1. 개요 (가). 여과(filteration) 정의 |
분리기술(Seperation technology)의 일종으로 유체(액체 또는 기체) 속에 들어있는 불순물 입자(오염의 원인)를 망사나 스폰지와같이 기공을 가지고 있는 재질에 통과시켜 유체와 불순물 입자를 분리하는 방법으로. 초창기에는 필터재질이 다양하지 못해서 10 m 이하의 오염입자를 제거하기가 힘들었으나, 지금은 필터 재질(P.P., PES, PTFE, Nylon 66, ⓒ Gore Tex)이 다양하게 개발되어 0.1 m이하의 입자도 분리가 가능하게 되었으며 현재 Ultra filtration영역과 중복되는 현상이 발생하고 있다.
넓은 뜻에서는 기체 속의 현탁(懸濁)고체와 액체입자를 분리시키는 조작도 포함되지만, 이것은 일반적으로 여과집진(濾過集塵)이라 하며, 단순히 여과라 할 때는 고체-액체 분리조작만을 가리킨다. 여과는 화학실험 등에서 침전분리 등에 널리 응용되는 외에, 화학공업을 비롯하여 기타 공업에서 가장 일반적인 중요한 단위조작의 하나이며, 분리시키는 고체입자도 0.1 이하에서 수백 μm에 이르고, 고체 농도도 모래여과기 등에서와 같은 극히 묽은 것에서 50 % 이상의 슬러리(slurry)까지 광범위하다. 여과재로는 실험실에서는 여과기 ·유리여과기 ·유리섬유 ·석면 등이 흔히 사용되며, 공업적으로는 면 ·나일론 ·다공성 금속 ·금속섬유 등이 사용된다. 일반적으로 조작을 촉진시키기 위해서 여과재의 양쪽에 압력차를 두어 액체의 투과를 촉진시키는데, 흡인여과나 가압여과가 그 예이다. 이 밖에 가열하거나 원심분리의 원리를 응용한 것도 있다. 또한 분리하고자하는 고체 입자가 0.1∼수 μm정도의 콜로이드 입자나 분자를 여과시키는 데는 조제조건(調製條件)에 따라 여러 가지 지름의 구멍을 가진 콜로디온막이나 셀로판막을 사용하기도 하는데, 이것을 한외여과(限外濾過)라고 한다.
최근에는 부유물과 유기물을 동시에 제거하고 냄새까지 없앨 수 있는 중수도 여과기술도 개발되어 수자원의 확보뿐만 아니라 배출되는 오염물질을 줄여 수질관리 방안으로 활용되고 있다. 중수도 여과기술 중 하나인 고도산화 여과장치 기술은 오·폐 수를 규조토로 거른 뒤 오존(O₃) 또는 과산화수소(H₂O₂)를 투입해 유 기물을 완전 분해해 살균 처리하여 재사용 가능한 물을 확보하는 기술로서, 여과, 유기물 제거, 살균, 냄 새 등을 동시에 처리할 수 있어 설치 면적이 기존 공법에 비해 4분의 1 에 불과하고 유지비도 적게 드는 등 경제성이 매우 뛰어나다. 이러한 중수도 여과 기술은 생활 오·폐수, 산업 폐수, 수영 장, 목욕탕 등의 폐수를 정화할 수 있어 환경 오염 예방과 함께 비용 절감 효과도 기대되어 진다. (나). 여과 원리(filtering Mechanism) |
filtering machanism에는 크게 3가지의 종류가 있으며 유체가 기체인경우와 액체인경우 각각의 효과에 큰 차이가 있다. [ Mechanisms of Filtration ]
A : 여과면적[㎡] C : Cake농도[kg/㎥] gc : 중력환산계수[kgm/kgsec2] K1 : 계수 [-] K2 : 계수[-] n : 압축계수[-] P :전여과압력[kg/㎡] Pc : 여과Cake 압력손실[kg/㎡] Pm : 여재대한압력손실[kg/㎡] Q : 여과유량[㎥/sec] W : Cake 보충량[kg/㎡] | q : 단위면적당 여과유량[㎥/㎡sec] R : 여과저항 [1/m] Rc : 여과Cake 의한 저항[1/m] Rm : 여재에 의한 저항[1/m] V : 여과량 [㎥] v : 단위면적당의한 여과량[㎥/㎡] do : Cake 정수 [-] dm : Cake 평균여과비 저항[m/kg] μ : 여액점도 [kg/msec] θ : 전 여과시간 [sec] |
1) 직접여과효과 (Direct Interception)
| 그림과 같이 유체속에 들어있는 오염입자의 크기가 필터재질이 구성하고 있는 기공의 크기보다 커서 통과하지 못하고 필터에 걸리는 현상. |
2) 관성여과효과(Inertial Impaction)
| 그림과 같이 유체속에 들어있는 오염입자가 유체와 같이 움직이다가 필터 Media 앞에서 유체의 흐름 각도가 변함에 따라 유체을 따라가지 못하고 관성에 의해 직진을 계속하다가 필터 Media에 걸리는 현상. 이런 효과는 유체가 액체이고 액체속에 있는 오염입자의 밀도가 액체보다 높을 때 많이 발생하며 흔히 물속에 침전되어 있는 모래나 파이프 스케일 등에서 많이 발생하는 메커니즘 |
3) 확산여과효과(Diffusional Interception)
| 아래 그림과 같이 유체속에 들어있는 오염입자가 크기도 아주 작고 가벼워서 실제 유체의 흐름선(stream line)과 같이 따라 움직이지 못하고 Micro Brownion Motion에의한 지그재그 모양으로 자기 마음대로 움직이는 확산현상. 이런 현상은 액체에서는 찾아보기가 힘들고 주로 기체에서 많이 나타나는 현상임. 이 현상때문에 똑같은 필터라고 하더라도 액체인 경우와 기체인 경우의 여과 등급이 틀려짐(Micro Brownion Motion : 유체속에 들어 있는 입자가 유체의 입자들과 지속적으로 충돌하면서 유체의 흐름선을 벗어나려는 움직임). | 4) 포집입자 재통과 효과(Unloading) 유체속에 포함된 오염입자가 위에서 설명한 효과들에 의해서 필터미디어에 포집되면 그냥 그 곳에 머무는 것이 아니라 다시 유체에 휩싸여서 필터미디어를 통과하여 나오는 현상. 한번 포집 된 입자가 다시 유체에 휩쓸려서 유체 속으로 들어가는 이유는 몇 가지가 있음. 예를 들면 유체의 유량이 증가해서 유속이 빨라지면 다시 유체에 휩쓸릴 수 있고 필터를 오래 쓰면 차압이 증가하게 되고 차압이 증가하면 기공이 넓어져서 빠져 나올 수 있으며 펌프의 맥동 현상에 의해서 다시 나올 수도 있습니다. 잘 만들어진 좋은 필터는 필터미디어의 기공크기보다 큰 입자가 통과되지않으면서 입자를 포집 할 수 있는 기공을 많이 가지고 있어야 합니다. 큰 입자가 1개도 통과되지 않으려면 필터의 기공 크기가 압력이 높아지더라도 커지지 않고 필터미디어가 충분한 두께를 가지고 있어서 오염물의 대부분이 표면으로부터 20% 내의 층에 포집될 수 있도록 설계되어야 합니다. 5) Liquid Fiteration 에서의 필터링 상승효과 액체상에서 필터링할 때에 다음의 기법들을 사용하여 필터링 효과를 높일수가 있습니다.
a) Electrostatic Deposition 대부분의 조그만 입자는 negative charge를 가지고 있고 이것을 이용하여 필터의 포집효과를 높이는 방법임. 필터미디어에 positive charge를 띄도록 화학적으로 처리하여 negative charge를 띄는 입자를 포집하는 방법
b) Flocculation 아주 조그만 입자는 필터로 포집하기가 상당히 힘들지만 조그만 입자들을 서로 뭉치게 하면 포집하기 쉬운 입자 크기로 만들 수 있고 이것이 필터 케이크를 형성하여 필터링 효과를 높여 줌. Polyelectrolytes를 투여하여 이런 효과를 높이는 것은 현장에서 흔히 사용되는 방법. Polyelectrolytes로 사용되는것은 Soluble Starches, gelatin, derivatives of polyacrylates 등이 사용되며 아주 소량이 투여되어야 함. c) Filter Aids 필터링 전에 필터미디어에 Precoating 하는 방법으로, Precoating하여 필터미디어 표면에 필터Cake를 형성시켜서 필터링 효과를 높여주는 것. (다). 여과기 |
여과해서 회수하는 것이 cake인가 liquid인가 아니면 양쪽 모두인가 혹은 분사입자의 량의 다소등의 조건에 따라서 여과기의 형태가 정해진다. 원액중의 분산입자의 농도에 의해 여과기구가 다른 것은 물론 여과방식 및 여과기가 정해진다. 일반적으로 고형물이 부피의 1%보다 크면 cake 여과에 해당하고, 그 이하이면 청정여과로 분류할 수 있다.
여과조제를 이용한 여과기는 다음의 3가지 조작, 첫째 precoat를 하고 둘째 precoat층을 통해 여과를 하고, 셋째 여과 종료 후에 cake을 이탈시키고 세척하는 방법을 반복해서 작업을 하게 된다. 이를 동반한 여과기 타입은 크게 2가지가 있으며 진공식 반연속식 필터와 가압식의 회분식 필터로 나누고, 전자는 연속식 필터에 가깝고 후자는 흔히 필터프레스라고 하는 수동식에 해당된다.
여과장치는 실제의 문제를 해결하며서 상황에 따라 독자적으로 발전하였고 어느 물질을 여과하기 위해서 관련 문헌을 찾기가 어렵고, 실제의 실험을 통하여 자료를 구하고, 장치를 선택해야 한다.
회분여과기(batch filter)는 여과 압력원의 차이에 따라서 가압식과 진공식으로 나누고 근본적 차이로 진공식은 대기압 1kg/cm2이하의 압력에서 사용되고 가압식은 그러한 제한이 없으며 일반적으로 3~8kg/cm2 까지 사용하게 된다.
반연속식여과기(연속여과기포함)는 분산입자의 량이 아주 많은 경우 고형분이 1.0%보다 많은 액의 여과에 belt filter등이 사용된다. 연속적인 제거, 배출되는 cake이 형성되고 이 경우는 여과조제가 사용되지 않는다. 이는 drum type의 precoat filter와는 다른 연속여과기(continuous filter)에 해당된다. 고형분이 1.0~0.1% 범위내에서도 농축이 되지만 여과조제를 가해 고형분 농도를 증가시키므로 연속여과하는 것이 가능하다. 고형분이 0.1% 이하가 되면 연속 제거할 수 있는 두계의 cake이 되지 않기 때문에 이 형식을 개량한 드럼형의 rotary precoat filter에서 연속식과 유사한 여과가 진행된다. 가압식도 만들어지지만 널리 사용되는 것은 진공식이다. 가압식도 만들어지지만 널리 사용되는 것은 진공식이다.
아래 Rotary Vacumm Precoat Filter와 같이 여재를 표면에 부착한 드럼이 회전하고, 드럼의 하부 약 1/3이 원액에 잠겨 있게 된다. 드럼의 직경, 길이, 여과면적이 0.3m x 0.3m x 0.28m2 의 소형에서 2.4m x 4.8m x 27.2m2 의 대형여과기가 제작되고 있다.
드럼의 표면에 50~100mm 두께의 여과조제 precoat를 형성하고, 그 표면에서 여과를 진행한다. precoating 된 cake을 두께가 약 0.001~0.2mm 로 드럼이 1회전할 때만다 깍이어 지고, precoat된 cake층이 없어질 때까지 연속해서 사용하므로, 연속식 여과기와 같지만, cake이 없어지면 여과작업을 끝내고, 연이어 precoat를 해서 시작하는 면에서 회분식과도 유사하다. 반연속식이라고 불리는 것은 이 때문이며, 경우에 따라서는 1회의 프리코트로 수시간부터 1주일까지도 사용할 수도 있다.
아래의 여과 메커니즘과 일반적인 회분식 여과기와 rotary vacumm precoat filter의 흐름도가 아래에 나타내었다. [ Rotary Vacuum Precoat ]
(라). 유형별 여과(Filters) |
액체나 기체 상태의 유체에 용해되지 않은 입자를 분리하는 것이며 이 분야에는 몇 개의 형식을 가지고 있다.
① 모래 여과 및 심층 여과 (San Filter & Depth Filter) 물리적 처리과정이며 마모율이 적은 모래 및 안스라사이트로 층을 형성시켜 물을 통과시키면서 여과하는 장치이다. 1차 처리수를 용수로 사용하기 위해 사여과 처리하며, 원수중의 부유물질 및 고형물이 모래에 부착되어 제거된다.
처리수 흐름방향에 따라 하향류(압력식)과 상향류식(유동상식)으로 구분된다.
② 활성탄 여과(Activated Carbon Filter) 활성탄이라는 흡착제를 사용하여 다양한 종류의 유기화합물을 흡착하므로 정수처리, 고차적인 처리에 유용하다. 1차 처리수나 사여과장치등 여과시설을 거친 처리수의 잔존 B.O.D., C.O.D., 질소, 중금속 제거 및 탈색·탈취를 위한 고도처리용으로 사용된다.
③ 정밀 여과(Micro Filter) 다공성의 섬유층으로 구성된 카트리지(Cartridge Type Filter)의 Filter를 일정 크기의 용기에 충진하여 통과시켜 용, 폐수, 하수 등의 잔존 부유성 물질을 정밀하게 여과하게 된다. 정밀여과막은 부유물질이나 미생물을 분리하는 방법이다. 막의 세공크기가 0.1 ∼ 10μm이며 0.1 ~ 2 kg/cm2의 압력으로 운전되며 주로 Cartridge Filter나 Bag Filter등이 있으며 U/F의 전처리용으로 사용된다.
④ 한외 여과(Ultra Filteration) 한외여과는 5~100 nm 정도의 기공크기를 갖는 한외 여과막을 이용하여 액체중에 용해되거나 분산된 물질을 입자 크기나 분자량 크기별로 분리하는 방법이다. 분리하는 막은 중공사막(Ultra Filter)이며, 말 그대로 가운데가 비어있는 대롱형태의 막이다.
여과능력은 원수중의 저분자물질(, K, Mg, Ca, Na, Cl)등은 막 사이로 투과되고 고분자물질(부유물질(SS), 대장균, 바이러스, 박테리아, 세균성 비브리오균, 적조류, 유지분, 콜로이드용액, 피로겐 등)은 모두 농축, 제거된다. 또한, 중공사막은 단위 부피당 처리막의 면적이 넓어 여과효율이 우수하다는 장점도 있지만 특히 자기 지지성을 가지고 있으므로 역세척이 가능하며 막 표면이 오염되더라도 역세척에 의해 세정하므로 성능회복이 쉽게 된다. 일반적으로 오염이 쉽게 일어나는 해수에서는 주기적으로 자동 역세척이 되는 시스템은 도입하여 항상 정상적인 운전이 가능하다. 오수 및 하수 그리고 산업폐수처리시설에 적용 시는 "침전식", "관로형"으로 구분 설치하고 있으나 장단점이 서로 달라 선택 시 용도에 따라 고려해야한다. |