[사이언스] 섬유에 제올라이트 적용했더니 필터 성능 크게 개선... 미세먼지 제거효율 2배 이상

경북대 정성화 교수 연구팀, 압력강하가 매우 적은 미세먼지 필터 소재 개발

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2020/09/22 [18:57]

[사이언스] 섬유에 제올라이트 적용했더니 필터 성능 크게 개선... 미세먼지 제거효율 2배 이상

경북대 정성화 교수 연구팀, 압력강하가 매우 적은 미세먼지 필터 소재 개발

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2020/09/22 [18:57]

▲ 제올라이트를 이용한 미세먼지 제거 개념 / 그림의 왼쪽과 같이 높은 농도의 미세먼지가 존재하는 대기도 가운데의 제올라이트를 통과하면 오른쪽처럼 깨끗한 대기가 될 수 있다는 개념을 보여 주는 그림이며, 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A의 2020년 35호(9월 21일)의 겉표지 그림이다. / 제공 : 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry) (링크: https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ta/d0ta90207a?page=search)  © 특허뉴스

 

누구도 미세먼지의 고통에서 자유로울 수 없는 상황에서 국내 연구팀이 면(綿)이나 폴리에스터 같은 섬유에 실리콘, 알루미늄 및 산소를 주요 성분으로 가진 다공성(多孔性) 광물질인 제올라이트를 코팅하면 섬유의 미세먼지 제거효율을 2배 이상 높일 수 있다는 연구결과를 내놨다.

 

실제 제올라이트(zeolite)는 촉매와 흡착제, 세제 및 동물사료 등에 쓰이고 있고 천연 제올라이트 외에 합성 제올라이트도 용이하게 생산, 많이 유통되고 있다.

 

한국연구재단은 경북대학교 화학과 정성화 교수 연구팀이 제올라이트를 섬유에 소량 도입, 섬유의 미세먼지 제거효율이 면 같은 섬유 대비 2배 이상으로 향상되는 필터제조 기반기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

 

기존에도 다공성 물질을 도입한 필터의 성능개선 연구가 있었으나 제올라이트를 적용한 예는 이번이 처음이다. 제올라이트는 동물사료나 식품포장재의 첨가제로 사용될 정도로 비교적 무해하면서 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있다.

 

연구팀은 미세먼지 표면의 전하를 띠는 성분이 양전하와 음전하로 분리되는 성질인 전하분리 효과가 큰 제올라이트와 정전기적 상호작용을 할 것으로 기대했다. 특히 제올라이트는 특유의 다공성 구조로 넓은 표면적을 지녀 반응성도 뛰어날 것으로 예상했다.

전하분리가 잘 되면 전하를 띠는 또 다른 물질과 정전기적 상호인력으로 서로 쉽게 붙을 수 있기 때문이다.

 

실제 연구팀은 제올라이트가 코팅된 섬유(3 x 3 cm2) 필터에 심하게 오염된 (초미세먼지 300 ppm 이상, 미세먼지 700 ppm 이상) 공기를 통과시켰을 때(380 x 580 x 580 mm3 크기 챔버) 12 시간 이상 안정적으로 80% 이상의 미세먼지들을 제거하는 것을 확인했다.

순수 면의 경우 초미세먼지 제거율이 35% 수준이나 소량의 제올라이트를 도입하자 제거율이 80% 이상으로 크게 향상된 것이다.

 

반면 착용감에 영향을 주는 압력강하 증가도 무시할 만한 수준으로 나타났다. 제올라이트 코팅에도 불구하고 압력강하는 27Pa에서 37Pa로 소폭 증가하였고 12시간 후에도 38Pa로 나타났다. 38Pa의 압력강하는 시판되는 KF80 마스크의 175Pa 대비 22% 수준이다.

압력강하가 클수록 호흡하기가 곤란하고 착용감이 좋지 못하다.

 

▲ 제올라이트와 다양한 미세먼지 간의 상호작용을 보여 주는 개념도 / (가운데) 다공성 물질인 제올라이트의 하나의 구조. 이러한 결정구조를 포저사이트(faujasite)라 한다. (바깥) 검은색으로 표기된 지그재그 모양은 제올라이트 구조의 가장 안쪽의 12각형 고리 구조를 나타낸다. 12개의 알루미늄 혹은 실리콘 및 산소로 이뤄졌다. 알루미늄 주위에는 항상 양이온(여기서는 Na+)이 존재하며 나트륨 이온(Na+)과 알루미늄 이온(Al-)의 전하 분리가 발생한다. 이들이 다양한 미세먼지(12각형 고리 밖에 표기됨)와 정전기적 인력으로 서로 상호작용, 제거되는 것이다. / 제공 : 경북대학교 정성화 교수  © 특허뉴스

 

연구팀은 미세먼지 제거율과 압력강하 모두를 고려한 필터의 평가기준인 품질인자를 3배 이상 향상시킬 수 있음을 확인한 이 연구결과를 토대로 필터 최적화와 실제 조건에서의 현장테스트 및 문제점 해결 등의 후속연구를 계속할 계획이다.

 

이번 연구의 성과는 재료화학 분야 국제학술지 저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(J. Materials Chemistry A) 921일자 35호의 겉표지 논문으로 게재되었다.

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