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문제 정의
- 본 연구에서는 고온 연소가스로부터 나노입자를 효과적으로 포집, 제거할 수 있는 고성능 고온용 나노 세라믹 필터를 개발하고자 하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구의 목표인 초미세입자 제거를 위한 세라믹 재질의 고온용 필터를 제작하기 위해서 재질은 SiOz를 사용하였고, HEPA 필터 급의 효율을 위하여 수 ㎛ 이하의 필터 섬유를 제작하고자 하였다.
- 그래서 본 연구에서는 세라믹. 재질을 이용하여 고온의 환경에서 적용이 가능하며 HEPA 급의 포집 효율을 가지도록 하는 고성능 나노 세리-믹 필터를 개발하여 특성을 분석해보고자 하였다.
제안 방법
- (1) 프리필터와 전기방사에 의한 나노섬유 필터의 조합으로 구성된 마이크로 섬유층과 나노 섬유층의 2중층 필터를 제조하였다.
- (2) 2중층 필터에 SiO2 나노 입자를 이용하여 섬유 표면을 코팅하였고, 코팅된 2중층 필터를 200~ 1300 ℃사이에서 소결시키는 공정을 통해 고분자 섬유를 분해시켜 나노 세라믹 필터를 제작하였다.
- Fig. 4는 나노 세라믹 필터의 열전도도 측정 장치의 개략도를 나타낸 것으로 고온 조건에서 나노 세라믹 필터를 사용할 경우 폐열의 회수 즉면이나혹은 열충격에 의한 파손 등에 대비하기 위하여 열전도도 값을 측정, 분석하였다. 본 장치에는 Ti ~T®까지 10개의 T 타입 열전대를 직경 40 mm, 길이 440 mm'Jl 구리봉에 설치하였으며 두께 2 mm의 샘플을 40mm의 간격으로 두 곳에 설치하였다.
- 9는 본 연구를 통해 개발뇐 나노 세라믹 필터와 전기방사만을 통해 제조된 나노 필터 및 .HEPA 필터의 분진 포집 효율 측정 결과를 비교하여 나타내었다. 0.
- 기본 구성으로는 전압인가 부와 전압을 고분자에 인가하는 구리재질의 전극, 고분자 용액을 저장 및 방사하는 주사기(Syr- inge)부 그리고 접지된 포집부가 주요 구성요소이다. 또한 실험시 용매가 완전히 증발되지 않은 상태에서 쏘집부에 쏘집됨으로써 나노 섬유자체가 융착되어 굵어지는 현상을 방지하기 위하여 포집 부를 회전시켜 실험을 수행하였다. 용매는 Polyethylene oxide(PEO : Sigma Aldrich, 분자량 200, 000) 를 사용하였으며 용매는 증류수와 에탄올을 사용하였다n 분말로 된 PEO를 증류수와 에탄올을 혼합한 용매 속에 넣고 교반기로 24시간 동안 교반 하여 PEO용액을 제조한다.
- 용매는 Polyethylene oxide(PEO : Sigma Aldrich, 분자량 200, 000) 를 사용하였으며 용매는 증류수와 에탄올을 사용하였다n 분말로 된 PEO를 증류수와 에탄올을 혼합한 용매 속에 넣고 교반기로 24시간 동안 교반 하여 PEO용액을 제조한다. 본 연구에서 사용된 PEO 의 농도는 2~10wt%로 조절하여 실험을 수행하였다. 전압을 인가하는데 사용하는 고전압 발생기 ((주)청파EMT)는 10mA, 0~4QkV의 범위를 가지며 실험결과는 전자현미경(SEM : Hitachi, S-4200) 으로 측정하였다.
- 본 장치에는 Ti ~T®까지 10개의 T 타입 열전대를 직경 40 mm, 길이 440 mm'Jl 구리봉에 설치하였으며 두께 2 mm의 샘플을 40mm의 간격으로 두 곳에 설치하였다. 실험 장치 가 정 상상태 에 도달한 뒤 상부의 고온 수조로부터 전도에 의해 전달되는 열량을 측정하여 필터 매질에 의해 발생하는 열저항 값으로부터 열전도도 값을 측정하며, 샘플 두 곳에서 측정된 열전도 값은 산술평균하여 사용한다. 또한 KS F26 07<3> “건축 재료의 투습성 측정 방법”에 의하여 투습 계수를 측정함으로써 잠열의 전달 정도를 분석하였으며 필터의 기계적 강도 분석을 위해서는 Fig.
- 1에는 본 연구에서 제작하고자 하는 나노 세라믹 필터에 대한 제작 순서를 나타내었다. 우선 충분한 강도 및 두께 확보를 위하여 두께 10 mm 인 일반 공조용 프리필터를 기본으로 하여 그 표면 위에 전기방사를 통하여 나노 섬유층을 형성시킴으로써 마이크로 구조 및 나노 구조를 동시에 갖는 2중층 필터를 제작하였다. 이 필터를 30nm 크기의 SiO2 나노입자가 분산된 용액을 이용하여 균일하게 코팅을 수행한다.
- 본 연구에서 사용된 PEO 의 농도는 2~10wt%로 조절하여 실험을 수행하였다. 전압을 인가하는데 사용하는 고전압 발생기 ((주)청파EMT)는 10mA, 0~4QkV의 범위를 가지며 실험결과는 전자현미경(SEM : Hitachi, S-4200) 으로 측정하였다. 또한 전기방사실험에서 실내조건은 매우 중요한 영향을 미친다.
- 측정 시료의 고정을 위해 상용화된 47mm 필터 홀더(Fi- Iter holder)를 이용하였다. 측정 시료의 싱、하류에 입자를 카운트하기 위해 입자계수기(GRIMM #1.108)를 설치하여 상류와 하류의 입자의 개수를 측정하여 분진 포집 효율을 측정하였다. 실험에 사용된 압축공기는 고성능 필터를 거쳐서 유입되고, 시 험 입자로는 0.
- 또한 전기방사실험에서 실내조건은 매우 중요한 영향을 미친다. 특히 온도와 상대습도는 정전기력에 많은 영향을 미치기 때문에 온도 20 ℃, 상대습도 50%의 고정된 조건에서 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 4는 나노 세라믹 필터의 열전도도 측정 장치의 개략도를 나타낸 것으로 고온 조건에서 나노 세라믹 필터를 사용할 경우 폐열의 회수 즉면이나혹은 열충격에 의한 파손 등에 대비하기 위하여 열전도도 값을 측정, 분석하였다. 본 장치에는 Ti ~T®까지 10개의 T 타입 열전대를 직경 40 mm, 길이 440 mm'Jl 구리봉에 설치하였으며 두께 2 mm의 샘플을 40mm의 간격으로 두 곳에 설치하였다. 실험 장치 가 정 상상태 에 도달한 뒤 상부의 고온 수조로부터 전도에 의해 전달되는 열량을 측정하여 필터 매질에 의해 발생하는 열저항 값으로부터 열전도도 값을 측정하며, 샘플 두 곳에서 측정된 열전도 값은 산술평균하여 사용한다.
- 108)를 설치하여 상류와 하류의 입자의 개수를 측정하여 분진 포집 효율을 측정하였다. 실험에 사용된 압축공기는 고성능 필터를 거쳐서 유입되고, 시 험 입자로는 0.31, 0, 48, 1 ㎛의 PSL(Polystyrene Latex, Duke Scientific Corporation)을 사용하였다.
- 또한 실험시 용매가 완전히 증발되지 않은 상태에서 쏘집부에 쏘집됨으로써 나노 섬유자체가 융착되어 굵어지는 현상을 방지하기 위하여 포집 부를 회전시켜 실험을 수행하였다. 용매는 Polyethylene oxide(PEO : Sigma Aldrich, 분자량 200, 000) 를 사용하였으며 용매는 증류수와 에탄올을 사용하였다n 분말로 된 PEO를 증류수와 에탄올을 혼합한 용매 속에 넣고 교반기로 24시간 동안 교반 하여 PEO용액을 제조한다. 본 연구에서 사용된 PEO 의 농도는 2~10wt%로 조절하여 실험을 수행하였다.
- 공급되는 입자의 최대 농도는 수만 개/orf로본 성능평가에 활용하는데 충분하였다. 측정 시료의 고정을 위해 상용화된 47mm 필터 홀더(Fi- Iter holder)를 이용하였다. 측정 시료의 싱、하류에 입자를 카운트하기 위해 입자계수기(GRIMM #1.
이론/모형
- 또한 KS F26 07 “건축 재료의 투습성 측정 방법”에 의하여 투습 계수를 측정함으로써 잠열의 전달 정도를 분석하였으며 필터의 기계적 강도 분석을 위해서는 Fig. 5와 같은 2점 지렛대 원리에 의한 굴곡강도를 분석하였으며 식(1)에 의해 값을 계산하였다.
성능/효과
- 8은 이 중 층 필터를 200 ℃와 130(TC에서 소결시킨 후의 사진을 나타내고 있다. 실험 수행시 기계적 강도 면에서 200 "C에서 2시간 소결 후 1300 ℃에서 1 시간을 소결시킨 나노 세라믹 필터가 가장 우수하였으며 단면과 측면 모두 고르게 소결된 것을 확인할 수 있었다.
- (3) 초미세 입자 제거를 위한 나노 세라믹 필터를 제작하여 분진포집효율 및 압력손실 등의 성능 평가를 실시한 결과, 분진포집효율은 면유속 3cm/s 일 때 0.31 ㎛ 입자 제거 효율이 96.75%로, 압력손실은 15.45mmAq로 측정되었다. 입자 포집 효율은 HEPA 필터에 비하여 다소 낮은 값을 가지고 있으나 비교적 낮은 압력손실을 가지는 것으로 분석되었고 이는 소결 등의 과정을 거치면서 나노 섬유 구조의 융착 또는 파손 등의 손상이 발생하기 때문인 것으로 분석되었다.
- (4) 나노 세라믹 필터의 기타 물성치에 대해 분석한 결과 밀도는 39kg/m', 열전도도는 0.038 W/mK, 투습계수는 3.63 g/m, - h - uimHg, 굴곡강도는 52.5 N/cnf로 분석되었다. 열전도도 값은 단열재와 유사한 수준으로 낮게 분석되어 폐열 회수시 현열에 의한 회수 보다는 다소 높은 투습계수의 영향으로 잠열에 의한 효과가 클 것으로 기대가 되며 재질의 기계적 강도 측면에서는 추가적인 보완이 필요할 것으로 분석되었다.
- HEPA 필터의 분진 포집 효율 측정 결과를 비교하여 나타내었다. 0.31 im 입자에 대하여 나노 세라믹 필터와 나노필터 및 HEPA 필터는 각각 96.75%, 99.97%, 99.98%의 효율을 보였.다.
- h . mmHg 인 것을 감안하면 나노 세라믹 필터 자체도 어느 정도 잠열에 의한 전열교환 특성을 가질 수 있음을 확인하였다. 또한 재질의 굴곡강도에 대한 측정 결과 두께 10mm인 경우 52.
- 10은 나노 세라믹 필터의 면속도별 압력손실을 HEPA 필터 및 나노 필터와 함께 비교하여 나타내었다. 가장 높은 효율을 보인 HEPA 필터가 가장 높은 압력손실을 나타내었으며 나노 필터의 경우 효율은 HEPA 필터와 유사하였으나 두께가 매우 얇기 때문에 압력손실은 다소 낮게 측정되었고, 나노 세라믹 필터는 가장 낮은 압력손실 값을 나타내었다. 유속 3 cm/s의 저 속에서 는 나노 세라믹 필터를 구성하는 마이크로 섬유층의 장점인 낮은 압력손실이 크게 부각되지 않아 나노 필터와 유사한 값을 나타내고 있으나 유속이 빨라질 때 이러한 장점이 크게 나타나고 있다.
- 제조할 수 있었다. 또한 적절한 두께의 확보를 통하여 취급의 용이성 및 높은 기계적 강도를 확보할 수 있었다.
- 나노 필터와 HEPA 필터의 효율은 거의 동등한 것으로 측. 정되었으나 나노 세라믹 필터는 다소 낮은 효율을 가지는 것으로 측정되었다. 이는 전기방사에 의해 제조된 나노 필터 층을 902로 코팅하여 소결시키는 과정중에 일부 나노 섬유들이 융착되거나 또는 파손이 되었기 때문에 다소 낮은 효율을 가지는 것으로 분석되었으며 0.
- 제작된 성능평가 장치의 신뢰성 확보를 위히-여 상용 HEPA 필터를 이용하여 테스트 한 결과 0.31 ㎛ 입자에 대하여 99.97% 이상의 포집효율을 나타냄으로써 성능 평가 장치의 신뢰성을 확보 할 수 있었다.
- 또 본 연구에서 개발하고자 하는 나노 세라믹 필터의 적용분야는 고온의 환경이고 다소간의 증기가 배출되는 고습한 환경에서도 사용이 가능할 것으로 예상된다. 특히 고온고습의 조건에서 사용될 경우 전열교환기와 유사하게 현열과 잠열의 형태로 버려지는 폐열을 회수 할 수 있다면 초미세 입자의 제거라는 환경적인 측면과 에너지 절약이라는 두 가지 장점을 가지게 되므로 본 연구에서는 KS F 2607 건축 재료의 투습성 측정 방법에 준하여 투습 성능을 측정, 분석해 보았으며, 그 결과 나노 세라믹 필터는 3.63g/irf . h .
후속연구
- 이는 재질 자체가 상당한 공극을 포함하고 있기 때문에 공기 자체가 가지는 낮은 열전도 값 때문인 것으로 판단된다. 또 본 연구에서 개발하고자 하는 나노 세라믹 필터의 적용분야는 고온의 환경이고 다소간의 증기가 배출되는 고습한 환경에서도 사용이 가능할 것으로 예상된다. 특히 고온고습의 조건에서 사용될 경우 전열교환기와 유사하게 현열과 잠열의 형태로 버려지는 폐열을 회수 할 수 있다면 초미세 입자의 제거라는 환경적인 측면과 에너지 절약이라는 두 가지 장점을 가지게 되므로 본 연구에서는 KS F 2607 건축 재료의 투습성 측정 방법에 준하여 투습 성능을 측정, 분석해 보았으며, 그 결과 나노 세라믹 필터는 3.
- mmHg 인 것을 감안하면 나노 세라믹 필터 자체도 어느 정도 잠열에 의한 전열교환 특성을 가질 수 있음을 확인하였다. 또한 재질의 굴곡강도에 대한 측정 결과 두께 10mm인 경우 52.5N/E로 측정되었는데 실제 상용화하기에는 다소 부족한 면이 있어서 추후 강도 보완에 대한 연구가 보완되어야 할 것으로 생각한다.
- 5 N/cnf로 분석되었다. 열전도도 값은 단열재와 유사한 수준으로 낮게 분석되어 폐열 회수시 현열에 의한 회수 보다는 다소 높은 투습계수의 영향으로 잠열에 의한 효과가 클 것으로 기대가 되며 재질의 기계적 강도 측면에서는 추가적인 보완이 필요할 것으로 분석되었다.
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