1. 서 론
담배 필터는 흡연 시 발생하는 일산화탄소, 질소화합물과 같은 기체 성분을 분해하거나 니코틴, 타르와 같은 미립자 등 유해한 물질을 여과시키는 역할을 한다.1-4) 담배 필터의 원료로 주로 사용되는 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate)는 목재펄프 혹은 면 린터에서 얻은 천연섬유의 셀룰로오스를 초산화하여 아세톤, 아세트산, 무수아세트산 및 황산 등의 용매에 녹인 후 용액 방사 공정을 통해 제조된다.5,6) 그러나 필터에 주로 사용되는 셀룰로오스 아세테이트는 자연에서 쉽게 생분해되지 않고 미세플라스틱 형태로 토양에 매립되거나 해양으로 흘러들어 환경을 오염시키고 지구생태계에 악영향을 끼치고 있다.7,8) 이러한 문제 인식으로 미국의 한 스타트업(startup) 기업인 GreenbuttsTM는 셀룰로오스 아세테이트 유래의 담배 필터 재료를 바이오매스 유래의 생분해성 재료로 교체하는 등 신시장 개척에 박차를 가하고 있다.
셀룰로오스 아세테이트는 셀룰로오스 표면에 존재하는 셀룰로오스의 수산기(hydroxyl group)의 대부분이 아세틸기로 치환됨에 따라 표면이 소수성을 띠게 된다. 그러나, 고분자의 생분해는 주로 미생물이 분비하는 효소를 촉매로 산화 및 가수분해 등의 반응이 발생하면서 진행되며, 가수분해 시 고분자는 수분을 필요로 하기 때문에 표면에 친수성기가 많이 존재할 때 고분자의 생분해성이 증가한다는 연구결과가 있다.9) 소수성을 지닌 대부분의 합성 섬유는 수분흡수가 어렵기 때문에 효소의 접근이 용이하지 못하고 미생물에 대한 저항성을 가질 수 있다. 따라서 생분해성 부여를 위해 고분자 표면의 친수성기를 최대한 유지하는 것이 매우 중요하다.10,11)
친환경 소재인 목질계 바이오매스 기반의 미세섬유는 수산기가 풍부하고, 생분해성이며, 넓은 비표면적을 가지는 이점이 있다. 비표면적은 나노 소재 및 필터 산업 등 다양한 분야에서 재료의 특성 평가를 위한 매우 중요한 요소로써, 섬유가 미세화될수록 비표면적이 증가함에 따라 셀룰로오스 표면의 수산기 노출이 많아져 가교결합과 같은 화학반응을 용이하게 할 수 있다.
가교결합이란 사슬 모양의 고분자 사슬 사이를 화학적 결합에 의해 연결시킨 것으로 중합체의 개질을 위한 목적으로 이용되고 있다. 가교제를 통해 가교된 고분자는 고분자 화합물의 가용성 및 열가소성을 낮추는 반면, 탄성과 기계적 강도는 증가시킨다.12) 또한, 3차원 그물망 구조의 네트워크를 가지므로 공극 특성을 이용하여 필터로의 활용을 기대할 수 있다. 일반적으로 널리 사용되는 포름알데히드(formaldehyde, HCHO) 기반 가교제는 독성을 지니며 발암 등 인체에 유해한 영향을 미치기 때문에13,14) 본 연구에서는 미세섬유 필터 제조를 위해 동물 실험 결과에서 비독성을 나타낸 glycerol diglycidyl ether(GDE)15)를 가교제로 선정하였다.
GDE는 셀룰로오스 표면의 수산기와 반응하여 에스터(ester)결합을 형성시킨다. 따라서, 필터의 원료가 되는 미세섬유의 특성에 따라 다양한 공극 양상을 지닐 것으로 예상된다. 이전의 연구에서 입자크기 및 리그닌 함량이 상이한 미세섬유를 제조하였으며, 본 연구에서는 이를 이용하여 필터를 제조하고, 최종적으로 가장 적합한 원료를 선택하여 담배 필터에 적용하고자 한다. 또한, 담배 필터에 적절한 원료 선별을 위해 미세섬유의 종류에 따른 필터의 형태학적, 기계적 및 물리적 특성을 비교·분석하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 공시재료
2.1.1 미세섬유
본 연구에서 사용된 미세섬유는 이전의 연구16)에서 제조한 UBOP(unbleached organosolv pulp), WOP(washed organosolv pulp), KOP(kneaded organosolv pulp), L-MFC(lignin rich-microfibrillated cellulose), E-CNF(enzyme-cellulose nanofibrils)이다.
2.2 미세섬유 필터 제조
미세섬유 필터는 다음과 같이 제조되었다. 미세섬유를 증류수에 1% 농도로 희석한 후, 촉매제와 가교제를 셀룰로오스와 각각 1:1:1의 몰비(molar ratio)로 첨가하였다. 교반기를 이용하여 약 5분간 교반한 후 60℃의 항온수조(B-491, Büchi, Flawil, Switzerland)에서 1시간 동안 반응하였다. 반응이 끝난 미세섬유 현탁액을 지름 14 mm, 높이 40 mm의 원기둥 모형 tube에 투입하여 -28℃ 냉동고에서 6시간 동결시키고 동결건조기(TFD5505A, ilShinBioBase, Korea)에서 48시간 동안 건조하였다. 이후, 건조된 샘플이 항량에 이를 때까지 데시케이터 내에서 약 24시간 보관하였다.
2.3 필터 특성 분석
제조된 필터의 치수안정성을 평가하기 위해 건조 전·후의 부피 변화율을 (Eq. 1)에 따라 계산하였으며, 높이와 두께 변화에 따른 밀도를 측정하여 비교·분석하였다. 또한, 가교결합 효율을 알아보기 위해 가교에 참여하지 않은 미반응 잔여물 함량을 측정하였다. 이는 항온에서 완전히 건조된 미세섬유 필터 약 0.06 g을 50 mL 용량의 코니칼 튜브에 넣어 증류수 약 40 mL 첨가하여 침지시키고, 볼텍스 믹서(Vortex-Genie, Scientific Industries, Bohemia, NY, USA)를 사용하여 7단계로 5분간 교반하였다. 증류수에 분산된 미반응 잔여물은 여과지(Advantec No. 2, Japan)를 사용하여 감압·여과하고 105℃ 건조기에서 12시간 동안 건조시켰다. 미반응 잔여물은 (Eq. 2)에 따라 계산하였다.
강도 특성을 비교하기 위해 만능 인장강도 시험기(Hounsfield H500M, England)를 사용하여 인장강도 및 압축강도를 측정하였다. 인장 시험을 위해 높이 20 mm, 직경 10 mm 시편을 제작하여 사용하였으며, 로드셀의 하중 50 kgf, 인장 속도는 2 mm/min으로 측정하였다. 압축 시험을 위해 높이 10 mm, 직경 10 mm의 시편을 제작하고 최종 변형률을 75%로 설정하여 분당 1 mm 속도로 측정하였다. 인장강도(Eq. 3)와 압축강도(Eq. 4)는 각각 다음과 같은 식으로 산출하였다.
수분 흡수율을 측정하기 위해 전건 상태의 필터를 24시간 동안 증류수에 침지시킨 후 건져내어 10 mesh의 스테인리스 철망에서 5분간 떨어지는 물기를 제거한 뒤, (Eq. 5)에 의해 수분 흡수율을 계산하였다. 또한, 제조된 foam의 탄성력 및 회복력을 알아보기 위해 만능 인장강도 시험기(Hounsfield H500M, England)를 이용하여 50 kgf 및 1 mm/min의 압축 조건하에서 95%의 변형률로 압축하였다. 압축된 foam 시료를 24시간 동안 증류수에 재침지시킨 후, 상기와 동일한 방법으로 필터의 수분 흡수율 및 두께를 측정하여 압축 전·후 변화율을 비교하였다.
필터 내부의 공극 특성을 확인하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-7900F, JEOL Ltd., Japan)으로 필터의 단면을 100배율로 관찰하였다. 현미경 관찰로 얻은 사진으로 이미지 분석 프로그램(IMT i-Solution Inc., Canada)을 이용하여 2D 형태의 공극의 사이즈 및 공극률을 분석하였다. 또한, Surface Area & Pore Analyzer(BET, Model Quantachrome, Nova 2000)를 사용하여 비표면적 분석을 실시하였다. BET의 비표면적 측정범위는 0.01-2,000 m2/g 이상이다.
생분해성 평가를 위해 효소 가수분해 실험을 실시하였으며, 사용된 효소는 Trichodema viride로부터 얻은 Cellulase(Sigma-Adrich Chemical Co., USA)이다. 10 mL의 sodium acetate buffer(acetic acid/sodium acetate, pH 4.5-5.0) 용액에 100 mg의 필터 시료를 칭량한 후, 효소 2 mg을 첨가하였다. 37℃의 Shaking incubator(HB-201S, HANBAEK Scientific Co., Korea)에서 120 rpm 으로 12시간, 36시간, 72시간 동안 효소 분해한 후 남은 시료를 여과하여 105℃ 건조기에서 12시간 건조시켰다. 효소 가수분해 전·후의 무게 변화를 측정하여 (Eq. 6)으로 생분해도를 계산하였다.
중금속 흡착 특성을 파악하기 위해 cadmium standard solution(Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)을 이용하여 20 ppm의 농도로 카드뮴 폐수를 제조하였다. 카드뮴 폐수는 0.5N-Sodium hydroxide standard solution(Volumetric standard, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd., Korea)을 이용하여 pH 6으로 조절되었다. pH가 조절된 카드뮴 폐수에 시료를 0.05 g 투입하여 20±1℃의 Shaking incubator (HB-201S, HANBAEK Scientific Co., Korea)에서 150 rpm으로 24시간 교반하였다. 중금속 흡착 후 상등액을 0.45 μm 멤브레인 필터(Millipore Millex-HV Hydrophilic PVDF, Millipore, USA)에 여과하여 ICP Spectrometer(Optima 7300DV & Avio500, Perkin-Elmer, USA)로 분석하였다. 카드뮴 흡착률은 (Eq. 7)에 따라 계산되었다.%
3. 결과 및 고찰
3.1 필터 특성
가교제를 이용하여 화학적으로 가교 결합된 고분자는 3차원의 망상 네트워크 구조를 가지게 된다. 섬유가 미세화될수록 비표면적이 증가함에 따라 셀룰로오스 표면의 수산기 노출이 많아져 가교결합과 같은 화학반응이 용이해지고, 가교결합 효율이 좋을수록 더 높은 치수안정성을 보인다.17)
Fig. 1은 필터 제조 시 건조에 의한 필터의 높이와 직경 수축에 따른 부피 변화율 및 밀도를 측정한 결과이다. UBOP로 제조된 필터의 건조 전·후 부피 변화율은 57.5%로 높게 나타났다. 알칼리 세척된 WOP와 알칼리 니딩 처리된 KOP의 부피 변화율은 각각 37.0% 및 30.0%로 비교적 낮은 수치를 보였다. 또한, L-MFC와 E-CNF로 제조된 필터의 부피 변화율은 각각 39.5% 및 29.3%로 측정되었다.
Fig. 1.
Physical properties of microfiber filters. (left: volume change ratio, right: apparent density)
Fig. 2에 보이는 것과 같이 UBOP의 경우 건조 후 높이가 감소하면서 비교적 밀도가 높은 필터가 제조되었다. 이는 UBOP를 원료로 필터 제조 시 가교결합이 효율적으로 이뤄지지 않았으며, 낮은 치수 안정성으로 인해 펄프 슬러리 상태에서 동결되기 전에 펄프가 가라앉았기 때문으로 사료된다. 반면, WOP의 경우 UBOP에 비해 비교적 밀도가 낮은 필터가 제조되었다. 이는 알칼리 세척으로 소수성을 띠는 리그닌 함량이 약 4% 감소하면서 물에 수화될 수 있는 셀룰로오스의 OH기가 증가하였고,18) 이로 인해 펄프 슬러리가 팽윤되었기 때문이다. KOP의 경우 니딩 처리로 인해 섬유가 더욱 미세화되면서 비표면적이 증가하였고,19-21) 이로 인해 미세섬유가 물에 수화될 수 있는 영역이 증가하기 때문에 섬유의 팽윤이 더욱 촉진된 것으로 보인다. 또한, 반응기가 증가함에 따라 가교결합 효율이 향상되고, 치수안정성이 높아지면서 건조 시에도 3차원의 네트워크 구조를 비교적 잘 유지하는 것으로 판단된다. L-MFC의 경우 건조 후 높이에 비해 두께가 크게 감소하면서 비교적 밀도가 높은 필터가 제조되었다. WOP 및 KOP와 리그닌 함량은 비슷하지만 입자크기가 더 작은 L-MFC는 섬유의 피브릴화 및 미세화가 더욱 현저했다. 따라서, 비표면적이 넓고 섬유 간 결합할 수 있는 수산기의 양이 증가했기 때문에 더 많은 양의 가교제를 필요로 할 수 있으며, 건조 과정에서 가교 결합이 이뤄지지 않은 수산기 간의 수소 결합력이 높아지면서 밀도가 조밀해진 것으로 판단된다. E-CNF도 마찬가지로 건조 후 필터의 높이에 비해 두께가 감소하면서 밀도가 감소했고, L-MFC에 비해 비교적 밀도가 낮은 폼이 제조되었다.
Fig. 3은 제조된 필터의 미세섬유와 가교제 간의 미반응 잔여물을 측정한 결과이다. 일반적으로 고체 상태의 고분자 물질은 이를 구성하고 있는 고분자 사슬 간의 강한 상호작용이 존재한다. 하지만, 이를 용매에 침전시키게 되면 고분자 사슬 간 용매 분자가 끼어들어 겔(gel) 형태로 팽윤되고, 결국 고분자 사슬이 완전히 떨어지면서 용매 속에 분산 및 용해된다. 그러나 화학적으로 가교결합이 이루어진 가교 고분자는 용매 속에서 팽윤되는 반면 용해되지는 않는다.22) 따라서, UBOP의 미반응 잔여물은 67.6%로 미세섬유 중 가장 높게 나타났으며, WOP와 KOP는 각각 39.2% 및 12.5%로 KOP가 가교제와의 반응이 가장 우수한 것으로 나타났다. L-MFC와 E-CNF의 미반응 잔여물은 각각 29.6% 및 19.5%로 측정되었다. 이를 통해 리그닌 함량이 높을 때, 가교제와의 반응성이 비교적 낮은 것을 확인하였다. 또한, 입자 크기가 지나치게 미세한 경우, 비표면적이 넓고 반응기가 많으므로, 더 많은 가교제를 필요로 할 수 있다.
제조된 필터의 인장강도 및 압축강도를 측정한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. UBOP와 WOP의 인장강도는 각각 37.72 gf/mm2 및 42.52 gf/mm2로 비교적 낮은 수치를 보였으며, 리그닌 함량이 감소할 때 인장강도가 소폭 감소하였다. 반면 KOP는 281.04 gf/mm2로 인장강도가 다소 높게 났으며, L-MFC는 이보다 비교적 낮은 72.72 gf/mm2로 측정되었다. E-CNF는 575.13 gf/mm2로 평균 인장강도가 가장 높게 나타났다. 또한, UBOP와 WOP의 압축강도는 각각 50.1 gf/mm2 및 117.32 gf/mm2로 리그닌 함량이 감소함에 따라 압축강도가 2배 이상 증가함을 보였다. KOP는 181.10 gf/mm2으로 측정되었고, L-MFC의 압축강도는 255.21 gf/mm2로 비교적 높은 압축강도를 보였다. E-CNF는 375.05 gf/mm2로 평균 압축강도가 가장 높게 나타났다.
Fig. 4.
Mechanical properties of microfiber filters. (left: Tensile strength, right: compressive strength)
인장 및 압축강도 측정 결과, 리그닌을 함유하지 않고 입자 크기가 가장 미세한 E-CNF의 인장 및 압축강도가 가장 우수했다. 이는 넓은 비표면적과 풍부한 수산기로 섬유 간 수소 결합의 수가 증가하면서 높은 강도 특성을 나타낸 것으로 판단된다.23,24)
Fig. 5는 필터의 반복 압축에 따른 수분흡수율을 나타낸 것이다. UBOP의 초기 수분흡수율은 2885.0%이며 5회 반복 압축을 행했을 경우 수분흡수율이 1776.5%로 크게 감소했다. WOP와 KOP의 초기 수분흡수율은 각각 3622.3% 및 5394.3%이고, 5회 반복 압축 후에 수분흡수율이 각각 2356.4% 및 4375.9%로 감소하였다. 또한, L-MFC와 E-CNF의 초기 수분흡수율은 각각 3392.3% 및 4338.2%이며, 5회 반복 압축 후에 수분흡수율이 각각 2348.3% 및 3811.4%로 감소하였다. Table 1은 앞서 언급한 데이터를 기반으로 압축 횟수에 따른 수분 흡수율 변화를 계산한 것이다. UBOP는 5회 반복해서 압축력을 가했을 경우 초기 수분흡수율에 비해 38.4% 감소했다. WOP와 KOP는 5회 압축 시에 각각 34.9% 및 15.2% 감소했으며, L-MFC 및 E-CNF는 30.8% 및 12.1% 감소했다. 결과적으로 KOP로 제조된 필터의 수분흡수율이 가장 뛰어났으며, 반복적으로 압력을 가했을 때의 회복력 또한 우수했다. 이는 필터 제조 시 KOP의 건조 전·후 치수안정성이 뛰어나므로 내부 밀도가 낮은 다공성 필터가 제조되기 때문에 수분흡수율이 높은 것으로 판단된다. 또한, 가교제와의 가장 효율적인 반응성을 보인 KOP는 5회 압축 후의 수분흡수율이 다른 미세섬유 필터에 비해 가장 높았으며 회복력 또한 매우 우수한 것으로 나타났다. 리그닌 함량이 상이한 UBOP와 WOP를 비교하였을 때 초기 수분흡수율은 리그닌 함량이 낮은 WOP가 더 높았으며, 이는 소수성인 리그닌 함량이 감소하면서 더 효율적인 수분 흡수가 이루어진 것으로 판단된다. 하지만 반복 압축 후 수분흡수율은 UBOP와 WOP 모두 큰 폭 감소하였다. 이는 입자 크기가 지나치게 큰 경우 섬유가 엉켜 있는 형태로 공극이 형성되며(Fig. 7), 가교제와의 결합력이 비교적 낮으므로 회복력 또한 낮은 것으로 판단된다.
Table 1.
The change rate of the water absorption of microfiber filters by repeated compression tests
입자 크기가 지나치게 작은 L-MFC와 E-CNF는 수산기 함량이 많기 때문에 섬유 간 수소결합으로 인해 밀도가 비교적 조밀한 필터가 제조되었다. 따라서, 낮은 공극률로 인해 수분흡수율이 다소 낮은 것으로 판단된다. 또한, 비표면적인 넓은 L-MFC와 E-CNF는 UBOP, WOP 및 KOP보다 반응기가 많으므로 더 많은 양의 가교제를 필요로 할 수 있다. 이로 인해 미반응된 잔여물이 다량 발생하여 필터의 회복력이 KOP에 비해 낮은 것으로 판단된다.
Fig. 6은 제조한 필터에 일정 압력을 가한 후 수분 침지 시 회복되는 필터의 두께를 측정하여 얻은 결과이다. UBOP로 제조한 필터에 5회 반복 압축을 행했을 경우 필터의 두께 회복률은 39.0%로 크게 감소했다. WOP와 KOP 두께 회복률은 각각 61.1% 및 86.8%로 측정되었다. 또한, L-MFC의 두께 회복률은 80.8%이며, E-CNF는 92.2%로 가장 높은 두께 회복력을 보였다.
결과적으로 UBOP로 제조된 필터의 두께 회복력이 가장 낮았으며 이는 앞서 언급한 수분흡수율 및 회복력의 결과와 일치한다. 또한, 리그닌 함량이 상이한 UBOP와 WOP를 비교하였을 때 리그닌 함량이 더 낮은 WOP의 두께 회복력이 더 우수했다. 이는 WOP가 UBOP에 비해 더 많은 반응기를 가지기 때문에, 가교제와 더 효율적으로 결합한 것으로 판단된다. 또한, 가교제와 가장 효율적인 반응성을 보인 KOP는 평균적으로 가장 우수한 두께 회복력을 보였다. 비표면적인 넓은 L-MFC와 E-CNF는 다량의 수산기가 섬유 간 수소결합을 촉진하여 높은 강도 특성을 가진 필터가 제조되므로 탄성력이 비교적 높은 것으로 사료된다.
Fig. 7은 필터의 단면을 FE-SEM으로 100배율 확대하여 측정한 것이다. 다양한 원료로 제조된 필터는 섬유의 크기에 따라 상이한 공극 성상을 나타내었다. UBOP와 WOP는 섬유의 크기가 비교적 큰 장섬유이며, 이를 원료로 사용하여 제조한 필터의 내부는 섬유와 섬유가 뒤엉켜 있는 형태로 불규칙한 공극을 이루고 있었다. 반면 KOP는 니딩 처리를 통해 미세화 및 피브릴화가 유발된 섬유로써 이를 이용하여 필터 제조 시, 섬유와 섬유 간 결합한 그물망 구조를 보였으며 공극의 사이즈가 비교적 크게 형성되었다. 나노 혹은 마이크로 단위의 미세한 입자 크기를 가진 L-MFC와 E-CNF의 경우, 필터의 내부가 필름과 같은 단면이 층층히 겹을 이루고 있는 구조로 단면에 미세한 공극이 분포되어 있고, L-MFC에 비해 E-CNF가 더욱 다공성을 보였다.
Table 2는 FE-SEM 100배율 촬영으로 얻어진 사진을 이미지 분석 프로그램을 이용하여 2D 형태의 공극의 크기 및 공극률을 분석한 것이다. UBOP, WOP 및 KOP는 공극의 크기가 비교적 크게 나타났으며, 앞서 수분흡수율 측정결과 공극 내에 수분을 가장 많이 포집하고 있었던 KOP의 공극률이 37.8%로 가장 높게 나타났다. L-MFC와 E-CNF의 경우 비교적 미세한 공극 구조를 보였으며 L-MFC보다 E-CNF의 공극률이 더 높게 나타났다.
Table 2.
Analysis of pore size and porosity in microfiber filters
| Pore size (μm) | Porosity (%) | |
|---|---|---|
| UBOP | 120.19 (±412.59) | 18.5 |
| WOP | 182.83 (±509.38) | 24.8 |
| KOP | 155.02 (±461.42) | 37.8 |
| L-MFC | 52.27 (±175.51) | 23.1 |
| E-CNF | 39.56 (±106.00) | 28.0 |
나노 소재 및 필터 산업 등 다양한 분야에서 비표면적은 재료의 특성 평가를 위한 매우 중요한 요소이며,25) 비표면적은 흡착제의 흡착 성능과 높은 연관성을 지닌다. Table 3은 상업용 담배 필터와 본 연구에서 제조된 미세섬유 필터의 비표면적을 측정한 결과이다. 가장 작은 입자크기를 가진 E-CNF의 비표면적이 가장 높게 나타났으며, 미세섬유 중 가장 큰 입자크기를 가진 UBOP의 비표면적이 가장 낮게 관찰되었다. 원료 물질인 UBOP에 비해 리그닌 함량이 낮은 WOP의 비표면적이 다소 증가했으며, 니딩 처리로 인해 더욱 미세화된 입자크기를 지닌 KOP의 비표면적 또한 원료 물질에 비해 약 1.5배 정도 증가한 것으로 나타났다.
Table 3.
Surface area of microfiber filters
| Commercial | UBOP | WOP | KOP | L-MFC | E-CNF | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Surface area (m2/g) | 5.701 | 4.513 | 5.356 | 7.230 | 6.653 | 8.426 |
일반적으로 고분자는 미생물이 분비하는 효소를 촉매로 산화 및 가수분해 등의 반응이 발생하면서 진행되며, 생분해 정도 및 속도는 친수성 및 소수성, 가교 효율 등과 상관관계를 가진다. 고분자는 효소 가수분해 시 수분을 필요로 하므로 표면에 친수성기가 많이 존재할 때 고분자의 생분해성이 증가한다는 연구결과가 있다.9) 또한, 가교 결합의 효율이 높을수록 높은 가교 밀도를 나타내기 때문에 낮은 분해속도를 보인다.26)
Fig. 8은 필터 시료를 일정 시간 동안 cellulase로 효소 가수분해 시킨 후 효소 처리 전·후 시료의 무게 감소율을 계산하여 생분해도를 계산한 결과이다. 상업용 담배 필터는 효소 가수분해 72시간 뒤 6.5%의 생분해도를 나타냈으며, UBOP와 WOP는 각각 50.7% 및 52.5%로 비슷한 수치를 보였다. 가교결합 효율이 가장 우수했던 KOP는 이보다 약 6-7% 정도 낮은 생분해도를 보였다. L-MFC는 72시간 경과 후 74.7%로 가장 높은 생분해도를 보였으며 E-CNF는 50.2%로 측정되었다.
Fig. 8.
Weight loss during biodegradation with different filter material from enzyme hydrolysis test for 72 hrs.
Table 4는 필터의 중금속 흡착 특성을 알아보기 위해 카드뮴 흡착 반응 후 잔류 카드뮴의 농도를 나타낸 것이다. 앞선 실험 결과를 바탕으로 높은 수분흡수율, 넓은 비표면적 등 우수한 물성을 나타내었던 KOP, L-MFC 및 E-CNF 세 가지 시료를 이용하여 흡착 실험을 진행하였다. 초기 농도가 20 ppm이었던 카드뮴 용액은 흡착 반응 후, KOP가 0.561 ppm으로 97.2%의 흡착률을 보였으며, L-MFC와 E-CNF가 각각 0.170 ppm 및 0.138 ppm으로 99.2%와 99.3%의 높은 흡착률을 나타내었다.
4. 결 론
본 연구에서는 입자크기 및 리그닌 함량이 상이한 목질계 바이오매스 기반 미세섬유를 이용하여 생분해성 필터를 제조하고 이를 담배 필터에 적용하고자 하였다.
가교제를 이용하여 화학적으로 가교 결합된 미세섬유 필터는 UBOP > L-MFC > WOP > E-CNF > KOP 순으로 부피변화율이 크게 나타났으며, KOP의 치수안정성이 가장 우수했다. 리그닌을 함유하지 않고 입자크기가 가장 미세한 E-CNF의 인장 및 압축강도가 가장 우수했으며, 수분흡수율 및 압축 후 회복력을 측정한 결과는 KOP가 가장 우수한 성능을 보였다. 필터의 단면을 FE-SEM을 이용하여 관찰하였을 때, UBOP와 WOP로 제조한 필터의 내부는 섬유와 섬유가 뒤엉켜 있는 형태로 불규칙한 공극을 이루고 있는 반면, KOP는 섬유와 섬유 간 결합한 그물망 구조를 보였으며 공극의 사이즈가 비교적 크게 형성되었다. L-MFC와 E-CNF의 경우, 필터의 내부가 필름과 같은 단면이 층층히 겹을 이루고 있는 구조로 단면에 미세한 공극이 분포되어 있고, L-MFC에 비해 E-CNF가 더욱 다공성을 보였다. 필터의 비표면적 측정결과, 가장 작은 입자 크기를 가진 E-CNF의 비표면적이 가장 높게 나타났다. 미세섬유 필터의 생분해도 측정결과, 상업용 담배 필터는 효소 가수분해 72시간 뒤 6.5%의 생분해도를 나타낸 반면, 미세섬유 기반의 담배 필터는 50-70%로 높은 생분해도를 보였다. 앞선 실험 결과를 바탕으로 높은 수분흡수율, 넓은 비표면적 등 우수한 물성을 나타내었던 KOP, L-MFC 및 E-CNF 세 가지 시료를 이용하여 중금속(카드뮴) 흡착 실험을 진행하였다. KOP는 97.2%의 흡착률을 보였으며, L-MFC와 E-CNF가 각각 99.2%와 99.3%로 높은 흡착률을 나타내었다. 본 연구를 바탕으로 셀룰로오스 아세테이트(CA) 대체 소재로서 목질계 미세섬유로 제조된 생분해성 필터의 적용 가능성을 확인하였고, KOP 기반의 필터는 높은 리그닌 함량, 비교적 큰 입자 특성을 지님에도 불구하고 CNF와 대등한 필터 성능을 나타내므로 경제성 및 적용성을 고려하였을 때, KOP 기반의 필터가 상업용 담배필터에 가장 적합할 것으로 판단되며, 필터 성능을 보완하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
