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KR101936352B1 - 흡착식 액체필터 - Google Patents

흡착식 액체필터 Download PDF

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KR101936352B1
KR101936352B1 KR1020150077318A KR20150077318A KR101936352B1 KR 101936352 B1 KR101936352 B1 KR 101936352B1 KR 1020150077318 A KR1020150077318 A KR 1020150077318A KR 20150077318 A KR20150077318 A KR 20150077318A KR 101936352 B1 KR101936352 B1 KR 101936352B1
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서인용
정의영
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주식회사 아모그린텍
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Abstract

본 발명은 흡착식 액체필터에 관한 것으로, 흡착식 액체필터는 관 형상의 중공부가 형성되어 있고, 외주면에서 상기 중공부로 관통된 다수의 관통홀이 형성되어 있는 지지 튜브; 및 상기 지지 튜브의 상기 외주면에 감싸져 있고, 오염된 액체에 포함된 이물질을 흡착하는 흡착 멤브레인;을 포함하며, 상기 흡착 멤브레인은 다수의 제1기공이 구비된 지지부재; 및 상기 지지부재에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제1흡착부재;를 포함한다.

Description

흡착식 액체필터{Adsorption type liquid filter}
본 발명은 액체필터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 액체의 통과 유량을 극대화시킬 수 있고, 오염된 액체의 정화 성능을 향상시킬 수 있는 흡착식 액체필터에 관한 것이다.
최근, 산업의 발달과 더불어 발생되는 각종 쓰레기로부터 침출수가 지하로 스며들고, 오염된 공기가 빗물과 함께 낙하한 뒤 지하로 스며들어 물의 오염이 매우 심각한 환경문제가 인간의 건강한 삶을 훼손시키고 있다.
이러한 물의 오염에 의한 환경문제를 해결하기 위하여 폐수의 재활용, 가정용 식수 정화, 화학 물질 처리 등 다양한 해결 방안이 모색되고 있으며, 오염된 물을 실질적으로 정화시키기 위한 액체 처리용 필터에 대한 다각적인 연구가 이루어지고 있다.
액체 처리용 필터는 단순 여과처리와 흡착 여과처리로 구분된다. 필터내로 유입되는 액체의 방향에 따라 상부에서 하부로 흐르는 하향류 방식과 하부에서 상부로 흐르는 상향류 방식으로 분류되고, 압력여부에 따라 중력식과 압력식으로 구분할 수 있다.
이중 액체 처리용 필터의 일종인 카트리지 형태의 액체필터는 가정용 및 산업용으로 활용도가 높아 사용이 점점 증가되고 있으나, 액체에 포함되어 있는 다양한 미생물, 각종 중금속 및 화학물질 등을 높은 효율로 제거할 수 있는 우수한 성능이 절실하게 요구되고 있다.
한편, 멤브레인은 액체 처리용 필터의 분리막으로 사용되고 있으며, 멤브레인 막을 통하여 물속의 다른 불순물을 필터링한다.
이런 멤브레인의 일종인 고분자 멤브레인은 적당한 고분자와 용매를 선택하여 고분자 용액을 만들고, 이를 캐스팅하여 얇은 시트로 형성시킨 후, 이를 고체상으로 침적시켜서 제조하여 액체 여과 용도로 사용하고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0005479호에는 공극률 20 내지 40%인 중밀도의 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹과 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 지지체 없이 내부코어인 심층부; 공극률이 10 내지 30%인 고밀도의 나노 부직포웹과 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 입자 제거성능이 우수한 중층부; 및 공극률이 40 내지 60%인 저밀도의 폴리프로필렌 멜트블론 부직포웹과 폴리프로필렌/폴리에틸렌 심초형 부직포웹을 이용하여 열을 가하면서 외층부;를 포함한 원통형 카트리지 필터가 개시되어 부직포웹에 의해 강도가 우수하고 정제된 여과수의 통수가 원활한 장점은 있으나, 부직포의 기공 사이즈가 커서 초미세 사이즈의 이물질은 여과하기 못하고, 이온성 이물질을 여과하지 못하는 단점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0077266호에는 섬도 50㎛ 이하의 열가소성 고분자 나노섬유 집합체로 구성되며, 나노섬유 집합체가 가교되어 기공 크기가 0.002 내지 3㎛인 다공성 부직포 기재를 포함하는 다공성 지지체; 및 상기 다공성 지지체 위에 적층되는 비대칭막을 포함하는 것을 특징으로 하는 여과용 멤브레인이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 여과용 멤브레인에서 다공성 지지체는 강도를 유지하면서 다공성을 가지는 부직포웹이고, 비대칭막은 물은 통과시키지만 이온을 통과시키지 못하게 하는 역삼투막이므로, 부직포웹 단독으로는 물속에 포함된 기공의 크기보다 큰 입자를 여과시키는 기능만 수행하여, 이온을 여과하기 위하여 적층된 역삼투막이 필요하다.
그러므로, 한국 공개특허공보 제10-2012-0077266호의 여과용 멤브레인은 두께가 두껍고, 많은 제조 비용이 소요되는 문제점이 있으며, 친수성이 우수하지 않아 통과 유량을 증가시키는데 한계가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0005479호 한국 공개특허공보 제10-2012-0077266호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 액체의 통과 유량을 극대화시킬 수 있고, 이물질의 여과 성능을 향상시킬 수 있는 흡착식 액체필터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이온성 이물질 및 초미세 크기의 이물질을 흡착할 수 있는 흡착 멤브레인을 필터에 내장하여, 오염된 액체의 정화 성능을 향상시킬 수 있는 흡착식 액체필터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 항균 물질이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재를 포함시키거나, 또는 멤브레인에 은사 박음질을 수행하여 우수한 항균 특성을 얻을 수 있는 흡착식 액체필터를 제공하는데 있다.
상술된 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 의한 흡착식 액체필터는, 관 형상의 중공부가 형성되어 있고, 외주면에서 상기 중공부로 관통된 다수의 관통홀이 형성되어 있는 지지 튜브; 및 상기 지지 튜브의 상기 외주면에 감싸져 있고, 오염된 액체에 포함된 이물질을 흡착하는 흡착 멤브레인;을 포함하며, 상기 흡착 멤브레인은 다수의 제1기공이 구비된 지지부재; 및 상기 지지부재에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제1흡착부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 지지 튜브의 일측은 개방되고, 상기 지지 튜브의 타측은 폐색되어 상기 중공부로 공급되는 정화된 액체는 상기 지지 튜브의 일측으로 배출되도록 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 흡착 멤브레인의 외주면으로부터 이격되어 상기 흡착 멤브레인을 내장하고, 상기 오염된 액체가 투입되는 투입구가 형성된 케이스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 지지 튜브의 일측에 고정되고, 상기 중공부와 연통되는 배출구가 형성된 제1앤드캡; 및 상기 지지 튜브의 타측에 고정된 평판 형상의 제2앤드캡;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 흡착 멤브레인은 주름이 형성된 주름형 구조이고, 상기 지지 튜브의 외주면에 상기 흡착 멤브레인의 주름에 맞물리는 돌기가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 지지부재는 부직포 또는 직포일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 제1기공 사이즈는 상기 제2기공 사이즈보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 이온 교환 나노 섬유는 양이온 교환 나노 섬유 또는 음이온 교환 나노 섬유이고, 상기 제1흡착부재에 적층되고, 다수의 제3기공이 형성되어 있으며 상기 이온 교환 나노 섬유와 반대 극성의 이온을 교환하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제3흡착부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 흡착부재에 적층되며, 다수의 기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 작용기가 부착되어 있는 도파민이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 나노 섬유 웹을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 나노 섬유 웹은 상기 도파민, 용매 및 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사되어 만들어진 웹에 UV조사, 플라즈마 처리, 산처리 및 염기처리 중 하나에 의하여 작용기가 상기 도파민에 작용기가 부착되어 있는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 작용기는 음전하 작용기 또는 양전하 작용기일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 흡착 멤브레인은, 관 형상의 중공부가 형성되어 있고, 외주면에서 상기 중공부로 관통된 다수의 관통홀이 형성되어 있는 지지 튜브; 및 상기 지지 튜브의 상기 외주면에 감싸져 있고, 오염된 액체에 포함된 이물질을 흡착하는 흡착 멤브레인;을 포함하며, 상기 오염된 액체가 상기 흡착 멤브레인을 통과하여 정화되고, 상기 정화된 액체가 상기 지지 튜브의 다수의 관통홀을 통하여 상기 중공부로 공급되도록 구성되며, 상기 흡착 멤브레인은 다수의 제1기공이 구비된 지지부재; 상기 지지부재 상면에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제1흡착부재; 및 상기 제1흡착부재 상면에 적층되고, 다수의 제3기공이 형성되어 있으며 항균 물질이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제2흡착부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제2 및 제3기공 사이즈는 제1기공 사이즈보다 작으며, 상기 항균 물질은 은나노 물질일 수 있고, 상기 제2흡착부재는, 상기 은나노 물질, 섬유 성형성 고분자 물질과 함께 유기 용매에 용해하여 제조된 방사용액이 전기방사되어 형성된 나노섬유 웹 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 흡착 멤브레인에서, 상기 흡착 멤브레인은 주름이 형성된 주름형 구조이고, 상기 지지 튜브의 외주면에 상기 흡착 멤브레인의 주름에 맞물리는 돌기가 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 다수의 관통홀이 형성된 지지 튜브의 외주면에 흡착 멤브레인이 감싸여 있고 흡착 멤브레인에서 정화된 액체가 관통홀을 통하여 지지 튜브의 중공부로 흐르는 액체필터 구조를 구성하여, 오염된 액체가 통과되는 흡착 멤브레인의 면적을 증가시켜 이물질의 흡착 효율을 향상시키고 하나의 배출구로 정화된 액체를 배출시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, 주름형 구조의 흡착 멤브레인 및 흡착 멤브레인의 주름에 맞물리는 돌기가 형성된 지지 튜브로 단위 면적당 액체가 접촉되는 면적을 증가시켜 액체의 통과 유량을 극대화시킬 수 있고, 이물질의 흡착 성능을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.
본 발명에 의하면, 흡착부재의 이온 교환 나노 섬유에서 이온성 이물질을 흡착하고, 지지부재의 기공 및 흡착부재의 기공에서 기공 사이즈보다 큰 사이즈를 가지는 이물질을 물리적으로 여과하여 이물질의 흡착 효율을 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.
본 발명에 의하면, 나노 섬유에 의해 만들어진 다수의 기공이 구비된 흡착부재를 다수의 기공을 가지는 지지부재에 적층하여 멤브레인을 구현됨으로써, 통과 유량을 보존하면서 흡착 성능을 우수하게 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 멤브레인에 포함된 작용기가 부착된 도파민이 함유된 나노 섬유가 축적된 나노 섬유 웹에 의해, 통과되는 액체에 포함된 중금속, 박테리아 및 바이러스를 흡착시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 다수의 기공이 형성되어 있으며 항균 물질이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재를 멤브레인이 포함하거나, 또는 멤브레인에 은사 박음질이 되어 있어, 항균 특성을 우수하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 흡착식 액체필터의 기본 구조를 설명하기 위한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 흡착식 액체필터에서 액체의 흐름을 설명하기 위한 모식적인 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 흡착식 액체필터의 흡착 멤브레인 양면에 보강 메쉬가 형성된 상태의 모식적인 단면도,
도 4는 본 발명에 따라 주름형 구조의 흡착 멤브레인을 설명하기 위한 모식적인 일부 단면도,
도 5는 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제1실시예에 따른 흡착 멤브레인의 단면도,
도 6은 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 흡착부재에 이물질이 흡착되는 원리를 설명하는 모식적인 도면,
도 7은 본 발명에 따라 지지부재에 전기방사하여 이온 교환 나노 섬유를 축적하는 상태를 모식적으로 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제2실시예에 따른 흡착 멤브레인의 단면도,
도 9는 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제3실시예에 따른 흡착 멤브레인의 단면도,
도 10은 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제4실시예에 따른 흡착 멤브레인의 단면도,
도 11은 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제5실시예에 따른 흡착 멤브레인의 단면도,
도 12는 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 흡착 멤브레인에 은사 박음질이 된 상태를 설명하는 모식적인 평면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
본 발명에서는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재를 포함하고 있는 흡착 멤브레인이 내장된 흡착식 액체필터를 구현하여, 오염된 액체에 포함된 이온성 이물질을 이온 교환 나노 섬유에서 흡착하고, 흡착부재의 다수의 기공에서 기공 사이즈보다 큰 사이즈의 이물질을 물리적으로 여과할 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 흡착식 액체필터의 기본 구조는 관 형상의 중공부(710)가 형성되어 있고, 외주면에서 상기 중공부(710)로 관통된 다수의 관통홀(701)이 형성되어 있는 지지 튜브(700); 및 상기 지지 튜브(700)의 상기 외주면에 감싸져 있고, 오염된 액체에 포함된 이물질을 흡착하는 흡착 멤브레인(100);을 포함하며, 상기 오염된 액체가 상기 흡착 멤브레인(100)을 통과하여 정화되고, 상기 정화된 액체가 상기 지지 튜브(700)의 다수의 관통홀(701)을 통하여 상기 중공부(710)로 흐르는 구조를 갖는다.
이때, 지지 튜브(700)는 장방형 구조일 수 있고, 지지 튜브(700)의 일측은 개방되고, 타측은 폐색되어 중공부(710)로 공급되는 정화된 액체는 지지 튜브(700)의 일측으로 배출되도록 구성할 수 있다.
흡착 멤브레인(100)은 후술된 바와 같이 다수의 기공이 가지는 지지부재 및 다수의 기공이 형성되어 있고 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재를 포함하여 구성되어 있으므로, 흡착 멤브레인(100)을 통과하는 액체에서 중금속과 같은 이온성 이물질과 사이즈가 큰 이물질을 흡착할 수 있다.
본 발명에서는 도 1의 흡착식 액체필터의 기본 구조에 다양한 기능을 부여할 수 있는 구성, 또는 기능을 보완할 수 있는 구성을 부가할 수 있다.
즉, 도 2를 참고하면, 오염된 액체가 흡착 멤브레인(100)으로 균일하고 원활하게 공급되도록, 소정 공간(755)을 형성하며 흡착 멤브레인(100)을 내장하는 케이스(750)를 마련할 수 있다. 이때, 케이스(750)는 흡착 멤브레인(100)의 외주면으로부터 이격되어 있어, 케이스(750)와 흡착 멤브레인(100) 사이에 공간(755)이 형성된다.
그리고, 케이스(750)에 오염된 액체가 투입되는 투입구(751)가 형성되어 있으며, 이 투입구(751)로 투입된 오염된 액체는 공간(755)을 채우면서 흡착 멤브레인(100)의 외주면으로 침투된다. 그러므로, 오염된 액체가 흡착 멤브레인(100)의 외주면 전체로 실질적으로 균일하게 유입될 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에서는 지지 튜브(700)의 중공부(710)와 연통되는 배출구(721)가 형성된 제1앤드캡(720)을 지지 튜브(700)의 일측에 고정시키고, 평판 형상의 제2앤드캡(730)을 지지 튜브(700)의 타측에 고정시킬 수 있다.
따라서, 지지 튜브(700)의 일측은 제1앤드캡(720)에 의해 개방되고, 지지 튜브(700)의 타측은 제2앤드캡(730)에 의하여 폐색됨으로써, 흡착 멤브레인(100)을 통과하여 정화된 액체는 지지 튜브(700)의 다수의 관통홀(701)을 통하여 중공부(710)로 빠져나오고, 중공부(710)에서 제1앤드캡(720)의 배출구(721)로 배출된다.
이와 같이, 본 발명은 다수의 관통홀이 형성된 지지 튜브의 외주면에 흡착 멤브레인을 감싸서, 흡착 멤브레인에서 정화된 액체를 관통홀을 통하여 지지 튜브의 중공부로 흐르게 함으로써, 오염된 액체가 통과되는 흡착 멤브레인의 면적을 증가시켜 이물질의 흡착 효율을 향상시키고, 하나의 배출구로 정화된 액체를 배출시킬 수 있는 흡착식 액체필터를 구현할 수 있는 것이다.
도 3을 참고하면, 본 발명에서는 흡착식 액체필터의 흡착 멤브레인 양면에 보강 메쉬(781,782)을 적층할 수 있다. 이 보강 메쉬(781,782)는 액체의 속도 및 유량에 의해 흡착 멤브레인에 변형 및 손상되는 것을 방지하기 위해 설치된다.
보강 메쉬(781,782)는 섬유, 플라스틱, 금속 등 다양한 재료로 구현할 수 있고, 균일하게 액체가 흐를 수 있도록 망상 구조로 구현된다.
한편, 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 흡착 멤브레인(100)을 주름형 구조로 형성하고, 지지 튜브(700)의 외주면에 흡착 멤브레인(100)의 주름에 맞물리는 돌기(700a)을 형성할 수 있다.
이와 같이, 주름형 구조로 흡착 멤브레인(100)이 형성되어 있는 경우, 단위 면적당 액체가 접촉되어 통과되는 면적이 증가되어 흡착 멤브레인(100)에서 액체를 정화시킬 수 있는 성능을 우수하게 할 수 있고, 통과 유량을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제1실시예에 따른 흡착 멤브레인(100)은 다수의 제1기공이 구비된 지지부재(110); 및 상기 지지부재(110)에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재(120);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
이러한 흡착 멤브레인(100)은 흡착부재(120)의 이온 교환 나노 섬유에서 이온성 이물질을 흡착하고, 지지부재(110)의 제1기공 및 흡착부재(120)의 제2기공에서 기공 사이즈보다 큰 사이즈를 가지는 이물질을 물리적으로 여과하여 이물질의 흡착 효율을 향상시킨다.
즉, 흡착 멤브레인(100)으로 액체가 통과될 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 액체에 포함된 이온성 이물질(A)은 흡착부재(120)의 이온 교환 나노 섬유(121)에서 흡착되고, 액체에 포함된 큰 사이즈의 이물질(B)은 흡착부재(120)의 제2기공(122)을 통과하지 못하기에 흡착부재(120) 내부에 갇히게 되어, 흡착 멤브레인(100) 내부에 이물질(A,B)이 흡착 상태(이물질이 빠져나가지 못하고 내부에 붙어있는 상태)로 구속되어 있으므로, 본 발명의 흡착 멤브레인(100)의 흡착 성능을 증가시킬 수 있는 것이다.
여기서, 흡착부재(120)의 제2기공(122)은 미세 기공으로 액체에 포함된 나노 단위의 미세 오염 물질을 흡착하여 여과할 수 있게 한다.
따라서, 본 발명의 흡착 멤브레인은 무기공성의 막구조가 아니고, 나노 섬유에 의해 만들어진 다수의 기공이 구비된 흡착부재를 다수의 기공을 가지는 지지부재에 적층하여 구현됨으로써, 통과 유량을 보존하면서 여과 성능을 우수하게 할 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 발명에서는 액체에 포함된 큰 사이즈의 이물질(B)은 지지부재(110)의 제1기공에서도 통과되지 못해 여과한다. 이때, 지지부재(110)의 제1기공 사이즈는 흡착부재(120)의 제2기공(122) 사이즈보다 큰 것이 바람직하다.
이러한 지지부재(110)는 구비된 다수의 제1기공에 의해 액체를 통과시킬 수 있는 통로 역할을 수행하고, 흡착부재(120)가 평판 형태를 유지할 수 있도록 지지하는 지지층 역할을 수행한다. 여기서, 지지부재(110)는 부직포 또는 직포인 것이 바람직하다.
사용 가능한 부직포는 멜트 블로운(melt-blown) 부직포, 스펀 본드(spun bond) 부직포, 서멀 본드 부직포, 케미컬 본드 부직포, 웨트 레이드(wet-laid) 부직포 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 부직포의 섬경은 40-50㎛이고, 기공 사이즈는 100㎛ 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재(120)가 취급성과 강도가 열악하기 때문에, 흡착부재(120)와 지지부재(110)를 적층하여 우수한 취급성과 강도를 가지는 흡착 멤브레인을 구현할 수 있다.
한편, 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재(120)가 고가인 관계로 단독의 흡착부재(120)만으로 본 발명의 흡착 멤브레인을 구현하는 경우, 많은 제조 비용이 소요된다. 그러므로, 본 발명에서는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재(120)보다 월등히 저렴한 지지부재를 흡착부재(120)와 적층하여 제조 비용을 절감할 수 있다. 이때, 고가의 흡착부재(120)의 두께는 얇게, 저가의 지지부재(110)의 두께는 두껍해 설계하여, 제조 비용을 저비용으로 최적화시킬 수 있다.
본 발명에서는 이온 교환 용액을 전기방사하여 이온 교환 나노 섬유를 지지부재로 방출시키고, 방출된 이온 교환 나노 섬유를 지지부재(110)에 축적시켜 흡착부재(120)를 제조할 수 있다.
이온 교환 용액은 고분자, 용매와 이온 교환 작용기가 괴상 중합과 같은 합성 공정에 의해 합성된 용액으로 정의될 수 있다.
이온 교환 작용기는 이온 교환 나노 섬유에 함유되어 있으므로, 흡착 멤브레인(100)으로 통과되는 액체에 포함된 중금속과 같은 이온성 이물질은 치환에 의해 이온 교환 작용기에 흡착된다. 결국, 이온 교환 작용기에 의해 이온성 이물질이 이온 교환 나노 섬유에 흡착되는 것이다.
예컨대, 이온 교환 작용기가 SO3H, NH4CH3 인 경우, 수분에 포함된 이온성 이물질(이온 상태의 중금속 양이온 또는 중금속 음이온)이 H+, CH3 +와 치환되어 이온 교환 작용기에 흡착된다.
여기서, 이온 교환 작용기는 술폰산기, 인산기, 포스포닉기, 포스피닉기, 카르복실산기, 아소닉기, 셀리노닉기, 이미노디아세트산기 및 인산에스테르기에서 선택되는 양이온 교환 작용기; 또는 4급 암모늄기, 3급 아미노기, 1급 아미노기, 이민기, 3급 술포늄기, 포스포늄기, 피리딜기, 카바졸릴기 및 이미다졸릴기에서 선택되는 음이온 교환 작용기이다.
여기서, 고분자는 전기방사가 가능한 것으로, 전기방사를 위해 유기용매에 용해될 수 있고, 전기방사에 의해 나노 섬유를 형성할 수 있는 수지이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리(비닐리덴플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌), 퍼풀루오로폴리머, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 또는 이들의 공중합체, 폴리에틸렌글리콜 디알킬에테르 및 폴리에틸렌글리콜 디알킬에스터를 포함하는 폴리에틸렌글리콜 유도체, 폴리(옥시메틸렌-올리 고-옥시에틸렌), 폴리에틸렌옥사이드 및 폴리프로필렌옥사이드를 포함하는 폴리옥사이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리(비닐피롤리돈-비닐아세테이트), 폴리스티렌 및 폴리스티렌 아크릴로니트릴 공중합체, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아크릴로니트릴 메틸메타크릴레이트 공중합체를 포함하는 폴리아크릴로니트릴 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트 공중합체 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
또한, 사용 가능한 고분자는 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리아마이드이미드, 폴리(메타-페닐렌 이소프탈아미이드), 폴리설폰, 폴리에테르케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌텔레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 등과 같은 방향족 폴리에스터, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리디페녹시포스파젠, 폴리{비스[2-(2-메톡시에톡시)포스파젠]} 같은 폴리포스파젠류, 폴리우레탄 및 폴리에테르우레탄을 포함하는 폴리우레탄공중합체, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트 등이 있다.
본 발명에서 흡착부재로 바람직한 고분자는 PAN, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF), 폴리에스테르 설폰(PES: Polyester Sulfone), 폴리스티렌(PS)를 단독으로 사용하거나, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)와 폴리아크릴로니트릴(PAN)을 혼합하거나, PVdF와 PES, PVdF와 열가소성 폴리우레탄(TPU: Thermoplastic Polyurethane)을 혼합하여 사용할 수 있다.
용매는 단성분계 용매, 예를 들면, 다이메틸포름아마이드(DMF: dimethylformamide)를 사용하는 것도 가능하나, 2성분계 용매를 사용하는 경우는 비등점(BP: boiling point)이 높은 것과 낮은 것을 혼합한 2성분계 용매를 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 지지부재(110)에 이온 교환 나노 섬유가 축적된 흡착부재(120)는 무질서하게 축적된 이온 교환 나노 섬유 사이에 다수의 초미세 기공(즉, 제2기공)이 형성된다.
그리고, 이온 교환 나노 섬유의 직경은 0.1~10.0um 범위로 하는 것이 바람직하며, 흡착부재(120)는 전기 방사장치에서 방사되는 시간에 따라 두께가 자유롭게 조절되고, 흡착부재(120)의 두께에 따라 제2기공 사이즈가 결정된다.
그리고, 이온 교환 나노 섬유는 표면에 이온 교환능이 있는 이온 교환 작용기를 가지고 있는 것으로 정의할 수 있으며, 이온 교환 작용기에서 교환하는 이온에 따라 이온 교환 나노 섬유는 양이온 교환 나노 섬유 또는 음이온 교환 나노 섬유일 수 있다.
이온 교환 나노 섬유가 축적되어 형성된 흡착부재(120)는 이온 교환 나노 섬유의 웹 구조가 되고, 이 웹은 초박막, 초경량으로서, 비표면적이 크고, 높은 기공도를 가진다.
그리고, 본 발명에서는 전기방사하여 이온 교환 나노 섬유를 지지부재(110)에 축적시켜 흡착부재(120)를 형성함으로써, 지지부재(110)와 흡착부재(120)의 결합력을 증가시켜 외력에 의하여 흡착부재(120)가 지지부재(110)로부터 박리되는 것을 방지할 수 있는 잇점이 있다.
즉, 도 7과 같이, 전기방사장치의 방사노즐(210)에서 토출된 이온 교환 나노 섬유(121)는 지지부재(110)에 적층되고, 이 적층된 이온 교환 나노 섬유(121)가 축적되어 웹 형태의 흡착부재(120)가 형성된다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제2 내지 제5실시예에 따른 흡착 멤브레인의 단면도이다.
도 8을 참고하면, 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제2실시예에 따른 흡착 멤브레인은 다수의 제1기공이 구비된 지지부재(110); 상기 지지부재(110) 상면에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제1흡착부재(120a); 및 상기 지지부재(110) 하면에 적층되고, 다수의 제3기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제2흡착부재(120b);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
제2실시예에 따른 흡착 멤브레인은 지지부재(110)의 양면에 제1 및 제2흡착부재(120a,120b)가 적층되어 있어, 제1흡착부재(120a)에서 흡착되지 못한 이온성 이물질 및 제3기공 사이즈보다 큰 사이즈의 이물질을 제2흡착부재(120b)에서 흡착시킬 수 있으므로, 이물질의 흡착 효율을 증대시킬 수 있는 구조이다.
여기서, 제1기공 사이즈를 가장 크게 설계하고, 제2기공 사이즈를 중간 크기로 설계하고, 제3기공 사이즈를 가장 작게 설계할 수 있다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제3실시예에 따른 흡착 멤브레인은 다수의 제1기공이 구비된 지지부재(110); 상기 지지부재(110) 상면에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 제1이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제1흡착부재(120c); 및 상기 제1흡착부재(120c) 상면에 적층되고, 다수의 제3기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 제2이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제2흡착부재(120d);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
제1흡착부재(120c)의 제1이온 교환 나노 섬유는 양이온 교환 나노 섬유 또는 음이온 교환 나노 섬유일 수 있고, 제2흡착부재(120d)의 제2이온 교환 나노 섬유는 제1이온 교환 나노 섬유와 반대 극성의 이온을 교환하는 나노 섬유일 수 있다. 즉, 제1이온 교환 나노 섬유가 양이온 교환 나노 섬유인 경우, 제2이온 교환 나노 섬유는 음이온 교환 나노 섬유이다.
그러므로, 제3실시예의 흡착 멤브레인은 통과되는 액체에 포함된 양이온 중금속 및 음이온 중금속을 제1 및 제2흡착부재(120c,120d)에서 모두 흡착할 수 있는 장점이 있다.
도 10을 참고하면, 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 제4실시예에 따른 흡착 멤브레인은 다수의 제1기공이 구비된 지지부재(110); 상기 지지부재(110) 상면에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제1흡착부재(120); 및 상기 제1흡착부재(120) 상면에 적층되고, 다수의 제3기공이 형성되어 있으며 항균 물질이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제2흡착부재(130);를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
제4실시예에 따른 흡착 멤브레인은 제1흡착부재(120)의 이온 교환 나노 섬유에서 이온성 이물질을 흡착할 수 있고, 제2흡착부재(130)의 항균 물질이 함유된 나노 섬유에서 항균 특성을 가질 수 있다.
그리고, 이 흡착 멤브레인도 제1 내지 제3기공에서 기공 사이즈보다 큰 사이즈의 이물질을 물리적으로 여과하여 내부에 흡착시킬 수 있다.
여기서, 항균 물질은 은나노 물질이 바람직하다. 여기서, 은나노 물질은 질산은(AgNO3), 황산은(Ag2SO4), 염화은(AgCl)과 같은 은(Ag, silver) 금속염이다.
본 발명에서는 은나노 물질을 섬유 성형성 고분자 물질과 함께 유기 용매에 용해하여 방사용액을 제조하고, 이 방사용액을 전기방사하여 항균 물질이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 나노섬유 웹 구조의 제2흡착부재(130)를 구현할 수 있다.
본 발명의 제5실시예에 따른 흡착 멤브레인은, 전술된 본 발명의 실시예들의 흡착 멤브레인에, 다수의 기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 작용기가 부착되어 있는 도파민이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 나노 섬유 웹을 더 포함할 수 있다. 여기서, 도파민이 함유된 나노 섬유 웹은 흡착부재에 적층되어 있는 것이 바람직하다.
예컨대, 도 11에 도시된 바와 같이, 흡착 멤브레인은 제1 및 제2흡착부재(120a,120b) 사이에 다수의 기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 작용기가 부착되어 있는 도파민이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 나노 섬유 웹(150)을 개재하여 구현할 수 있다.
여기서, 제1 및 제2흡착부재(120a,120b)는 다수의 기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 흡착부재이고, 나노 섬유 웹(150)은 도파민 단량체 또는 중합체, 용매 및 고분자 물질이 혼합된 방사 용액이 전기 방사되어 만들어진 나노 섬유 웹이다.
도파민(DOPAMINE; 3,4-dihydroxyphenylalamine)은 벤젠고리에 -NH2 및 -OH가 결합된 구조를 갖는다.
나노 섬유에 함유된 도파민에 부착된 작용기는 도파민 단량체 또는 중합체가 함유된 나노 섬유 웹을 형성한 후, UV조사, 플라즈마 처리, 산처리 및 염기처리 등의 후처리 공정으로 형성할 수 있으며, 결국, 도파민이 함유된 나노 섬유 웹은 나노 섬유에 작용기가 부착되어 있는 상태가 된다.
여기서, 작용기는 SO3H-와 같은 음전하 작용기 또는 NH4 +와 같은 양전하 작용기로, 중금속, 박테리아 및 바이러스를 흡착하는 기능을 수행할 수 있어, 본 발명의 제5실시예의 흡착 멤브레인은 통과되는 액체에 포함된 중금속, 박테리아 및 바이러스를 여과하여 흡착 멤브레인 내부에 흡착시킬 수 있는 것이다.
도 12는 본 발명의 흡착식 액체필터에 적용된 흡착 멤브레인에 은사 박음질이 된 상태를 설명하는 모식적인 평면도이다.
본 발명에서는 지지부재를 포함하는 실시예들의 흡착 멤브레인에 은사 박음질을 수행하여, 박음질된 은사에 의해 항균 특성을 가지는 흡착 멤브레인을 구현할 수 있다. 여기서, 은사 박음질은 흡착 멤브레인의 지지부재, 흡착부재 및 이들 모두 중 하나에 수행할 수 있다.
이때, 흡착 멤브레인의 흡착부재는 지지부재와 비교하여 상대적으로 월등히 낮은 강도를 가져 흡착부재에 은사를 박음질하게 되면, 박음질되는 은사에 의해 흡착부재에 손상을 일으킬 수 있다.
반면에, 지지부재는 은사 박음질을 견딜 수 있는 강도를 가져, 도 8에 도시된 바와 같이, 지지부재(110)에 은사(310)를 박음질한다. 이때, 은사(310)는 격자 패턴으로 박음질하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
은사는 은으로 만들어진 실이며, 지지부재(110)에 박음질된 은사는 통과되는 액체에 포함된 세균을 사멸시킬 수 있어, 흡착 멤브레인은 강력한 항균 특성을 가질 수 있는 것이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 액체의 통과 유량을 극대화시킬 수 있고, 오염된 액체의 정화 성능을 향상시킬 수 있는 흡착식 액체필터를 제공한다.
100: 흡착 멤브레인 110: 지지부재
120,120a,120b,120c,120d,130: 흡착부재 121: 이온 교환 나노 섬유
122: 제2기공 210: 방사노즐
310: 은사 700: 지지 튜브
701: 관통홀 710: 중공부
720,730: 앤드캡 721: 배출구
750: 케이스 751: 투입구
755: 공간

Claims (14)

  1. 관 형상의 중공부가 형성되어 있고, 외주면에서 상기 중공부로 관통된 다수의 관통홀이 형성되어 있는 지지 튜브와, 상기 지지 튜브의 상기 외주면에 감싸져 있고, 오염된 액체에 포함된 이물질을 흡착하는 흡착 멤브레인을 포함하는 흡착식 액체필터이고,
    상기 흡착 멤브레인은,
    다수의 제1기공이 구비된 지지부재; 및
    상기 지지부재에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제1흡착부재; 를 포함하며,
    상기 흡착 멤브레인의 양면에는 망상 구조의 보강 메쉬가 적층되어 있으며,
    상기 흡착 멤브레인은 주름이 형성된 주름형 구조이고, 상기 지지 튜브의 외주면에 상기 흡착 멤브레인의 주름에 맞물리는 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지 튜브의 일측은 개방되고, 상기 지지 튜브의 타측은 폐색되어 상기 중공부로 공급되는 정화된 액체는 상기 지지 튜브의 일측으로 배출되는 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡착 멤브레인의 외주면으로부터 이격되어 상기 흡착 멤브레인을 내장하고, 상기 오염된 액체가 투입되는 투입구가 형성된 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지지 튜브의 일측에 고정되고, 상기 중공부와 연통되는 배출구가 형성된 제1앤드캡; 및
    상기 지지 튜브의 타측에 고정된 평판 형상의 제2앤드캡;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지부재는 부직포 또는 직포인 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1기공 사이즈는 상기 제2기공 사이즈보다 큰 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이온 교환 나노 섬유는 양이온 교환 나노 섬유 또는 음이온 교환 나노 섬유이고,
    상기 제1흡착부재에 적층되고, 다수의 제3기공이 형성되어 있으며 상기 이온 교환 나노 섬유와 반대 극성의 이온을 교환하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제2흡착부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1흡착부재에 적층되며, 다수의 기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 작용기가 부착되어 있는 도파민이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 나노 섬유 웹을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 지지부재, 제1흡착부재 및 이들 모두 중 하나에 박음질된 은사를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  11. 관 형상의 중공부가 형성되어 있고, 외주면에서 상기 중공부로 관통된 다수의 관통홀이 형성되어 있는 지지 튜브; 및
    상기 지지 튜브의 상기 외주면에 감싸져 있고, 오염된 액체에 포함된 이물질을 흡착하는 흡착 멤브레인;을 포함하며,
    상기 오염된 액체가 상기 흡착 멤브레인을 통과하여 정화되고, 상기 정화된 액체가 상기 지지 튜브의 다수의 관통홀을 통하여 상기 중공부로 공급되도록 구성되며,
    상기 흡착 멤브레인은,
    다수의 제1기공이 구비된 지지부재;
    상기 지지부재 상면에 적층되고, 다수의 제2기공이 형성되어 있으며 이물질을 흡착하는 이온 교환 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제1흡착부재; 및
    상기 제1흡착부재 상면에 적층되고, 다수의 제3기공이 형성되어 있으며 항균 물질이 함유된 나노 섬유가 축적되어 만들어진 제2흡착부재;를 포함하고,
    상기 흡착 멤브레인의 양면에는 망상 구조의 보강 메쉬가 적층되어 있으며,
    상기 흡착 멤브레인은 주름이 형성된 주름형 구조이고, 상기 지지 튜브의 외주면에 상기 흡착 멤브레인의 주름에 맞물리는 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 및 제3기공 사이즈는 제1기공 사이즈보다 작은 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  13. 제11항에 있어서, 상기 항균 물질은 은나노 물질인 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2흡착부재는, 상기 은나노 물질, 섬유 성형성 고분자 물질과 함께 유기 용매에 용해하여 제조된 방사용액이 전기방사되어 형성된 나노섬유 웹 구조인 것을 특징으로 하는 흡착식 액체필터.








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