소수를 겔에 흡수시킨 후 이산화염소수의 농도에 비례하는 완충제를 별도의 겔에 흡수시키거나 용기 내에 제공하여서 이산화염소 가스를 서방출하도록 한다.

본 발명에서 바람직한 내용물 성분은 이산화염소를 생성하는 전구체 성분과 이와 반응하여 이산화염소 생성을 활성화시키는 성분이다. 이러한 물질들을 각각 겔 속에 흡수시키고 하나의 용기에서서 접촉시키면, 이 경우 겔 품목 및/또는 겔 내의 중합체는 서서히 각각 포함하고 있는 내용물 성분을 내보내게 되며, 이 내용 성분들이 서로 닿아서 이산화염소를 발생하게 된다. 겔 품목 및/또는 겔 내의 중합체의 특성상 한 번에 모든 내용 성분을 내보내지 않고, 시간이 흐름에 따라, 용기 내의 환경에 따라 서서히 내용 성분을 방출하게 되고, 이러한 성질이 이산화염소를 서방출하는 핵심 기술 중 하나이다.

본 발명에서 화학반응 속도/안정성을 조절할 수 있는 물질은 완충제(buffer)로 작용한다. 이는 pH, 즉 산도의 조절을 위해서이다. 알칼리 인산(alkaline phosphate)이 대표적이며, 인산수소2나트륨(disodium hydrogen phosphate), 인산삼나트륨(trisodium phosphate), 피로인산나트륨(tetrasodium pyrophosphate), 헥사메타인산나트륨(sodium hexameta phosphate), 삼인산나트륨(sodium tripolyphosphate), 인산2수소나트륨 등이 흔히 쓰이며, 고체산도 포함된다. 당업계 종사자에게 공지된 완충제를 포함한다.

본 발명에서 매우 바람직한 용기는 UV를 차단해야 한다. 불투명 용기를 차단물질로 만들어져야 한다. 이는 UV가 통과하지 못하는 불투명 재질을 사용하든, UV가 통과하는 재질이라면 그 위에 페인트형태로 UV를 차단하는 물질을 칠하든, 필름/막의 형태로 둘러싸든, 필름/막이 접착제를 통해 접착이 되든 당업계에 알려진 UV를 차단하는 방법에 따른다. UV는 이미 발생한 이산화염소 가스를 줄어들게 만든다.

이산화염소의 발생의 안정성, 겔 안정성 및/또는 염료 안정성의 개선을 위하여, 아염소산나트륨을 사용할 경우 용기 내 pH는 약 1.5 내지 약 5, 바람직하게는 약 2 내지 약 4, 보다 바람직하게는 약 2.5 내지 약 3.5인 것이 바람직하다. 이 경우 아염소산나트륨은 바람직하게 상업 등급인 80% 제제를 사용한다. 알칼리메탈과 알칼리토금속클로라이트를 활성화물질로 사용할 때는 pH는 2~3이 바람직하다.

알칼리메탈과 알칼리토금속클로라이트의 작용 반응식의 예시는 다음과 같다.

2ClO₂- + Cl₂ -> 2Cl- + 2ClO₂

당 업계에 공지된 기타 임의 물질이 혼합물, 겔 품목 또는 본 발명의 공정에 존재할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에 인용된 모든 문헌은 관련 부분에서 본 명세서에 참고로 포함되며, 어떠한 문헌의 인용도 이 문헌이 본 발명과 관련된 종래 기술이라는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 명세서에 기재된 용어의 임의의 의미 또는 정의가 참고로 포함된 문헌의 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충되는 범위 내에서는, 본 명세서에 기재된 용어에 부여된 의미 또는 정의가 우선한다.

본 발명의 특정 실시 형태가 예시되고 설명되었지만, 다양한 다른 변경과 수정이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있음이 당업계의 숙련자들에게 명백하게 될 것이다. 따라서, 본 발명의 범주 내에 있는 이러한 모든 변경과 수정을 첨부된 청구의 범위에 포함하고자 한다.

시험 방법:

화학반응을 일으켜 이산화염소를 생성할 수 있는 내용 성분의 조합은 다양하고, 이 조합에 맞게 내용 성분(A)를 결정하고, 이를 반응시켜서 이산화염소 가스측정기(대기중, 액체중)를 사용하여 방출량을 시험할 수 있다. 이산화염소 가스는 용매(바람직하게는 물)에 녹아 있더라도, 가스상태로 있기 때문에 측정한 양과 방출량과의 상관관계가 매우 높다.

고난이도의 가스발생시설을 대체하여, 본 발명에 자동제어시스템을 접목시켜서 공항, 기차역, 관공서, 다중이용시설 등에 적정 농도의 가스를 유지시켜 바이러스, 박테리아 등을 통한 감염을 원천적으로 막을 수 있다. 그외에도 산업현장은 물론 가정에서도 널리 사용이 가능하다.

Claims (5)

1. 서로 접촉하여 이산화염소를 생성할 수 있는, 이산화염소 제공물질(a')과 이와 반응하여 이산화염소를 생성시키는 활성화물질(a'')로 구성되는 물질을 제공하는 단계(A)
   
   위 물질들을 흡수할 수 있는 겔 품목을 제공하는 단계(B) 및
   
   물질 별로 각각 겔 품목 내로 흡수시켜 겔을 형성하는 단계(C) 및
   
   각각의 물질을 흡수한 겔을 한 용기에 제공하는 단계(D)를 포함하여 이산화염소 가스를 발생하는 제품을 제공하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 내용물 성분은 액체, 고체, 기체의 제한이 없고, (a')과 (a'')는 각각 1 개 이상의 물질로 구성할 수 있으며, 이 겔 품목 내로 흡수시켜 겔을 형성하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 임의의 농도의 이산화염소수용액과 완충제를 제공하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 위 화학반응 속도/안정성을 조절할 수 있는 물질을 제공하는 방법.
5. 제2항에 있어서, 겔 품목이 성형이 되어 있거나, 되어있지 않은 모든 형태의 탈수 겔인, 내용물 성분을 겔 품목 내로 흡수시켜 겔을 형성하는 방법.