WO2018080019A1 - 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 - Google Patents

환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템 Download PDF

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WO2018080019A1
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graphene oxide
water purification
filter
water
reduced graphene
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PCT/KR2017/010245
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이정훈
김건수
이우준
이명신
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주식회사 스탠다드그래핀
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Definitions

  • the present invention relates to a water purification filter comprising a reduced graphene oxide (rGO) layer, and a water purification system including the water purification filter.
  • a water purification filter comprising a reduced graphene oxide (rGO) layer
  • a water purification system including the water purification filter.
  • Raw water currently in use is mostly obtained from rivers or rivers.
  • the obtained raw water is filtered through various steps such as precipitation, chemicals, and disinfection to purify various foreign matters and impurities, and purified to clean water and provided to homes or industries.
  • steps such as precipitation, chemicals, and disinfection to purify various foreign matters and impurities, and purified to clean water and provided to homes or industries.
  • a high installation cost and a large site for the flocculation, sedimentation, chemical treatment step, etc. are required in the purification plant, and thus, installation cost is limited.
  • the contaminated raw water passes through the water purification plant, and then back to the water we can drink through general household water purifier.
  • Graphene includes a monoatomic layer formed of one layer of carbon atoms, the conductivity of graphene is much higher than that of copper, the electron mobility of graphene is faster than that of silicon, and graphene has a very high strength compared to steel. It is a new material having various advantages. Graphene is applied to various fields such as ultra-fast semiconductors, flexible displays using transparent electrodes, computer components, and high efficiency solar cells. BACKGROUND ART Graphene used in semiconductors, displays, computer parts, solar cells, and the like has been developed in the technical direction to prevent defects such as through holes in graphene.
  • Korean Patent No. 1675750 discloses a method for producing an antimicrobial activated carbon filter in which the dissolution of silver antimicrobial agent is controlled.
  • the present invention is to provide a water purification filter comprising a reduced graphene oxide (rGO) layer, and a water purification system including the water purification filter.
  • a water purification filter comprising a reduced graphene oxide (rGO) layer
  • a water purification system including the water purification filter.
  • a first aspect of the present disclosure provides a filter for water purification, comprising a reduced graphene oxide (rGO) layer.
  • rGO reduced graphene oxide
  • the filter housing is provided with an inlet and outlet; And a filter unit provided in the filter housing to purify the water introduced through the inlet port and supply the water to the outlet port, wherein the filter unit comprises a water purification filter according to the first aspect of the present application. It provides a phosphorus and water purification system.
  • rGO reduced reduced graphene oxide
  • Filter for water purification to remove contaminants of water introduced into the interior through activated carbon, gravel, sand, or ion exchange resin, the activated carbon, gravel, through the reduced graphene oxide layer It is also possible to adsorb and remove even very fine particles of contaminants that are not removed by sand or ion exchange resins, especially ultra fine particles adsorbed on inks or dyes.
  • the organic material contained in the incoming water is removed by being adsorbed by the oxygen-containing functional groups formed on the edge and inside of the graphene due to peroxidation during the production of the reduced graphene oxide
  • impurities contained in the introduced water may be removed between pinholes formed in the graphene due to peroxidation during the production of the reduced graphene oxide, as well as impurities between the sheet and the sheet of graphene. It can be removed by pinching and also filtering micro- and nano-sized ultrafine impurities through the nanopores of graphene.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a water purification filter including a reduced graphene oxide layer in one embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the reduced graphene oxide layer (green: contaminants) in one embodiment of the present application.
  • FIG. 3 is a scanning electron microscope photograph of a reduced graphene oxide layer in one embodiment of the present application (Supra 40, Carl Zeiss (Swiss)).
  • FIG. 4 is an image of a water purification filter including only a (top) graphene oxide (GO) layer and a water purification filter including only a reduced graphene oxide (rGO) layer in one embodiment of the present application, and (bottom) ) An image of water filtered through the water purification filter including only the reduced graphene oxide (rGO) layer and the water purification filter including only the graphene oxide (GO) layer.
  • FIG. 5 is a filter for water purification including only (left) reduced graphene oxide layer in one embodiment of the present application, and a filter for water purification including (central) and (right) reduced graphene oxide layer and gravel layer. It is shown.
  • FIG. 6 illustrates a filter for water purification, which includes, in one embodiment of the present application, gravel, activated carbon, sand, and a reduced graphene oxide layer.
  • FIG. 7 shows (1) a filter for water purification (comparative) comprising gravel, activated carbon, and sand, and (2) a layer of gravel, activated carbon, sand, and reduced graphene oxide according to one embodiment of the present application.
  • the filter for water quality containing is shown.
  • FIG. 8 shows (1) water (comparative) filtered through a water purification filter comprising gravel, activated carbon, and sand, and (2) gravel, activated carbon, sand, and reduced oxidation according to one embodiment of the present application. It shows muddy water filtered through a filter for water purification including a graphene layer.
  • 10 is, in one embodiment of the present application, (1) water (comparative) filtered through a water purification filter including gravel, activated carbon, and sand, and (2) gravel according to an embodiment of the present application, Contaminated Nakdong River water filtered through a filter for water purification comprising activated carbon, sand, and a reduced layer of graphene oxide.
  • 11 is, in one embodiment of the present application, (1) water (comparative) filtered through a water purification filter comprising gravel, activated carbon, and sand, and (2) gravel according to an embodiment of the present application, Ink water filtered through a water purification filter comprising activated carbon, sand, and a reduced graphene oxide layer is shown.
  • Fig. 12 shows muddy water (top) and ink water (bottom) filtered through the water purification filter of Company A as a comparative example.
  • Fig. 13 shows muddy water (upper part), cola (center part), and ink water (lower part) filtered through a water purification filter of Company B as a comparative example.
  • FIG. 14 shows Vietnamese tap water, Vietnamese West Lake water, and Vietnamese Red River water, respectively, filtered through a water purification filter comprising a layer of gravel, activated carbon, sand, and reduced graphene oxide in one embodiment of the present disclosure. .
  • FIG. 15 shows, in one embodiment of the present application, Vietnamese tap water (M2) filtered through a water purification filter comprising a layer of Vietnamese tap water (M1), gravel, activated carbon, sand, and reduced graphene oxide prior to filtration, filtration Vietnam West Lake water (M3), and filtered Vietnam Honggang water (M4), respectively.
  • FIG. 16 shows, in one embodiment of the present application, dyeing wastewater (5 L) filtered through a tap water (control) and a water purification filter comprising a reduced graphene oxide layer and activated carbon.
  • FIG. 17 shows a dye wastewater (5 L) filtered through a water purification filter comprising tap water (control), a reduced graphene oxide layer, activated carbon, and sand, in one embodiment of the present application.
  • FIG. 18 illustrates a dye wastewater (negative control), a dye wastewater filtered through a water purification filter including sand, and a dye wastewater filtered through a water purification filter including activated carbon according to one embodiment of the present disclosure. .
  • FIG. 19 shows, in one embodiment of the present application, a primary filter (left) and a secondary filter (right) for water purification comprising activated carbon, sand, and a reduced graphene oxide layer.
  • 20A and 20B illustrate a primary filter (a) and a secondary filter (b) for purifying water, which include activated carbon, sand, and a reduced graphene oxide layer in one embodiment of the present application.
  • the wastewater filtered through the volume is shown.
  • the term "combination (s) thereof" included in the expression of a makushi form refers to one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of components described in the expression of makushi form, It means to include one or more selected from the group consisting of the above components.
  • graphene means that a plurality of carbon atoms are covalently linked to each other to form a polycyclic aromatic molecule, wherein the carbon atoms linked by the covalent bonds are used as basic repeating units. It forms a 6-membered ring, but it is also possible to further include a 5-membered ring and / or a 7-membered ring. Thus, the sheet formed by the graphene may be seen as a single layer of carbon atoms covalently bonded to each other, but is not limited thereto.
  • the sheet formed by the graphene may have a variety of structures, such a structure may vary depending on the content of the 5-membered ring and / or 7-membered ring that can be included in the graphene.
  • a structure may vary depending on the content of the 5-membered ring and / or 7-membered ring that can be included in the graphene.
  • the sheet formed by the graphene when they is formed of a single layer, they may be stacked on each other to form a plurality of layers, the side end portion of the graphene sheet may be saturated with a hydrogen atom, but is not limited thereto.
  • graphene oxide is also called graphene oxide and may be abbreviated as "GO”.
  • the monolayer graphene may include a structure in which a functional group containing oxygen such as a carboxyl group, a hydroxyl group, or an epoxy group is bonded thereto, but is not limited thereto.
  • reduced graphene oxide or “reduced graphene oxide” refers to graphene oxide having reduced oxygen ratio through a reduction process, which may be abbreviated as "rGO”. However, it is not limited thereto.
  • a first aspect of the present disclosure provides a filter for water purification comprising a reduced graphene oxide (rGO) layer.
  • rGO reduced graphene oxide
  • the reduced graphene oxide layer may be one or more reduced graphene oxide (rGO) sheet.
  • the reduced graphene oxide layer may be one having a porosity.
  • the water to be purified (contaminated water) containing the fine particles, dyes, or ink may be filtered by the water purification filter.
  • the water purification filter includes the reduced graphene oxide layer, the reduced graphene oxide layer is prevented from floating in water, and the reduced graphene oxide layer is used for the purpose of efficiently extending the life of the filter.
  • the filter layer may be further included thereon.
  • each of the reduced graphene oxide sheet included in the reduced graphene oxide layer may be to include an oxygen-containing functional group and / or pin holes, but is not limited thereto.
  • the reduced graphene oxide may be prepared by peroxidizing graphite to obtain graphene oxide, and reducing the obtained graphene oxide to obtain reduced graphene oxide, but is not limited thereto. It may not be.
  • oxygen-containing functional groups are generated at the edges and inside of the graphene, and defects are generated to generate pinholes, so that each of the reduced graphene oxide sheets finally obtained is oxygen-containing functional groups.
  • / or may include a pinhole, but may not be limited thereto.
  • the oxygen-containing functional group is selected from the group consisting of a hydroxyl group, an epoxy group, an epoxy group, a carboxyl group, a ketone group, and combinations thereof It may include, but may not be limited thereto.
  • the reduced graphene oxide layer may be to remove microparticles of less than about 10 ⁇ m in diameter to be purified, but may not be limited thereto.
  • contaminants contained in the water may be adsorbed, and the organic material may be formed by the oxygen-containing functional group included in the reduced graphene oxide. It may be adsorbed, and may be removed by inserting impurities into pinholes included in the reduced graphene oxide, and may be removed by inserting impurities between sheets of the reduced graphene oxide. It may not be limited.
  • the pore size of the reduced graphene oxide layer may be about 1 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • the pores of the reduced graphene oxide layer may include a void and a pinhole between the sheet and the sheet, and the pore size may be about 1 nm to about 20 nm, and about 1 nm to About 15 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, about 5 nm to about 20 nm, about 5 nm to about 15 nm, about 5 nm to about 10 nm, about 10 nm to about 20 nm, about 10 nm to about 15 nm, or about 15 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • micro and nano sized microparticles or ultrafine particles may be filtered out through the nanopores of the reduced graphene oxide layer, but may not be limited thereto. .
  • the contaminated water is removed from the filter layer of the water purification filter through the gravel to remove large particles of impurities, activated carbon to remove impurities of medium size, heavy metals and / or bacteria, and small sand through
  • the particles are removed, and the ultrafine particles of about 10 nm to about 100 nm that are not removed through the filtration layer are oxygen-containing functional groups, pinholes, nanopores, and the reduced graphene oxide of the reduced graphene oxide layer. It may be removed by a void between the sheets, but may not be limited thereto.
  • the interval of the empty space between the sheets of the reduced graphene oxide may be about 1 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • impurities may be removed from the empty spaces between the sheets of reduced graphene oxide, and the interval may be about 1 nm to about 20 nm, about 1 nm to about 15 nm, and about 1 nm to About 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, about 5 nm to about 20 nm, about 5 nm to about 15 nm, about 5 nm to about 10 nm, about 10 nm to about 20 nm, about 10 nm to about 15 nm, or about 15 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • the size of the pinhole formed on the reduced graphene oxide sheet may be about 0.1 nm to about 10 nm, but may not be limited thereto.
  • impurities may be removed between pinholes included in the reduced graphene oxide, and the size of the pinholes is about 0.1 nm to about 10 nm, about 0.1 nm to about 5 nm, and about 0.1 nm to about 1 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, or about 5 nm to about 10 nm, but may not be limited thereto.
  • the ink or dye comprises particles in the range of about 10 nm to about 100 nm, wherein the ink or dye is added to the ink or dye through oxygen-containing functional groups, pinholes, and nano-sized pores included in the reduced graphene oxide sheet.
  • the particles included may be adsorbed and removed, but may not be limited thereto.
  • the reduced graphene oxide layer may be about 0.1 to about 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the filter, but may not be limited thereto.
  • the reduced graphene oxide layer may contain about 0.1 to about 10 parts by weight, about 0.1 to about 8 parts by weight, about 0.1 to about 6 parts by weight, and about 0.1 to about 4 parts by weight based on the total weight of the filter.
  • the water purification filter may further include a filtration layer disposed on the reduced graphene oxide layer, the filtration layer is sand, gravel, charcoal, activated carbon, ion exchange resin, and It may include one or more selected from the group consisting of, but may not be limited thereto.
  • the filtration layer may be disposed on the reduced graphene oxide layer, and may include sand, gravel, and activated carbon, but may not be limited thereto.
  • the ion exchange resin may use known resins without particular limitation, but may not be limited thereto.
  • the ion exchange resin may comprise a cation exchange resin or a mixed exchange resin, the cation exchange resin, the cation contained in the impurity, for example, Ca 2 +, Mg 2 +, Na +, or K + And the like may be removed by exchange with H + ions by the cation exchange resin, and impurities may be adsorbed on the resin, but may not be limited thereto.
  • the mixed ion exchange resins e.g., Ca + 2, Mg + 2, Na +, or with a cation containing impurities such as K +, SO 4 2-, or Cl 2 - such as the Anion may be removed by the mixed ion exchange resin, but may not be limited thereto.
  • the water purification filter about 100 parts by weight of the filter, about 20 to about 30 parts by weight, about 20 to about 30 parts by weight of activated carbon, about 30 to about 45 parts by weight of sand, And about 1 to about 10 parts by weight of the reduced graphene oxide layer, but may not be limited thereto.
  • the filter housing is provided with an inlet and outlet; And a filter unit provided in the filter housing to purify the water introduced through the inlet to supply the purified water to the outlet, wherein the filter unit comprises a filter for purifying water according to the first aspect of the present application. It provides a phosphorus and water purification system.
  • the water purification system includes a filter housing having an inlet and an outlet; And a filter part provided in the filter housing to purify the water introduced through the inlet to the outlet, wherein the filter part includes a reduced graphene oxide (rGO) layer and a filtration layer. It may be to include a filter for water purification.
  • rGO reduced graphene oxide
  • the water to be purified (contaminated water) containing the fine particles, dyes, or ink may be filtered by the water purification filter.
  • the water purification filter includes a reduced graphene oxide layer, which prevents the reduced graphene oxide from floating in water and extends the life of the filter to effectively use the reduced graphene oxide layer.
  • a filtration layer may be further included.
  • the reduced graphene oxide layer may be one or more reduced graphene oxide (rGO) sheet.
  • each of the reduced graphene oxide sheet included in the reduced graphene oxide layer may be to include an oxygen-containing functional group and / or pin holes, but is not limited thereto.
  • the reduced graphene oxide may be prepared by peroxidizing graphite to obtain graphene oxide, and reducing the obtained graphene oxide to obtain reduced graphene oxide, but is not limited thereto. It may not be.
  • oxygen-containing functional groups are generated at the edges and inside of the graphene, and defects are generated to generate pinholes, so that each of the reduced graphene oxide sheets finally obtained is oxygen-containing functional groups.
  • / or may include a pinhole, but may not be limited thereto.
  • the reduced graphene oxide layer may be to remove microparticles less than about 10 ⁇ m in diameter, but may not be limited thereto.
  • contaminants contained in the water may be adsorbed, and the organic material may be formed by the oxygen-containing functional group included in the reduced graphene oxide. It may be adsorbed, and may be removed by inserting impurities into pinholes included in the reduced graphene oxide, and may be removed by inserting impurities between sheets of the reduced graphene oxide. It may not be limited.
  • the oxygen-containing functional group is selected from the group consisting of a hydroxyl group, an epoxy group, an epoxy group, a carboxyl group, a ketone group, and combinations thereof It may include, but may not be limited thereto.
  • the pore size of the reduced graphene oxide layer may be about 1 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • the pores of the reduced graphene oxide layer may include a void and a pinhole between the sheet and the sheet, and the pore size may be about 1 nm to about 20 nm, and about 1 nm to About 15 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, about 5 nm to about 20 nm, about 5 nm to about 15 nm, about 5 nm to about 10 nm, about 10 nm to about 20 nm, about 10 nm to about 15 nm, or about 15 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • micro and nano-sized microparticles or ultrafine particles may be filtered out through the nanopores of the reduced graphene oxide layer, This may not be limited.
  • the contaminated water is large particles are removed through the gravel in the filter layer of the water purification filter, medium impurities and heavy metals and / or bacteria are removed by activated carbon, and small particles are removed through sand.
  • about 10 nm to about 100 nm of ultrafine particles, which are not removed through the filtration layer contain oxygen-containing functional groups, pinholes, nanopores, and the reduced graphene oxide sheets of the reduced graphene oxide layer. It may be removed by a void between them, but may not be limited thereto.
  • the interval of the voids between the sheets of the reduced graphene oxide may be about 1 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • impurities may be removed from the empty spaces between the sheets of reduced graphene oxide, and the interval may be about 1 nm to about 20 nm, about 1 nm to about 15 nm, and about 1 nm to About 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, about 5 nm to about 20 nm, about 5 nm to about 15 nm, about 5 nm to about 10 nm, about 10 nm to about 20 nm, about 10 nm to about 15 nm, or about 15 nm to about 20 nm, but may not be limited thereto.
  • the size of the pinhole formed on the reduced graphene oxide sheet may be about 0.1 nm to about 10 nm, but may not be limited thereto.
  • impurities may be removed between pinholes included in the reduced graphene oxide, and the size of the pinholes is about 0.1 nm to about 10 nm, about 0.1 nm to about 5 nm, and about 0.1 nm to about 1 nm, about 1 nm to about 10 nm, about 1 nm to about 5 nm, or about 5 nm to about 10 nm, but may not be limited thereto.
  • the ink or dye comprises particles in the range of about 10 nm to about 100 nm, wherein the ink or dye is added to the ink or dye through oxygen-containing functional groups, pinholes, and nano-sized pores included in the reduced graphene oxide sheet.
  • the particles included may be adsorbed and removed, but may not be limited thereto.
  • the reduced graphene oxide layer may be about 0.1 to about 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the filter, but may not be limited thereto.
  • the reduced graphene oxide layer may contain about 0.1 to about 10 parts by weight, about 0.1 to about 8 parts by weight, about 0.1 to about 6 parts by weight, and about 0.1 to about 4 parts by weight based on the total weight of the filter.
  • the filtration layer may include one or more selected from the group consisting of sand, gravel, charcoal, activated carbon, ion exchange resin, and combinations thereof, but may not be limited thereto.
  • the filtration layer may be disposed on the reduced graphene oxide layer, and may include sand, gravel, and activated carbon, but may not be limited thereto.
  • the ion exchange resin may use known resins without particular limitation, but may not be limited thereto.
  • the ion exchange resin may comprise a cation exchange resin or a mixed exchange resin
  • the cation exchange resin is a cation contained in the impurity, for example, Ca 2 +, Mg 2 +, Na +, or K + and the like may be removed by exchange with H + ions by the cation exchange resin, and impurities may be adsorbed on the resin, but may not be limited thereto.
  • the mixed ion exchange resins e.g., Ca + 2, Mg + 2, Na +, or with a cation containing impurities such as K +, SO 4 2-, or Cl 2 - such as the Anion may be removed by the mixed ion exchange resin, but may not be limited thereto.
  • the water purification filter about 100 parts by weight of the filter, about 20 to about 30 parts by weight, about 20 to about 30 parts by weight of activated carbon, about 30 to about 45 parts by weight of sand, and It may include about 1 to about 10 parts by weight of the reduced graphene oxide layer, but may not be limited thereto.
  • a water purification filter including only a graphene oxide layer and a water purification filter including only a reduced graphene oxide (rGO) layer were prepared, respectively.
  • the peroxidation of the graphite was performed by oxidizing the graphite longer than the conventional graphene oxide production, or by increasing the reaction temperature to increase the oxidation. Many oxygen-containing functional groups are formed at the edges of the reduced graphene oxide sheets formed by the peroxidation.
  • the upper image of FIG. 4 is a process of purifying water by diluting ink after dipping the water purification filter into a flask, respectively, the left side of the filter for water purification including a reduced graphene oxide (rGO) layer, and the right side of the graphene oxide A water purification filter including only a pin (GO) layer is shown.
  • a filter for water purification including the reduced graphene oxide was prepared.
  • the reduced graphene oxide may be cracked and scattered, so that the gravel layer may be combined with the reduced graphene oxide layer.
  • a simple filter containing was prepared (center part and right side of FIG. 5). As a result of filtering 125 m of muddy water through the manufactured simple filter, clear water was purified.
  • Reduced graphene oxide is a porous material having a large surface area (FIG.
  • Table 1 below shows the water quality test results of the muddy water filtered through the simple filter.
  • the purified water is colorless and odorless, and it can be confirmed that impurities including chlorine, fecal coliform and ammonia nitrogen are purified.
  • Filters for water purification comprising reduced graphene oxide layers and filtration layers (1)
  • a water purification filter including a reduced graphene oxide layer and a filter layer was prepared.
  • the graphene oxide layer (4 g), sand (100 g), activated carbon (80 g), and gravel (150 g) were sequentially stacked from the bottom.
  • a filter made of paper, polyethylene, polypropylene, membrane, polytetrafluoroethylene (PTFE), or cellulose is inserted at the bottom of the filter.
  • the reduced graphene oxide was laminated and compacted into a flat material to be in close contact with the paper filter.
  • the air permeability was cut through the filter cloth of 0.1 to 1 cc / min so as not to mix with each other (Fig. 6).
  • the reduced graphene oxide used in the water purification filter a graphene surface size of 1 to 30 ⁇ m, a thickness of 1 to 10 nm was used, the size of sand is 0.1 to 1 mm, the size of activated carbon is 0.5 To 10 mm, the size of the gravel was 1 to 20 mm.
  • the muddy water was poured into each of the water purification filters including the reduced graphene oxide layer and the water purification filters not included to check the color of the filtered water while passing through the filter.
  • FIG. 8 shows muddy water filtered through (1) a water purification filter not including a reduced graphene oxide layer and (2) a water purification filter including a reduced graphene oxide layer.
  • the filter which does not contain graphene also showed some water purification ability, but it can be seen that the color of water is cloudy with the naked eye.
  • the water purification filter including the reduced graphene oxide layer can be confirmed to be transparent and clear as the color of Korean drinking water.
  • Filters for water purification comprising reduced graphene oxide layers and filtration layers (2006.01)
  • a water purification filter including a reduced graphene oxide layer, and a water purification filter containing no graphene were prepared, and the color of the filtered water was poured while passing through the filter with cola. Confirmed.
  • Filters for water purification comprising reduced graphene oxide layers and filtration layers (2006.01)
  • a water purification filter including a reduced graphene oxide layer and a water purification filter without graphene were prepared and connected to a vacuum pump, respectively, and the contaminated water collected from the Nakdong River was poured. The color of the filtered Nakdong River water was checked while passing through the filter.
  • FIG. 10 shows Nakdong River water contaminated with green algae and the like, each filtered through (1) a filter for water purification not including a reduced graphene oxide layer, and (2) a water purification filter including a reduced graphene oxide layer.
  • a filter for water purification not including a reduced graphene oxide layer As shown in FIG. 10, in the case of the filter containing no graphene, a filtrate showing the same color as that of the Nakdong River water contaminated almost before filtration was visually confirmed.
  • the water purification filter including the reduced graphene oxide layer it can be seen that it is transparent and clear like the color of Korean drinking water.
  • Filters for water purification comprising reduced graphene oxide layers and filtration layers (4)
  • a water purification filter including a reduced graphene oxide layer and a water purification filter without graphene were prepared and connected to a vacuum pump, respectively, and the ink diluted with water was poured into the filter. The color of the filtered water was checked while passing through.
  • FIG. 11 shows ink water filtered through (1) a water purification filter not including the reduced graphene oxide layer and (2) a water purification filter including the reduced graphene oxide layer.
  • a water purification filter including the reduced graphene oxide layer As shown in FIG. 11, in the case of the filter containing no graphene, a filtrate showing almost the same color as the ink was visually observed. On the contrary, in the case of the water purification filter including the reduced graphene oxide layer, it can be seen that it is transparent and clear like the color of general tap water.
  • Fig. 12 shows the water filtered by separating the filter for water quality purification of the other company A, pouring muddy water (upper) and ink (lower), respectively.
  • muddy water upper
  • ink lower
  • Filters for water purification comprising reduced graphene oxide layers and filtration layers (2006.01)
  • the water purification filter including the reduced graphene oxide layer and the filtration layer was manufactured by the following method.
  • the graphene oxide layer (5 g), sand (100 mL), activated carbon (100 mL), and gravel (100 mL) were sequentially stacked from the bottom. Since the reduced graphene oxide is light and has a tendency to float when it enters water, a paper filter is cut at the bottom of the filter, and then the reduced graphene oxide is laminated and compacted into a flat article to be in close contact with the paper filter.
  • the air permeability of the filter cloth of 0.1 to 1 cc / min was cut to prevent mixing.
  • FIG. 14 compares Vietnamese tap water (left) before filtration and Vietnamese tap water (right) after filtration, and it can be seen visually that the filtered Vietnamese tap water is clearer than tap water before filtration.
  • FIG. 14 compares West Lake water (left) before filtration and West Lake water (right) after filtration, and it can be seen that the cloudy West Lake water before filtration is noticeably clear after filtration through the filter.
  • Figure 15 shows Vietnam tap water (M1) before filtration, Vietnam tap water (M2) after filtration, West Lake water (M3) after filtration, and Honggang water (M4) after filtration, respectively.
  • the naked eye was able to confirm that the water after filtration through the filter became clear, and to check it more accurately, each water quality test was conducted.
  • Table 3 and Table 4 below show the water quality test results for Vietnamese tap water (M1) before filtration, Vietnamese tap water (M2) after filtration, West Lake water (M3) after filtration, and Honggang water (M4) after filtration, It can be seen that all of the contaminants were filtered to meet the Vietnamese Ministry of Health standards.
  • Filters for water purification comprising reduced graphene oxide layers and filtration layers (6)
  • Filters for water purification comprising reduced graphene oxide layers and filtration layers (7)
  • the amount of reduced graphene oxide was increased to 3 g, and the same amount as that used in the above example was prepared by preparing a water purification filter containing activated carbon (200 mL). After pouring the dyeing wastewater, the color of the filtered water was checked. As shown in FIG. 17, in the case of the water purification filter including 3 g of reduced graphene oxide, the water purification filter including only activated carbon or sand (FIG. 18), and the water purification including 1 g of reduced graphene oxide are included. It can be seen that the turbidity is lower than the filter.
  • Water purification filters comprising reduced graphene oxide layer and filtration layer (8)
  • Primary water purification filters including reduced graphene oxide (3 g), activated charcoal (100 mL), and sand (100 mL), and 2 in the same manner to determine the water purification capacity when using the filter in duplicate.
  • FIG. 19 After the primary water purification filter was prepared (FIG. 19), different volumes of wastewater were passed through the primary filter to check color, pH, turbidity, and the like, and the water passed through the primary filter was passed through the secondary filter again. The color, pH, turbidity, etc. were confirmed once, and are shown in following Table 6, Table 7, and FIG.
  • Filters for water purification comprising reduced graphene oxide layers and filtration layers (9)
  • a water purification filter including reduced graphene oxide (1 g), activated carbon (200 mL), and cationic resin (10 mL) was prepared. After passing through different volumes of muddy water, pH, turbidity, TDS and the like were measured.
  • Table 8 shows the results of water purification for different volumes of muddy water. It was confirmed that pH and total dissolved solids (TDS) can be adjusted when the ion exchange resin is used together with the reduced graphene oxide. Turbidity remained at zero, even though the volume of muddy water increased, and the pH and TDS were also well purified to a range that did not deviate significantly from their own criteria (own standards: pH 6-8, TDS 60-80 mg, turbidity 0).
  • Table 9 shows the results of water quality test after 100 L of muddy water was filtered through a water purification filter including the reduced graphene oxide layer and the ion exchange resin layer. As shown in Table 9, 100 L of muddy water was colorless and odorless even when filtered, and it was confirmed that contaminants such as E. coli, chlorine ions, and ammonia nitrogen were removed according to the standard.

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Abstract

환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 상기 수질 정화용 필터를 포함하는 수질 정화용 시스템에 관한 것이다.

Description

환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 이를 포함하는 수질 정화용 시스템
본원은, 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 상기 수질 정화용 필터를 포함하는 수질 정화용 시스템에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 원수는, 대부분 강 또는 하천으로부터 얻어진다. 얻어진 원수는 침전, 약품, 및 소독 등의 단계를 거쳐서 각종 이물질, 불순물을 걸러내어 깨끗한 물로 정수되어 가정 또는 산업으로 제공된다. 상기 원수의 정수를 위해, 정수장에서는 응집, 침전, 약품 처리 단계 등을 위한 높은 설치 비용과 넓은 부지가 요구되며, 그에 따라 설치비의 제약이 따른다. 오염된 원수는 정수장을 거치며, 추가로 일반 가정용 정수기 물을 거쳐서 비로소 우리가 음용할 수 있는 물로 되돌아온다.
최근, 산업의 발달로 인한 산업 폐기물, 생활 오수로 인해 호수, 강, 하천 등의 자연수가 더욱 더 오염되고 있다. 물의 오염이 심각해짐에 따라, 정수 처리 없이는 원수를 사용하지 못할 뿐만 아니라, 가정에서 가정용 정수기를 추가하여 수돗물을 한번 더 정수하여 마시는 것이 일반화되어 있다.
그러나, 깨끗한 물을 마시기 위해 추가로 정수기를 사용함에도 불구하고, 정수가 잘되지 않을 뿐만 아니라 중금속이 검출되는 등 정수기에 대한 신뢰가 낮아지고 있다. 따라서, 초미세입자, 중금속 등을 거를 수 있는, 우수한 여과 능력을 가지며 정수 단계를 줄일 수 있는 새로운 정수 필터의 개발이 시급하다.
한편, 탄소 단원자층을 포함하는 그래핀(graphene)의 기술 개발은 물론 그래핀을 응용하는 기술 개발 역시 급속히 진행되고 있다.
그래핀은 탄소 원자들이 한층으로 형성된 단원자층을 포함하며, 그래핀의 도전성은 구리에 비하여 매우 우수하고, 그래핀의 전자 이동성은 실리콘(silicon)에 비하여 빠르며, 그래핀은 강철에 비하여 매우 높은 강도를 갖는 다양한 장점들을 갖는 신소재이다. 그래핀은 초고속 반도체, 투명 전극을 활용한 플랙시블 디스플레이, 컴퓨터의 부품, 고효율 태양전지 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 종래 반도체, 디스플레이, 컴퓨터 부품 및 태양 전지 등에 사용되는 그래핀은, 그래핀에 홀(through hole) 등과 같은 결함이 형성되지 않도록 하는 기술 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다.
대한민국 등록특허 제1675750호는, 은 항균제의 용출이 제어된 항균 활성탄 필터의 제조 방법에 대해 개시하고 있다.
본원은, 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 상기 수질 정화용 필터를 포함하는 수질 정화용 시스템을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는, 수질 정화용 필터를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 유입구와 유출구가 구비되는 필터 하우징; 및 상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정화하여 상기 유출구로 공급하는 필터부를 포함하는, 수질 정화용 시스템으로서, 상기 필터부는 본원의 제 1 측면에 따른 수질 정화용 필터를 포함하는 것인, 수질 정화용 시스템을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 내구성이 뛰어나고 비표면적이 우수한 환원된 산화 그래핀(rGO)을 이용하여, 음용이 불가능한 물에 포함된 미세입자, 염료, 또는 잉크 등을 흡착 제거함으로써 마실 수 있는 깨끗한 물로 정수할 수 있는 신규한 수질 정화용 필터를 제조할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 수질 정화용 필터는, 활성탄, 자갈, 모래, 또는 이온 교환 수지를 통해 내부로 유입된 물의 오염 물질을 제거할 수 있으며, 환원된 산화 그래핀 층을 통하여 상기 활성탄, 자갈, 모래 또는 이온 교환 수지가 제거하지 못한 아주 미세한 입자의 오염물질, 특히 잉크 또는 염료 등에 흡착된 초미세입자까지도 흡착 및 제거할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따른 수질 정화용 필터를 통하여, 유입된 물에 포함된 유기성 물질이 상기 환원된 산화 그래핀 제조 시 과산화로 인하여 그래핀의 가장자리 및 내부에 형성된 산소-함유 기능기에 의하여 흡착되어 제거되고, 상기 유입된 물에 포함된 불순물이 상기 환원된 산화 그래핀 제조 시 과산화로 인하여 상기 그래핀의 내부에 형성된 핀홀 사이에 끼어 제거될 수 있으며, 뿐만 아니라 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼어 제거되고, 또한 그래핀의 나노기공에 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 초미세 불순물이 걸러져 제거될 수 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, 환원된 산화 그래핀 층의 구조를 나타낸 모식도이다(녹색: 오염물질).
도 3은, 본원의 일 실시예에 있어서, 환원된 산화 그래핀 층의 주사전자현미경(scanning electron microscope) 사진이다[Supra 40, Carl Zeiss (Swiss) 사용].
도 4는, 본원의 일 실시예에 있어서, (상부) 산화 그래핀(GO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 및 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터의 이미지, 및 (하부) 상기 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 및 산화 그래핀(GO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물의 이미지이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, (좌측) 환원된 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터, (중앙) 및 (우측) 환원된 산화 그래핀 층 및 자갈 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 6은, 본원의 일 실시예에 있어서, 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 7은, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터(비교예), 및, (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸 것이다.
도 8은, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물을 나타낸 것이다.
도 9는, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 콜라(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 콜라를 나타낸 것이다.
도 10은, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된, 오염된 낙동강 물을 나타낸 것이다.
도 11은, 본원의 일 실시예에 있어서, (1) 자갈, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 물(비교예), 및 (2) 본원의 일 실시예에 따른 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 잉크 물을 나타낸 것이다.
도 12는, 비교예로서 A 사의 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물(상부) 및 잉크 물(하부)을 나타낸 것이다.
도 13은, 비교예로서 B 사의 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물(상부), 콜라(중앙부), 및 잉크 물(하부)을 나타낸 것이다.
도 14는, 본원의 일 실시예에 있어서, 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 베트남 수돗물, 베트남 서호 물, 및 베트남 홍강 물 각각을 나타낸 것이다.
도 15는, 본원의 일 실시예에 있어서, 여과 전 베트남 수돗물(M1), 자갈, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 베트남 수돗물(M2), 여과된 베트남 서호 물(M3), 및 여과된 베트남 홍강 물(M4) 각각을 나타낸 것이다.
도 16은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수돗물(대조군), 및 환원된 산화 그래핀 층 및 활성탄을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수(5 L)를 나타낸 것이다.
도 17은, 본원의 일 실시예에 있어서, 수돗물(대조군), 환원된 산화 그래핀 층, 활성탄, 및 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수(5 L)를 나타낸 것이다.
도 18은, 본원의 일 실시예에 있어서, 염색 폐수(음성 대조군), 모래를 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수, 및 활성탄을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 염색 폐수를 나타낸 것이다.
도 19는, 본원의 일 실시예에 있어서, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 1 차 필터(좌측) 및 2 차 필터(우측)을 나타낸 것이다.
도 20의 (a) 및 (b)는, 본원의 일 실시예에 있어서, 활성탄, 모래, 및 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 1 차 필터(a) 및 2 차 필터(b)를 통해 여과된 폐수를 부피별로 나타낸 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀(graphene)"이라는 용어는 복수개의 탄소 원자들이 서로 공유 결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성한 것을 의미하는 것으로서, 상기 공유 결합으로 연결된 탄소 원자들은 기본 반복 단위로서 6 원환을 형성하나, 5 원환 및/또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서, 상기 그래핀이 형성하는 시트는 서로 공유 결합된 탄소 원자들의 단일층으로서 보일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 그래핀이 형성하는 시트는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 그래핀이 형성하는 시트가 단일층으로 이루어진 경우, 이들이 서로 적층되어 복수층을 형성할 수 있으며, 상기 그래핀 시트의 측면 말단부는 수소 원자로 포화될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "그래핀 옥사이드(graphene oxide)"이라는 용어는 그래핀 산화물이라고도 불리우고, "GO"로 약칭될 수 있다. 단일층 그래핀 상에 카르복실기, 히드록시기, 또는 에폭시기 등의 산소를 함유하는 작용기가 결합된 구조를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "환원된 그래핀 산화물" 또는 "환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide)"이라는 용어는 환원 과정을 거쳐 산소 비율이 줄어든 그래핀 산화물을 의미하는 것으로서, "rGO"로 약칭될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 한 개 이상의 환원된 산화 그래핀(rGO) 시트를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 다공성을 가지는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 미세입자, 염료, 또는 잉크를 포함하고 있는 정화하고자 하는 물(오염수)가 상기 수질 정화용 필터에 의해 필터링되는 것일 수 있다. 상기 수질 정화용 필터는 상기 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 것으로, 상기 환원된 산화 그래핀이 물에 뜨는 것을 방지하고, 필터의 수명을 늘려 효율적으로 사용하기 위한 목적으로 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 여과층을 추가 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 포함된 환원된 산화 그래핀 시트 각각은 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀(pin hole)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀은 흑연(graphite)을 과산화시켜 산화 그래핀을 수득하고, 상기 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀을 수득함으로써 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 흑연이 과산화되는 과정에서, 그래핀의 가장자리 및 그래핀 내부에 산소-함유 기능기가 생성되고, 결함이 발생하여 핀홀이 생성됨으로써 최종 수득되는 상기 환원된 산화 그래핀 시트 각각이 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 의해 정화하고자 하는 물에 포함된 직경 약 10 μm 미만의 미세입자가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀이 갖는 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착될 수 있고, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어들어감으로써 제거될 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼어들어감으로써 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공(pore)의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공은 시트와 시트 사이의 빈 공간(void)과 핀홀을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 기공의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
도 1을 통해, 본원의 일 구현예에 따른 수질 정화용 필터에 대해 상세히 설명할 수 있다. 먼저, 오염된 물이 상기 수질 정화용 필터를 통하게 되면, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 나노기공에 마이크로 및 나노 사이즈의 미세입자 또는 초미세입자가 여과되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 오염된 물은 상기 수질 정화용 필터의 여과층에서 자갈을 통해 큰 입자의 불순물이 제거되고, 활성탄에 의해 중간 사이즈의 불순물과, 중금속 및/또는 박테리아가 제거되고, 모래를 통해 작은 입자가 제거되며, 상기 여과층을 통해 제거되지 못한 약 10 nm 내지 약 100 nm의 초미세입자는 상기 환원된 산화 그래핀 층의 산소-함유 기능기, 핀홀, 나노기공, 및 상기 환원된 산화 그래핀 시트들 사이의 빈 공간(void)에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간의 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간에 불순물이 끼어 제거되는 것일 수 있으며, 그 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 형성된 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어 제거되는 것일 수 있으며, 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 0.1 nm 내지 약 5 nm, 약 0.1 nm 내지 약 1 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 의하여 종래 음수용 정수 필터에서 제거하지 못한 잉크 또는 염료 등을 제거할 수 있다. 상기 잉크 또는 염료는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위의 입자를 포함하는 것으로, 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 포함된 산소-함유 기능기, 핀홀, 및 나노 사이즈의 기공을 통해 상기 잉크 또는 염료에 포함된 입자가 흡착되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 상기 필터 전체 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 상기 필터 전체 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부, 약 0.1 내지 약 8 중량부, 약 0.1 내지 약 6 중량부, 약 0.1 내지 약 4 중량부, 약 0.1 내지 약 2 중량부, 약 0.1 내지 약 1 중량부, 약 1 내지 약 10 중량부, 약 1 내지 약 8 중량부, 약 1 내지 약 6 중량부, 약 1 내지 약 4 중량부, 약 1 내지 약 2 중량부, 약 2 내지 약 10 중량부, 약 2 내지 약 8 중량부, 약 2 내지 약 6 중량부, 약 2 내지 약 4 중량부, 약 4 내지 약 10 중량부, 약 4 내지 약 8 중량부, 약 4 내지 약 6 중량부, 약 6 내지 약 10 중량부, 약 6 내지 약 8 중량부, 또는 약 8 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수질 정화용 필터는 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 배치된 여과층을 추가 포함하는 것일 수 있으며, 상기 여과층은 모래, 자갈, 숯, 활성탄, 이온 교환 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 여과층은 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 배치되는 것일 수 있으며, 모래, 자갈, 및 활성탄을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이온 교환 수지는 공지된 수지들을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 이온 교환 수지는 양이온 교환 수지 또는 혼합 교환 수지를 포함할 수 있으며, 상기 양이온 교환 수지는, 불순물에 포함된 양이온, 예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, Na+, 또는 K+ 등이 상기 양이온 교환 수지에 의해 H+ 이온과 교환되어 제거되고, 불순물이 수지에 흡착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합 이온 교환 수지는, 예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, Na+, 또는 K+ 등과 같은 불순물에 포함된 양이온과 함께, SO4 2-, 또는 Cl2 - 등의 음이온이 상기 혼합 이온 교환 수지에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수질 정화용 필터는, 상기 필터 전체 100 중량부에 대해, 자갈 약 20 내지 약 30 중량부, 활성탄 약 20 내지 약 30 중량부, 모래 약 30 내지 약 45 중량부, 및 환원된 산화 그래핀 층 약 1 내지 약 10 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 유입구와 유출구가 구비되는 필터 하우징; 및 상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정수하여 상기 유출구로 공급하는 필터부를 포함하는, 수질 정화용 시스템으로서, 상기 필터부는 본원의 제 1 측면에 따른 수질 정화용 필터를 포함하는 것인, 수질 정화용 시스템을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 수질 정화용 시스템에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수질 정화용 시스템은 유입구와 유출구가 구비되는 필터 하우징; 및 상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정수하여 상기 유출구로 공급하는 필터부를 포함하며, 상기 필터부는 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층, 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 미세입자, 염료, 또는 잉크를 포함하고 있는 정화하고자 하는 물(오염수)가 상기 수질 정화용 필터에 의해 필터링되는 것일 수 있다. 상기 수질 정화용필터는 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 것으로, 상기 환원된 산화 그래핀이 물에 뜨는 것을 방지하고, 필터의 수명을 늘려 효율적으로 사용하기 위한 목적으로 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 여과층을 추가 포함할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 한 개 이상의 환원된 산화 그래핀(rGO) 시트를 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 포함된 환원된 산화 그래핀 시트 각각은 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀(pin hole)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀은 흑연(graphite)을 과산화시켜 산화 그래핀을 수득하고, 상기 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀을 수득함으로써 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 흑연이 과산화되는 과정에서, 그래핀의 가장자리 및 그래핀 내부에 산소-함유 기능기가 생성되고, 결함이 발생하여 핀홀이 생성됨으로써 최종 수득되는 상기 환원된 산화 그래핀 시트 각각이 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 의해 직경 약 10 μm 미만의 미세입자가 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀이 갖는 높은 비표면적 및 다공성으로 인하여, 물에 포함된 오염물질이 흡착될 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 산소-함유 기능기에 의하여 유기성 물질이 흡착될 수 있고, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어들어감으로써 제거될 수 있으며, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼어들어감으로써 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 산소-함유 기능기는 히드록시기(hydroxyl group), 에폭시기(epoxy group), 카르복시기(carboxyl group), 케톤기(ketone group), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공(pore)의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공은 시트와 시트 사이의 빈 공간(void)과 핀홀을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 기공의 크기는 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 오염된 물이 상기 수질 정화용 필터를 통하게 되면, 상기 환원된 산화 그래핀 층의 나노기공에 마이크로 및 나노 사이즈의 미세입자 또는 초미세입자가 여과되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 오염된 물은 상기 수질 정화용 필터의 여과층에서 자갈을 통해 큰 입자가 제거되고, 활성탄에 의해 중간 사이즈의 불순물과, 중금속 및/또는 박테리아가 제거되고, 모래를 통해 작은 입자가 제거되며, 상기 여과층을 통해 제거되지 못한 약 10 nm 내지 약 100 nm의 초미세입자는 상기 환원된 산화 그래핀 층의 산소-함유 기능기, 핀홀, 나노기공, 및 상기 환원된 산화 그래핀 시트들 사이의 빈 공간(void)에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간(void)의 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀의 시트들 사이의 빈 공간에 불순물이 끼어 제거되는 것일 수 있으며, 그 간격은 약 1 nm 내지 약 20 nm, 약 1 nm 내지 약 15 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 내지 약 15 nm, 약 5 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 20 nm, 약 10 nm 내지 약 15 nm, 또는 약 15 nm 내지 약 20 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 형성된 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀에 포함된 핀홀 사이로 불순물이 끼어 제거되는 것일 수 있으며, 상기 핀홀의 크기는 약 0.1 nm 내지 약 10 nm, 약 0.1 nm 내지 약 5 nm, 약 0.1 nm 내지 약 1 nm, 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 또는 약 5 nm 내지 약 10 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층에 의하여 종래 음수용 정수 필터에서 제거하지 못한 잉크 또는 염료 등을 제거할 수 있다. 상기 잉크 또는 염료는 약 10 nm 내지 약 100 nm 범위의 입자를 포함하는 것으로, 상기 환원된 산화 그래핀 시트에 포함된 산소-함유 기능기, 핀홀, 및 나노 사이즈의 기공을 통해 상기 잉크 또는 염료에 포함된 입자가 흡착되어 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 상기 필터 전체 100 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 환원된 산화 그래핀 층은 상기 필터 전체 중량부에 대하여 약 0.1 내지 약 10 중량부, 약 0.1 내지 약 8 중량부, 약 0.1 내지 약 6 중량부, 약 0.1 내지 약 4 중량부, 약 0.1 내지 약 2 중량부, 약 0.1 내지 약 1 중량부, 약 1 내지 약 10 중량부, 약 1 내지 약 8 중량부, 약 1 내지 약 6 중량부, 약 1 내지 약 4 중량부, 약 1 내지 약 2 중량부, 약 2 내지 약 10 중량부, 약 2 내지 약 8 중량부, 약 2 내지 약 6 중량부, 약 2 내지 약 4 중량부, 약 4 내지 약 10 중량부, 약 4 내지 약 8 중량부, 약 4 내지 약 6 중량부, 약 6 내지 약 10 중량부, 약 6 내지 약 8 중량부, 또는 약 8 내지 약 10 중량부일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 여과층은 모래, 자갈, 숯, 활성탄, 이온 교환 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 여과층은 상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 배치되는 것일 수 있으며, 모래, 자갈, 및 활성탄을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이온 교환 수지는 공지된 수지들을 특별한 제한 없이 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 교환 수지는 양이온 교환 수지 또는 혼합 교환 수지를 포함할 수 있으며, 상기 양이온 교환 수지는, 불순물에 포함된 양이온, 예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, Na+, 또는 K+ 등이 상기 양이온 교환 수지에 의해 H+ 이온과 교환되어 제거되고, 불순물이 수지에 흡착되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합 이온 교환 수지는, 예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, Na+, 또는 K+ 등과 같은 불순물에 포함된 양이온과 함께, SO4 2-, 또는 Cl2 - 등의 음이온이 상기 혼합 이온 교환 수지에 의해 제거되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수질 정화용 필터는, 필터 전체 100 중량부에 대해, 자갈 약 20 내지 약 30 중량부, 활성탄 약 20 내지 약 30 중량부, 모래 약 30 내지 약 45 중량부, 및 환원된 산화 그래핀 층 약 1 내지 약 10 중량부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것 일뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
그래핀의 정수 능력 시험
그래핀이 정화용 필터에 적용 가능한 재료인지를 확인하기 위하여, 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 및 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터를 각각 제조하였다. 상기 수질 정화용 필터에 사용된 그래핀은, 흑연을 과산화하여 산화 그래핀(GO)을 수득하고, 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 환원된 산화 그래핀(rGO)을 수득하였다. 상기 흑연의 과산화는, 흑연을 산화할 때 종래 산화 그래핀 제조 시보다 반응 시간을 길게하거나, 또는 반응 온도를 높여 산화를 많이 시킴으로써 수행되었다. 상기 과산화에 의하여 형성된 환원된 산화 그래핀 시트들의 가장자리에 산소-함유 기능기들이 많이 형성되게 된다. 동일한 부피의 경우 산화 그래핀과 환원된 산화 그래핀 사이에 무게 차이가 존재하므로, 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 산화 그래핀 20 g을 사용하였으며, 동일한 부피에서 환원된 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 환원된 산화 그래핀 5 g을 사용하였다. 도 4의 상부 이미지는 각각 수질 정화용 필터를 플라스크에 담은 뒤 잉크를 희석시킨 물을 공급하여 정수하는 과정으로, 좌측은 환원된 산화 그래핀(rGO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터, 우측은 산화 그래핀(GO) 층만을 포함하는 수질 정화용 필터를 나타낸다. 잉크를 희석시킨 물은 각각 100 mL씩 공급되었으며, 도 4의 하부 이미지에 나타낸 바와 같이, 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터와 환원된 산화 그래핀 층만을 포함하는 수질 정화용 필터 모두 맑은 물이 통과되어 나옴을 확인할 수 있다. 각각 통과된 물의 pH를 측정하였으며, 환원된 산화 그래핀 층의 경우 통과된 물의 pH는 약 7로 중성을, 산화 그래핀 층의 경우 통과된 물의 pH는 산화 그래핀 자체의 산성으로 인하여 3으로 측정되었다. 상기 실험을 통해, 수질 정화용 필터의 경우 산도로 인하여 산화 그래핀보다는 환원된 산화 그래핀이 적합함을 확인할 수 있다.
흙탕물 정수 능력 시험
환원된 산화 그래핀이 물에 포함된 불순물을 제거할 수 있는 지를 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀을 포함하는 수질 정화용 필터를 제조하였다. 환원된 산화 그래핀만 사용할 경우, 도 5의 좌측에 나타낸 바와 같이, 물을 부었을 때 환원된 산화 그래핀이 갈라지고 흩어지는 현상이 발생할 수 있으므로, 환원된 산화 그래핀 층과 함께 자갈층을 함께 포함하는 간이 필터를 제조하였다(도 5의 중앙부 및 우측). 상기 제조된 간이 필터에 흙탕물 125 L를 통과시켜 필터링 한 결과, 맑은 물이 정수되어 나옴을 확인할 수 있었다. 환원된 산화 그래핀은 표면적이 넓은 다공성 물질로서(도 3), 흑연으로부터 과산화를 통해 제조 시 산소-함유 기능기와 핀홀이 상기 화누언된 산화 그래핀 시트의 표면뿐만 아니라 내부에 생성된다. 상기 생성된 산소-함유 기능기가 유기성 물질을 흡착하고, 핀홀 사이로 불순물이 들어감으로써 제거되거나, 또는 그래핀의 시트와 시트 사이에 불순물이 끼어들어감으로써 제거된다. 또한, 그래핀의 나노기공으로 물이 통과함에 따라 마이크로 사이즈 및 나노 사이즈의 초미세 불순물이 걸러지게 된다(도 2 및 도 3).
하기 표 1은, 상기 간이 필터를 통해 여과된 흙탕물의 수질검사 결과를 나타낸 것으로, 정수된 물이 무색무취하며, 염소, 분원성 대장균, 암모니아성 질소를 포함하는 불순물들이 정제된 것을 확인할 수 있다.
Figure PCTKR2017010245-appb-T000001
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (1)
상기 실시예에서 제조된 환원된 산화 그래핀을 이용하여, 환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터를 제조하였다. 하부로부터 차례로 환원된 산화 그래핀 층(4 g), 모래(100 g), 활성탄(80 g), 자갈(150 g)의 순으로 적층하였다. 상기 환원된 산화 그래핀의 경우, 가벼워서 물에 들어가면 뜨는 경항이 있기 때문에, 필터의 가장 아래쪽에 종이, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 멤브레인, 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 또는 셀룰로오스 재질의 필터를 끼운 뒤 환원된 산화 그래핀을 적층하여 납작한 물건으로 다져 종이 필터와 밀착되게 하였다. 또한, 상기 환원된 산화 그래핀 층과 모래, 모래와 활성탄, 활성탄과 자갈 사이에는 통기도 0.1 내지 1 cc/min의 여과포를 잘라 끼워 서로 섞이지 않도록 하였다(도 6). 상기 수질 정화용 필터에서 사용된 환원된 산화 그래핀은, 그래핀의 면 크기가 1 내지 30 ㎛, 두께가 1 내지 10 nm 인 것을 사용하였으며, 모래의 크기는 0.1 내지 1 mm, 활성탄의 크기는 0.5 내지 10 mm, 자갈의 크기는 1 내지 20 mm 이었다.
상기 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 정수 능력을 확인하기 위하여, 비교예로서 환원된 산화 그래핀이 없는 것을 제외하고는 상기와 동일한 방법으로 자갈, 활성탄, 모래만을 포함하는 수질 정화용 필터를 함께 제조하였다(도 7).
환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 포함하지 않는 수질 정화용 필터 각각에 흙탕물을 부어 필터를 통과하면서 여과된 물의 색깔을 확인하였다.
도 8은 각각 (1) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하지 않는 수질 정화용 필터, (2) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 흙탕물을 나타낸 것으로, 정수되지 않은 흙탕물(muddy water)에 비해 그래핀을 포함하지 않는 필터의 경우도 어느 정도의 정수 능력은 나타내었지만, 육안으로도 물의 색이 탁한 것을 확인할 수 있다. 그에 비해, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 한국 음용수의 색과 같이 투명하고 맑은 것을 확인할 수 있다.
육안으로 확인한 것 외에도, 상기 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터가 어느 정도의 정수 능력을 나타내는 지 확인하기 위해, 수질검사를 진행하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 하기 표 2에 나타낸 것과 같이, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통한 흙탕물의 경우 무색무취하며, 일반 세균, 분원성 대장균, 암모니아성 질소, 잔류 염소 등이 존재하지 않는 것으로, 상기 한국 음용수와 거의 동일한 결과를 나타냄이 확인되었다.
Figure PCTKR2017010245-appb-T000002
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (2)
상기 실시예와 동일한 방법으로, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 그래핀을 포함하지 않는 수질 정화용 필터를 제조하고, 상기 필터에 콜라를 부어 필터를 통과하면서 여과된 물의 색깔을 확인하였다.
도 9는 각각 (1) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하지 않는 수질 정화용 필터, (2) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 콜라를 나타낸다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 그래핀을 포함하지 않는 필터의 경우 육안으로도 거의 콜라와 동일한 색상을 나타내는 여과물이 확인되었다. 그에 반해, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 한국 음용수의 색과 같이 투명하고 맑은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 그래핀을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우, 그래핀에 포함된 미세기공, 핀홀, 및 시트와 시트 사이의 빈 공간(void)에 의하여, 일반 필터로는 제거되지 않는 염료 등의 초미세입자가 제거될 수 있음을 입증한다.
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (3)
상기 실시예와 동일한 방법으로, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 그래핀을 포함하지 않는 수질 정화용 필터를 제조하여 진공 펌프와 각각 연결하고, 낙동강에서 채취한 오염된 물을 부어 필터를 통과하면서 여과된 낙동강 물의 색깔을 확인하였다.
도 10은 각각 (1) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하지 않는 수질 정화용 필터, (2) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된, 녹조 등으로 오염된 낙동강 물을 나타낸다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 그래핀을 포함하지 않는 필터의 경우 육안으로도 거의 여과 전 오염된 낙동강 물과 동일한 색상을 나타내는 여과물이 확인되었다. 그에 반해, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 한국 음용수의 색과 같이 투명하고 맑은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 그래핀을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우, 그래핀에 포함된 미세기공, 핀홀, 및 시트와 시트 사이의 빈 공간에 의하여, 일반 필터로는 제거되지 않는 초미세입자가 제거될 수 있음을 입증한다.
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (4)
상기 실시예와 동일한 방법으로, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터, 및 그래핀을 포함하지 않는 수질 정화용 필터를 제조하여 진공 펌프와 각각 연결하고, 잉크가 희석된 물을 부어 필터를 통과하면서 여과된 물의 색깔을 확인하였다.
도 11은 각각 (1) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하지 않는 수질 정화용 필터, (2) 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 통해 여과된 잉크 물을 나타낸다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 그래핀을 포함하지 않는 필터의 경우 육안으로도 거의 잉크 물과 동일한 색상을 나타내는 여과물이 확인되었다. 그에 반해, 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우 일반 수돗물(tap water)의 색과 같이 투명하고 맑은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 그래핀을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우, 그래핀에 포함된 미세기공, 핀홀, 및 시트와 시트 사이의 빈 공간에 의하여, 일반 필터로는 제거되지 않는 잉크 등의 초미세입자가 제거될 수 있음을 입증한다.
비교예 1: 타사 수질 정화용 필터의 정수 능력 시험
본원의 환원된 산화 그래핀 필터의 정수 능력을 확인하기 위하여, 비교예로서 타 A, B사의 수질 정화용 필터를 통해 정수 실험을 진행하였다. 도 12는 타 A 사의 수질 정화용 필터를 분리하여 각각 흙탕물(상부)과 잉크물(하부)를 부어 여과한 물을 나타낸 것이다. 환원된 산화 그래핀을 포함하지 않는 타 A사의 수질 정화용 필터의 경우, 흙탕물과 잉크물에 대해 이온 제거만 가능할 뿐, 정수 능력이 없음을 확인하였다.
비교예 2: 타사 수질 정화용 필터의 정수 능력 시험
상기 비교예 1과 동일한 방법을 이용하되, 타 B사의 수질 정화용 필터를 이용하여 각각 흙탕물(상부), 콜라(중앙부), 및 잉크물(하부)를 부어 정수 능력을 실험하였다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 환원된 산화 그래핀을 포함하지 않는 타 B사의 수질 정화용용 필터의 경우, 흙탕물과 잉크물, 콜라를 거의 정수하지 못하는 것을 확인하였다.
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (5)
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터의 수질 정화 능력을 확인하기 위하여, 베트남 수돗물, 베트남 하노이에서 가장 큰 호수 중 하나인 서호 호수의 물, 베트남 북부 강 중 하나인 홍강의 물을 각각 수득하였다.
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터는 하기와 같은 방법으로 제조되었다. 하부로부터 차례로 환원된 산화 그래핀 층(5 g), 모래(100 mL), 활성탄(100 mL), 및 자갈(100 mL)의 순으로 적층하였다. 환원된 산화 그래핀의 경우 가벼워서 물에 들어가면 뜨는 경항이 있기 때문에, 필터의 가장 아래쪽에 종이 필터를 잘라 끼운 뒤 환원된 산화 그래핀을 적층하여 납작한 물건으로 다져 종이 필터와 밀착되게 하였다. 또한, 상기 환원된 산화 그래핀 층과 모래, 모래와 활성탄, 활성탄과 자갈 사이에는 통기도 0.1 내지 1 cc/min의 여과포를 잘라 끼워 서로 섞이지 않도록 하였다.
제조된 수질 정화용 필터를 이용하여, 각각 베트남 수돗물, 서호 물, 및 홍강 물을 여과하여 그 결과물을 확인하였다.
도 14의 상부 이미지는 여과 전의 베트남 수돗물(좌측), 여과 후 베트남 수돗물(우측)을 비교한 것으로, 여과된 베트남 수돗물이 여과 전의 수돗물보다 더 맑아진 것을 육안으로 확인할 수 있다.
도 14의 중앙부 이미지는 여과 전의 서호 물(좌측), 여과 후 서호 물(우측)을 비교한 것으로, 육안으로도 여과 전의 탁한 서호 물이 필터를 통한 여과 후 눈에 띄게 맑아진 것을 확인할 수 있다.
그와 동일하게, 여과 전의 홍강 물(좌측), 여과 후 홍강 물(우측)을 비교한 도 14의 하부 이미지의 경우에도 여과 전의 탁한 홍강 물이 필터를 통한 여과 후 눈에 띄게 맑아진 것을 확인할 수 있다.
도 15는 좌측부터 각각 여과 전 베트남 수돗물(M1), 여과 후 베트남 수돗물(M2), 여과 후 서호 물(M3), 여과 후 홍강 물(M4)를 한눈에 나타낸 것이다. 육안으로도 필터를 통한 여과 후의 물이 맑아진 것을 확인할 수 있으며, 이를 좀 더 정확하게 확인하기 위하여 각각 수질검사를 진행하였다.
하기 표 3 및 표 4는 각각 여과 전 베트남 수돗물(M1), 여과 후 베트남 수돗물(M2), 여과 후 서호 물(M3), 여과 후 홍강 물(M4)에 대한 수질검사 결과를 나타낸 것으로, 여과 후의 베트남 수돗물, 서호 물, 홍강 물 모두 베트남 보건부 기준에 적합하도록 오염물질이 모두 여과되어, 음용이 가능하게 된 것을 확인할 수 있다.
Figure PCTKR2017010245-appb-T000003
Figure PCTKR2017010245-appb-T000004
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (6)
염색 폐수에 대한 수질 정화용 필터의 정수 능력을 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀(1 g) 및 활성탄(200 mL)을 포함하는 수질 정화용 필터 2개를 제조하여 염색폐수를 부은 뒤 여과된 물의 색상을 확인하였다(도 16).
각각에 대한 pH와 탁도를 측정하여 하기 표 5에 나타내었다. 도 16 및 표 5에 나타낸 바와 같이, 육안으로 보았을 때 색이 그대로 통과되었음을 확인할 수 있었다.
Figure PCTKR2017010245-appb-T000005
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (7)
염색 폐수에 대한 수질 정화용 필터의 정수 능력을 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀의 양을 3 g으로 늘리고, 활성탄(200 mL)을 포함하는 수질 정화용 필터를 제조하여 상기 실시예에서 사용한 것과 동일한 양의 염색폐수를 부은 뒤 여과된 물의 색상을 확인하였다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 환원된 산화 그래핀 3 g을 포함하는 수질 정화용 필터의 경우, 활성탄 또는 모래만을 포함하는 수질 정화용 필터(도 18), 및 환원된 산화 그래핀 1 g을 포함하는 수질 정화용 필터에 비해 탁도가 더 낮아졌음을 확인할 수 있다.
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (8)
필터를 이중으로 사용할 경우의 정수 능력을 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀(3 g), 활성탄(100 mL), 및 모래(100 mL)를 포함하는 1 차 수질 정화용 필터, 및 동일한 방법으로 2 차 수질 정화용 필터를 제조한 뒤(도 19), 상이한 부피의 폐수를 1 차 필터에 통과시켜 색, pH, 탁도 등을 확인하고, 1 차 필터에 통과시킨 물을 다시 2 차 필터에 통과시켜 다시 한번 색, pH, 탁도 등을 확인하여 하기 표 6, 표 7 및 도 20에 나타냈다.
Figure PCTKR2017010245-appb-T000006
Figure PCTKR2017010245-appb-T000007
먼저, 도 20의 (a) 및 표 6에 나타낸 바와 같이, 정수하려는 폐수의 양이 증가할수록 정수 능력이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 20의 (b) 및 표 7에 나타낸 바와 같이, 1 차 필터만을 통과한 폐수에 비해 1차 필터 후 추가로 2 차 필터를 통과시킨 폐수가 육안으로도 더 맑은 것을 확인할 수 있었으며, 탁도, BOD, COD, SS 등이 수치적으로도 실제 감소하였다. 이는, 본원의 환원된 산화 그래핀 층을 포함하는 수질 정화용 필터를 실제적으로 적용할 경우, 수질 정화용 필터를 반복하여 정수시킴으로써 정수 능력을 보다 더욱 향상시킬 수 있음을 의미한다.
환원된 산화 그래핀 층 및 여과층을 포함하는 수질 정화용 필터 (9)
여과층으로서 이온 교환 수지를 포함할 경우의 정수 능력을 확인하기 위하여, 환원된 산화 그래핀(1 g), 활성탄(200 mL), 및 양이온 수지(10 mL)를 포함하는 수질 정화용 필터를 제조하여 상이한 부피의 흙탕물을 통과시킨 뒤 pH, 탁도, TDS 등을 측정하였다.
하기 표 8은 상이한 부피의 흙탕물에 대한 정수 결과를 나타낸 것으로, 환원된 그래핀 산화물과 함께 이온 교환 수지를 같이 사용할 경우, pH와 TDS(total dissolved solids)를 조절 가능하다는 것이 확인되었다. 흙탕물의 부피가 증가하더라도 탁도는 여전히 0을 유지하였으며, pH 및 TDS도 자체 기준에서 크게 벗어나지 않는 범위로 잘 정수되었다(자체 기준: pH 6-8, TDS 60-80 mg, 탁도 0).
Figure PCTKR2017010245-appb-T000008
표 9는, 100 L의 흙탕물을 상기 환원된 산화 그래핀 층 및 이온 교환 수지층을 포함하는 수질 정화용 필터에 여과한 뒤의 물을 수질검사한 결과이다. 표 9에 나타낸 바와 같이, 100 L의 흙탕물을 여과하였을 경우에도 무색무취하며, 대장균, 염소 이온, 암모니아성질소 등의 오염물질이 기준에 맞게 제거되었음을 확인할 수 있다.
Figure PCTKR2017010245-appb-T000009
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 환원된 산화 그래핀(rGO: reduced graphene oxide) 층을 포함하는, 수질 정화용 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원된 산화 그래핀 층에 의해 정화하고자 하는 물에 포함된 미세입자, 염료, 또는 잉크가 필터링되는 것인, 수질 정화용 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원된 산화 그래핀 층에 의해 정화하고자 하는 물에 포함된 직경 10 μm 미만의 미세입자가 제거되는 것인, 수질 정화용 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원된 산화 그래핀 층에 포함된 환원된 산화 그래핀 시트 각각은 산소-함유 기능기 및/또는 핀홀을 포함하는 것인, 수질 정화용 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원된 산화 그래핀 층은 다공성을 갖는 것인, 수질 정화용 필터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 환원된 산화 그래핀 층의 기공(pore)의 크기는 1 nm 내지 20 nm인 것인, 수질 정화용 필터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 환원된 산화 그래핀 층 위에 배치된 여과층을 추가 포함하는, 수질 정화용 필터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 여과층은 모래, 자갈, 숯, 활성탄, 이온 교환 수지, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인, 수질 정화용 필터.
  9. 유입구와 유출구가 구비되는 필터 하우징; 및
    상기 필터 하우징 내에 구비되어, 상기 유입구를 통해 유입된 물을 정화하여 상기 유출구로 공급하는 필터부
    를 포함하는, 수질 정화용 시스템으로서,
    상기 필터부는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 수질 정화용 필터를 포함하는 것인,
    수질 정화용 시스템.
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