WO2018216861A1 - 셀룰로오스 및/또는 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터의 제조 방법 - Google Patents

셀룰로오스 및/또는 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터의 제조 방법 Download PDF

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WO2018216861A1
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activated carbon
cellulose
pores
nonwoven fabric
impregnated
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허순영
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(주) 영산에어로웰피터
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    • B01D2239/10—Filtering material manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an air purification filter. More specifically, the present invention relates to a method for producing an air purifying filter excellent in ultra-fine particle filtration and / or volatile organic compound removal effect, in which at least one of cellulose and powdered activated carbon is impregnated between pores of nonwoven fibers.
  • South Korea's fine dust problem is of interest to NASA, too, and announces that emissions from coal-based coal-fired power plants built around the West Coast in recent years are accelerating the concentration of fine dust over the Korean Peninsula. Reached.
  • the government has suspended construction plans for thermal power plants in the future, and is gradually tightening the regulatory standards for automobile and factory emissions, and will soon regulate the non-combustibles generated after cooking in large restaurants. It will be included.
  • a state in which particulate matter (PM) is suspended in the air is generally called an aerosol, and is generally referred to as dust.
  • the particle size range of the dust is about 0.001 to 1,000 ⁇ m, but since the dust of 50 ⁇ m or more precipitates immediately after occurrence, the suspended dust of 50 ⁇ m or less is generally referred to as Total Suspended Particulates (TSP).
  • TSP Total Suspended Particulates
  • the nonwoven filter which cut and manufactured the nonwoven felt as a part of the said fine dust removal method has been used.
  • the nonwoven filter can be applied only as a prefilter of 10 ⁇ m or more, and PM10, which is an ultra-fine dust of smaller size, which is emerging as a social problem recently, is hard to be removed, and it is a carcinogenic substance BTEX [benzene (benzene). ), Toluene, ethylbenzene, and xylene] are not possible to remove volatile organic compounds.
  • the present inventors fill a porosity between fibers of the nonwoven filter with a porous material to trap fine dust while maintaining breathability, and also between the voids. It was confirmed that the volatile organic compounds can be removed by filling with the adsorbent material and completed the present invention.
  • Another object of the present invention is to provide a method for preparing an air purification filter capable of removing volatile organic compounds.
  • Still another object of the present invention is to provide a method for manufacturing an air purification filter which can remove fine dust and volatile organic compounds while maintaining breathability.
  • the present invention provides a method for producing an air purifying filter formed of synthetic fibers and using a nonwoven fabric having voids as a support, comprising: coating the nonwoven fabric with a hydrophilic coating agent; And a powder activated carbon blended with a solution in which a binder is dissolved in a volatile organic solvent exhibiting a cellulose impregnation process of filling a cellulose blended with water between the pores and then freezing and vacuum drying the impregnated cellulose between the pores and a hydrophilic organic solvent. And filling at least one of the pores, and then drying at a predetermined temperature to impregnate the powdered activated carbon with the pores.
  • the synthetic fiber may be made of one or more compounds selected from polypropylene, polyethylene, and polyester.
  • the hydrophilic coating agent is preferably a coating agent containing silicon or titanium.
  • the freezing and vacuum drying temperature is preferably about -70 to -90 °C.
  • the nonwoven fabric after the cellulose impregnation step preferably has an amount of cellulose impregnation (mg) per unit area (cm 2) of about 4 to about 6 mg / cm 2.
  • the volatile organic solvent exhibiting hydrophilicity is preferably methanol.
  • the predetermined temperature is preferably about 80 ° C to about 130 ° C.
  • the nonwoven fabric after the powder activated carbon impregnation process preferably has a powder activated carbon impregnation amount (mg) per unit area (cm 2) of about 40 to about 50 mg / cm 2.
  • the present invention has the effect of providing an air purification filter that can remove fine dust, volatile organic compounds or both while maintaining breathability.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an air purification filter impregnated with cellulose.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing an air purification filter impregnated with powdered activated carbon.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an air purification filter impregnated with powdered activated carbon and cellulose.
  • FIG. 4 shows that fine dust and BTEX-containing contaminated air pass through a nonwoven fabric, an air purification filter impregnated with cellulose, an air purification filter impregnated with powdered activated carbon, and an air purification filter impregnated with powdered activated carbon, and removes fine dust and BTEX. It is a schematic diagram which shows that.
  • the present invention is a method of manufacturing an air purification filter that can fill the pores between the fibers of the nonwoven filter with a porous material to trap fine dust while maintaining breathability, and also remove the volatile organic compounds by filling the pores with an adsorbent material. It is about.
  • the present invention provides a method for producing an air purifying filter, which is formed of synthetic fibers and has a nonwoven fabric having voids as a support. And a powdered activated carbon blended with a solution in which a binder is dissolved in a volatile organic solvent exhibiting a cellulose impregnation process of filling a cellulose blended with water between the pores and then freezing and vacuum drying the impregnated cellulose between the pores and a hydrophilic volatile organic solvent. And filling at least one of the pores and then drying at a predetermined temperature to impregnate the powdered activated carbon with the pores.
  • the nonwoven fabric is laminated with filaments such as polypropylene (polypropylene), polyethylene (polyester), polyester (polyester), and then uniformly spread by repeating combing, injecting a chemical synthetic binder (binder) It is manufactured by pressing.
  • the nonwoven fabric formed of synthetic fibers has excellent connectivity between fibers and fibers, and voids are formed between the fibers to form a scaffold and thus do not require a separate support.
  • Synthetic fibrous nonwovens are polymer materials and are mostly hydrophobic with a low affinity for water. Therefore, in order to easily seat cellulose and / or powdered activated carbon between pores of hydrophobic nonwoven fibers formed of synthetic fibers, a process of converting the nonwoven fabric to hydrophilicity is required. Therefore, first, a process of coating the nonwoven fabric with a coating agent containing silicon or titanium having a hydrophilic group (OH-) is performed. For example, the coating process is not particularly limited, but a method such as coating, dipping, spraying, or the like may be used. Thereafter, the hydrophilic film is fixed to the nonwoven fabric through a drying process.
  • a coating agent containing silicon or titanium having a hydrophilic group OH-
  • Cellulose is a natural polymer material, and refers to cellulose microfibers (Cellulose microfibril) extracted from the mulberry, rice straw, cotton, trees, plants and the like.
  • Cellulose is a hydrophilic material and is very expandable in water, but due to components such as pectin and lignine in cellulose, it hardens during heat drying, so that soft flexibility disappears and its size decreases.
  • the cellulose impregnated step of filling the cellulose blended with water between the pores of the nonwoven fabric, and then frozen and vacuum dried to impregnate the cellulose between the pores Do this.
  • the cellulose expanded by containing water is further expanded (sieve expansion) in the volume during the freezing process and is seated between the nonwoven fibers, and may be seated between the nonwoven fibers without deformation of the model by sublimation in the drying process using a vacuum. have.
  • the cellulose seated between the nonwoven fibers in the body-expanded state does not lose even after the air purification filter is produced.
  • the amount of cellulose impregnation (mg) per unit area (cm 2) of the nonwoven fabric is about 4 to 6 mg / cm 2.
  • it is about 4.5-5.5 mg / cm ⁇ 2>, More preferably, it is about 5 mg / cm ⁇ 2>.
  • the powdered activated carbon which is a porous material used for the purpose of removing volatile organic compounds
  • a binder for binding the powdered activated carbon and the nonwoven fibers is required, and a solvent for dissolving the binder is also required.
  • most organic solvents have been adsorbed into pores of activated carbon, blocking pores and thus losing the adsorption capacity of volatile organic compounds.
  • the powdered activated carbon blended with a solution in which a binder is dissolved in a hydrophilic volatile organic solvent is filled between the pores of the nonwoven fabric, and then dried to a predetermined temperature.
  • a powder activated carbon impregnation process of impregnating the powder activated carbon into the voids is performed.
  • Methanol is not only a solvent of the binder but also a hydrophilic material and is not adsorbed into hydrophobic activated carbon pores.
  • methanol is all volatilized upon drying at about 80 ° C to 130 ° C, preferably at about 90 ° C to 110 ° C, and more preferably at about 100 ° C, only powdered activated carbon remains between the nonwoven fibers after thermal drying. .
  • the activated carbon impregnation amount (mg) per unit area (cm 2) of the nonwoven fabric is about 40 to about 50 mg / cm 2.
  • the cellulose blended with water may be further filled between the pores of the nonwoven fabric, followed by freezing and vacuum drying to impregnate the cellulose between the pores of the nonwoven fabric.
  • Nonwoven fabrics impregnated with powdered activated carbon and cellulose have the advantage of removing ultrafine particles of a finer size than the cellulose impregnated nonwoven fabrics.
  • FIG. 4 shows that the fine dust and BTEX-containing contaminated air pass through a nonwoven fabric, an air purification filter impregnated with cellulose, an air purification filter impregnated with powdered activated carbon, and an air purification filter impregnated with cellulose and powdered activated carbon. It is a schematic diagram showing that.
  • Dust of 10 ⁇ m or more is removed using a conventional nonwoven fabric, and fine dust of PM10 is removed by an air purification filter impregnated with cellulose.
  • PM2.5 and volatile organic compounds are air purification filters impregnated with cellulose and powdered activated carbon.
  • the volatile organic compound which is a gaseous substance that has not been removed from the air purification filter impregnated with cellulose and powdered activated carbon, was removed by an air purification filter impregnated with powdered activated carbon.
  • Example 1 cellulose Impregnated Air purification filter
  • a hydrophilic nonwoven fabric was applied to a 15 cm 2 x 5 mm nonwoven fabric made of synthetic fibers to form a hydrophilic nonwoven fabric, and a cellulose solution containing about 1 g of cellulose was added to about 1 liter of water, impregnated in the hydrophilic nonwoven fabric, and frozen at about -80 ° C. Vacuum drying to prepare an air purification filter impregnated with cellulose.
  • the cellulose used was pulverized cellulose pulp for making paper.
  • the amount of cellulose impregnation (mg) per unit area (cm 2) of the nonwoven fabric was about 5 mg / cm 2.
  • Example 2 powder activated carbon Impregnated Air purification filter
  • a hydrophilic coating was applied to a 15 cm 2 x 5 mm nonwoven fabric made of synthetic fibers to form a hydrophilic nonwoven fabric, and an activated carbon solution containing about 5 g of polyvinylacetate and about 10 g of powdered activated carbon was impregnated into the hydrophilic nonwoven fabric. And air dried at about 100 ° C. to produce an air purification filter impregnated with powdered activated carbon.
  • the activated carbon used was powdered activated carbon that passed through a 200 mesh sieve.
  • the air purifying filter impregnated with the powder activated carbon produced had a powder activated carbon impregnation amount (mg) per unit area (cm 2) of the nonwoven fabric, about 45 mg / cm 2.
  • Example 3 powdered activated carbon and cellulose Impregnated Air purification filter
  • the cellulose solution containing about 1 g of cellulose in about 1 liter of water was impregnated into the air purification filter impregnated with powdered activated carbon prepared in Example 2, and air was impregnated with powdered activated carbon and cellulose by freezing and vacuum drying at about -80 ° C. Purification filters were prepared.
  • PM10 and PM2.5 fine dust was injected into Japanese JIS standard dust, and BTX mixed gas was mixed with air at a concentration of 50 ppm in a 30atm cylinder.
  • the contaminated inlet air was transferred using a blower, and the nonwoven fabric size was 15 cm x 15 cm, and the thickness was about 5 mm.
  • the linear velocity (m 3 / m 2 ⁇ sec) of each nonwoven fabric was constantly operated at 2 m / sec.
  • Table 1 shows the results of experiments in which the cellulose-impregnated air purification filter prepared according to Example 1 and the ultrafine dust removal efficiency of the PM10 size of the conventional general nonwoven fabric of Comparative Example 1 were compared.
  • Conventional nonwoven fabrics have a very low removal efficiency of 11% to 39% due to the large voids between the nonwoven fibers.
  • 97% or more is excellent.
  • Table 2 shows the results of experiments on the removal efficiency of ultrafine dust and volatile organic compounds of BTEX of PM2.5 size of the air activated filter impregnated with powdered activated carbon and cellulose prepared according to Example 3. It shows that the efficiency and BTEX removal efficiency is more than 97%, and shows a lower emission concentration when additionally installed an air purification filter impregnated with powdered activated carbon prepared according to Example 2 for removal of unremoved BTEX. Therefore, the superiority of this invention can be confirmed.
  • the specific surface area of the powder activated carbon and the raw material powder activated carbon in the air filter impregnated with powder activated carbon prepared according to Example 2 was measured and compared.
  • Table 3 compares the specific surface areas of the powdered activated carbon and the raw powdered activated carbon after drying in a 100 ° C. drying furnace, and shows that the specific surface area showing adsorption capacity is restored to the level of the raw activated carbon even when a binder (PVA) is injected. Is showing.
  • Powdered activated carbon Specific surface area (m2 / g, BET basis)
  • Raw powder activated carbon 980 Activated carbon + methanol + PVA 100 °C drying 955

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Abstract

본 발명은 합성 섬유로 형성되고 공극을 갖는 부직포를 지지체로 사용하는 공기 정화필터의 제조방법으로서, 보다 구체적으로, 친수성 코팅제로 상기 부직포를 피막시키는 공정; 및 물과 배합한 셀룰로오스를 상기 공극사이에 채운 다음, 냉동·진공 건조시켜 상기 셀룰로오스를 상기 공극사이에 함침시키는 셀룰로오스 함침 공정과 친수성을 띄는 휘발성 유기 용매에 바인더를 용해시킨 용액과 배합한 분말 활성탄을 상기 공극사이에 채운 다음, 미리 결정된 온도로 건조시켜 상기 분말 활성탄을 상기 공극에 함침시키는 분말 활성탄 함침 공정 중 적어도 어느 한 공정을 포함하는 공기 정화필터의 제조방법에 관한 것이다.

Description

셀룰로오스 및/또는 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터의 제조 방법
본 발명은 공기정화 필터의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 셀룰로오스 및 분말 활성탄 중 적어도 어느 하나가 부직포 섬유의 공극사이에 함침된, 초미립자 여과 및/또는 휘발성 유기화합물 제거 효과가 우수한 공기정화 필터의 제조방법에 관한 것이다.
산업의 발달로 도시화 및 공업화가 심화됨에 따라, 자동차 배기가스 및 공장의 매연은 주거용 실내 생활공간뿐만 아니라 터널, 지하철 역사, 극장 등 다중 이용 시설에까지 영향을 미쳐서 대기 오염물질에 의한 건강의 위협은 점차적으로 사회적 문제로까지 대두되어 국민적 관심사가 되기에 이르렀다. 더욱이, 중국대륙에서 불어오는 황사 및 공해물질이 한반도로 이동하는 빈도수가 증가하여, 대한민국 전 지역은 미세먼지로 인한 대기오염이 가속화되고 있다.
대한민국의 미세먼지 문제는 미항공우주국(NASA)에서도 관심을 보여, 근년에 서해안 일대에 밀집하여 건설된 석탄계(coal base) 화력발전소의 배출가스가 한반도 상공의 미세먼지 농도를 더욱 가속화시키고 있다고 발표하기에 이르렀다. 이에 따라, 정부에서는 향후 화력발전소의 건설계획을 중단한 상태이며, 자동차 및 공장의 배기가스에 대한 규제기준을 점차 강화하고 있을 뿐만 아니라 조만간 대형 음식점에서 조리 후 발생하는 배기가스의 불연물까지도 규제 대상에 포함시킬 예정이다.
한편, 대기 중에 입자상 물질(PM, Particle Matter)이 부유하고 있는 상태를 일반적으로 에어로졸(aerosol)이라고 부르며, 통상 먼지라고 한다. 먼지의 입도 범위는 0.001 내지 1,000μm 정도이지만 50μm 이상의 먼지는 발생 즉시 침강하므로, 일반적으로 50μm 이하의 부유 먼지를 총 미세먼지(Total Suspended Particulates, TSP)라고 한다.
위와 같은 먼지에는 고체 입자뿐만 아니라 액체 입자도 분산되어 있는 상태이며, 특히 입자의 크기가 10μm 이상인 경우에는 도시 미관에 영향을 미치기는 하지만, 인체의 건강에는 영향이 적기 때문에, 최근에는 TSP에서 초미세먼지 기준을 PM10(10μm 크기 이하)으로 환경기준을 변경하였다. 대한민국은 1995년 환경정책기본법 환경기준에 PM10을 처음 적용하면서 ‘미세’라는 단어를 사용하고, 2015년 PM2.5를 추가하면서 ‘초’라는 말을 붙여 사용해 왔다.
이러한 미세먼지는 감기, 인·후두염, 미세기관지염 등의 호흡기 질환 및 아토피성 피부염과 같은 피부 관련 질환에 큰 영향을 주고 있다. 이에 따라 각종 대형 빌딩, 산업 현장은 물론 일반 가정에서도 공기를 정화하기 위한 각종 공기 정화기가 빠르게 보급되고 있으며, 외부 활동시 미세먼지 차단 마스크를 착용하는 것이 일상화되었다.
통상, 상기의 미세먼지 제거 방법의 일환으로 부직포 펠트(felt)를 재단하여 제작한 부직포 필터를 사용하여 왔다. 하지만, 부직포 필터는 10μm 크기 이상의 전처리용 필터(prefilter)로만 적용 가능하며, 최근 사회적 문제로 부각되고 있는 그 이하 크기의 초미세먼지인 PM10은 제거되기 어렵고, 발암성 원인 물질인 BTEX[벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 자일렌(xylene)] 등의 휘발성 유기화합물의 제거는 더욱 불가능하다.
이에 본 발명자는 종래의 부직포 필터의 미세먼지 제거 능력의 한계를 극복하기 위하여 부직포 필터의 섬유 사이 공극(porosity)을 다공성 물질로 채워서 통기성을 유지하면서 미세먼지가 걸리도록(trap)하고, 또한 공극 사이를 흡착물질로 채워서 휘발성 유기화합물을 제거할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 통기성을 유지하면서 미세먼지를 제거할 수 있는 공기정화 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 휘발성 유기화합물을 제거할 수 있는 공기정화 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 통기성을 유지하면서 미세먼지 및 휘발성 유기화합물을 제거할 수 있는 공기정화 필터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명은 합성 섬유로 형성되고 공극을 갖는 부직포를 지지체로 사용하는 공기 정화필터의 제조방법으로서, 친수성 코팅제로 상기 부직포를 피막시키는 공정; 및 물과 배합한 셀룰로오스를 상기 공극사이에 채운 다음, 냉동·진공 건조시켜 상기 셀룰로오스를 상기 공극사이에 함침시키는 셀룰로오스 함침 공정과 친수성을 띄는 휘발성 유기 용매에 바인더를 용해시킨 용액과 배합한 분말 활성탄을 상기 공극사이에 채운 다음, 미리 결정된 온도로 건조시켜 상기 분말 활성탄을 상기 공극에 함침시키는 분말 활성탄 함침 공정 중 적어도 어느 한 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 분말 활성탄 함침 공정후 상기 셀룰로오스 함침 공정을 추가로 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 합성섬유는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스테르 중에서 선택된 1종 이상의 화합물로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 친수성 코팅제는 실리콘 또는 티타늄을 함유하는 코팅제인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 냉동·진공 건조온도는 약 -70 내지 -90℃인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 셀룰로오스 함침공정 후의 부직포는 단위 면적(㎠) 당 셀룰로오스 함침량(㎎)이 약 4 내지 약 6㎎/㎠인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 친수성을 띄는 휘발성 유기 용매는 메탄올인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 미리 결정된 온도는 약 80℃ 내지 약 130℃인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 분말 활성탄 함침공정 후의 부직포는 단위 면적(㎠) 당 분말 활성탄 함침량(㎎)이 약 40 내지 약 50㎎/㎠인 것이 바람직하다.
본 발명은 통기성을 유지하면서 미세먼지, 휘발성 유기화합물 또는 이들 모두를 제거할 수 있는 공기정화 필터의 제조방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
도 1은 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터의 제조방법을 도시한 플로차트이다.
도 2는 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터의 제조방법을 도시한 플로차트이다.
도 3은 분말 활성탄 및 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터의 제조방법을 도시한 플로차트이다.
도 4는 미세먼지 및 BTEX 함유 오염공기가 부직포, 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터, 분말활성탄이 함침된 공기정화 필터 및 분말활성탄과 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터를 통과하면서, 미세먼지 및 BTEX가 제거되는 것을 나타내는 개략도이다.
본 발명은 부직포 필터의 섬유 사이 공극을 다공성 물질로 채워서 통기성을 유지하면서 미세먼지가 걸리도록(trap)하고, 또한 공극 사이를 흡착물질로 채워서 휘발성 유기화합물을 제거할 수 있는 공기정화 필터의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기정화 필터의 제조방법에 대하여 전체적인 과정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 합성 섬유로 형성되고 공극을 갖는 부직포를 지지체로 사용하는 공기 정화필터의 제조방법으로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 친수성 코팅제로 상기 부직포를 피막시키는 공정; 및 물과 배합한 셀룰로오스를 상기 공극사이에 채운 다음, 냉동·진공 건조시켜 상기 셀룰로오스를 상기 공극사이에 함침시키는 셀룰로오스 함침 공정과 친수성을 띄는 휘발성 유기 용매에 바인더를 용해시킨 용액과 배합한 분말 활성탄을 상기 공극사이에 채운 다음, 미리 결정된 온도로 건조시켜 상기 분말 활성탄을 상기 공극에 함침시키는 분말 활성탄 함침 공정 중 적어도 어느 한 공정을 포함한다.
일반적으로 부직포는 합성 섬유인 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리에스테르(polyester) 등의 필라멘트를 적층한 후, 반복적인 빗질을 수행하여 균일하게 펴고, 화학적 합성 바인더(binder)를 주입하고, 압착하여 제조된다. 합성 섬유로 형성된 부직포는 섬유와 섬유 사이의 연결성이 뛰어나며, 섬유 사이에는 공극이 조성되어 그 자체가 스캐폴드(scaffold)가 되어 별도의 지지체가 필요하지 않다.
합성 섬유 부직포는 폴리머 소재로서 대부분 물과의 친화력이 적은 소수성(hydrophobic)인 특징을 가진다. 따라서, 합성섬유로 형성된 소수성인 부직포 섬유의 공극 사이에 셀룰로오스 및/또는 분말 활성탄을 용이하게 안착시키기 위해서, 부직포를 친수성으로 전환시키는 공정이 필요하다. 따라서, 우선 친수성 기(OH-)를 가진 실리콘 또는 티타늄을 함유하는 코팅제로 부직포를 피막시키는 공정을 수행한다. 예컨대, 피막시키는 공정은 특별히 제한되지 않으나, 도포, 침적, 스프레이 등의 방식이 이용될 수 있다. 이후, 건조과정을 거쳐 친수성 피막을 부직포에 고착시킨다.
셀룰로오스는 천연 고분자 물질로, 닥나무, 볏짚, 면화, 나무, 식물 등에서 추출한 셀룰로오스 미세섬유(Cellulose microfibril)를 뜻한다. 셀룰로오스는 친수성(hydrophilic) 물질로서 수중에서 팽창성이 매우 크지만, 셀룰로오스 내의 팩틴(pectin) 및 리그닌(lignine)과 같은 성분으로 인해서 열 건조시 딱딱하게 굳어져서 부드러운 유연성이 사라지고 크기가 줄어드는 결점이 있다.
따라서, 셀룰로오스를 부직포 섬유 사이의 공극에 함침(impregnation) 시키기 위해서는 건조 후에도 수분 함유시의 팽창된 초기 외형 유지와 사이즈의 수축이 없으며, 동시에 유연성을 유지시킬 필요가 있다. 이를 위해서, 본 발명은 친수성 코팅제로 부직포를 피막시키는 공정 이후에, 물과 배합된 셀룰로오스를 상기 부직포 섬유의 공극사이에 채운 다음, 냉동·진공 건조시켜 상기 셀룰로오스를 상기 공극 사이에 함침시키는 셀룰로오스 함침 공정을 수행한다.
여기서 수분을 함유하여 팽창한 셀룰로오스는 냉동과정에서 부피가 더욱 팽창(체팽창)하여 부직포 섬유 사이에 안착되며, 진공을 이용한 건조과정에서 승화(sublimation)에 의해 모형의 변형 없이 부직포 섬유 사이에 안착될 수 있다. 또한, 체팽창된 상태로 부직포 섬유 사이에 안착된 셀룰로오스는 공기 정화 필터가 제조된 후에도, 유실되지 않는다는 장점이 있다.
친수성 코팅제로 피막이 형성된 부직포 섬유 사이에 셀룰로오스 섬유를 용이하게 함침시키기 위한 최적 배합비의 수행 예로서 약 1ℓ 물에 분쇄한 건조 셀룰로오스 약 0.5 내지 약 1.5g을 투입한 후 15cm x 15cm 크기의 부직포에 전량 여과시킨다. 그 후, 약 -70℃ 내지 약 -90℃에서 급냉시키고 진공에 의해서 건조시킨다. 바람직한 온도는 약 -75℃ 내지 약 -85℃이고, 더욱 바람직하게는 약 -80℃이다. 이때, 부직포 단위 면적(㎠) 당 셀룰로오스 함침량(㎎)은 약 4 내지 6㎎/㎠이다. 바람직하게는 약 4.5 내지 5.5㎎/㎠이고, 더욱 바람직하게는 약 5㎎/㎠이다.
한편, 휘발성 유기화합물 제거의 목적으로 사용되는 다공성 물질인 분말 활성탄을 부직포에 함침시키기 위해서는 분말 활성탄과 부직포 섬유를 결속시키기 위한 바인더(binder)가 필요하고, 바인더를 용해시키기 위한 용매(solvent)도 요구된다. 하지만, 대부분의 유기 용매는 활성탄의 세공(pore)에 흡착되어, 세공을 막아버려 정작 휘발성 유기화합물의 흡착 능력을 상실시키는 문제점이 있어 왔다.
따라서, 본 발명은 친수성 코팅제로 부직포를 피막시키는 공정 이후에, 친수성을 띄는 휘발성 유기 용매에 바인더를 용해시킨 용액과 배합한 분말 활성탄을 상기 부직포 섬유의 공극사이에 채운 다음, 미리 결정된 온도로 건조시켜 상기 분말 활성탄을 상기 공극에 함침시키는 분말 활성탄 함침 공정을 수행한다.
친수성을 띄는 휘발성 유기 용매로는 메탄올을 사용하는 것이 바람직하다.
메탄올은 바인더의 용매일 뿐만 아니라 친수성 물질이며 소수성인 활성탄 세공에 흡착되지 않는다. 또한, 약 80℃ 내지 130℃, 바람직하게는 약 90℃ 내지 110℃, 더욱 바람직하게는 약 100℃에서 건조시 메탄올은 모두 휘발되므로, 열 건조 과정을 거치면, 부직포 섬유 사이에는 분말 활성탄만 남게 된다. 또한, 상기 온도로 건조시 활성탄의 세공은 모두 개공되어, 분말 활성탄은 원래의 비표면적을 그대로 유지하게 된다.
부직포 섬유 사이에 분말 활성탄을 용이하게 함침시키기 위한 최적 배합비의 수행 예로서 약 1ℓ의 메탄올에 약 8~12g의 분말 활성탄(입자크기: 200 mesh 이하)을 투입하고 바인더제로 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate : PVA) 약 4~6g을 주입하여 혼합한 용액을 부직포에 여과시킨다. 그리고 함침시킨 부직포를 약 100℃의 건조로(drying oven)에서 건조시키면, 메탄올은 모두 휘발되고 부직포 섬유 사이에 분말 활성탄만 남게 된다. 이때, 부직포 단위 면적(㎠)당 활성탄 함침량(mg)은 약 40 내지 약 50㎎/㎠이다. 바람직하게는 약 42 내지 약 48㎎/㎠이고, 더욱 바람직하게는 약 45㎎/㎠이다.
한편, 초미세먼지 및 휘발성 유기화합물을 동시에 제거하는 공기정화 필터를 제조하기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이, 분말 활성탄 함침 공정 후 셀룰로오스 함침 공정을 추가로 수행할 수 있다.
구체적으로, 분말 활성탄 함침공정 후에 추가로 물과 배합한 셀룰로오스를 부직포 섬유의 공극 사이에 채운 다음, 냉동·진공 건조시켜 상기 셀룰로오스를 부직포 섬유의 공극 사이에 함침시키는 공정을 수행할 수 있다. 분말 활성탄 및 셀룰로오스가 함침된 부직포의 경우 셀룰로오스 함침 부직포보다 더 미세한 크기의 초미세먼지를 제거할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 공기정화 필터를 이용한 미세먼지 및 휘발성 유기화합물 제거 장치에 대하여 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 4는 미세먼지 및 BTEX 함유 오염공기가 부직포, 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터, 분말활성탄이 함침된 공기정화 필터 및 셀룰로오스와 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터를 통과하면서, 미세먼지 및 BTEX가 제거되는 것을 나타내는 개략도이다.
통상의 대기오염물질의 구성은 전술한 바와 같이 10㎛ 크기 이상의 분진, 초미세먼지인 PM10, PM2.5 그리고 휘발성 유기화합물 BTEX 등이며 각각에 대한 효과적인 제거를 위하여 다음과 같은 순서로 필터를 배열하였다.
10㎛ 크기 이상의 분진은 통상의 부직포를 이용하여 제거하고, PM10의 미세먼지 제거는 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터를 사용하였으며, PM2.5 및 휘발성 유기화합물은 셀룰로오스 및 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터를, 그리고 셀룰로오스 및 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터에서 미 제거된 가스 상 물질인 휘발성 유기화합물은 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터로 제거하였다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것으로, 본 발명의 보호범위는 실시예에 의해서 한정되지 않는다.
[ 실시예 ]
실시예 1: 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터
합성 섬유로 형성된 15㎠ x 5㎜ 부직포에 친수성 코팅제를 도포하여 친수성화 부직포로 만들고, 물 약 1리터에 셀룰로오스 약 1g을 배합한 셀룰로오스 용액을 상기 친수성화 부직포에 함침시키고, 약 -80℃에서 냉동·진공 건조시켜 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터를 제조하였다. 사용된 셀룰로오스는 한지 제작용 셀룰로오스 펄프를 분쇄하여 이용하였다. 제조된 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터는 부직포 단위 면적(㎠) 당 셀룰로오스 함침량(㎎)이 약 5㎎/㎠이었다.
실시예 2: 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터
합성 섬유로 형성된 15㎠ x 5㎜ 부직포에 친수성 코팅제를 도포하여 친수성화 부직포로 만들고, 메탄올 약 1리터에 폴리비닐아세테이트 약 5g 및 분말 활성탄 약 10g을 배합한 활성탄 용액을 상기 친수성화 부직포에 함침시키고, 약 100℃에서 열 건조시켜 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터를 제조하였다. 사용된 활성탄은 200 mesh 체(sieve)를 통과한 분말 활성탄을 사용하였다. 제조된 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터는 부직포 단위 면적(㎠) 당 분말 활성탄 함침량(㎎)이 약 45㎎/㎠이었다.
실시예 3: 분말 활성탄 및 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터
물 약 1리터에 셀룰로오스 약 1g을 배합한 셀룰로오스 용액을 실시예 2에서 제조된 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터에 함침시키고, 약 -80℃에서 냉동·진공 건조시켜 분말 활성탄 및 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터를 제조하였다.
비교예 1
삼성부직포에서 제조한 제품명이 11280 ST-110W(건조기)인 일반 부직포를 사용하였다.
시험예 1
PM10, PM2.5 미세먼지는 일본 JIS 표준먼지를, 그리고 BTX 혼합가스는 30atm의 봄베에서 50ppm으로 압축한 표준가스를 공기와 혼합하여 희석시킨 농도로 주입하였다. 오염된 유입공기는 송풍기를 이용하여 이송하고, 부직포 사이즈는 15cm x 15cm 이고, 두께는 약 5mm였으며, 각각의 부직포에서 선속도(㎥/㎡·sec)는 2m/sec로 일정하게 운전하였다.
하기 [표1]은 실시예 1에 따라 제조된 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터와 비교예 1의 통상의 일반 부직포의 PM10 사이즈의 초미세먼지 제거 효율을 비교한 실험 결과를 나타낸 것이다. 통상의 일반 부직포는 부직포 섬유 사이의 거대 공극으로 인하여 제거효율이 11%~39%로 매우 낮았으나, 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터의 경우는 97% 이상으로 매우 우수함을 보여주고 있다.
운전시간(시간) 부직포 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터
유입 분진 농도 (PM10.㎍/㎥) 유출 분진 농도 (PM10.㎍/㎥) 제거 효율 (%) 유입 분진 농도 (PM10.㎍/㎥) 유출 분진 농도 (PM10.㎍/㎥) 제거 효율(%)
0.5 950 850 11 850 20 98
1.0 980 780 20 780 15 98
1.5 860 740 14 740 23 97
2.0 940 680 28 680 12 98
2.5 980 660 33 660 15 98
3.0 970 590 39 590 12 98
3.5 880 585 34 585 11 98
하기 [표2]는 실시예 3에 따라 제조된 분말 활성탄 및 셀룰로오스가 함침된 공기정화 필터의 PM2.5 사이즈의 초미세먼지 및 휘발성 유기화합물인 BTEX 제거효율을 실험한 결과로서, 초미세먼지 제거효율 및 BTEX 제거효율이 97% 이상인 것을 보여주고, 미 제거된 BTEX의 제거를 위하여 실시예 2에 따라 제조된 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터를 추가로 설치한 경우에는 더욱 낮은 배출농도를 보여주고 있어서 본 발명의 우수성을 확인할 수 있다.
Figure PCTKR2017011934-appb-T000001
시험예 2
실시예 2에 따라 제조된 분말 활성탄이 함침된 공기정화 필터에서의 분말 활성탄과 원료 분말 활성탄의 비표면적을 측정하여 비교하였다.
하기 [표3]은 100℃ 건조로에서 건조후의 분말 활성탄과 원료 분말 활성탄과의 비표면적을 측정하여 비교한 것으로, 바인더(PVA)를 주입하여도 흡착능력을 나타내는 비표면적이 원료 활성탄 수준으로 회복되었음을 보여주고 있다.
분말 활성탄 비표면적(㎡/g, BET 기준)
원료 분말 활성탄 980
원료활성탄 + 메탄올 + PVA 100℃ 건조 955

Claims (9)

  1. 합성 섬유로 형성되고 공극을 갖는 부직포를 지지체로 사용하는 공기 정화필터의 제조방법으로서,
    친수성 코팅제로 상기 부직포를 피막시키는 공정; 및
    물과 배합한 셀룰로오스를 상기 공극사이에 채운 다음, 냉동·진공 건조시켜 상기 셀룰로오스를 상기 공극사이에 함침시키는 셀룰로오스 함침 공정과
    친수성을 띄는 휘발성 유기 용매에 바인더를 용해시킨 용액과 배합한 분말 활성탄을 상기 공극사이에 채운 다음, 미리 결정된 온도로 건조시켜 상기 분말 활성탄을 상기 공극에 함침시키는 분말 활성탄 함침 공정 중 적어도 어느 한 공정을 포함하는, 공기정화 필터의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분말 활성탄 함침 공정후 상기 셀룰로오스 함침 공정을 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 공기정화 필터의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 합성섬유는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리에스테르 중에서 선택된 1종 이상의 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기정화 필터의 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 친수성 코팅제는 실리콘 또는 티타늄을 함유하는 코팅제인 것을 특징으로 하는 공기정화 필터의 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 냉동·진공 건조온도는 -70℃ 내지 -90℃ 인 것을 특징으로 하는 공기정화 필터의 제조방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 셀룰로오스 함침공정 후의 부직포는 단위 면적(㎠) 당 셀룰로오스 함침량(㎎)이 4 내지 6㎎/㎠인 것을 특징으로 하는 공기정화 필터의 제조방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 친수성을 띄는 휘발성 유기 용매는 메탄올인 것을 특징으로 하는 공기정화 필터의 제조방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미리 결정된 온도는 80℃ 내지 130℃인 것을 특징으로 하는 공기정화 필터의 제조방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분말 활성탄 함침공정 후의 부직포는 단위 면적(㎠) 당 분말 활성탄 함침량(㎎)이 40 내지 50㎎/㎠인 것을 특징으로 하는 공기정화 필터의 제조방법.
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