KR20220140192A

KR20220140192A - 압력손실이 적은 종이 필터 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20220140192A
Application number: KR1020210046374A
Authority: KR
Inventors: 김태오; 도성빈; 조용범
Original assignee: 박순복
Priority date: 2021-04-09
Filing date: 2021-04-09
Publication date: 2022-10-18
Also published as: KR102523259B1

Abstract

본 발명은 이산화망간과 결합된 폴리에틸렌글리콜 흡착 촉매를 종이에 직접 혼입시킴으로써 포름알데히드 제거율이 우수하면서도 통기성이 우수하여 압력손실이 적고 촉매와 필터와의 결합력이 우수하여 촉매가 손이 묻어나지 않는 압력손실이 적은 종이 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

압력손실이 적은 종이 필터 및 이의 제조방법 {Paper filter with low pressure drop and Manufacturing method thereof}

본 발명은 압력손실이 적은 종이 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 고농도 미세먼지 발생으로 인해 실내의 공기 정화가 주목받고 있다. 이에 따라, 실내에서 자체적으로 공기를 정화할 수 있는 공기청정장치가 개발되었고, 제거율을 높이기 위한 연구가 진행되고 있다. 종래의 개발된 공기청정장치는 미세먼지와 같은 입자상 오염물질의 제거에는 효율적이나, 포름알데히드 및 휘발성 유기화합물(VOCs)와 같은 가스상 오염물질의 제거 효율은 낮아 이에 대한 연구가 필요한 실정이다.

상기의 가스상 오염물질 중 포름알데히드는 실내 공기질에서 호흡기 질환 및 발암 물질로 알려져 있으며, 새집증후군의 원인 물질로 알려져 있다. 이를 제거하기 위해 다양한 합성 흡착 촉매들이 개발되고 있는데, 합성 흡착 촉매란 두 가지 이상의 다공성 구조를 결합시켜 제조된 중합체 또는 구체 입자들을 의미한다.

합성 흡착 촉매는 화합물을 쉽게 제거할 수 있고 활성탄보다 오래 사용할 수 있는 장점이 있으나 비용이 많이 드는 단점이 있어, 경제성과 효율성을 모두 만족하는 흡착 촉매의 개발이 요구되고 있다. 일례로 일본 공개특허 WO2009/084632에 의하면, 알루미늄 규산염복합체를 흡착 촉매로 사용한 것을 개시하고 있으나, 비용이 상대적으로 많이 발생하는 문제가 있었다.

한편, 공기 정화 필터로는 주로 부직포 필터가 사용되고 있는데, 부직포 필터의 경우 압력 손실이 크기 때문에 부직포를 대체할 필터 소재의 연구가 필요한 실정이다.

일본 공개특허 WO2009/084632 (공개번호: 2009.07.09.)

상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 흡착 촉매를 직접 펄프에 혼입시킴으로써 포름알데히드 제거율이 우수하면서도 통기성이 우수하여 압력손실이 적을 뿐만 아니라 촉매와 필터와의 결합력이 우수하여 촉매가 손이 묻어나지 않는 압력손실이 적은 종이 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 압력손실이 적은 종이필터 제조방법은 펄프를 물에 분산시켜 펄프 용액을 제조하는 단계; 상기 펄프 용액에 흡착 촉매를 투입 및 혼합시켜 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액을 초음파 처리 시키고 증류수를 투입 및 교반하여 분산 용액을 제조하는 단계; 상기 분산 용액을 초지틀에 여과시키는 단계; 상기 단계를 수행한 초지틀을 증류수가 담긴 초지기에서 초지공정을 수행한 후, 1차 건조 및 수분 제거하여 건조물을 얻는 단계; 및 상기 건조물을 상기 초지틀로부터 분리하고 2차 건조시켜 종이필터를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 혼합 용액은 펄프 및 흡착 촉매를 1 : 1.3 ~ 1 : 3.2 중량비로 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 흡착 촉매는 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)이 결합된 이산화망간(MnO₂) 복합체를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 초음파 처리는 10kHz ~ 30kHz의 강도로 5 ~ 15분 동안 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 분산 용액 제조 시, 상기 교반은 100 ~ 400rpm의 회전속도로 5 ~ 20분 동안 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 2차 건조는 40 ~ 60℃ 하에서 2 ~ 6시간 동안 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 초지틀은 타공판; 부직포; 및 메쉬(mesh)망;을 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 수분 제거는 진공 여과 펌프를 통해 수행할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 펄프는 짚 펄프, 수피(樹皮) 펄프 및 닥나무 펄프 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 목적으로, 상기한 제조방법으로 제조되고, 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)이 결합된 이산화망간(MnO₂) 복합체를 포함하는 흡착 촉매;를 포함하는 압력손실이 적은 종이필터를 제조할 수 있다.

본 발명을 통해 포름알데히드 제거율이 우수하면서도 통기성이 우수하여 압력손실이 적을 뿐만 아니라 결합력이 우수하여 촉매가 손이 묻어나지 않는 압력손실이 적은 종이 필터 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종이필터,
도 2의 a) 및 b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 함유 펄프, 도 2의 c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착 촉매, 도 2의 d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄프 용액,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착 촉매를 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)으로 분석한 이미지,
도 4의 a) 및 b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 타공판, 도 4의 c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 부직포 필터, 도 4의 d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 메쉬(mesh)망,
도 5의 a) 및 b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초지틀, 및
도 6의 a) 및 b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초지틀, 도 6의 c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유물을 형성 공정, 도 6의 d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 제거 공정,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포름알데히드 제거율 실험 장치의 이미지이다.

본 발명의 발명자들은 포름알데히드를 제거할 수 있는 흡착 촉매를 종이 필터에 직접 혼입함으로써 공기정화능이 우수하면서도 압력손실이 적고 통기도가 우수하며 촉매와 펄프와의 결합력이 우수하여 촉매가 손에 묻어나지 않는 효과를 모두 동시에 구현할 수 있는 종이필터를 제조함에 이르렀다.

본 발명에 대해 설명하기 앞서, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡착 촉매에 대해 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흡착 촉매는 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 이산화망간 전구체 및 물을 포함한 용액을 준비하는 1단계; 상기 용액을 반응시켜 폴리에틸렌글리콜이 결합된 이산화망간(MnO₂) 복합체를 합성하는 2단계; 상기 복합체를 포함하는 용액을 여과하여 여과물을 수득한 뒤, 증류수로 세척하는 3단계; 및 세척한 여과물을 건조시켜 흡착 촉매를 수득하는 4단계;를 포함할 수 있다.

상세하게는, 1단계의 용액은 상기 폴리에틸렌글리콜 및 이산화망간 전구체를 1 : 5.0 ~ 1 : 8.0의 중량비로 포함할 수 있고, 바람직하게는 1 : 5.5 ~ 1 : 7.5의 중량비로 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 : 6.0 ~ 1 : 7.0의 중량비로 포함할 수 있다. 만일 상기 이산화망간 전구체를 5.0 중량비 미만으로 포함하는 경우 포름알데히드 제거율이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 이산화망간 전구체를 8.0 중량비를 초과하여 포함하는 경우 이산화망간의 반응성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

이때, 상기 이산화망간 전구체는 과망간산칼륨(KMnO₄), 망간아세테이트(Mn(CH₃CO₂)₂), 과망간산나트륨(NaMnO₄) 및 황산망간(MnSO₄) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 과망간산칼륨(KMnO₄)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 이산화망간 전구체는 평균 입경이 0.5mm ~ 5mm일 수 있고, 바람직하게는 1.0mm ~ 3mm일 수 있다.

한편, 상기 폴리에틸렌글리콜은 중량평균분자량(Mw)이 15,000 ~ 25,000일 수 있고, 바람직하게는 17,000 ~ 22,000일 수 있다. 만일 상기 중량평균분자량이 15,000 미만일 경우 촉매의 안정성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 25,000를 초과하는 경우 이산화망간 전구체와의 블랜딩이 균일하게 이루어지지 않는 문제가 있었다.

다음으로, 2단계의 반응은 60 ~ 100℃ 하에서 5 ~ 25분 동안 중탕 및 교반하여 수행할 수 있고, 바람직하게는 70 ~ 90℃ 하에서 10 ~ 20분 동안 수행할 수 있다.

다음으로, 3단계의 여과 및 세척에서 상기 세척은 여러 번 반복되어 수행할 수 있다.

다음으로, 4단계의 건조는 80 ~ 130℃ 하에서 10 ~ 14시간 동안 수행할 수 있으며, 바람직하게는 90 ~ 120℃ 하에서 11 ~ 13시간 동안 수행할 수 있다.

한편, 상기의 제조방법을 통해 제조된 흡착 촉매를 소성시키는 단계를 더 포함하여 산소 공백(Oxygen vacancy) 흡착 촉매를 제조할 수 있다.

이때, 상기 소성은 불활성 기체 하에서 이루어지며, 200 ~ 280℃ 하에서 수행할 수 있고, 바람직하게는 210 ~ 270℃ 하에서 수행할 수 있으며, 200 ~ 280℃ 하에서 20 ~ 60분 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 25 ~ 55분 동안 수행할 수 있다. 만일 상기 소성 온도가 200℃ 미만인 경우 입자의 구조가 변형되지 않는 문제가 있을 수 있고, 280℃를 초과하는 경우 산소 공공 구조가 형성되지 않는 문제가 있을 수 있다. 또한, 상기 소성 시간이 20분 미만이면 입자의 구조가 변형되지 않는 문제가 있을 수 있고, 60분을 초과하면 산소 공공 구조가 형성되지 문제가 있을 수 있다.

상술한 방법으로 제조한 포름알데히드 제거용 흡착 촉매는 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)이 결합된 이산화망간(MnO₂) 복합체를 포함할 수 있다.

또한, 상기 흡착 촉매는 도 2의 c)와 같은 분말 타입일 수 있고, 평균 입경이 0.05 ~ 0.5mm일 수 있고, 바람직하게는 0.1 ~ 0.4mm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.15 ~ 0.3mm일 수 있다.

이하, 본 발명의 압력손실이 적은 종이필터 제조방법을 통해 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. 후술하는 제조방법에서는 상술한 흡착 촉매에 관한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명의 압력손실이 적은 종이필터 제조방법은 펄프를 물에 분산시켜 펄프 용액을 제조하는 1단계; 상기 펄프 용액에 흡착 촉매를 투입 및 혼합시켜 혼합 용액을 제조하는 2단계; 상기 혼합 용액을 초음파 처리 시키고 증류수를 투입 및 교반하여 분산 용액을 제조하는 3단계; 상기 분산 용액을 초지틀에 여과시키는 4단계; 상기 단계를 수행한 초지틀을 증류수가 담긴 초지기에서 초지공정을 수행한 후, 1차 건조 및 수분 제거하여 건조물을 얻는 5단계; 및 상기 건조물을 상기 초지틀로부터 분리하고 2차 건조시켜 종이필터를 제조하는 6단계;를 포함할 수 있다.

먼저, 상기 1단계의 펄프 용액은 증류수 100mL 당 수분 함유 펄프 10 ~ 20g을 투입한 후 막대로 분산시켜 수행할 수 있다.

이때, 상기 수분 함유 펄프는 바람직하게는 상기 증류수 100mL 당 12 ~ 18g으로 투입할 수 있다.

또한, 상기 수분 함유 펄프는 도 2의 a) ~ b)에서 확인할 수 있듯이, 바람직하게는 '종이죽(粥)'으로 표현할 수 있다.

한편, 상기 펄프는 짚 펄프, 수피(樹皮) 펄프 및 닥나무 펄프 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 보다 바람직한 일예로는 닥나무 펄프를 포함할 수 있다.

한편, 상기 1단계의 증류수는 60 ~ 100℃의 온수일 수 있고, 바람직하게는 70 ~ 90℃일 수 있다. 만일 상기 증류수가 60℃ 미만일 경우 펄프가 충분하게 분산되지 않고 뭉침 현상이 발생하는 문제가 있을 수 있고, 90℃를 초과하는 경우 펄프가 과도하게 분산되어 필터에 여과되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

한편, 상기 1단계를 통해 제조되는 펄프 용액은 도 2의 d)와 같이 펄프가 액상에 풀어진 현탁액 형상일 수 있다.

다음, 상기 2단계의 혼합 용액은 펄프 및 흡착 촉매를 1 : 1.3 ~ 1 : 3.2 중량비로 포함할 수 있고, 바람직하게는 1 : 1.5 ~ 1 : 3.0 중량비로 포함할 수 있다.

만일, 상기 흡착 촉매를 1.3배 미만으로 포함하는 경우 종이필터의 포름알데히드 흡착 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 3.2 중량비를 초과하여 포함하는 경우 압력손실이 현격하게 증가할 뿐만 아니라 펄프와 흡착 촉매간의 결합력이 불량해져 종이필터 표면을 손으로 문질렀을 때 흡착 촉매가 묻어나오는 문제점이 발생할 수 있다.

다음, 상기 3단계의 초음파 처리를 통해 상기 흡착 촉매가 펄프 사이 사이에 고르게 분산될 수 있는데, 상기 초음파 처리는 10kHz ~ 30kHz의 강도로 5 ~ 15분 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 11kHz(±50Hz) ~ 29kHz(±50Hz)의 강도로 5 ~ 15분 동안 수행할 수 있으며, 보다 바람직하게는 15kHz(±50Hz) ~ 25kHz(±50Hz)의 강도로 7 ~ 13분 동안 수행할 수 있다.

만일, 상기 초음파 처리를 10kHz 미만의 강도로 수행하거나 5분 미만으로 수행하는 경우 흡착 촉매가 펄프 사이에 고르게 분산되지 못함에 따라 흡착 촉매의 포름알데히드 제거능이 저하되거나 종이필터 표면에서 흡착 촉매가 쉽게 떨어져 나오는 문제가 발생할 수 있고, 상기 초음파 처리를 30kHz를 초과하는 강도로 수행하거나 15분을 초과하여 수행하는 경우 펄프가 과도하게 분산되어 필터에 여과되지 않아 종이 필터가 형성되지 않거나 압력손실이 증가하는 문제점이 있을 수 있다.

다음, 상기 3단계의 증류수 투입은 상기 초음파 처리를 수행한 다음 수행할 수 있고, 상기 증류수는 상기 혼합 용액 중량 대비 1 ~ 10배수 투입할 수 있고, 바람직하게는 1.5 ~ 8배수 투입할 수 있다.

다음, 상기 3단계의 교반은 상기 증류수 투입 직후 수행할 수 있으며, 상기 교반은 90 ~ 110℃ 하에서 100 ~ 400rpm의 회전속도로 5 ~ 20분 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 95 ~ 105℃ 하에서 150 ~ 350rpm의 회전속도로 7 ~ 13분 동안 수행할 수 있다.

만일, 상기 교반을 90℃ 미만에서 수행하거나 100rpm의 회전속도 미만에서 수행하거나 5분 미만으로 수행하는 경우 혼합 용액과 증류수가 제대로 혼합되지 않음에 따라 후술하는 단계에서 분산 용액을 여과시킬 때 표면이 고르게 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 상기 교반을 110℃를 초과하는 온도로 수행하거나 400rpm를 초과하는 회전속도로 수행하거나 20분을 초과하는 시간 동안 수행하는 경우 공정 시간이 과도하게 길어짐에 따라 펄프가 과도하게 분산되어 필터에 여과되지 않아 종이 필터가 형성되지 않는 문제가 발생할 수 있다.

다음, 상기 4단계의 여과는 상기 분산 용액을 상기 초지틀에 고르게 분산될 수 있도록 투입하여 수행할 수 있다.

이때, 상기 초지틀은 도 5의 a) ~ b)와 같이 타공판; 부직포; 및 메쉬(mesh)망;을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 초지틀은 타공판; 상기 타공판의 상면에 위치한 부직포; 및 상기 부직포의 상면에 위치시킨 메쉬망;을 포함할 수 있고, 상기 메쉬망 상면에 분산 용액을 여과시켜 종이형상의 여과물을 형성시킬 수 있다.

이때, 상기 타공판과 나머지 구성품의 결합력을 높이기 위해, 상기 초지틀의 모서리 부분을 나사로 고정할 수 있다.

먼저, 상기 타공판은 시중에 판매하는 타공판이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 도 4의 a) ~ b)와 같이 평균 기공 크기가 0.5 ~ 8mm일 수 있고, 바람직하게는 1 ~ 6mm일 수 있다.

만일, 상기 타공판의 기공 크기가 0.5mm 미만인 경우 건조 시간이 오래 걸리며, 건조가 원활하게 수행되지 않음에 따라 통기도가 불량해지거나 압력손실이 증가하는 문제가 발생할 수 있고, 8mm를 초과하는 경우 기공 사이로 펄프가 유출되는 현상이 발생하여 종이 필터에 손상이 발생하거나 표면이 불균일해지는 문제가 있을 수 있다.

한편, 상기 부직포는 상기 타공판의 상면에 위치할 수 있으며, 상기 타공판과 동일한 크기일 수 있다.

또한, 상기 부직포는 폴리에틸렌계 부직포, 폴리에스테르계 부직포, 폴리프로필렌계 부직포 및 나일론 부직포 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 폴리에스테르계 부직포일 수 있다.

한편, 상기 메쉬(mesh)망은 필터를 분리하기 위한 것으로, 상기 메쉬망은 평균기공크기가 3mm 이하일 수 있고, 바람직하게는 1.5mm 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 1.0mm 이하일 수 있다.

또한, 상기 메쉬망은 공지된 것이라면 어느 것이라도 좋으나, 보다 바람직하게는 도 4의 d)에 나타낸 바와 같이 실리콘 메쉬망일 수 있다.

다음, 상기 5단계의 초지공정은 상기 초지틀을 증류수가 담긴 초지기에 충분히 잠길 수 있도록 수행할 수 있고, 이를 통해 상기 초지틀을 상기 초지기에서 부유시킬 수 있다.

이때, 상기 초지기는 도 6의 a) ~ b)와 같은 형태일 수 있고, 바람직하게는 도 6의 b)와 같이 트레이에 틀을 위치시켜 상기 5단계를 수행할 수 있다.

이때, 상기 초지틀은 상기 초지기에 담긴 증류수에 의해 부유할 수 있고, 이를 통해 상기 초지틀 내에 상기 분산 용액으로부터 형성되고, 펄프 및 흡착 촉매를 포함하는 부유물이 형성될 수 있다.

상기 부유물이 형성된 상기 초지틀 및 초지기는 도 6의 c)와 같다.

다음, 상기 1차 건조를 수행하기 전 상기 초지틀에 형성된 상기 부유물의 표면이 고르게 형성되도록 손으로 살살 두드려 펴주는 단계;를 더 수행할 수 있다.

다음, 상기 5단계의 1차 건조는 상기 초지틀을 상기 초지기로부터 분리한 뒤에 수행할 수 있고, 구체적으로는, 상기 1차 건조는 상온에서 수행할 수 있고, 바람직하게는 10 ~ 30℃ 하에서 30초 ~ 10분 동안 수행할 수 있고, 보다 바람직하게는 20 ~ 30℃ 하에서 1분 ~ 8분 동안 수행할 수 있다.

다음, 상기 5단계의 수분 제거 공정은 도 6의 d)에 나타낸 바와 같이 진공 여과 펌프를 이용하여 수행할 수 있다.

만일, 상기 수분 제거 공정을 수행하지 않는 경우 필터 건조 시간이 증가하며, 펄프 사이의 결합력이 약해져 필터에 손상 문제가 발생할 수 있다.

다음, 상기 6단계의 2차 건조는 상기 1차 건조 및 수분 제거 공정을 통해 제조한 건조물을 상기 초지틀로부터 분리한 다음 수행할 수 있고, 구체적으로는, 상기 2차 건조는 40 ~ 60℃ 하에서 2 ~ 6시간 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 45 ~ 55℃ 하에서 3 ~ 5시간 동안 수행할 수 있다.

만일, 상기 2차 건조를 40℃ 미만에서 수행하거나 2시간 미만으로 수행하는 경우 충분하게 건조되지 않음에 따라 필터가 찢어지는 등 필터에 손상이 발생할 수 있고, 60℃를 초과하는 온도에서 수행하거나 6시간을 초과하여 수행하는 경우 필터가 일부 연소되는 등 필터에 직접적인 손상이 발생할 수 있다.

이때, 상기 종이 필터는 완전히 건조됨에 따라 초지틀에서 용이하게 분리될 수 있다.

본 발명의 다른 목적으로, 상술한 제조방법을 통해 압력손실이 적은 종이필터를 제조할 수 있다.

상기 종이필터는 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)이 결합된 이산화망간(MnO₂) 복합체를 포함하는 흡착 촉매;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 종이필터는 목적에 따라 크기를 조절하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 종이필터는 종이필터가 이용될 수 있는 어떠한 분야에도 제한없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 공기 정화를 목적으로 하는 공기청정기, 에어컨 등의 제품에 적용할 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

준비예 1: 흡착촉매의 제조

이산화망간 전구체로 과망간산칼륨(KMnO₄) 및 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG)을 증류수 260mL에 투입하여 용액을 제조했다.

이때, 상기 폴리에틸렌글리콜 및 상기 과망간산칼륨은 1 : 6.67의 중량비로 투입되었으며, 상기 폴리에틸렌글리콜의 중량평균분자량(Mw)은 20,000이다.

그리고, 상기 용액을 반응시켜 반응생성물로 폴리에틸렌글리콜이 결합된 이산화망간(MnO₂)을 합성하였다.

이때, 상기 반응은 상기 용액을 수조에 옮긴 뒤, 80℃ 하에서 15분 동안 중탕 및 교반하여 수행되었다.

그리고, 상기 반응생성물을 포함하는 용액을 여과하여 여과물을 수득한 뒤, 증류수로 세척하였다.

그리고, 상기 세척된 여과물을 105℃ 하에서 12시간 동안 건조시켜 분말 타입의 흡착 촉매(PEG/MnO₂)를 수득하였다.

이때, 상기 종이필터는 가로와 세로 길이가 각각 300mm 및 400mm이었다.

준비예 2 ~ 준비예 3: 포름알데히드 제거용 흡착 촉매의 제조

준비예 1과 동일한 방법으로 흡착 촉매를 제조하되, 폴리에틸렌글리콜 및 이산화망간 전구체의 중량비를 하기 표 1과 같이 하여 준비예 2 ~ 준비예 3을 실시하였다.

준비예 4: 산소 공백(Oxygen vacancy) 흡착 촉매의 제조

준비예 1 동일한 방법으로 포름알데히드 제거용 흡착 촉매(PEG/MnO₂)를 제조하고,

상기 포름알데히드 제거용 흡착 촉매(PEG/MnO₂)를 아르곤(Ar) 기체 하에서 240℃의 온도로 40분 동안 소성시켜 산소 공백(Oxygen vacancy) 흡착 촉매를 제조하였다.

비교준비예 1: 이산화망간(MnO ₂ ) 흡착 촉매의 제조

이산화망간 전구체로 KMnO₄ 20g, (NH₄)₂C₂O₄·H₂O 8g을 증류수 260mL에 투입하여 용액을 제조했다.

그리고, 상기 용액을 가열교반기를 사용하여 90℃의 가열온도에서 150rpm의 회전 속도로 교반했다.

그리고, 상기 단계에서 교반된 용액을 여과시켜 여과물을 수득했다.

그리고, 상기 여과물을 30℃의 온도에서 10시간 건조하여 고체 타입의 여과물을 수득하였다.

그리고, 상기 고체 타입의 여과물을 500℃의 소성온도에서 3시간 동안 소성하여 이산화망간(MnO₂) 흡착 촉매를 수득하였다.

비교준비예 2: 이산화망간(MnO ₂ ) + CeO ₂ 흡착 촉매의 제조

Sigma Aldrich 사에서 구입한 CeO₂ 분말(<5μm, 99.9% trace metals)과 비교준비예 1의 이산화망간(MnO₂)을 1 : 1 비율로 투입하고, 이를 5분 동안 혼합하여 흡착 촉매(이산화망간(MnO₂) + CeO₂)를 제조하였다.

비교준비예 3: 이산화망간(MnO ₂ ) + FeSiO ₂ 흡착 촉매 제조

사이클로헥산(Cyclohexane) 100mL에 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG 400) 20.35g을 투입한 용액을 50℃에서 10분 동안 가열 및 교반시켰다.

그리고, 상기 단계를 수행한 용액에 FeCl₃ 수용액 20mL 및 NH₃ 수용액 3.20g을 첨가한 후, 3시간동안 숙성시킨다.

그리고, 상기 단계를 수행한 용액에 에틸 실리케이트(Tetraethyl orthosilicate) 5.4g을 첨가하였다.

그리고, 상기 단계를 수행한 용액에 이소프로판올(Isopropanol) 30mL을 첨가한 뒤, 원심 분리하여 침전물을 얻었다.

그리고, 상기 침전물을 60℃에서 24시간 동안 건조하여 FeSiO₂를 수득하였다.

그리고, 상기 FeSiO₂및 비교준비예 1의 이산화망간(MnO₂)을 1 : 1 비율로 투입하고, 이를 5분 동안 혼합하여 흡착 촉매(이산화망간(MnO₂) + FeSiO₂)를 수득하였다.

비교준비예 4: 활성탄 흡착 촉매

CGC(태국)사의 활성탄 흡착 촉매를 사용하였다.

비교준비예 5 ~ 비교준비예 6: 포름알데히드 제거용 흡착 촉매의 제조

준비예 1과 동일한 방법으로 흡착 촉매를 제조하되, 폴리에틸렌글리콜 및 이산화망간 전구체의 중량비를 하기 표 1과 같이 하여 비교준비예 5 ~ 비교준비예 6을 실시하였다.

실험예 1: 흡착 촉매의 구조 분석

준비예 1에서 제조된 흡착 촉매를 주사전자현미경(Scanning electron microscopy, SEM)을 통해 관찰한 이미지를 도 3에 나타내었다.

이를 통해, 폴리에틸렌글리콜과 이산화망간이 결합된 복합체임을 확인할 수 있었다.

실시예 1: 종이필터의 제조

닥나무 펄프 3.60g를 온수 200mL에 투입하고 막대로 분산시켜 펄프 용액을 제조하였다.

그리고, 상기 펄프 용액에 준비예 1에서 제조한 흡착 촉매 8g을 투입 및 혼합시켜 혼합 용액을 제조하였다.

이때, 상기 혼합 용액은 펄프(건조 상태) 및 흡착 촉매를 1 : 2.22 중량비로 포함한다.

그리고, 상기 혼합 용액을 20kHz

50Hz의 강도로 10분 동안 초음파 처리 시키고 증류수를 상기 혼합 용액 대비 약 2.5배수로 투입한 뒤 교반시켜 분산 용액을 제조하였다.

이때, 상기 교반은 교반기에서 수행하였으며, 100℃ 하에서 250rpm의 회전속도로 10분 동안 수행하였다.

그리고, 상기 분산 용액을 초지틀에 여과시켰다.

이때, 상기 초지틀은 타공판-부직포-메쉬(mesh)망의 순서이며, 분산 용액은 상기 메쉬망 상면에 투입하여 여과시켰다. 구체적으로는, 상기 타공판은 평균 기공 크기가 5mm이고 직사각형 모양에 사방이 막혀있는 형태이다. 또한, 상기 부직포는 상기 타공판의 상면에 형성하였고 상기 타공판과 동일한 크기이며 폴리에스테르계 소재이다. 한편, 상기 메쉬망은 상기 부직포의 상면에 형성시켰고 평균 기공 크기가 0.3mm이며 실리콘 소재이다.

그리고, 상기 여과 단계를 통해 여과물이 형성된 상기 초지틀을 상기 초지기로부터 분리시켰고 상기 초지틀 내에 형성된 상기 여과물의 표면이 고르게 형성되도록 손으로 살살 두드리며 펴주었다.

그리고, 상기 여과물이 형성된 상기 초지틀을 상기 초지기로부터 1차 건조 및 수분 제거시켜 건조물을 얻었다.

이때, 상기 1차 건조는 상기 틀을 트레이로부터 건져내어 25℃(상온)에서 3분 동안 수행하였고, 상기 수분 제거는 진공 여과 펌프를 통해 수행하였다.

그리고, 상기 건조물을 상기 초지틀로부터 분리시키고, 50℃ 하에서 4시간 동안 2차 건조시켜 도 1 및 도 4의 c)와 같은 종이필터를 제조하였다.

이때, 상기 2차 건조는 50℃ 하에서 4시간 동안 수행하였다.

실시예 2 ~ 실시예 12: 종이필터의 제조

실시예 1과 동일한 방법으로 종이필터를 제조하되, 하기 표 1 ~ 표 4의 조건으로 실시예 2 ~ 실시예 20을 실시하였다.

비교예 1: 부직포 필터 제조

먼저, 하기와 같은 방법으로 포름알데히드 흡착제를 제조하였다.

그리고, 에탄올(EtOH) 및 준비예 1에서 제조된 흡착 촉매를 1 : 0.095의 중량비로 투입하고, 60℃ 하에서 15분 동안 교반한 용액을 제조하였다.

그리고, 상기 용액에 에틸 셀룰로오스(Ethyl cellulose, 바인더)를 첨가하였다.

이때, 상기 에틸 셀룰로오스는 상기 흡착 촉매 100 중량부에 대하여 0.20 중량부가 되도록 첨가하였다.

그리고, 상기 단계를 수행한 용액의 부피가 100mL가 될 때까지 120℃ 하에서 교반하여 포름알데히드 흡착제를 제조하였다.

이와는 별개로, 폴리에스테르계 부직포를 공기청정기 내부에 들어갈 크기(300mmХ400mm)로 잘라서 준비했다.

그리고, 상기 포름알데히드 흡착제에 부직포 필터를 담지하여 부직포 필터를 제조하였다.

비교예 2 ~ 비교예 24: 종이필터 제조

실시예 1과 동일한 방법으로 종이필터를 제조하되, 하기 표 5 ~ 표 9의 조건으로 비교예 2 ~ 비교예 24를 실시하였다.

실험예 1: 필터 성능 평가

실시예 1 ~ 실시예 20 및 비교예 1 ~ 비교예 24에서 제조한 필터를 하기와 같은 방법으로 평가하여, 그 결과값을 표 1 ~ 표 9에 나타내었다.

(1)포름알데히드 제거율 측정

먼저, 챔버에 이상이 있는지 확인한 후 누출 실험(leak test)를 진행하였다.

그리고, 부직포 필터를 공기청정장치(웅진코웨이, AP-1009JH)에 장착하였다.

그리고, 포름알데히드 용액 0.3mL를 챔버 내에 넣었다.

그리고, 상기 포름알데히드 용액을 가열기를 사용하여 65℃의 온도에서 기화시킨 후 가열기를 껐다.

그리고, 디니트로페닐하이드라진(dinitrophenylhydrazine, DNPH) 카트리지를 이용하여 초기 포름알데히드 가스 농도를 측정하였다.

그리고, 상기 공기청정장치를 30분 동안 가동시키고, 포름알데히드의 가스 농도를 측정하였다.

이때, 상기 챔버의 구조는 도 7과 같다.

(2) 압력 손실 측정

상기 필터를 각각 30 cm×30 cm 로 자른 샘플을 속도 2.0 m/min, 온도 150 ℃ 조건에서 여과포에서 더스트(농도 5.0 g/㎥)를 통과시킨 후, 3kg_f/㎡의 압력으로 펄스젯(pulse jet) 실험을 실시하였다. 평가는 100회 펄스젯 실시 후 여과포 압력손실(여과포 전후의 압력차)을 측정하였다.

(3) 결합력 평가

필터를 손으로 여러 번 충분히 문질러, 손에 이물질이 묻어나지 않는 경우 '우수', 묻어나는 경우 '불량'으로 평가하였다.

이때, 손에 묻어나는 이물질은 흡착 촉매로 판단하였으며, 묻어남이 발생하는 경우 펄프와 흡착 촉매 간의 결합력이 불량한 것으로 판단하였다.

(4) 외관 평가

제조된 종이필터의 외관을 관찰하여 종이필터의 형태가 잘 형성되지 않았거나 손상이 발생한 경우 '불량'으로 평가하였고, 종이필터의 형태가 잘 형성된 경우 '우수'로 평가하였다.

이때, 상기 '불량'의 경우는 종이필터가 종이의 형상을 유지하고 있지 못하거나, 쉽게 찢어져 버리거나, 연소 등에 의한 손상이 발생한 경우가 해당된다.

상기 표 1 ~ 표 9를 살펴보면, 실시예 1 ~ 실시예 20에서 제조한 종이필터는 높은 포름알데히드 제거율을 보이면서도 압력손실이 낮고 촉매와 종이필터와의 결합력이 높은 것을 확인할 수 있었다.

반면에, 부직포에 촉매를 코팅시킨 비교예 1은 압력손실이 클 뿐만 아니라 촉매와의 결합력 또한 불량한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 펄프 및 흡착 촉매의 중량비가 범위를 벗어나는 비교예 2의 경우 포름알데히드 제거율이 매우 불량한 것을 확인할 수 있는데, 이는 흡착 촉매가 충분하게 포함되지 않았기 때문인 것으로 예측되며, 비교예 3의 경우 압력손실이 현격하게 증가했고 종이필터 표면을 문질러 보았을 때 검은 색의 흡착 촉매가 묻어나는 문제점이 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 초음파 처리 강도가 10kHz 미만이거나 초음파 처리 시간이 5분 미만인 비교예 4 및 비교예 6의 경우 포름알데히드 제거율이 매우 불량했고 결합력 및 종이필터 외관이 불량한 것을 확인할 수 있었는데, 이는 초음파 처리가 충분하게 되지 않아 흡착촉매가 충분하게 분산되지 않았기 때문으로 예측된다.

또한, 초음파 처리 강도가 30kHz을 초과하거나 초음파 처리 시간이 15분을 초과하는 비교예 5 및 비교예 7의 경우 포름알데히드 제거율이 매우 불량했고 압력손실이 매우 컸으며 종이필터 외관이 불량한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 교반 온도, 회전 속도 또는 시간이 본 발명을 벗어나는 비교예 8 ~ 비교예 13은 교반이 충분하게 되지 않아 흡착 촉매와 종이 필터의 결합력이 불량하고 포름알데히드 제거율이 현격하게 불량하거나, 교반이 과도하게 되어 포름알데히드 제거율이 불량하고 압력손실이 급격하게 높아졌으며 외관이 불량한 것을 확인할 수 있는데, 특히, 비교예 9의 경우 과도하게 높은 교반 온도로 인해 종이필터의 가장자리에 연소가 발생한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 2차 건조 전 진공 펌프를 이용하여 수분 건조를 하지 않은 비교예 14의 경우 압력손실이 두드러지게 증가할 뿐만 아니라 결합력 또한 불량한 것을 알 수 있었다.

또한, 2차 건조 온도 및 시간이 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예 15 ~ 비교예 18의 경우 포름알데히드 제거율이 불량하고 결합력 및 외관이 불량한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 비교예 21 ~ 비교예 24의 종래의 흡착 촉매는 포름알데히드 제거율 및 결합력이 불량하고 압력손실이 과도하게 높은 문제점이 있는 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims

펄프를 물에 분산시켜 펄프 용액을 제조하는 단계;
상기 펄프 용액에 흡착 촉매를 투입 및 혼합시켜 혼합 용액을 제조하는 단계;
상기 혼합 용액을 초음파 처리한 후, 증류수를 투입 및 교반하여 분산 용액을 제조하는 단계;
상기 분산 용액을 초지틀에 여과시키는 단계;
상기 단계를 수행한 초지틀을 증류수가 담긴 초지기에서 초지공정을 수행한 후, 1차 건조 및 수분 제거하여 건조물을 얻는 단계; 및
상기 건조물을 상기 초지틀로부터 분리하고 2차 건조시켜 종이필터를 제조하는 단계;를 포함하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 혼합 용액은 펄프 및 흡착 촉매를 1 : 1.3 ~ 1 : 3.2 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 흡착 촉매는 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)이 결합된 이산화망간(MnO₂) 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 초음파 처리는 10kHz ~ 30kHz의 강도로 5 ~ 15분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 분산 용액 제조 시,
상기 교반은 100 ~ 400rpm의 회전속도로 5 ~ 20분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 2차 건조는 40 ~ 60℃ 하에서 2 ~ 6시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 초지틀은 타공판; 부직포; 및 메쉬(mesh)망;을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 수분 제거는 진공 여과 펌프를 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 펄프는 짚 펄프, 수피(樹皮) 펄프 및 닥나무 펄프 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터 제조방법.
제1항 내지 제9항 중에 선택된 어느 한 항의 제조방법으로 제조되고,
폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol)이 결합된 이산화망간(MnO₂) 복합체를 포함하는 흡착 촉매;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력손실이 적은 종이필터.