KR20230154986A - 일회용 필터 부품, 공기 처리 방법 및 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 용도 - Google Patents

일회용 필터 부품, 공기 처리 방법 및 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 용도 Download PDF

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KR20230154986A
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모니카 곤잘레즈 헤레라
앤드류 스컬라드
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존슨 맛쎄이 퍼블릭 리미티드 컴파니
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Abstract

본 개시내용은 공기 처리 시스템에서 NO2를 제거하기 위한 일회용 필터 부품에 관한 것이고, 부품은 공기 여과 매체로서 폴리머 조성물을 포함하고, 폴리머 조성물은 복수의 유리 비닐 기를 포함하고, 부품은 흰색에서 노란색으로의 색상 변화에 기초하여 필터가 소모된 시기를 결정하기 위해 최종 사용자가 공기 여과 매체를 검사하도록 허용하거나, 최종 사용자에게 색상 변화를 알리도록 구성된 광학 센서를 포함한다. 본 개시내용은 또한 공기 처리 시스템에서 NO2를 동시에 제거하기 위한 일회용 필터 부품에 관한 것이고, 부품은 복수의 유리 비닐 기를 포함하는 폴리머 조성물로부터 형성된 HEPA 필터를 포함한다. 본 개시내용은 또한 공기 처리 시스템, 공기 처리 방법 및 공기 여과 매체를 형성하기 위한 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 용도에 관한 것이다.

Description

일회용 필터 부품, 공기 처리 방법 및 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 용도
본 발명은 일회용 필터 부품(component)을 제공한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 공기 처리 시스템에서 NO2를 제거하기 위한 일회용 필터 부품을 제공한다. 본 발명은 또한 상기 일회용 필터 부품을 포함하는 공기 처리 시스템을 제공한다. 구체적으로, 일회용 필터 부품은 공기 여과 매체로서 폴리머 조성물을 포함하며, 폴리머 조성물은 복수의 유리 비닐 기를 포함한다. 또한, 본 발명은 NO2 함유 공기를 상기 일회용 필터에 통과시키는 단계를 포함하는, 공기 처리 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 공기 여과 매체를 형성하기 위한 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 용도를 제공하며, 보다 구체적으로 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 탄소 원자 중 적어도 7.0%는 비닐 탄소 원자이다. 본 발명은 특히 가정용 공기청정기 및 산업용 HVAC 시스템을 포함하는 공조 시스템뿐만 아니라 마스크와 같은 제품에도 적용 가능하다.
공기 오염은 현대 사회에서 계속 증가하는 우려 사항이며 환경과 궁극적으로 인간의 건강에 치명적인 부정적인 영향을 미친다는 것은 잘 알려져 있다. 세계보건기구(WHO)의 데이터에 따르면 10명 중 9명은 매년 전 세계적으로 400만 명 이상의 조기 사망을 초래하는 것으로 추정되는 주변 공기 오염으로 인해 높은 수준의 오염물이 포함된 WHO 지침 한도를 초과하는 공기를 마시고 있는 것으로 나타났다. 오염은, 산업 공정(예를 들어, 발전, 농업 및 폐기물 소각)으로 인한 오염과 연료 연소 중 자동차에서 배출되는 상당한 양의 오염은 건강에 유해한 환경 오염물이 매우 높은 수준으로 존재하는 핫스팟을 생성할 수 있는 인구가 밀집된 도시 환경에서 특히 우려되는 사항이다. 그러나 가정의 공기 오염은 특히 개발도상국에서 또 다른 관심사이다. 가정의 공기 오염은 요리나 나무나 석탄과 같은 연료의 연소와 같은 가정 활동 중에 발생할 수 있다.
공기 오염물에는 기체 및 미립자(아직 공기 중에 부유하는) 오염물이 모두 포함된다. 미립자 물질(PM)은 전형적으로 매우 작은 고체 또는 액체 입자, 흔히 직경이 10 미크론 미만인 고체 탄소 입자(PM10), 직경이 각각 2.5 미크론 미만 및 0.1 미크론 미만인 미세 입자(PM2.5) 및 초미세 입자(PM0.1)로 구성된다. 일반적인 배출원에는 연소 엔진과 목재 및 석탄과 같은 연료 연소가 포함된다. 미립자 오염물과 함께 건강에 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려진 기체 오염물에는 이산화질소(NO2), 일산화질소(NO), 오존(O3), 이산화황(SO2) 및 일산화탄소(CO)가 포함된다.
기체 오염물 문제에 대한 오랜 지식에도 불구하고, 공기 정화에 사용되는 필터의 대부분은 미립자 물질을 포집하는 데 중점을 두고 있다. 전형적으로, 필터는 상이한 층의 다공성 매체로 만들어지며, 최종 적용과 여과할 미립자 물질의 최소 크기에 따라 두께도 달라질 수 있다. 층은 종종 유리 섬유 또는 폴리머로 만들어진다.
미립자 물질과 함께, NO2는 도로 배기가스, 즉 연소 엔진의 연료 연소로 인해 발생하는 주목할만한 오염물이다. 도로 교통은 이산화질소의 주요 실외 배출원이다. 따라서 혼잡한 도로 근처에 사는 사람들은 특히 NO2 오염에 노출되고 영향을 받는다. 또한 NO2는 요리나 난방과 같은 내부 배출원에서도 발생할 수 있다. NO2에 장기간 노출되면 폐 기능이 저하될 수 있다. 단기간 노출에도 NO2가 기관지염과 천식의 위험을 증가시킬 수 있다는 증거가 있다. NO2는 기도 염증을 일으키고 호흡기 감염 및 알러지항원에 대한 민감성을 증가시킬 수 있다.
그러나 NO2와 같은 유해한 기체 오염물질을 여과할 수 있는 효과적인 공기 필터가 필요하도록 주변 NO2 수준을 제어할 필요가 있다.
필터는 휘발성 유기 화합물, 일산화탄소 및 이산화질소와 같은 기체 오염물을 제거하기 위해 흡착제 또는 촉매를 추가로 포함할 수 있는 것으로 알려져 있다. 일반적인 흡착제/촉매는 활성탄이며 최근 수십 년 동안 활성탄에 대한 NO2 흡착에 영향을 미치는 인자에 관한 많은 연구가 있었다. 그러나 시간이 지남에 따라 이산화질소 슬립의 양은 쉽게 증가할 수 있다. 또한 활성탄은 이산화질소를 환원시켜 또 다른 오염물인 일산화질소(산화질소)를 생성할 수 있다. 활성탄은 NO2 또는 NO와 강하게 결합하지 않으므로 공기로부터 오염물을 제거하기에 충분히 흡수되지 않는다. 당연히, 다른 질소 산화물, 주로 산화질소의 생성 없이 이산화질소를 공기로부터 여과하는 것이 바람직하다. 공기 오염물은 일반적으로 적어도 배경 수준에서 육안으로 볼 수 없으며 활성탄이 실질적으로 검은색으로 남아 있다는 점을 고려하면, 최종 사용자가 흡착제의 성능이 저하되거나 소모된 시기를 시각적으로 판단하는 것은 불가능하다. 일부 상업용 공기 청정기에는 주변 공기의 오염물 농도가 증가했음을 사용자에게 경고하는 센서가 제공된다. 수많은 기타 물질 예컨대 제올라이트, 금속 유기 프레임워크 (MOF) 및 금속 산화물 예컨대 Al2O3 및 TiO2 (도핑 및 비도핑)의 흡착 능력이 조사되었지만 NO2를 제거하기 위해 공기 필터에 사용하는 데 필요한 효율성은 없다. 그럼에도 불구하고 일부 공기 청정기에는 활성탄과 함께 제올라이트나 알루미나와 같은 추가 물질이 포함되어 있다.
폴리머가 NO2와 같은 기체 오염물과 반응할 수 있다는 것은 수십 년 동안 알려져 왔다. 예를 들어, Jellinek과 Flagsman의 문헌[Journal of Polymer Science, Part A-1, Vol 7, 1153-1168 (1969)]에서는 이산화질소와 폴리스티렌 필름과의 반응을 연구한다. 얼마 지나지 않아, Grubner 등은 문헌[American Industrial Hygiene Association Journal, 33:4, 201-206 "Collection of Nitrogen Dioxide by Porous Polymer Beads"]에서 이산화질소와 Porapak® Q와의 반응성을 연구하였다. Porapak® Q는 주로 HPLC 컬럼에 사용되는 에틸비닐벤젠과 디비닐벤젠의 가교 폴리머이다. WO 2017/160646 A1은 반응성 기체용 폴리머 수착제를 포함하는 공기 필터를 개시한다. 반응성 기체는 불화수소, 불소, 브롬화수소, 브롬, 염화수소, 염소, 황산, 아황산, 황화수소, 이산화황, 질산, 아질산, 이산화질소 또는 이들의 혼합물인 것으로 개시되어 있다. 폴리머 수착제는 (i) 8 내지 65 중량%의 말레산 무수물, 30 내지 85 중량%의 디비닐벤젠 및 0 내지 40 중량%의 스티렌 유형 모노머를 포함하는 중합성 조성물의 중합 생성물을 포함하는 전구체 폴리머 물질 및 (ii) 암모니아 또는 하나 이상의 1차 또는 2차 아미노기를 갖는 화합물로부터 선택된 질소 함유 화합물의 반응 생성물을 포함한다. 본 개시내용은 이산화황(SO2)의 제거, 즉 폴리머 수착제에 존재하는 아미노기와의 반응으로 인해 발생하는 반응성 기체의 제거에 초점을 맞추고 있다.
결과적으로, 공기로부터 NO2를 제거하는 데 효과적이며 최종 사용자가 수착제 물질이 소모되어 교체되어야 하는 시기를 쉽게 결정할 수 있게 하는 공기 처리 시스템에 사용하기 위한 부품이 당업계에 필요하다. 본 발명자들은 선행 기술의 문제점을 극복할 목적으로 본 발명을 개발하였다.
따라서, 제1 양태에서, 공기 처리 시스템에서 NO2를 제거하기 위한 일회용 필터 부품이 제공되고, 부품은 공기 여과 매체로서 폴리머 조성물을 포함하고, 폴리머 조성물은 복수의 유리 비닐 기를 포함하고,
부품은 흰색에서 노란색으로의 색상 변화에 기초하여 필터가 소모된 시기를 결정하기 위해 최종 사용자가 공기 여과 매체를 검사하도록 허용하거나, 최종 사용자에게 색상 변화를 알리도록 구성된 광학 센서를 포함한다.
이제 본 개시내용을 추가로 설명할 것이다. 다음의 어구에서, 본 개시내용의 상이한 양태/구현예가 더 상세히 정의된다. 이렇게 정의된 각각의 양태/구현예는 명백히 반대로 나타내지 않는 한 임의의 다른 양태/구현예 또는 양태/구현예들과 조합될 수 있다. 특히, 바람직하거나 유리한 것으로 나타낸 바와 같은 임의의 특징은 바람직하거나 유리한 것으로 나타낸 바와 같은 임의의 다른 특징 또는 특징들과 조합될 수 있다.
본 발명은 공기 처리 시스템에서 NO2를 제거하기 위한 일회용 필터 부품에 관한 것이다. "일회용"이란 필터 부품이 필터를 재생하지 않고 사용되도록 의도되었으며 필터 부품의 작동 수명이 끝나면 교체 부품으로 교체될 수 있음을 의미한다. 이는 본원에 기재된 바와 같이 결정될 수 있다. 또한, "일회용"은 한 번만 사용하는 것으로 제한되는 것이 아니라 단일 수명 동안 사용하는 것으로 해석해서는 안 된다. 따라서, "일회용" 필터는 최종 사용자가 사용한 후에도 여전히 NO2를 흡착하는 능력을 가질 수 있다. 예를 들어, 공조 시스템이나 공기 청정기는 여러 차례에 걸쳐 "일회용" 필터 부품을 통해 공기를 능동적으로 통과시키기 위해 켜고 꺼질 수 있다.
부품은 공기 처리 시스템의 일부이다. 바람직하게는, 부품은 공기 처리 시스템의 교체 가능한 부분이다. 다시 말해서, 본 발명의 부품은 예를 들어 공기 청정기에서 필터 부품이 소모되고 새로운 필터 부품으로 교체되면 최종 사용자에 의해 제거될 수 있다. 다른 예에서, 호흡기와 같은 마스크는 제거 가능한 필터 부품을 포함할 수 있다. 대안적으로, 부품은 공기 처리 시스템에 일체형일 수 있다. 전형적으로 이는 전체 시스템을 폐기하는 데 드는 비용을 고려하여 공기 처리 시스템을 일회용으로 사용하는 경우에 바람직하다. 예를 들어, 공기 처리 시스템은 일체로 형성된 일회용 필터 부품을 포함하는 일회용 마스크일 수 있다.
본원에 기재된 필터 부품은 공기 처리 시스템에 설치될 때 NO2를 제거하는 데 적합하다. 공기 처리 시스템은 필터 부품이 NO2 제거를 위해 처리될 공기 스트림에 제공될 수 있는 임의 유형의 장치 또는 디바이스를 의미한다.
필터 부품은 공기 여과 매체로서 폴리머 조성물을 포함한다. 구체적으로, 폴리머 조성물은 복수의 유리 비닐 기를 포함한다. 본 발명자들은 복수의 유리 비닐 기를 포함하는 폴리머 조성물로부터 형성된 공기 여과 매체를 포함하는 필터 부품이 공기로부터 NO2 흡착에 대해 유리한 선택성을 나타냄을 발견하였다. 구체적으로, 본 발명자들은 NO2가 유리 비닐 기와 반응하여 화학흡착된 것으로 간주될 수 있다고 믿는다. "유리 비닐 기"는 폴리머 조성물이 R-CH=CH2 기를 포함함을 의미한다. 단일 결합된 탄소 사슬 백본을 형성하기 위한 부가 중합 반응에서 비닐 기와 같은 에틸렌성 기(즉, 탄소-탄소 이중 결합을 함유하는 것)를 포함하는 모노머를 반응시킴으로써 폴리머 조성물을 얻을 수 있다. 따라서 유리 비닐 기는 반응하지 않은 기이다. 본원에 기재된 바와 같이, 발명자들은 디비닐벤젠이 비닐 기의 일부가 중합 또는 가교에 반응하지 않는 폴리머를 생성하도록 중합될 수 있는 특히 바람직한 모노머라는 것을 발견하였다.
본 발명의 부품은 최종 사용자가 공기 여과 매체를 검사하여 필터가 소모된 시기를 판단할 수 있게 한다. 최종 사용자는 흰색에서 노란색으로의 색상 변화를 기반으로 필터가 소모되는 시점을 결정할 수 있다. 대안적으로, 부품은 최종 사용자에게 색상 변화 및 이에 따른 필터 교체 필요성을 알리도록 구성된 광학 센서를 포함한다. 예를 들어, 반사광의 특정 파장이 관찰되면 출력을 제공하도록 광학 센서를 구성할 수 있다(즉, NO2 제거 성능의 고갈을 시사할 만큼 충분한 노란색 광).
따라서 필터 부품은 최종 사용자가 색상 변화를 인식할 수 있도록 하는 수단이 부품에 제공되는 한 기술 분야에 알려진 임의의 형태를 취할 수 있다. 일 구현예에서, 부품은 주변 프레임과 같은 프레임 또는 하우징을 포함할 수 있다. 부품은 바람직하게는 사출 성형된 강성 플라스틱으로 만들어진 카트리지의 형태를 취할 수 있다. 이러한 카트리지는 에어컨과 같은 공기 여과 시스템에 맞게 설계될 수 있다. 어쨌든, 부품은 공기 여과 매체를 포함하고 사용자가 공기 여과 매체를 직접 볼 수 있게 하는 재판매 가능한 개구부를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 부품의 개구는 공기 여과 매체를 수용하기에 충분하지만 육안 검사를 허용하는 구멍을 포함하는 스크린 또는 메쉬일 수 있다. 다른 구현예에서, 부품은 부품 내에 보유된 공기 여과 매체의 검사를 허용하는 광학적으로 투명한 부분, 예를 들어 투명 창을 포함할 수 있다. 이러한 구현예에서, 최종 사용자가 색상 변화를 적극적으로 검사하는 대신, 외부 광학 센서를 사용하여 이러한 색상 변화를 감지하고 최종 사용자에게 알릴 수 있다. 이러한 외부 광학 센서는 필터 부품 자체보다는 필터 부품이 설치되는 공기 처리 시스템의 일부를 형성할 수 있다.
본 발명자들은 복수의 유리 비닐 기를 갖는 공기 여과 매체로서 폴리머 조성물을 제공함으로써 이산화질소가 비닐 기와 반응하여 노란색 생성물을 생성할 수 있음을 발견하였다. 결과적으로, 발명자들은 폴리머 내의 비닐 기 수를 증가시킴으로써 색상 변화가 더욱 두드러지고 동시에, 흡착될 수 있는 NO2의 양이 크게 개선된다는 것을 발견하였다. 따라서, 본 발명은, 예를 들어 메틸 레드와 같은 pH 지시약과 같은 별도의 비색 지시약을 요구하지 않으며 바람직하게는 폴리머 조성물은 이를 포함하지 않는다. 다시 말해서, 흰색에서 노란색으로의 색상 변화는 전적으로 복수의 유리 비닐 기와 NO2 사이의 반응의 결과로 폴리머 조성물에 대한 NO2의 화학흡착으로 인해 발생한다.
대안적인 바람직한 구현예에서, 부품은 흰색에서 노란색으로의 색상 변화를 감지할 수 있고 일단 충분한 색상 임계값에 도달하면 사용자에게 알릴 수 있는 광학 센서를 포함한다. 이는 산업용 HVAC 시스템과 같이 사용자가 접근하기 어려운 위치에 설치될 수 있는 공조 및 공기 정화 시스템에 특히 바람직하다.
부품이 사용자의 육안 검사를 허용하는 경우, 부품은 바람직하게는 최종 사용자가 공기 여과 매체와 비교하여 필터가 소모된 시기를 결정할 수 있도록 하는 노란색 마커를 포함한다. 따라서, 본 발명의 필터 부품은 공기 여과 매체의 색상과 마커가 일치하면 최종 사용자가 공기 여과 매체를 포함하는 필터를 새로운 필터 부품으로 교체하고/하거나 필터가 일회용 마스크의 일부인 경우와 같이 사용한 필터를 폐기할 수 있게 한다.
인정되는 바와 같이, 색상 변화가 필터의 NO2 제거 성능이 고갈되었음을 나타내는 정확한 지점은 선택된 여과 매체에 따라 달라질 것이다. 폴리머가 단위 중량당 더 많은 유리 비닐 기를 갖는 경우, 최종 색상의 강도는 더 적은 유리 비닐 기를 갖는 폴리머보다 더 어두운 노란색일 수 있다. 따라서, 당업자는 일상적인 테스트에 기초하여 선택된 폴리머에 기초하여 원하는 종말점을 쉽게 선택할 수 있다. 예를 들어, 처리된 테스트 기체의 NO2 수준이 상승하기 시작하는 시점을 관찰하기 위해 폴리머를 테스트할 수 있으며, 그 다음 폴리머의 색상을 설정하여 종말점 또는 교체점을 제공할 수 있다.
한 구현예에서, 성분은 폴리머 조성물의 하류에 활성탄을 추가로 포함한다. 활성탄은 휘발성 유기 화합물, 방향제, 기체상 가정용 화학물질 및 기타 여러 기체와 같은 기타 오염물을 흡착하는 데 사용될 수 있으므로 특히 공조 시스템의 경우 필터 부품의 추가 재료로 바람직하다. 본 발명자들은 중합체 조성물의 하류에 활성탄을 제공함으로써 NO2가 달리 환원되어 NO를 형성할 수 있는 활성탄과 접촉하기 전에 선택적으로 흡착될 수 있음을 발견하였다. 인정되는 바와 같이, 하류는 사용 시 처리될 공기가 필터를 통해 이동하는 방향에 대한 활성탄의 위치를 의미한다. 하류는 처리될 공기가 먼저 폴리머 조성물을 통과한 다음, 활성탄을 통과하도록 처리될 공기가 도달하는 위치를 지칭하는 데 사용된다. 이러한 배열은 활성탄에서 NO 생성을 최소화하거나 방지하고 활성탄이 NO2 이외의 다른 오염물을 처리할 수 있는 능력을 확보한다.
바람직하게는 공기 여과 매체는 부품 내에 유지되는 복수의 비드 형태로 제공된다. 비드는 실질적으로 구형이며 바람직하게는 100 μm 내지 1600 μm, 바람직하게는 300 μm 내지 1200 μm 범위의 평균 입자 크기(d50)로 기재될 수 있다. 예를 들어 이러한 비드는 메쉬 스크린 사이에 고정될 수 있다.
바람직하게는, 공기 여과 매체는 적어도 600 m2/g의 표면적을 갖는다. 이러한 높은 표면적은 전형적으로 상대적으로 낮은 농도(예를 들어, 주위 공기 중 1 ppm 미만)로 존재하는 오염물인 NO2를 공기로부터 효율적으로 추출할 수 있게 한다. 표면적은 또한 단위 질량(또는 부피)당 다공성 폴리머의 총 표면적으로서 BET 비표면적으로 지칭될 수 있으며, 이러한 측정은 당업계에서 통상적이고 전형적으로 질소 흡착에 의해 측정된다. 바람직하게는 표면적은 적어도 700 m2/g, 더 바람직하게는 750 내지 2000 m2/g이다.
한 구현예에서, 폴리머 조성물은 섬유 상에 지지될 수 있다. 예를 들어, 폴리머 조성물은 일반적으로 면으로 제조된 직조물인 스크림 상에 지지될 수 있다. 폴리머 조성물은 또한 동시에 오염물인 포름알데히드를 흡착할 수 있는 물질인 양모 상에 지지될 수도 있다.
다른 구현예에서, 폴리머 조성물 자체는 직포 또는 부직포의 형태로 제공될 수 있으며, 섬유는 폴리머 조성물로 형성된다. 바람직하게는, 폴리머 조성물은 융융 취입되어 공기 여과 매체로서 부직포 시트를 형성한다. 더욱 더 바람직하게는, 폴리머 조성물은 HEPA 필터의 형태로 제공될 수 있다. HEPA 필터는 해당 분야에 잘 알려져 있으며 직경이 0.3 μm 이상인 입자의 적어도 99.95%, 바람직하게는 99.97%초과를 여과할 수 있어야 한다. 따라서 HEPA 필터는 공기 중의 NO2 기체를 흡착함과 동시에 미생물 예컨대 박테리아 및 바이러스, 분진 및 에어로졸을 포함하는 0.3 μm 초과의 입자를 물리적으로 포집하고 여과할 수 있다. 역압 증가를 방지하려면 시간이 지남에 따라 HEPA 필터를 교체해야 한다. NO2와의 반응으로 인한 동시 색상 변화는 필터가 소모되어 교체해야 하는 시기를 사용자에게 알려주는 역할을 한다.
기존 필터는 이미 활성탄 필터의 상류에 HEPA 필터를 포함할 수 있으므로, NO2 처리 폴리머 자체를 HEPA 필터로 제공하는 것이 매우 바람직하다. 이는 역압을 높이는 추가 부품이 없기 때문이다. 이는 역압 제한이 중요한 공조 시스템에서 특히 중요하다.
본 발명의 추가 양태는 공기 처리 시스템에서 NO2를 동시에 제거하기 위한 일회용 필터 부품을 제공하고, 부품은 복수의 유리 비닐 기를 포함하는 폴리머 조성물로부터 형성된 HEPA 필터를 포함한다. HEPA 필터는 잘 알려져 있으며 전형적으로 특정 적용에서 필터의 예상 수명을 기준으로 검사 없이 정기적으로 교체된다. 따라서, 또 다른 양태의 필터는 여과된 공기로부터 NO2를 동시에 제거하는 역할을 한다. 지속적으로 효과적인 미립자 여과를 보장하기 위해 HEPA 필터를 정기적으로 교체하는 경우가 많기 때문에, 사용자가 NO2 흡착으로 인한 색상 변화를 검사할 필요가 없다.
폴리머 조성물은 복수의 유리 비닐 기를 포함한다. 본원에 기재된 바와 같이, 발명자들은 유리 및 미반응 비닐 기의 존재가 NO2와 반응하여 공기로부터 NO2를 효율적으로 제거하는 동시에 폴리머 조성물의 색상이 흰색에서 노란색으로 변하도록 하는 데 사용될 수 있음을 발견하였다. 폴리머 조성물 중 유리 비닐 기의 존재는 본원에 기재된 바와 같이 13C 고체 상태 핵자기 공명(13C SSNMR) 분광법에 의해 쉽게 결정될 수 있다.
폴리머 조성물이 탄화수소, 즉 수소와 탄소로 구성되는 것이 특히 바람직하다. 다시 말해서, 폴리머 조성물은 바람직하게는 탄화수소 전구체의 중합 생성물이다. 추가적인 작용기가 없는 탄화수소 폴리머는 폴리머를 많은 오염물에 대해 상대적으로 불활성으로 만들고 소수성이므로 특히 NO2의 선택적 흡착에 적합하다. 유리 비닐 기를 최종 폴리머에 혼입시키기 위해, 바람직하게는 적어도 하나의 전구체는 2개의 비닐 기를 포함하여, 하나의 비닐 기가 중합 동안 폴리머 백본에 혼입되고 다른 비닐 기는 중합되지 않은 상태로 유지되어 유리되도록 한다. 따라서, 디비닐벤젠은 특히 바람직한 전구체, 즉 중합에 특히 바람직한 모노머이다. 따라서, 폴리머 조성물은 바람직하게는 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머를 포함한다. 훨씬 더 바람직하게는, 폴리머 조성물은 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머로 구성된다. 디비닐벤젠은 일반적으로 디비닐벤젠의 파라 이성질체와 메타 이성질체의 혼합물을 의미하는데, 이는 이러한 이성질체의 혼합물이 가장 일반적으로 상업적으로 입수 가능한 형태이기 때문이다.
디비닐벤젠(DVB)의 폴리머 및 코폴리머는 알려져 있으며 다공성 폴리머 흡착제로서 크로마토그래피에서 자주 사용된다. 디비닐벤젠의 폴리머 및 코폴리머는 공기와 폴리머의 효율적인 상호작용을 가능하게 하는 특히 높은 표면적을 갖는 메조다공성부터 미세다공성까지 다양할 수 있다. DVB의 폴리머 및 코폴리머가 알려져 있는 반면, 2개의 비닐 기를 갖는 DVB는 자유 비닐 기를 제공하기보다는 폴리머 성장 동안 2개의 폴리머 사슬을 연결하기 위한 가교제로서 중합 동안 사용된다. 따라서, 생성된 폴리머는 유리 비닐 기를 갖지 않을 수 있다. 일반적인 코폴리머는 스티렌과 디비닐벤젠(즉, 스티렌-디비닐벤젠)의 중합으로 생성된 것이다.
본 발명자들은 적어도 2개의 비닐 기를 포함하는 모노머를 중합하고/하거나 중합 전 중합성 조성물에서 이러한 모노머의 농도를 증가시킴으로써 생성된 폴리머 또는 코폴리머에서 유리 비닐 기의 수를 증가시키는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 따라서, 폴리머 조성물은 바람직하게는 적어도 2개의 비닐 기를 포함하는 모노머를 적어도 60 중량%로 포함하는 중합성 조성물의 중합 생성물이다. 훨씬 더 바람직하게는, 중합성 조성물은 적어도 2개의 비닐 기를 포함하는 모노머를 적어도 70 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 85 중량%, 적어도 90 중량%로 포함한다. 따라서, 폴리머 조성물이 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머를 포함하거나 이로 구성되는 경우, 폴리머 조성물은 적어도 60 중량%, 적어도 70 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 85 중량%, 적어도 90 중량%의 디비닐벤젠을 포함하는 중합성 조성물의 중합 생성물이다. 바람직하게는 폴리머 조성물은 디비닐벤젠의 폴리머, 즉 본질적으로 디비닐벤젠의 중합 생성물을 포함한다. 그러나 100%에 가까운 순도를 갖는 디비닐벤젠은 구하기 어렵고 상대적으로 고가일 수 있다. 이러한 이유로, 디비닐벤젠의 코폴리머를 형성하는 데에는 적어도 80 중량%의 디비닐벤젠은 특히 바람직하다. 다른 구현예에서는, 트리비닐벤젠과 같은 적어도 3개의 비닐 기를 갖는 모노머가 중합을 위해 사용될 수 있다. 그러나 디비닐벤젠은 일반적으로 쉽게 상업적으로 입수 가능하며 중합을 위한 상대적으로 저렴한 모노머이므로, 일회용 필터 부품의 비용이 절감된다.
바람직하게는, 폴리머 조성물은 디비닐벤젠과 선택적으로 치환된 스티렌, 전형적으로 스티렌 및/또는 알킬 치환된 스티렌, 바람직하게는 스티렌 및/또는 에틸스티렌(즉, 에틸비닐벤젠)의 코폴리머를 포함한다. 디비닐벤젠과 마찬가지로, 알킬스티렌 및 에틸스티렌은 일반적으로 각각 파라 및 메타 알킬스티렌과 파라 및 메타 에틸스티렌의 혼합물을 지칭한다. 따라서, 폴리머 조성물은 바람직하게는 본질적으로 디비닐벤젠 및 선택적으로 치환된 스티렌, 바람직하게는 스티렌 및/또는 에틸스티렌으로 구성된 중합성 조성물의 중합 생성물이다. 이러한 조성물은 "디비닐벤젠"으로 상업적으로 입수 가능한데, 그 이유는 디비닐벤젠 전구체가 비교적 낮은 순도, 예를 들어 적어도 50 중량%로만 흔히 이용 가능하기 때문이다. 디비닐벤젠은 종종 이성질체 디에틸벤젠의 열 탈수소화에 의해 상업적으로 생산된다. 유리 비닐 기의 수를 증가시키려는 목적에 따라, 순도가 적어도 80 중량%인 상업적으로 입수 가능한 디비닐벤젠이 특히 적합한데, 그 이유는 나머지 20 중량%는 전형적으로 스티렌과 에틸스티렌과 피할 수 없는 불순물의 혼합물이기 때문이다. 상업적으로 입수 가능한 디비닐벤젠에서, 나프탈렌과 같은 일부 불가피한 불순물은 오르토 디비닐벤젠의 고리화로부터 남을 수 있지만, 실질적으로 모든 나프탈렌은 쉽게 분리될 수 있다.
다른 구현예에서, 폴리머 조성물은 메타크릴레이트(예컨대 메틸 메타크릴레이트)와 디비닐벤젠 및 선택적으로 위에서 논의된 스티렌 및/또는 알킬스티렌의 코폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 폴리머 조성물은 상업적으로 입수 가능한 디비닐벤젠과 메타크릴레이트의 중합으로부터 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 공기 여과 매질로 사용하기에 적합한 디비닐벤젠 코폴리머는 Lanxess®(아민 관능화된 스티렌과 DVB와의 코폴리머)로부터 입수 가능한 Lewatit® VP OC 1065 및 DVB와 스티렌의 코폴리머인 Mitsubishi Chemical Corporation으로부터 입수 가능한 Diaion® HP20을 포함한다. Porapak® Q는 에틸비닐벤젠과 디비닐벤젠의 코폴리머이다. 특히 바람직한 구현예에서, 폴리머 조성물은 상업적으로 입수 가능한 디비닐벤젠 및 이와 관련된 불순물, 예컨대 에틸스티렌의 중합으로부터 얻을 수 있는 코폴리머인 Purolite®로부터 입수 가능한 PuroSorb® PAD1200이다. PAD1200은 사용된 중합성 조성물에서 다량의 디비닐벤젠의 불완전한 중합으로 인해 특히 많은 양의 유리 비닐 기를 제공한다.
본 발명에 사용하기 위한 폴리머 조성물은 NO2를 함유하는 공기 스트림으로부터 NO2와 반응하기 위한 복수의 유리 비닐 기를 제공한다. 유리 비닐 기의 수는 13C SSNMR 분광법으로 정량화될 수 있다. 폴리머 조성물을 형성하는데 사용되는 전구체 및/또는 모노머에 관계없이, 폴리머 조성물의 탄소 원자의 적어도 5.0%는 비닐 탄소 원자인 것이 바람직하며, 바람직하게는 탄소 원자의 적어도 5.5%, 적어도 6.0%, 적어도 6.5%, 적어도 7.0% 및 더욱 더 바람직하게는, 적어도 7.5%는 비닐 탄소 원자이다. 이러한 비닐 기의 농도는 흰색에서 노란색으로 바람직하게 강한 색상 변화를 제공하며, 비닐 탄소 원자의 수가 약 5.0% 미만으로 감소함에 따라 NO2에 대한 색상 변화 및 흡착 용량은 점차 약해진다.
폴리머 조성물이 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머를 포함하는 경우, 발명자들은 유리 비닐 기가 (비닐 기, 즉 -CH=CH2의 비치환 탄소에 해당하는) 약 112 ppm에서 13C SSNMR 스펙트럼에서 피크를 발생시킨다는 것을 발견하였다. 아무튼, 비닐 기에서 생성된 피크는 13C SSNMR 스펙트럼을 브롬과의 반응으로 생성된 폴리머의 스펙트럼과 비교하여 쉽게 식별할 수 있다. 브롬(Br2)은 유리 비닐 기와 반응하여 13C SSNMR 스펙트럼의 방향족 영역에서 비닐 탄소 피크가 사라진다. 이어서, 비닐 탄소 피크의 상대 강도를 사용하여 폴리머 조성물의 전체 비닐 함량을 정량화할 수 있다(비닐 기의 2개 탄소 원자를 고려하여 강도 값을 두 배로 늘림). 본 발명자들은 PAD1200이 폴리머 조성물 중 전체 탄소 원자 수에 대해 폴리머 조성물 중 약 7.6% 비닐 탄소 원자와 상관되는 약 3.8%의 치환되지 않은 비닐 탄소 원자를 포함한다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 스펙트럼의 지방족 영역(약 15 ppm 및 29 ppm)에서 더 큰 피크에 의해 입증되는 바와 같이 Porapak® Q가 PAD1200에 비해 더 많은 양의 에틸스티렌의 코폴리머임을 발견하였다. Porapak® Q는 약 3.2% 강도의 약 112 ppm에서 치환되지 않은 비닐 탄소 피크를 발생시킵니다(약 6.4%의 비닐 탄소 함량과 관련됨).
13C SSNMR 스펙트럼은 Topspin 4.0 소프트웨어를 사용하여 Bruker Avance Neo 콘솔에서 14.1 T (ν0(1H) = 600 ㎒)의 정적 전계 강도에서 획득될 수 있다. 13C의 경우, 프로브는 150.94 ㎒로 조정되고 20.5 ppm의 알라닌 CH3를 기준으로 한다. 분말 샘플은 샘플 질량을 제공하는 칭량 전후에 Kel-F 캡이 있는 지르코니아 MAS 로터에 포장될 수 있다. 샘플 질량은 약 30 mg 내지 약 60 mg일 수 있다. 로터는 실온의 정제된 압축 공기를 사용하여 회전시킬 수 있다. 스캔 수는 D1이 30.0초로 설정된 경우 1024일 수 있다. 13C SSNMR 분광법에 대한 이러한 매개변수는 당업계에서 일반적이다.
인식되는 바와 같이, 분자식 C10H10을 갖는 디비닐벤젠은 4개의 비닐 탄소 원자를 포함하며, 그 중 2개는 최종 폴리머에 혼입되기 위해 폴리머 백본의 일부를 형성할 것이다. 따라서 하나의 비닐 기만 중합된 순수 디비닐벤젠의 최대 유리 비닐 함량은 20.0%이다. 따라서, 적어도 7.0%의 비닐 탄소 원자를 포함하는 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머는 중합 동안 반응하지 않고 남아 있는 제2 비닐 기의 적어도 35%으로부터 생성된다. 중합 동안, 동일한 모노머의 2개의 비닐 기의 중합으로 인해 가교 수준이 증가함에 따라 구조적 제한으로 인해 인접한 모노머 단위의 두 번째 비닐 기의 추가 중합이 방지되어 생성된 폴리머에 비닐 기가 없게 된다. 따라서, 본원에 기재된 바와 같이, 폴리머 조성물은 바람직하게는 적어도 2개의 비닐 기, 가장 바람직하게는 디비닐벤젠를 갖는, 적어도 60 중량%, 적어도 70 중량%, 적어도 80 중량%, 적어도 85 중량%, 적어도 90 중량%의 모노머로부터 형성된 코폴리머를 포함한다.
추가 양태에 따르면, 본원에 기재된 일회용 필터를 포함하는 공기 처리 시스템이 제공된다. 바람직하게는, 공기 처리 시스템은 자동차 공조 시스템이다. 이는 필터가 높은 수준의 NO2에 직면하는 시스템에 사용되기 때문에 특히 유용하고, 여기서 시스템은 유효 수명 동안 정기적으로 점검 및 교체된다.
폴리머 조성물의 색상이 노란색으로 변한 것을 관찰한 사용자의 결정에 따라 필터 부품이 소모되면, 필터 부품을 교체할 수 있다. 대안적으로, 광학 센서는 사용자에게 색상 변화를 경고하도록 구성될 수 있다. 그러한 구현예에서, 자동차 계기판의 제어 패널에 있는 경고등은 필터의 색상 변화를 사용자에게 경고하기 위해 사용될 수 있으며, 이에 따라 필터는 소모되어 교체될 필요가 있다. 대안적으로, 폴리머가 HEPA 필터 형태인 구현예에서, 필터는 자동차 공조 시스템의 일상적인 서비스의 일부로서 교체될 수 있다.
추가 측면에 따르면, NO2를 제거하기 위해 공기를 처리하는 방법도 제공되며, 이 방법은 NO2 함유 공기를 본원에 기재된 일회용 필터를 통해 통과시키는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 공기 여과 매체를 형성하기 위한 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 용도가 제공되고, 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 탄소 원자 중 적어도 7.0%는 13C SSNMR에 의해 측정 시 비닐 탄소 원자이다. 디비닐벤젠의 상업용 폴리머 및 코폴리머가 알려져 있지만, 이들은 작은 펩타이드 및 단백질과 같은 생물학적 물질의 정제, 폐수 처리, 화학물질, 당 용액 및/또는 스테비아의 탈색과 같은 적용에서 또는 크로마토그래피 컬럼에서 사용하기 위해 판매된다. 본 발명자들은 이러한 폴리머 및 코폴리머가 공기로부터 NO2를 제거하는 데 적합한 공기 여과 매체를 형성하는 데 특히 적합하다는 것을 확인하였다.
이제 본 발명은 다음의 비제한적인 도면을 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1은 상업적으로 입수 가능한 활성탄과 폴리머 PAD610을 비교하여 시간의 함수로 NO2 슬립과 NO 생산을 그래프로 나타낸 것이다.
도 2는 유리 비닐 기가 없는 스티렌-디비닐벤젠 코폴리머의 구조를 나타낸다.
도 3은 복수의 유리 비닐 기를 갖는 에틸스티렌-디비닐벤젠 코폴리머의 구조를 나타낸다.
도 1은 일회용 필터 부품에 사용하기에 적합한 본원에 기재된 폴리머 조성물과 가정용 공기 정화기기에 사용하기 위한 상업적으로 입수 가능한 활성탄 조성물 간의 비교이다. 도 1은 실온(22℃)에서 상대 습도가 약 40%이고 NO2가 400 ppb인 공기를 테스트 샘플에 통과시킬 때 얻은 결과를 예시한다. 도 1은 활성탄으로부터 NO2 슬립의 급속한 증가를 예시한 반면, 폴리머 PAD610(DVB와 가교결합되고 복수의 유리 비닐 기를 갖는 폴리메타크릴)은 90시간 초과에서 낮은 수준의 NO2 슬립을 유지한다. 유리하게는, 폴리머 조성물은 임의의 주목할 만한 수준의 NO 생산을 초래하지 않는 반면, NO 생산은 활성탄 내의 NO2 슬립의 양을 밀접하게 따르고 40 ppb 초과로 빠르게 상승한다.
도 2는 유리 비닐 기가 없는 스티렌-디비닐벤젠 코폴리머의 구조를 나타낸다. 디비닐벤젠은 중합된 스티렌의 폴리머 백본을 가교시키는 역할을 한다. 한편, 도 3은 적어도 80 중량%의 순도를 가지며 나머지는 실질적으로 에틸스티렌인 상업적으로 입수 가능한 디비닐벤젠의 중합을 통해 얻을 수 있는 것과 같은 에틸스티렌과 디비닐벤젠의 코폴리머의 구조를 나타낸다. 도 3에 예시된 구조는 파라 치환된 벤젠 고리를 포함하지만, 코폴리머는 메타 치환과 파라 치환의 혼합물을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 상업적으로 입수 가능한 디비닐벤젠의 중합에 의해 얻을 수 있는 도 3에 도시된 코폴리머는 도 2의 비교 코폴리머보다 상당히 더 많은 가교를 나타냈다. 중합 중 가교결합이 증가하면 비닐 기의 일부가 중합되지 않고 생성된 폴리머에 유리되어 남아있게 된다.
본원에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an", 및 "the")는 그 내용이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. "포함하는"이라는 용어의 사용은 이러한 특징을 포함하지만 다른 특징을 배제하지 않는 것으로 해석되도록 의도되었으며, 또한 기재된 특징으로 필연적으로 제한되는 특징의 옵션도 포함하려는 의도이다. 다시 말해서, 이 용어는 문맥상 다르게 명시되지 않는 한, "본질적으로 구성되는"(특정 추가 부품이 기재된 특징의 본질적인 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 한 존재할 수 있음을 의미함) 및 "구성된"(구성 요소를 비율에 따라 백분율로 표시하면 피할 수 없는 불순물을 고려하여 합산하면 최대 100%가 되도록 다른 특징이 포함될 수 없음을 의미함)이라는 제한 사항도 포함한다.
전술한 상세한 설명은 설명 및 예시로서 제공되었으며, 첨부된 청구범위의 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본원에 예시된 현재 바람직한 구현예에서의 많은 변형이 당업자에게 명백할 것이며, 첨부된 청구범위 및 그의 등가물의 범주 내에 있다.

Claims (15)

  1. 공기 처리 시스템에서 NO2를 제거하기 위한 일회용 필터 부품으로서, 부품은 공기 여과 매체로서 폴리머 조성물을 포함하고, 폴리머 조성물은 복수의 유리 비닐 기를 포함하고,
    부품은 흰색에서 노란색으로의 색상 변화에 기초하여 필터가 소모된 시기를 결정하기 위해 최종 사용자가 공기 여과 매체를 검사하도록 허용하거나, 최종 사용자에게 색상 변화를 알리도록 구성된 광학 센서를 포함하는, 일회용 필터 부품.
  2. 제1항에 있어서, 부품은 부품 내에 보유된 공기 여과 매체를 검사할 수 있도록 적어도 광학적으로 투명한 부분을 포함하는, 일회용 필터 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공기 여과 매체는 부품 내에 유지되는 복수의 비드 형태로 제공되는, 일회용 필터 부품.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공기 여과 매체는 직포 또는 부직포 형태로 제공되는, 일회용 필터 부품.
  5. 제4항에 있어서, 공기 여과 매체는 HEPA 필터의 형태로 제공되는, 일회용 필터 부품.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 여과 매체는 적어도 600 m2/g의 표면적을 갖는, 일회용 필터 부품.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 최종 사용자가 공기 여과 매체와 비교하여 필터가 소모된 시기를 결정할 수 있게 하는 노란색 마커를 추가로 포함하는, 일회용 필터 부품.
  8. 공기 처리 시스템에서 NO2를 동시에 제거하기 위한 일회용 필터 부품으로서, 부품은 복수의 유리 비닐 기를 포함하는 폴리머 조성물로부터 형성된 HEPA 필터를 포함하는, 일회용 필터 부품.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리머 조성물은 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머를 포함하는, 일회용 필터 부품.
  10. 제9항에 있어서, 폴리머 조성물은 적어도 80 중량%의 디비닐벤젠을 포함하는 중합성 조성물의 중합 생성물인, 일회용 필터 부품.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 폴리머 조성물의 탄소 원자 중 적어도 7.0%는 13C SSNMR에 의해 측정 시 비닐 탄소 원자인, 일회용 필터 부품.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 부품은 폴리머 조성물의 하류에 활성탄을 추가로 포함하는, 일회용 필터 부품.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 일회용 필터를 포함하는 공기 처리 시스템, 바람직하게는 자동차 공조 시스템.
  14. 공기를 처리하여 NO2를 제거하는 방법으로서, 하기를 포함하는 방법:
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 일회용 필터를 통해 NO2 함유 공기를 통과시키는 것.
  15. 공기 여과 매체를 형성하기 위한 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 용도로서, 디비닐벤젠의 폴리머 또는 코폴리머의 탄소 원자 중 적어도 7.0%는 13C SSNMR에 의해 측정 시 비닐 탄소 원자인, 용도.
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