KR101991509B1 - Renewable air filter for cleaning fine dust and air pollution prevention device containing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 재생 가능한 미세먼지 정화용 에어 필터 및 이를 이용한 대기오염 방지장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 ZIF-8 입지를 함유하는 섬유들로 구성된 섬유웹을 포함하여 미세먼지 차단 효과가 우수한 에어필터에 관한 것이다.The present invention relates to a regenerable fine dust filter and an air pollution prevention device using the filter. More particularly, the present invention relates to an air filter having a fine dust-blocking effect, including a fibrous web composed of fibers containing ZIF- .
미세먼지는 대기 오염 물질로, 자동차, 공장 등에서 발생하여 대기 중 장기간 떠다니는 입경 10 ㎛ 이하의 먼지이다. 미세먼지는 정밀한 기계에 영향을 줄 수 있을뿐더러, 사람의 호흡기에서 걸러지지 않고 몸속 깊숙이에 더 잘 축적되어 그대로 폐에 들어갈 수 있어 건강에 매우 해롭다. 특히, 2.5 ㎛이하의 초미세먼지는 몸에 더 잘 축적이 되며 폐포를 통과하여 혈액을 통해 전신에까지 퍼져 치명적이다. 뿐만 아니라, 미세먼지는 세계보건기구 산하 국제암연구소가 정한 1급 발암물질로, 페암을 유발할 수 있다. Fine dust is atmospheric pollutants, and it is dust that has a particle diameter of 10 μm or less which is generated in automobiles and factories and floats in the air for a long time. Fine dust can affect precise machinery, can not accumulate in the human respiratory system, accumulate more deeply in the body, and can enter the lungs as it is very harmful to health. Especially, ultra fine dust less than 2.5 ㎛ accumulates better in the body and passes through the alveoli and spreads to the whole body through blood. In addition, fine dust is a primary carcinogen determined by the International Agency for Research on Cancer (WHO), which can cause cancer.
과거에는 미세먼지는 봄철 황사 때만 발생하였으나, 최근에는 대기 중의 미세먼지의 농도가 높아지게 되었고, 봄철 황사 때에만 하던 뉴스 일기 예보의 미세먼지 농도 예보를 1년 내내 볼 수 있게 되었다. 대기 중 미세먼지 농도의 증가는 우리의 일상생활을 바꾸어 놓았는데, 올해 봄, 대다수의 사람들이 매일 외출 전 미세먼지 농도를 확인하고, 미세먼지 농도가 높으면 마스크를 끼고 야외활동을 하거나 실내에 계속 머문다.In the past, fine dusts occurred only during the spring yellow sand, but recently, the concentration of fine dust in the atmosphere has been increased, and the fine dust concentration forecast of the news weather forecast that was only in the spring sand yellow season could be seen all year round. Increasing the concentration of fine dust in the atmosphere has changed our daily life. In the spring of this year, most people check the concentration of fine dust before going out every day. If the concentration of fine dust is high, keep the mask outdoors or stay indoors .
이와 같이 미세먼지가 큰 문제가 되고 있기 때문에 미세먼지를 효과적으로 흡착/흡수하고 제거할 수 있는 방법에 대한 연구가 국내 및 국외에서 활발히 진행되고 있다. 가장 널리 쓰이는 탄소 필터는 미세먼지를 잘 흡착하나, 수명이 끝나면 재활용이 불가능하므로 재활용이 가능한 미세먼지 흡착 방법이 필요하다. 최근 다방면에서 주목받고 있는 신물질인 금속유기구조체(Metal organic frameworks: MOFs)는 다공성이 많아 미세먼지 흡착제로 사용 가능하다. 금속유기구조체는 금속 원자 또는 금속 클러스터들과 이들을 배위 결합으로 연결해주는 유기 연결체로 구성되는 다공성 결정 재료이다. ZIF(Zeolitic-imidazolate frameworks)-8은 MOF의 한 종류로, 미세 다공성과 함께 우수한 열 및 화학적 안정성을 갖고 있어 주목을 받아왔다. 또, ZIF-8은 표면의 양성전하를 띄는 아연이온이 드러나 있어 극성 분자를 정전기적 인력으로 쉽게 끌어당기므로 미세먼지 및 극성 기체 흡착제로 사용할 수 있다. 또, 기존에 오염물질 흡착으로 쓰이는 활성탄과 비교하여 재활용이 불가한 활성탄과 달리 ZIF-8은 여러 세척액으로 세척 시 재활용을 할 수 있다. Since fine dust is a big problem in this way, studies on effective adsorption / absorption and removal of fine dust have been actively conducted in domestic and overseas. The most widely used carbon filter adsorbs fine dust well, but since it can not be recycled at the end of its life, a method of adsorbing fine dust that can be recycled is needed. Recently, metal organic frameworks (MOFs), which are new materials attracting attention in various fields, have many porosities and can be used as fine dust adsorbents. A metal organic structure is a porous crystalline material composed of metal atoms or metal clusters and organic linkages connecting them by coordination bonds. ZIF (Zeolitic-imidazolate frameworks) -8 is a kind of MOF and has attracted attention because it has excellent thermal and chemical stability together with microporosity. In addition, ZIF-8 can be used as fine dust and polar gas adsorbent since zinc ions with positively charged surface are exposed and polar molecules are attracted easily by electrostatic attraction. Unlike activated carbon, which can not be recycled, ZIF-8 can be recycled when it is washed with various cleaning solutions.
다공성의 MOF가 1999년 합성된 이후 MOF는 매우 큰 표면적, 설계 가능한 구조, 개조 가능한 특성 및 다양한 응용 가능성 등으로 인해 매우 활발하게 연구되어 왔다. MOF의 기공 크기 및 물리/화학적 성질은 금속 원자 및 유기 연결체의 변경으로 쉽게 조절이 가능하다. 이러한 특별한 성질 때문에 MOF는 가스 저장 물질, 촉매, 분리막으로서의 응용 가능성을 보여 왔다. ZIF(Zeolitic-imidazolate frameworks)는 MOF의 한 종류로, 미세 다공성과 함께 우수한 열 및 화학적 안정성을 갖고 있다. 이런 미세 다공성을 활용하여 ZIF가 입자상의 유해 물질을 흡착할 수 있다. ZIF-8에 관한 선행기술로는 다음과 같은 문헌이 있다.Since the porous MOF was synthesized in 1999, MOF has been extensively studied due to its very large surface area, designable structure, feasible properties and various applications. The pore size and physical / chemical properties of MOF can be easily controlled by changes in metal atoms and organic linkages. Because of these special properties, MOF has shown promise as a gas storage material, catalyst, and membrane. ZIF (Zeolitic-imidazolate frameworks) is a type of MOF with excellent thermal and chemical stability along with microporosity. By utilizing such microporosity, ZIF can adsorb particulate matter. Prior art regarding ZIF-8 is as follows.
종래에 제시된 미세먼지 정화용 에어 필터는 일회용으로 제작되어 한번 사용하면 재사용이 불가능하므로 필터 교체에 많은 비용이 소요된다.Conventionally, the fine dust purifying air filter is manufactured in a disposable manner and can not be reused once it is used. Therefore, it is expensive to replace the filter.
본 발명을 이런 문제를 해결하기 위해 이루어진 ZIF-8을 포함하는 재사용이 가능한 미세먼지 정화용 에어필터에 관한 것으로서, 일정 기간 동안 사용한 후에 세척 후 수 재사용이 가능함으로써 정화 효율이 우수할 뿐만 아니라 유지 관리 비용이 낮은 재생 가능한 미세먼지 정화용 에어필터 및 이를 이용한 대기오염 방지장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention relates to a reusable fine dust purifying air filter including ZIF-8 which is made to solve such a problem, and it can be reused after washing after use for a certain period of time, And an object of the present invention is to provide an air filter for purifying minute dust that can be regenerated and an air pollution prevention device using the same.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the precise form disclosed. There will be.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는, ZIF-8 입자가 함유되어 있는 섬유들로 구성된 섬유웹을 포함하는 재생 가능한 미세먼지 정화용 에어필터를 제공한다. In order to accomplish the above object, an embodiment of the present invention provides a renewable fine dust purifying air filter including a fibrous web composed of fibers containing ZIF-8 particles.
본 발명의 일부 실시예는, 섬유웹을 이루는 섬유의 외부에 복수의 ZIF-8 입자가 부착되어 ZIF-8 층을 형성한 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that a plurality of ZIF-8 particles are attached to the outside of the fibers constituting the fibrous web to form a ZIF-8 layer.
본 발명의 일부 실시예는, 섬유웹을 이루는 섬유 내에 복수의 ZIF-8 입자가 포함된 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that a plurality of ZIF-8 particles are included in the fibers that make up the fibrous web.
본 발명의 일부 실시예는, 섬유웹은 전기방사법에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the fibrous web is formed by electrospinning.
본 발명의 일부 실시예는, 전기방사법은 ZIF-8 입자를 함유하는 고분자 수지의 방사 용액을 제조하고, 방사액 탱크 내에 보관중인 방사용액을 계량펌프를 사용하여 고전압이 걸려있는 노즐로 공급한 후, 노즐을 통해 방사용액을 고전압이 걸려 있는 컬렉터 상으로 전기방사하여 섬유를 형성하고, 상기 컬렉터에 섬유웹이 적층되도록 형성한 것을 특징으로 한다.In some embodiments of the present invention, the electrospinning method comprises preparing a spinning solution of a polymer resin containing ZIF-8 particles, supplying the spinning solution stored in the spinning liquid tank to a nozzle with a high voltage using a metering pump , A spinning solution is electrospun through a nozzle to a collector having a high voltage to form a fiber, and a fiber web is formed on the collector.
본 발명의 일부 실시예는, ZIF-8 입자는 Zn2 + : 2-메틸아미다졸 : H2O의 몰비가 1 : 70 : 1238인 수용액을 만들고, 수용액을 원심분리한 후에, 침전물을 건조시킨 후 분쇄하여 제조한 것을 특징으로 한다.In some embodiments of the present invention, the ZIF-8 particles are prepared by making an aqueous solution having a molar ratio of Zn 2 + : 2-methylamidazole: H 2 O of 1: 70: 1238, centrifuging the aqueous solution, Followed by pulverization.
본 발명의 일부 실시예는, 섬유의 평균직경이 400~1500nm 인 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the average diameter of the fibers is 400 to 1500 nm.
본 발명의 일부 실시예는, ZIF-8 입자의 평균 직경이 100~400nm 인 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the ZIF-8 particles have an average diameter of 100 to 400 nm.
본 발명의 일부 실시예는, 섬유웹을 구성하는 섬유들은 폴리비닐알코올 수지, 폴리에틸렌옥사이드 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 폴리아미드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리메틸메타아크릴에이트 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리아크릴산 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지 또는 폴리비닐리덴디플루오라이드 수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 수지를 포함하는 것을 특징으로 한다.In some embodiments of the present invention, the fibers constituting the fibrous web are selected from the group consisting of polyvinyl alcohol resin, polyethylene oxide resin, polyacrylonitrile resin, polyamide resin, polysulfone resin, polyurethane resin, polymethyl methacrylate resin, polystyrene And at least one resin selected from the group consisting of a resin, a polyacrylic acid resin, a polytetrafluoroethylene resin, and a polyvinylidene difluoride resin.
본 발명의 일부 실시예는, ZIF-8 입자는 섬유 전체중량 대비 0.1~10중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the ZIF-8 particles are contained in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the fibers.
본 발명의 일부 실시예는, 무기세척액 또는 유기세척액으로 세척한 후 건조하여 재생함으로써 복수회 사용이 가능한 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that they can be used a plurality of times by washing with an inorganic washing solution or an organic washing solution, followed by drying and regeneration.
본 발명의 일부 실시예는, 무기세척액은 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the inorganic washing liquid comprises water.
본 발명의 일부 실시예는, 유기세척액은 노말-헥산을 포함하는 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the organic wash liquid comprises normal-hexane.
본 발명의 일부 실시예는, 섬유웹의 양면 중 어느 한 면 이상에 기재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized by further comprising a substrate on at least one of both sides of the fibrous web.
본 발명의 일부 실시예는, 기재는 부직포, 직물, 편물 또는 스펀본드(Spunbond) 중 어느 하나 이상의 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the substrate includes at least one of a nonwoven fabric, a woven fabric, a knitted fabric, or a spunbond.
본 발명의 일부 실시예는, ZIF-8 입자는 미세먼지와 함께 극성 기체를 흡착하는 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the ZIF-8 particles adsorb polar gases with fine dust.
본 발명의 일부 실시예는, 극성 기체는 암모니아, 일산화탄소 또는 휘발성유기화합물(VOC) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.Some embodiments of the present invention are characterized in that the polar gas comprises any one or more of ammonia, carbon monoxide, or volatile organic compounds (VOC).
본 발명의 또 다른 실시예는, 상기 미세먼지 정화용 에어필터를 포함하는 대기오염 방지장치를 제공한다. Yet another embodiment of the present invention provides an air pollution prevention device including the air filter for fine dust cleaning.
본 발명에 따르면, 정화효율이 높고 일정기간 사용 후 재사용이 가능하여 유지 관리 비용이 저렴한 재생 가능한 미세먼지 정화용 에어필터와 대기오염 방비장치를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a recyclable fine dust purifying air filter and an air pollution prevention device that are high in purification efficiency and can be reused after being used for a certain period of time, thereby reducing maintenance cost.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above effects and include all effects that can be deduced from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.
도 1은 합성된 ZIF-8과 기존에 알려진 참고자료에 개시된 ZIF-8의 XRD 패턴을 비교한 그림이다.
도 2 및 도 3은 기재를 포함하는 미세먼지 정화용 에어필터의 단면도이다.
도 4는 섬유웹을 형성하는 각 섬유의 외면에 ZIF-8 입자가 부착되어 ZIF-8층을 이루는 경우 형태의 에어필터의 개략도이다.
도 5는 섬유웹을 형성하는 각 섬유 내에 복수의 ZIF-8입자가 포함된 형태의 에어 필터의 개략도이다.Figure 1 compares XRD patterns of synthesized ZIF-8 with ZIF-8 disclosed in previously known reference materials.
Fig. 2 and Fig. 3 are sectional views of a fine dust-removing air filter including a substrate.
4 is a schematic view of an air filter in the form of a ZIF-8 layer with ZIF-8 particles attached to the outer surface of each fiber forming the fiber web.
Figure 5 is a schematic view of an air filter in the form of a plurality of ZIF-8 particles in each fiber forming a fibrous web.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" (connected, connected, coupled) with another part, it is not only the case where it is "directly connected" "Is included. Also, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements, not excluding other elements unless specifically stated otherwise.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[ ZIF-8의 합성 ][Synthesis of ZIF-8]
ZIF-8과 활성탄의 미세먼지 흡착 효율을 비교하고, 세척한 후의 흡착 효율, 즉 재활용성을 비교하기 위해서 ZIF-8을 합성하였다. Zn2 + : 2-메틸아미다졸 : H2O의 몰비가 1 : 70 : 1238인 수용액을 만들고, 수용액을 원심분리한 후 침전물을 건조시켜 ZIF-8을 합성하였다. 합성된 ZIF-8을 분쇄하면 입자상의 ZIF-8 분말을 얻을 수 있다.ZIF-8 was synthesized to compare the adsorption efficiency of fine dust between activated carbon and ZIF-8, and to compare the adsorption efficiency after recycling, ie, recyclability. ZIF-8 was synthesized by making an aqueous solution of Zn 2 + : 2-methylamidazole: H 2 O in a molar ratio of 1: 70: 1238, centrifuging the aqueous solution and drying the precipitate. When the synthesized ZIF-8 is pulverized, granular ZIF-8 powder can be obtained.
합성한 ZIF-8이 정상적으로 합성되었는지 알아보기 위해서 XRD 패턴과 기존에 알려진 ZIF-8의 XRD 패턴을 비교하였다. 여기서 XRD란, X-Ray Diffraction의 줄임말로, 브래그 법칙을 이용하여 어떤 물질의 구조를 알아낼 수 있는 분석 방법이다. 물질마다 브래그 법칙을 만족하는 특정 회절각이 있는데, XRD를 이용하면 이를 측정할 수 있다. 측정된 회절각 값들을 기존에 알려진 샘플과 비교하면 그 물질이 어떤 물질인지 파악할 수 있다. The XRD pattern and the XRD pattern of ZIF-8, which were previously known, were compared to see whether the synthesized ZIF-8 was synthesized normally. XRD is an abbreviation of X-Ray Diffraction. It is an analytical method that can determine the structure of a substance using Bragg's law. There is a specific diffraction angle for each material satisfying Bragg's law, which can be measured using XRD. By comparing the measured diffraction angles with previously known samples, it is possible to determine what the material is.
도 1은 합성된 ZIF-8과 기존에 알려진 참고자료에 개시된 ZIF-8의 XRD 패턴을 비교한 그림이다. 도1에서 하단이 합성된 ZIF-8의 XRD 패턴이고, 상단이 참고자료에 개시된 ZIF-8의 XRD 패턴이다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 20도에서 40도 사이의 피크의 위치가 모두 일치하였다. 직접 합성한 ZIF-8의 XRD 패턴과 참고 자료의 XRD 피턴의 피크들의 높이 비율이 모두 비슷하게 나왔다. 이러한 결과로부터 본 실시예에서 ZIF-8이 정상적으로 합성되었음을 알 수 있다.Figure 1 compares XRD patterns of synthesized ZIF-8 with ZIF-8 disclosed in previously known reference materials. 1 is the XRD pattern of ZIF-8 synthesized at the bottom, and the top is the XRD pattern of ZIF-8 disclosed in the reference. As can be seen in Figure 1, the positions of the peaks between 20 and 40 degrees were all consistent. The XRD patterns of the directly synthesized ZIF-8 and the peak ratios of the XRD peaks of the reference data are all similar. From these results, it can be seen that ZIF-8 was synthesized normally in this embodiment.
[ ZIF-8의 미세먼지 흡착 성능 ][Fine dust adsorption performance of ZIF-8]
활성탄과 ZIF-8을 각각 시료로 하여 미세먼지 흡착 성능을 비교하였다. 이를 위하여 미세먼지 흡착 전의 초기 시료의 질량과 미세먼지의 농도가 높은 환경에서 20분동안 흡착을 실시한 시료의 질량을 각각 측정하여 그 차이로 미세먼지의 흡착량을 구하였다. 또한, 시료를 세척한 후 동일한 시험을 반복하여 재사용 가능성을 검토하였다. 그 시험 결과를 아래의 표1에 나타냈는데, 여기서 나타낸 질량변화율은 시험은 각각 5회 실시한 결과의 평균값이다.The adsorption performance of fine dust was compared using activated carbon and ZIF-8 as samples. For this purpose, the mass of the sample adsorbed for 20 minutes in the environment of the initial sample before the adsorption of fine dust and the concentration of the fine dust were respectively measured and the adsorption amount of the fine dust was determined by the difference. In addition, after the sample was washed, the same test was repeated to examine the possibility of reuse. The test results are shown in Table 1 below. The mass change rate shown here is an average value of the results of five tests each.
미세먼지
fine dust
기준시험은 ZIF-8을 대기중에 20분 동안 방치한 후 그 전후의 질량 변화를 측정한 것인데, 대기중에 20분 동안 ZIF-8을 방치한 후에 그 질량이 0.03% 증가하였다. 이는 대기중에 존재하는 수분을 소량 흡착한 것으로 볼 수 있다. 이러한 결과로부터 미세먼지 등 대기 오염 물질의 농도가 낮을 경우 ZIF-8은 그 질량의 변화가 무시할만한 정도로 크지 않음을 알 수 있다.The reference test was to measure the change in mass before and after the ZIF-8 was left in the atmosphere for 20 minutes. After the ZIF-8 was left in the atmosphere for 20 minutes, its mass increased by 0.03%. This can be regarded as adsorption of a small amount of water present in the atmosphere. From these results, it can be seen that when the concentration of air pollutants such as fine dust is low, the change of the mass of ZIF-8 is not negligibly large.
비교예1은 활성탄을 흡착제로 하여 미세먼지를 흡착한 시험의 결과이다. 활성탄은 20분간의 미세먼지 흡착 기간 동안 그 질량이 2.53% 증가하였다. Comparative Example 1 is a result of a test in which fine dust was adsorbed using activated carbon as an adsorbent. Activated carbon increased its mass by 2.53% during 20 min of fine dust adsorption.
비교예3은 2번 시험에서 사용한 활성탄은 증류수로 세척하여 건조한 후 다시 미세먼지 흡착 시험을 실시한 결과이다. 이 경우 활성탄의 질량이 0.73% 증가하는데 그쳤는데, 이러한 결과로 보아 활성탄의 경우 한번 흡착을 실시하고 이를 세척할 경우 흡착 성능이 상당히 저하됨을 알 수 있다.In Comparative Example 3, the activated carbon used in Test No. 2 was washed with distilled water, dried, and then again subjected to fine dust adsorption test. In this case, the mass of the activated carbon was increased by 0.73%. As a result, it can be seen that the adsorption performance is significantly lowered when the activated carbon is once adsorbed and cleaned.
실시예1 부터 실시예6은 ZIF-8을 흡착제로 하여 다양한 대기 오염 불질을 20분동안 흡착하고 그 전후의 질량 변화율을 나타낸 것이다.Examples 1 to 6 show the mass change rates before and after adsorption of various air pollutants for 20 minutes using ZIF-8 as an adsorbent.
실시예1에서는 ZIF-8로 미세먼지를 20분동안 흡착한 후 ZIF-8의 질량이 4.87% 증가하였는데, 이는 ZIF-8이 그 질량의 4.87%의 미세먼지를 흡착함을 나타내며, 이는 활성탄의 2.53%보다 상당이 크므로, ZIF-8의 미세먼지 흡착 성능이 활성탄보다 상당히 크다는 것을 알 수 있다.In Example 1, the mass of ZIF-8 was increased by 4.87% after adsorption of fine dust with ZIF-8 for 20 minutes, indicating that ZIF-8 adsorbed 4.87% of the mass of fine dust, 2.53%, it can be seen that the fine dust adsorption performance of ZIF-8 is considerably larger than that of activated carbon.
실시예2 및 실시예3은 실시예1에서 사용한 ZIF-8을 각각 증류수 및 노말-헥산으로 세척 및 건조 후 미세먼지 흡착 시험을 다시 실시한 전후의 질량 변화율을 나타낸다. 실시예2에서 ZIF-8을 증류수로 세척하여 미세먼지 흡착 시험에 재사용한 경우의 질량 변화율은 3.87%로 실시예1의 4.87%보다 소량 감소하였는데, 이는 비교예2에서 활성탄이 재사용시 미세먼지 흡착 성능이 크게 검소한 것과는 대조적으로, ZIF-8은 물로 세척하는 것만으로 미세먼지 흡착제로 복수 회 사용 가능하다는 것을 의미한다. 특히, 실시예3은 ZIF-8을 노말-헥산으로 세척후 건조하여 흡착제로 재사용한 결과인데, 이 경우 질량변화율이 4.76%로 최초 사용인 실시예1의 4.87%와 차이가 거의 없었다. 이러한 결과로부터 ZIF-8은 활성탄과는 달리 물과 같은 무기세척액이나 노말-헥산 등의 유기세척액으로 세척 및 건조하여 재사용이 가능한 흡착제임을 알 수 있다.Examples 2 and 3 show mass change rates before and after the ZIF-8 used in Example 1 was washed again with distilled water and normal-hexane, dried, and again subjected to the fine dust adsorption test. In Example 2, the mass change rate when ZIF-8 was washed with distilled water for re-use in the fine dust adsorption test was 3.87%, which was smaller than 4.87% in Example 1, indicating that the activated carbon in Comparative Example 2 adsorbed fine dust In contrast to the largely frugal performance, ZIF-8 means that it can be used multiple times with fine dust adsorbent just by washing with water. Particularly, in Example 3, ZIF-8 was washed with normal-hexane and then dried and reused as an adsorbent. In this case, the mass change rate was 4.76%, which was not different from 4.87% in Example 1 which was used for the first time. From these results, it can be understood that ZIF-8 is an adsorbent which can be reused by washing and drying with an inorganic washing solution such as water or an organic washing solution such as n-hexane unlike activated carbon.
비교예3 및 실시예4는 각각 이산화탄소와 암모니아를 피흡착물로 하여 ZIF-8의 흡착 성능을 시험한 결과이다. ZIF-8은 이산화탄소를 흡착하였을 때 그 질량이 0.19% 증가하였고, 암모니아의 경우 그 질량이 7.35% 증가하였다. 이러한 결과로부터 ZIF-8은 극성이 없는 기체인 이산화탄소는 흡착을 거의 하지 않고, 암모니아 등 극성을 가지는 기체는 다량 흡착한다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, ZIF-8을 이용하면 암모니아, 일산화탄소, 휘발성 유기 화합물(VOC) 등의 극성을 가지는 기체상의 유해 물질을 제거할 수 있다는 것을 할 수 있다. Comparative Example 3 and Example 4 are the results of testing the adsorption performance of ZIF-8 using carbon dioxide and ammonia as respiratory complexes, respectively. ZIF-8 increased its mass by 0.19% when carbon dioxide was adsorbed, and its mass increased by 7.35% with ammonia. From these results, it can be seen that ZIF-8 adsorbs a large amount of polarity gas such as ammonia and almost no adsorption of carbon dioxide which is a polar gas. From these results, it can be seen that the use of ZIF-8 can remove harmful substances on the gas phase having polarity such as ammonia, carbon monoxide, and volatile organic compounds (VOC).
[ ZIF-8를 포함하는 미세먼지 정화용 에어필터 ][Air filter for fine dust cleaning including ZIF-8]
본 발명에 따른 미세먼지 정화용 에어필터는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 ZIF-8 입자를 섬유 전체중량대비 0.1~10.0중량% 함유하며 평균직경이 1,500㎚ 이하인 섬유들로 구성된 섬유웹(100)을 포함한다. 도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 미세먼지 정화용 에어필터의 단면도다.As shown in FIGS. 2 and 3, the air filter for purifying fine dust according to the present invention comprises a fibrous web 100 (hereinafter, referred to as " 100 ") composed of fibers having an average diameter of 1,500 nm or less and containing ZIF- ). 2 to 3 are sectional views of an air filter for purifying fine dust according to the present invention.
본 발명에 따른 미세먼지 정화용 에어필터는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 섬유구조체인 기재(200)를 추가로 더 포함할 수 있다.The air filter for purifying dust according to the present invention may further include a
상기 섬유내 상기 ZIF-8 입자의 함량이 섬유 전체중량대비 0.1중량% 미만일 경우에는 유해물질의 흡착 성능이 저하되고, 10.0중량%를 초과하는 경우에는 유해물질 흡착 성능은 증가하나 전기방사시 그 생산성이 저하된다.If the content of the ZIF-8 particles in the fiber is less than 0.1% by weight based on the total weight of the fibers, the adsorption performance of harmful substances is deteriorated. If the content exceeds 10.0% by weight, the adsorption performance of harmful substances increases, .
상기 ZIF-8 입자의 평균직경은 100~400㎚인 것이 바람직하며, 100㎚ 미만일 경우에는 입자의 비산 문제로 생산성이 저하되고, 400㎚를 초과하면 섬유내 분산이 어렵게 될 수 있다.The ZIF-8 particles preferably have an average diameter of 100 to 400 nm. When the diameter is less than 100 nm, the productivity is reduced due to the scattering of particles. When the diameter exceeds 400 nm, dispersion in the fibers may be difficult.
상기 기재(200) 및 섬유웹(100) 각각은 1~3개층인 것이 바람직하나, 본 발명에서는 이들의 층 개수를 특별하게 한정하는 것은 아니다.Each of the
본 발명에 따라 미세먼지 정화용 에어필터는 도 2와 같이 1개층의 섬유웹(100)이 기재(200) 상에 적층된 구조일 수도 있고, 도 3과 같이 1개층의 섬유웹(100)이 2개층의 기재(200) 사이에 배열된 구조일 수도 있다.The air filter for purifying fine dust according to the present invention may have a structure in which one layer of the
상기 섬유웹(100)을 구성하는 섬유들은 폴리비닐알코올 수지, 폴리에틸렌옥사이드 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 폴리아미드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리메틸메타아크릴에이트 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리아크릴산 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지 또는 폴리비닐리덴디플루오라이드 수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 수지 등으로 구성된다.The fibers constituting the
상기 섬유웹(100)을 구성하는 섬유의 평균직경은 1,500㎚ 보다 바람직하기로는 400~1,500㎚이며, 400㎚ 미만인 경우에는 섬유내에 ZIF-8을 분산하기 어렵게 되고, 흡기저항이 상승하게 되고, 1,500㎚를 초과하는 경우에는 유해물질 흡착 성능이 저하되는 문제가 발생된다.The average diameter of the fibers constituting the
상기 섬유웹(100)에는 평균직경이 0.5~10㎛인 기공들이 형성되어 있는 것이 바람직하다.The
상기 기공의 평균직경이 0.5㎛ 미만인 경우에는 흡기저항이 높아지고, 10㎛를 초과하는 경우에는 유해물질 차단성과 흡착성능이 저하될 수 있다.When the average diameter of the pores is less than 0.5 탆, the intake resistance increases. When the average diameter exceeds 10 탆, the blocking ability of the harmful substances and the adsorption performance may be deteriorated.
상기 섬유웹(100)의 단위면적당 중량은 0.1~5g/㎡인 것이 바람직하다.The weight per unit area of the
상기 단위면적당 중량이 0.1g/㎡ 미만이면 유해물질 차단성과 흡착성능이 저하되고, 5g/㎡을 초과하면 흡기저항이 높아진다.If the weight per unit area is less than 0.1 g / m 2, the barrier properties and the adsorption performance of the harmful substances are deteriorated. If the weight per unit area is more than 5 g / m 2, the intake resistance is increased.
다음으로, 상기 섬유웹(100)은 평균직경이 1,500㎚인 섬유들이 적층된 것으로서, 전기방사 방식 등으로 제조할 수 있다.Next, the
본 발명의 에어필터에서 미세먼지를 흡착하는 기능을 수행하는 ZIF-8 입자는 도 4와 같이 섬유웹(100)을 형성하는 각 섬유(110)의 외면에 복수의 ZIF-8 입자(120)가 부착되어 ZIF-8 층을 이루도록 형성되거나, 도 5와 같이 섬유웹(100)을 형성하는 각 섬유(110) 내에 복수의 ZIF-8입자(120)가 포함되도록 형성될 수 있다. ZIF-8 particles that perform the function of adsorbing fine dust in the air filter of the present invention have a plurality of ZIF-8
도 4와 같이 섬유웹(100)을 형성하는 각 섬유(110)의 외면에 ZIF-8 입자(120)가 부착되어 ZIF-8층을 이루는 경우 형태의 에어필터는, 고분자의 섬유웹(100)을 제조한 이후에 ZIF-8 입자(120)와 바인더의 혼합물을 고분자 섬유웹(100)에 스프레이 등의 방식으로 뿌려 줌으로써 제조될 수 있다.As shown in FIG. 4, the air filter in the form of a ZIF-8 layer having ZIF-8
도 5와 같이 섬유웹(100)을 형성하는 각 섬유(110) 내에 복수의 ZIF-8(120)입자가 포함된 형태의 에어 필터는 섬유웹(100)을 전기방사법으로 형성할 때 고분자 수지와 ZIF-8 입자(120)를 포함하는 고분자 수지 방사액을 사용함으로써 제조될 수 있다.An air filter in which a plurality of ZIF-8 (120) particles are contained in each of the
구체적으로, ZIF-8 입자(120)를 함유하는 고분자 수지의 방사 용액을 제조한 후에, 방사액 탱크 내에 보관중인 방사용액을 계량펌프를 사용하여 고전압이 걸려있는 노즐로 공급한 후, 상기 노즐을 통해 방사용액을 고전압이 걸려 있는 컬렉터 상으로 전기방사하여 섬유(110)를 형성하여, 상기 컬렉터에 섬유웹(100)이 적층되도록 한다.Specifically, after preparing a spinning solution of the polymer resin containing the ZIF-8
상기 노즐과 컬렉터에는 전압전달로드를 통해 전압발생장치에서 발생되는 고전압을 걸어준다.The high voltage generated in the voltage generator is applied to the nozzle and the collector through a voltage transfer rod.
본 발명에서 사용하는 전기방사 장치에는 특별히 제한하지 않는다. 다중 노즐을 사용하는 전기방사 장치를 사용할 수 있으며 이 외의 다른 형태의 전기방사 장치 또한 사용할 수 있다. 전기방사 장치는 고분자 용액을 공급하는 계량 펌프와 다수의 노즐로 구성되는 방사부, 고전압발생장치에 의한 고전압발생부와 방사되어 휘산되는 섬유를 고착시키는 컬렉터로 구성된다. 본 발명의 섬유를 방사하기 위한 발생전압은 수천 내지 수십만 볼트로 고분자 용액의 농도, 계량 펌프를 통해 공급되는 고분자 용액의 양, 얻고자 하는 섬유의 굵기 등을 고려하여 다양하게 적용할 수 있다. 전기방사시 전압은 12,000~200,000 볼트(V)로 하고 노즐과 컬렉터 사이의 거리인 방사거리는 5~25㎝로 하는 것이 바람직하다.The electrospinning apparatus used in the present invention is not particularly limited. It is possible to use an electrospinning apparatus using multiple nozzles, and other types of electrospinning apparatuses can also be used. The electrospinning device is composed of a metering pump for supplying a polymer solution, a radiation part composed of a plurality of nozzles, a high voltage generating part by a high voltage generating device, and a collector for fixing fibers radiated and discharged. The generated voltage for spinning the fiber of the present invention can be variously applied in consideration of the concentration of the polymer solution, the amount of the polymer solution supplied through the metering pump, the thickness of the fiber to be obtained and the like, ranging from several thousand to several hundred thousand volts. The voltage at the time of electrospinning is preferably 12,000 to 200,000 volts (V), and the emission distance, which is the distance between the nozzle and the collector, is preferably 5 to 25 cm.
한편, 상기 섬유구조체인 기재(200)는 부직포, 직물, 편물 또는 스펀본드(Spunbond) 중 어느 하나 이상의 재질로 형성된다.Meanwhile, the
본 발명에 따른 미세먼지 정화용 에어필터는 앞에서 설명한 섬유웹(100) 여러매를 적층하여 제조할 수도 있고, 도 2과 같은 단면을 갖도록 앞에서 설명한 섬유구조체인 기재(200) 상에 상기의 섬유웹(100)을 적층하여 제조할 수도 있고, 도 3과 같은 단면을 갖도록 상기 섬유구조체인 기재(200)들 사이에 상기의 섬유웹(100)을 삽입, 적층하여 제조할 수도 있다.The air filter for purifying dusts according to the present invention may be manufactured by laminating a plurality of the
본 발명에 따른 미세먼지 정화용 에어 필터는 산업용 미세먼지 집진시설, 공기 정화장치 등 다양한 대기오염 방지장치 또는 시설에 사용될 수 있다.The air filter for purifying fine dust according to the present invention can be used in various air pollution prevention devices or facilities such as an industrial fine dust collecting facility and an air purifying device.
100: 섬유웹
110: 섬유
120: ZIF-8 입자
200: 기재100: Fiber web
110: Fiber
120: ZIF-8 particles
200: substrate
Claims (18)
상기 전기방사법은 ZIF-8 입자를 함유하는 고분자 수지의 방사 용액을 제조하고, 방사액 탱크 내에 보관중인 방사용액을 계량펌프를 사용하여 고전압이 걸려있는 노즐로 공급한 후, 노즐을 통해 방사용액을 고전압이 걸려 있는 컬렉터 상으로 전기방사하여 섬유를 형성하고, 상기 컬렉터에 섬유웹이 적층되도록 형성하며,
상기 고전압은 12,000~200,000 볼트로 하고, 노즐과 컬렉터 사이의 거리인 방사거리는 5~25 cm이며,
상기 ZIF-8 입자는 Zn2+ : 2-메틸아미다졸 : H2O의 몰비가 1 : 70 : 1238인 수용액을 만들고, 수용액을 원심분리한 후에, 침전물을 건조시킨 후 분쇄하여 제조되고,
상기 ZIF-8 입자는 섬유 전체중량 대비 0.1~10중량% 함유되어 있으며,
상기 섬유웹의 단위면적당 중량은 0.1~5 g/m2 이고,
상기 ZIF-8 입자는 미세먼지와 함께 암모니아, 일산화탄소 또는 휘발성유기화합물(VOC) 중 어느 하나 이상을 포함하는 극성 기체를 흡착하고,
노말-헥산으로 세척한 후 건조하여 재생함으로써 복수회 사용이 가능하며,
섬유웹을 이루는 섬유 내에 복수의 ZIF-8 입자가 포함되고,
상기 섬유의 평균직경이 400~1500nm 이며, ZIF-8 입자의 평균 직경이 100~400nm 이고,
섬유웹의 양 면 중 어느 한 면 이상에 기재를 더 포함하며,
1개층의 섬유웹이 2개층의 기재 사이에 배열된 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 재생 가능한 미세먼지 정화용 에어필터.
A fibrous web composed of fibers containing ZIF-8 particles and formed by electrospinning,
The electrospinning method comprises preparing a spinning solution of a polymer resin containing ZIF-8 particles, supplying the spinning solution stored in the spinning liquid tank to a nozzle with a high voltage using a metering pump, Forming a fiber by electrospinning on a collector having a high voltage, forming a fiber web on the collector,
The high voltage is 12,000 to 200,000 volts, and the emission distance, which is the distance between the nozzle and the collector, is 5 to 25 cm,
The ZIF-8 particles are prepared by making an aqueous solution having a molar ratio of Zn 2+ : 2-methylamidazole: H 2 O of 1: 70: 1238, centrifuging the aqueous solution,
The ZIF-8 particles are contained in an amount of 0.1 to 10% by weight based on the total weight of the fibers,
The weight per unit area of the fibrous web is 0.1 to 5 g / m 2 ,
The ZIF-8 particles adsorb a polar gas including at least one of ammonia, carbon monoxide, and volatile organic compounds (VOC) together with fine dust,
It can be used a plurality of times by washing with normal-hexane, followed by drying and regeneration,
A plurality of ZIF-8 particles are contained in the fibers constituting the fibrous web,
Wherein the fiber has an average diameter of 400 to 1500 nm, an average diameter of ZIF-8 particles is 100 to 400 nm,
Further comprising a substrate on at least one of both surfaces of the fibrous web,
Characterized in that one layer of fibrous web is formed in a structure arranged between two layers of substrates.
섬유웹을 구성하는 섬유들은 폴리비닐알코올 수지, 폴리에틸렌옥사이드 수지, 폴리아크릴로니트릴 수지, 폴리아미드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리우레탄 수지, 폴리메틸메타아크릴에이트 수지, 폴리스티렌 수지, 폴리아크릴산 수지, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지 또는 폴리비닐리덴디플루오라이드 수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 이상의 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 가능한 미세먼지 정화용 에어필터.
The method according to claim 1,
The fibers constituting the fibrous web may be selected from the group consisting of polyvinyl alcohol resin, polyethylene oxide resin, polyacrylonitrile resin, polyamide resin, polysulfone resin, polyurethane resin, polymethyl methacrylate resin, polystyrene resin, polyacrylic resin, And at least one resin selected from the group consisting of a fluoroethylene resin and a polyvinylidene difluoride resin.
기재는 부직포, 직물, 편물 또는 스펀본드 중 어느 하나 이상의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 재생 가능한 미세먼지 정화용 에어필터.
The method according to claim 1,
Wherein the base material comprises at least one of a nonwoven fabric, a woven fabric, a knitted fabric, and a spunbond material.
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