KR102683508B1 - 습식 가변형 다층 여과 시스템 및 이를 포함하는 필터 유닛 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속 촉매 필터부, 카본 필터부 및 습식 가변형 필터부를 포함하는 다층 구조의 여과 시스템에 관한 것으로서, 상기 금속촉매 필터부는 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Mg, Zn, Ba, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Mn 또는 Ti에서 선택된 1종이상의 금속 또는 이의 산화물 또는 혼합 촉매를 포함하며, 상기 카본 필터부는 활성탄 및 활성탄소섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하여 건식 필터의 효과를 저해하지 않으면서 건습식 혼합 필터를 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 유독가스 등으로 오염되어 인체에 유해한 기체를 여과하는 다층 여과 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 다양한 유독가스의 여과 효율 증대를 위해 필요에 따라 습식 필터가 여과 시스템에 구현될 수 있는 습식 가변형 다층 여과 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이러한 여과 시스템을 구비한 필터 유닛에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 필터 유닛을 이용하여 제조된 방독 마스크 등에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
최근 공기 질의 저하에 관한 문제에 따라 여러 가지 필터 구조체에 대한 기술이 등장하고 있다. 또한 최근 빈번하게 사회적 이슈가 되고 있는 바와 같이, 대형 건물 등에서 화재가 발생할 경우 유독 가스에 의한 피해가 보고되고 있다. 이러한 화재 발생 상황에서 대피까지 소요되는 시간은 통상 3분 내지 5분인 경우가 많음에도, 대피 중에 일산화탄소 및 유독가스 등의 흡입에 의해 질식사 하는 경우가 많다고 한다. 실질적으로 일산화탄소는 2분만 마셔도 질식사가 우려되며, 화재 시 발생하는 대표적인 유독가스인 시안화수소가스(HCN), 아황산가스(SO2)는 수십초 정도만 노출되어도 의식을 잃는다고 한다.
이러한 피해를 줄이기 위해 제연마스크 또는 방연마스크 관련 기술이 다수 공개되고 있다. 대한민국 공개특허 제10-2018-0051295에는 극세사 원단, 숯 원단 및 부직포를 겹친 손수건에 허브추출물의 앰플을 첨가하는 화재 대피용 구조 손수건을 개시하고 있다. 상기 앰플은 캐모마일 추출물, 카렌듈라 추출물, 세이지 추출물 등을 포함하고 있어 인체에 유의적인 안정을 줄 수 있다고 한다. 그러나, 일반적인 제연 필터 구조에 허브 추출물을 적시는 것으로서 유독가스 및 일산화 탄소 제거 효율을 담보하기 어려울 수 있고, 앰플을 수건에 적실 경우 정신적인 안정감을 줄 수 있으나 필터 형태의 손수건을 앰플 내 액상을 통해 습식 필터의 역할을 하게 하는 것은 아니다. 따라서 일부 적셔지는 숯원단은 앰플에 함유된 액체에 의해서 활성이 낮아지고, 적셔지지 않는 부위는 일반적인 건식 필터의 역할만 갖게 되므로 유독가스의 제거효율은 낮을 것으로 추측된다.
대한민국 공개특허 제10-2015-0125905호에는 활성탄 필터에 금속 촉매를 담지하여 유독가스 등의 제거 효율을 높인 기술이 개시되어 있으나, 구현하고자 하는 기능별로 활성탄에 담지해야 하는 촉매가 다양하여 생산성이 낮을 수 있다. 또한, 활성탄 성능의 저해를 방지하기 위해 제습 및 발수/발유 처리가 된 부분이 있어 실질적으로 유독 가스를 제거하는 데에는 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1738639호에는 유독가스를 정화할 수 있는 휴대용 마스크에 있어서 정화효율을 높이기 위해 적절한 습기가 유지된 습식 필터를 사용할 수 있다는 내용이 개시되어 있으나, 습기가 외부로 빠져나가 건조되지 않도록 진공포장이 필요하다는 단점이 있다.
실질적으로 건식필터와 습식필터를 동시에 구현하는 것이 유해 기체 및 독성가스 제거에 가장 효과적일 수 있다. 그러나, 두 방식의 필터가 공존할 경우에는 건식필터 구조 내 활성탄 또는 활성 탄소섬유 필터 및 금속촉매 필터의 활성이 저하되어, 결과적으로 전체 필터의 여과 효과는 감소하게 되는 문제점이 있다.
이에 본 발명에 따른 일 측면은, 전술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이다. 본 발명은 평상시 건식필터 상태로 존재하나, 화재 발생 등의 유독가스 발생 현장에서 효과적으로 이용 가능하도록 습식필터가 구현될 수 있는 습식 가변형 다층 여과 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 습식 가변형 다층 여과 시스템을 이용한 필터 유닛을 제공한다. 상기 필터 유닛은 유독가스 제거를 위한 휴대용 마스크 장치나 방독면의 정화통에 이용될 수 있으며, 본 발명은 상기 마스크 장치나 방독면을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술을 가진 사람에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 금속 촉매 필터부, 카본 필터부 및 습식 가변형 필터부를 포함하는 다층 구조의 여과 시스템을 제공한다. 상기 구현예에서, 상기 금속촉매 필터부는 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Mg, Zn, Ba, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Mn 또는 Ti에서 선택된 1종이상의 금속 또는 이의 산화물 또는 혼합 촉매를 포함하며, 상기 카본 필터부는 활성탄 및 활성탄소섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직한 금속촉매에는 Pt, Ru, Ag 또는 Au가 포함될 수 있다. 또한, 상기 혼합 촉매의 예에는 Fe-Cr-Al, 2MgO-2Al2O3-5SiO2, CuO-MnO2가 포함될 수 있다. 상기 구현예에 있어서, 상기 다층 여과 시스템은 프리필터부 및 헤파필터부 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 금속 촉매 필터부, 카본 필터부 및 습식 가변형 필터부를 포함하는 다층 구조의 여과 시스템을 제공한다. 상기 구현예에 있어서, 상기 금속촉매 필터부는 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Mg, Zn, Ba, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Mn 또는 Ti에서 선택된 1종이상의 금속 또는 이의 산화물 또는 혼합 촉매를 포함하며, 상기 카본 필터부는 활성탄 및 활성탄소섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 습식 가변형 필터부는 습윤 가능 부재 및 밀봉부재를 포함하며, 상기 습윤 가능 부재는 면, 레이온, 라이오셀, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론 등에서 유래한 천연 섬유, 합성 섬유 중 적어도 1종 또는 이들의 혼합섬유에서 선택된 섬유를 포함하는 직물 또는 부직포일 수 있다. 또한, 상기 밀봉부재는 액상의 물 또는 물을 적어도 70% 이상 함유한 액상의 혼합물을 포함하는 파우치 형태일 수 있다.
상기 구현예에서, 상기 다층 여과 시스템은 프리필터부 및 헤파필터부 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 밀봉부재 내 액상은 키토산, N-할라민(N-halamine), 하이록시아파타이트(hydroxyapatite)를 더 포함할 수 있다. 아울러, 상기 밀봉부재 내 액상은 R-COOH, R-OH 또는 HO-R-OH로 표현되는 산, 알코올 또는 디올(diol)을 더 포함하되, 상기 산, 알코올 또는 디올의 농도는 30% 이하일 수 있으며, 상기 R은 탄소수 1 내지 10의 알킬기이다.
상기 구현예에서, 상기 다층 여과 시스템은 오염된 공기가 유입되는 방향을 따라 프리필터부, 금속 촉매 필터부, 카본 필터부, 습식 가변형 필터부 및 헤파필터부의 순서로 적층될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 금속 촉매 필터부, 카본 필터부 및 습식 가변형 필터부를 포함하는 다층 구조의 여과 시스템을 제공한다. 상기 구현예에서, 상기 금속촉매 필터부는 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Mg, Zn, Ba, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Mn 또는 Ti에서 선택된 1종이상의 금속 또는 이의 산화물 또는 혼합 촉매를 포함하며, 상기 카본 필터부는 활성탄 및 활성탄소섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 카본 필터부의 활성탄 또는 활성탄소섬유는 적어도 1 이상의 층으로 적층되어 있으며, 상기 1층 이상의 활성탄층 또는 활성탄소섬유층의 경계면에는 멤브레인을 더 포함하고, 상기 멤브레인은 소수성일 수 있다.
상기 구현예에서, 상기 다층 여과 시스템은 프리필터부 및 헤파필터부 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있고, 상기 소수성 멤브레인은 상기 카본 필터부와 인접하는 필터부의 계면에 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 다층 여과 시스템을 포함하는 필터 유닛을 제공한다.
또한 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 필터 유닛을 포함하는 방독 마스크 등을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 개별적으로 일산화탄소, SOx, NOx, H2S, HCHO, NH3 등을 여과할 수 있는 필터부를 적층하여 제조된 다층 여과 시스템 및 이를 포함하는 유닛을 제공함으로써, 유독가스 등으로 오염된 유해 기체를 효과적으로 정화할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 구현예에 따른 다층여과 시스템은, 습식 가변형 필터부를 포함하여 필요에 따라 건식과 습식 필터를 혼합하여 사용할 수 있게 함으로써 화재 시 방출되는 유독가스를 제거하는데 매우 효과적이다.
또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 습식 가변형 필터부를 포함한 다층 여과 시스템을 포함하는 유닛을 제공하여 이를 이용한 제연 마스크, 방독 마스크 또는 방독면 등을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 다층 여과 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 다층 여과 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 카본 필터부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 카본 필터부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 습식 가변형 필터부의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 휴대용 방독 마스크의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 제조예에 따른 휴대용 방독 마스크 내 결합용 돌출부의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 다층 여과 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 카본 필터부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 따른 카본 필터부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 습식 가변형 필터부의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 휴대용 방독 마스크의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 제조예에 따른 휴대용 방독 마스크 내 결합용 돌출부의 평면도이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.
프리필터부
오염된 기체 또는 액체를 여과·정화할 경우 여과 대상 물질이 가장 먼저 접하게 되는 1차 필터(filter)로서, 합성섬유 또는 금속 등의 여과제를 이용한 일종의 전처리용 필터이다. 일반 산업용으로 이용될 경우에는 일반적으로 10㎛ 이상의 분진을 포집하는 필터를 말한다.
본원에서 이용되는 프리필터부를 실질적으로 구성하는 프리필터는 예를 들어 합성섬유 부직포로 제조될 수 있다. 상기 부직포는 스펀본드(spunbond)법, 스펀레이스(spunlace)법, 니들펀칭(niddle punching)법, 멜트블로운(melt blown)법 등으로 제조될 수 있으며, 원료는 나일론, 폴리에스터, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등에서 선택된 1종 내지 이들의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서 프리필터부는 실질적으로 합성섬유 부직포로 구성된다. 프리필터를 실질적으로 구성하는 합성섬유 부직포는 그 용도에 따라 평균섬유직경 및 평균 공경을 보유할 수 있으며, 적절한 필터 두께를 보유할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서 방연마스크 용도로 사용되는 필터 유닛에 있어서 프리필터는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 90% 이상 함유하는 PET 섬유를 이용하여 멜트블로운법으로 제조된 부직포 또는 부직포의 적층체일 수 있다. 상기 부직포의 평균섬유직경 1 내지 5 ㎛일 수 있으며, 평균공경은 5 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 부직포를 충진밀도 0.1g/100ml 내지 1g/100ml으로 충진하여 필터의 두께가 약 100 ㎛ 내지 3 mm가 되도록 할 수 있다. 상기 프리필터는 일반적인 정의의 프리필터로 여과되는 범위보다는 작은 크기의 미세먼지 예를 들어, 2.5㎛ 이상 내지 10㎛ 이하의 미세먼지(PM10)를 여과할 수 있다.
금속 촉매 필터부
본 발명의 일 구현예에서 금속 촉매 필터부는 예를 들어 방독 마스크 용도로 사용될 때에 일산화탄소, SOx, NOx 등 유해 기체를 제거할 수 있다. 특히 일산화탄소의 제거에 효과적일 수 있는데, 이를 위해서 금속 또는 금속산화물로부터 유래한 촉매를 비표면적이 넓은 금속제 또는 세라믹제의 담지체에 담지하여 금속 촉매 필터부를 구성할 수 있다. 상기 금속 촉매 필터부는 일산화탄소 등 유해 기체를 제거하는 반응을 촉매하는 금속이라면 통상의 기술자에 의해 적절히 선택되어 사용될 수 있으며, Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Mg, Zn, Ba, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Mn 또는 Ti에서 선택된 1종이상의 금속 또는 이의 산화물 또는 혼합 촉매가 이용될 수 있다. 특히 일산화탄소의 촉매에 뛰어난 것으로는 Pt, Ru, Ag, Au 등의 귀금속 촉매가 보고되어 있다. 또한 Mn/Co/Ag 복합 산화물 촉매는 CO와 H2 흐름 하에서 CO와 H2의 산화에 대해서 높은 활성을 가진다고 보고되었다. 또한 CuO의 경우에도 일산화탄소의 산화반응에 활성이 좋은 것으로 보고되어 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 금속촉매 필터부의 주된 역할은 일산화탄소를 산화하여 이를 정화하는 것일 수 있다. 그러나, 코팅되거나 담지되는 금속 촉매의 종류는 분해하고자 하는 유기화합물의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 금속 촉매의 사용량 또한 용도 및 요구하는 성능에 따라 달라질 수 있다. 특히 Cu, Ag 등의 항균 및 살균 작용이 있는 금속 촉매를 담지할 경우에는 필터의 보관성을 높일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서 금속촉매 필터부는 제올라이트 또는 알루미나 등과 같이 비표면적이 넓은 담체에 포함된 촉매와 선택적으로 활성탄을 포함하는 원료를 이용하여 비드, 플레이크, 과립 또는 응집체 등 임의의 사용 가능한 형태로 제공되어, 허니컴(honeycomb) 형태 등 표면적을 가능한 한 넓게 확보할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 상기 촉매에는 알루미나 및 다른 금속 산화물; 중탄산나트륨; 은(Ag); 나노스케일의 금; Fe-Cr-Al, 2MgO-2Al2O3-5SiO2, CuO-MnO2 등이 포함될 수 있다. Fe-Cr-Al, 2MgO-2Al2O3-5SiO2, CuO-MnO2와 같은 혼합 촉매를 이용할 경우에는 촉매를 압축강도가 큰 구형, 펠렛, 하니컴으로 성형할 수 있으므로 다공질 금속에 코팅하지 않고도 상기 성형체 자체를 소정의 두께로 배치하여 필터 유닛의 금속 촉매 필터부로 사용할 수 있다.
은(Ag) 입자, 나노스케일의 금 또는 혼합촉매(예를 들어, Fe-Cr-Al, 2MgO-2Al2O3-5SiO2, CuO-MnO2 등) 등은 일산화탄소의 산화를 촉매하는 활성이 우수하여 본 발명의 일 구현예에 따른 방연마스크의 금속 촉매 필터부의 촉매로서 바람직하게 이용될 수 있다.
카본(carbon) 필터부
본 발명의 일 구현예에서 카본 필터부는 NOx, SOx, HCHO, H2S, NH3 등의 유해 기체를 여과하는 역할을 할 수 있다. 카본 필터부는 흡착제의 역할을 할 수 있는 탄소계 흡착제, 예를 들어 활성탄(activated carbon) 또는 활성탄소섬유(Activated Carbon Fiber)를 이용하여 제조될 수 있다.
활성탄은 특이한 기공 구조로 여러 산업분야에서 흡착제로 이용되고 있는데, 가스나 증기 흡착을 위해서는 micropore(2nm 이하)의 활성탄을 이용하고 액상에서 유기 분자를 제거하고자 할 때에는 mesopore(2nm∼50nm)의 활성탄을 이용할 수 있다. 일반적으로 활성탄은 비표면적이 1000m2/g 범위 이하이고 세공크기도 10∼104Å 범위로, 제한된 비표면적과 넓은 세공분포가 흡착성능과 관련하여 단점으로 작용할 수도 있다. 따라서, 활성탄의 경우 흡착능력을 향상시키기 위해서 질산 등의 산화제 처리 또는 플라즈마 처리를 통해 표면을 개질하기도 한다.
활성탄소섬유는 섬유상의 활성탄으로서 천연섬유, 인조 유기물 또는 화학섬유를 원료로 하여, 이를 소성, 부활시켜 제조한 것이다. 활성탄소섬유는 섬유상이면서 각각의 섬유 표면에 많은 미세기공(micropore)를 포함하고 있어서 매우 넓은 비표면적을 갖는데, 일반적으로 표면적은 500∼3000 m2/g 수준이다. 또한, 섬유의 직경이 아주 작기 때문에 흡착제 외부 및 내부의 물질이동저항을 최소화하여 흡착속도가 매우 빠르다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에서 카본 필터부는 활성탄소섬유를 90% 이상 포함하는 활성탄소섬유 필터일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서 사용되는 활성탄소섬유는 직경이 약 5∼20 ㎛이고, 표면에는 10∼40Å의 균등한 세공을 가질 수 있다. 필요에 따라 활성탄소섬유 필터에는 셀룰로오스 아세테이트 등의 섬유가 포함될 수 있다. 또한, 상기 활성탄소섬유 필터에는, 용도 및 요구하는 성능에 따라 예를 들어, 기능성 금속 촉매 등이 코팅 또는 담지될 수 있다. 활성 탄소 섬유에 코팅되거나 담지되는 금속 촉매로서 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Mg, Zn, Ba, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Mn 또는 Ti에서 선택된 1종이상의 금속 또는 이의 산화물 또는 혼합 촉매가 이용될 수 있다. 이 때, 코팅되거나 담지되는 금속 촉매의 종류는 분해하고자 하는 유기화합물의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 금속 촉매의 사용량 또한 용도 및 요구하는 성능에 따라 달라질 수 있다. 특히 Cu, Ag 등의 항균 및 살균 작용이 있는 금속 촉매를 담지할 경우에는 필터의 보관성을 높일 수 있다.
활성탄소섬유 필터는 직물형태, 부직포 형태 또는 단순한 단섬유 집합체의 형태로 제조될 수 있다. 활성탄소섬유 부직포는 페놀계 섬유를 통상의 부직포 제법으로 제조하여 부직포를 탄화·활성화 처리함으로써 제조될 수 있다. 예를 들어, 페놀계 부직포의 제조방법은 한국 등록특허 제10-1891377호를 참고할 수 있다. 통상의 기술자는 여과 효율 및 압력 손실을 고려하여 활성탄소섬유의 부직포 또는 활성탄소섬유의 집합체에 대한 적절한 두께를 설정할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에서 카본 필터부는 적어도 1층 이상의 활성탄 또는 활성탄소섬유 필터층을 갖는다. 본 발명의 일 구현예에서 카본필터부는 복수의 활성탄 또는 활성탄소섬유 필터층 및 상기 복수의 필터층 사이에 멤브레인(membrane)을 포함할 수 있다. 도 3에 예시한 바와 같이, 카본필터부가 2층의 활성탄소섬유 필터층을 포함할 경우, 제1활성탄소섬유 필터(21a) 및 제2활성탄소섬유 필터(21b)의 사이에 멤브레인(22)을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인(22)은 습식 가변형 필터부(30)가 습윤상태로 전환되었을 경우, 습기가 카본 필터부(20)의 흡착성능을 저해하지 않도록 습기를 차단할 수 있다. 습기를 차단 효과를 증대시키기 위해, 상기 멤브레인(22)은 소수성일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 멤브레인(22)은 활성탄소섬유 필터의 사이뿐만 아니라, 습식 가변형 필터부와 카본 필터부의 경계면 및/또는 카본 필터부와 인접하는 다른 종류(예를 들어, 금속촉매 필터부(10))의 필터와의 경계면에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 상기 복수의 활성탄 또는 활성탄소섬유 필터층의 두께는 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 습식 가변형 필터부와 인접하는 경계면의 활성탄 또는 활성탄소섬유 필터층의 두께가 다른 복수의 활성탄 또는 활성탄소섬유 필터층의 두께보다 작을 수 있다. 도 4에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 구체예에서 카본 필터부는 3층의 활성탄소섬유 필터를 포함하고, 습식 가변형 필터부와 인접한 제1활성탄소섬유필터(21a) 및 제2활성탄소섬유필터(21b)는 1mm 두께일 수 있으며, 이후 적층된 제3활성탄소섬유필터(21c)는 두께가 3mm일 수 있다. 상기 활성탄소섬유필터는 동일 또는 상이한 공경 및 섬유경을 가지는 활성탄소섬유를 포함할 수 있다.
습식 가변형 필터부
본 발명의 일 구현예에 따른 다층 여과 시스템은 습식 가변형 필터부를 포함할 수 있다. 습식 가변형 필터부는, 본 발명의 일 구현예의 용도가 화재 시 사용할 수 있는 방독 마스크일 경우, 화재 시 발생하는 유독가스를 제거하는 역할을 할 수 있다. 건물에서 화재가 발생할 경우, 대부분 석유화학 물질로 만들어진 가재도구, 섬유 및 내장재 등이 불완전 연소를 하게 되면서 일산화탄소 및 여러 유독가스를 방출한다. 이러한 유독가스의 경우 여러 화합물에 의한 합성 유독가스이므로 호흡기나 눈을 자극할 수 있고, 심지어 신경 및 인지기능 장애를 유발하여 사망에 이르게 까지 할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 필터 유닛은 화재시 방출되는 유독가스의 흡입을 방지하기 위한 습식 가변형 필터부가 구비되고, 상기 습식 가변형 필터부에는 액상의 물 또는 물을 주성분으로 한 액상의 혼합물이 존재할 수 있다. 물을 주성분으로 한다는 것은 액상에 물의 농도가 70%이상인 것을 의미할 수 있다. 습식 가변형 필터부의 액상은 방연마스크가 실제적으로 사용되기 이전 포장상태에서는 예를 들어, 파우치 형태의 밀봉부재 내에 존재할 수 있다. 방연마스크가 사용되는 화재상황에서는 물리적인 힘 또는 압력을 통해 상기 밀봉부재가 파단 또는 절개되면서 액상이 밀봉부재 외부로 분출되어 습식 가변형 필터부가 건조 상태에서 습윤 상태로 전환될 수 있으며, 습식 가변형 필터부가 90%이상 습윤 상태로 전환 될 수 있다. 이렇게 액상이 분출됨으로써 화재 시 젖은 수건으로 코를 막아 호흡기를 보호하고 유독가스의 흡입을 방지하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 습식 필터부에는 키토산, N-할라민, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)를 포함하는 액상이 존재할 수 있다. 특히, 하이드록시아파타이트는 칼슘포스페이트계 세라믹으로, 인체의 뼈를 구성하는 주성분으로 골 전도성, 생체 활성, 생체 친화성이 우수하다. 또한, 칼슘이온과 인산기가 고밀도로 규칙적으로 배열된 구조를 가지고 있는 하이드록시아파타이트는 양성이온 교환체로서 정전상호작용에 따른 흡착기능이 있어 단백질 흡착성, 중금속 흡착성, 항균성, 항바이러스성 등이 우수하다. 하이드록시아파타이트의 조성은 Ca10(PO4)6OH2로서, 높은 단백질 흡착성능을 바탕으로 액체 크로마토그래피, 수처리용 필터로 사용되기도 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 습식 가변형 필터부에 포함된 밀봉부재 내 액상은 평균 입자크기 1∼10㎛의 하이드록시아파타이트 분말을 증류수와 1:1의 질량비로 혼합한 분산액을 포함할 수 있다. 상기 분산액은 성능향상을 위해 마멸분쇄기 등을 이용하여 추가로 분쇄할 수 있다. 하이드록시아파타이트가 보다 작게 분쇄될수록 흡착성능은 향상될 수 있으나, 본 발명의 일 구현에에 따른 액상에 포함된 하이드록시아파타이트 분말의 입자크기는 하이드록시아파타이트분말이 흡입시 영향을 미치지 않도록 하는 측면에서 0.3㎛∼3㎛일 수 있다.
상기 밀봉부재 내 액상은 화학식 R-COOH, R-OH 또는 HO-R-OH로 표현될 수 있는 산(acid), 알코올(alcohol) 또는 다이올(diol)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 산, 알코올 또는 다이올 성분이 포함될 경우, 알코올 성분이 포함된 수용액에 일산화탄소가 용해되는 성질이 있어 일산화탄소의 제거 효과가 더욱 높아질 수 있다. 상기 화학식에서 R은 탄소수가 1 내지 10인 알킬기일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 밀봉부재 내 액상에 산, 알코올 또는 다이올 성분이 포함될 경우, 산, 알코올 또는 다이올 성분의 농도는 5 내지 25%일 수 있다. 상기 성분의 농도가 5% 이하일 경우에는 일산화탄소 흡착 성능이 낮을 수 있고, 상기 성분의 농도가 25% 이상일 경우에는 저장 안정성이 낮을 수 있다.
도 5에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 상기 액상을 포함하는 밀봉부재(31)는 복수 개의 습윤 가능 부재를 포함하는 습식가변층에 위치한다. 상기 액상을 포함하는 밀봉부재(31)는 복수 개의 습윤 가능 부재(32) 사이에 위치할 수 있거나, 습식 가변 필터부와 인접하는 다른 필터부의 계면에 위치할 수 있다. 또한 상기 액상을 포함하는 밀봉부재(31)는 파단/절개되지 않은 상태에서도 습윤 가능 부재를 통해 기체가 통과할 수 있도록 적절한 크기를 보유하거나, 적절한 위치에 배치시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상기 액상을 포함하는 밀봉부재는 복수 개의 습윤 가능 부재 사이에 위치하되, 필터 유닛에 포함되어 상기 밀봉부재를 파단 또는 절개할 수 있는 구조가 영향을 미칠 수 있도록 위치할 수 있다.
상기 습윤 가능 부재(32)는 직물 또는 부직포일 수 있으며, 천연섬유에서부터 화학섬유까지 다양한 섬유들이 이용될 수 있다. 셀룰로오스계 섬유인 면, 레이온, 라이오셀 등은 섬유 자체로 친수성이 있어 습윤 가능 부재(32)의 원료로 바람직하게 이용될 수 있다. 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론 등에서 유래한 합성섬유도 습윤 가능 부재(32)의 원료로 이용될 수 있으며 필요한 경우, 습윤 성능을 극대화하기 위해 수분 친화처리를 할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 키토산, N-할라민 또는 하이드록시아파타이트는 습식 가변형 필터부의 습윤 가능 부재에 담지될 수 있다. 이 경우 상기 습윤 가능 부재는 직물 또는 부직포의 형태일 수 있으며, 상기 하이드록시아파타이트는 상기 직물 또는 부직포 전체 중량을 기준으로 5 내지 85중량% 포함될 수 있다. 하이드록시아파타이트를 담지한 섬유 흡착재에 관한 내용은 국내 등록특허 제10-1521991호를 참고할 수 있다.
헤파(HEPA) 필터부
본 발명의 일 구현예에서, 헤파(HEPA) 필터부는 실질적으로 헤파필터로 구성된다. 헤파필터는 고효율 공기 필터의 일종으로 미국에너지부(U.S. Department of Energy)에 의한 표준을 충족하려면, 입경이 0.3㎛ 이상인 입자를 99.97% 이상 제거해야 한다. 일반적으로 헤파필터는 불규칙적으로 배열된 섬유의 집합체로 구성된다. 상기 섬유는 유리섬유 또는 합성섬유일 수 있으며, 섬유의 직경은 0.5 내지 2.0 ㎛일 수 있다. 헤파필터의 기능에 있어서 중요한 요소는 섬유의 직경, 필터의 두께 등이 있다. 상기 헤파필터의 섬유 공경은 0.3㎛를 초과한다. 이는 여과되는 입자에 대하여 헤파필터가 단순히 섬유 공경을 통과하지 못하게 하는 체(seive)의 역할을 하는 것이 아니기 때문이다. 헤파필터에서 입자가 포집되는 과정은 관성 충돌(inertial impaction), 확산(difussion), 간섭(interception), 정전기적 인력(electrostatic attraction)의 메커니즘이 복합적으로 작용한다.
본 발명의 일 구현예에서, 헤파필터부의 헤파필터는 합성섬유로 제조될 수 있으며, 상기 합성섬유는 폴리에틸렌, 나일론, 폴리스티렌 등이 포함된다. 본 발명의 일 구현예에서 헤파필터의 합성섬유는 폴리스티렌으로 제조될 수 있다.
다층 여과 시스템
본 발명의 일 구현예에서 다층 여과 시스템은 상기 금속 촉매 필터부, 상기 카본 필터부 및 습식 가변형 필터부를 포함하도록 적층될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 적층 구조를 가진 시스템은 CO, NOx, SOx, HCHO, NH3, H2S 등으로 오염된 유해 기체를 여과하기 위한 필터 유닛에 포함되는 다층 여과 시스템으로 이용될 수 있다. 다층 여과 시스템은, 도 1에 예시된 바와 같이, 유해 기체가 최초 유입되는 면에 금속촉매 필터부(10)가 위치하고, 이후 유입방향을 따라 금속 촉매 필터부(20), 카본 필터부(30)의 순서로 적층될 수 있다. 상기 카본 필터부는 활성탄 또는 활성탄소섬유를 이용한 필터일 수 있다. 카본 필터부에는 금속 촉매 필터부의 존재유무와는 상관없이 흡착성능이 있는 금속 촉매 등이 선택적으로 담지될 수 있다. 카본 필터부에 금속 촉매가 담지될 경우 금속 촉매 필터부와 동일 또는 상이한 촉매가 담지될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서 다층 여과 시스템은 프리필터부, 상기 금속 촉매 필터부, 상기 카본 필터부 및 상기 습식 가변형 필터부를 포함할 수 있으며, 필요에 따라 헤파(HEPA) 필터부를 더 포함하도록 적층될 수 있다. 상기 프리필터부는 1차적으로 입자가 큰 먼지 등을 여과할 수 있으며 이후에 적층되는 필터부를 보호할 수 있다. 상기 헤파 필터부는 상기 다층 여과 시스템의 내부 구조의 특징에 따라 발생할 수 있는 활성탄 입자, 금속촉매 입자 또는 하이드록시아파타이트 입자 등을 여과할 수 있다. 또한 상기 헤파필터부는 오염된 기체에 함유된 입자크기 0.3㎛ 이상의 입자를 여과할 수 있다. 본 발명의 일 구현에에 의한 다층 여과 시스템은, 도 2에 예시된 바와 같이, 오염된 기체가 최초 유입되는 면에 프리필터부(40)가 위치하고, 이후 유입방향을 따라 금속 촉매 필터부(10), 카본 필터부(20), 습식 가변형 필터부(30) 및 헤파 필터부(50) 순서로 적층될 수 있다. 상기 카본 필터부는 활성탄 또는 활성탄소섬유를 이용한 필터일 수 있다. 카본 필터부에는 금속 촉매 필터부의 존재유무와는 상관없이 흡착성능이 있는 금속 촉매 등이 선택적으로 담지될 수 있다. 카본 필터부에 금속 촉매가 담지될 경우 금속 촉매 필터부와 동일 또는 상이한 촉매가 담지될 수 있다.
상기 카본 필터부(20)는 도 3에 예시된 바와 같이, 적어도 1층 이상의 활성탄 또는 활성탄소섬유 필터층을 갖는다. 본 발명의 일 구현예에서 카본필터부는 복수의 활성탄 또는 활성탄소섬유 필터층 및 상기 복수의 필터층 사이에 멤브레인(membrane)을 포함할 수 있다. 도 3에 예시한 바와 같이, 카본필터부가 2층의 활성탄소섬유 필터층을 포함할 경우, 제1활성탄소섬유 필터(21a) 및 제2활성탄소섬유 필터(21b)의 사이에 멤브레인(22)을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인(22)은 습식 가변형 필터부(30)가 습윤상태로 전환되었을 경우 습기가 카본 필터부(20)의 흡착성능을 저해하지 않도록 습기를 차단할 수 있다. 습기 차단 효과를 증대시키기 위해, 상기 멤브레인(22)은 소수성일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 멤브레인(22)은 활성탄소섬유 필터의 사이뿐만 아니라, 습식 가변형 필터부와 카본 필터부의 경계면 및/또는 카본 필터부와 인접하는 다른 종류(예를 들어, 금속촉매 필터부(10))의 필터와의 경계면에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 멤브레인은 각 필터부에 주요 구성 성분을 지지하는 포장 부재로서 이용될 수도 있다.
도 5에 예시적으로 나타낸 바와 같이, 상기 액상을 포함하는 밀봉부재는 복수 개의 습윤 가능 부재를 포함하는 습식가변층에 위치한다. 상기 액상을 포함하는 밀봉부재(31)는 복수 개의 습윤 가능 부재(32) 사이에 위치한다. 또한 상기 액상을 포함하는 밀봉부재(32)는 파단/절개되지 않은 상태에서도 습윤 가능 부재를 통해 기체가 통과할 수 있도록 적절한 크기를 보유하거나, 적절한 위치에 배치시킬 수 있다.
필터 유닛
본 발명의 일 구현예에 따른 필터 유닛은 상기 다층 여과 시스템을 포함하는 필터 유닛이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 필터 유닛은, 상기 프리필터부, 상기 금속 촉매 필터부, 상기 카본 필터부, 상기 습식 가변형 필터부 및 헤파 필터부를 적층하고, 향후 실질적인 유통 제품인 제연마스크 또는 방독면 등에 장착될 수 있도록 가공된 것이다.
필터 유닛은 상기 필터부 외에 다층 여과 시스템의 보존성을 높이기 위해 외부의 습기나 오염물질을 차단하는 소재를 더 포함하여 보호될 수 있다. 상기 오염물질 차단 소재는 다층 여과 시스템을 외부의 오염과 격리시킬 수 있는 소재라면 제한 없이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 다층 여과 시스템의 유독 가스 산화 또는 흡착성능 저해를 방지하기 위해 습기가 차단되는 소재일 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 오염물질 차단 소재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(polystyrene) 등의 원료로 제조한 필름에 알루미늄 등의 금속을 증착한 복합시트일 수 있다.
제조예 - 휴대용 방독 마스크
본 발명의 일 구현예에 따른 필터 유닛을 이용하여 휴대용 방독 마스크를 제조하였다. 상기 휴대용 방독 마스크는 평소에 휴대하기 용이한 크기로 제작될 수 있다. 본 제조예에서 휴대용 방독 마스크에 관하여는 대한민국 특허출원 제10-2019-0012174호(2019.01.30.)를 그 전체로서 참조한다. 상기 필터 유닛은 휴대용 방독 마스크에 원통형으로 장착할 수 있다. 도 6에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 휴대용 방독 마스크 본체(600)는 잘린 원추 형상(원추대)으로 마련되어 단면이 넓은 부분이 인체의 호흡기에 밀착될 수 있다. 상기 방독 마스크는 유해 기체의 흡입면에 필터 유닛의 이탈을 방지하는 결합부재(601)를 포함할 수 있는데, 상기 결합부재(601)에는 돌출부(602)를 포함할 수 있다. 상기 결합부재(601)는 일정 압력이 주어질 경우 압력의 방향으로 이동할 수 있는 연성부재로 제작되어, 돌출부(602)가 존재하는 부위에 압력을 가할 경우 액상을 포함한 밀봉부재(31)를 파단시킬 수 있다. 따라서, 밀봉부재(31)를 파단시키지 않을 경우 상기 필터 유닛은 건식 필터로서 이용할 수 있으며, 유독 가스 제거 효과를 높이기 위해 상기 밀봉부재(31)를 의도적으로 파단시켜 건습식 혼합필터로서 상기 필터 유닛을 변형하여 이용할 수 있다.
상기 결합용 돌출부에는 필터 유닛이 외부로부터 오염되는 것을 방지하기 위한 복합시트(60)가 접착되어 흡기구를 차단할 수 있다. 또한 상기 필터 유닛에서 호흡기에 인접하는 헤파필터부에도 상기 복합시트(60)가 접착될 수 있다.
본 발명에 따른 다층 여과 시스템은 오염된 기체 또는 액체의 여과에 이용될 수 있는 필터 유닛으로 제작될 수 있다. 상기 필터 유닛은 제연용 마스크 장치 또는 방독면의 정화통 등에 이용될 수 있다.
10 : 금속 촉매 필터부
20 : 카본 필터부
30 : 습식 가변형 필터부
40 : 프리필터부
50 : 헤파필터부
60 : 복합시트
600 : 방독 마스크 본체
601 : 결합부재
20 : 카본 필터부
30 : 습식 가변형 필터부
40 : 프리필터부
50 : 헤파필터부
60 : 복합시트
600 : 방독 마스크 본체
601 : 결합부재
Claims (16)
- 금속 촉매 필터부, 카본 필터부 및 습식 가변형 필터부를 포함하는 다층 구조의 여과 시스템으로서,
상기 금속촉매 필터부는 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Mg, Zn, Ba, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Mn 또는 Ti에서 선택된 1종 이상의 금속; 이의 산화물; 또는 이들의 혼합 촉매를 포함하며,
상기 카본 필터부는 활성탄 및 활성탄소섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 카본 필터부의 활성탄 또는 활성탄소섬유는 적어도 1 이상의 층으로 적층되어 있으며, 상기 1층 이상의 활성탄층 또는 활성탄소섬유층의 경계면에는 멤브레인을 더 포함하고,
상기 멤브레인은 소수성인 것인, 다층 여과 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 다층 여과 시스템은 프리필터부 및 헤파필터부 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것인, 다층 여과 시스템.
- 금속 촉매 필터부, 카본 필터부 및 습식 가변형 필터부를 포함하는 다층 구조의 여과 시스템으로서,
상기 금속촉매 필터부는 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Mg, Zn, Ba, Au, Ag, Pd, Pt, Ru, Mn 또는 Ti에서 선택된 1종 이상의 금속; 이의 산화물; 또는 이들의 혼합 촉매를 포함하며,
상기 카본 필터부는 활성탄 및 활성탄소섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
상기 습식 가변형 필터부는 습윤 가능 부재 및 밀봉부재를 포함하며,
상기 습윤 가능 부재는 면, 레이온, 라이오셀, 폴리에스테르, 폴리프로필렌, 나일론 등에서 유래한 천연 섬유, 합성 섬유 중 적어도 1종 또는 이들의 혼합섬유에서 선택된 섬유를 포함하는 직물 또는 부직포이며,
상기 밀봉부재는 액상의 물 또는 물을 적어도 70% 이상 함유한 액상의 혼합물을 포함하는 파우치 형태이고,
상기 카본 필터부의 활성탄 또는 활성탄소섬유는 적어도 1 이상의 층으로 적층되어 있으며, 상기 1층 이상의 활성탄층 또는 활성탄소섬유층의 경계면에는 멤브레인을 더 포함하고,
상기 멤브레인은 소수성인 것인, 다층 여과 시스템. - 제3항에 있어서, 상기 다층 여과 시스템은 프리필터부 및 헤파필터부 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것인, 다층 여과 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 밀봉부재 내 액상은 하이록시아파타이트(hydroxyapatite)를 더 포함하는 것인, 다층 여과 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 밀봉부재 내 액상은 R-COOH, R-OH 또는 HO-R-OH로 표현되는 산(acid), 알코올(alcohol) 또는 다이올(diol)을 추가로 포함하되, 상기 산, 알코올 또는 다이올의 농도는 30% 이하인 것인, 다층여과 시스템. (상기 R은 탄소수 1 내지 10의 알킬기임).
- 삭제
- 제4항에 있어서, 상기 다층 여과 시스템은 오염된 공기가 유입되는 방향을 따라 프리필터부, 금속 촉매 필터부, 카본 필터부, 습식 가변형 필터부 및 헤파필터부의 순서로 적층된 것인, 다층 여과 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 소수성 멤브레인은 상기 카본 필터부와 인접하는 필터부의 계면에 더 포함되는 것인, 다층 여과 시스템.
- 제1항 및 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 촉매는 Fe-Cr-Al, 2MgO-2Al2O3-5SiO2, 또는 CuO-MnO2에서 선택되는 1종 이상인 것인, 다층 여과 시스템.
- 제1항 및 제3항 중 어느 한 항에 기재된 다층 여과 시스템을 포함하는 필터 유닛.
- 제12항에 기재된 다층 여과 시스템을 포함하는 필터 유닛.
- 제13항에 기재된 필터 유닛을 포함하는 방독 마스크.
- 제14항에 기재된 필터 유닛을 포함하는 방독 마스크.
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |