KR20210112482A - 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터 - Google Patents

독성 기체물질을 저감시키는 담배필터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 담배연기에 포함된 독성 기체물질을 분해함과 함께 저독성 물질로의 재합성을 유도하여 담배연기의 독성을 저감시킬 수 있는 유기물 분해촉매 및 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터 그리고 유기물 분해촉매의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유기물 분해촉매는 독성 기체물질을 흡착하는 흡착제; 및 독성 기체물질을 분해하여 저독성 기체물질로의 재합성을 유도하는 분해촉진제;를 포함하여 이루어지며, 상기 흡착제는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 상기 분해촉진제는 금속염인 것을 특징으로 한다.

Description

독성 기체물질을 저감시키는 담배필터{Cigarette filter for toxic gas decomposition}
본 발명은 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 담배연기에 포함된 독성 기체물질을 분해함과 함께 저독성 물질로의 재합성을 유도하여 담배연기의 독성을 저감시킬 수 있는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터에 관한 것이다.
담배는 500개 이상의 물질(Tobacco Blend & Additives)로 구성되어 있으며, 담배가 탈 때는 7,000개 이상의 화학물질이 생성된다고 한다. 담배 연기에 포함된 물질들은 벤젠(Benzene), 포름알데히드(formaldehyde) 등 기체물질, 니코틴, 타르 등 액체물질 그리고 크롬(Cr), 카드뮴(Cd) 등 고체물질로 구성된다. 이들 화학물질 중 최소 60개는 암 유발물질이고, 독성물질도 다수 포함되었다고 한다.
이들 독성물질들은 흡연자의 거의 모든 장기에 위해를 입힐 수 있다고 한다. 예를 들어, 이들 독성물질들은 폐암 등 암 종류, 만성 폐쇄성 폐 질환, 심장병 등의 주요한 원인이 된다. 또한, 담배에 포함된 니코틴은 매우 중독성이 강하여 흡연자에게 흡연을 강요한다. 궁극적으로는 흡연자의 약 50%가 흡연을 직접 사망 원인으로 하여 사망하고, 장기 흡연자의 경우 평균 수명이 14년 단축되는 것으로 조사되었다. 세계보건기구(WHO)에서의 2009년 보고에 의하면 전 세계에서 매년 800만 명이 직접흡연으로, 그리고 120만 명이 간접흡연으로 사망한다. 또한, 임산부의 흡연은 조산아, 저체중아, 비정상아 출산의 주요 원인이 되기도 한다.
한편, 담배의 독성물질을 걸러내기 위해 다양한 형태의 담배필터가 제시되고 있다. 현재 상용의 담배필터는 셀룰로즈 아세테이트(Cellulose acetate), 활성탄, 숯 등을 이용하고 있다. 예를 들어, 셀룰로즈 아세테이트로 이루어진 필터, 셀룰로즈 아세테이트에 활성탄, 숯 등의 탄소체를 혼합한 필터, 필터와 필터 사이에 탄소체를 삽입한 담배필터 등이 제시되어 있고, 이들을 다양하게 조합한 필터도 담배필터에 적용되고 있다.
이러한 담배필터의 다양한 구성에도 불구하고, 최근의 연구에서는 이들 담배 필터 또는 니코틴 함량을 줄인 'Light cigarette'이 폐암을 줄이는 데 거의 효과가 없음이 밝혀졌다(NCI, 2001; IARC 83, 2004; U.S. Surgeon General, 2004). 다만 필터의 구성에 따라 분자 크기가 큰 고체물질이나 타르, 니코틴 등 액체물질의 함량을 50%까지 줄일 수는 있었다. 그러나 분자 크기가 작은 기체물질 제거에는 상기 흡착제들의 조합으로 구성된 담배 필터가 거의 효과가 없다는 사실이 밝혀진 것이다.
즉, 담배 연기 중 주요 암 유발물질은 불행하게도 Acrolein(CH2=CHCHO), Formaldehyde(HCHO), Acrylonitrile(CH2=CH-C≡N), 1,3-butadiene(CH2=CH-CH=CH2), Acetaldehyde (CH3CHO), Ethylene oxide(CH4O), Isoprene(C5H8) 등 기체물질이며(Food Chem. Toxicol. 49(11):2921-33, 2011), 따라서 흡착제들의 조합으로만 구성된 담배 필터로는 이들 독성 물질의 제거가 불가능하다고 할 수 있다.
한국등록특허 제2077430호, 한국등록특허 제1702966호, 한국공개특허 제2019-0094176호, 한국공개특허 제2017-0060810호, 한국등록특허 제1420500호 등에는 담배연기의 독성물질을 저감시킬 수 있는 필터에 대해 개시하고 있다.
한국등록특허 제2077430호 한국등록특허 제1702966호 한국공개특허 제2019-0094176호 한국공개특허 제2017-0060810호 한국등록특허 제1420500호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 담배연기에 포함된 독성 기체물질을 분해함과 함께 저독성 물질로의 재합성을 유도하여 담배연기의 독성을 저감시킬 수 있는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터는 섬유소와 유기물 분해촉매를 포함하여 이루어지며, 상기 유기물 분해촉매는 독성 기체물질을 흡착하는 흡착제와, 독성 기체물질을 분해하여 저독성 기체물질로의 재합성을 유도하는 분해촉진제로 구성되며, 상기 흡착제는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터는 제 1 필터와 제 2 필터를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 필터는 섬유소로 이루어진 필터이며, 제 2 필터는 섬유소와 유기물 분해촉매가 혼합된 필터이며, 상기 유기물 분해촉매는 독성 기체물질을 흡착하는 흡착제와, 독성 기체물질을 분해하여 저독성 기체물질로의 재합성을 유도하는 분해촉진제로 구성되며, 상기 흡착제는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 다른 특징으로 한다.
이와 함께, 본 발명에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터는 전단필터; 후단필터; 및 전단필터와 후단필터 사이에 개재된 유기물 분해촉매;를 포함하여 이루어지며, 상기 전단필터 또는 후단필터는 섬유소로 이루어진 필터, 섬유소와 유기물 분해촉매가 혼합된 필터 중 어느 하나이며, 상기 유기물 분해촉매는 독성 기체물질을 흡착하는 흡착제와, 독성 기체물질을 분해하여 저독성 기체물질로의 재합성을 유도하는 분해촉진제로 구성되며, 상기 흡착제는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 또 다른 특징으로 한다.
상기 분해촉진제는 금속염이다.
상기 분해촉진제는 질산이온을 포함하는 금속염, 인산이온을 포함하는 금속염, 황산이온을 포함하는 금속염, 염화이온을 포함하는 금속염, 불화이온을 포함하는 금속염, 탄산이온이 포함된 금속염 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
상기 질산이온을 포함하는 금속염은 질산칼슘(Ca(NO3)2), 질산아연(Zn(NO3)2), 질산철Ⅲ(Fe(NO3)3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다. 또한, 상기 인산이온을 포함하는 금속염은 인산알루미늄(AlPO4), 인산철Ⅲ(FePO4), 인산구리(Cu3(PO4)2), 인산아연(Zn3(PO4)4), 인산마그네슘(Mg3(PO4)2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다. 상기 황산이온을 포함하는 금속염은 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 황산칼슘(CaSO4), 황산망간(MnSO4), 황산니켈(NiSO4), 황산구리(CuSO4), 황산코발트(CoSO4), 황산마그네슘(MgSO4), 황산철Ⅱ(FeSO4), 황산알루미늄(Al2(SO4)3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다. 상기 염화이온을 포함하는 금속염은 염화알루미늄(AlCl3), 염화티타늄(TiCl4), 염화칼슘(CaCl2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다. 또한, 상기 불화이온을 포함하는 금속염은 불화칼슘(CaF2), 불화바륨(BaF2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 상기 탄산이온을 포함하는 금속염은 탄산칼슘(CaCO3)이 해당될 수 있다.
상기 분해촉진제는 황산나트륨(Na2SO4)을 포함함과 함께 황산니켈(NiSO4), 질산아연(Zn(NO3)2), 황산망간(MnSO4), 황산코발트(CoSO4), 염화티타늄(TiCl4), 탄산칼슘(CaCO3), 인산구리(Cu3(PO4)2), 인산마그네슘(Mg3(PO4)2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함한다.
상기 산화금속계 흡착제는 산화세슘(CeO2), 산화바나듐(V2O5), 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO), 산화구리(CuO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다.
또한, 상기 광물계 흡착제는 현무암, 화강암, 사암, 석회암, 셰일, 변성암, 아타풀가이트(attapulgite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 벤토나이트(bentonite), 카올리나이트(kaolinite), 제올라이트(zeolite) 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
상기 흡착제는 유기물 분해촉매의 총 중량 대비 10∼95%가 포함될 수 있다. 또한, 상기 분해촉진제는 유기물 분해촉매의 총 중량 대비 5∼90%가 포함될 수 있다.
섬유소와 유기물 분해촉매를 포함하는 필터에 있어서, 유기물 분해촉매는 섬유소 중량 대비 5∼30%의 비율로 혼합될 수 있다.
섬유소로 이루어진 필터 또는 섬유소와 유기물 분해촉매로 이루어진 필터에 탄소체가 포함되며, 상기 탄소체는 활성탄 분말, 숯 분말 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다. 또한, 상기 탄소체는 섬유소 중량 대비 최대 50%까지 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터는 다음과 같은 효과가 있다.
흡착제와 분해촉진제로 이루어지는 유기물 분해촉매를 담배필터에 적용함으로써 담배 연기에 포함되어 있는 암 유발물질 등의 독성 기체물질을 효과적으로 분해, 제거할 수 있다.
도 1은 독성 기체물질과 유기물 분해촉매의 결합 및 전자교환반응에 의해 독성 기체물질이 분해되는 것을 나타낸 참고도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터의 구성도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터의 구성도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터의 구성도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유기물 분해촉매의 제조방법을 설명하기 위한 참고도.
도 6은 유기 기상화합물 분해 실험장치의 모식도.
본 발명은 유기물 분해촉매를 담배필터에 적용하여 담배 연기에 포함된 독성 기체물질의 독성을 완화시키는 기술에 관한 것이다.
유기물 분해촉매는 담배 연기에 포함되어 있는 독성 기체물질을 분해함과 함께 저독성 기체물질로의 재합성을 유도한다. 독성 기체물질로는 앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 아크로레인(CH2=CHCHO), 포름알데히드(HCHO), 아크릴로니트릴(CH2=CH-C≡N), 1,3-부타디엔(CH2=CH-CH=CH2), 아세트알데히드(CH3CHO), 에틸렌옥사이드(CH4O), 이소프렌(C5H8) 등의 암 유발물질이 포함된다.
유기물 분해촉매는 흡착제와 분해촉진제의 조합으로 이루어진다. 흡착제는 독성 기체물질을 흡착하는 역할을 하며, 분해촉진제는 흡착된 독성 기체물질을 분해하여 저독성의 기체물질로의 재합성을 유도하는 역할을 한다. 흡착제와 분해촉진제는 물리적 또는 화학적으로 결합된 형태이며, 흡착제와 분해촉진제가 혼합된 형태를 이룰 수도 있다. 이러한 유기물 분해촉매는 다양한 방식으로 담배필터에 적용될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하는 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 담배필터에 적용되는 유기물 분해촉매는 담배 연기에 포함된 독성 기체물질을 분해함과 함께 저독성 기체물질로의 재합성을 유도한다.
상기 유기물 분해촉매는 흡착제 및 분해촉진제로 이루어진다. 상기 흡착제와 분해촉진제는 물리적 또는 화학적으로 결합된 형태를 이루거나 혼합된 형태를 이룰 수도 있다. 흡착제 및 분해촉진제로 구성되는 유기물 분해촉매는 소정의 제조공정을 통해 제조되는데 유기물 분해촉매의 제조방법에 대해서는 후술하기로 한다.
유기물 분해촉매에 있어서, 상기 흡착제는 담배 연기에 포함되어 있는 독성 기체물질을 흡착하는 역할을 하며, 상기 분해촉진제는 유기물 분해촉매에 흡착된 독성 기체물질을 분해하여 저독성의 기체물질로의 재합성을 유도하는 역할을 한다. 여기서, 담배 연기에 포함되어 있는 독성 기체물질은 아크로레인(CH2=CHCHO), 포름알데히드(HCHO), 아크릴로니트릴(CH2=CH-C≡N), 1,3-부타디엔(CH2=CH-CH=CH2), 아세트알데히드(CH3CHO), 에틸렌옥사이드(CH4O), 이소프렌(C5H8) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이거나, 상기 물질 이외에 담배 연기에 포함되어 있는 다양한 독성 기체물질을 의미할 수 있다.
상기 흡착제로는 유기 기체물질에 대한 흡착능이 있는 물질이 적용되며, 산화금속계 흡착제 또는 광물계 흡착제가 적용될 수 있다. 참고로, 담배 연기에 포함되어 있는 독성 기체물질은 탄소와 수소를 포함하는 유기 기체물질에 해당된다.
산화금속계 흡착제와 광물계 흡착제 각각 또는 이들의 혼합이 유기물 분해촉매의 흡착제로 적용 가능하며, 후술하는 실험결과에 따르면 산화금속계 흡착제가 유기물 분해촉매에 적용된 경우 상대적으로 우수한 독성 기체물질 분해특성을 나타낸다.
상기 산화금속계 흡착제로는 산화세슘(CeO2), 산화바나듐(V2O5), 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO), 산화구리(CuO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 이용 가능하며, 상기 광물계 흡착제로는 현무암, 화강암, 사암, 석회암, 셰일, 변성암, 아타풀가이트(attapulgite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 벤토나이트(bentonite), 카올리나이트(kaolinite), 제올라이트(zeolite) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 이용 가능하다.
한편, 상술한 바와 같이, 유기물 분해촉매는 흡착제와 분해촉진제로 이루어지고, 흡착제와 분해촉진제는 물리적 또는 화학적으로 결합된 형태를 이룬다. 따라서, 흡착제에 독성 기체물질이 흡착됨은 유기물 분해촉매에 흡착됨을 의미하며, 유기물 분해촉매에 흡착된 독성 기체물질은 분해촉진제와의 화학 반응이 가능한 상태를 이루게 된다.
본 발명의 흡착제 특히, 산화금속계 흡착제는 분해촉진제의 존재 없이도 독성 기체물질에 대한 분해능이 있다. 산화금속계 흡착제(M-O-M+δ-O-δ)에 흡착된 독성 기체물질(RO-H)은 산화금속계 흡착제(M-O-M+δ-O-δ)와 수소결합과 배위결합의 이중결합을 이루며, 이러한 결합 상태에서 독성 기체물질(RO-δ-H+δ)과 산화금속계 흡착제(M-O-M+δ-O-δ) 사이에는 전자교환반응이 일어나며, 전자교환반응에 의해 흡착제에 흡착된 독성 기체물질(RO-δ-H+δ)은 RO·와 H·로 분해된다(도 1 참조).
그런데, 흡착제(예를 들어, 산화금속계 흡착제)에 의한 독성 기체물질의 분해반응은 매우 느린 속도로 진행된다. 반면, 흡착제 외에 분해촉진제가 상술한 독성 기체물질(RO-δ-H+δ)과 산화금속계 흡착제(M-O-M+δ-O-δ) 간의 전자교환반응에 개입되면 전자교환반응이 활성화되어 독성 기체물질의 분해가 촉진된다. 또한, 담배필터를 통과하는 담배 연기는 약 60℃의 온도를 갖고 있기 때문에, 분해촉진제의 존재 및 약 60℃의 온도 조건에 의해 독성 기체물질의 분해가 보다 더 촉진될 수 있다.
유기물 분해촉매에 흡착된 독성 기체물질로 상술한 바와 같이 다양한 암 유발물질이 있는데, 이 중 포름알데히드(HCHO)가 분해촉진제의 개입 하에 분해되는 과정 및 저독성의 기체물질로 재합성되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
아래의 반응식 1에 기재된 바와 같이, 유기물 분해촉매의 흡착제에 수소결합과 배위결합의 이중결합 형태로 흡착된 포름알데히드(HCHO)는 흡착제와의 전자교환반응에 의해 메탄올(CH3OH)과 일산화탄소(CO)로 분해되는데, 이 과정에서 분해촉진제는 전자교환반응을 활성화시켜 포름알데히드(HCHO)의 메탄올(CH3OH)로의 분해를 촉진시킨다. 이어, 메탄올(CH3OH)은 디메톡시메탄(CH2(OCH3)2)으로의 변환(반응식 2 내지 3 참조)을 거쳐 최종적으로 물과 이산화탄소로 변환(반응식 4 내지 6 참조)되며, 각각의 변환 과정에서도 분해촉진제가 해당 반응을 촉진시키는 역할을 한다.
(반응식 1) 2CH2O → CH3OH + CO
(반응식 2) CH3OH → CH3O· + H·
(반응식 3) CH3OH + 2CH3O· → 2CH2(CH3O)2 + H2O
(반응식 4) 4H· + O2 → 2H2O
(반응식 5) 2CO + O2 → 2CO2
(반응식 6) 2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O
본 발명에서 상기 분해촉진제로 금속염이 이용된다. 구체적으로, 상기 금속염은 질산이온을 포함하는 금속염, 인산이온을 포함하는 금속염, 황산이온을 포함하는 금속염, 염화이온을 포함하는 금속염, 불화이온을 포함하는 금속염, 탄산이온을 포함한다.
또한, 질산이온을 포함하는 금속염은 질산칼슘(Ca(NO3)2), 질산아연(Zn(NO3)2), 질산철Ⅲ(Fe(NO3)3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 인산이온을 포함하는 금속염은 인산알루미늄(AlPO4), 인산철Ⅲ(FePO4), 인산구리(Cu3(PO4)2), 인산아연(Zn3(PO4)4), 인산마그네슘(Mg3(PO4)2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 황산이온을 포함하는 금속염은 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 황산칼슘(CaSO4), 황산망간(MnSO4), 황산니켈(NiSO4), 황산구리(CuSO4), 황산코발트(CoSO4), 황산마그네슘(MgSO4), 황산철Ⅱ(FeSO4), 황산알루미늄(Al2(SO4)3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 염화이온을 포함하는 금속염은 염화알루미늄(AlCl3), 염화티타늄(TiCl4), 염화칼슘(CaCl2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 불화이온을 포함하는 금속염은 불화칼슘(CaF2), 불화바륨(BaF2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 탄산이온을 포함하는 금속염은 탄산칼슘(CaCO3)이 해당될 수 있다.
본 발명의 분해촉진제로 상기 질산이온을 포함하는 금속염, 인산이온을 포함하는 금속염, 황산이온을 포함하는 금속염, 염화이온을 포함하는 금속염, 불화이온을 포함하는 금속염, 탄산이온이 포함된 금속염 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 유기물 분해촉매를 구성함에 있어서, 상술한 바와 같이 흡착제로는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 이용하고, 분해촉진제로는 다양한 금속염을 이용할 수 있는데, 독성 기체물질을 보다 효과적으로 분해하기 위해 다음의 조합을 이용할 수 있다.
즉, 구체적인 실시예로, 상기 유기물 분해촉매는 흡착제로 산화금속계 흡착제를 이용하는 것이 우선될 수 있다. 또한, 분해촉진제로는 황산나트륨(Na2SO4)이 포함됨과 함께 질산아연(Zn(NO3)2), 인산구리(Cu3(PO4)2), 인산마그네슘(Mg3(PO4)2), 황산망간(MnSO4), 황산니켈(NiSO4), 황산코발트(CoSO4), 염화티타늄(TiCl4), 탄산칼슘(CaCO3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 포함된 것을 이용하는 것이 우선될 수 있다.
나아가, 보다 구체적인 실시예로 제 1 실시예로 분해촉진제를 황산나트륨(Na2SO4)과 황산니켈(NiSO4)의 조합으로 구성할 수 있으며, 제 2 실시예로 분해촉진제를 황산나트륨(Na2SO4)과 질산아연(Zn(NO3)2)의 조합으로 구성할 수 있다. 또한, 제 3 실시예로 분해촉진제를 황산나트륨(Na2SO4)과 황산망간(MnSO4)의 조합으로 구성할 수 있으며, 제 4 실시예로 분해촉진제를 황산나트륨(Na2SO4)과 황산코발트(CoSO4)의 조합으로 구성할 수 있다. 제 5 실시예로 분해촉진제를 황산나트륨(Na2SO4)과 염화티타늄(TiCl4)의 조합으로 구성할 수 있으며, 제 6 실시예로 분해촉진제를 황산나트륨(Na2SO4)과 탄산칼슘(CaCO3)의 조합으로 구성할 수 있다. 이와 함께, 제 7 실시예로 분해촉진제를 황산나트륨(Na2SO4)과 인산구리(Cu3(PO4)2)의 조합으로 구성할 수 있으며, 제 8 실시예로 분해촉진제를 황산나트륨(Na2SO4)과 인산마그네슘(Mg3(PO4)2)의 조합으로 구성할 수 있다.
후술하는 실험결과를 참조하면, 상기 제 1 실시예에 따른 유기물 분해촉매를 적용한 경우가 독성 기체물질의 분해효율이 가장 우수하며, 이하 제 2 실시예에서 제 8 실시예 순서로 독성 기체물질의 분해효율이 낮아지는 경향을 나타낸다.
한편, 상기 유기물 분해촉매를 구성함에 있어서, 상기 흡착제는 유기물 분해촉매의 총 중량 대비 10∼95%가 포함되며, 상기 분해촉진제는 유기물 분해촉매의 총 중량 대비 5∼90%가 포함된다.
이상 설명한 바와 같은 상기 유기물 분해촉매는 후술하는 제조방법을 통해 제조되는데, 제조된 유기물 분해촉매는 분쇄에 의해 분말 형태를 이루며, 분말의 입경은 평균 입경 0.1mm로 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유기물 분해촉매는 다양한 방식으로 담배필터에 적용될 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시한 바와 같이 통상의 담배필터를 구성하는 섬유소(12)에 유기물 분해촉매(11)를 혼합하여 담배필터를 구성할 수 있다. 상기 섬유소(12)는 셀룰로즈 아세테이트(cellulose acetate)로 이루어지는 것이 일반적이나, 섬유소(12) 구성물질은 셀룰로즈 아세테이트로 제한되지 않는다. 여기서, 상기 유기물 분해촉매(11)는 분말 형태로 혼합되며, 분말의 입경은 평균 입경 약 0.1mm 일 수 있다.
섬유소(12)와 유기물 분해촉매(11)를 혼합함에 있어서, 유기물 분해촉매(11)는 섬유소(12) 중량 대비 5∼30%의 비율로 혼합될 수 있다. 또한, 상기 섬유소(12)에 유기물 분해촉매(11) 이외에 탄소체가 추가로 혼합될 수 있다. 상기 탄소체는 활성탄 분말, 숯 분말 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 상기 탄소체는 섬유소(12) 중량 대비 최대 50%까지 혼합될 수 있다.
담배필터의 다른 실시예로, 도 3에 도시한 바와 같이 제 1 필터(310)와 제 2 필터(320)의 조합으로 담배필터를 구성할 수 있다. 제 1 필터(310)는 섬유소(12)로 이루어진 필터이며, 제 2 필터(320)는 섬유소(12)와 유기물 분해촉매(11)가 혼합된 필터이다. 상기 제 2 필터(320)에 상기 탄소체가 추가로 혼합될 수도 있다. 제 2 필터(320)에 있어서, 유기물 분해촉매(11)는 섬유소(12) 중량 대비 5∼30%의 비율로 혼합되며, 탄소체가 추가 혼합되는 경우 탄소체는 섬유소(12) 중량 대비 최대 50%까지 혼합될 수 있다.
담배필터의 또 다른 실시예로, 도 4의 (a), (b), (c)에 도시한 바와 같이 전단필터(410)와 후단필터(420) 사이에 유기물 분해촉매(11)가 개재된 형태로 담배필터를 구성할 수 있다. 상기 전단필터(410) 또는 후단필터(420)는 섬유소(12)로 이루어진 필터, 섬유소(12)와 유기물 분해촉매(11)가 혼합된 필터 중 어느 하나이며, 탄소체가 선택적으로 포함될 수 있다.
전단필터(410)와 후단필터(420)는 이격되며, 전단필터(410)와 후단필터(420) 사이의 공간에 복수의 유기물 분해촉매(11)가 채워지는 형태이다. 전단필터(410)와 후단필터(420) 사이의 공간에 0.01∼5g의 유기물 분해촉매(11) 분말이 채워질 수 있다. 전단필터(410)와 후단필터(420) 사이의 공간은 유기물 분해촉매(11) 분말의 유출을 방지하기 위해 원통형의 케이스 등에 의해 외부와 격리된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터에 대해 설명하였다. 이하에서는, 유기물 분해촉매의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 도 5에 도시한 바와 같이 흡착제와 분해촉진제를 각각 준비한다(S501).
상기 흡착제는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다. 상기 산화금속계 흡착제로는 산화세슘(CeO2), 산화바나듐(V2O5), 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO), 산화구리(CuO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 이용 가능하며, 상기 광물계 흡착제로는 현무암, 화강암, 사암, 석회암, 셰일, 변성암, 아타풀가이트(attapulgite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 벤토나이트(bentonite), 카올리나이트(kaolinite), 제올라이트(zeolite) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이 이용 가능하다.
상기 분해촉진제는 상기 질산이온을 포함하는 금속염, 인산이온을 포함하는 금속염, 황산이온을 포함하는 금속염, 염화이온을 포함하는 금속염, 불화이온을 포함하는 금속염, 탄산이온이 포함된 금속염 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다.
상기 질산이온을 포함하는 금속염은 질산칼슘(Ca(NO3)2), 질산아연(Zn(NO3)2), 질산철Ⅲ(Fe(NO3)3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 인산이온을 포함하는 금속염은 인산알루미늄(AlPO4), 인산철Ⅲ(FePO4), 인산구리(Cu3(PO4)2), 인산아연(Zn3(PO4)4), 인산마그네슘(Mg3(PO4)2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 황산이온을 포함하는 금속염은 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 황산칼슘(CaSO4), 황산망간(MnSO4), 황산니켈(NiSO4), 황산구리(CuSO4), 황산코발트(CoSO4), 황산마그네슘(MgSO4), 황산철Ⅱ(FeSO4), 황산알루미늄(Al2(SO4)3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 염화이온을 포함하는 금속염은 염화알루미늄(AlCl3), 염화티타늄(TiCl4), 염화칼슘(CaCl2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 불화이온을 포함하는 금속염은 불화칼슘(CaF2), 불화바륨(BaF2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며, 탄산이온을 포함하는 금속염은 탄산칼슘(CaCO3)이 해당될 수 있다.
이어, 가연성물질을 준비하고, 상기 가연성물질을 흡착제 및 분해촉진제와 혼합한다(S502). 그런 다음, 흡착제, 분해촉진제 및 가연성물질이 혼합된 혼합물을 물에 섞어 반죽 형태로 만든다(S503).
상기 가연성물질은 분말 형태가 바람직하며, 높은 온도에서 산소와 반응하여 물과 이산화탄소 등으로 완전히 분해 가능한 물질로서, 아디핀산, 멜라닌, 설탕, 스테아린산, 파라핀 등과 같이 탄소, 수소 및 산소로 이루어진 분말형 탄화수소 화합물; 카본블랙, 미분탄, 흑연가루 등과 같은 분말형 탄소 화합물 군으로부터 선택되는 1종 또는 1종 이상을 포함하는 혼합물일 수 있다.
또한, 가연성물질은 흡착제와 분해촉진제를 합친 총 중량의 1∼50% 비율로 혼합되며, 물은 흡착제와 분해촉진제를 합친 총 중량의 50∼300% 비율로 혼합될 수 있다.
최종적으로, 물에 흡착제, 분해촉진제 및 가연성물질이 혼합된 반죽물을 800∼1200℃의 온도에서 소성하면 흡착제 및 분해촉진제로 이루어진 유기물 분해촉매가 제조된다(S504). 이후, 유기물 분해촉매를 일정 입경으로 분쇄할 수 있다(S505). 일 실시예로, 평균 입경 약 0.1mm로 유기물 분해촉매를 분쇄할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
<실험예 1 : 흡착제 종류에 따른 유기물 분해촉매의 분해 특성>
흡착제 70g에 질산칼슘(Ca(NO3)2) 2g, 인산아연(Zn3(PO4)4) 2g, 황산나트륨(Na2SO4) 2g, 황산망간(MnSO4) 2g, 황산코발트(CoSO4) 2g, 황산알루미늄(Al2(SO4)3) 2g, 염화티타늄(TiCl4) 2g, 탄산칼슘(CaCO3) 2g 그리고 가연성물질인 평균 입경 20㎛의 스테아린산 분말 30g를 혼합하여 흡착제, 분해촉진제 및 가연성물질이 혼합된 혼합물을 준비하였다. 흡착제 종류에 따른 유기물 분해촉매의 분해 특성을 살펴보기 위해 아래 표 1에 나타낸 바와 같이, 다공성 알루미나(Al2O3); 현무암; 사암; 지올라이트; 산화아연(30wt%)/산화코발트(20wt%)/실리카(50wt%)의 조합; 다공성 알루미나(50wt%)/다공성 실리카(50wt%)의 조합을 각각 흡착제로 적용하였다.
흡착제, 분해촉진제 및 가연성물질이 혼합된 혼합물을 동일 중량의 증류수와 섞어 반죽한 후, 직경 3cm, 길이 10cm의 원통형으로 성형한 다음 상온에서 72시간 건조시켰다. 건조된 성형물을 전기오븐에서 800℃로 10시간 소성시킨 후, 상온 냉각시켜 유기물 분해촉매를 제조하였다.
제조된 유기물 분해촉매를 평균 입경 0.1mm가 되도록 분쇄한 후, 분쇄된 유기물 분해촉매 5g을 도 6에 도시한 바와 같은 유기 기상화합물 분해 실험장치의 촉매탑(8)에 장입하였다. 이어, 실험장치를 밀봉한 상태에서 셉텀(septum)을 통해 포름알데히드(HCHO) 1000ppm을 주입하고, 상온(30℃)과 60℃에서 24시간 방치한 후, 실험장치 내부의 포름알데히드의 분해율을 GC/MS(Agilent Technologies 5973 I)(10)를 이용하여 측정하였다. 측정된 포름알데히드의 분해율은 표 1에 나타낸 바와 같다. 도 6의 실험장치에 있어서, 도면부호 1은 유기물 시료 버블러(3)에 공기를 주입하는 공기실린더이고, 도면부호 2는 유량조절기이며, 도면부호 3은 촉매탑(8)에 유기물 시료 즉, 포름알데히드를 공급하는 유기물 시료 버블러이며, 도면부호 4는 항온조, 도면부호 5는 온도조절기, 도면부호 6은 온도조절영역, 도면부호 7은 3way-밸브이며, 도면부호 9는 가열장치이며, 도면부호 10은 포름알데히드의 분해율을 측정하는 가스크로마토그래피 장치이다.
<흡착제 종류에 따른 유기물 분해촉매의 분해 특성>
흡착제 종류 포름알데히드 분해율 (부피%)
상온 60℃
다공성 알루미나 23 56
현무암 13 27
사암 14 29
지올라이트 16 35
산화아연(30)/산화코발트(20)/실리카(50) 21 51
알루미나(50)/실리카(50) 18 46
표 1을 참조하면, 산화금속계 흡착제를 흡착제로 적용한 유기물 분해촉매가 광물계 흡착제를 이용한 유기물 분해촉매에 대해 우수한 독성 기체물질 분해효율을 나타냄을 알 수 있다. 다공성 알루미나를 적용한 경우 56%의 독성 기체물질 분해율을 나타내 가장 우수하였으며, 산화아연(30wt%)/산화코발트(20wt%)/실리카(50wt%)의 조합 그리고 다공성 알루미나(50wt%)/다공성 실리카(50wt%)의 조합을 흡착제를 적용한 경우도 각각 51%, 46%의 우수한 분해율을 나타내었다. 반면, 광물계 흡착제를 적용한 경우 27% 이상의 일정 수준 이상의 분해율을 나타내었으나 산화금속계 흡착제를 적용한 경우에 대비하여 상대적으로 낮은 분해율을 나타내었다.
<실험예 2 : 분해촉진제 종류에 따른 유기물 분해촉매의 분해 특성>
다공성 알루미나 20g, 현무암 20g, 벤토나이트 20g, 및 산화티타늄 20g가 혼합된 흡착제 80g에 황산나트륨(Na2SO4) 5g과 아래의 표 2에 기재된 분해촉진제 15g 각각을 혼합하고, 평균 입경 0.2㎛의 미분탄 분말 60g을 가연성물질로 추가 혼합하였다. 흡착제, 분해촉진제 및 가연성물질이 혼합된 혼합물에 혼합물 중량 1.5배의 증류수를 섞어 반죽하고 직경 3cm, 길이 10cm의 원통형으로 성형한 다음, 상온에서 72시간 건조 시켰다. 건조된 성형물을 전기로에서 1,000℃로 12시간 소성한 후 상온 냉각시켜 유기물 분해촉매를 제조하였다.
제조된 유기물 분해촉매를 평균 입경 0.1mm가 되도록 분쇄한 후, 분쇄된 유기물 분해촉매 5g을 도 6에 도시한 바와 같은 유기 기상화합물 분해 실험장치의 촉매탑(8)에 장입하였다. 이어, 실험장치를 밀봉한 상태에서 셉텀(septum)을 통해 아세트알데히드(CH3COH) 1000ppm을 주입하고, 상온(30℃)과 60℃에서 24시간 방치한 후, 실험장치 내부의 아세트알데히드의 분해율을 GC/MS(Agilent Technologies 5973 I)(10)를 이용하여 측정하였다. 측정된 아세트알데히드의 분해율은 표 2에 나타낸 바와 같다.
<분해촉진제 종류에 따른 유기물 분해촉매의 분해 특성>
분해촉진제 아세트알데히드 분해율 (부피%)
상온 60 ℃
질산칼슘(Ca(NO3)2) 12 25
질산아연(Zn(NO3)2) 18 42
인산철Ⅲ(FePO4) 12 24
인산구리(Cu3(PO4)2) 15 33
인산마그네슘(Mg3(PO4)2) 14 30
황산망간(MnSO4) 16 37
황산니켈(NiSO4) 22 48
황산코발트(CoSO4) 17 39
황산마그네슘(MgSO4) 13 26
염화티타늄(TiCl4) 16 35
불화바륨(BaF2) 14 29
탄산칼슘(CaCO3) 15 34
표 2를 참조하면, 분해촉진제의 종류에 무관하게 24% 이상의 아세트알데히드 분해율을 얻을 수 있음을 확인하였으며, 황산니켈(분해율 48%), 질산아연(42%), 황산망간(37%), 황산코발트(39%), 염화티타늄(35%), 탄산칼슘(34%), 인산구리(33%), 인산마그네슘(30%)의 순서로 아세트알데히드 분해율이 우수함을 확인할 수 있다.
11 : 유기물 분해촉매 12 : 섬유소
310 : 제 1 필터 320 : 제 2 필터
410 : 전단필터 420 : 후단필터

Claims (12)

  1. 섬유소와 유기물 분해촉매를 포함하여 이루어지며,
    상기 유기물 분해촉매는 독성 기체물질을 흡착하는 흡착제와, 독성 기체물질을 분해하여 저독성 기체물질로의 재합성을 유도하는 분해촉진제로 구성되며,
    상기 흡착제는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  2. 제 1 필터와 제 2 필터를 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 필터는 섬유소로 이루어진 필터이며, 제 2 필터는 섬유소와 유기물 분해촉매가 혼합된 필터이며,
    상기 유기물 분해촉매는 독성 기체물질을 흡착하는 흡착제와, 독성 기체물질을 분해하여 저독성 기체물질로의 재합성을 유도하는 분해촉진제로 구성되며,
    상기 흡착제는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  3. 전단필터;
    후단필터; 및
    전단필터와 후단필터 사이에 개재된 유기물 분해촉매;를 포함하여 이루어지며,
    상기 전단필터 또는 후단필터는 섬유소로 이루어진 필터, 섬유소와 유기물 분해촉매가 혼합된 필터 중 어느 하나이며,
    상기 유기물 분해촉매는 독성 기체물질을 흡착하는 흡착제와, 독성 기체물질을 분해하여 저독성 기체물질로의 재합성을 유도하는 분해촉진제로 구성되며,
    상기 흡착제는 산화금속계 흡착제, 광물계 흡착제 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분해촉진제는 금속염인 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분해촉진제는 황산나트륨(Na2SO4)을 포함함과 함께 황산니켈(NiSO4), 질산아연(Zn(NO3)2), 황산망간(MnSO4), 황산코발트(CoSO4), 염화티타늄(TiCl4), 탄산칼슘(CaCO3), 인산구리(Cu3(PO4)2), 인산마그네슘(Mg3(PO4)2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 분해촉진제는 질산이온을 포함하는 금속염, 인산이온을 포함하는 금속염, 황산이온을 포함하는 금속염, 염화이온을 포함하는 금속염, 불화이온을 포함하는 금속염, 탄산이온이 포함된 금속염 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며,
    상기 질산이온을 포함하는 금속염은 질산칼슘(Ca(NO3)2), 질산아연(Zn(NO3)2), 질산철Ⅲ(Fe(NO3)3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며,
    상기 인산이온을 포함하는 금속염은 인산알루미늄(AlPO4), 인산철Ⅲ(FePO4), 인산구리(Cu3(PO4)2), 인산아연(Zn3(PO4)4), 인산마그네슘(Mg3(PO4)2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며,
    상기 황산이온을 포함하는 금속염은 황산나트륨(Na2SO4), 황산칼륨(K2SO4), 황산칼슘(CaSO4), 황산망간(MnSO4), 황산니켈(NiSO4), 황산구리(CuSO4), 황산코발트(CoSO4), 황산마그네슘(MgSO4), 황산철Ⅱ(FeSO4), 황산알루미늄(Al2(SO4)3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며,
    상기 염화이온을 포함하는 금속염은 염화알루미늄(AlCl3), 염화티타늄(TiCl4), 염화칼슘(CaCl2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며,
    상기 불화이온을 포함하는 금속염은 불화칼슘(CaF2), 불화바륨(BaF2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며,
    상기 탄산이온을 포함하는 금속염은 탄산칼슘(CaCO3)인 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산화금속계 흡착제는 산화세슘(CeO2), 산화바나듐(V2O5), 산화아연(ZnO), 산화티타늄(TiO2), 산화니켈(NiO), 산화코발트(CoO), 산화구리(CuO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화규소(SiO2) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며,
    상기 광물계 흡착제는 현무암, 화강암, 사암, 석회암, 셰일, 변성암, 아타풀가이트(attapulgite), 몬모릴로나이트(montmorillonite), 벤토나이트(bentonite), 카올리나이트(kaolinite), 제올라이트(zeolite) 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착제는 유기물 분해촉매의 총 중량 대비 10∼95%가 포함되는 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분해촉진제는 유기물 분해촉매의 총 중량 대비 5∼90%가 포함되는 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유소와 유기물 분해촉매를 포함하는 필터에 있어서, 유기물 분해촉매는 섬유소 중량 대비 5∼30%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 섬유소로 이루어진 필터 또는 섬유소와 유기물 분해촉매로 이루어진 필터에 탄소체가 포함되며,
    상기 탄소체는 활성탄 분말, 숯 분말 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 탄소체는 섬유소 중량 대비 최대 50%까지 혼합되는 것을 특징으로 하는 독성 기체물질을 저감시키는 담배필터.
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