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문제 정의
- 본 연구에서는 기존에 적용된 CNT전기방사 필터의 높은 원료비를 극복하기 위해 활성탄을 첨가하여 전기방사를 수행하였다. 위에 제시된 결과처럼 활성탄이 증가함에 따라 초미세입자 제거 효율은 크게 증가하였으며, 활성탄 농도가 5 wt%를 초과하였을 때는 전기방사에 어려움이 있었다.
제안 방법
- 2번 밸브를 잠그고 1번 밸브를 열어 TEST FILTER를 통과한 기체만이 OPS로 유입되도록 하여 필터 통과 전, 후의 공기 중 입자 개수를 측정하여 성능을 분석하였으며, 1 atm, 20~23 °C 조건하에서 수행되었다.
- CA 필터에 활성탄이 첨가되었을 경우 VOCs 흡착량에 미치는 영향을 분석하기 위해 quartz crystal microbalance (QCM)을 이용하여 샘플에 흡착되는 아세톤의 양을 측정하였다. QCM은 센서에 가해지는 미세한 질량 변화를 quartz crystal의 진동수 변화로 측정하여 시간당 변하는 샘플 질량을 실시간으로 보여준다[13].
- 나노섬유 필터가 가지는 초미세 입자 제거 성능이 증가된다면 전기 방사 필터 두께를 감소할 수 있으며, 공기의 흐름을 증대하여 착용감이 개선될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 나노섬유 필터에 활성탄을 첨가하였다. 활성탄은 목재, 갈탄, 무연탄 및 야자껍질 등을 원료로 제조되는 미세세공이 잘 발달된 무정형 탄소의 집합체로서, 활성화 과정에서 분자 크기 정도의 미세세공이 잘 형성되어 큰 내부표면적을 가지게 되는 흡착제이다[10].
- 본 연구에서는 1500 ml 유리 용기내에 아세톤 0.15 ml를 주입하여 30 °C 온도 하에서 샘플에 흡착된 최대량을 측정하여 흡착량(adsorption capacity)을 비교하였다.
- 기존의 연구에서 셀룰로스 아세테이트 전기방사 섬유에 탄소나 노섬유(CNT)를 첨가하였을 때, 미세입자 제거 효율이 개선되는 결과를 얻었다[9]. 본 연구에서는 CNT보다 더 저렴한 활성탄을 이용하여 셀룰로스 아세테이트 폴리머 용액과 혼합하여 전기 방사를 하였다. 필터 성능을 평가하기 위해 공기 중 입자 크기 별로 농도 및 개수 분석이 가능한 OPS (optical particle size)를 이용하여 필터 전후의 미세입자 농도를 분석하였다.
- 9 µm 크기의 입자가 가장 많이 생성되었다. 생성된 미세입자는 각각 0%, 1%, 3%, 5% 활성탄 (AC)이 포함되어 있는 CA (cellulose acetate) 섬유 필터를 통과하였고, 필터 통과 후 공기중 미세입자 개수가 측정되었다 . 활성탄이 없는 전기방사 필터의 경우 필터 통과 후 0.
- 필터에 의한 압력 저하가 클수록 필터의 수명과 호흡에 나쁜 영향을 미치므로, 차압계를 설치하여 기체가 필터를 통과하기 전, 후 필터에 가해지는 압력을 측정하여 필터의 성능을 평가하였다. 이때 각 부분을 연결하는 튜브로는 입자의 관 손실 및 마찰대전을 방지하기 위하여 타이곤 튜브를 이용하였다.
- 전기방사 실험에 사용할 고분자용액을 제조하기 위해 CA (Cellulose Acetate)를 acetone과 DMAc (N-N,Dimethyl Acetamide) 2:1 비율 혼합 용매에 녹여 15 wt% (CA:혼합 용매) 용액을 만들었다. Acetone 7.
- 본 연구에서는 CNT보다 더 저렴한 활성탄을 이용하여 셀룰로스 아세테이트 폴리머 용액과 혼합하여 전기 방사를 하였다. 필터 성능을 평가하기 위해 공기 중 입자 크기 별로 농도 및 개수 분석이 가능한 OPS (optical particle size)를 이용하여 필터 전후의 미세입자 농도를 분석하였다. 전기방사 섬유의 두께와 구조를 분석하기 위해 SEM (scanning electron microscope)을 사용하였다.
- 필터에 의한 압력 저하가 클수록 필터의 수명과 호흡에 나쁜 영향을 미치므로, 차압계를 설치하여 기체가 필터를 통과하기 전, 후 필터에 가해지는 압력을 측정하여 필터의 성능을 평가하였다. 이때 각 부분을 연결하는 튜브로는 입자의 관 손실 및 마찰대전을 방지하기 위하여 타이곤 튜브를 이용하였다.
- 8 g, CA 2 g을 혼합한 후 마그네틱교반기를 이용하여 50 °C에서 2시간 정도 교반시켜 용액을 완성하였다. 활성탄을 첨가한 용액은 전체 용액 질량에서 0.01, 0.03, 0.05를 곱해준 값만큼 활성탄을 첨가하여 1, 3, 5% 활성탄 용액을 준비하였다. 모든 약품은 Sigma Aldrich 제품이 사용되었으며 용매는 시약 등급, 활성탄은 DARCO® 100 mesh 사이즈(입자크기 100 µm 이하)를 사용하였다.
대상 데이터
- 모든 약품은 Sigma Aldrich 제품이 사용되었으며 용매는 시약 등급, 활성탄은 DARCO® 100 mesh 사이즈(입자크기 100 µm 이하)를 사용하였다.
- 전기방사로 얻은 필터의 성능을 실험하기에 앞서 필터에 수분이 축적되어 내부 기공을 막는 것을 방지하기 위해 공기 건조 장치가 사용되었다. NaCl 입자와 습한 공기는 실리카겔로 채워진 dehumidifier를 통과하며 습도는 60%에서 20% 낮아져 미세입자는 필터로 주입된다(Fig.
- 필터 성능 분석을 위한 미세입자를 생성하기 위해 NaCl 과포화 수용액과 compressor가 사용되었다. 멤브레인의 여과 성능을 분석하기 위해 입자 발생부에서 atomizer을 통해 NaCl 수용액이 입자 화되어 필터로 주입된다(Fig.
이론/모형
- 필터 성능을 평가하기 위해 공기 중 입자 크기 별로 농도 및 개수 분석이 가능한 OPS (optical particle size)를 이용하여 필터 전후의 미세입자 농도를 분석하였다. 전기방사 섬유의 두께와 구조를 분석하기 위해 SEM (scanning electron microscope)을 사용하였다.
- 전기 방사 필터의 경우 균일한 직경의 내부 구조를 보여주며 활성탄이 첨가되었을 경우 활성탄이 섬유 사이에 덩어리로 존재하여 농도가 증가할수록 활성탄 분포도가 증가하는 것을 알 수 있다. 전기방사 필터 종류에 따른 섬유 평균 두께와 평균 내부 기공 크기는 ImageJ (NIH, USA) [14] 소프트웨어를 사용하여 분석되었다. Table 1에 따르면 활성탄의 첨가에 따른 섬유 직경, 기공 크기는 크게 영향을 받지 않았고, 파이버 두께는 초미세입자의 효율적 필터가 가능한 1 µm 이하이다.
성능/효과
- (1) 첨가된 활성탄의 양이 증가할수록 초미세입자 제거 효율이 증가하였으며, 특히 0.9 µm 크기의 입자가 제거되는 비율이 가장 컸다.
- (2) 전기방사된 활성탄 입자는 CA 섬유 외부에 분산되므로 VOCs 흡착에 효율적이며 활성탄 비율이 증가함에 따라 아세톤 분자 흡착량이 증가하였다.
- (3) 활성탄의 양이 5 wt%를 초과하였을 때, 전기방사 시 활성탄 입자가 서로 응집되고 섬유가 균일하게 방사되지 않는 어려움이 있었다.
- 활성탄이 없는 전기방사 필터의 경우 필터 통과 후 0.9 µm 크기 미세입자 개수가 34% 줄어들었으며, 활성탄의 농도가 증가할수록 미세입자 개수는 더 많이 줄어들어 5% AC/CA 필터의 경우 입자개수가 3220에서 511로 84% 줄어드는 결과를 보였다.
후속연구
- (4) 본 연구에서 적용된 AC/CA 전기방사 방법은 개인용 마스크나 기존 필터에 적용되어 미세입자와 분자 수준의 유기화합물 동시 제거를 위해 적용될 수 있다.
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