KR20220096216A - 중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치 - Google Patents

중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치에 관한 것으로, 중금속 및 유기물 흡착이 가능한 친환경 재료를 사용하여, 환경오염을 저감 시키는 효과가 있으며, 친환경적으로 우수한 중금속 흡착 및 폐수를 정화가 가능한 중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치에 관한 것이다.

Description

중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치{3 LAYER FILTER FOR ADSORBING HEAVY METAL AND WATER PURIFICATION DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 중금속 및 유기물 흡착이 가능한 친환경 재료를 사용하여, 환경오염을 저감 시키는 효과가 있으며, 친환경적으로 우수한 중금속 흡착 및 폐수를 정화가 가능한 중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치에 관한 것이다.
경제성장과 더불어 지속되는 산업화와 도시화로 환경오염은 날로 심각해지고 있으며, 완전히 처리되지 않은 하 폐수 중의 수질오염물질이 하천이나 호소(湖沼)를 비롯한 기타 상수원에 유입됨에 따라 효율적인 수질관리에 많은 문제점을 발생시키고 있다.
이의 처리를 위한 시설 역시 고도화되고 처리비용도 증가되고 있는 실정이며, 우리나라는 단기간에 걸친 산업발달로 일반하수, 산업폐수, 각종 폐기물의 매립 및 농약살포 등을 통해 다양한 오염물질이 하천 및 강으로 배출되고 있는 만큼 수질 환경뿐만 아니라 인체 건강까지도 위협받고 있는 실정이다.
특히, 중금속의 수요량은 하루가 다르게 증가하고 있다. 이들 대부분은 유독성으로 인해 인체 및 생태계에 광범위하게 영향을 미칠 뿐만 아니라 하천 및 토양 등의 환경에 심각한 오염원으로 작용하고 있다. 중금속의 주요 배출원으로는 산업폐수, 도시하수, 농약 살포 등이 있으며, 산업체 중에서는 도금 공장이나 제련, 피혁, 안료 및 제약 업체 등에서 카드뮴, 아연, 구리, 니켈, 납, 수은, 크롬 등 생물체에 유해한 중금속을 과량 배출하는 것으로 알려져 있다.
무분별한 중금속 배출에 의한 수질 오염은 지난 수십 년간 전세계적인 문제를 야기해왔다. 인간과 생태계에 특히 악영향을 미치는 독성 금속 원소로는 비소(As), 크롬(Cr), 구리(Cu), 납(Pb), 수은(Hg), 망간(Mn), 카드뮴(Cd), 니켈(Ni) 등이 있다.
상기와 같은 중금속은 다른 물질에 비해 생물에 대한 자체 독성이 높고 인간 접촉 가능한 환경매체 내에서의 잔류기간이 길며, 독성 유기화합물과 달리 생물 분해성이 없으므로 생물체 내에 축적되어 다양한 질병과 장해를 유발하는 것으로 알려져 있다.
따라서, 종래에는 하천수, 지하수 및 폐수에 존재하는 중금속의 제거를 위해, 화학적 침전법, 이온교환 수지 및 분리막을 이용한 제거 법 등이 제시되었다. 그러나 화학적 침전법을 이용하는 경우에는 중금속 제거 처리 후에 발생하는 많은 양의 슬러지가 2차 오염물질로 작용하고, 저농도의 중금속을 완전히 제거하지 못하는 문제점이 있고, 이온교환 수지나 분리막을 이용한 제거법은 고형의 오염물질을 다량 함유하는 오염수의 처리가 어려우며, 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
중금속을 처리하는 많은 알려진 기술 중에서 흡착은 비용 효율적이고 단순한 작용에 의해 이루어지는 바, 최근에 대두되고 기술분야이다. 하지만, 종래 기술에 따른 중금속 흡착제는 여전히 낮은 흡착용량으로 중금속 흡착에 비효율적인 바, 높은 흡착용량을 구비하여 중금속을 효과적으로 제거할 수 있는 흡착제의 개발이 요청되고 있다.
최근에는 수산화 마그네슘과 같은 금속산화물은 중금속 흡착에 탁월한 효과를 발휘하는 것으로 알려진 바, 중금속 처리에 있어서 비표면적을 높여 흡착용량을 증대시킬 수 있는 꽃 형상의 나노 사이즈 금속산화물이 대두되고 있으나, 파우더 형태의 나노 사이즈의 금속산화물은 유체로부터 용이하게 분리될 수 없는 문제점이 있고, 또한 낮은 수리전도도 및 높은 압력강하 때문에 컬럼 모드에서의 중금속 처리에는 응용될 수 없는 현실적인 문제점을 안고 있다.
이에 종래 인체에 유해한 중금속으로 인한 피해를 줄이기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전극 이온 교환법 등의 다양한 공법이 개발되고 있으나, 유입량이 크고 수중에 있는 Fe, Cd 등의 성분이 고농도일 경우 과대한 설치비용과 유지관리 비용으로 인해 널리 활용하는데 어려움이 많으며, 또한 별도의 관리 인원이 필요하다는 문제점이 있다.
또한, 현재 상용되는 중금속 수질 정화법은 일반적으로 미생물을 이용한 방법, 식물을 이용하는 방법, 화학약품을 이용한 방법, 흡착제를 이용하는 방법 등이 있다. 그러나, 미생물을 이용한 방법은 처리 시간이 많이 소요되고, 미생물이 하천에 방류되면 2차 오염을 야기할 수 있으며, 화학 약품을 이용한 방법은 화학 약품의 가격이 비싸고, 처리 과정 중 필요한 적정량을 산정하기 어렵다. 이에 반해, 흡착제를 이용한 방법은 경제적이고, 무독성으로, 보다 효율적인 수질 정화방법을 찾기 위한 연구가 진행되고 있다.
KR 10-2016-0078233 B1
본 발명의 목적은 중금속 및 유기물 흡착이 가능한 친환경 재료를 사용하여, 환경오염을 저감 시키는 효과가 있으며, 친환경적으로 우수한 중금속 흡착이 가능한 중금속 흡착용 3중 필터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 중금속 흡착용 3중 필터를 포함하여 친환경적으로 우수한 폐수 정화가 가능한 수질 정화 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 흡착용 3중 필터는 제1 흡착 필터; 상기 제1 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제2 흡착 필터; 및 상기 제2 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제3 흡착 필터; 를 포함하고, 상기 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 고분자 형태의 섬유재로, 중금속 흡착 조성물이 도포되는 것이다.
상기 고분자 형태의 섬유재는 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리우레탄 공중합체, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스유도체, 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는 것이다.
상기 제1 흡착 필터는 활성탄 및 알칼리 세라믹을 포함하는 것이다.
상기 제2 흡착 필터는 키토산을 포함하는 것이다.
상기 제3 흡착 필터는 은나노를 포함하는 것이다.
상기 중금속은 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 크롬(Cr), 아연(Zn), 니켈(Ni), 수은(Hg), 망간(Mn), 안티몬(Sb) 및 비스무트(Bi) 및 이들의 혼합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것이다.
본 발명의 다른 일 실시예 따른 중금속 흡착용 3중 필터를 포함하는 수질 정화 장치는 밀폐된 구조를 갖는 정화 용기; 상기 정화 용기 외측에 오염수가 유입되는 유입구; 상기 정화 용기 내부에 오염수가 정화되는 수질 정화부; 및 상기 정화 용기 외측에 오염수가 정화되어 배출되는 배출구; 를 포함하는 수질 정화 장치로, 상기 수질 정화부; 는 제1 흡착 필터; 상기 제1 흡착 필터 일면에 이격되어 설치된 제2 흡착 필터; 및 상기 제2 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제3 흡착 필터; 를 포함하고, 상기 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 고분자 형태의 섬유재로, 중금속 흡착 조성물이 도포되는 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 따라서 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "흡착"은 언급된 이물질이 빠져나가지 못하고 내부에 붙어있는 상태를 말한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 흡착용 3중 필터는 제1 흡착 필터; 상기 제1 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제2 흡착 필터; 및 상기 제2 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제3 흡착 필터; 를 포함하고, 상기 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 고분자 형태의 섬유재로, 중금속 흡착 조성물이 도포되는 것이다.
본 발명의 중금속 흡착용 3중 필터는 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터 순으로 유해물질이 제거되는 것으로, 제1 흡착 필터는 오염수의 이물질 및 일부 이온성 이물질 등의 유해물질을 1차적으로 흡착하며, 제2 흡착 필터가 중금속 등의 유해물질을 2차적으로 제거하는 것이다.
상기 제2 흡착 필터는 상기 제1 흡착 필터 일면에 이격되어 위치되고, 제1 흡착 필터에서 오염수의 이물질 및 일부 이온성 이물질의 유해물질을 1차적으로 흡착한 후 2차적으로 중금속을 포함하는 유해물질을 흡착하는 것이다.
상기 제3 흡착 필터는 상기 제2 흡착 필터 일면에 이격되어 위치되고, 제2 흡착 필터에서 유해물질을 2차적으로 흡착한 후 3차적으로 유해물질이 흡착되는 것으로, 항균 성능을 나타낸다.
상기 고분자 형태의 섬유재는 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리우레탄 공중합체, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스유도체, 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는 것이다.
상기 본 발명의 고분자 형태의 섬유재는 중금속 흡착용 필터 소재로 오염수의 부하를 낮추기 위해 부직포 형태의 섬유재를 포함하며, 유입수가 통과할 수 있도록 기공 크기는 대략 0.01um 내지 1um 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 부직포 형태의 섬유재로, 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 중금속 흡착 조성물이 도포되는 것이다.
상기 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 시트형, 두루말이 담체형 및 지구본 담체형으로 형성될 수 있으며, 그 크기와 형태는 제한하지 않고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 사용할 수 있는 모든 형태를 포함하는 것으로 정의한다.
상기 시트형의 경우, 상기 부직포 형태의 섬유재를 직접 부직포로서 형성하거나 상기 섬유재보다 용융온도가 높은 별도의 부직포를 사용하여 그 내부에 중금속 흡착 조성물을 충전시킬 수 있으며, 롤(roll)형태가 가능하여 폭과 깊이를 자유롭게 조절할 수 있고, 담체의 교체가 용이하도록 할 수 있다.
상기 제1 흡착 필터는 활성탄 및 알칼리 세라믹을 포함하는 것이다.
상기 활성탄은 야자각, 목재류, 갈탄, 무연탄, 유연탄 등의 탄소질을 원료로 제조되는 미세 세공이 잘 발달된 무정형 탄소의 집합체로서, 활성화 과정을 통해 분자 크기 정도의 미세 세공이 형성되어 큰 내부 표면적을 가지는 흡착제이다.
활성탄은 1g당 1000㎡ 이상의 큰 내부 표면적을 가지며, 이 내부 표면에 존재하는 탄소원자의 관능기가 주위의 액체 또는 기체에 인력을 가하여 피 흡착질의 분자를 흡착하는 성질이 있다. 이러한 흡착성으로 인해 활성탄은 높은 흡착성을 지닌 탄소질 물질, 목탄 따위를 활성화하여 만드는 것으로, 다공질이어서 공기정화 뿐만 아니라, 색소나 냄새를 잘 빨아들이므로, 탈색, 정제, 촉매, 방독면 또는 수처리, 식품, 음료수, 의약의 가공과 같은 다양한 분야에서 정제를 위해 사용되고 있다.
상기 알칼리 세라믹은 pH가 6.0 내지 8.0인 세라믹을 이용한 것으로, 폐산성물의 중화와 중화 후 발생하는 부산물을 함유하는 중금속의 흡착 효과를 나타내기 위함이다.
본 발명의 세라믹은 황토인 것으로, 상기 황토는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 철분, 마그네슘(Mg), 나트륨(Na) 및 무기질이 함유된 미세입자로, 인체에 유익한 미네랄을 가지고 있고, 오랜 기간 축적된 토양 미생물과 효소작용에 의한항균·방충·탈취효과 및 오염 물질 제거 효과 등을 가지는 특징이 있다.
이에 본 발명의 제1 흡착 필터는 부직포 형태의 섬유재에 활성탄 및 알칼리 세라믹을 포함하는 것으로, 오염수 이물질 및 일부 이온성 이물질 등의 유해물질을 제거하는 것이다.
상기 제2 흡착 필터는 키토산을 포함하는 것이다.
상기 키토산은 다수의 아민기가 형성되어 전이금속과 결합할 수 있는 킬레이팅(chelating) 특성으로 인해 배위결합을 하여 착제(complex)를 형성하기 때문에, Cd, Hg, Pb, Ni, Cr 등과 같은 유해한 중금속 이온을 포집하는데 사용되고 있다.
또한, 키토산 분자 중 -NH2 기는 물속에 녹아있는 양이온인 카드뮴, 망간, 아연이온과 배위 결합하여 대부분 제거할 수 있다.
키토산의 원료가 되는 키틴은 게, 새우 등 갑각류의 외골격, 곤충류의 표피, 균류의 세포벽에 널리 분포되어 있는 효모 다당류로서, 폴리-β(1,4)-N-아세틸-D-글루코사민을 기본 단위로 하여 이루어진 다당류이다. 키틴은 그 구조가 셀룰로오스와 유사하나, 화학적 성질 및 물성은 전혀 다르며, 물 또는 유기용매에 대한 용해도가 매우 낮은 특징이 있다.
상기 키틴의 탈 아세틸화 과정에 의해 형성되는 키토산은 희석된 산에 용해되지만, 통상 분자량이 300,000 내지 3,000,000의 고분자 상태로 용해되어 사용되고 있고, 이 경우 점도가 매우 높은 양 이온성 용액이 된다. 이와 같은 키토산은 다양한 분야에 이용되고 있으며, 식품 첨가물, 흡수제, 지방 결합제, 유화 안정제, 중금속 흡착제, 유산균 촉진제, 다이어트제, 항콜레스테롤제, 면역 활성제, 항균제 및 보존제에 사용되고 있다.
이에 본 발명의 제2 흡착 필터는 부직포 형태의 섬유재에 키토산을 포함하는 것으로, 오염수에 포함된 중금속을 제거할 수 있다.
바람직하게 상기 제2 흡착 필터는 10 mesh 내지 100 mesh의 크기인 키토산 비드를 포함하는 것이며, 키틴으로부터 85% 이상 탈 아세틸화된 것이다.
상기 크기의 키토산 비드를 이용하는 경우, 다수의 아민기를 포함하여 중금속 제거에 효율적일 수 있으며, 키토산을 이용하여 중금속을 제거하는 필터 제조 시 통수능과 장시간 사용하더라도 중금속 제거 효율이 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 키틴으로부터 85% 이상 탈 아세틸화되는 경우, 카드뮴, 망간, 아연 철, 납, 수은, 구리, 셀레늄, 6가크롬, 비소 등의 중금속이 80% 이상 제거될 수 있다.
상기 제3 흡착 필터는 은나노를 포함하는 것이다.
상기 은나노는 은의 나노미터 입자 형태로, 은 이온(Ag+)이 세균 및 박테리아 세포막을 산화시켜 항균 활성을 나타낸다. 본 발명의 제3 흡착 필터는 상기 은나노를 포함하여 항균 활성을 나타내는 것이다.
본 발명의 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 중금속 흡착 조성물이 도포되는 것으로, 중금속 흡착 효과를 높이는 동시에, 필터 자체에 항균 성능을 부여할 수 있다.
상기 제1 흡착 필터의 경우, 부직포 형태의 섬유재에 활성탄 및 알칼리 세라믹을 포함하여, 오염수 이물질 및 일부 이온성 이물질을 제거하는 동시에, 본 발명의 중금속 흡착 조성물을 추가적으로 도포하여, 항균 활성을 나타내는 것이다.
또한, 상기 제1 흡착 필터는 본 발명의 중금속 흡착 조성물을 도포함으로써 부직포 형태의 섬유재에 활성탄 및 알칼리 세라믹이 용출되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2 흡착 필터의 경우, 부직포 형태의 섬유재에 키토산을 포함하여, 오염수에 포함된 중금속을 제거하는 동시에, 본 발명의 중금속 흡착 조성물을 추가적으로 도포하여, 항균 활성을 나타내는 것이다.
또한, 상기 제2 흡착 필터는 본 발명의 중금속 흡착 조성물을 도포함으로써 부직포 형태의 섬유재에 키토산이 용출되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제3 흡착 필터의 경우, 부직포 형태의 섬유재에 은나노를 포함하여, 물속에 항균 효과를 나타내는 것으로, 본 발명의 중금속 흡착 조성물을 추가적으로 도포하여, 항균 효과를 높일 수 있는 것이다.
또한, 상기 제3 흡착 필터는 본 발명의 중금속 흡착 조성물을 도포함으로써 부직포 형태의 섬유재에 은나노가 용출되는 것을 방지할 수 있다.
상기 중금속 흡착 조성물은 킬레이트 화합물, 큰등갈튀 추출물 및 갯쇠돌피 추출물을 포함하는 것이다.
상기 킬레이트 화합물은 다이에틸렌트리아민(diethylenetriamine, DETA), 에틸렌다이아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA), 에틸렌글리콜테트라아세트산(ethylene glycol tetraacetic acid, EGTA), 디에틸렌트리아민펜타아세트산(diethylenetriaminepentaacetic acid, DTPA), 에틸렌디아민2-하이드록시페닐아세트산(ethylenediamine 2-hydroxyphenylacetic acid, EDDHA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이다.
상기 킬레이트(chelate)는 한 개의 리간드(ligand)가 금속 이온과 두 자리 이상에서 배위결합을 하여 생긴 착이온을 뜻하는 것으로, 킬레이트를 형성하는 대표적인 리간드(ligand)로는 에틸렌다이아민, EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid)가 있다.
바람직하게 본 발명의 킬레이트 화합물은 에틸렌 다이아민 테트라아세트산(EDTA)을 포함한다.
상기 큰등갈퀴(Vicia pseudoorobus Fisch. & C.A.Mey.)는 다년생 덩굴식물로, 길이 80~150cm의 줄기가 털이 다소 있거나 없다. 잎은 2~5쌍의 소엽으로 구성된 우상복엽이며, 끝에 있는 덩굴손은 갈라지거나 갈라지지 않는다. 소엽은 난형이고 예두 또는 둔두이며, 길이 3~5cm, 넓이 15~30mm로써 마르면 황갈색이 돌고 뒷면의 엽맥이 튀어나오며 탁엽은 녹색이고 뽀족하게 갈라진다. 꽃은 엽액에서 나오며, 길이 4~8cm로서, 화경이 길고 중앙 이상에서 한쪽으로 치우쳐서 많은 꽃이 총상으로 달린다. 꽃은 9월에 피며 길이 13-15mm로서 자주색이고 꽃받침잎은 낮은 삼각형이다. 잎은 은 2-5쌍의 소엽으로 구성된 우상복엽이며 끝에 있는 덩굴손은 갈라지거나 갈라지지 않는다. 소엽은 난형이고 예두 또는 둔두이며 길이 3-5cm, 나비 15-30mm로서 마르면 황갈색이 돌고 뒷면의 엽맥이 튀어나오며 탁엽은 녹색이고 뾰족하게 갈라진다.
상기 갯쇠돌피(Polypogon monspeliensis)는 포아풀아과 쇠돌피속에 속하는 잡초이다. 남부 유럽 원산이나 현재는 전세계에 퍼져 있고, 키가 5 센티미터에서 1 미터 사이인 1년생 목초이다.
바람직하게 본 발명의 중금속 흡착 조성물은 EDTA 100 중량부에 대하여, 큰등갈퀴 추출물 40 내지 60 중량부 및 갯쇠돌피 추출물 40 내지 60 중량부를 포함한다.
상기 범위에 의하는 경우, 중금속 흡착용 3중 필터는 중금속 흡착 효과를 높이는 동시에, 우수한 항균 효과를 나타낼 뿐 아니라, 부직포 형태의 섬유재에 활성탄, 알칼리 세라믹, 키토산 및 은나노가 용출되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 수질 정화 시 유해물질로 인해 발생되는 악취 및 세균을 제거하여, 물맛 항상 효과를 나타낼 수 있다.
상기 천연 추출물은 물, C1 내지 C-6의 저급 알코올 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 추출 용매를 이용하여 추출하는 것이다.
구체적으로, 추출물을 제조하기 위해서는 천연물을 세척하는 단계; 세척 후 건조시키는 단계; 건조 후 천연물을 분쇄하는 단계; 유기 용매를 사용하여 상기 분쇄물을 침출시키는 단계; 시료를 침출 후 건조시키는 단계; 물을 이용하여 침출시키는 단계; 및 침출하는 단계를 포함하여, 천연 추출물을 획득할 수 있다.
상기 유기 용매를 사용하여 추출한 천연 추출물은 유기 용매를 사용하여 분획을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 추출물을 제조하는 방법은 초음파 추출법, 침출법 및 환류 추출법 등 당업계의 통상적인 추출 방법일 수 있다. 구체적으로 세척 및 건조로 이물질이 제거된 천연물을 물, 탄소수 1 내지 6의 알코올 또는 이들의 혼합 용매로 추출한 추출물일 수 있으며, 상기 용매들을 순차적으로 시료에 적용하여 추출한 추출물일 수 있다.
상기 환류 추출법은 물, 탄소수 1 내지 6의 알코올 100 mL기준으로, 천연물의 분쇄물 10 내지 30g, 환류 시간 1 내지 3시간 및 50 내지 100%의 탄소수 1 내지 6의 알코올 또는 물에 의한다. 보다 구체적으로, 탄소수 1 내지 6의 알코올 100 mL 또는 물 100 mL 기준으로, 천연물의 분쇄물 10 내지 20g, 환류 시간 1 내지 2시간 및 70 내지 90%의 탄소수 1 내지 4의 알코올 또는 물에 의한 것이다.
상기 침출법은 15 내지 30℃, 24 내지 72시간 동안 진행하며, 추출 용매로 물 또는 50 내지 100%의 탄소수 1 내지 6의 알코올을 이용한다. 보다 구체적으로는 20 내지 25℃, 30 내지 54시간 동안 진행하며, 추출 용매는 물 또는 70 내지 80%의 탄소수 1 내지 6의 알코올에 의한 것이다.
상기 초음파 추출법은 30 내지 50℃, 0.5 내지 2.5시간 동안 반응을 진행하며, 추출용매는 물 또는 50 내지 100%의 탄소수 1 내지 6의 알코올에 의한 것이다. 구체적으로는 40 내지 50℃, 1 내지 2.5시간 동안 추출하며, 추출용매로 물 또는 70 내지 80%의 탄소수 1 내지 6의 알코올에 의한 것이다.
상기 추출 용매는 시료의 중량 기준으로 2 내지 50배를 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 2 내지 20배이다. 추출을 위해 시료는 추출 용매에서 침출을 위해 1 내지 72시간 동안 방치될 수 있으며, 보다 구체적으로 24 내지 48시간 동안 방치될 수 있다.
추출 후, 추출물은 새로운 분획 용매를 순차적으로 적용하여 분획할 수 있다. 분획시 사용하는 분획 용매는 상기 용매는 물, 헥산, 부탄올, 에틸아세트산, 에틸 아세테이트, 메틸렌클로라이드 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이며, 바람직하게는 에틸아세테이트 또는 메틸렌클로라이드이다.
추출물 또는 분획물을 얻은 후에는 농축 또는 동결건조 등의 방법을 추가적으로 사용할 수 있다.
상기 중금속은 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 크롬(Cr), 아연(Zn), 니켈(Ni), 수은(Hg), 망간(Mn), 안티몬(Sb) 및 비스무트(Bi) 및 이들의 혼합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것이다.
상기 비소(As)는 수계환경과 토양환경에서 검출되는 비금속성 원소(metalloid)로서 다른 원소와 결합한 형태로 일반적으로 발견된다. 비소는 자연계의 일반적인 수계 환경에서 AsO2 -1의 형태로 존재한다. 비소를 포함하고 있는 광물은 매우 다양한데, 비소는 종종 납(Pb), 수은(Hg), 주석과 같은 금속들과 화합물을 형성하기도 하고 철, 니켈(Ni), 황과 결합된 화합물로 존재한다. 비소는 특히 FeAsS(Arsenopyrite 또는 Mispickel), As4S4(Realgar) 및 As2S3(Orpiment)와 같은 Fe광물과 황화합물에 농축되어 있는 경우가 많다.
또한, 비소는 무기태 비소와 유기태 비소로 구분된다. 유기태 비소는 비소가 탄소와 수소와 결합되어 있다는 것을 의미하는데, 주로 Cocodylic Acid(Dimethylarsenic Acid or DMA)의 형태로 토양에 존재하고, 많은 식품들의 미량 구성요소로 존재하기도 한다. 무기태 비소는 인체건강에 더 큰 악영향을 주는데, 가장 대표적인 무기태 비소가 3가 비소(-3가(價)를 띠는 비소, Arsenite, 아비산염)와 5가 비소(Arsenate, 비산염)의 형태로 존재하게 된다. 즉 산화된 환경조건에서는 비산염(Arsenate)이 주된 화학종이고, 환원된 환경조건에서는 아비산염(Arsenite)이 주된 형태이다.
카드뮴(cd)는 무르고 청백생의 독성이 있는 전이 금속으로, 이 물질에 중독되면 이타이이타이병을 일으키기도 한다. 상기 이타이이타이병은 대표적인 카드뮴 중독 증상으로, 일본의 도야마 현의 진즈 강 하류에서 발생한 카드뮴 공해병이다. 초기에는 뚜렷한 증상이 없기 때문에 위험을 느끼지 못할 수 있으나, 주요 증상으로 칼슘 대신 뼈에 쌓이면서 뼈가 물러진다. 또한 호흡곤란, 흉부압박감, 심폐기능 부진이 나타나며 계속될 경우 죽을 수도 있다. 아연은 유해 중금속인 납을 빼내는 효과가 있는데, 카드뮴이 쌓이면 아연이 신경계에서 제 역할을 할 수 없게 되기 때문에, 이타이이타이병을 일으킨다.
니켈(Ni)은 단단하고 금속 광택이 나는 은백색의 전이 금속으로, 이 물질에 노출되면 피부 질환, 설사, 위염, 구토, 소화불량, 십이지장염, 불면증, 빈혈, 두통, 비염, 기관지염, 천식, 경미한 섬유증, 각종 호흡기 관련 질환 등을 유발할 수 있다. 일부 연구에 의하면 심근경색이나 뇌졸중, 호흡기 관련 암, 신장장애도 유발할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예 따른 중금속 흡착용 3중 필터를 포함하는 수질 정화 장치는 밀폐된 구조를 갖는 정화 용기; 상기 정화 용기 외측에 오염수가 유입되는 유입구; 상기 정화 용기 내부에 오염수가 정화되는 수질 정화부; 및 상기 정화 용기 외측에 오염수가 정화되어 배출되는 배출구; 를 포함하는 수질 정화 장치로, 상기 수질 정화부; 는 제1 흡착 필터; 상기 제1 흡착 필터 일면에 이격되어 설치된 제2 흡착 필터; 및 상기 제2 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제3 흡착 필터; 를 포함하고, 상기 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 고분자 형태의 섬유재로, 중금속 흡착 조성물이 도포된 것이다.
본 발명은 중금속 및 유기물 흡착이 가능한 친환경 재료를 사용하여, 환경오염을 저감 시키는 효과가 있으며, 친환경적으로 우수한 중금속 흡착 및 폐수를 정화가 가능한 중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 흡착 3중 필터를 포함하는 수질 정화 장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 흡착 3중 필터의 유해물질 차단 효과를 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 흡착 3중 필터의 항균 효과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[제조예 1: 중금속 흡착 조성물의 제조]
1. 천연 추출물의 제조
큰등갈퀴(Vicia pseudoorobus Fisch. & C.A.Mey) 세척하고, 건조한 뒤 이를 분쇄하였다. 상기 분쇄물을 60% 에탄올에 혼합하고, 이를 2시간 동안 추출하여, 이를 냉각시킨 뒤 와트만 여과지로 여과한 후, 그 여액을 수득하여 큰등갈퀴 추출물(VE)을 제조하였다.
상기 큰등갈퀴 추출물(VE)의 제조방법과 동일한 방법을 이용하여, 갯쇠돌피 추출물(PE)을 제조하였다.
2. 중금속 흡착 조성물의 제조
상기 선등갈퀴 추출물(VE) 및 갯쇠돌피 추출물(PE)을 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA)와 혼합하여 본 발명의 중금속 흡착 조성물로 제조하였다.
AM1 AM2 AM3 AM4 AM5
EDTA 100 100 100 100 100
VE - 20 40 60 70
PE - 20 40 60 70
(단위: 중량부)
[제조예 2: 중금속 흡착용 3중 필터의 제조]
1. 제1 흡착 필터의 제조
50ml의 원심 분리관에 150 내지 200 nm의 평균 입경을 갖는 분말 활성탄 2.5g를 채운 다음, 기름이나 가루형태의 이물질을 제거하였다. 이후, 폴리프로필렌 섬유가 얽힌 부직포에 상기 활성탄을 부착하여 제1 흡착 필터(F1)를 제조하였다.
2. 제2 흡착 필터의 제조
먼저, 키틴으로부터 85% 내지 90% 탈 아세틸화된 것을 이용하여 2wt% 초산 수용액 100 ㎖에 키토산 분말 2g을 용해시켜 2wt% 키토산 콜로이드 용액으로 제조하였다. 이후, 실린지 펌프를 이용하여 1000rpm으로 교반시키고, 1L 용량의 2N 수산화 나트륨 용액에 방울방울 떨어뜨려 키토산 비드를 얻었다.
상기 키토산 비드는 3시간 동안 완속 교반한 후 2차 증류수로 중성이 될때까지 수 차레 세척하여 본 발명의 키토산 비드로 제조하였다.
상기 제1 흡착 필터와 동일한 폴리프로필렌 섬유가 얽힌 부직포에 상기 제조한 키토산 비드를 부착하여 제2 흡착 필터(F2)를 제조하였다.
3. 제3 흡착 필터의 제조
상기 제1 흡착 필터 및 제2 흡착 필터와 동일한 폴리프로필렌 섬유가 얽힌 부직포에 질산은 (AgNO3, 순도 99.999%, 일급시약, Sigma-Aldrich, USA)을 부착하여 제3 흡착 필터(F3)을 제조하였다.
[실험예 1: 중금속 흡착용 3중 필터의 유해물질 차단 효과 실험]
상기 제조예 2에서 제조된 제1 흡착 필터(F1), 제2 흡착 필터(F2) 및 제3 흡착 필터(F3)을 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F)와 제조예 1에서 제조된 중금속 흡착 조성물 AM1 내지 AM5가 각각 도포된 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터를 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F+AM1, 3F+AM2, 3F+AM3, 3F+AM4, 3F+AM5)의 유해물질 차단 효과 실험을 위해 중금속 카드뮴과 니켈에 대한 흡착량 평가를 진행하였다.
카드뮴과 니켈을 10 mmol로 각각 함유하고 있는 수용액 샘플을 제조한 후, 제1 흡착 필터(F1), 제2 흡착 필터(F2) 및 제3 흡착 필터(F3)을 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F)와 제조예 1에서 제조된 중금속 흡착 조성물 AM1 내지 AM5가 각각 도포된 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터를 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F+AM1, 3F+AM2, 3F+AM3, 3F+AM4, 3F+AM5)를 카드뮴 수용액 및 니켈 수용액 샘플 100 mL틀에 각각 넣어 24 시간 동안 방치하였으며, 카드뮴과 니켈이 흡착되도록 하였다.
상기 카드뮴과 니켈이 흡착된 제1 흡착 필터(F1), 제2 흡착 필터(F2) 및 제3 흡착 필터(F3)을 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F)와 중금속 흡착 조성물 AM1 내지 AM5가 각각 도포된 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터를 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F+AM1, 3F+AM2, 3F+AM3, 3F+AM4, 3F+AM5)를 회수하고, 중금속이 제거된 용액을 역적정(back titration)하여 각각의 흡착 부재의 흡착된 카드뮴과 니켈의 흡착량을 계산하였다.
그 결과를 하기 도 2에 나타내었으며, 하기 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제조예 1에서 제조된 중금속 흡착 조성물 AM1 내지 AM5가 각각 도포된 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터를 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F+AM1, 3F+AM2, 3F+AM3, 3F+AM4, 3F+AM5)는 제1 흡착 필터(F1), 제2 흡착 필터(F2) 및 제3 흡착 필터(F3)을 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F)에 비해 우수한 흡착 효율을 보이는 것을 확인하였다.
특히, 본 발명의 중금속 흡착 조성 AM3 내지 AM5가 도포된 중금속 흡착용 3중 필터(3F+AM1, 3F+AM2, 3F+AM3, 3F+AM4, 3F+AM5)에서 제1 흡착 필터(F1), 제2 흡착 필터(F2) 및 제3 흡착 필터(F3) 각각에 포함된 활성탄, 알칼리 세라믹, 키토산 비드 및 은나노가 용출되지 않아 우수한 흡착 성능을 나타내는 것으로 확인하였다.
[실험예 2: 중금속 흡착용 3중 필터의 항균 효과 실험]
상기 제1 흡착 필터(F1), 제2 흡착 필터(F2) 및 제3 흡착 필터(F3)을 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F)와 중금속 흡착 조성물 AM1 내지 AM5가 각각 도포된 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터를 포함하는 중금속 흡착용 3중 필터(3F+AM1, 3F+AM2, 3F+AM3, 3F+AM4, 3F+AM5)의 항균 효과를 알아보기 위해, KS 0693 - 1990 시험법에 의거 사람의 피부와 비강표면에 일반적으로 존재하는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)을 균주로 하여 106 마리를 상기 실험예 1에서 우수한 유해물질 차단 효과를 나타낸 중금속 흡착용 3중 필터 3F+AM4에 대한 직물의 항균도를 측정하였다.
상대적인 평가를 위해, 대조군으로 중금속 흡착 조성물을 도포하지 않은 중금속 흡착용 3중 필터(3F)의 항균도를 측정하였다.
항균 효과는 미생물의 양을 측정하여 하기 도 3에 나타내었으며, 도 3에 나타낸 바와 같이, 중금속 흡착 조성물 AM4를 도포한 중금속 흡착용 3중 필터 3F+AM4에서 미생물의 양이 103 이하로 감소하는 높은 항균력을 나타내는 것을 확인하였다.
[실험예 3: 기호성 실험]
본 발명의 중금속 흡착용 3중 필터를 적용한 수질 정화 장치에 대해, 성인 남녀 10명을 선정한 5그룹을 대상으로, 본 발명의 중금속 흡착용 3중 필터(3F)와 중금속 흡착 조성물 AM1 내지 AM4가 도포된 중금속 흡착용 3중 필터(3F+AM1, 3F+AM2, 3F+AM3, 3F+AM4, 3F+AM5)를 통해 정화된 정화수를 각각 10일 동안 사용하게 하였다.
이후, 하기 [평가 기준]에 대한 설문 조사를 진행하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
[평가 기준]
◎: 불쾌하지 않다.
○: 조금 불쾌하다
△: 불쾌하다.
Ⅹ: 매우 불쾌하다.
3F 3F+AM1 3F+AM2 3F+AM3 3F+AM4 3F+AM5
1그룹 Ⅹ △ ○ ◎ ◎ ○
2그룹 △ △ ◎ ◎ ◎ ○
3그룹 △ △ ○ ○ ◎ ○
4그룹 Ⅹ ○ ◎ ◎ ◎ ◎
5그룹 Ⅹ ○ ○ ○ ○ ○
상기 표 2에 의하면, 본 발명의 중금속 흡착용 3중 필터(3F)에 비해, 중금속 흡착 조성물 AM1 내지 AM5이 도포된 중금속 흡착용 3중 필터(3F+AM1, 3F+AM2, 3F+AM3, 3F+AM4, 3F+AM5)에서 냄새 및 사용감의 불쾌 정도가 현저히 개선되는 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 제1 흡착 필터;
    상기 제1 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제2 흡착 필터; 및
    상기 제2 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제3 흡착 필터; 를 포함하고,
    상기 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 고분자 형태의 섬유재로, 중금속 흡착 조성물이 도포되는
    중금속 흡착용 3중 필터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 형태의 섬유재는 폴리비닐아세테이트, 폴리우레탄, 폴리우레탄 공중합체, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스유도체, 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐알콜(PVA), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐풀루오라이드, 폴리비닐리덴풀루오라이드 공중합체, 폴리아크릴로니트릴 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는
    중금속 흡착용 3중 필터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 흡착 필터는 활성탄 및 알칼리 세라믹을 포함하는
    중금속 흡착용 3중 필터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 흡착 필터는 키토산을 포함하는
    중금속 흡착용 3중 필터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제3 흡착 필터는 은나노를 포함하는
    중금속 흡착용 3중 필터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 중금속은 비소(As), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 납(Pb), 크롬(Cr), 아연(Zn), 니켈(Ni), 수은(Hg), 망간(Mn), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi) 및 이들의 혼합으로 이루어지는 군에서 선택되는 것인
    중금속 흡착용 3중 필터.
  7. 밀폐된 구조를 갖는 정화 용기;
    상기 정화 용기 외측에 오염수가 유입되는 유입구;
    상기 정화 용기 내부에 오염수가 정화되는 수질 정화부; 및
    상기 정화 용기 외측에 오염수가 정화되어 배출되는 배출구; 를 포함하는 수질 정화 장치로,
    상기 수질 정화부; 는 제1 흡착 필터;
    상기 제1 흡착 필터 일면에 이격되어 설치된 제2 흡착 필터; 및
    상기 제2 흡착 필터 일면에 이격되어 위치된 제3 흡착 필터; 를 포함하고,
    상기 제1 흡착 필터, 제2 흡착 필터 및 제3 흡착 필터는 고분자 형태의 섬유재로, 중금속 흡착 조성물이 도포되는
    중금속 흡착용 3중 필터를 포함하는 수질 정화 장치.
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KR1020200188469A KR102561012B1 (ko) 2020-12-30 2020-12-30 중금속 흡착용 3중 필터 및 이를 포함하는 수질 정화 장치

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6014909A (ja) * 1983-07-06 1985-01-25 Bridgestone Corp 吸着材
KR20160078233A (ko) 2014-12-24 2016-07-04 인텔 코포레이션 네트워킹 디바이스에 대한 전력 및 성능을 관리하기 위한 기술
KR20170006222A (ko) * 2015-07-07 2017-01-17 주식회사 교원 키토산 정수모듈을 이용한 정수기 필터 및 복합필터시스템

Patent Citations (3)

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