KR101227802B1

KR101227802B1 - 톱밥을 이용한 미생물용 다공성 세라믹 담체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101227802B1
Application number: KR1020120074341A
Authority: KR
Inventors: 강승구; 김유택; 이기강; 김정환; 김강덕
Original assignee: 경기대학교 산학협력단
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2013-01-29
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: KR20120093797A

Abstract

세라믹 원료와 발포제를 포함하여 제조되는 미생물용 다공성 세라믹 담체에 있어서, 상기 세라믹 원료와 상기 발포제의 혼합물 100중량% 기준으로, 상기 발포제를 1~5중량% 함유하되, 상기 세라믹 원료는 입경 300㎛ 이하의 점토질 원료만으로 이루어지고, 상기 발포제로 1mm 이하의 분말 형태인 톱밥 또는 대패밥만을 사용하여, 상기 혼합물을 소성 시, 상기 소성 후의 상기 담체의 겉보기 기공률이 40% 이상이고, 직경 50㎛ 이상인 기공이 상기 담체의 총 기공 부피를 기준으로 40% 이상을 차지하도록 하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 미생물용 다공성 세라믹 담체가 개시된다. 본 발명에 따르면, 세라믹 원료와 발포제의 함량을 조절하여 기존 미생물용 담체의 물성 기준을 모두 만족하면서 경제적인 원료를 사용하면서도 특히, 미생물의 부착 및 서식을 위한 기공분포를 월등히 향상시킬 수 있는 다공성 세라믹 담체를 제공할 수 있다.

Description

톱밥을 이용한 미생물용 다공성 세라믹 담체 및 그 제조방법{POROUS CERAMIC MEDIA FOR MICROBES BY SAWDUST AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 오염된 토양 및 물을 복원시키는 미생물 담체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

담체를 이용한 오·폐수의 생물학적 정화 처리법은 다향한 종류의 미생물들을 담체에 부착시킬 수 있고, 온도, pH, 난분해성 물질 유입 등의 변화에 대한 대처 능력이 우수할 뿐 아니라 슬러지 발생량이 적다는 장점을 가지고 있다.

생물학적 처리법을 이용하여 오염물을 제거하는 공정에서 처리장 내의 미생물의 양은 정화 효율에 영향을 미치는 가장 큰 인자이다. 일반적으로 미생물은 수중에서 현탁된 상태로 또는 타 매체에 부착하여 증식하게 되는데, 미생물의 인위적인 서식처로 담체를 넣어주면 미생물의 부착 및 증식이 증가하여 결국 정화효율이 높아지게 된다. 일반적으로 생물학적 처리에 사용되는 담체의 재질로는 고분자와 세라믹이 주로 사용된다. 이 중 고분자 재료의 경우, 미세 구조의 제어가 용이하고 미생물의 고정화 특성이 우수한 반면, 겔상으로 인한 압력 손실이 크며 장기간 사용시 담체 자체의 팽윤이나 자화에 의해 특성이 변질되고 경제성 측면에서도 무기물에 비해 불리하여, 다공성 세라믹 제품을 이용한 미생물 부착용 담체로의 연구가 활발히 진행되고 있다.

대한민국 등록특허 제0249421호는, 황토, 점토, 백토 및 고령토로 이루어진 여재원료, 규조토 및 제올라이트로 이루어진 오염물질 흡착성분 및 탄산칼슘, 폴리비닐알콜(PVA), 톱밥 또는 왕겨로 이루어진 발포제로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐수처리용 미생물 접촉여재에 관하여 개시하고 있으나, 미생물 접촉여재의 기공율이나 기공분포에 관한 설명은 하지 않고 있다.

대한민국 등록특허 제0434613호는, 대기 및 수질오염 물질의 포획 및 분해능을 가지는 미생물을 고농도로 담지하기 위한 미생물 담지용 고정화 다공성 세라믹 담체의 제조방법에 있어서, a)석탄회 70∼95중량% 및 세라믹 소재 5∼30중량%를 포함하는 100중량부의 세라믹 혼합원료 분말, 5∼35중량부의 유기물질, 0.1∼10중량부의 유기 또는 무기발포제, 및 40∼80%농도의 무기성 결합제 수용액 60∼100중량부를 혼합하여 혼합 슬러리상을 제조하는 단계, b)혼합된 슬러리상을 성형용 고분자 몰드에 채운 후 50 내지 130℃의 온도로 유지되는 연속 건조장치에 장입하는 단계, c)몰드에 채워진 슬러리가 발포제의 발포 분해반응에 의해 다공성 성형체를 형성한 후 건조하는 단계, d)상기 건조된 성형체를 콜로이달 실리카 성분으로 된 또 다른 무기성 결합제 30∼100%의 수용액에 0.5분∼10분간 함침시켜 내부까지 결합제를 흡수하도록 하는 단계, e)무기 결합제 수용액에 함침된 성형체를 상온에서 24시간 건조 및 경화시킨 후, 200℃ 이상의 항온 연속건조로에 장입하여 재차 건조 및 경화시키는 단계 및 f)건조 및 경화된 성형체의 표면과 형상을 균일화하기 위해 연삭장치에 장입하여 표면 거칠기를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기 및 수질정화용 미생물 고정화 다공성 세라믹 담체의 제조방법에 관하여 개시하고 있으나, 소결 과정을 거치지 아니하여 담체의 기계적 내구성에 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제2004-0108403호는, 황토, 점토, 백토 및 고령토로 이루어진 여재원료 20~60중량% 준비하고, 이 여재원료상에 음식물 쓰레기, 톱밥, 왕겨 야자수 열매껍질 등과 같은 유기성폐기물, 산업용폐기물로 이루어진 발포제를 20~60중량% 혼합하여 혼합물을 얻은 후, 상기 혼합물을 대기 중에서 건조시킨 다음 건조된 혼합물을 500~1500℃의 온도에서 공기가 접촉되지 않은 탄화로에 가열하여 세라믹을 제조하는 것을 특징으로 하는 활성탄이 내장된 세라믹 제조방법에 관하여 개시하고 있으나, 초기 미생물의 과다 증식에 의한 표면 미세 기공을 채워 흡착제로서의 역할을 충분히 발휘할 것으로 기대되지 않고 있다.

한편, 일정 담체에 많은 미생물을 부착 및 서식시키려면 담체의 기공률이 높을수록 유리하며, 기공 분포에 있어 미생물의 크기를 감안하여 적당한 크기 이상의 기공 비율이 높을수록 미생물용 담체로서 적용이 우수하다.

본 발명은 기존 미생물용 담체의 물성 기준을 모두 만족하면서 경제적인 원료를 사용하면서도 특히, 미생물의 부착 및 서식을 위한 기공분포를 월등히 향상시킬 수 있는 다공성 세라믹 담체 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 세라믹 원료와 발포제를 포함하여 제조되는 미생물용 다공성 세라믹 담체에 있어서, 상기 세라믹 원료와 상기 발포제의 혼합물 100중량% 기준으로, 상기 발포제를 1~5중량% 함유하되, 상기 세라믹 원료는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 및 K₂O 성분을 포함하는 입경 300㎛ 이하의 적점토만으로 이루어지고, 상기 발포제로 1mm 이하의 분말 형태인 톱밥 또는 대패밥만을 사용하여, 상기 혼합물을 소성 시, 상기 소성 후의 상기 담체의 겉보기 기공률이 40% 이상이고, 직경 50㎛ 이상인 기공이 상기 담체의 총 기공 부피를 기준으로 40% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 미생물용 다공성 세라믹 담체.를 제공한다.

또한, 세라믹 원료와 발포제를 포함하여 제조되는 미생물용 다공성 세라믹 담체에 있어서, 상기 세라믹 원료와 상기 발포제의 혼합물 100중량% 기준으로, 상기 발포제를 1~5중량% 함유하되, 상기 세라믹 원료는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 및 K₂O 성분을 포함하는 입경 300㎛ 이하의 적점토만으로 이루어지고, 상기 발포제로 1mm 이하의 분말 형태인 톱밥 또는 대패밥만을 사용하여, 상기 혼합물을 혼련하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 압축 성형하여 성형체를 제조한 후 상기 성형체를 건조 후 소성 시, 상기 소성 후의 상기 담체의 겉보기 기공률이 40% 이상이고, 직경 50㎛ 이상인 기공이 상기 담체의 총 기공 부피를 기준으로 40% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 미생물용 다공성 세라믹 담체를 제공한다.

또한, 세라믹 원료와 발포제를 포함하여 제조되는 미생물용 다공성 세라믹 담체에 있어서, 상기 세라믹 원료와 상기 발포제의 혼합물 100중량% 기준으로, 상기 발포제를 1~5중량% 함유하되, 상기 세라믹 원료는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 및 K₂O 성분을 포함하는 입경 300㎛ 이하의 적점토만으로 이루어지고, 상기 발포제로 1mm 이하의 분말 형태인 톱밥만을 사용하여, 상기 혼합물을 혼련하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 압축 성형하여 성형체를 제조한 후 상기 성형체를 건조 후 1125℃에서 2시간 동안 소성 시, 상기 소성 후의 상기 담체의 겉보기 기공률이 40% 이상이고, 직경 50㎛ 이상인 기공이 상기 담체의 총 기공 부피를 기준으로 40% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 미생물용 다공성 세라믹 담체를 제공한다.

본 발명에 따르면, 세라믹 원료와 발포제의 함량을 조절하여 기존 미생물용 담체의 물성 기준을 모두 만족하면서 경제적인 원료를 사용하면서도 특히, 미생물의 부착 및 서식을 위한 기공분포를 월등히 향상시킬 수 있는 다공성 세라믹 담체 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 사용된 적점토의 입도분포를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 담체(WS)와 상용화 담체(CP)의 결정상에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 담체의 표면을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 3b는 상용화 담체의 표면을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 담체의 절단면 내부를 SEM으로 50배 확대하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 4b는 상용화 담체의 절단면 내부를 SEM으로 50배 확대하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 담체의 절단면 내부를 SEM으로 1000배 확대하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 5b는 상용화 담체의 절단면 내부를 SEM으로 1000배 확대하여 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 담체의 기공분포를 나타낸 그래프이다.
도 6b는 상용화 담체의 기공분포를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 담체의 pH 변화에 따른 제타 전위를 나타낸 그래프이다.
도 7b는 상용화 담체의 pH 변화에 따른 제타 전위를 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따라 제조되는 미생물용 세라믹 담체는 세라믹 원료와 발포제를 포함하는 것으로, 담체의 겉보기 기공률이 40% 이상이고, 50㎛ 이상인 기공이 40% 이상인 미생물용 다공성 세라믹 담체이다. 생물학적 처리에 사용되는 담체의 재질로서 세라믹 원료의 경우, 미생물을 부착시키기 적합한 기공 크기 제어가 가능하고, 우수한 내화학성, 내열성, 기계적 강도 및 미생물과의 친화성이 우수하다. 발포제는 담체의 제조 과정에서 연소 가스 발생으로 기공 형성제로 작용하게 된다. 현재 오염 토양 복원용이나 수질 오염 예방용 세라믹 담체에 요구되는 기공률 기준은 40%이며, 특히, 일반적으로 수질 정화에 사용되는 미생물의 크기는 보통 5㎛ 정도인데, 담체의 기공이 미생물보다 10배(50㎛) 이상 커야지만 미생물의 서식처로 안정적이다. 일반적으로 상용화된 담체의 경우, 50㎛ 이상인 기공이 22% 정도로 알려져 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제조되는 미생물용 세라믹 담체는 미생물용 담체로서 기공률 기준을 만족하면서 기존 상용화 담체보다 기공 분포가 월등히 향상된 미생물용 다공성 세라믹 담체를 제공하게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에서 다공성 세라믹 담체를 제조하기 위해 사용되는 세라믹 원료와 발포제는 각각 점토질 원료와 유기성 폐기물을 사용할 수 있으며, 유기성 폐기물 중에는 톱밥이나 대패밥을 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 점토질 원료 중 적점토를 사용하였으며, 유기성 폐기물 중 톱밥을 사용하였다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 적점토에 톱밥을 혼합하여 다공성 세라믹스를 제조하여 미생물을 결합 및 증식시키기에 적합한 물성을 가지며 오염된 토양 및물을 복원시키는 미생물 담체용으로 활용이 가능함 담체를 제조한 것이다. 이를 위해 톱밥의 연소 가스가 제조된 담체의 기공율 및 기공 분포에 미치는 영향을 평가하고, pH에 따른 제타 전위를 측정하여 담체의 영전하점(point of zero charge, PZC)을 분석하였다.

실시예

본 발명에서 세라믹 담체의 주원료로 적점토를 사용하였으며, 기공 형성을 위한 첨가제로 톱밥을 이용하였다. 점토 원료는 롤러 크러셔(roller crusher)를 이용한 1차 조분홰와 핀 밀(pin mill)을 이용한 2차 미분쇄를 통하여 직경이 300㎛ 이하가 되도록 하여 사용하였다. 목재소에서 발생하는 톱밥 분말은 120℃에서 24시간 건조 후 체가름으로 1mm 이하 크기의 것 만을 사용하였다. 점토 원료의 직경과 톱밥 분말의 크기를 상기와 같이 제한한 것은 그 이상일 경우 담체의 성형성에 문제가 생기기 때문이다.

적점토와 톱밥의 혼합 비율은 95:5중량%로 하였다. 톱밥을 5중량% 초과하여 첨가하면 성형성이 급격히 저하되는 문제점이 있으므로 톱밥 첨가량은 5중량% 이하가 바람직하고, 1중량% 미만의 경우는 기공률 및 기공분포가 좋지 않다. 원료 혼합체의 적절한 교반 및 분산을 위해 물을 원료 혼합체 100 중량% 기준으로 10~20중량% 첨가할 수 있다. 본 발명에서는 물을 15 중량% 첨가하여 퍼그 밀(pug mill)에서 혼련 후 원형 몰드를 이용하여 압축 성형하였다. 압축된 성형체는 표면이 건조되기 전에 강철선을 이용하여 지름 2~3cm 크기의 정육면체 크기로 절단하고 120℃에서 48시간 동안 건조하였다. 건조된 성형체는 4㎥ 크기의 셔틀 킬른(shuttle kiln)에서 10℃/min 속도로 가열하고, 1125℃에서 2시간 동안 소성하였다. 본 발명에서 제조된 성형체는 'WS'라 명명했는데, 이는 폐톱밥(waste sawdust)을 첨가했다는 의미이며, 상용화 담체는 'CP'로 명명했는데, 이는 'commercial product'의 약자를 뜻한다.

본 발명에서 분석 및 측정 방법은 다음과 같다.

점토 원료의 화학 조성은 XRF(ZSX-100e, Rigaku사)를, 분쇄된 점토의 입도 분석은 레이저 회절 입도 분석기(Cilas 1064, CILAS사)를 이용하였다. 또한 담체의 결정상 분석은 XRD(RINT-8100H/PC, Rigaku사)를, 비표면적은 BET(ASAP2010, Micromeritics사)를, 기공 크기 및 부피분율은 Porosimeter(Pore master, Quantachrome사)를 이용하여 분석하였다. 또한, 시편의 비중 및 흡수율은 KSF2503의 '굵은 골재의 밀도 및 흡수율 시험 방법'을 적용하여 측정하였다. 또한, 담체의 이미지 및 미세구조 관찰에는 Camscope(DCS-105, Sometech vision사)와 SEM(JSM-6500F, Jeol사)을 사용하였고, 담체의 표면 전하는 Zeta Potential Analyzer(Photal ELS-8000, Otsuka사)를 이용하여 측정하였다.

본 발명의 실시예에 따라 사용된 세라믹 원료인 적점토의 화학조성을 하기 표 1에 나타내었다.

구분	강열감량	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	TiO₂	P₂O₅	MnO	계
적점토 (중량%)	11.0	57.7	19.0	7.1	0.2	1.1	0.1	2.5	0.9	0.2	0.2	100.0

표 1을 참조하면, 적점토에는 세라믹 3축 성분계의 두 기본 성분인 SiO₂와 Al₂O₃가 각각 57.7중량%와 19.0중량% 존재한다. 또한, 융제 성분인 Fe₂O₃와 K₂O가 각각 7.1중량% 및 2.5중량% 포함되어 있어, 액상 소결을 일으킨다. 또한 강열감량이 11.0중량%이므로 소성 과정에서 어느 정도의 가스를 생성시킨다. 한편 톱밥은 목재 가루이므로, 소성 시 많은 연소 가스를 발생시켜 소결체 내에 기공 형성에 기여한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 사용된 적점토의 입도분포를 나타낸 그래프이다.

도 1을 참조하면, 적점토를 롤러 크러셔로 1차 분쇄한 후, 핀 밀로 2차 분쇄한 결과, 점토의 평균입경은 28.5㎛이고, 100㎛ 이상 크기의 입자는 7%, 1㎛ 이하의 입자는 4% 존재한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 세라믹 담체에 대한 결과를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 담체(WS)와 상용화 담체(CP)의 결정상에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.

도 2를 참조하면, 두 담체 모두 Quartz(SiO₂)가 주 결정상으로 나타나며, 이외에 약간의 미지 상들이 존재한다.

WS와 CP 담체의 물리적 특성을 분석하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구분	부피비중	흡수율(%)	기공률(%)	비표면적(㎡/g)
WS	1.4	31.0	44.5	0.34
CP	1.1	53.1	53.6	0.36

표 2를 참조하면, WS 담체의 부피비중과 흡수율은 각각 1.4와 31.0%로 나타났으며, 겉보기 기공률은 44.5%로 비교적 높게 나타났다. 일정 담체에 많은 미생물을 부착 및 서식시키려면, 담체의 기공률이 높을수록 유리하다. 현재 오염토양 복원용이나 수질오염 예방용 세라믹 담체에 요구되는 기공률 기준은 40%이므로, 본 발명에서 제조된 WS 담체는 이 기준을 만족한다.

한편, 미생물 부착 성능이 우수하다고 알려진 상용 담체(CP)는 부피비중과 흡수율이 각각 1.1과 53.1%, 겉보기 기공률은 53.6%로 나타났다. CP 담체는 WS 담체에 비해 흡수율은 1.7배, 기공율은 1.2배 높았다. 전술한 바와 같이 WS 담체가 비록 CP 담체보다 약간 무겁고 기공률이 낮지만, 일반적인 담체에 요구되는 기준 기공율은 만족하였다.

WS와 CP 담체의 비표면적은 각각 0.34㎡/g와 0.36㎡/g로 높지 않았다. 담체의 비표면적이 낮은 것은 나노미터 크기의 미세 기공보다 수십에서 수백 배 큰 기공들이 많이 형성되었기 때문이다. 또한 소결 시 점성거동을 나타내는 액상이 개기공(open pore)을 채워 폐기공(closed pore)으로 변환시키면서 그만큼 비표면적이 낮은 것이다. 담체에 미생물이 부착할 때, 담체의 비표면적은 부착 반응 초기에 영향을 주는 인자로 알려져 있으나, 결국 비표면적보다는 기공률과 기공크기가 오염물 처리 효율에 더 큰 영향을 미친다.

한편, 도 3a 및 도3b는 WS와 CP 담체의 표면을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸 사진이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, WS 담체 외관 표면에는 많은 균열이 관찰되는데 이는 성형체를 절단할 때 강철선과의 마찰에 의한 것으로 생각된다. 본 사진으로는 판단하기 어렵지만, 실제 관찰에서는 표면에 어느 정도의 유리질이 형성된 것을 볼 수 있었다. CP 담체의 경우에는, 크기가 일정한 구형의 기공이 다수 존재한다. 본 사진으로는 판단하기 어렵지만, CP 담체에는 WS 담체보다 더 많은 양의 유리질이 존재함을 확인할 수 있었다.

한편, 도 4a 및 도 4b는 WS와 CP 담체의 절단면 내부를 50배 확대한 SEM 사진이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, WS 담체의 경우, 다양한 형태의 거대 기공들이 확인된다. 특히 톱밥이 연소되고 남은 자리는 침상의 기공으로 나타나고, 연소 가스에 의해 형성된 기공들은 구형 내지 부정형으로 매우 다양한 것을 알 수 있다. CP 담체의 경우에는, 200~300㎛ 이상의 거대 구형의 기공들이 관찰되며, 기공들이 서로 연결되어 있는 것을 볼 수 있다.

한편, 도 5a 및 도 5b는 WS와 CP 담체의 절단면 내부를 1000배 확대한 SEM 사진이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, WS 담체의 경우, 10~100㎛ 사이의 기공들은 물론 10㎛ 이하의 미세 기공들도 확인 할 수 있다. CP 담체의 경우에는, 10㎛ 이하의 기공들이 촘촘히 존재하고 있는 것이 관찰된다.

한편, 도 6a 및 도 6b는 WS와 CP 담체의 기공크기 분포를 나타낸 그래프이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, WS 담체의 경우 10~100㎛ 크기의 기공들이 전체 기공 부피의 60%를 차지하고 있으며, 10㎛ 이하의 미세기공과 100㎛ 이상의 거대기공이 각각 10%와 30%를 차지하고 있다. CP 담체의 경우 10~100㎛ 크기의 기공들이 차지하는 비율이 70%로 WS 담체에 비해 더 높게 나타났다. 또한 CP 담체에서 10㎛ 이하의 미세기공과 100㎛ 이상의 거대기공이 전체 기공에서 차지하는 비율이 각각 20% 및 10%로 나타났다.

일반적으로 수질 정화에 사용되는 미생물의 크기는 보통 5㎛ 정도이며, 담체의 기공이 미생물보다 10배 이상 커야지만 미생물의 서식처로 안정적이다. WS 담체의 경우 50㎛ 이상 크기의 기공이 40% 이상 존재하는데, 이는 CP 담체의 22%에 비해 2배 정도 높은 값이다. 따라서 본 발명에서 제조된 다공성 세라믹 담체는 미생물을 결합 및 증식시키기에 상용화 담체보다 월등한 기공분포를 갖고 있다.

도 7a 및 도 7b는 WS와 CP 담체의 pH 변화에 따른 제타 전위를 나타낸 그래프이다.

도 7a 및 도 7b를 참고하면, 두 담체 모두 pH=2 부근에서 영 전하점(point of zero charge)을 갖는다. 즉 담체 표면 전하의 합이 pH=2에서 '0'이 되는 것이다. 일반적으로 물과 접하고 있는 세라믹 산화물은 수산화된 표면을 갖고 있으며, 깨어진 표면이 물과 반응하면서 다음과 같은 식을 통하여 음 또는 양의 전하를 갖게 된다.

도 5로부터 WS 담체의 영 전하점보다 pH가 낮은 용액에서는 담체 표면이 양의 전하를 띠어 음이온을 흡착시킬 수 있고, 이보다 pH가 높은 용액에서는 담체 표면이 음의 전하를 띠어 양이온을 흡착시킬 수 있다. 따라서 담체에 미생물을 부착시킬 때, 담체 표면에 미생물의 반대 전하를 띠게 하는 반응액의 pH 범위를 알 수 있었다. 예를 들어, 표면 전하가 '+'인 미생물을 본 WS 담체에 쉽게 부착시키려면 반응 용액의 pH를 2 이상으로 맞추어 주면 될 것이다. CP 담체는 미생물 부착 특성이 우수한 것으로 평가된 제품이므로 CP 담체와 비슷한 영 전하점을 갖고 있는 WS 담체도 우수한 미생물 부착 특성을 보일 것이다.

이와 같이 담체에 미생물을 부착하기 위한 여러 인자 중 표면 전하는 매우 중요하다. 특히 질산화 반응조와 같이 짧은 시간 내에 미생물을 담체에 부착시켜야 하는 공정에서 담체의 표면전하 제어는 필수적이다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 미생물용 다공성 세라믹 담체는 일반적으로 담체에 요구되는 기공률 기준을 만족하고, 종래 미생물 부착 특성이 우수한 것으로 평가된 상용화 담체와 비교하여 유사한 영 전하점을 가지며, 기공분포에 있어서는 상용화 담체보다 월등히 향상된 미생물용 다공성 세라믹 담체 및 그 제조방법을 제공하게 된다.

본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

세라믹 원료와 발포제를 포함하여 제조되는 미생물용 다공성 세라믹 담체에 있어서,
상기 세라믹 원료와 상기 발포제의 혼합물 100중량% 기준으로, 상기 발포제를 1~5중량% 함유하되, 상기 세라믹 원료는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 및 K₂O 성분을 포함하는 입경 300㎛ 이하의 적점토만으로 이루어지고, 상기 발포제로 1mm 이하의 분말 형태인 톱밥 또는 대패밥만을 사용하여, 상기 혼합물을 소성 시, 상기 소성 후의 상기 담체의 겉보기 기공률이 40% 이상이고, 직경 50㎛ 이상인 기공이 상기 담체의 총 기공 부피를 기준으로 40% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 미생물용 다공성 세라믹 담체.
세라믹 원료와 발포제를 포함하여 제조되는 미생물용 다공성 세라믹 담체에 있어서,
상기 세라믹 원료와 상기 발포제의 혼합물 100중량% 기준으로, 상기 발포제를 1~5중량% 함유하되, 상기 세라믹 원료는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 및 K₂O 성분을 포함하는 입경 300㎛ 이하의 적점토만으로 이루어지고, 상기 발포제로 1mm 이하의 분말 형태인 톱밥 또는 대패밥만을 사용하여, 상기 혼합물을 혼련하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 압축 성형하여 성형체를 제조한 후 상기 성형체를 건조 후 소성 시, 상기 소성 후의 상기 담체의 겉보기 기공률이 40% 이상이고, 직경 50㎛ 이상인 기공이 상기 담체의 총 기공 부피를 기준으로 40% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 미생물용 다공성 세라믹 담체.
세라믹 원료와 발포제를 포함하여 제조되는 미생물용 다공성 세라믹 담체에 있어서,
상기 세라믹 원료와 상기 발포제의 혼합물 100중량% 기준으로, 상기 발포제를 1~5중량% 함유하되, 상기 세라믹 원료는 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 및 K₂O 성분을 포함하는 입경 300㎛ 이하의 적점토만으로 이루어지고, 상기 발포제로 1mm 이하의 분말 형태인 톱밥만을 사용하여, 상기 혼합물을 혼련하여 슬러리를 제조하고, 상기 슬러리를 압축 성형하여 성형체를 제조한 후 상기 성형체를 건조 후 1125℃에서 2시간 동안 소성 시, 상기 소성 후의 상기 담체의 겉보기 기공률이 40% 이상이고, 직경 50㎛ 이상인 기공이 상기 담체의 총 기공 부피를 기준으로 40% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 미생물용 다공성 세라믹 담체.