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문제 정의
- 본 글에서는 각각 SiO2-Ag 나노입자와 Carbon Nano Tube를 필터에 코팅하는 과정과 이들 필터의항바이러스 능력 평가에 대해 소개하고자 한다. 공기 중에 부유하는 바이러스의 생명성을 측정하는것은 실험적으로 제한점을 갖는다.
- 연구에서 검증되어 왔다. 본 평가에서는 최근 바이오에어로졸 중 더욱 이슈가 되고 있는 바이러스에 대한 은나노와 CNT의 항바이러스능력을 평가하였다. 실제 인간에게 감염되는 바이러스는 위험하므로 인간이 아닌 박테리아를 숙주로 하는 박테리오 파지 바이러스인 MS2 바이러스를 이용하여실험을 진행하였다.
- 이온 발생기의 성능을 평가하기 이전에 이온발생기 부착을 위한 연구를 선행하였다. 공기 이온 발생기는 고전압에 의해 작동된다.
제안 방법
- 대표적인 항바이러스 물질인 은나노 입자가 코팅된 필터와 CNT가 코팅된 필터를 제작하고 그 표면 특성을 분석하였으며, 제작된 필터의 여과 특성및 항바이러스 능력을 실험을 통해 살펴보았다.
- CNT 필터도 SiO2-Ag 나노입자 필터와 마찬가지로 압력손실을 평가한 결과코팅에 따른 압력손실은 미비한 것으로 나타났다. 또한 필터에 증착된 CNT가 유동에 의해 탈착되는지 알아보기 위해 탈착률에 대한 평가도 진행을 하였다. 실제필터의 구동조건과 같게 유속을 설정하고 두 가지 방법으로 각각 CNT가 코팅된 필터를 설치하고 필터후단에서 입자를 측정한 결과 입자는거의 측정되지 않았다.
- 본 연구에서는 바이러스 중 인간에게 감염되지 않는, 박테리아를 숙주로 삼는 박테리오 파지 MS2 바이러스를 사용하였다. 박테리오 파지 MS2 바이 러스를 사용하여 필터와 공기이온의 항바이 러스 성능을 평가하였다.
- 있다. 본 실험을 수행하기 전에 바이러스가 필터상에서 재탈착되는 정도를 알아보기 위하여 탈착률실험을 진행하였다. 액상의 바이러스 용액을 필터상에 도말한 후 건조시킨 뒤 10ml의 탈이온수에 넣어 sonication 시간을 달리하여 바이러스를 재탈착시킨다 필터에 부착된 바이러스는 쉽게 떨어지지않으므로 효과적인 재탈착을 위하여 10~20kHz의음파를 이용하는 sonication을 사용한다.
- 이 때문에 공기 이온 발생장치를 덕트에 장착할 때 덕트의 전도성 여부에 따라 이온발생기의 성능이 변화된다. 선행 실험결과 아크릴덕트에 이온발생기를 부착한 경우가가장 이온발생량이 많고 안정적이었으므로 아크릴덕트를 사용하여 평가를 진행하였다. 발생된 이온은 입자 측정기인 scanning mobility particle sizer (SMPS, TSI)를 이용하여 측정 하였고 실험에 사용할 바이러스는 비병원성의 박테리오 파지 MS2 바이러스를 사용하였다.
- 또한 필터에 증착된 CNT가 유동에 의해 탈착되는지 알아보기 위해 탈착률에 대한 평가도 진행을 하였다. 실제필터의 구동조건과 같게 유속을 설정하고 두 가지 방법으로 각각 CNT가 코팅된 필터를 설치하고 필터후단에서 입자를 측정한 결과 입자는거의 측정되지 않았다. 이로서 두 경우 모두 CNT 가 성공적으로 코팅된 것을 확인할 수 있었다.
- 은나노 입자와 CNT(carbon nano tube)를 필터에코팅함으로서 항바이 러스 특성을 부가하였고, 이를 바이오에어로졸 저감 장치로의 적용 가능성에 대해 살펴보았다. 은도금된 필터는 순수한 필터에 비해 높은 항바이러스 특성을 보였으며, 은나노 입자의 부착으로 인한 차압의 증가 등은 나타나지 않았다.
- 바-이러스 용액을 준비한 뒤 제작된 항바이러스 필터를 테스트 덕트에 설치하고 입자발생기를 이용하여 바이러스를 뿌려준다. 이온이 제거된 탈이온수(Deionized Water)에바이러스를 탈착시킨 뒤 박테리아 용액과 함께 고체배지에 도말하여 PFU assay를 진행한다. PFU는 plaque forming unit 으로 고체배지에 바이 러스용액과 박테리아용액을 함께 도말하여 배양할 경우 바이러스가 박테리아를 숙주로 삼아 죽이고 번식하기때문에 바이러스가 있는 곳 주위로는 박테리아가 사멸된 원형의 plaque가 형성된다.
- 60분이 지났을 경우에는 30분에서의 효율보다 떨어진 33%를 나타내었는데 이는과도한 sonication에 의한 스트레스 때문에 바이러스의 생존에 영향을 끼쳤을 것으로 생각된다. 재탈착률 실험 후 본 실험을 진행하였다. MS2 바이러스를 유량계와 입자발생기를 사용하여 21pm 유량으로 에어로졸화하여 일반 medium 필터상에 30분간포집한다.
- 8 ppb로 실내 규제치인 60ppb보다 훨씬 낮았다. 제작된 공기이온 발생기를사용하여 바이러스에 대한 저감효율을 평가하였다.
- 제작된 필터가 설치된 덕트에 청정공기를 유입하여 유입되는 유량에 따른 필터 전, 후단에서의 압력을 측정하여 압력손실을 평가한다. 차압 평가결과 유속이 증가함에 따라 차압이 증가하는 경향을보였으나, 같은 유속일 경우에 SiO2-Ag 나노입자코팅에 따른 추가적인 차압증가는 미비하였다.
- 또한 기존 액상평가방법으로 효율 평가 결과 일정 코팅 량이상에서 90%이상의 항바이러스 효율을 나타내었지만 실제 필터의 구동 조건과 동일한 조건에서 평가하였을 때 필터가 얼마만큼의 효율을 갖는지 평가할 필요가 있을 것으로 보인다. 코로나방전을 이용한 공기이온 발생기를 이용하여 바이오에어로졸저감효율을 평가하였고 공기이온 농도에 따른 항바이러스 효율을 살펴보았다. 일정 농도 이상에서는 이온의 농도가 증가하여도 효율이 점점 일정해지는 경향을 보였고, 최고 78% 정도의 항바이러스 효율을 나타내었다.
대상 데이터
- 선행 실험결과 아크릴덕트에 이온발생기를 부착한 경우가가장 이온발생량이 많고 안정적이었으므로 아크릴덕트를 사용하여 평가를 진행하였다. 발생된 이온은 입자 측정기인 scanning mobility particle sizer (SMPS, TSI)를 이용하여 측정 하였고 실험에 사용할 바이러스는 비병원성의 박테리오 파지 MS2 바이러스를 사용하였다.
- 물론 각각의 바이러스들이 갖고 있는 고유의 생명성은 다를 수 있지만 이들이 갖고있는 생명성의 경향을 판단하는데 의미를 지니고있다. 본 연구에서는 바이러스 중 인간에게 감염되지 않는, 박테리아를 숙주로 삼는 박테리오 파지 MS2 바이러스를 사용하였다. 박테리오 파지 MS2 바이 러스를 사용하여 필터와 공기이온의 항바이 러스 성능을 평가하였다.
- 본 평가에서는 최근 바이오에어로졸 중 더욱 이슈가 되고 있는 바이러스에 대한 은나노와 CNT의 항바이러스능력을 평가하였다. 실제 인간에게 감염되는 바이러스는 위험하므로 인간이 아닌 박테리아를 숙주로 하는 박테리오 파지 바이러스인 MS2 바이러스를 이용하여실험을 진행하였다.
성능/효과
- 이온발생기 중 carbon fiber 타입은 방전 전극의 개시전압을 낮추어 더 낮은 전압에서 코로나 방전이 일어날 수 있게 하고, 그로인해 오존 등의 추가적인 부산물이 덜 생성되게 한다. carbon fiber 타입 이온 발생기가 설치된 유속 1.0 m/s 의 4cm X 4cm의 실험 덕트 후방 40cm에서 오존의발생농도를 측정한 결과 0.8 ppb로 실내 규제치인 60ppb보다 훨씬 낮았다. 제작된 공기이온 발생기를사용하여 바이러스에 대한 저감효율을 평가하였다.
- 액상의 바이러스 용액을 필터상에 도말한 후 건조시킨 뒤 10ml의 탈이온수에 넣어 sonication 시간을 달리하여 바이러스를 재탈착시킨다 필터에 부착된 바이러스는 쉽게 떨어지지않으므로 효과적인 재탈착을 위하여 10~20kHz의음파를 이용하는 sonication을 사용한다. sonication 시간을 각각 1분, 5분, 10분, 30분 60분 수행한 결과 초기 1분안에 약 20%의 바이러스가 필터상에서재탈착 되었으며, 30분이 지났을 때 36%의 최대 재탈착 효율을 보였다. 60분이 지났을 경우에는 30분에서의 효율보다 떨어진 33%를 나타내었는데 이는과도한 sonication에 의한 스트레스 때문에 바이러스의 생존에 영향을 끼쳤을 것으로 생각된다.
- 공기이온에 의한 항바이러스 능력은 90%가 넘는 항바이러스필터의 바이러스 제거 능력보다는 낮게 나왔다. 하지만 항바이러스 필터와 공기이온을 같이 사용한다면 훨씬 효과적인 항바이 러스 능력을 나타낼 것으로 보인다.
- 바이러스 용액을 고체배지에 도말하여 하루동안 배양 후 PFU assay를 진행한다. 실험 결과 바이 러스의 PFU는 노출된 이온의 농도 증가에 따라 지수적으로 감소하는 경향을 보였다. 따라서 이온 발생기의 농도가 증가함에 따라 항바이러스 능력이 증가되는 것을 볼수 있었다.
- 육안으로도 필터에 SiO2-Ag 나노파티클이 코팅된 것을 확인할 수 있으며 SEM(Scanning Electron Microscopy; JSM-6500F, Jeo3牛 XRD(X-ray Diffraction; D/MAX-Rint 2000, Rigaku) 분석을 통해 코팅된 물질이 SiO2-Ag 나노 입자라는 것을 확인할 수 있다. 그림 3는 은나노 입자가 코팅된 필터의 SEM 이미지이다.
- 있었다. 은나노 필터의 경우 약 8.8><109#/0구의 코팅 면밀도에서 약 93%의 바이러스 제거성능을보였고, CNT 필터의 경우 약 1.5xlO9#/cm2의 코팅 면밀도에서 약92%의 바이러스 제거 성능을 보였다. 그림 7은 코팅 면밀도에 따른 각각의 필터의항바이러스 효율을 나타내고 있다.
- 은도금된 필터는 순수한 필터에 비해 높은 항바이러스 특성을 보였으며, 은나노 입자의 부착으로 인한 차압의 증가 등은 나타나지 않았다. 단, 은도금으로 인해 필터의 비표면적이 감소하는 경향을 보였으며, 따라서 과도한 양의 은도금은 필터의 흡착 성능을 현격하게 저하시킬 수 있는 문제를 지니고 있다.
- 코로나방전을 이용한 공기이온 발생기를 이용하여 바이오에어로졸저감효율을 평가하였고 공기이온 농도에 따른 항바이러스 효율을 살펴보았다. 일정 농도 이상에서는 이온의 농도가 증가하여도 효율이 점점 일정해지는 경향을 보였고, 최고 78% 정도의 항바이러스 효율을 나타내었다. 실제 유동조건 속에서 바이러스와 공기이온과의 접촉 방법과 시간을 늘려 효율을 더욱 높이는 것이 과제라고 할 수 있겠다.
- 측정하여 압력손실을 평가한다. 차압 평가결과 유속이 증가함에 따라 차압이 증가하는 경향을보였으나, 같은 유속일 경우에 SiO2-Ag 나노입자코팅에 따른 추가적인 차압증가는 미비하였다. 또한 유입되는 유체의 속도가 실제 필터 동작 환경에서 약 2m/s와 같은 유속일 때, 코팅된 입자의 양과필터 종류에 무관하게 필터 후단에서 입자는 관측되지 않았다.
- 평가결과 두 종류의 필터모두 코팅된 입자가 증가할수록 지수적으로 PFU가 감소하였으며, 일정 코팅량 이상에서 90%가 넘는 효율을 나타내는 것을 알수 있었다. 은나노 필터의 경우 약 8.
후속연구
- 공기 중에 부유하는 바이러스의 생명성을 측정하는것은 실험적으로 제한점을 갖는다. 실험대상이 되는 바이러스가 갖고 있는 감염성 때문에 실험군을선택하는데 제한적일 수밖에 없다.
- 항바이러스 특성을 보임과 동시에흡착 특성을 최대로 유지하기 위해 최적화된 양을 결정하는 것이 중요한 과제라 할 수 있다. 또한 기존 액상평가방법으로 효율 평가 결과 일정 코팅 량이상에서 90%이상의 항바이러스 효율을 나타내었지만 실제 필터의 구동 조건과 동일한 조건에서 평가하였을 때 필터가 얼마만큼의 효율을 갖는지 평가할 필요가 있을 것으로 보인다. 코로나방전을 이용한 공기이온 발생기를 이용하여 바이오에어로졸저감효율을 평가하였고 공기이온 농도에 따른 항바이러스 효율을 살펴보았다.
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