KR20210089957A - 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터에 관한 것으로서, 가열처리되어 기공이 형성된 미세먼지 흡착필터를 KOH 수용액에 침지하여 다공성 흡착물 상태로 커피 찌꺼기를 제조하고, 상기 다공성의 커피 찌꺼기와 결합제, 증점제, 분산제 및 물을 혼한한 함침용액에 폴리우레탄폼을 침지후 건조하여 미세먼지의 흡착이 우수한 친환경 필터를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터에 관한 것이다.
현대인의 커피 섭취가 증가함에 따라 발생하는 커피박(원두를 추출하고 남은 찌꺼기) 또한 해마다 증가하고 있다. 커피 원두는 0.2%만이 추출되고 나머지 99.8%는 모두 일반쓰레기로 분류되어 버려진다. 이를 처리하기 위해 커피전문점에서 구매하는 종량제 봉투는 연간 27억 원 수준이다. 잔류 카페인이 미생물에게 독성으로 작용하여 환경오염을 초래한다는 점은 환경문제까지 일으킨다고 볼 수 있다.
미세먼지(Fine dust) 또는 초미세먼지는 지름이 2.5~10 ㎛ 오염물질(pollution material, PM)이나 2.5 ㎛ 이하의 오염물질을 의미하며, 미세먼지의 입자 크기는 매우 작기 때문에 모낭 또는 호흡기를 통해 체내 침투 문제가 발생하는데, 근래 미세먼지의 증가로 인해 피부질환, 호흡기질환 등 많은 부작용이 일어나고 있다. 장기간 미세먼지에 노출될 경우 면역력이 급격히 저하되어 감기, 천식, 기관지염 등의 호흡기질환은 물론 심혈관 질환, 피부질환, 안구질환 등 각종 질병에 노출될 수 있다.
이에 본 발명자들은 앞선 두 가지 문제점을 인식하고 해결방안을 모색하고자 하기 위해, 버려지는 자원인 커피 찌꺼기를 활용하여 필터를 제작하여, 미세먼지로 인한 환경문제를 방지하고, 피부 또는 호흡기 질환의 개선과 더불어 폐자원을 활용하고 폐기비용을 줄임으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터를 제공하는 데에 있다.
본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터에 관한 것이다.
상기 필터는 다음의 방법을 통해 제조될 수 있다.
(제1단계) 커피 찌꺼기를 건조 후 열처리하는 단계;
(제2단계) 열처리된 커피 찌꺼기를 식힌 후 KOH 수용액에 침지하는 단계;
(제3단계) KOH 수용액에 침지한 커피 찌꺼기를 물로 세척하는 단계;
(제4단계) 제3단계에서 세척된 커피 찌꺼기, 결합제, 증점제 및 물을 교반하여 함침용액을 제조하고, 상기 함침용액에 폴리우레탄폼 시트를 넣어 침지하는 단계; 및,
(제5단계) 상기 함침용액에서 폴리우레탄폼 시트를 꺼내 압착하여 수분을 제거한 후 건조하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
상기 제1단계의 건조는 15~34℃에서 1~2일간 그늘진 곳에서 건조하거나 35~90℃의 온도로 1~5시간 동안 열풍건조하여 진행할 수 있고, 소량의 커피 찌꺼기가 발생될 때마다 수거하여 이를 적량 모아 제2단계를 수행할 수 있다.
상기 제1단계의 열처리를 통해 커피 찌꺼기 내의 기공 크기 및 기공의 개수가 확장되어 다공성이 증가되고, 미세먼지의 흡착성이 증가될 수 있다.
상기 기공 크기는 열처리 전 0.1~2㎛에서 열처리 후 20~100㎛로 확장되며, 보다 바람직하게는 30~60㎛의 고른 크기로 확장될 수 있다.
상기 제1단계의 열처리는 목적하는 온도인 450~500℃에서 1~3시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 목적온도의 열처리 시간 전후로 15~34℃의 실온에서 목적온도로의 상승시간, 목적온도에서 15~34℃의 실온으로의 하강 시간이 각각 0.5~2시간 정도 소요된다.
제2단계의 KOH 수용액에 침지 전 커피 찌꺼기는 10~30℃로 식혀 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제2단계의 KOH 수용액의 농도는 10~20M인 것이 바람직하며, 15M인 것이 더 바람직하다. 이 때, 제2단계에서 커피 찌꺼기를 KOH 수용액에 침지하는 시간은 12~48시간, 더 바람직하게는 24시간인 것이 좋다.
상기 제2단계의 KOH 침지 단계를 거친 커피 찌꺼기는 미세먼지의 흡착력이 증강되는데, 특히, 미세먼지의 주성분인 질산염의 흡착능이 더 효과적으로 증가한다.
상기 제3단계에서 커피 찌꺼기는 KOH가 충분히 제거되도록 수회 반복하여 세척할 수 있다.
상기 제3단계에서 세척한 커피 찌꺼기는 그대로 4단계에서 사용할 수도 있으며, 건조하여 사용할 수도 있다. 이 과정에서의 건조 조건도 15~34℃에서 1~2일간 그늘진 곳에서 건조하거나 35~90℃의 온도로 1~5시간 동안 열풍건조하여 진행하는 것이 좋다.
상기 제4단계의 폴리우레탄폼 시트의 침지시간은 10~30분인 것이 좋다.
상기 제4단계에서 사용되는 폴리우레탄폼은 통상적으로 필터용으로 사용하는 폴리우레탄폼은 모두 사용가능하며,
상기 제4단계의 함침용액은 제3단계에서 세척이 완료된 커피 찌꺼기 15~20 중량%, 결합제 1~5 중량%, 증점제 0.2~10 중량% 및 물 70~80중량%가 포함된 것일 수 있다.
상기 제4단계의 결합제는 칼슘 실리케이트, 칼슘 알루미네이트, 벤토나이트, 카올린, 알루미나졸, 실리카졸, 보에마이트, 폴리비닐알코올, 폴리글라이콜 및 전분으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제4단계의 증점제는 폴리아크릴아마이드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리에틸렌옥사이드, 젤라틴, 폴리사카라이드, 셀룰로오스 및 키토산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상인 것일 수 있다. 또한 상기 셀룰로오스로서, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 벤질셀룰로오스, 트리틸셀룰로오스, 시아노에틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 카르복시에틸셀룰로오스, 아미노에틸셀룰로오스, 니트로셀룰로오스, 셀룰로오스에테르 및 카르복시메틸셀룰로오스 나트륨염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다.
상기 제4단계의 교반은 10~35℃에서 150~400rpm으로 20~60분간 수행하는 것이 좋다.
상기 제5단계에서 사용하는 폴리우레탄폼은 시트상태인 것이 바람직하며, 그 두께는 필요에 따라 적절한 것을 사용할 수 있으나, 가장 바람직하게는 1~20㎜의 두께를 가진 것일 수 있다.
상기 제5단계의 압착은 폴리우레탄폼 내 수분을 용이하게 제거하기 위해 사용할 수 있는 압착기라면 어떤 것이든지 사용가능하다.
상기 제5단계의 폴리우레탄폼의 건조 온도는 크게 제한되지 않으나, 120~180℃로 10~15시간 건조하는 것이 바람직하다.
또한 제5단계에서 건조된 폴리우레탄폼 시트를 다시 제4단계에서 사용하고 남은 함침용액 또는 여분의 새로운 함침용액에 넣어 침지한 후 폴리우레탄폼 시트를 꺼내 압착하여 수분을 제거한 후 건조하는 단계를 수회(1~10회) 반복할 수 있다. 이 때의 반복 함침 후 건조 온도는 첫 번째 건조온도인 120~180℃를 유지해도 좋으나 이보다 더 낮은 120℃ 미만으로 유지하는 것이 좋으며, 바람직하게는 40℃ 이상 120℃ 미만인 것이 더 바람직하다.
또 다른 양태에서 본 발명은 상기 제3단계에서 세척된 커피 찌꺼기를 결합제 및 증점제와 혼합하여 커피 찌꺼기 활성탄 상태로 제조할 수 있으며, 이를 공기청정기용 필터 등에 사용할 수 있다. 이 때 커피 찌꺼기 100 중량부 기준으로 결합제 1~5 중량부 및 증점제 0.2~10 중량부를 혼합하고 적량의 물(1~10 중량부)을 더 추가한 뒤 교반한 후, 3~10㎜의 지름을 갖는 구형, 또는, 3~10㎜의 가로/세로/높이를 갖는 사각 입자 상태로 성형 및 건조하여 활성탄을 대신하는 미세먼지 흡착용 필터 입자로 제조할 수 있다.
본 발명은 커피 찌꺼기를 이용한 미세먼지 흡착필터에 관한 것으로서, 가열처리되어 기공이 형성된 미세먼지 흡착필터를 KOH 수용액에 침지하여 다공성 흡착물 상태로 커피 찌꺼기를 제조하고, 상기 다공성의 커피 찌꺼기와 결합제, 증점제 및 물을 혼한한 함침용액에 폴리우레탄폼을 침지 후 건조하여 미세먼지의 흡착이 우수한 친환경 필터를 제조할 수 있다.
도 1은 열처리 전의 커피 찌꺼기 분말의 기공 상태를 촬영한 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 500℃로 열처리 한 후, KOH 함침 및 세척한 커피 찌꺼기 분말의 기공 상태를 촬영한 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 500℃로 열처리 한 후, KOH 함침 및 세척한 커피 찌꺼기 분말의 비표면적 분석(BET) 결과를 나타낸다.
도 4는 커피 찌꺼기 분말을 가열처리 한 조건에 따른 미세먼지 농도 변화 결과를 나타낸다.
도 2는 500℃로 열처리 한 후, KOH 함침 및 세척한 커피 찌꺼기 분말의 기공 상태를 촬영한 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 500℃로 열처리 한 후, KOH 함침 및 세척한 커피 찌꺼기 분말의 비표면적 분석(BET) 결과를 나타낸다.
도 4는 커피 찌꺼기 분말을 가열처리 한 조건에 따른 미세먼지 농도 변화 결과를 나타낸다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다.
<실시예 1. 커피 찌꺼기를 이용한 필터의 제조>
에스프레소를 추출하고 남은 커피 찌꺼기를 2일 동안 100℃에서 건조한 분말을 준비하고, 이를 그대로 가열하지 않고 사용하거나, 300℃ 또는 500℃까지로 상승 1시간(실온에서 목적온도까지), 목적온도 유지 2시간(300℃ 또는 500℃), 하강 1시간(목적온도에서 실온까지)을 거쳐 전기로를 사용하여 열처리하였다. 열처리된 커피 찌꺼기를 25℃의 실온 온도로 식히고, 비가열처리한 커피찌꺼기 분말 또는 300℃ 또는 500℃에서 가열처리된 커피 찌꺼기 분말을 15M의 KOH 수용액에 24시간 동안 침지한 후, 증류수로 여러 번 세척하여 커피찌꺼기에서 KOH를 제거하였다. 이 때, 중성을 확인하기 위해 pH 테스트 페이퍼를 사용하였다.
다음으로는, 세척이 완료된 커피 찌꺼기 20 중량%, 결합제로서 폴리비닐알코올(컴사이언스社) 2중량%, 증점제로서 카르복시메틸셀룰로오스(에코탄社) 1.6 중량% 증류수 76.4 중량%가 되도록 25℃, 250rpm에서 30분 동안 교반하여 함침 용액을 제조하고 상기 함침 용액에 5㎜ 두께의 폴리우레탄폼 시트를 넣어 10분 정도 롤링하여 함침 용액이 스며들게 하였다. 그 후 압착하여 상기 폴리우레탄폼 시트에 함침된 여분의 함침용액을 압착 배출한 후 약 120℃에서 12시간 동안 건조하였다. 이 후 사용하였던 함침 용액에 한 번 더 폴리우레탄폼 시트를 동일 조건으로 침지 및 압착을 하고, 30~50℃에서 10~15시간 동안 건조를 시켜준다. 이를 통해서 커피박을 포함한 필터를 제조하였다.
위 조건에서 시트 상태의 폴리우리탄폼은 블루윈에서 제조하는 연질우레탄폼 R322 제품을 사용하였고, 이 연질 우레판폼은 주제와 경화제를 100:33의 중량비로 혼합할 때 발포 상태의 우레탄폼으로 성형된다.
<실험예 1. 열처리 조건에 따른 커피 찌꺼기의 상태 확인>
실시예 1의 과정 중, 열처리 전과 500℃로 열처리 한 후의 커피 찌꺼기 상태를 전자주사현미경(SEM)으로 촬영한 기공상태의 사진을 도 1과 도 2에 나타내었다.
도 1은 열처리 전의 커피 찌꺼기 입자의 사진으로서, 기공이 거의 없거나 1㎛ 전후의 크기임을 확인할 수 있으나, 도 2의 500℃ 열처리 후의 커피 찌꺼기 상태를 살펴볼 때, 30~60㎛의 고른 크기의 기공이 생성된 것을 확인할 수 있다.
<실험예 2. 열처리에 따른 비표면적 분석(BET) 결과>
실시예 1의 과정 중, 500℃로 열처리 및 KOH 처리된 후의 커피 찌꺼기 분말을 이용하여 비표면적 분석(BET)을 수행하여 도 3과 같은 결과를 얻었다.
도 3의 비표면적 분석(BET) 그래프 곡선으로 보았을 때, 흡착과 탈착 곡선이 유사한 기울기로 점점 증가하는 곡선을 보이는 것으로 보아 흡착 및 탈착이 골고루 잘 이루어짐을 확인할 수 있다. 또한, BET 그래프 곡선유형에 따라 micropore, mesopore, nonpore 등을 알 수 있는데, 도 3에서 상기 커피 찌꺼기 분말 내에 MICROPORE(기공의 크기가 2nm 이하)와 MESOPORE( 기공의 크기가 2 ~ 50 nm)가 혼재되어 있음을 알 수 있는데, 이는 기공이 거의 존재하지 않던 가공 전의 커피찌거기 분말과 대비하여 기공크기가 확대됨을 제시한 도 1의 SEM 결과 사진을 입증한다.
<실험예 3. 미세먼지 흡착 결과>
폐쇠된 CHAMBER 안에 미세먼지와 입자크기가 비슷한 향을 피워 인위적으로 미세 입자를 발생시킨 후, 커피찌꺼기가 없는 상태, 300℃, 500℃ 열처리 후 KOH 처리된 커피 찌꺼기가 놓인 상태에서 각각 측정기기(KoAres 미세미세S4)를 이용해 20초 간격으로 미세먼지 농도가 줄어드는 양을 측정하였다.
측정 결과 도 4와 같이 시간당 미세먼지 농도의 감소비율(미세먼지 농도값을 나타낸 색의 기울기값의 절댓값)이 500℃에서 가장 큰 것을 알 수 있다. 또한 이 때 가열처리 전의 커피찌꺼기를 이용하였지만 이 값은 300℃보다 미미하였다.
이상과 같은 결과를 통해 본 발명에서 제조한 가열 커피 찌꺼기 및 이를 이용하여 제조한 필터가 미세먼지의 제거 효율이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
Claims (5)
- 가열처리된 커피 찌꺼기를 이용하여 제조한 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터.
- 제1항에 있어서,
상기 흡착필터가 다음의 방법을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터.
(제1단계) 커피 찌꺼기를 건조 후 열처리하는 단계;
(제2단계) 열처리된 커피 찌꺼기를 식힌 후 KOH 수용액에 침지하는 단계;
(제3단계) KOH 수용액에 침지한 커피 찌꺼기를 물로 세척하는 단계;
(제4단계) 제3단계에서 세척된 커피 찌꺼기, 결합제, 증점제, 분산제 및 물을 교반하여 함침용액을 제조하고, 상기 함침용액에 폴리우레탄폼 시트를 넣어 침지하는 단계; 및,
(제5단계) 상기 함침용액에서 폴리우레탄폼 시트를 꺼내 압착하여 수분을 제거한 후 건조하는 단계. - 제2항에 있어서,
상기 제1단계의 열처리 온도가 450~500℃인 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터. - 제2항에 있어서,
상기 제2단계의 KOH 수용액의 농도가 10~20M인 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터. - 제2항에 있어서,
상기 제2단계에서 커피 찌꺼기를 KOH 수용액에 침지하는 시간이 12~48시간인 것을 특징으로 하는 미세먼지 흡착필터.
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KR102552178B1 (ko) * | 2022-05-20 | 2023-07-06 | 김미성 | 커피박필터 적용한 나노 uv 살균 조명 공기정화장치 |
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2020
- 2020-01-09 KR KR1020200003179A patent/KR20210089957A/ko unknown
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