고효율 박막여과포의 성능 평가

최호경, 손재익, 박영옥, 구철오, 임정환, 김상도

한국에너지기술연구소

Performance Evaluation of High Efficiency Membrane Filter

H. K. Choi, Y.O. Park, C. O. Koo, J. E. Son,

Energy & Environment Research Dept., KIER

서  론

여과포 집진방식은 집진효율이 매우 높지만 미세먼지입자의 여과포 침투로 인한 압력손실 상승, 탈진에너지의 과다부여로 인한 세공의 확장과 이로 인한 집진효율 저하 및 여과포 파손 등의 문제점이 지적되고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 여과속도를 낮추거나 고가의 수입 여과포를 적용하게 되면 장치의 설치 및 운전유지비가 고가로 소요된다.

따라서 여과포에 의한 집진조작시 미세먼지입자가 여과포 내부로 침투하는 것을 근본적으로 방지하고 먼지층의 탈진조작시 낮은 탈진에너지의 적용으로 높은 먼지층 유리효과를 얻을 수 있는 표면여과(surface filtration)용 고효율 박막여과포를 국산화 개발하여 산업체에 적용시키는 것이 필요하다1-2).

표면여과용 박막여과포

기존의 여과포는 탈진 직후 비교적 높은 통기도를 가지며 따라서 압력손실도 낮다. 또한 먼지층이 형성되면 집진이 먼지층 자체에 의해 일어나므로 집진효율이 점차 상승하지만 집진 및 탈진조작이 반복됨에 따라 미세먼지입자가 여과포 내부로 침투되어 압력손실이 급격히 증가하게 된다3).

박막여과포에서 미세한 다공질의 박막은 기존 여과포의 먼지층 역할을 하며 여과포 내로의 먼지 침투를 근본적으로 방지할 수 있다. 또한 박막 자체에 적절한 공극율과 통기도를 가지게 함으로써 집진 및 탈진효율을 높이며 여과포의 수명을 연장시키는 장점이 있다.

박막은 재료의 내부에 미세한 거품을 형성시키거나 재료를 일축연신시켜 다공질 구조를 가지도록 하며, 지지 및 보강섬유인 polyester, polyamide 등과 같은 섬유 표면에 코팅하여 제조한다. 박막의 재료로는 일반적으로 아크릴 또는 PTFE(PolyTetraFluoroEthylene, 일명 테프론) 등이 사용된다4).

실험용 여과포의 특성

본 연구에서 제조된 2종의 실험용 박막여과포 즉, 고온용 박막여과포(H-MEMFILTM) 및 저온용 박막여과포(L-MEMFILTM)와 외산 고온용 박막여과포(TETRATEXTM) 및 저온용 박막여과포(TTLTM)의 표면형상을 주사전자현미경(SEM)으로 확대하여 <그림 1>에 나타내었다. 실험용 국산 고온용 박막여과포 표면의 재질은 PTFE이며 지지체로는 polyamide 섬유가 사용되었고, 저온용 박막여과포 박막의 재질은 아크릴이며 지지체로 polyester 섬유가 사용되었다.

그림에서와 같이 국산 고온용 박막여과포는 완전히 팽창되지 않아 PTFE가 뭉쳐 있으며 여러군데 균열이 발생되어 있다. 따라서 아직 다공질 구조체로 팽창시키는 기술이 미비한 것으로 나타났다. 국산 저온용 박막여과포는 비교적 다공질 구조를 가지고 있지만 공극의 구조가 크고 불규칙한 것으로 나타났다.

<그림 > 실험용 박막여과포의 표면 SEM 사진

이에 반해 외산 고온용 박막여과포의 경우 PTFE 박막이 다공질 구조로 잘 팽창되어 있으며, 저온용 박막여과포의 경우도 국산 저온용 박막여과포에 비해 아크릴 세공이 더욱 조밀하며 형상도 균일함을 알 수 있다.

실험장치 및 실험방법

실험장치는 각종 여과포의 성능특성을 연구하기 위해 개발된 KIER type bench scale EB-DEDUSTER로서 장치의 공정도를 <그림 2>에 나타내었다.

<그림 > KIER type bench scale EB-DEDUSTER의 공정도

실험장치는 유입공기 내의 먼지농도를 조절하기 위한 시험용 먼지공급 및 분산부분, 집진성능 및 탈진특성을 규명하기 위한 장치 본체부분, 탈진용 압축공기를 공급하기 위한 압축공기 공급 및 분산부분, 처리기체의 유량조절 및 배출을 위한 처리기체 흡인부분, 실험장치로 유입되는 기체의 압력손실 및 유량측정 부분과 시료채취부분, 그리고 자료획득 및 처리부분으로 구분된다.

실험은 국산 고온용(H-MEMFILTM) 및 저온용(L-MEMFILTM) 박막여과포, 그리고 외산 고온용(TETRATEXTM) 및 저온용(TTLTM) 박막여과포를 사용하였으며 각각의 성능을 비교하였다.

실험용 먼지로는 flyash를 질량기준중간입자크기 (mass medium diameter)가 5.16□가 되도록 Jet mill (Alpine, 100-AFG Plant)로 제조하였으며, 충분히 건조시켜 사용하였다. 먼지농도는 먼지공급기의 screw 회전수를 조절하여 공급량을 조절하였다. 여과포 입출구의 먼지농도는 APS(TSI Inc., 3310A)를 이용하여 측정하였다.

실험조건으로는 여과속도를 2m/min, 먼지농도를 3g/S□으로 고정시켜 실험을 수행하였다.

실험 결과

가. 압력손실 특성

4종의 실험용 박막여과포에 대하여 입구먼지농도를 3.0g/Sm3, 여과속도 2m/min 으로 일정하게 유지한 조건에서 시간변화에 따른 압력손실 변화경향을 <그림 3>에 나타내었다.

국산 고온용 박막여과포의 경우 탈진효율이 급격히 떨어지는데 이는 박막의 균열을 통하여 미세먼지 입자가 여과포의 섬유층 내로 침투하기 때문인 것으로 판단된다.

국산 저온용 박막여과포의 경우 외산보다 탈진주기가 짧고 탈진후 압력손실도 높게 나타난다. 이는 국산 저온용 박막여과포의 공극이 외산에 비해 크기 때문에 미세먼지입자가 여과포 내로 어느 정도 침투하기 때문인 것으로 판단된다.

<그림 3>  실험용 박막여과포의 압력손실 특성

고온용 박막여과포           저온용 박막여과포

<그림 4>  실험용 박막여과포의 총괄집진효율 특성

나. 총괄집진효율

4종의 실험용 박막여과포에 대한 총괄 집진효율을 <그림 4>에 나타내었다. 국산 박막여과포의 경우 집진조작 초반에 집진효율이 다소 떨어지다가 점차 상승하는데 이는 집진 및 탈진조작이 계속되면서 여과포 내로 침투한 잔류 미세먼지 입자에 의해 여과포 내의 공극이 메워지면서 집진효율이 상승하는 것으로 판단된다. 외산 여과포의 경우 거의 일정한 집진효율을 보이는데 이는 박막의 구조가 치밀하여 먼지입자가 여과포 내부로 침투하지 못하는데 기인한 것으로 판단된다.

결  론

본 연구에서는 미세먼지입자의 여과포 침투를 방지하고 먼지층의 유리효과가 뛰어난 표면여과용 박막여과포를 개발하여 특성을 고찰하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 제조된 국산 박막여과포의 표면은 외산 제품에 비하여 공극의 형상이 크고 불규칙하며 전반적으로 제조기술이 부족한 것으로 나타났다.

2. 집진 및 탈진조작이 계속되면서 여과포 내로 침투한 잔류 미세먼지 입자에 의해 여과포 내의 공극이 메워지면서 총괄 집진효율이 99.9% 이상까지 상승한다.

참고문헌

1. G. A. Brinckman, R. E. Gill II, and M. B. Hrycak, "The Application of GORE-TEX Membrane Filter Bags at a Tire-to-Energy Facility," Incineration Conference Proceedings, pp. 93-97, May 1992.

2. R. E. Gill II, "Economics of Expanded PTFE Membrane Filter Bags in a Municipal Solid Waste(MSW) Incinerator," Air & Waste Management Association, pp. 24-29, June 1990.

3. The Ravensworth Lab., □Surface Filtration: The Way Forward?" Filtration and Separation, pp. 134-136, March 1998.

4. 손재익, 박영옥 외, □고효율 먼지하전 박막여과포 집진장치 개발,□ 청정에너지기술개발과제 1차년도 중간보고서, 1997.