전기방사를 이용한 탄소나노튜브 폴리머 공기정화 멤브레인 개발 Development of Electrospun Cellulose Acetate Membranes using Carbon Nanotubes for Filtration of Particulate Matter in the Air원문보기
공기 중 분포하는 직경 $0.01{\mu}m{\sim}10{\mu}m$ 이하의 공기 중 미세입자는 섬유 층으로 구성된 멤브레인을 이용하여 제거될 수 있다. 전기 방사 기술, 용융방사, 용액방사, 겔 상태방사와 같은 필터 섬유 제조 기술 중 전기 방사 기술이 최근 가장 주목 받고 있으며, 다른 기술들에 비하여 수백 나노~수십 마이크로미터 정도의 균일한 직경의 섬유를 제조할 수 있다. 전기 방사 기술로 개방된 내부 구조, 넓은 다공성, 내부 표면적을 가지는 멤브레인을 제조할 수 있으므로, 전기 방사 멤브레인의 여과 성능이 눈에 띄는 향상을 보일 것으로 예상된다. 본 연구에서는 멤브레인 필터 섬유 두께, 밀도, 탄소나노튜브 첨가 등에 따른 분리 효율을 비교하였다. 분리 효율은 기공 크기가 작을수록, 섬유가 촘촘히 배열될수록 증가하였다.
공기 중 분포하는 직경 $0.01{\mu}m{\sim}10{\mu}m$ 이하의 공기 중 미세입자는 섬유 층으로 구성된 멤브레인을 이용하여 제거될 수 있다. 전기 방사 기술, 용융방사, 용액방사, 겔 상태방사와 같은 필터 섬유 제조 기술 중 전기 방사 기술이 최근 가장 주목 받고 있으며, 다른 기술들에 비하여 수백 나노~수십 마이크로미터 정도의 균일한 직경의 섬유를 제조할 수 있다. 전기 방사 기술로 개방된 내부 구조, 넓은 다공성, 내부 표면적을 가지는 멤브레인을 제조할 수 있으므로, 전기 방사 멤브레인의 여과 성능이 눈에 띄는 향상을 보일 것으로 예상된다. 본 연구에서는 멤브레인 필터 섬유 두께, 밀도, 탄소나노튜브 첨가 등에 따른 분리 효율을 비교하였다. 분리 효율은 기공 크기가 작을수록, 섬유가 촘촘히 배열될수록 증가하였다.
The removal of particulate matter ranging from $0.01{\mu}m{\sim}10{\mu}m$ can be performed by using membrane filters composed of fibers. Electrospinning techniques offer the production of very thin fibers with a uniform fiber diameter over conventional techniques including template synthe...
The removal of particulate matter ranging from $0.01{\mu}m{\sim}10{\mu}m$ can be performed by using membrane filters composed of fibers. Electrospinning techniques offer the production of very thin fibers with a uniform fiber diameter over conventional techniques including template synthesis, melt-blown, phase separation, etc. Air filtration will be improved with electrospun membranes due to the open pore structures, high porosity, and large surface area of the membranes. In the present study, filtration efficiency increased with pore size decrease and fiber density increase induced by carbon nanotube and the increased CA (cellulose acetate) concentration during electrospinning process.
The removal of particulate matter ranging from $0.01{\mu}m{\sim}10{\mu}m$ can be performed by using membrane filters composed of fibers. Electrospinning techniques offer the production of very thin fibers with a uniform fiber diameter over conventional techniques including template synthesis, melt-blown, phase separation, etc. Air filtration will be improved with electrospun membranes due to the open pore structures, high porosity, and large surface area of the membranes. In the present study, filtration efficiency increased with pore size decrease and fiber density increase induced by carbon nanotube and the increased CA (cellulose acetate) concentration during electrospinning process.
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문제 정의
높은 전기장 차이가 발생하는 추진력(driving force)에 의해 니들에서 생성된 폴리머 제트(jet)는 많은 공정변수(방사거리, 용액 농도, 실린더 유속, 전압, 컬렉터 선속도, 컬렉터의 전기전도도 및 온도 등)에 노출되어 있고, 이는 전기방사 섬유의 특성을 결정하는 중요한 공정변수들이다[13-15]. 본 연구에서는 방사거리, 실린더 유속, 집진판 전압에 따른 나노섬유의 직경 변화, 여과성능에 대해서 살펴보았다.
제안 방법
9는 CA용액을 전기방사법으로 제조한 멤브레인의 표면을 1000배로 측정한 결과이다. CA의 농도 변화에 따른 멤브레인의 변화를 관찰하고자 CA15와 CA19를 비교해보았다. 섬유 평균 두께와 평균 내부 기공 크기는 ImageJ (NIH, USA) [17] 소프트웨어를 사용하여 분석되었다(Table 2).
멤브레인의 성능을 평가하기 위해 차압계를 설치하여 기체가 멤브레인을 지나갈 때 가해지는 압력을 측정하여 압력 강하를 측정하였다. 멤브레인 분리 효율은 멤브레인 투과 전, 후의 에어로졸 농도 데이터를 이용하여 식 (1)을 바탕으로 계산되었다[16].
본 연구에서는 전기방사 방법을 이용하여 CA 농도 변화에 따른 섬유의 제조와 CNT를 첨가한 섬유의 제조와 관련하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
저전압주사전자현미경(Low voltage scanning electron microscope, Merlin compact)을 이용하여 멤브레인 표면과 단면의 구조 그리고 직경을 관찰하였다.
전기방사는 Fig. 1을 참고하여 Fig. 2와 같이 설계하였고, 고전압 전원 공급장치, 집진판(Collector), 용액을 일정한 유량과 유속으로 제어하는 실린지 펌프(Syringe pump)로 구성되어 있다.
전기방사에 의해 제조된 멤브레인에 전도성을 부여하기 위하여 스퓨터 코터(Sputter coater (Pt), Polaron SC7640)을 이용하여 백금 (Pt) 코팅을 하였다.
대상 데이터
CA/CNT 용액은 CNT (carbon nano tube) 0.1 g을 고정하였고, CA 0.9 g (CA/CNT15), 1.26 g (CA/CNT19)과 용매인 acetone 3.8 g과 DMAc 1.9 g을 교반하여 용액을 제조하였다.
CA의 농도 변화에 따른 멤브레인의 변화를 관찰하고자 CA15와 CA19를 비교해보았다. 섬유 평균 두께와 평균 내부 기공 크기는 ImageJ (NIH, USA) [17] 소프트웨어를 사용하여 분석되었다(Table 2).
이론/모형
그런 다음 2번 밸브를 잠그고 1번 밸브를 열어 TEST FILTER를 통과한 기체만이 미세입자 측정 장치로 유입되도록 한다. 이 때 각 부분을 연결하는 튜브로는 입자의 관손실 및 마찰대전을 방지하기 위하여 타이곤 튜브를 이용하였다.
성능/효과
(1) 일정 수준으로 CA의 농도가 증가하면 효율이 높아지다가 그 경계를 넘어서면 효율이 떨어지는 현상을 볼 수 있다.
(2) CA19 멤브레인에 CNT를 추가하였을 경우 CA15 멤브레인에 비해, 입자 크기 1 μm에 대해 더 우수한 입자 제거를 보였다.
(3) CA 농도가 증가함에 따라 섬유의 직경이 증가하고, 곧은 선의 형태를 띠면서 비교적 촘촘하고 균일해지는 형상을 보인다.
(4) 모두 6가지의 멤브레인이 제조되었으며 CA19 멤브레인에 CNT를 첨가한 CA/CNT19 멤브레인이 입자 크기 1 μm에서 가장 우수한 분리 효율을 보였다.
254 μm 크기의 입자를 제외하고 나머지는 대부분 필터링 되는 것을 확인할 수 있다. 15 wt%~19 wt%에서는 전기방사 CA 용액 농도가 높아질수록 특정 크기 입자의 수가 줄어 드는 것을 확인할 수 있다. 하지만 CA21 멤브레인 통과 후에는 2.
CA 멤브레인과 유사한 에어로졸 분포도를 보이며, 15 wt% 에서는 에어로졸 개수가 2.39×103 에서 CNT 첨가 후 2.00×103 으로, 19 wt% 에서는 1.61×103 에서 577.9으로 에어로졸의 수가 확연히 줄어들었음을 확인할 수 있다.
입자크기 1 μm에 대해 CA15 멤브레인에서 분리효율은 54% 정도로 가장 낮으며 CA17, CA19 멤브레인에서 분리 효율은 68% 로 증가하였다가 CA21 멤브레인에서 분리효율은 61%로 다시 줄어들었다. CA 용액 농도가 높아질수록 동일한 입자크기에서 분리 효율은 증가하여 CA19 멤브레인에서 최적의 효율을 보였다.
CA의 농도가 증가함으로써 섬유의 직경이 커지고 곧은 선의 형태를 띠어 촘촘하고 균일해져 여과 효율이 높아진다. CNT가 첨가 됨에 따라 섬유 직경은 같거나 다소 감소하였으며, 섬유 밀도는 높아져 내부 기공이 줄어들고 곧게 배열되어 제거 효율을 향상시키는 결과를 얻었다.
농도가 증가함에 따라 폴리머 용액의 점도가 증가하였고, 섬유의 직경이 0.55에서 1.27 μm로 커졌다.
9으로 에어로졸의 수가 확연히 줄어들었음을 확인할 수 있다. 분리 효율은 CA 15%에 CNT를 첨가할수록, 54에서 62, 92%로 점점 증가하였다. Table 1은 멤브레인의 종류에 따른 압력차의 평균값으로 전기방사 멤브레인 종류에 따른 큰 차이는 보이지 않았다.
입자크기 1 μm에 대해 CA15 멤브레인에서 분리효율은 54% 정도로 가장 낮으며 CA17, CA19 멤브레인에서 분리 효율은 68% 로 증가하였다가 CA21 멤브레인에서 분리효율은 61%로 다시 줄어들었다.
즉, CA19 멤브레인을 통과한 후 에어로졸 개수는 5.2×103 개에서 1.61×103 으로 약 70% 줄어들어 가장 효율이 높은 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미세입자 정화를 위한 기존의 필터 시스템은 어떤 방식을 사용하는가?
공기 중 미세입자를 정화하기 위한 기존의 필터 시스템은 멤브레인의 기공(pore) 크기와 섬유의 구조에 따라 미세입자는 거르고 공기를 통과시키는 방식을 사용한다. 미세입자의 크기가 멤브레인 필터 기공의 크기보다 클 경우 공기 중 미세입자는 통과하지 못하고 공기만 멤브레인을 통과하게 된다[6].
산업화가 진행됨에 따른 문제는 어떤게 있는가?
산업화가 진행됨에 따라 공장이나 자동차, 선박, 항공기 등으로 부터 대기 중으로 배출되는 유해가스는 점점 늘어나 지구온난화 뿐만아니라, 환경오염으로 인한 인간 건강에 미치는 부정적인 문제들이 유발되고 있다. 특히, 우리나라의 경우, 편서풍을 타고 중국으로부터 유입된 스모그와 국내에서 자체 배출된 오염물질이 상호 복합적으로 작용하여 대기 중 미세입자(aerosol)의 농도를 증가시킨다[1,2].
미세입자의 특징은?
특히, 우리나라의 경우, 편서풍을 타고 중국으로부터 유입된 스모그와 국내에서 자체 배출된 오염물질이 상호 복합적으로 작용하여 대기 중 미세입자(aerosol)의 농도를 증가시킨다[1,2]. 대기 중에는 약 수십 nm 부터 수백 μm 까지 아주 다양한 크기의 입자들이 존재하며, 눈으로 입자를 확인할 수 있는 것부터 크기가 아주 작아 확인할 수 없는 것도 있다. 그 중에는 미생물, 방사능 입자, 담배연기 뿐만 아니라 공장·자동차에서 탄화수소 연소에 의해 배출되는 매연 등과 같이 인체에 해로운 입자들도 포함된다[3,4].
참고문헌 (17)
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