KR20220140967A - Fiberboard filters fabricated with wood bark-produced active carbon for the reduction of particulate matter, volatile organic compounds and heavy metals - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an activated carbon-added fiberboard filter made of wood bark for absorption/adsorption of pollutants such as fine dust, VOC, and heavy metals in the air and a manufacturing technology thereof. Provided is a fiberboard filter containing wood bark activated carbon for absorption and adsorption of fine dust, volatile organic compounds and heavy metals, which is formed in a three-layer structure of upper, middle, and lower layers, and includes only wood fibers in the upper and lower layers and a mixture in which wood fibers and activated carbon are randomly mixed in the middle layer.

Description

미세먼지, 휘발성 유기화합물, 중금속의 흡진 및 흡착용 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터{Fiberboard filters fabricated with wood bark-produced active carbon for the reduction of particulate matter, volatile organic compounds and heavy metals}Fiberboard filters fabricated with wood bark-produced active carbon for the reduction of particulate matter, volatile organic compounds and heavy metals

본 발명은 미세먼지, 휘발성 유기화합물, 중금속의 흡진 및 흡착용 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fiberboard filter containing activated carbon from wood bark for the absorption and absorption of fine dust, volatile organic compounds, and heavy metals, and a method for manufacturing the same.

미세먼지의 유입 및 발생으로 인한 실내외 공기질 악화로 국민의 삶 만족도 저하와 함께 건강에 대한 불안을 야기하는 상황에서 다양한 실내외 공간에 존재하는 미세먼지를 효율적으로 저감할 수 있는 대책 마련이 시급한 실정이다. 특히 지하철과 관련된 공간인 승강장, 지하터널, 전동차 실내 등은 밀폐된 공간인 관계로 지하철 운행 및 다양한 오염원으로부터 발생되거나 실외에서 유입되는 미세먼지 및 인체 유해물질의 배출이 어렵고, 자연 환기가 불가하여 이용자 및 지하철 근무자의 건강에 직·간접적으로 악영향을 주고 있다. 그러나 오염 배출원에 대한 엄격한 제어가 불가능한 관계로 이의 해결을 위한 배출원 관리방안의 적용은 현재까지 한계가 있으며, 결과적으로 지하철 생활공간 내에서 미세먼지 배출원에 대한 억제보다는 배출물질을 효과적으로 저감할 수 있는 해결방안의 마련이 필요한 상황이다.In a situation where the deterioration of indoor and outdoor air quality due to the inflow and occurrence of fine dust causes a decrease in people's life satisfaction and health anxiety, it is urgent to prepare measures to effectively reduce fine dust in various indoor and outdoor spaces. In particular, since the subway-related spaces such as platforms, underground tunnels, and inside trains are enclosed spaces, it is difficult for subway operation and discharge of fine dust and harmful substances from various pollutants or entering the outdoors, and natural ventilation is impossible. and directly or indirectly adversely affect the health of subway workers. However, since strict control of pollutant emission sources is impossible, the application of emission source management measures to solve this problem is limited so far. There is a need to come up with a solution.

현재까지 미세먼지의 저감을 위하여 상용화된 기술로는 미세 기공을 보유한 멤브레인 (membrane)을 여과필터로 이용하여 다양한 크기의 오염원을 제어하는 방안이 주로 사용되고 있으며, 이 외에 건식인 전기집진 방식과 습식인 스크러버 등도 단독 또는 공동으로 적용되고 있다 (여, 2016). 그러나 상기 기술들은 빠른 유속을 감당하지 못하여 대형시설에 적용이 불가하거나, 낮은 미세먼지 제거효율, 짧은 필터의 사용기한, 높은 필터 교체비용의 부담 등과 같은 단점이 있다 (이, 2019). 한편 건식의 여과필터는 주로 미세먼지만을 저감시키는 공기청정 기술인 관계로 실내외 공간에 존재하는 인체유해성 휘발성 유기화합물 및 중금속 등을 제한적으로만 저감하게 된다. 또한 공기 청정기 및 미세먼지 저감장치에 사용되는 여과필터는 폴리프로필렌 (PP), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET)와 같은 합성섬유 부직포로 제조되고 있어 매립시 생분해에 많은 시간이 소요되어 결과적으로 토양 오염과 대량의 쓰레기를 발생시키며, 소각시 지구온난화의 주요 원인인 이산화탄소를 대량으로 발생시키게 된다 (복, 2018; Marketsandmarkets, 2020). 따라서 함성섬유 부직포를 대체할 수 있는 재생섬유를 여과필터의 원료로 사용한 고효율 저비용의 새로운 포집 및 여과 기술의 개발이 필요하다.As a technology commercialized for the reduction of fine dust so far, the method of controlling various sized pollutants by using a membrane having micropores as a filtration filter is mainly used. Scrubbers, etc. are being applied alone or jointly (Female, 2016). However, the above technologies cannot handle the high flow rate, so they cannot be applied to large facilities, or have disadvantages such as low fine dust removal efficiency, short filter lifespan, and high filter replacement cost burden (Lee, 2019). On the other hand, the dry filtration filter is an air purifying technology that mainly reduces only fine dust, so it reduces only limited amounts of volatile organic compounds and heavy metals that are harmful to humans in indoor and outdoor spaces. In addition, filtration filters used in air purifiers and fine dust reduction devices are made of synthetic fiber non-woven fabrics such as polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET). of waste, and incineration generates a large amount of carbon dioxide, a major cause of global warming (Bok, 2018; Marketsandmarkets, 2020). Therefore, it is necessary to develop a high-efficiency, low-cost, new collection and filtration technology using regenerated fibers that can replace non-woven fabrics as a raw material for filtration filters.

미세먼지 저감과 관련하여 국내외에서 개발되고 있는 기술동향을 보면, 전반적으로 미세먼지 처리 소재와 공정개발 기술, ICT 기반 대기오염물질 관리 분야 등 실적용을 위한 기술 확보가 주로 이루어지고 있다 (하 & 이, 2018). 특히 국내의 경우, 물질별 제거 반응의 원인 규명, 소재 원천기술 및 소재/공정 주요 핵심기술 개발 분야에 집중하고 있으며, 1차 배출(집진)과 2차 생성(탈질·탈황) 전구물질 제거에도 초점이 맞추어져 있다. 또한 배출저감 기술의 개발보다 미세먼지 발생원에 설치 공간을 최소화하면서 미세먼지 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 집진장치에 대한 기술개발이 진행되고 있다. 그러나 저감 대상이 50 μm 이하의 TSP (total suspended particles)에서 2.5 μm 이하의 PM 2.5로 이동하고 있어 기존 설비의 개선 및 집진기술의 성능개선을 위한 기술 확보가 요구되고 있다. 국외의 경우, 최고 수준의 미세먼지 저감기술은 초미세먼지 규제가 강화된 미국, 일본을 중심으로 독일과 스웨덴에서 산업설비의 배기후 처리장치와 관련한 다양한 설비를 개발 중에 있으나, 실내외 초미세먼지 저감기술의 개발은 아직 미흡한 상황이다 (이 & 백, 2018). Looking at the technological trends being developed at home and abroad in relation to fine dust reduction, overall, technologies for performance such as fine dust treatment materials, process development technology, and ICT-based air pollutant management fields are mainly secured (Ha & Lee). , 2018). In particular, in the case of Korea, we are focusing on identifying the cause of the removal reaction for each material, developing material source technology and material/process key technology, and also focusing on the removal of precursors for primary emission (dust collection) and secondary generation (denitrification/desulfurization). this is aligned In addition, rather than the development of emission reduction technology, technology development for a dust collector that can dramatically reduce fine dust emission while minimizing the installation space at the source of fine dust is in progress. However, since the target to be reduced is moving from TSP (total suspended particles) of 50 μm or less to PM 2.5 of 2.5 μm or less, it is required to secure technology for improvement of existing facilities and performance improvement of dust collection technology. Overseas, the highest level of fine dust reduction technology is developing various facilities related to post-exhaust treatment systems for industrial facilities in Germany and Sweden, mainly in the United States and Japan, where ultrafine dust regulations are strengthened, but indoor and outdoor ultrafine dust reduction The development of the technology is still insufficient (Lee & Baek, 2018).

따라서 초미세먼지를 포함한 다양한 오염물질을 실용화 및 비용 측면에서 효율적으로 저감할 수 있도록 기존 설비를 이용한 집진 및 여과기술의 개발이 요구된다.Therefore, the development of dust collection and filtration technology using existing facilities is required to effectively reduce various pollutants, including ultrafine dust, in terms of practical use and cost.

본 발명은 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터로서, 상층, 중층 및 하층의 3층 구조체로 형성되고, 상층 및 하층에는 목섬유만을 포함하고, 중층에는 목섬유 및 활성탄이 무작위로 혼합되는 혼합체를 포함하는 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터를 제공한다. 비제한적으로, 본 발명에 의한 섬유판 필터는 상층, 중층 및 하층을 관통하는 다수의 통기구가 구비된다. 본 발명에 의한 필터에서 활성탄의 중량비는 필터 기준으로 20중량% ~ 40중량%이며, 섬유판 필터의 밀도는 바람직하게는 150kg/m3 내지 250kg/m3로 설계된다. 본 발명에 의하면, 필터의 중층을 구성하는 혼합체는 목섬유 및 활성탄을, 인모, 돈모 및 돈혈에서 선택되는 천연원료의 가수분해물과 낙엽송 수피 열수 추출물을 포함하는 천연접착제를 이용하여 분사하여 제조된다. The present invention is a fiberboard filter containing activated carbon from wood bark, which is formed of a three-layer structure of an upper layer, a middle layer and a lower layer, the upper and lower layers contain only wood fibers, and the middle layer contains a mixture in which wood fibers and activated carbon are randomly mixed. A fiberboard filter is provided. Without limitation, a fiberboard filter according to the present invention is provided with a plurality of vents passing through the upper, middle and lower layers. The weight ratio of activated carbon in the filter according to the present invention is 20 wt% to 40 wt% based on the filter, and the density of the fiberboard filter is preferably designed to be 150kg/m 3 to 250kg/m 3 . According to the present invention, the mixture constituting the middle layer of the filter is prepared by spraying wood fiber and activated carbon using a natural adhesive containing a hydrolyzate of natural raw materials selected from human hair, pig hair and pig blood and a hot water extract of larch bark.

본 발명에 의한 여과필터는 실내외 공간에 존재하는 미세먼지를 포함하여 휘발성 유기화합물 (VOC), 중금속을 효율적으로 저감한다. 또한 생활/도축/산업 폐기물의 재자원화 실현 및 쓰레기 감량을 통한 사업화 기반의 조성 외에 폐기 여과필터의 고체 바이오연료화에 의한 온실가스 감축으로 기후변화협약 대응이 가능하다. The filtration filter according to the present invention effectively reduces volatile organic compounds (VOC) and heavy metals, including fine dust, present in indoor and outdoor spaces. In addition, it is possible to respond to the climate change agreement by reducing greenhouse gas by converting waste filtration filters into solid biofuels, in addition to realizing recycling of living/slaughtering/industrial wastes and creating a foundation for commercialization through waste reduction.

도 1은 섬유판 제조용 스파이크 장착 카울 플레이트 (spiked caul plate) 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 다양한 섬유판 필터들의 사진이다.
1 is a schematic diagram of a spiked caul plate for making fiberboard.
2 is a photograph of various fiberboard filters according to the present invention.

본 발명은 미세먼지, VOC, 중금속의 흡진/흡착을 위한 합성섬유 기반 부직포 대체용 활성탄-첨가 바이오매스 섬유 기반 섬유판 형태의 여과필터 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an activated carbon-added biomass fiber-based fiberboard type filtration filter and a manufacturing method for replacing synthetic fiber-based non-woven fabric for absorption/adsorption of fine dust, VOC, and heavy metals.

현재 합성섬유인 부직포로 주로 제조되고 있는 여과필터의 원료를 재생가능한 식물성 섬유로 대체하는 기술개발이 요구된다. 식물성 섬유 가운데 국내에서 공급 가능량 및 가격을 토대로 목섬유가 여과 필터의 원료로 가장 적합할 것으로 판단되나, 이를 기계적, 화학적, 열적 공정을 통하여 병렬, 교차, 임의 방식으로 결합하여 부직포와 같은 형태로 변환하는 방안은 여러 단계의 공정이 필요한 관계로 제조비용적인 측면에서 비경제적이다. 따라서 본 발명은 목섬유를 저밀도섬유판 형태로 제조하고, 이를 여과필터로 이용하는 방안에 착안하였다. 그러나 목섬유만을 이용하여 제조한 여과필터는 다양한 실내외 공간에 존재하는 휘발성 유기화합물 (VOC) 및 중금속과 같은 오염물질의 여과에 한계가 있을 것으로 예상되며, 이를 해결하기 위하여 목섬유에 VOC 및 중금속 흡착성능이 우수한 활성탄을 매질로 첨가하여 섬유판 형태로 제조하는 방안을 강구한다. 여과필터 제조에 사용되는 활성탄은 경제성 및 폐기물의 재자원화 측면을 고려하여 미활용 목재부산물을 원료로 이용하는 방안이 제기되었다. 목섬유와 목질계 활성탄으로 제조한 여과필터는 섬유판 형태인 관계로 일정 수준의 강도를 보유해야 하며, 이를 위하여 접착제의 적용이 요구된다. 여과필터 제조에 사용되는 섬유원료가 탄소중립의 목질계 자원이므로 사용/수거된 필터는 고체 바이오연료로 사용이 가능하며, 따라서 기존 섬유판 제조에 사용되는 석유화학계 합성수지 접착제가 아닌 천연 접착제를 이용하여 제조하는 방안이 대두되었다. 천연 접착제로 제조한 여과필터를 고체 연료로 사용할 경우, 연소시 유독성 가스 및 이산화탄소 발생량의 최소화가 가능하다. 또한 접착제의 원료로 생활/도축/산업 폐기물을 이용하면 쓰레기 발생량의 감축과 함께 폐기물 자원의 효율적인 재자원화 및 부가가치화 외에 매우 저렴한 비용으로 여과필터의 생산이 가능할 것으로 판단된다. 이와 같은 조건을 충족하는 원료로 국내외에서 폐기물로서 대량으로 발생하는 인모, 돈모, 돈혈, 목재 수피를 접착제의 원료로 사용하는 방안이 제안되었다.It is necessary to develop a technology to replace the raw material of the filtration filter, which is currently mainly made of non-woven fabric, which is a synthetic fiber, with renewable vegetable fibers. Among vegetable fibers, wood fiber is judged to be the most suitable as a raw material for filtration filters based on the domestic supply amount and price. This method is uneconomical in terms of manufacturing cost because it requires a multi-step process. Therefore, the present invention focused on a method of manufacturing wood fibers in the form of low-density fiberboards and using them as a filtration filter. However, filtration filters manufactured using only wood fibers are expected to have limitations in filtration of contaminants such as volatile organic compounds (VOC) and heavy metals present in various indoor and outdoor spaces. A method for producing a fiberboard form by adding excellent activated carbon as a medium is devised. In consideration of the economic feasibility and recycling of waste, the activated carbon used in the manufacture of filtration filters has been proposed to use unutilized wood by-products as raw materials. A filter made of wood fiber and wood-based activated carbon must have a certain level of strength because it is in the form of a fiberboard, and for this purpose, an adhesive is required. Since the fiber raw material used to manufacture the filter filter is a carbon-neutral wood-based resource, the used/collected filter can be used as a solid biofuel. A way to do this has been suggested. When a filter made of natural adhesive is used as a solid fuel, it is possible to minimize the amount of toxic gas and carbon dioxide generated during combustion. In addition, if household/slaughter/industrial wastes are used as raw materials for adhesives, it is judged that the production of filtration filters will be possible at very low cost in addition to the efficient recycling of waste resources and added value along with the reduction of the amount of waste generated. As a raw material that satisfies these conditions, it has been proposed to use human hair, pig hair, pig blood, and wood bark, which are generated in large quantities as waste at home and abroad, as raw materials for adhesives.

이하 구체적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하지만 이에 국한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples, but is not limited thereto.

재료 및 방법Materials and Methods

1.1 공시재료1.1 Disclosure material

섬유판 형태의 여과필터 제조에 사용된 목섬유(함수율: 10 ± 1%)와 emulsion 왁스(고형분 함량: 43 ± 1%)는 ㈜ 유니드(전북, 군산)에서 무상으로 공급받아 사용하였다. Wood fiber (moisture content: 10 ± 1%) and emulsion wax (solid content: 43 ± 1%) used to manufacture fiberboard-type filtration filters were supplied free of charge from UNID (Jeonbuk, Gunsan) and used.

접착제 원료로 사용된 인모 (HH)는 전북대학교 전주캠퍼스 인근 미용실에서 무상으로 확보한 후, 일반 가위로 1 cm 정도의 크기로 절단하여 전처리없이 접착제 조제에 이용하였다. 돈모 (PH)와 돈혈 (PB)은 전북 김제시 소재 목우촌에서 무상으로 공급받아 사용하였다. 수거된 PH는 1주일 이상 자연건조하여 함수율을 9 ± 1%로 조절하였으며, 이를 인모와 동일하게 일반 가위로 1 cm 정도의 크기로 절단하여 접착제 원료로 사용하였다. PB의 경우, 추가공정 없이 접착제 원료로 사용하였다. 대부분 단백질 성분으로 구성된 접착제에 강도 향상을 위하여 산림조합중앙회 동부목재유통센터(강원, 동해)에서 무상으로 공급받은 낙엽송 수피의 열수 추출물을 첨가하였다. Human hair (HH) used as an adhesive raw material was obtained free of charge from a beauty salon near the Jeonju campus of Chonbuk National University, and then cut to a size of about 1 cm with ordinary scissors and used for adhesive preparation without pretreatment. Pig hair (PH) and pig blood (PB) were used free of charge from Mokwoo Village in Gimje-si, Jeollabuk-do. The collected PH was dried naturally for at least one week to adjust the moisture content to 9 ± 1%, and it was cut into a size of about 1 cm with ordinary scissors in the same way as human hair and used as an adhesive raw material. In the case of PB, it was used as an adhesive raw material without additional processing. In order to improve the strength of the adhesive, which is mostly composed of protein, hot water extract of larch bark, which was supplied free of charge from the Dongbu Wood Distribution Center (Gangwon, Donghae) of the Korea Forestry Cooperative Federation, was added.

HH, PH, PB의 가수분해에 이용된 수산화나트륨, 수산과 방부를 목적으로 첨가된 붕산나트륨은 랩스토리사이언스(충북, 청주)에서 화학실험용 시약을 구입하여 사용하였다. 섬유판 필터의 방염성능 부여를 위하여 접착제에 첨가한 인산계 방염제는 ㈜ 행복홈우드테크 (전남, 무안)에서 공급받아 사용하였다. 한편, 조제된 단백질계 천연접착제와 접착능 비교를 위하여 대조구로 사용된 석탄산수지 (phenol formaldehyde, 이하 PF)는 50%의 고형분 함량과 200 m·Pa·s의 점도를 보유한 것으로 강남화성(경기, 안양)에서 구입하였다.Sodium hydroxide used for hydrolysis of HH, PH, PB, oxalic acid and sodium borate added for preservative purposes were purchased from Lab Story Science (Chungbuk, Cheongju) and used as reagents for chemical experiments. Phosphoric acid-based flame retardant added to the adhesive to impart flame-retardant performance to the fiberboard filter was supplied from Happy Home Wood Tech (Jeonnam, Muan) and used. On the other hand, phenol formaldehyde (hereinafter PF) used as a control to compare the adhesive properties with the prepared protein-based natural adhesive had a solids content of 50% and a viscosity of 200 m Pa s. Anyang).

섬유판 필터 내에서 VOC와 중금속 흡착을 위하여 첨가된 활성탄은 국내 미이용 목재부산물인 낙엽송 및 편백나무 수피를 이용하여 제조하였는데 각각 산림조합중앙회 동부목재유통센터와 ㈜ 행복홈우드테크(전남, 무안)에서 무상으로 공급받았다. 또한 육류 구이용 굴참나무 숯을 제조하는 좋은참숯(서울, 송파)에서 부분적으로 수피를 포함하고 있어 판매되지 않는 숯 (cork oak active-carbon, COA)을 무상으로 공급받아 활성탄으로 사용하였다. 낙엽송 수피 (larch bark active-carbon, LBA) 및 편백나무 수피 활성탄 (cypress bark active-carbon, CBA), COA의 VOC 및 중금속에 대한 흡착능 비교를 위하여 야자각 활성탄 (coconut shell active-carbon, CSA)과 S사 공기청정기용 일체형 필터에 내장된 활성탄을 ㈜ 에코생활건강(대구, 남구)과 S사 인터넷 쇼핑몰에서 각각 구입하여 대조구로 사용하였다.Activated carbon added to adsorb VOC and heavy metals in the fiberboard filter was manufactured using the bark of larch and cypress, which are domestic unused wood by-products. was supplied with In addition, good charcoal (Seoul, Songpa), which manufactures oyster oak charcoal for grilling meat, partially contains bark, so charcoal (cork oak active-carbon, COA), which is not sold, was supplied free of charge and used as activated carbon. To compare the adsorption capacity of larch bark (LBA), cypress bark active-carbon (CBA), and COA on VOC and heavy metals, coconut shell active-carbon (CSA) and Activated carbon embedded in the integrated filter for S company's air purifier was purchased from Eco Household & Health Care (Daegu, Nam-gu) and S company's internet shopping mall, respectively, and used as a control.

1.2 접착제 성분의 준비1.2 Preparation of Adhesive Components

HH 및 PH를 접착제의 원료로 사용하기 위하여 액화가 필요하며, 이를 위하여 5% 농도의 NaOH (AK) 수용액(350 ml)에 200 g의 HH와 PH를 각각 천천히 투입하였으며, 95 ± 2.5 ℃에서 240분간 가수분해반응을 수행하였다 (Yang & Ahn, 2017; Park et al., 2017). 가수분해 반응 중에 발생하는 거품을 제거하기 위하여 일신화학(경북, 고령)에서 제조한 소포제(Defoamer-NW)를 3 ml 용량의 플라스틱 스포이드를 이용하여 15 drop을 첨가하였다. 가수분해 반응으로 얻은 인모 (HH-AK) 및 돈모 알칼리 가수분해물 (PH-AK)의 고형분 함량은 35 - 40%, pH는 약 12.8, 점도는 25 ℃에서 500 m·Pa·s 범위로 측정되었으며, 불충분하게 가수분해된 인모와 돈모는 선별과정을 통하여 제거함으로서 분사에 있어 분사구가 막히는 등의 문제가 전혀 발생하지 않았다.Liquefaction is required to use HH and PH as raw materials for adhesive. For this purpose, 200 g of HH and PH were slowly added to a 5% concentration of NaOH (AK) aqueous solution (350 ml), respectively, at 95 ± 2.5 ℃ 240 Minute hydrolysis was performed (Yang & Ahn, 2017; Park et al., 2017). In order to remove the foam generated during the hydrolysis reaction, 15 drops of an antifoaming agent (Defoamer-NW) manufactured by Ilshin Chemical (Gyeongbuk, Goryeong) was added using a plastic dropper with a capacity of 3 ml. The solids content of human hair (HH-AK) and pig hair alkali hydrolyzate (PH-AK) obtained by the hydrolysis reaction was 35 - 40%, pH was about 12.8, and the viscosity was measured in the range of 500 m Pa s at 25 ° C. , and insufficiently hydrolyzed human hair and pig hair were removed through the screening process, so there was no problem such as clogging of the nozzle during spraying.

PB는 HH 및 PH와 달리 액상인 관계로 충분히 교반시킨 후, 직접 가수분해 반응을 실시하였다. HH-AK와 PH-AK의 pH가 12 이상인 관계로 경화반응의 단축을 위하여 pH를 낮추는 경화제의 첨가 필요성에 제기되었으며, 결과적으로 PB의 산가수분해물을 경화제로 사용하였다. PB의 산가수분해물 (PB-AC)은 단백질계 천연접착제를 이용하여 제조한 섬유판 필터의 사용 및 수거 이후, 화력발전소 등의 고체 바이오 연료로 제공하기 위하여 염소, 황, 질소를 함유한 무기산이 아닌 유기산인 수산 (HOOCCOOH)으로 반응시켰다. 가수분해 반응은 충분히 교반한 PB에 PB 고형분 함량 기준 5%의 수산을 첨가한 후, 90 ± 5 ℃에서 0.5시간 동안 반응시켜 가수분해물 (PB-AC)을 얻었다 (Yang et al., 2017; Yang & Ahn, 2017). PB-AC의 고형분 함량은 19.3%, pH는 2.1로 측정되었으며, 반응의 종료와 함께 진흙과 같은 형태가 되어 점도의 측정은 불가하였다.Unlike HH and PH, PB was sufficiently stirred because it was in a liquid phase, and then directly hydrolyzed. Since the pH of HH-AK and PH-AK was 12 or higher, the necessity of adding a curing agent to lower the pH was raised to shorten the curing reaction, and as a result, an acid hydrolyzate of PB was used as a curing agent. Acid hydrolyzate (PB-AC) of PB is a non-organic acid containing chlorine, sulfur, and nitrogen to provide as a solid biofuel for thermal power plants after use and collection of a fiberboard filter manufactured using a natural protein-based adhesive It was reacted with an organic acid, oxalic acid (HOOCCOOH). The hydrolysis reaction was performed by adding 5% oxalic acid based on the PB solid content to sufficiently stirred PB, and then reacting at 90 ± 5 ° C. for 0.5 hours to obtain a hydrolyzate (PB-AC) (Yang et al., 2017; Yang et al., 2017; Yang & Ahn, 2017). The solid content of PB-AC was measured to be 19.3%, and the pH was measured to be 2.1, and it was impossible to measure the viscosity because it became mud-like upon completion of the reaction.

단백질계 성분만으로 구성된 접착제를 섬유판 제조에 사용할 경우, 강도 저하가 우려되어 수피에서 탄닌과 같은 phenolic compounds 들을 추출하여 접착제에 첨가하였다. 이를 위하여 일정한 크기로 파쇄된 낙엽송 수피를 95 ± 2 ℃의 열수에서 4시간 동안 일차적으로 반응시킨 후, 증발과정을 통하여 농축된 가수분해물 (LB-HE)을 얻었다. 이렇게 얻은 LB-HE의 고형분 함량은 38% 내외, 점도는 1,000 m·Pa·s 이상, pH는 5.4로 측정되었다. 이와 같은 추출과정은 긴 시간이 소요되고, 확보할 수 있는 양이 적어 이에 대한 해결방안으로 건강원에 의뢰하여 LB-HE를 대량으로 확보하였으며, 구체적인 방법은 다음과 같다. 약 7 kg의 낙엽송 수피를 열탕기(50 liter)에 충분한 물과 함께 넣은 후, 120 ℃에서 1시간 동안 반응시키고, 그 상태에서 overnight 유지하였다. 액상의 추출액 외에 열수추출한 수피를 압착기에 넣어 추가적으로 액상 추출액을 확보하였다. 이 액상 추출액을 선별체로 3회에 걸쳐 크기가 큰 잔사를 제거한 후, 파우치로 포장하였다. 파우치에 보관된 LB-HE의 고형분 함량은 5% 정도로 접착제 조제에 앞서 증발과정을 통하여 38% 내외로 농축하여 접착제 조제에 사용하였다. 실험실에서 추출하여 얻은 LB-HE는 상온에서 보관할 경우 단기간에 부패가 발생하였으나, 건강원에서 대량으로 조제한 LB-HE는 파우치로 포장되어 있어 상온에서 부패없이 6개월 이상 보관이 가능하였다. When an adhesive composed of only protein-based components is used to manufacture fiberboard, phenolic compounds such as tannins were extracted from the bark and added to the adhesive because of concerns about a decrease in strength. For this, larch bark crushed to a certain size was first reacted in hot water at 95 ± 2 °C for 4 hours, and then concentrated hydrolyzate (LB-HE) was obtained through evaporation. The LB-HE thus obtained had a solid content of about 38%, a viscosity of 1,000 m·Pa·s or more, and a pH of 5.4. This extraction process takes a long time and the amount that can be secured is small, so as a solution to this, a large amount of LB-HE was obtained by requesting a health center. The specific method is as follows. After putting about 7 kg of larch bark in a boiling water heater (50 liter) with sufficient water, it was reacted at 120° C. for 1 hour, and maintained overnight in that state. In addition to the liquid extract, the hot water extracted bark was placed in a press to additionally secure the liquid extract. After removing large-sized residues from this liquid extract three times with a sorter, it was packaged in a pouch. The solid content of LB-HE stored in the pouch was about 5%, and it was concentrated to around 38% through an evaporation process prior to adhesive preparation and used for adhesive preparation. LB-HE obtained by extraction in the laboratory deteriorated in a short period of time when stored at room temperature, but LB-HE prepared in large quantities at the Health Center was packaged in a pouch and could be stored at room temperature for more than 6 months without spoilage.

1.3 접착제 조제1.3 Adhesive preparation

섬유판 필터의 제조를 위한 접착제는 HH-AK, PH-AK, PB-AC 및/또는 LB-HE를 반응시켜 조제하였다. 선행연구 결과를 통하여 HH-AK/PH-AK/PB-AC/LB-HE를 고형분 함량 기준 40/40/10/10, 40/40/20/0, 35/35/10/20, 35/35/20/10 (wt%/wt%/wt%/wt%)로 조절하여 접착제를 조제하였다 (Yang et al., 2014; Park et al., 2017; Yang & Ahn 2017; Yang et al., 2017; Yang et al., 2018). 한편, 접착제의 주성분이 단백질인 관계로 부패 가능성이 있어 20% 농도의 붕산나트륨 수용액을 조제한 후, 적용에 앞서 접착제에 15 drops를 첨가하였다. 유럽연합의 경우, 현재 borates의 식품용 방부제로서 사용을 금지하고 있으나, 그 외의 많은 지역과 국가에서는 다양한 용도의 방부제 원료로서 첨가되고 있어 인체에 무해할 것으로 사료되어 사용하였다 (Thevenon et al., 2010). 제조될 섬유판 필터에 방염성능 부여를 위하여 인산계 방염제 용액을 ㈜ 행복홈우드테크에서 제공받아 접착제에 15 drops 첨가하였다.The adhesive for the manufacture of a fiberboard filter was prepared by reacting HH-AK, PH-AK, PB-AC and/or LB-HE. According to the results of previous studies, HH-AK/PH-AK/PB-AC/LB-HE based on the solid content of 40/40/10/10, 40/40/20/0, 35/35/10/20, 35/ The adhesive was prepared by adjusting 35/20/10 (wt%/wt%/wt%/wt%) (Yang et al., 2014; Park et al., 2017; Yang & Ahn 2017; Yang et al., 2017; Yang et al., 2018). On the other hand, since the main component of the adhesive is protein, there is a possibility of spoilage. After preparing an aqueous solution of sodium borate having a concentration of 20%, 15 drops were added to the adhesive prior to application. In the case of the European Union, the use of borates as a food preservative is currently prohibited, but in many other regions and countries, it is added as a preservative material for various uses, so it was used because it was considered harmless to the human body (Thevenon et al., 2010). ). In order to impart flame-retardant performance to the fiberboard filter to be manufactured, a phosphoric acid-based flame-retardant solution was provided from Happy Home Wood Tech, and 15 drops were added to the adhesive.

1.4 활성탄의 제조 및 원소 분석1.4 Preparation of Activated Carbon and Elemental Analysis

LBA와 CBA의 대량확보를 위하여 200 리터 용량의 철재 드럼통을 사용하였으며, 그 과정은 다음과 같다. 드럼통의 상부 및 하부를 절단한 후, 내부 모서리에 받침대로 2.5 cm 높이의 4개의 불목을 세웠다. 불목 위에 개방된 75 리터 드럼통을 올리고 탄화에 사용할 원료의 양을 조절하기 위하여 그 내부에 석쇠를 칸막이로 이용하였다. 드럼통 상부가 외부로 향하도록 공구를 이용하여 최대한 구부려 치마 드럼통이 걸치게 한 후, 기화된 물질의 배출을 위하여 드럼통 상부에 직경 60 mm의 철 파이프를 설치하여 배기구로 사용하였다. 드럼통 3분의 2 하부지점에 탄화로를 매설하고, 그 주위에 소석회 1 파트, 연탄재 2 파트, 황토 1 파트로 구성된 내용물을 채웠다. 연탄 또는 갈탄을 이용하여 48시간에 걸쳐 서서히 탄화 및 냉각시켜 다양한 종류의 LBA 및 CBA를 얻었다 (Figure 1). 한편 무상으로 제공받은 COA는 현재 판매 중에 있어 제공업체로부터 제조과정을 구체적으로 확보할 수 없었으나, 숯가마에서 높은 탄화 온도 및 긴 탄화 시간의 적용과 함께 대량 제조되는 것으로 확인하였다.A 200-liter capacity steel drum was used to secure large amounts of LBA and CBA, and the process is as follows. After cutting the upper and lower parts of the drum, 4 firewoods with a height of 2.5 cm were erected on the inner corners as pedestals. An open 75 liter drum was placed on the firewood and a grill was used as a partition to control the amount of raw material used for carbonization. After bending the drum as much as possible using a tool so that the upper part of the drum faces outward, the skirt drum was hung, and an iron pipe with a diameter of 60 mm was installed on the upper part of the drum to discharge the vaporized material and used as an exhaust port. The carbonization furnace was buried in the lower part of the two-thirds of the drum, and the contents consisting of 1 part of slaked lime, 2 parts of briquettes, and 1 part of loess were filled around it. Various types of LBA and CBA were obtained by slowly carbonizing and cooling using briquettes or lignite over 48 hours (Figure 1). On the other hand, the COA, which was provided free of charge, was currently on sale, so it was not possible to secure the specific manufacturing process from the provider, but it was confirmed that it was mass-produced with the application of high carbonization temperature and long carbonization time in a charcoal kiln.

각 활성탄의 원소분석을 위하여 시료를 1,014 ℃의 온도에서 연소시켜 석영관의 구리층을 통과시키면서 조성 원소별로 분석에 용이한 기체분자 (CO2, N2, H2O)로 전환하였다. 이 혼합가스를 gas chromatography column에 통과시키면서 각각을 분리한 후, 열전도검출기 (Thermal Conductivity Detector)에 의하여 전기신호로 정량적으로 변환하였다. 마지막으로 표준시료를 이용하여 검량곡선을 작성한 후, 각 시료별 탄소, 수소, 질소의 함유량을 측정하였으며, 원소 분석의 결과는 3회 반복의 평균값으로 표시하였다.For elemental analysis of each activated carbon, the sample was burned at a temperature of 1,014 ° C. and passed through the copper layer of the quartz tube, and converted into gas molecules (CO 2 , N 2 , H 2 O) that are easy to analyze for each constituent element. After passing this mixed gas through a gas chromatography column, each was separated, and then quantitatively converted into an electrical signal by a Thermal Conductivity Detector. Finally, after creating a calibration curve using a standard sample, the carbon, hydrogen, and nitrogen contents of each sample were measured, and the result of elemental analysis was expressed as an average value of three repetitions.

1.5 활성탄의 중금속 및 휘발성 유기화합물 1.5 Heavy Metals and Volatile Organic Compounds in Activated Carbon 흡착능adsorption capacity 평가 방법 Assessment Methods

흡착능의 평가에 앞서 95 ± 2.5 ℃의 오븐에서 overnight 보관한 활성탄 50 g를 부직포 봉지에 넣은 후, 지퍼백에 밀봉하여 보관하였다. 이를 다양한 실내외 공간(흡연실, 금속가공업체, 전철역 인근 건물 복도, 제재소, 지하주차장)에 1주일 이상 노출시킨 후, 회수하여 환경보건법 시행령에 따라 활성탄에 흡착된 납, 구리, 철, 알루미늄, 크롬, 아연의 양을 측정하였다. 즉 노출이 종료된 활성탄을 65%의 질산용액 (HNO3)을 이용하여 회분을 제외한 모든 성분을 제거한 후, 증류수로 희석한 용액을 조사된 각 원소의 검출 파장에 따라 Inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometer (Perkin-Elmer Optima 4300 DV)를 이용하여 수행하였다. 예를 들면 구리의 함량은 324.8 nm의 파장에 탐지되는 양을 조사하여 얻었다.Prior to evaluation of adsorption capacity, 50 g of activated carbon stored overnight in an oven at 95 ± 2.5 °C was placed in a non-woven bag, and then sealed and stored in a zipper bag. After exposing them to various indoor and outdoor spaces (smoking rooms, metal processing companies, building corridors near subway stations, sawmills, underground parking lots) for more than a week, they are recovered, and lead, copper, iron, aluminum, chrome, The amount of zinc was measured. That is, after removing all components except ash from the activated carbon after exposure has been completed using a 65% nitric acid solution (HNO 3 ), a solution diluted with distilled water is inductively coupled plasma (ICP) emission according to the detection wavelength of each element irradiated. It was performed using a spectrometer (Perkin-Elmer Optima 4300 DV). For example, the copper content was obtained by irradiating the amount detected at a wavelength of 324.8 nm.

활성탄에 흡착된 VOC 양을 측정하기 위하여 중금속 흡착능 측정에 사용된 활성탄 시료를 스텐레스 스틸 재질로 제작된 마이크로 챔버에 넣고 고순도 질소로 120 mL/min 유속으로 purge 하면서 50, 100, 150 ℃ 온도를 유지하여 발생하는 기체를 100 mL/min 유속으로 10분 동안 Tenax TA 흡착관으로 포집하여 열탈착-기체크로마토그래프-MS법을 응용하여 VOC를 정량적으로 분석하였다. 활성탄의 VOCs 흡착 성능 시험법은 외부 환경에 노출시키지 않은 활성탄 시료를 고정틀에 넣고 액상 VOCs (벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스틸렌) 표준물질을 200 ℃에서 기화시킨 후, 100 mL/min 유속으로 활성탄 시료가 설치된 고정틀에 통과시켰다. 이렇게 활성탄 통과 전·후 기체 샘플을 Tenax TA 흡착관으로 포집하여 열탈착 GC/MS를 이용하여 정량 분석하였다. In order to measure the amount of VOC adsorbed on the activated carbon, the activated carbon sample used for measuring the heavy metal adsorption capacity is placed in a microchamber made of stainless steel and purged with high-purity nitrogen at a flow rate of 120 mL/min while maintaining the temperature at 50, 100, and 150 ℃. The generated gas was collected with a Tenax TA adsorption tube for 10 minutes at a flow rate of 100 mL/min, and the VOC was quantitatively analyzed by applying the thermal desorption-gas chromatography-MS method. For the VOCs adsorption performance test method of activated carbon, an activated carbon sample that has not been exposed to the external environment is placed in a fixed frame, liquid VOCs (benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, styrene) standard material is vaporized at 200 °C, and then the flow rate is 100 mL/min. The activated carbon sample was passed through a fixed frame installed. In this way, gas samples before and after passing through the activated carbon were collected with a Tenax TA adsorption tube and quantitatively analyzed using thermal desorption GC/MS.

VOCs 정량 평가를 위한 방법은 실내공기질공정시험기준 (2020) 실내 및 건축자재에서 방출되는 휘발성유기화합물 측정방법 - 고체흡착관과 기체크로마토그래프 - MS,FID법 (ES 02602.1c)을 사용하였다. As a method for quantitative evaluation of VOCs, the Indoor Air Quality Process Test Standard (2020) Measuring method of volatile organic compounds emitted from indoor and building materials - Solid adsorption tube and gas chromatography - MS, FID method (ES 02602.1c) was used.

1.6 섬유판 필터의 제조1.6 Manufacture of Fibreboard Filters

섬유판 필터의 목표밀도 결정을 위하여 다양한 함지율 (4, 8, 10, 14%)에서 6, 10 또는 12분의 열압시간, 열압기의 온도 및 압력을 각각 180 ℃와 24 kg/cm2로 고정한 상태에서 섬유판에서 활성탄이 차지하는 양을 30 wt%, 40 wt% 또는 50 wt%로 조절한 후, 다양한 목표밀도(100, 125, 150, 180, 200, 250, 300 kg/m3)로 1 cm 두께의 섬유판(25 cm x 25 cm)을 폐쇄형 열압기를 이용하여 제조하였다. 이렇게 제조된 섬유판의 강도와 통기성 결과를 토대로 섬유판 필터의 목표밀도를 200 kg/m3 이상으로 결정하였다. 그러나 이렇게 제조한 섬유판의 통기성이 낮았으며, 이를 해결하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 최대 64개의 원추형 통기구(직경: 10 mm 이하)를 보유한 섬유판을 제조할 수 있는 spiked caul plate를 특수 stainless steel로 제작하였다. 이를 이용하여 아래와 같은 방법으로 섬유판 필터를 제조하였다. In order to determine the target density of the fiberboard filter, 6, 10 or 12 minutes of hot pressing time at various loading rates (4, 8, 10, 14%), and the temperature and pressure of the thermopresser were fixed at 180 ℃ and 24 kg/cm 2 , respectively. After adjusting the amount of activated carbon in the fiberboard to 30 wt%, 40 wt%, or 50 wt% in the state of A thick fiberboard (25 cm x 25 cm) was prepared using a closed thermopresser. Based on the strength and air permeability results of the fiberboard thus prepared, the target density of the fiberboard filter was determined to be 200 kg/m 3 or more. However, the air permeability of the fiberboard manufactured in this way was low. produced. Using this, a fiberboard filter was manufactured in the following manner.

정해진 치수와 목표밀도에 따라 일정량의 목섬유를 60 리터의 플라스틱 통에 넣고, 고점도 페인트용 분무기를 사용하여 목섬유의 전건중량 대비 2%의 왁스 emulsion을 분사한 후, 정해진 함지율로 계산된 양의 접착제를 분사하였다. 성형과정을 설명하면, 먼저 접착제가 분사된 전체 목섬유 중량의 25%를 spiked caul plate가 놓인 열압틀에 일정하게 분산시키면서 성형한 후, 그 위에 전체 목섬유 중량의 50%와 활성탄의 혼합물을 순차적으로 성형하였으며, 마지막으로 나머지 25% 중량의 목섬유를 그 위에 성형하였다. 성형이 완료된 목섬유와 활성탄 매트 위에 flat caul plate를 올려놓은 후, 180 ℃의 열압기 온도, 24 kg/cm2의 압력에서 12분간 열압을 실시하였다. 한편 대조구로 사용된 PF 수지는 동일한 조건의 열압기 온도와 압력으로 5%의 함지율로 7분간 열압하여 섬유판을 제조하였다. 섬유판 필터는 각 조건마다 2 - 3개씩 제조하였으며, 24시간 이상 항온항습실에서 방치한 후, 지퍼백에 넣어 성능시험 시까지 보관하였다.According to the specified dimensions and target density, a certain amount of wood fiber is put into a 60 liter plastic barrel, and 2% of wax emulsion is sprayed based on the total dry weight of the wood fiber using a high-viscosity paint sprayer. was sprayed. To explain the molding process, first, 25% of the total weight of wood fibers sprayed with adhesive is uniformly dispersed in a hot-pressing mold on which a spiked caul plate is placed, and then a mixture of 50% of the total weight of wood fibers and activated carbon is sequentially molded thereon. and finally, the remaining 25% of the weight of wood fiber was molded thereon. After placing the flat caul plate on the finished wood fiber and activated carbon mat, hot pressing was performed for 12 minutes at a thermopresser temperature of 180 °C and a pressure of 24 kg/cm 2 . On the other hand, the PF resin used as a control was hot-pressed for 7 minutes with a 5% coverage ratio under the same thermopresser temperature and pressure to prepare a fiberboard. Two to three fiberboard filters were prepared for each condition, and after being left in a constant temperature and humidity room for more than 24 hours, they were placed in a zipper bag and stored until the performance test.

1.7 섬유판 필터의 강도 비교 및 오염물질 방출량 측정1.7 Comparison of strength of fiberboard filters and measurement of pollutant emissions

제조된 섬유판 필터의 강도는 국립산림과학원 고시 "목재제품의 규격과 품질기준"에 따라 시험편의 표면에 평균 10 min/mm의 속도로 하중을 가하면서 휨강도를 측정하여 종류별로 비교하였다 (국립산림과학원, 2015). 오염물질 방출량은 친환경건축자재 인증용 시험방법에 의거하여 측정하였다. 국립환경과학원에서 고시한 실내공기질공정시험기준(2020-19호) 건축자재 방출 휘발성 유기화합물 및 폼알데하이드 시험방법-소형챔버법(ES 02131.1d)에 따라 측정하였다. 방출시험은 소형방출시험챔버 내 온도 (25 ± 1.0) ℃ 상대습도 (50 ± 5) % 조건에서 섬유판을 7일 동안 노출시킨 후, 총 휘발성 유기화합물 (TVOC, 분자량 C6 ~ C16 사이 물질의 총합), 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스틸렌, 폼알데하이드 및 아세트알데하이드 방출량을 측정하였다.The strength of the manufactured fiberboard filter was compared by type by measuring the flexural strength while applying a load to the surface of the test piece at an average speed of 10 min/mm according to the "Standards and Quality Standards for Wood Products" announced by the National Institute of Forest Science (National Institute of Forestry and Science) , 2015). The amount of pollutant emission was measured according to the test method for certification of eco-friendly building materials. It was measured according to the Indoor Air Quality Process Test Standard (No. 2020-19) announced by the National Academy of Environmental Sciences (No. 2020-19), the test method for volatile organic compounds and formaldehyde in building materials - the small chamber method (ES 02131.1d). The release test was conducted after exposing the fiberboard for 7 days at the temperature (25 ± 1.0) ℃ relative humidity (50 ± 5) % in a small release test chamber, and the total volatile organic compounds (TVOC, molecular weight between C 6 and C 16 ) total), benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, styrene, formaldehyde and acetaldehyde emissions were measured.

1.8 섬유판 필터의 미세먼지 1.8 Fine dust from fiberboard filters 흡진능absorbency 평가 evaluation

국립환경과학원고시 (제2020-30호) 대기오염공정시험기준에 환경대기 중 먼지 측정 방법-고용량 공기시료채취기법 (ES 01604.1)에 의해 수행하였다.According to the National Institute of Environmental Sciences Notice (No. 2020-30) Air Pollution Process Test Criteria, the dust measurement method in the environment-high-capacity air sampling method (ES 01604.1) was performed.

(20 ± 5) ℃, (20 ± 5) %에서 7일 이상 항온·항습을 처리한 섬유판, 한지, 먼지측정용 석영필터의 무게를 측정하였다. 미세먼지 주의보가 발령된 날에 서울시 관악구 신림동 서울대학교 201동 2층 외부에서 8시간동안 500 L/min 유량으로 먼지를 포집하고 다시 항온·항습 처리한 후, 무게변화의 측정을 통하여 미세먼지 흡진능을 조사하였다.The weights of fiberboard, Korean paper, and quartz filter for dust measurement were measured at (20 ± 5) ℃, (20 ± 5) % for 7 days or more. On the day the fine dust advisory was issued, dust was collected from the outside on the 2nd floor of Seoul National University Building 201, Sillim-dong, Gwanak-gu, Seoul at a flow rate of 500 L/min for 8 hours, and then subjected to constant temperature and humidity treatment again. was investigated.

결과 및 고찰Results and Discussion

1.1 활성탄의 중금속 1.1 Heavy Metals in Activated Carbon 흡착능adsorption capacity

다양한 실내외 공간에 노출시킨 활성탄의 중금속 흡착능 측정결과, 야자각 활성탄 (CSA)의 경우, 비노출 CSA와 비교하여 흡연실과 지하주차장에 노출시킨 시료에서 낮은 알루미늄 함량을 제외하고 모든 시료에서 중금속을 많이 흡착한 것으로 나타났다. 특히 옥외 지하철역에서 약 30 m 거리에 있는 건물의 개방된 창과 연결된 통로와 제재소에서 노출한 CSA에서 비노출 CSA보다 10배 정도 많은 철 및 알루미늄이 흡착된 것으로 측정되어 환기가 어려운 지하철 전동차 및 승강장 내에 많은 중금속이 존재할 것으로 예상된다. As a result of measuring the heavy metal adsorption capacity of activated carbon exposed to various indoor and outdoor spaces, in the case of coconut shell activated carbon (CSA), compared to non-exposed CSA, all samples except for the low aluminum content in the samples exposed to smoking rooms and underground parking lots adsorbed a lot of heavy metals. appeared to be In particular, it was measured that 10 times more iron and aluminum than unexposed CSA were adsorbed in the passageway connected to the open window of the building about 30 m away from the outdoor subway station and in the CSA exposed at the sawmill. is expected to exist.

1.2 활성탄의 휘발성 유기화합물 1.2 Volatile Organic Compounds in Activated Carbon 흡착능adsorption capacity

실내외 공간에 노출시킨 활성탄에 흡착된 VOC는 50 ℃ 및 100 ℃에서 기화시킨 노출-활성탄에서 검출되지 않았다. 이는 활성탄에 물리화학적으로 결합된 VOC가 충분하지 않아 발생한 결과라 추정된다. 한편 150 ℃에서 기화시킨 노출 활성탄에서는 TVOC와 일부 5VOC가 검출되었다.VOCs adsorbed on activated carbon exposed to indoor and outdoor spaces were not detected in exposed-activated carbon vaporized at 50°C and 100°C. This is presumed to be the result of insufficient VOC physically and chemically bound to the activated carbon. On the other hand, TVOC and some 5VOC were detected in exposed activated carbon vaporized at 150 °C.

활성탄에 흡착된 VOC를 정확하게 측정하기 위하여 활성탄의 VOC 흡착능을 측정하기 전에 오븐에 넣어 충분히 정화시킨 시료에 기화시킨 VOC를 강제로 통과시켜 통과 전후의 VOC 양을 측정하였다. 그 결과를 보면, CSA, COA, SAA는 99% 이상의 5VOC를 흡착하는 것으로 측정되었다. 그러나 LBA와 CBA의 5VOC 흡착량은 각각 76.0%와 35.2%로 타 활성탄과 비교하여 매우 낮았다. 또한 TVOC 흡착능도 COA가 98.5%로 가장 높았으며, CSA (97.2%), SAA (93.0%) 순으로 나타났으며, LBA와 CBA의 TVOC 흡착능은 5VOC의 결과와 유사하였다. 따라서 COA를 이용하여 섬유판 필터를 제조할 경우 대기 중에 존재하는 VOC를 저감시킬 것으로 생각한다. 한편 LBA와 CBA의 낮은 VOC 흡착능은 발열량이 낮은 연탄의 이용으로 충분히 탄화되지 않아 발생한 결과라 판단되어 높은 발열량을 가진 갈탄을 이용하여 탄화하였다. 이렇게 제조된 LBA-L과 CBA-L의 VOC 흡착능을 측정한 결과를 보면, TVOCs 흡착능은 각각 92.0%와 95.5%로 LBA 및 CBA보다 크게 증가하였으며, SAA보다 높은 것으로 측정되었다. 또한 CSA 또는 COA보다 높거나 차이가 없는 TVOC 및 5VOC 흡착능을 나타내었다. 이 결과를 토대로 낙엽송 및 편백 수피를 활성탄 원료로 이용하기 위하여 갈탄을 이용한 탄화가 필요하다는 결론을 얻었다. In order to accurately measure the VOC adsorbed on the activated carbon, before measuring the VOC adsorption capacity of the activated carbon, the vaporized VOC was forcibly passed through the sample thoroughly purified by putting it in an oven to measure the amount of VOC before and after passing. Looking at the results, it was measured that CSA, COA, and SAA adsorbed more than 99% of 5VOC. However, the adsorption amount of 5VOC of LBA and CBA was 76.0% and 35.2%, respectively, which was very low compared to other activated carbons. In addition, the TVOC adsorption capacity of COA was highest at 98.5%, followed by CSA (97.2%) and SAA (93.0%). The TVOC adsorption capacity of LBA and CBA was similar to that of 5VOC. Therefore, when manufacturing a fiberboard filter using COA, it is thought that VOC present in the atmosphere will be reduced. On the other hand, the low VOC adsorption capacity of LBA and CBA was judged to be the result of insufficient carbonization due to the use of briquettes with a low calorific value, and was carbonized using lignite with a high calorific value. As a result of measuring the VOC adsorption capacity of LBA-L and CBA-L prepared in this way, the adsorption capacity of TVOCs was 92.0% and 95.5%, respectively, which was significantly increased than that of LBA and CBA, and was measured to be higher than that of SAA. In addition, the adsorption capacity of TVOC and 5VOC was exhibited with no difference or higher than that of CSA or COA. Based on these results, it was concluded that carbonization using lignite is necessary to use larch and cypress bark as raw materials for activated carbon.

1.3 활성탄의 원소 분석1.3 Elemental Analysis of Activated Carbon

연탄보다 갈탄으로 탄화한 활성탄의 중금속 및 VOC 흡착능이 우수하다는 결론을 확인하기 위하여 각 활성탄에 대한 탄소, 수소, 질소 분석을 수행하였다. 연탄으로 탄화한 LBA 및 CBA와 비교하여 갈탄을 이용한 탄화 (LBA-L 및 CBA-L)가 탄소함량을 증가시키고, 수소함량은 감소시켰다. 특히 LBA-L 및 CBA-L의 탄소함량은 CSA보다 낮으나, SSA 및 COA보다 높았다. 따라서 많은 연구 결과에서 언급한 바와 같이 활성탄의 VOC 및 중금속 흡착능은 탄소함량과 비례한다는 것을 확인할 수 있었다.Carbon, hydrogen, and nitrogen analysis was performed on each activated carbon to confirm the conclusion that the activated carbon carbonized with lignite had better adsorption capacity for heavy metals and VOC than briquettes. Compared with LBA and CBA carbonized with briquettes, carbonization using lignite (LBA-L and CBA-L) increased the carbon content and decreased the hydrogen content. In particular, the carbon content of LBA-L and CBA-L was lower than that of CSA, but higher than that of SSA and COA. Therefore, as mentioned in the results of many studies, it was confirmed that the VOC and heavy metal adsorption capacity of activated carbon is proportional to the carbon content.

1.4 접착제의 특성1.4 Adhesive properties

섬유판 필터의 제조에 사용된 접착제가 70 wt% 이상의 고알칼리성 HH-AK와 PH-AK, 10 wt% 또는 20 wt%의 고산성 PB-AC 및 중성의 LB-HE로 구성된 관계로 pH는 11 이상으로 측정되었다. 고형분 함량의 경우, 주성분이 37 wt% 이상의 HH-AK와 PH-AK, 20 wt% 내외의 PB-AC 그리고 38 wt% 이상의 LB-HE로 조제되어 전체적으로 약 35% 정도로 조사되었다. 이와 같은 조건으로 조제된 접착제의 점도를 점탄성 측정기 (ARES, TA Instruments, USA)를 이용하여 측정한 결과, 목질복합재료 제조용 열경화성 접착제인 urea-formaldehyde와 유사한 점도를 나타내었다.Since the adhesive used in the manufacture of the fiberboard filter is composed of 70 wt% or more of highly alkaline HH-AK and PH-AK, 10 wt% or 20 wt% of highly acidic PB-AC and neutral LB-HE, the pH is 11 or more was measured as In the case of solid content, the main components were prepared with HH-AK and PH-AK of 37 wt% or more, PB-AC of about 20 wt% or more, and LB-HE of 38 wt% or more, and approximately 35% of the total was investigated. As a result of measuring the viscosity of the adhesive prepared under these conditions using a viscoelasticity meter (ARES, TA Instruments, USA), it showed a viscosity similar to that of urea-formaldehyde, a thermosetting adhesive for manufacturing wood composite materials.

상기의 점탄성 측정기 (ARES, TA Instruments, USA)를 이용하여 상온에서 200 ℃까지 2 ℃/min의 속도로 승온하면서 측정한 경화거동을 보면, 40 - 90 ℃ 온도 구간에서는 저장탄성율의 변화가 없었으며, 90 - 100 ℃ 구간에서는 수분의 증발에 의한 영향을 나타나기 시작하였다. 100 ℃ 이후부터는 온도가 상승함에 따라 저장탄성률이 증가하여 대부분의 열경화성 접착제에서 나타나는 점탄성적 성질을 확인하였으며, 170 ℃에서 최댓값을 나타내어 접착제의 완전경화를 위하여 그 이상의 열압온도가 필요할 것으로 보인다. Looking at the curing behavior measured while raising the temperature from room temperature to 200 °C at a rate of 2 °C/min using the above viscoelasticity measuring instrument (ARES, TA Instruments, USA), there was no change in storage modulus in the temperature range of 40 - 90 °C. , in the 90 - 100 ℃ range, the effect of water evaporation began to appear. After 100 ℃, the storage modulus increases as the temperature rises, confirming the viscoelastic properties shown in most thermosetting adhesives, and the maximum value at 170 ℃ shows that a higher thermo-pressing temperature is required for complete curing of the adhesive.

1.5 섬유판 필터의 휨강도 및 통기성 결과에 따른 제조조건 선정1.5 Selection of manufacturing conditions according to the results of bending strength and air permeability of fiberboard filters

먼저 200 kg/m3의 밀도로 제조한 섬유판의 휨강도는 우수하였으나, 통기성에 문제가 있었다. 밀도를 100, 125 kg/m3으로 낮추어 제조한 섬유판의 경우, 통기성은 향상되었으나 강도가 매우 낮아 목표밀도로 부적합한 것으로 나타났다. 목표밀도를 올려 150, 180 kg/m3의 목표밀도로 제조한 섬유판의 휨강도는 증가하였으나, 제조 및 운반 과정에서 부분적인 파괴와 함께 통기성의 향상도 필요한 것으로 판단하였다. 다음으로 목표밀도를 200 kg/m3으로 고정하고 4%, 8%, 10%, 14% 함지율로 제조한 섬유판의 휨강도는 함지율의 증가와 함께 증가하는 경향을 나타내었다. 목표밀도 및 함지율 결정을 위한 선행연구 결과를 통하여 섬유판 필터의 목표밀도와 함지율을 각각 200 kg/m3 이상과 8% 또는 10%로 결정하였다. First, although the flexural strength of the fiberboard manufactured at a density of 200 kg/m 3 was excellent, there was a problem in air permeability. In the case of the fiberboard manufactured by lowering the density to 100 and 125 kg/m 3 , although the air permeability was improved, the strength was very low, indicating that it was not suitable for the target density. Although the flexural strength of the fiberboard manufactured with the target density of 150 and 180 kg/m 3 was increased by increasing the target density, it was judged that it was necessary to improve the air permeability along with partial destruction during the manufacturing and transportation process. Next, the flexural strength of fiberboards prepared with a target density of 200 kg/m 3 fixed at 200 kg/m 3 and 4%, 8%, 10%, and 14% coverage showed a tendency to increase with the increase of the coverage ratio. Through the results of previous studies for determining the target density and coverage ratio, the target density and coverage ratio of the fiberboard filter were determined to be 200 kg/m 3 or more and 8% or 10%, respectively.

상기 조건에서 섬유판 필터의 전건무게 기준으로 30 wt%, 40 wt%, 50 wt%의 활성탄을 첨가하여 섬유판을 제조하였을 때, 30 wt%와 40 wt%에서는 강도에 미치는 영향이 크지 않았으나, 50 wt% 첨가량에서는 강도에 부정적인 영향을 미쳤다. 따라서 활성탄 첨가량을 최대 40 wt%로 결정하였다. 한편 섬유판 내에서 활성탄의 분포에 의한 강도를 육안으로 확인한 결과, 무작위 첨가시 강도에는 크게 영향을 미치지 않았으나, 섬유판 표층에 존재하는 활성탄이 제조 및 운송과정에서 탈착되는 문제점이 발생할 것으로 예상되어 활성탄 첨가방법에서 제외하였다. 다음으로 섬유판의 두께방향 중간층에 단층 (1 layer)으로 활성탄을 첨가하여 제조하였으나, 활성탄에 접착제가 적용되지 않아 시험편 제조를 위한 절삭시 섬유판 중앙에서 분리되는 현상이 발생하여 활성탄 첨가방법에서 제외하였다. 이 결과를 토대로 섬유판 표층(상층 및 하층)에는 목섬유만을 사용하고, 심층(중층)에는 목섬유와 활성탄을 무작위로 혼합하는 방법을 적용하여 3층 섬유판을 제조하는 것으로 결정하였다. 한편 활성탄의 입도 크기가 섬유판 필터의 강도에 미치는 영향을 확인한 결과, 섬유판의 전건무게 대비 50 wt%의 분말상 활성탄(< 4 mesh)을 두께방향 중간층에 단층(1 layer)으로 첨가하여 제조한 섬유판에서 시험편 제조를 위한 절삭시 중앙층에서 분리되는 현상이 발생하였다. 그러나 동일한 조건에서 입자상 활성탄(>2 mesh)으로 제조한 섬유판의 경우, 절삭에 따른 분리현상이 발생하지 않았다. 따라서 강도적 측면에서 분말상보다 입자상 활성탄을 적용하여 섬유판을 제조하는 것으로 결정하였다.When fiberboard was prepared by adding 30 wt%, 40 wt%, or 50 wt% of activated carbon based on the total dry weight of the fiberboard filter under the above conditions, the effect on strength was not significant at 30 wt% and 40 wt%, but 50 wt% The % addition amount had a negative effect on the strength. Therefore, the amount of added activated carbon was determined to be a maximum of 40 wt%. On the other hand, as a result of visually checking the strength due to the distribution of activated carbon in the fiberboard, it did not significantly affect the strength when randomly added. excluded from Next, it was prepared by adding activated carbon as a single layer (1 layer) to the middle layer in the thickness direction of the fiberboard, but an adhesive was not applied to the activated carbon. Based on these results, it was decided to use only wood fibers for the fiberboard surface layer (upper and lower layers), and randomly mix wood fibers and activated carbon for the deep layer (middle layer) to produce a three-layer fiberboard. Meanwhile, as a result of confirming the effect of the particle size of the activated carbon on the strength of the fiberboard filter, 50 wt% of powdered activated carbon (< 4 mesh) relative to the total dry weight of the fiberboard was added as a single layer to the middle layer in the thickness direction. Separation from the central layer occurred during cutting for specimen production. However, in the case of a fiberboard made of particulate activated carbon (>2 mesh) under the same conditions, no separation caused by cutting occurred. Therefore, in terms of strength, it was decided to manufacture a fiberboard by applying particulate activated carbon rather than powder.

상기에서 결정된 조건을 토대로 200 kg/m3의 목표밀도로 40 wt%의 입자상 활성탄을 심층에 목섬유와 함께 첨가하여 제조한 3층 섬유판의 경우, 높은 밀도로 통기성이 낮아 이를 보완하기 위하여 일정한 간격으로 동일한 직경의 통기구를 갖도록 전동드릴을 이용하여 타공하였다. 이를 통하여 통기성은 향상되었으나, 흡진 또는 흡착되지 않고 통과되는 미세먼지와 VOC/중금속이 많을 것으로 판단하여 타공된 2 장의 섬유판 사이에 타공하지 않은 낮은 목표밀도의 섬유판 및/또는 하단에 필터지(한지)로 구성된 섬유판 필터 세트를 실내외용 미세먼지/VOC/중금속의 흡진/흡착용 필터로 이용하는 것으로 결정하였다. 한편 섬유판이 저밀도(200 kg/m3)인 관계로 타공과정에서 통기구 주위에 섬유가 부풀어 오르는 외관상 문제가 발생하여 목표밀도를 250 kg/m3까지 증가시키는 방안과 열압과정에서 pressure plate에 spikes를 접합시켜 통기구가 있는 섬유판을 제조하는 방안을 조사하는 것으로 결정하였다. Based on the conditions determined above, in the case of a three-layer fiberboard prepared by adding 40 wt% of particulate activated carbon to the deep layer together with wood fibers at a target density of 200 kg/m 3 , the high density and low air permeability are low in order to compensate for this problem. It was drilled using an electric drill so as to have vents of the same diameter. Through this, the breathability was improved, but it was judged that there would be a lot of fine dust and VOC/heavy metal that passed without being absorbed or adsorbed. It was decided to use a fiberboard filter set composed of On the other hand, due to the low density of the fiberboard (200 kg/m 3 ), there was a problem in the appearance of the fibers swelling around the vents during the drilling process . It was decided to investigate how to make fiberboard with ventilation holes by bonding them.

1.6 1.6 야자각coconut 활성탄-첨가 섬유판 필터 강도에 의한 제조조건의 선정 Selection of manufacturing conditions based on activated carbon-added fiberboard filter strength

1.6.1 목표밀도 및 활성탄 첨가량 1.6.1 Target density and amount of activated carbon added

먼저 열압시간을 결정하기 위하여 200 kg/m3의 목표밀도, 40 wt%의 활성탄 함유량, 10%의 함지율에 6분의 열압시간으로 제조한 섬유판은 강도가 낮았으며, 전체적으로 쉽게 부서지는 현상이 발생하였다 (도 2, A). 열압시간을 12분까지 연장하여 제조한 섬유판의 강도는 향상되었으나, 제조된 것을 취급하는 과정에서 모서리 부분이 부서지는 현상이 일부에서 발생하였다 (도 2, B). 따라서 동일한 조건에서 목표밀도를 300 kg/m3까지 올려 제조한 섬유판의 강도는 200 kg/m3로 제조한 것과 비교하여 크게 향상되었으며, 전체적으로 취급이 매우 용이하였다 (도 2, C). 다음으로 목표밀도를 250 kg/m3으로 조절하여 제조한 섬유판도 취급이 충분히 가능할 정도의 강도를 보유한 것으로 나타났다 (도 2, D).First, in order to determine the hot-pressing time, the fiberboard prepared with a target density of 200 kg/m 3 , an activated carbon content of 40 wt%, and a content of 10% with a hot-pressing time of 6 minutes had low strength, and was easily broken. occurred (Fig. 2, A). The strength of the manufactured fiberboard was improved by extending the hot-pressing time to 12 minutes, but a phenomenon in which the edge portion was broken in the process of handling the manufactured product occurred in some cases (Fig. 2, B). Therefore, the strength of the fiberboard manufactured by raising the target density to 300 kg/m 3 under the same conditions was significantly improved compared to that prepared at 200 kg/m 3 , and overall handling was very easy ( FIG. 2 , C ). Next, it was found that the fiberboard prepared by adjusting the target density to 250 kg/m 3 had sufficient strength to handle it (FIG. 2, D).

다음으로 섬유판 제조를 위한 접착제로 HH-AK/PH-AK/PB-AC/LB-HE = 40 wt%/40 wt%/10 wt%/10 wt%를 사용하여 40 wt%의 활성탄과 함께 목표밀도를 200 kg/m3과 250 kg/m3로 조절하여 180 ℃의 온도에서 12분간 열압하여 제조한 섬유판의 휨강도는 각각 0.27과 0.39 kgf/cm2로 측정되었으나, 통계학적으로 차이가 없었다 (p = 0.13). 상기 결과들을 토대로 섬유판 필터의 목표밀도와 활성탄 첨가량을 각각 200 kg/m3, 30 wt% 그리고 250 kg/m3, 40 wt%로 결정하였다.Next target with 40 wt% activated carbon using HH-AK/PH-AK/PB-AC/LB-HE = 40 wt%/40 wt%/10 wt%/10 wt% as adhesive for making fiberboard The flexural strengths of the fiberboard prepared by hot pressing at 180 °C for 12 minutes with the density adjusted to 200 kg/m 3 and 250 kg/m 3 were measured to be 0.27 and 0.39 kgf/cm 2 , respectively, but there was no statistical difference ( p = 0.13). Based on the above results, the target density of the fiberboard filter and the amount of activated carbon added were determined to be 200 kg/m 3 , 30 wt%, and 250 kg/m 3 , 40 wt%, respectively.

1.6.2 함지율1.6.2 Coverage rate

상기와 동일한 접착제를 사용하여 40 wt%의 활성탄과 함께 함지율을 8%, 10%, 12%로 조절하여 200 kg/m3의 목표밀도, 180 ℃ 및 12분의 열압 온도와 시간으로 제조한 섬유판의 휨강도는 0.43, 0.23 그리고 0.32 kgf/cm2로 8% 함지율에서 가장 높았으며 (8%/10%: p = 0.04; 8%/12%: p = 0.33), 10%와 12% 함지율에서는 차이가 없는 것으로 분석되었다 (p = 0.27). 향후 사용한 후에 수거될 섬유판 필터를 고체 바이오연료로 사용할 예정이므로 연소함에 있어 단백질계 접착제 내에 존재하는 질소 및 황 배출량의 최소화를 위하여 함지율을 8%로 고정하는 것으로 결정하였다. Using the same adhesive as described above, the content was adjusted to 8%, 10%, and 12% together with 40 wt% of activated carbon to a target density of 200 kg/m 3 , 180 ° C., and a hot pressure temperature and time of 12 minutes. Flexural strength of fiberboard was 0.43, 0.23 and 0.32 kgf/cm 2 , which was the highest at 8% coverage (8%/10%: p = 0.04; 8%/12%: p = 0.33), and 10% and 12%. It was analyzed that there was no difference in knowledge rate (p = 0.27). Since the fiberboard filter to be collected after future use is to be used as a solid biofuel, it was decided to fix the loading ratio to 8% to minimize nitrogen and sulfur emissions present in the protein-based adhesive during combustion.

1.6.3 접착제의 종류1.6.3 Types of Adhesives

상기 결과를 토대로 250 kg/m3의 목표밀도, 40 wt%의 활성탄 함량, 8%의 함지율, 180 ℃ 및 12분의 열압 온도와 시간으로 고정한 후, 다양한 종류의 접착제를 적용하여 섬유판을 제조하여 휨강도를 측정하였으며, 35 wt% HH-AK/35 wt% PH-AK/20 wt% PB-AC/10 wt% LB-HE (p = 0.02)를 제외하고 나머지 종류의 접착제로 제조한 섬유판의 휨강도는 대조구인 석탄산 수지로 제조한 섬유판의 휨강도와 통계학적으로 차이가 없었다. 한편, 40 wt% HH-AK/40 wt%PH-AK/20 wt% PB-AC 접착제의 경우, 적용시 분사기의 노즐이 막히는 경우가 수시로 발생하였는데 이는 분사 전에 접착제 내에 함유된 HH-AK 또는 PH-AK와 20 wt%까지 증가된 양의 PB-AC가 결합하며 분자량이 증가하여 발생하는 현상으로 추정하여 섬유판 제조용 접착제에서 배제하였다. 다음으로 40 wt% HH-AK/40 wt% PH-AK/10 wt% PB-AC/10 wt% LB-HE의 경우, HH-AK 및 PH-AK의 원재료비 및 제조 비용이 LB-HE보다 높아 접착제 비용이 증가할 것으로 판단되어 섬유판 제조용 접착제에서 배제하였다. 결과적으로 섬유판 제조용 접착제를 35 wt% HH-AK/35 wt% PH-AK/10 wt% PB-AC/20 wt% LB-HE로 결정하여 사용하였다. Based on the above results, after fixing at a target density of 250 kg/m 3 , an activated carbon content of 40 wt %, a loading rate of 8%, and a hot pressing temperature and time of 180 ° C. and 12 minutes, various types of adhesives were applied to prepare a fiberboard to measure the flexural strength, except for 35 wt% HH-AK/35 wt% PH-AK/20 wt% PB-AC/10 wt% LB-HE (p = 0.02), The flexural strength was not statistically different from the flexural strength of the fiberboard made of the control, phenolic resin. On the other hand, in the case of 40 wt% HH-AK/40 wt% PH-AK/20 wt% PB-AC adhesive, the nozzle of the sprayer was often clogged during application, which caused HH-AK or PH contained in the adhesive before spraying. -AK and PB-AC in an increased amount up to 20 wt% were combined and it was assumed that the molecular weight was increased, so it was excluded from the fiberboard adhesive. Next, in the case of 40 wt% HH-AK/40 wt% PH-AK/10 wt% PB-AC/10 wt% LB-HE, the raw material cost and manufacturing cost of HH-AK and PH-AK are higher than that of LB-HE. It was judged that the cost of the adhesive would increase, so it was excluded from the adhesive for manufacturing fiberboard. As a result, the adhesive for manufacturing fiberboard was determined to be 35 wt% HH-AK/35 wt% PH-AK/10 wt% PB-AC/20 wt% LB-HE.

1.6 섬유판 필터의 오염물질 방출량1.6 Contaminant emissions from fiberboard filters

상기 접착제로 제조한 섬유판에서 방출되는 오염물질의 종류를 보면, C6 - C16 사이 물질의 총합인 총휘발성 유기화합물 (TVOC)와 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스틸렌의 합인 5VOC, 폼알데하이드, 아세트알데하이드로 그 결과는 Table 5와 같다. 방출되는 5VOC는 전혀 존재하지 않았으며, TVOC는 HB 친환경 건축자재 등급기준에서 최우수등급 기준보다 크게 낮았으며, 알데하이드류도 기준치보다 크게 낮은 것으로 조사되었다. 결과적으로 본 발명에서 제안된 섬유판 필터는 환경부의 친환경 보드등급과 HB 마크의 최우수등급 기준을 충족하는 것을 확인할 수 있었다.Looking at the types of pollutants emitted from the fiberboard manufactured with the adhesive, total volatile organic compounds (TVOC), which is the sum of substances between C6 - C16, and 5VOC, which is the sum of benzene, toluene, ethylbenzene, xylene, and styrene, formaldehyde, acetone With aldehyde, the results are shown in Table 5. Emitted 5VOC was not present at all, TVOC was significantly lower than the highest grade standard in the HB eco-friendly building material grade standard, and aldehydes were also found to be significantly lower than the standard value. As a result, it was confirmed that the fiberboard filter proposed in the present invention satisfies the environment-friendly board grade and the highest grade standard of the HB mark.

1.7 섬유판 필터의 1.7 Fibreboard filter VOCVOC 저감능low ability

CSA와 COA를 활성탄으로 첨가하여 제조한 섬유판 필터의 VOC 저감능을 측정한 결과를 살피면, 목섬유만으로 제조한 필터를 포함하여 본 발명에서 제조된 모든 활성탄-첨가 섬유판 필터가 S사 공기청정기 부직포 필터와 비교하여 높은 VOC 저감능을 보유한 것으로 확인되었는데 이는 S사 부직포 필터의 경우 활성탄으로 구성된 탈취필터없이 VOC 저감능을 측정한 결과라 판단된다. 그러나 활성탄만에 대한 VOC 저감능을 측정한 결과를 보면, S사 활성탄의 낮은 VOC 흡착능 결과로부터 본 발명에서 제조된 활성탄-첨가 섬유판 필터보다 S사의 필터의 VOC 저감능이 낮을 것으로 예상된다. 다음으로 활성탄없이 제조한 섬유판 필터의 VOC 저감능은 활성탄과 함께 제조한 섬유판 필터보다 낮았으며, 이 결과를 통하여 활성탄이 섬유판 필터 내에서 VOC의 흡착 및 여과를 위한 중요한 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었다.Looking at the results of measuring the VOC reduction ability of the fiberboard filter manufactured by adding CSA and COA as activated carbon, all the activated carbon-added fiberboard filters manufactured in the present invention, including the filter manufactured only with wood fiber, were compared to the S company air purifier non-woven fabric filter. Comparatively, it was confirmed that it had a high VOC reduction ability, which is judged to be the result of measuring the VOC reduction ability of the S company's non-woven filter without a deodorizing filter composed of activated carbon. However, looking at the results of measuring the VOC reduction ability for activated carbon alone, the VOC reduction ability of the S company's filter is expected to be lower than the activated carbon-added fiberboard filter manufactured in the present invention from the low VOC adsorption capacity of the S company's activated carbon. Next, the VOC reduction ability of the fiberboard filter manufactured without activated carbon was lower than that of the fiberboard filter manufactured with activated carbon, and through this result, it was confirmed that activated carbon plays an important role for VOC adsorption and filtration in the fiberboard filter.

목표밀도를 각각 200 및 250 kg/m3으로 고정한 상태에서 CSA 활성탄 첨가량을 30 wt% 및 40 wt%로 조절하여 제조한 섬유판 필터의 TVOC와 5VOC 저감능을 조사한 결과, 30 wt%에서는 목표밀도의 증가와 함께 차이가 없었으나, 40 wt%에서는 목포밀도의 증가와 함께 감소하였다. 이는 통기구를 제외하고 고밀도로 제조한 섬유판 필터 자체의 낮은 통기성에서 기인한 결과라 생각한다. 이 결과를 토대로 섬유판의 목표밀도-활성탄 첨가량을 250 kg/m3-40 wt%, 200 kg/m3-30 wt%, 200 kg/m3-20 wt%, 150 kg/m3-20 wt%로 조절하여 제조하는 것으로 결정하였다.The TVOC and 5VOC reduction ability of the fiberboard filter prepared by adjusting the CSA activated carbon addition amount to 30 wt% and 40 wt% with the target densities fixed at 200 and 250 kg/m 3 , respectively, was investigated. There was no difference with the increase, but at 40 wt%, it decreased with the increase of the Mokpo density. This is thought to be the result of the low air permeability of the high-density fiberboard filter itself, excluding the ventilation hole. Based on these results, the target density of the fiberboard - the amount of activated carbon added was set at 250 kg/m 3 -40 wt%, 200 kg/m 3 -30 wt%, 200 kg/m 3 -20 wt%, 150 kg/m 3 -20 wt%. It was decided to prepare by adjusting the %.

한편, CSA와 COA를 사용하여 각각 제조한 섬유판 필터의 VOC 저감능 측정 결과를 보면, 동일한 제조조건에서 COA-첨가 섬유판 필터의 TVOCs와 5VOC 저감능이 CSA-첨가 섬유판 필터보다 전반적으로 높은 것으로 나타났다. 그러나 COA와 CSA 자체의 VOC 흡착능 간에 차이가 크지 않음에도 불구하고 섬유판 필터의 VOC 저감능 차이가 발생한 이유는 섬유판 필터 내에서 COA와 목섬유 간의 어떠한 상호 작용에 의한 것으로 추정된다. On the other hand, looking at the measurement results of the VOC reduction capacity of the fiberboard filters manufactured using CSA and COA, respectively, the TVOCs and 5VOC reduction ability of the COA-added fiberboard filter was higher than that of the CSA-added fiberboard filter under the same manufacturing conditions. However, although the difference between the VOC adsorption capacity of COA and CSA itself is not large, the reason for the difference in the VOC reduction capacity of the fiberboard filter is presumed to be due to some interaction between the COA and the wood fiber within the fiberboard filter.

COA-첨가 섬유판 필터의 VOC 저감능 결과를 보면, TVOCs의 경우 200 kg/m3-30 wt% 조건으로 제조한 시편에서 가장 높았으며, 250 kg/m3-40 wt%, 200 kg/m3-20 wt%, 150 kg/m3-20 wt% 순으로 측정되었다. 5VOC의 경우, 200 kg/m3-30 wt%와 250 kg/m3-40 wt%가 동일한 저감능과 함께 가장 높았으며, 다음으로 200 kg/m3-20 wt%, 150 kg/m3-20 wt% 순으로 측정되었다. 이 결과로부터 섬유판 필터에서 활성탄 첨가량이 최소 30 wt% 이상이 요구되며, 이 첨가량에서 용이한 취급을 위한 강도 유지를 위하여 목표밀도의 조절이 필요하다는 결론을 얻었다. Looking at the results of the VOC reduction capacity of the COA-added fiberboard filter, the TVOCs were the highest in the specimens prepared under the condition of 200 kg/m 3 -30 wt%, 250 kg/m 3 -40 wt%, 200 kg/m 3 -20 wt%, 150 kg/m 3 -20 wt% was measured in that order. In the case of 5VOC, 200 kg/m 3 -30 wt% and 250 kg/m 3 -40 wt% were the highest with the same reduction capacity, followed by 200 kg/m 3 -20 wt% and 150 kg/m 3 It was measured in the order of -20 wt%. From this result, it was concluded that at least 30 wt% of activated carbon is required in the fiberboard filter, and the target density needs to be adjusted in order to maintain the strength for easy handling at this added amount.

마지막으로 여과필터의 제조비용 절감을 위하여 목섬유를 저가의 재생섬유로 대체하여 필터를 제조하였다. 이를 위하여 확보가 용이한 골판지 생산공정에서 발생하는 슬러지 (SW)를 이용하여 다양한 조건에서 제조하였으며, 취급이 가능한 강도 유지를 위하여 목표밀도 및 활성탄 첨가량을 각각 최소 350 kg/m3과 최대 20 wt%로 조절하는 것이 필요하였다. 이 필터의 TVOCs 및 5VOC 저감능은 목섬유로 제조한 필터와 비교하여 매우 낮았는데 이는 필터의 높은 목표밀도로 인한 통기성 저하, 활성탄으로 VOC 흡착능이 낮은 편백 수피 활성탄 (CBA)의 사용, CBA의 낮은 첨가량에서 기인한 결과라고 보여진다. Finally, in order to reduce the manufacturing cost of the filter filter, a filter was manufactured by replacing the wood fiber with a low-cost regenerated fiber. To this end, it was manufactured under various conditions using sludge (SW) generated in the corrugated cardboard production process, which is easy to secure . was necessary to control. The TVOCs and 5VOC reduction ability of this filter was very low compared to the filter made of wood fiber, which was due to the reduced air permeability due to the high target density of the filter, the use of cypress bark activated carbon (CBA) with low VOC adsorption capacity as activated carbon, and the low amount of CBA added appears to be a result of

1.8 섬유판 필터의 미세먼지 1.8 Fine dust from fiberboard filters 저감능low ability

본 발명에서 제조된 섬유판 필터의 미세먼지 저감능을 측정한 결과, 본 발명에서 제조된 대부분의 활성탄-첨가 섬유판 및/또는 여과지로 구성된 필터 세트의 미세먼지 저감능은 석영필터보다 높았다. 특히 20 wt%의 COA 그리고 40 wt%의 CSA를 첨가하여 200 kg/m3으로 제조한 섬유판 필터의 미세먼지 저감능은 매우 우수한 것으로 측정되었다. 심지어 활성탄-미첨가 섬유판 필터 세트의 경우에도 높은 미세먼지 저감능을 나타내었다. 따라서 섬유판 필터의 미세먼지 저감능을 확인할 수 있었으나, 석영필터와 달리 섬유판 및 여과지의 경우 친수성의 천연 섬유로 대부분 구성된 관계로 대기 중에 존재하는 수분의 흡착이 미세먼지 저감능에 영향을 미칠 수 있을 것으로 생각하여 습도에 따른 섬유판 필터의 중량 변화율을 조사하였다. 습도가 20%에서 50%로 증가함에 따라 섬유판의 중량도 2 - 4% 증가하였으나, 습도가 20%로 다시 낮아짐에 따라 초기중량보다 0.5% 미만의 중량이 증가한 것으로 측정되었다. 이 결과와 함께 섬유판과 여과지에 대한 미세먼지 저감능 측정을 위하여 25 ℃ 및 20% 습도 조건의 항온항습실에서 24시간 보관한 후, 중량을 측정한 관계로 섬유판 필터 세트의 미세먼지 저감능에 수분흡착이 미치는 영향은 극히 제한적일 것으로 생각한다. As a result of measuring the fine dust reduction ability of the fiberboard filter manufactured in the present invention, the fine dust reduction ability of most of the activated carbon-added fiberboard and/or filter papers manufactured in the present invention was higher than that of the quartz filter. In particular, the fine dust reduction ability of the fiberboard filter prepared at 200 kg/m 3 by adding 20 wt% of COA and 40 wt% of CSA was measured to be very good. Even the activated carbon-free fiberboard filter set showed high fine dust reduction ability. Therefore, it was possible to confirm the fine dust reduction ability of the fiberboard filter, but unlike the quartz filter, the fiberboard and filter paper are mostly composed of hydrophilic natural fibers. Thus, the weight change rate of the fiberboard filter according to the humidity was investigated. As the humidity increased from 20% to 50%, the weight of the fiberboard also increased by 2 - 4%, but as the humidity was lowered back to 20%, it was measured that the weight increased by less than 0.5% from the initial weight. With these results, in order to measure the fine dust reduction ability of the fiberboard and filter paper, after storing it for 24 hours in a constant temperature and humidity room at 25 ℃ and 20% humidity, the weight was measured. The impact is thought to be extremely limited.

한편, 각 섬유판 필터 세트의 미세먼지 저감능을 비교한 결과에 의하면, 본 발명자들에 의해 조사된 모든 섬유판의 제조조건에서 높은 미세먼지 저감능을 확인할 수 있었으며, 특히 30 wt%-200 kg/m3 및 40 wt%-250 kg/m3 COA-첨가 섬유판의 경우 매우 우수한 TVOCs 및 5VOC 저감능을 보유한 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에서 제안되는 섬유판 및 여과지로 구성된 필터 세트를 실내외용 미세먼지 여과를 위한 필터로 사용이 가능할 것으로 판단된다. On the other hand, according to the results of comparing the fine dust reduction ability of each fiberboard filter set, it was possible to confirm the high fine dust reduction ability under the manufacturing conditions of all the fiberboards investigated by the present inventors, especially 30 wt%-200 kg/m 3 and 40 wt%-250 kg/m 3 COA-added fiberboard showed very good TVOCs and 5VOC reduction ability. Therefore, it is judged that the filter set composed of fiberboard and filter paper proposed in the present invention can be used as a filter for indoor and outdoor fine dust filtration.

본 발명은 대기 중에 존재하는 오염물질인 미세먼지, VOC, 중금속의 흡진/흡착을 위하여 목재수피로 제조한 활성탄-첨가 섬유판 필터 및 그의 제조기술에 관한 것이다. 다양한 실내외 공간에 노출시킨 활성탄의 경우, 대조구인 CSA, SAA를 비롯하여 COA, LBA-L, CBA-L에서 상당한 양의 금속성분이 검출되어 환기가 어려운 지하철 전동차 및 승강장과 같은 실내공간을 포함하여 실외에도 많은 금속성분이 존재할 것으로 예상된다. 또한 이 활성탄에서 많은 양의 TVOCs와 5VOC가 검출되어 필터 제조용 원료로 사용할 경우 일정 공간에 존재하는 VOC의 저감을 위한 역할을 충분히 수행할 것으로 생각한다. 이에 대한 탄소함량 분석을 통하여 활성탄의 중금속 및 VOC 흡착능을 확인할 수 있었다. 활성탄을 담체화한 여과필터 제조를 위하여 리그노셀룰로오스 섬유를 기질로 이용하여 섬유판을 제조하였는데 이를 위하여 인모, 돈모, 돈혈을 주성분으로 낙엽송 수피 열수추출물과 함께 제조한 단백질계 천연접착제는 적용 및 열압조건을 적절하게 조절할 경우 공급자 및 사용자 입장에서 전혀 문제가 발생하지 않을 것으로 생각한다. 다양한 구성으로 조제한 접착제를 적용하여 제조한 섬유판의 강도 및 접착제 제조비용을 고려하여 35 wt%의 HH-AK, 35 wt%의 PH-AK, 10 wt%의 PB-AC 및 20 wt%의 LB-HE로 조제한 접착제가 섬유판 필터 제조에 있어 가장 적합한 것으로 조사되었다. 한편 섬유판 제조에 있어 통기성 향상으로 위하여 일정한 간격과 직경의 통기구를 가질 수 있도록 spiked caul plates를 이용하여 제조하였는데 이를 통하여 충분한 통기성을 확보할 수 있었다. 한편 상기 접착제를 적용하여 제조한 타공 섬유판에서 8%의 함지율, 200과 250 kg/m3의 목표밀도, 그리고 20, 30, 40 wt%의 섬유판 내의 활성탄 함량이 최적 제조 조건으로 확인된다. 이 섬유판은 단백질계 천연접착제로 제조된 관계로 환경부의 친환경 보드등급과 HB 마크의 최우수등급 기준을 충족하였다. 이렇게 제조된 섬유판과 여과지로 구성된 섬유판 필터 세트의 VOC 저감능을 확인한 결과, 섬유판의 목표밀도-활성탄 첨가량을 250 kg/m3-40 wt%, 200 kg/m3-30 wt%, 200 kg/m3-20 wt%, 150 kg/m3-20 wt%로 조절하여 제조하는 것으로 결정하였다. 이 조건에서 COA, LBA-L, CBA-L과 함께 제조된 섬유판은 매우 우수한 TVOCs 및 5VOC 저감능을 가진 것으로 나타났다. 또한 이 섬유판 필터 세트에 대한 미세먼지 저감능 결과를 보면, 석영필터와 비교하여 매우 우수하였다. 특히 30 wt%-200 kg/m3 및 40 wt%-250 kg/m3 COA-첨가 섬유판은 우수한 TVOCs 및 5VOC 저감능을 보유한다. The present invention relates to an activated carbon-added fiberboard filter made of wood bark for the absorption/adsorption of fine dust, VOC, and heavy metals, which are pollutants present in the atmosphere, and a manufacturing technology thereof. In the case of activated carbon exposed to various indoor and outdoor spaces, significant amounts of metal components were detected in COA, LBA-L, and CBA-L as well as control CSA and SAA, so ventilation is difficult, including indoor spaces such as subway trains and platforms. It is expected that many metal components will also be present. In addition, since a large amount of TVOCs and 5VOCs are detected in this activated carbon, when used as a raw material for filter manufacturing, it is thought that it will play a sufficient role in reducing VOCs existing in a certain space. Through the carbon content analysis, it was possible to confirm the ability of the activated carbon to adsorb heavy metals and VOCs. In order to manufacture a filter filter supporting activated carbon, a fiberboard was prepared using lignocellulose fibers as a substrate. If it is properly adjusted, I think that there will be no problems at all from the point of view of suppliers and users. Considering the strength of the fiberboard prepared by applying the adhesive prepared in various configurations and the manufacturing cost of the adhesive, 35 wt% of HH-AK, 35 wt% of PH-AK, 10 wt% of PB-AC, and 20 wt% of LB- Adhesives prepared with HE were found to be the most suitable for manufacturing fiberboard filters. On the other hand, in the manufacture of fiberboard, spiked caul plates were used to have vents of regular intervals and diameters to improve ventilation, and through this, sufficient ventilation was ensured. On the other hand, in the perforated fiberboard manufactured by applying the adhesive, a coverage of 8%, target densities of 200 and 250 kg/m 3 , and activated carbon content in the fiberboard of 20, 30, and 40 wt% were confirmed as optimal manufacturing conditions. Since this fiberboard is manufactured with a protein-based natural adhesive, it has met the environment-friendly board grade of the Ministry of Environment and the highest grade standard of the HB mark. As a result of confirming the VOC reduction ability of the fiberboard filter set composed of the fiberboard and filter paper prepared in this way, the target density of the fiberboard - the amount of activated carbon added was 250 kg/m 3 -40 wt%, 200 kg/m 3 -30 wt%, 200 kg/ m 3 -20 wt%, 150 kg/m 3 It was determined to be prepared by adjusting -20 wt%. In this condition, the fiberboard manufactured with COA, LBA-L, and CBA-L was found to have very good TVOCs and 5VOC reduction ability. In addition, when looking at the results of the fine dust reduction performance of this fiberboard filter set, it was very good compared to the quartz filter. In particular, 30 wt%-200 kg/m 3 and 40 wt%-250 kg/m 3 COA-added fiberboard have excellent TVOCs and 5VOC reduction capabilities.

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Claims (7)

목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터로서, 상층, 중층 및 하층의 3층 구조체로 형성되고, 상층 및 하층에는 목섬유만을 포함하고, 중층에는 목섬유 및 활성탄이 무작위로 혼합되는 혼합체를 포함하는, 미세먼지, 휘발성 유기화합물, 중금속의 흡진 및 흡착용 목재수피 활성탄 함유 섬유판 필터.A fiberboard filter containing activated carbon from wood bark, formed of a three-layer structure of an upper layer, a middle layer and a lower layer, containing only wood fibers in the upper and lower layers, and a mixture in which wood fibers and activated carbon are randomly mixed in the middle layer, fine dust, volatile organic matter Fiberboard filter containing activated carbon from wood bark for absorption and absorption of compounds and heavy metals. 제1항에 있어서, 상기 상층, 중층 및 하층을 관통하는 다수의 통기구가 구비되는, 섬유판 필터.The fiberboard filter according to claim 1, wherein a plurality of vents passing through the upper layer, the middle layer and the lower layer are provided. 제1항에 있어서, 상기 활성탄의 중량비는 필터 기준으로 20중량% ~ 40중량%인, 섬유판 필터.The fiberboard filter according to claim 1, wherein the weight ratio of the activated carbon is 20% to 40% by weight based on the filter. 제1항에 있어서, 상기 필터의 밀도는 150kg/m3 내지 250kg/m3인, 섬유판 필터.The fiberboard filter according to claim 1, wherein the filter has a density of 150 kg/m 3 to 250 kg/m 3 . 제1항에 있어서, 상기 혼합체는 목섬유 및 활성탄을, 인모, 돈모 및 돈혈에서 선택되는 천연원료의 가수분해물 및 낙엽송 열수 추출물을 포함하는 천연접착제를 이용하여 혼합되는, 섬유판 필터.The fiberboard filter according to claim 1, wherein the mixture is mixed using a natural adhesive comprising wood fiber and activated carbon, a hydrolyzate of natural raw materials selected from human hair, pig hair and pig blood, and a larch hot water extract. 제1항의 섬유판 필터가 제2항의 섬유판 필터 2장 사이에 개제되는 섬유판 필터 조립체.A fiberboard filter assembly in which the fiberboard filter of claim 1 is interposed between two sheets of the fiberboard filter of claim 2. 제2항의 섬유판 필터가 중첩되되, 바닥면에 필터지가 부착되는 섬유판 필터 조립체.A fiberboard filter assembly in which the fiberboard filter of claim 2 is overlapped, and the filter paper is attached to the bottom surface.
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