입자상 물질(PM; Particulate Matters)에 의한 대기오염은 전 세계적으로 인류의 건강에 위협이 되고 있다. 세계보건기구(World Health Organization, WHO) 산하의 국제암연구소(International Agency for Research on Cancer, ...
입자상 물질(PM; Particulate Matters)에 의한 대기오염은 전 세계적으로 인류의 건강에 위협이 되고 있다. 세계보건기구(World Health Organization, WHO) 산하의 국제암연구소(International Agency for Research on Cancer, IARC)에서는 PM2.5를 1급 발암물질로 지정하여 그 위해성을 경고하고 있다. 이에 더해, 2019년 2월에 창궐한 Covid-19로, 대기 중 입자의 흡입을 방지하고 생물학적 유기체를 차단하기 위하여 마스크와 같은 개인보호 장비(PPE, Personal Protective Equipment)의 소비량이 증가하고 있는 실정이다. 환경부의 보고서에 의하면 2020년 상반기, 플라스틱 폐기물 배출량은 전년 동기 대비 15.6% 증가하였고, 비닐 폐기물은 11.1% 증가한 것으로 나타났다. 배출된 플라스틱 및 비닐 폐기물은 소각하여 처리되는데, 소각 시 HCl, HCN, NOX, 다이옥신, VOCs등 배출가스 및 분진이 발생되어 악순환이 계속되고 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 생분해가 가능한 생체 고분자인 SPI와 생분해성 고분자인 PVA를 전기방사하여 생분해성 SPI/PVA 복합 나노섬유 필터를 제조하였다. SPI의 함량이 제조된 나노섬유에 미치는 영향을 조사하였으며, 서로 다른 용매가 나노섬유에 미치는 영향을 조사하였다. 전기방사 시 주변 온도가 나노섬유의 형태에 미치는 영향을 관찰하였다. 제조한 생분해성 SPI/PVA 복합 나노섬유의 형태학 및 물리화학적 특성과 생분해능과 같은 고유의 특성을 분석하여 연구하였으며, 여과성능 시험을 통해 제조된 SPI/PVA 복합 나노섬유의 성능을 평가하였다. 이러한 과정으로 SPI/PVA 복합 나노섬유 제조를 위한 최적 조건을 결정하였다. 두 가지 용매를 각각 적용하여 SPI/PVA 복합 나노섬유를 제조하였을 때, 80v/v% -acetic acid가 보다 원활하게 끊김없이 섬유상을 구성할 수 있었다. 또한 SPI의 함량이 증가함에 따라 섬유의 직경이 165 nm에서 235 nm로 증가하였다. 전기방사 온도가 상승함에 따라 섬유의 형태가 원통형에서 리본형으로 변화시키고, 직경도 99 nm에서 390 nm로 증가시키는 결과를 나타냈다. 제조조건은 80v/v%-acetic acid를 용매로 사용하여 SPI/PVA 비율을 1.5로 구성하고, 전기방사 챔버온도 50 ℃로 조성하였을 때로 판단되었다. 작용기 분석결과 SPA, SPN 시료 모두 PVA와 SPI의 특징적인 흡수영역인 1470-1350 cm-1, 1390-1370 cm-1, 1650-1590 cm-1, 1560-1500 cm-1부근의 흡수영역에서 강도 높은 흡광도를 나타냄으로써 용액상의 전구체 고분자가 변질 없이 화학적 구조를 유지하로 있음을 할 수 있었다. 열 특성 분석결과, SPI와 PVA를 혼합하여 제조된 SPI/PVA 복합 나노섬유의 경우, 열 분해 시작 온도가 192-220 ℃로 PVA 보다 높으며, SPI의 비율이 높아질수록 높은 온도에서 열분해가 시작되는 것으로, SPI 함량의 증가로 인해 외부 열적요인에 대한 안정성이 향상된 것으로 판단할 수 있다. Proteinase-K 완충용액을 이용하여 효소적 생분해능을 검증하였다. 시료의 무게변화를 고찰한 결과, SPI의 첨가량이 증가할수록 나노섬유의 열화가 촉진되어 단시간 내에 더 많은 나노섬유가 분해되는 것으로 나타났다. SP1(SPI/PVA=1)는 37℃에서 7 시간을 방치하였을 때, 81.99%의 중량감소가 나타났으며, SP1.5(SPI/PVA =1.5) 시료의 경우, 7 시간 동안 86.89%가 분해된 것으로 판단되었다. 한편, SP2(SPI/PVA =2) 시료의 경우, 7 시간 동안 92.45%가 분해됨으로써 SP2 시료가 생분해능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 중간입경이 약 0.3 ㎛인 KCl 입자를 적용하여 여과시험을 실시한 결과, 5.3 cm/s의 유속으로 공급하였을 때, 90% 이상의 여과효율을 나타냈다. 미세먼지 입자 여과 시 발생하는 여과특성을 조사한 결과, SPI 함량이 증가하면 섬유의 직경이 증가하면서 필터효율과 압력강하가 다소 감소하였다. 또한, 전기방사 시 챔버온도를 증가시키면 전구체 요액의 점도가 감소함에도 불구하고, 형태변화에 기인하여 섬유의 직경은 증가함으로써 필터를 가로질러 발생하는 압력차이는 감소하였다. 이에 따라 품질계수(Qf)는 상대적으로 증가하는 추세를 나타내었다. 그러나 sub-micron 입자에 대해서 흔히 나타나듯이 여과속도가 증가하면 포집효율이 다소 감소하는 것으로 나타났다 섬유상 필터 mat를 세 겹으로 구성한 다층필터(multi-layer filter)는 최대 99.99%까지의 높은 효율을 보여주었고, 압력강하 또한 함께 증가하여 품질계수가 단일층 필터는 0.111-0.148 Pa-1의 범위였지만, 다층 필터에서는 감소하여. 0.057-0.087 Pa-1의 범위로 나타났다. 고분자 전구체 용액을 제조할 때, 섬유필터의 광활성을 부가하기 위하여 광촉매로 알려진 입자상 TiO2를 첨가하여 방사해보았다. TiO2의 첨가량이 증가함에 따라 평균 직경이 196 nm에서 조건에 따라 최대 587 nm까지로 증가하였으며, 형태가 리본형으로 변하는 것을 관찰하였다. 또한 촉매입자가 10% 이상 투입되면 섬유와 원활하게 교착하지 못한 채, TiO2 응집체를 형성하는 것으로 보였다. TiO2의 함침여부는 EDS-mapping을 수행하여 확인하였다.
입자상 물질(PM; Particulate Matters)에 의한 대기오염은 전 세계적으로 인류의 건강에 위협이 되고 있다. 세계보건기구(World Health Organization, WHO) 산하의 국제암연구소(International Agency for Research on Cancer, IARC)에서는 PM2.5를 1급 발암물질로 지정하여 그 위해성을 경고하고 있다. 이에 더해, 2019년 2월에 창궐한 Covid-19로, 대기 중 입자의 흡입을 방지하고 생물학적 유기체를 차단하기 위하여 마스크와 같은 개인보호 장비(PPE, Personal Protective Equipment)의 소비량이 증가하고 있는 실정이다. 환경부의 보고서에 의하면 2020년 상반기, 플라스틱 폐기물 배출량은 전년 동기 대비 15.6% 증가하였고, 비닐 폐기물은 11.1% 증가한 것으로 나타났다. 배출된 플라스틱 및 비닐 폐기물은 소각하여 처리되는데, 소각 시 HCl, HCN, NOX, 다이옥신, VOCs등 배출가스 및 분진이 발생되어 악순환이 계속되고 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 생분해가 가능한 생체 고분자인 SPI와 생분해성 고분자인 PVA를 전기방사하여 생분해성 SPI/PVA 복합 나노섬유 필터를 제조하였다. SPI의 함량이 제조된 나노섬유에 미치는 영향을 조사하였으며, 서로 다른 용매가 나노섬유에 미치는 영향을 조사하였다. 전기방사 시 주변 온도가 나노섬유의 형태에 미치는 영향을 관찰하였다. 제조한 생분해성 SPI/PVA 복합 나노섬유의 형태학 및 물리화학적 특성과 생분해능과 같은 고유의 특성을 분석하여 연구하였으며, 여과성능 시험을 통해 제조된 SPI/PVA 복합 나노섬유의 성능을 평가하였다. 이러한 과정으로 SPI/PVA 복합 나노섬유 제조를 위한 최적 조건을 결정하였다. 두 가지 용매를 각각 적용하여 SPI/PVA 복합 나노섬유를 제조하였을 때, 80v/v% -acetic acid가 보다 원활하게 끊김없이 섬유상을 구성할 수 있었다. 또한 SPI의 함량이 증가함에 따라 섬유의 직경이 165 nm에서 235 nm로 증가하였다. 전기방사 온도가 상승함에 따라 섬유의 형태가 원통형에서 리본형으로 변화시키고, 직경도 99 nm에서 390 nm로 증가시키는 결과를 나타냈다. 제조조건은 80v/v%-acetic acid를 용매로 사용하여 SPI/PVA 비율을 1.5로 구성하고, 전기방사 챔버온도 50 ℃로 조성하였을 때로 판단되었다. 작용기 분석결과 SPA, SPN 시료 모두 PVA와 SPI의 특징적인 흡수영역인 1470-1350 cm-1, 1390-1370 cm-1, 1650-1590 cm-1, 1560-1500 cm-1부근의 흡수영역에서 강도 높은 흡광도를 나타냄으로써 용액상의 전구체 고분자가 변질 없이 화학적 구조를 유지하로 있음을 할 수 있었다. 열 특성 분석결과, SPI와 PVA를 혼합하여 제조된 SPI/PVA 복합 나노섬유의 경우, 열 분해 시작 온도가 192-220 ℃로 PVA 보다 높으며, SPI의 비율이 높아질수록 높은 온도에서 열분해가 시작되는 것으로, SPI 함량의 증가로 인해 외부 열적요인에 대한 안정성이 향상된 것으로 판단할 수 있다. Proteinase-K 완충용액을 이용하여 효소적 생분해능을 검증하였다. 시료의 무게변화를 고찰한 결과, SPI의 첨가량이 증가할수록 나노섬유의 열화가 촉진되어 단시간 내에 더 많은 나노섬유가 분해되는 것으로 나타났다. SP1(SPI/PVA=1)는 37℃에서 7 시간을 방치하였을 때, 81.99%의 중량감소가 나타났으며, SP1.5(SPI/PVA =1.5) 시료의 경우, 7 시간 동안 86.89%가 분해된 것으로 판단되었다. 한편, SP2(SPI/PVA =2) 시료의 경우, 7 시간 동안 92.45%가 분해됨으로써 SP2 시료가 생분해능이 가장 우수한 것으로 나타났다. 중간입경이 약 0.3 ㎛인 KCl 입자를 적용하여 여과시험을 실시한 결과, 5.3 cm/s의 유속으로 공급하였을 때, 90% 이상의 여과효율을 나타냈다. 미세먼지 입자 여과 시 발생하는 여과특성을 조사한 결과, SPI 함량이 증가하면 섬유의 직경이 증가하면서 필터효율과 압력강하가 다소 감소하였다. 또한, 전기방사 시 챔버온도를 증가시키면 전구체 요액의 점도가 감소함에도 불구하고, 형태변화에 기인하여 섬유의 직경은 증가함으로써 필터를 가로질러 발생하는 압력차이는 감소하였다. 이에 따라 품질계수(Qf)는 상대적으로 증가하는 추세를 나타내었다. 그러나 sub-micron 입자에 대해서 흔히 나타나듯이 여과속도가 증가하면 포집효율이 다소 감소하는 것으로 나타났다 섬유상 필터 mat를 세 겹으로 구성한 다층필터(multi-layer filter)는 최대 99.99%까지의 높은 효율을 보여주었고, 압력강하 또한 함께 증가하여 품질계수가 단일층 필터는 0.111-0.148 Pa-1의 범위였지만, 다층 필터에서는 감소하여. 0.057-0.087 Pa-1의 범위로 나타났다. 고분자 전구체 용액을 제조할 때, 섬유필터의 광활성을 부가하기 위하여 광촉매로 알려진 입자상 TiO2를 첨가하여 방사해보았다. TiO2의 첨가량이 증가함에 따라 평균 직경이 196 nm에서 조건에 따라 최대 587 nm까지로 증가하였으며, 형태가 리본형으로 변하는 것을 관찰하였다. 또한 촉매입자가 10% 이상 투입되면 섬유와 원활하게 교착하지 못한 채, TiO2 응집체를 형성하는 것으로 보였다. TiO2의 함침여부는 EDS-mapping을 수행하여 확인하였다.
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