[논문]탄소나노튜브가 첨가된 전기방사 멤브레인의 미세입자 제거 성능 비교에 관한 연구

구민경; 김동완; 한상일

doi:10.9713/kcer.2018.56.1.56

탄소나노튜브가 첨가된 전기방사 멤브레인의 미세입자 제거 성능 비교에 관한 연구
Study on Performance Comparison in Carbon Nanotube Embedded Electrospun Membranes for Particulate Matter Removal 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.1, 2018년, pp.56 - 60

구민경 (창원대학교 화공시스템공학과) , 김동완 (창원대학교 화공시스템공학과) , 한상일 (창원대학교 화공시스템공학과)

초록
AI-Helper

미세입자가 미치는 부정적인 영향으로 인해 관심이 증가하여 공기 중 미세입자를 제거할 수 있는 멤브레인 필터의 성능향상을 위해 다양한 방법을 도입하여 왔다. 필터 섬유 제조 기술 중 전기 방사 기술이 최근에 가장 주목을 받고 있으며, 수 백 nm에서 수 십 ${\mu}m$ 까지의 균일한 직경의 섬유를 제조 할 수 있는 장점을 가진다. 전기 방사 기술로 생성한 섬유는 초극세 섬유로서 섬유의 생성과 동시에 3차원의 네트워크로 적층된 형태의 다공성 웹은 초박막, 초경량이며 기존 섬유에 비해 부피 대비 표면적비가 높고, 높은 기공도를 가지는 멤브레인을 제조 할 수 있으므로, 전기 방사 멤브레인의 여과 필터 성능이 크게 향상 될 것으로 예상이 된다. 본 연구에서는 polystyrene, cellulose acetate 멤브레인 필터를 이용하여 섬유 두께, 탄소나노튜브의 조성비에 따른 필터로서의 여과성능을 살펴보았으며, 필터소재의 성능 비교실험 결과 적정량의 CNT 소재의 첨가로 인해 필터의 여과 성능이 향상되는 것을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

There have been a lot of study to improve the performance of membrane filters as the removal of particulate matter has been of great interest due to the negative effects. Among the membrane fabrication techniques, the electrospinning technique is the most promising because it can produce uniform fibers ranging from nano to micrometer size. The electrospun membranes will greatly improve the filtration performance due to the high ratio of surface area to volume and the high porosity. In the present study, polystyrene (PS) and cellulose acetate (CA) polymers were used to produce the membranes with carbon nanotube (CNT), showing the filtration performances were improved with the optimal amounts of CNT.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

45 g을 첨가하여 20 wt% CA용액을 제조하였다. CA/CNT 용액을 제조하기 위해 CA 1.45, 1.3775, 1.2325 g에 CNT 0.0585, 0.117, 0.1755 g을 섞어 각각 CNT 5%, 10%, 15% CA 용액을 만들었다.
탄소나노튜브(CNT, carbon nanotube)가 폴리머에 첨가 되어 전기 방사 섬유의 물리적 강도가 증가될 수 있으며[13], 최근 연구에서 cellulose acetate (CA)에 CNT가 첨가되어 미세입자 제거 성능이 개선되었다[14]. Cellulose acetate의 경우 친수성이 강해 습한 공기에 장기간 노출 시 섬유 구조가 붕괴되는 약점을 가지므로, 본 연구에서는 수분에 강한 polystyrene (PS)을 이용해 전기 방사하여 cellulose acetate 와 미세입자 제거 효율을 비교하였으며, CNT를 첨가하여 CNT 조성에 따른 미세입자 여과 성능을 분석하였다.
10 g/mol, Sigma Aldrich) 4 g을 교반하여 20 wt% PS 용액을 제조하였다. PS/CNT 용액을 제조하기 위해 PS 0.95, 0.9, 0.85, 0.80 g과 CNT 0.05 g, 0.1 g, 0.15 g, 0.2 g 을 각각 DMF 4 g과 교반하여 CNT 비율 5%, 10%, 15%, 20% 의 PS 용액을 만들었다.
미세입자가 멤브레인에 여과될 때 멤브레인의 전후에 가해지는 압력 차이는 최소화 되어야 한다. 따라서 멤브레인을 통과하기 전, 후에 라인을 연결하여 압력 차이를 측정하였다. 멤브레인 분리 효율은 멤브레인 투과 전, 후에 측정된 에어로졸 농도 데이터를 이용하여 식 (1)을 이용하여 계산되었다[15].
멤브레인의 여과 성능을 분석하기 위해 입자 발생기, 멤브레인 홀더, 입자 측정기(OPS: Optical Particle Sizer)로 구성된 분석 시스템이 사용되었다(Fig. 2). 입자 발생기에서 NaCl 수용액이 0.
본 연구에서는 전기방사 방법을 이용하여 PS, CA 에 CNT 비율을 달리하여 PS/CNT, CA/CNT 멤브레인을 제조하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
멤브레인 통과 후 입자 분포를 분석하기 위해 2번 밸브를 닫고 1번 밸브를 열어 멤브레인을 통과한 에어로졸 입자 분포는 같은 방법으로 측정된다. 이때 각 부분을 연결하는 튜브로는 입자의 관 손실 및 마찰대전을 방지하기 위하여 타이곤 튜브를 이용하였다.
저전압주사전자현미경(Low voltage scanning electron microscope, ZEISS Merlin Compact)을 이용하여 멤브레인 표면과 단면의 구조, 섬유 직경을 관찰하였다. 전기방사에 의해 제조된 멤브레인에 전도성을 부여하기 위하여 스퓨터 코터(Sputter coater(Pt), Polaron SC7640)를 이용하여 백금(Pt) 코팅을 하였다.
저전압주사전자현미경(Low voltage scanning electron microscope, ZEISS Merlin Compact)을 이용하여 멤브레인 표면과 단면의 구조, 섬유 직경을 관찰하였다. 전기방사에 의해 제조된 멤브레인에 전도성을 부여하기 위하여 스퓨터 코터(Sputter coater(Pt), Polaron SC7640)를 이용하여 백금(Pt) 코팅을 하였다.

대상 데이터

Acetone (M_n=58.08 g/mol, Duksan) 3.8 g과 DMAc(N,N-Dimethyl acetamide, M_n=87.12 g/mol, Samchun Chemical) 1.9 g의 혼합 용매에 CA (Cellulose acetate, M_n=30,000 g/mol, Sigma Aldrich) 1.45 g을 첨가하여 20 wt% CA용액을 제조하였다. CA/CNT 용액을 제조하기 위해 CA 1.
PS (polystyrene, M_n=280,000 g/mol, Sigma Aldrich) 1.00 g과 DMF (N,N-dimethyl formamide, M_n=73.10 g/mol, Sigma Aldrich) 4 g을 교반하여 20 wt% PS 용액을 제조하였다. PS/CNT 용액을 제조하기 위해 PS 0.
7은 전기방사법으로 제조한 CA/CNT 10%, PS/CNT 10% 멤브레인의 표면을 2000 배로 측정한 표면을 보여준다. 멤브레인 파이버 평균 두께는(NIH, USA)[17] 소프트웨어를 사용하여 분석되었다 (Table 2 and 3). CA/CNT 와 PS/CNT 멤브레인을 비교하였을 때 CA/CNT 멤브레인의 섬유 두께가 더 얇아 멤브레인 표면적이 커서 PS/CNT 멤브레인에 비해 미세입자 여과 효율이 더 높은 것을 알 수 있다.
전기방사는 집진판 (Collector), 고전압 전원 공급장치, 시린지 펌프 (Syringe pump)로 구성된 시스템을 사용하여 수행되었다(Fig. 1). PS/CNT 용액은 유속 0.

성능/효과

(1) PS와 CA 멤브레인에 CNT를 첨가하였을 때, 멤브레인의 미세입자 제거 효율이 증가하였다. 하지만 일정 수준으로 CNT의 농도가 증가하면 효율이 높아지지만 그 경계를 넘어서면 효율이 감소하였다(Fig.
(2) PS 멤브레인의 표면을 비교하였을 때 PS/CNT 15% 파이버의 두께가 가장 얇으므로 표면적이 넓어 최적의 여과 효율을 보였다 (Fig. 8, Table 3).
(3) PS와 CA 멤브레인을 비교 하였을 때 CA멤브레인이 PS멤브레인 보다 파이버 평균 두께가 작다(Table 2, 3). 따라서 CA 멤브레인의 표면적이 더 넓으므로 PS 멤브레인보다 우수한 제거 효율을 보였다(Fig.
(4) 모두 8가지의 멤브레인이 제조되었으며 CA/CNT 10% 멤브레인이 가장 우수한 미세입자 제거 효율을 보였다(Fig. 4, 5).
944 μm 에서 제거 효율을 보여준다. CA/CNT 멤브레인에 대해 수행된 이전 연구에서처럼, PS 멤브레인에 CNT가 첨가 될수록 분리 효율은 증가하였으며 CNT 15% 일 때 90% 이상의 최적 분리 효율을 보였으며 더 많은 CNT가 첨가 된 경우 분리 효율은 다시 떨어지는 경향을 나타내었다.
멤브레인 파이버 평균 두께는(NIH, USA)[17] 소프트웨어를 사용하여 분석되었다 (Table 2 and 3). CA/CNT 와 PS/CNT 멤브레인을 비교하였을 때 CA/CNT 멤브레인의 섬유 두께가 더 얇아 멤브레인 표면적이 커서 PS/CNT 멤브레인에 비해 미세입자 여과 효율이 더 높은 것을 알 수 있다. Table 2에 따르면 CNT 비율이 증가할수록 파이버 두께가 줄어들어 표면적이 증가하여 분리 효율이 향상되는 결과와 일치한다.
멤브레인을 통과 후 미세입자의 개수가 전체적으로 크게 줄어들었다. CNT의 농도가 높아질수록 많은 입자가 제거 되었으며, 15% CNT가 첨가 되었을 때 최고의 분리 성능을 보였다. 하지만 PS/CNT 20% 멤브레인 통과 후에는 입자의 개수가 다시 증가하여 상대적으로 낮은 분리 성능을 보였다.
(3) PS와 CA 멤브레인을 비교 하였을 때 CA멤브레인이 PS멤브레인 보다 파이버 평균 두께가 작다(Table 2, 3). 따라서 CA 멤브레인의 표면적이 더 넓으므로 PS 멤브레인보다 우수한 제거 효율을 보였다(Fig. 4, 5). 하지만 PS 멤브레인은 CA 멤브레인에 비해 수분에 더 강하므로 습도가 높은 환경에서 PS 멤브레인이 장기간 사용에 더 유리할 것으로 예상된다.
3으로 크게 줄어들었다. 하지만 CA/CNT 15%에서 56.2으로 에어로졸의 수가 다시 증가하여, CA/CNT 10% 일 때 가장 좋은 제거 효율이 관찰되었다. Table 1은 멤브레인의 종류에 따른 압력차의 평균값으로 전기방사 멤브레인 종류에 따른 큰 차이는 보이지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	멤브레인 방법의 여과 원리는?	반면 멤브레인을 이용한 미세 입자 제거 방법은 소형화, 저전력, 개인용 마스크 적용 등의 다양한 장점을 가져 멤브레인의 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진 행되고 있다. 미세입자는 크기 차이에 의해 공기는 멤브레인 내부 기공을 통해 흐르며 미세입자는 통과하지 못해 여과된다. 또한 멤브 레인을 통과한 미세입자들은 브라운 운동에 의해 입자가 멤브레인 섬유 주위를 흘러갈 때, 유선을 벗어나는 입자는 물체에 부착되게 되어 2차적으로 여과된다[4]. 일반적으로 기공의 크기가 균일하고 작을수록, 섬유의 두께가 작아져 표면적이 클수록 여과 효율은 높아 진다.
	전기방사 멤브레인에 의해 제조된 섬유의 특징은?	폴리머 용액이나 용융 물에 고전압을 인가하면 주사기 바늘과 집진판 사이에 전기장을 형성시켜 수백 나노에서 수십 마이크로 미터의 섬유가 집진판에 방사 되어 섬유 멤브레인이 형성된다[6]. 전기방사 멤브레인에 의해 제조된 섬유 직경은 균일하며 다공도가 크기 때문에, 재래식 방법에 의해 제조된 멤브레인에 비해 단위 부피당 표면적이 큰 장점을 가져 필터 뿐만 아니라 에너지 저장, 약물전달, 센서 등 다양한 분야에 적용된다[7-9].
	CNT 농도에 따른 멤브레인의 미세입자 제거 효율의 변화는?	(1) PS와 CA 멤브레인에 CNT를 첨가하였을 때, 멤브레인의 미세입자 제거 효율이 증가하였다. 하지만 일정 수준으로 CNT의 농도가 증가하면 효율이 높아지지만 그 경계를 넘어서면 효율이 감소하였다(Fig. 4, 5).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증