본 연구에서 사용된 4종류 여과재는 니들펀칭 (needle-punching) 방법으로 제조된 폴리에스터 (polyester, PET) 부직포를 기본 소재로 하고 있으며, 처리가스가 유입되는 측의 여과재 표면을 서로 다른 방법으로 가공 처리한 것이다. 여과재 A는 여과재를 고온의 롤러 사이에 통과시켜 여과재 한 면의 섬유를 녹이면서 압착하는 윤내기 (calendering) 가공을 통해 처리한 것이며, 여과재 B는 여과재 한 면의 섬유 보푸라기를 태우면서 서로 엉겨 붙게 만드는 모소 (singeing) 가공 방식으로 제조된 것이다. 여과재 C는 여과재 한 면에 나노섬유 멤브레인을 코팅하여 제조된 것이며, 여과재 D는 표면에 미세 기공이 잘 형성된 테프론 (expanded polytetrafluoroethylene, ePTFE) 멤브레인을 코팅하여 제조된 여과재이다. 상기 4종 여과재의 두께는 2 mm 전후이며, 단위 면적당 무게는 대략 500 g/m² 수준이다. 본 연구에 사용된 4종의 여과재에 대한 기본 정보는 표 1에 정리하였다. 본 연구는 서로 다른 표면처리 방식으로 제조된 여과재를 사용한 백필터의 운전 및 집진 특성이 핵심 내용이기 때문에 여과재의 표면 구조와 단면 구조를 전자현미경 (Nova NanoSEM 450, FEI)을 이용하여 분석하였다.

여과집진장치에는 여과재를 이용하여 제조된 백필터가 적용되기 때문에 여과집진장치의 집진 특성을 보다 정확히 분석하기 위해서는 여과재에 대한 기본 집진 성능 분석이 필수적이다. 본 연구에서는 그림 1에서 나타낸 여과재 실험 장치를 활용하여 표 1의 각 여과재에 대한 여과속도별 압력손실과 집진효율을 파악하였다. 여과재 샘플은 그림 1에 나타낸 바와 같이 직경 50 mm 크기의 원형 샘플로, 그림 1의 필터 홀더 (filter holder)에 장착되는데, 실제 여과에는 직경 40 mm에 해당되는 면적만 사용되며 5 mm에 해당되는 샘플의 테두리는 필터 홀더의 플랜지에 고정되는 데 사용된다. 여기서 여과속도는 처리가스 유량을 실제 여과에 사용된 여과재의 총 면적으로 나눈 값으로 여과집진장치에서 보편적으로 사용하는 여과속도는 1 m/min 전후이다. 본 연구에서 여과재 압력손실은 여과속도 1, 2, 3, 5 m/min의 조건에서 측정 범위에 적합한 차압계 (C310, KIMO; testo 400, Testo)를 사용하여 측정하였으며, 여과재의 집진효율은 1, 2, 3 m/min의 여과속도에 대해 각각 분석하였다. 여과재 집진효율 실험에 사용된 입자는 직경이 1 µm보다 작은 크기 분포를 갖는 KCl 입자를 사용하였다. 본 연구의 백필터 실험에 사용된 분말 형태의 먼지 입자를 사용하지 않고 여과재 실험에 KCl 입자를 사용한 이유는, 분말 먼지 입자를 사용할 경우 그림 1에 표시된 수 lpm 수준의 유량 조건에서 낮은 농도로 먼지를 일정하게 공급할 수 있는 장비가 없을 뿐만 아니라, 기존의 먼지 공급 장치로는 매우 높은 농도의 먼지가 유입되고 실험 중에 여과재가 먼지 입자로 빠른 시간 내에 오염되기 때문에 청정한 상태의 여과재에 대한 신뢰성 있는 성능평가를 수행하기 어렵기 때문이다. 이러한 이유로 본 연구의 여과재 집진효율 실험에서는 KCl 1.0 wt% 수용액을 분무장치 (Model 9302 Atomizer, TSI)를 통해 분무한 후, 실리카겔을 이용한 건조기와 입자중화기 (Model 5622, GRIMM)를 통과시킨 후 여과재 시험 챔버로 유입되도록 하였다. 여과재 통과 전후의 KCl 입자의 농도는 전기적 이동도 차이를 이용한 입경별 농도 측정장비 (SMPS with a Model 3081 DMA and Model 3775 CPC, TSI)를 사용하여 측정하였으며, 여과재의 입경별 집진효율은 아래의 식 (1)을 이용하여 계산하였다. 식 (1)에서 η_dp는 입경이 d_p인 입자에 대한 여과재의 집진효율을 나타내며, C_up, d_p는 여과재 전단에서의 입경 d_p인 입자의 농도를, C_down, d_p는 여과재 후단에서의 입경 d_p인 입자의 농도를 각각 나타낸다.

Fig. 1. 
Schematic diagram of filter media test apparatus.

본 연구에서는 서로 다른 표면처리 기술이 적용된 4종의 여과재를 이용하여 제조된 백필터에 대한 집진 성능을 평가하였다. 본 연구에서 사용된 모든 백필터는 직경 156 mm, 길이 3,000 mm인 국내외 여과집진설비 시장에서 보편적으로 사용되는 크기를 갖는다. 본 연구에서 사용된 여과재와 백필터의 외형적 특징에 대한 직관적 정보를 위해 4종의 여과재와 이를 이용하여 제조된 백필터의 사진을 그림 2에 나타내었다. 그림 2의 여과재는 가로×세로 크기가 대략 150 mm×150 mm 정도이며 외형 사진으로는 각 여과재별 차이점을 찾아보기 어렵다. 백필터는 그림 2의 아래 사진과 같이 여과재 (Medium A)를 봉재하여 제조한 것으로 사진 좌측의 원형 테두리 부분이 백필터 상단에 해당되며, 사진 우측 부분이 백필터 바닥면이다. 본 연구의 백필터는 길이가 3 m이기 때문에 그림 2에서는 길이방향으로 접혀진 상태의 사진을 보여주고 있지만 실제 여과집진장치에 설치될 때는 수직으로 길게 펼쳐지며, 백필터의 형상 유지를 위해 백필터 내부에는 강철 와이어로 제작된 백 케이지 (bag cage)가 설치된다. 본 논문에서는 여과재와 백필터를 그림 및 표에 구분하여 표기하기 위해, 여과재는 표 1에서 볼 수 있듯이 ‘Medium A’, ‘Medium B’와 같이 표기하였으며, 백필터에 대해서는 예를 들어 ‘Medium A’ 여과재를 이용하여 제조된 백필터는 ‘Bag Filter A’와 같은 방식으로 표기하였다.

Fig. 2. 
A photograph of filter media and a bag filter used in this study.

그림 3은 본 연구에서 사용된, 백필터의 집진 성능을 평가할 수 있는 여과집진 시험설비의 개략도를 보여주고 있다. 백필터로 유입되는 가스는 실험실 공기이며, 스크류 방식의 먼지 정량 공급장치가 사용되어 유입되는 공기 중의 먼지농도가 일정하게 유지되도록 하였다. 백필터로 처리되는 공기의 유량은 시험설비 배출관에 설치된 유속계 (Model SS 20.651, SCHMIDT)를 통해 계측되고 후단의 흡인 송풍기와 연동되어 일정한 유량 조건에서 운전될 수 있도록 제어되었다. 백필터 전후의 압력손실은 차압계 (Rosemount 3051CD, Emerson)를 통해 모니터링되며, 백필터를 통과하 여 배출되는 먼지의 농도는 6초의 간격으로 먼지 입경별 농도 측정이 가능한 광학적 먼지농도 측정장비 (Model 1.109, GRIMM)를 사용하여 실시간으로 측정하였다. 본 연구의 백필터 실험에서 적용한 탈진방식은 충격기류 (pulse-jet) 탈진이며, 백필터의 압력손실이 일정한 값 (1,000 Pa)에 도달하였을 경우, 압축공기 탱크에 연결된 탈진밸브 (pulsing valve)가 0.1초간 열리면서 40A 배관에 형성된 직경 10 mm 크기를 갖는 홀 (hole) 형태의 노즐을 통해 압축공기가 백필터 내부로 분사되고, 이때 백필터가 순간적으로 팽창되면서 필터 표면의 먼지들이 탈리된다. 본 연구에서 사용된 먼지는 순환유동층 연소방식의 석탄 화력발전소로부터 배출된 비산재를 사용하였으며, 그림 4에 실험용 먼지 입자의 전자현미경 사진을 보여주고 있다.

Fig. 3. 
Schematic drawing of bag filter test unit.

Fig. 4. 
Scanning electron microscope image of dust particles used in this study (×2,000).

본 연구에서는 4종의 여과재를 이용하여 제조된 백필터의 탈진 및 집진 성능 평가를 위한 주 실험에 앞서 에이징 (aging) 실험이 수행되었다. 에이징 실험은 먼지가 유입되는 조건에서 백필터의 집진과 탈진을 반복하면서 안정적인 운전 및 집진 특성이 유지될 수 있는 조건을 만들기 위해 필요하다. 각 백필터는 그림 3의 여과집진 시험설비에 설치된 후, 1,000분 동안 먼지가 유입되는 실험 조건에서 에이징 (aging) 실험을 거쳤다. 에이징 실험은 여과속도 1.5 m/min, 유입 먼지농도 20 g/m³, 탈진공기 압력 3 kg_f/cm², 탈진 개시 필터 압력손실 1,000 Pa인 조건에서 수행되었다. 각 백필터의 에이징 실험을 거친 후 수행된 주 실험의 조건은 여과속도가 2.0 m/min인 것을 제외하고는 에이징 실험과 동일하며, 이를 표 2에 정리하였다. 또한 주 실험에서는 각 백필터에 대해 총 7회의 탈진을 수행하였으며, 이때의 탈진 특성과 먼지배출 특성을 분석하여 집진 특성을 비교하였다.

그림 5는 본 연구에서 사용된 4종의 여과재 각각에 대한 표면과 단면 구조를 보여주는 전자현미경 사진으로, 그림 5의 왼쪽 사진들은 표면 구조를, 오른쪽 사진들은 여과재 두께 방향의 단면 구조를 각각 보여준다. 여과재 A의 표면은 군데군데 섬유들이 용융되어 압착된 형태를 갖고 있는데, 이것은 윤내기 가공의 전형적인 특징으로 (Purchas and Sutherland, 2002), 이를 통해 기공크기를 제어하여 필터 표면에 먼지입자가 포집되어 쌓이도록 유도하며 매끈한 표면 상태를 유지하여 보다 효과적인 탈진이 이루어지도록 한다. 또한 여과재 A의 단면 구조는 니들펀칭 (needle punching) 방식으로 제조된 부직포의 가장 일반적인 형태인 섬유 간 십자형 결합을 보여주고 있다. 여과재 B는 모소 (singeing) 가공을 통해 부직포 표면의 섬유 보푸라기들이 열에 의해 녹아 서로 엉겨 붙은 형태를 보여주고 있으며, 여과재 A와 다른 점은 롤러에 의한 압착 형상이 여과재 B에는 나타나지 않는다는 점이다. 여과재 C는 멤브레인 형태의 얇은 나노섬유 (직경 약 160 nm) 여과층이 부직포 위에 코팅된 구조를 갖고 있다. 여과재 C의 단면 구조는 나노섬유 멤브레인이 여과재 A 및 여과재 B와 유사한 구조의 부직포 위에 덮여 있는 형상을 보여준다. 여과재 D는 부직포 위에 수십 나노미터 크기의 직경을 갖는 섬유들이 서로 얽혀진 구조의 테프론 (ePTFE) 멤브레인이 부착된 형태를 갖는다. 이때 멤브레인의 두께는 수 마이크로미터 수준이며 여과재 D의 우측 그림을 통해 테프론 멤브레인의 두께와 코팅 형태를 확인할 수 있다. 여과재 C와 여과재 D를 비교하면 둘 다 얇은 기공성 멤브레인이 부직포 위에 코팅된 형태를 갖고 있으나, 여과재 D의 경우 수십 나노미터 직경의 섬유들 사이에 기공이 잘 형성되어 있는 반면, 여과재 C의 나노섬유 멤브레인은 섬유 사이의 기공이 잘 나타나지 않은 것을 알 수 있다.

Fig. 5. 
Scanning electron microscope images of tested filter media (left: front surface, right: cross-section).

백필터는 여과재를 이용하여 제조되기 때문에 여과재의 집진 성능이 백필터의 성능에 직접적인 영향을 주게 된다. 따라서 본 연구에서는 표 1에 나타낸 4종의 여과재에 대해 여과속도별 압력손실을 측정하고 실험용 KCl 입자에 대한 입경별 집진효율을 평가하여 비교하였다. 이때 사용된 모든 여과재는 먼지가 포집되지 않은 깨끗한 상태의 여과재이다. 그림 6은 4종의 여과재에 대한 여과속도별 압력손실 측정 결과를 보여주고 있다. 윤내기 가공과 모소 가공 방법을 통해 제조된 여과재 A와 여과재 B는, 멤브레인이 코팅된 여과재 C와 여과재 D에 비해 매우 낮은 압력손실 특성을 보이며, 이러한 결과는 그림 5에서 비교한 여과재의 표면 구조를 통해 충분히 예상할 수 있다. 그림 6에서 주목해서 살펴봐야 하는 결과는 나노섬유 멤브레인이 코팅된 여과재 C의 압력손실이다. 앞서 그림 1의 전자현미경으로 관찰된 여과재 C의 표면 구조를 보면, 섬유 사이에 기공이 거의 형성되지 않은 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 나노섬유 멤브레인 자체의 결함일 가능성과 함께, 멤브레인을 부직포 위에 코팅하는 과정에서 멤브레인에 형성되었던 기공이 막혔을 가능성도 있다. 일반적으로 여과집진장치의 운전 시 백필터 전후의 압력손실이 2,000 Pa 이하에서 유지된다는 점을 감안하였을 때, 여과재 C는 백필터 여과재로서는 적절하지 않은 수준의 높은 압력손실 특성을 가지고 있음을 알 수 있다. 반면, 섬유 사이의 기공이 잘 발달된 테프론 멤브레인을 표면에 코팅한 여과재 D의 경우 여과재 A, B에 비해서는 상대적으로 압력손실이 높지만 여과속도 1 m/min에서의 압력손실이 100 Pa 수준으로 낮기 때문에 백필터 여과재로서의 요건을 갖추었다고 할 수 있다.

Fig. 6. 
Pressure drop of tested filter media at different filtration velocities.

그림 7은 여과속도 1 m/min의 조건에서 그림 1의 여과재 시험장치를 이용하여 여과재 전단과 후단에서 각각 측정된 KCl 입자의 입경별 농도와 식 (1)을 이용하여 계산된 각 여과재의 KCl 입자 크기별 집진효율을 보여준다. 참고로 본 연구에서 사용된 KCl 입자는 수 농도 기준으로 기하학적 평균 입경 52 nm, 표준편차 2.0 수준의 크기 분포를 갖는 직경이 1 µm 이하인 입자이다. 그림 8은 여과속도 1, 2, 3 m/min 조건에서 KCl 입자의 입경별 농도 측정 자료를 이용하여 여과재 전후의 총 질량농도를 계산하고 이를 기반으로 각 여과재별 총괄 집진효율 (overall collection efficiency)을 구한 후 그래프로 나타낸 것이다. 그림 7과 그림 8을 통해 확인할 수 있는 것은 낮은 압력손실 특성을 보였던 여과재 A와 여과재 B는 멤브레인이 적용된 여과재 C와 여과재 D에 비해 매우 낮은 집진효율을 갖는다는 점이다. 그림 7을 살펴보면 여과재 A와 여과재 B는 입경이 300 nm인 지점에서 집진효율이 최소가 되는 U자형의 전형적인 여과효율 곡선 (Hinds, 1999)을 갖으며, 여과재 C와 여과재 D는 전체 입경 범위에서 99%에 근접한 높은 집진효율을 보인다는 차이점이 있다. 또한 그림 8의 여과속도별 각 여과재의 총괄 집진효율을 보면, 상대적으로 낮은 집진효율을 보이는 여과재 A와 여과재 B는 여과속도가 증가할 때 여과효율이 감소하는 일반적인 여과 집진의 특성 (Hinds, 1999)을 보이나, 99% 수준의 높은 집진효율을 갖는 여과재 C와 여과재 D는 여과속도의 영향이 매우 미미하게 나타남을 알 수 있다. 그림 6과 그림 8에서 나타낸 각 여과재의 압력손실과 총괄 집진효율 결과를 표 3에 정리하였다. 표 3에는 각 여과재의 성능지수 (quality factor)도 포함되었는데, 여과재의 성능지수는 여과재의 집진효율과 압력손실의 비 (ratio)를 나타내는 지표로서 아래의 식 (2)와 같이 나타낸다. 본 연구에서는 식 (2)에 사용된 집진효율로 그림 8의 총괄 집진효율을 사용하였다. 식 (2)에서 q_f는 여과재의 성능지수를, E는 그림 8의 총괄 집진효율을 그리고 ΔP는 그림 6의 압력손실을 각각 나타낸다. 식 (2)에서 알 수 있듯이 여과재의 성능지수는 집진효율이 높을수록, 압력손실이 낮을수록 증가하게 된다. 표 3에 정리된 각 여과재별 성능지수를 살펴보면 여과재 D가 가장 높은 값을 갖으며, 여과재 C는 높은 집진효율에도 불구하고 높은 압력손실로 인해 4종의 여과재 중 가장 낮은 성능지수 값을 갖는 것을 알 수 있다.

Fig. 7. 
Fractional collection efficiency of tested filter media at 1 m/min of filtration velocity for KCl particles.

Fig. 8. 
Overall collection efficiency of tested filter media at different filtration velocities based on the mass concentration of KCl particles.