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문제 정의
- 본 연구는 기존의 막여과 방식의 단점을 보완하여, 수중에 존재하는 음으로 대전된 바이러스와 오염물을 효율적으로 제거하는 양전하 부가 필터의 제조 및 이에 대한 특성 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 냉각탑과 열교환기의 파울링 방지 및 공조설비의 효율과 신뢰성향상을 위해 수중에서 존재하는 음으로 대전된 바이러스와 같은 미세오염입자를 제거하며 동시에 Cake 현상으로 인한 필터의 기공(Pore) 막힘 현상을 줄이기 위해 필터 표면에 양전하를 부가함으로써 수중 미세입자의 포집 및 제거 특성이 어떻게 변화하는지에 관한 연구를 실시하였다.
제안 방법
- Table 1은 양전하 부가 필터를 제조하기 위한 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)의 구성비율을 나타낸 것으로, 필터 제조 시, 유리섬유와 셀룰로오스의 함량은 고정하였고, 양전하 부가물질인 폴리에틸레이민(Poly-ethylenimine)의 함량을 유리섬유 중량비율에 따라 50%, 70%, 100%, 200%로 혼합하였다. Test 샘플 1의 경우, Glass Fiber와 Cellulose를 각각 50%씩의 비율로 만든 용액에 Glass Fiber의 50% 중량으로 양전하를 띄게 하는 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine)을 잘 혼합시켜 만들었다.
- 양전하 물질에 대한 필터표면의 전기적 특성을 분석하기 위해, 우선 양전하 물질인 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)를 투입하지 않고 유리섬유와 셀룰로오스만으로 필터를 제작하였다. 유리섬유와 셀룰로오스의 혼합비율은 50：50으로 하였으며, 이때 측정 필터표면의 제타포텐셜 결과는 -50.
- 1은 필터표면에 양전하가 부가된 필터를 제조하는 공정 개념도이다. 양전하가 부가된 필터를 제조하기 위해서 일반적으로 사용되는 습식제조방법을 통해 필터를 제조하였다. 필터의 원료로는 수중 분산에 용이한 유리섬유(직경：50～750 ㎚)와 셀룰로오스(직경：10～20 ㎛)를 사용하였다.
- 필터 하류에 남아있는 시험입자는 최종필터에 의해 제거되고, 초순수(Deionized Water) 탱크로 보내지며 전체 흐름은 펌프와 유량계에 의해 제어된다. 양전하가 부가된 필터의 미세입자 제거효율을 분석하기 위해 ASTM F 795(11) 규격에 따라 필터의 상부와 하부에서 물을 추출하여 ASTM D 6698(12)의 규격에 따라 탁도를 비교분석하였다.
- 본 연구에서는 필터 표면의 제타포텐셜을 측정하기에 적합한 레이저 도플러법을 채용한 전기영동 광산란 광도계(오츠카전자, ELS 8000)를 사용하였다. 측정방법으로 필터 샘플을 석영 셀에 부착한 후 NaCl 수용액을 채운 다음 석영 셀 양단에 전기장을 형성하면 NaCl 수용액 속의 입자가 전기장에 의해 영동하게 된다. 전장에 따라 영동하고 있는 입자에 레이저광을 조사하면 입자의 산란광은 도플러 효과에 의해 주파수가 변환되며 이 변환량은 입자의 속도에 비례하므로 주파수 변환량을 측정함으로써 입자의 영동속도를 알 수 있다.
대상 데이터
- 양전하가 부가된 필터를 제조하기 위해서 일반적으로 사용되는 습식제조방법을 통해 필터를 제조하였다. 필터의 원료로는 수중 분산에 용이한 유리섬유(직경：50～750 ㎚)와 셀룰로오스(직경：10～20 ㎛)를 사용하였다. 양전하 부가 물질은 수중의 분산성이 우수한 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)를 사용하였는데, 이는 두 개 이상의 아민기를 가지는 지방성 폴리아민 계열의 경우 양전하를 띄게 하는 특징이 있기 때문이다.
이론/모형
- 본 연구에서는 필터 표면의 제타포텐셜을 측정하기에 적합한 레이저 도플러법을 채용한 전기영동 광산란 광도계(오츠카전자, ELS 8000)를 사용하였다. 측정방법으로 필터 샘플을 석영 셀에 부착한 후 NaCl 수용액을 채운 다음 석영 셀 양단에 전기장을 형성하면 NaCl 수용액 속의 입자가 전기장에 의해 영동하게 된다.
- 필터표면의 양전하량을 분석하기 위해 제타 포텐셜(Zeta Potential) 방법을 이용하였다. 제타 포텐셜은 콜로이드 용액 속에 일정 전장을 인가하여 그 전장 내를 영동하는 입자의 속도를 측정하여 계산되는 것이다.
성능/효과
- (1) 지방성 폴리아민 계열의 폴리에틸렌이민(Polyethylenimine)를 사용하여 섬유 표면에 양전하를 부가하여 필터를 제조하였으며, PEI 혼합비율 100%에서 제타포텐셜 +37.92 mV로 최고값을 얻을 수 있었다.
- (2) 양전하가 부가된 필터의 경우 PSL 입자크기 0.11 ㎛에서 제거율 98%를 나타내었으며, 반면에 기존 필터나 멤브레인 필터의 입자제거효율은 7%로 나타났다.
- (3) 멤브레인, 기존 필터 및 양전하가 부가된 필터를 비교한 결과 양으로 대전된 필터는 입자제거효율과 압력손실 측면에서 매우 우수한 성능을 보였으며, 기존의 막여과 방식에서 발생하는 기막힘에 의한 급격한 압력손실 증가가 나타나지 않으므로 대량의 물을 정화하는 정수처리장에서의 사용이 가능할 것으로 예측되며, 아울러 초순수의 물을 정제하기위한 시설에서 사용이 가능할 것으로 기대된다.
- 7은 일반적으로 수중의 오염입자 제거에 널리 사용되는 막여과 방식의 필터인 멤브레인 필터(Millipore, PVDF)와 본 연구에서 제조된 양전하로 대전된 필터 및 대전되지 않은 필터의 3종류에 대한 입자제거 특성과 압력손실을 나타낸 것이다. 시험에 사용된 필터의 평균기공은 0.45 ㎛로써 동일 조건을 주었으며, 필터표면의 제타포텐셜 값은 멤브레인 필터는 -16.01 mV, 양전하가 부가되지 않은 필터는 -50.42 mV, 양전하가 부가된 필터는 +37.92 mV이다.
- 26 ㎛ PSL입자에 대해 포집효율 100%를 얻을 수 있었다. 압력 손실의 경우 멤브레인 필터와 본 연구에서 제작된 필터를 비교할 때 멤브레인 필터의 압력손실이 훨씬 높은 것으로 확인되었다. 특히 0.
- 11 ㎛에서 98%의 가장 높은 입자 제거 효율을 가졌으며, 압력손실도 낮은 결과를 도출하였다. 이러한 실험결과는 제조된 필터의 평균 기공이 0.45 ㎛이므로 필터의 기공에 의한 체가름 형태의 여과 메커니즘 보다는, 수중에 희석된 PSL 입자의 제타포텐셜 값이 -23.48 mV이므로 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)에 의해 양전하가 부가된 필터와 PSL 입자간의 전기적인 인력으로 인해 높은 제거효율과 낮은 압력손실을 갖는 것으로 파악된다.
- 또한 필터의 기공은 필터의 압력손실 및 수명에 영향을 미치는 가장 큰 인자로서 필터기공분석은 필수적이다. 일반적으로 상용화된 기공에 의한 오염입자를 제어하는 막 여과 방식의 경우 기공의 크기가 0.1 ㎛로서 필터 기공 막힘 현상(Clogging)에 의해 압력손실이 증가하고 이로 인해 필터의 수명이 단축되는 단점을 가지지만, 본 실험을 위해 제조된 필터는 평균 0.5 ㎛ 기공을 가지고 있어 수중 오염입자의 평균크기 보다 크므로 필터 기공 막힘 현상이 현저히 줄어들게 되어, 압력손실이 적고 이로 인해 필터 수명이 향상될 것으로 기대된다.
- 압력 손실의 경우 멤브레인 필터와 본 연구에서 제작된 필터를 비교할 때 멤브레인 필터의 압력손실이 훨씬 높은 것으로 확인되었다. 특히 0.088 ㎛크기 입자에 대해 멤브레인 필터는 7% 정도의 포집효율을 나타내지만, 양으로 대전된 필터의 경우는 88% 정도로 매우 우수한 특성을 보이며, 압력손실 값도 낮아 필터의 수명이 증가할 것으로 예상된다.
- 6은 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)의 투입 비율별 필터성능을 나타낸 것으로써 측정된 필터는 모두 우수한 입자 포집성능을 나타내는 것으로 나타내었다. 특히, 필터 표면의 제타포텐셜 값이+37.92 mV로 가장 높게 나타나는 경우인 유리섬유, 셀룰로오스, 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)의 혼합비율이 50：50：100으로 제조된 필터는 표준입자 PSL(Polystylene Latex) 0.11 ㎛에서 98%의 가장 높은 입자 제거 효율을 가졌으며, 압력손실도 낮은 결과를 도출하였다. 이러한 실험결과는 제조된 필터의 평균 기공이 0.
- 5는 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine) 혼합비율에 따른 필터표면의 양전하 특성을 나타내었다. 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine) 혼합비율이 100%일 경우 평균 +37.92 mV로 측정되었으며, 과도한 혼합 시 제타포텐셜 값이 줄어드는 것을 확인하였는데, 이러한 결과는 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)의 수중분산성에 의한 것으로 분석된다. 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)의 수중분산성이 안정화 되지 않으면 섬유 표면에 고른 코팅이 이루어지지 않고 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)가 국부적으로 응집되어 막을 형성하기 때문에 필터 표면의 양전하 값이 감소하게 된다.
- 폴리에틸렌이민(Poly-ethylenimine)를 혼합하여 양전하로 대전된 필터에서는 0.26 ㎛ PSL입자에 대해 포집효율 100%를 얻을 수 있었다. 압력 손실의 경우 멤브레인 필터와 본 연구에서 제작된 필터를 비교할 때 멤브레인 필터의 압력손실이 훨씬 높은 것으로 확인되었다.
후속연구
- Fig. 8(b)처럼 양전하를 부가한 필터에서 필터 기공크기는 수중의미세 오염 입자 보다 크지만, 음으로 대전된 미세 오염 입자를 전기적 흡인력으로 필터에 포집할 수 있으며, 또한 기존의 막여과 방식에서 발생하는 기공 막힘 현상이 양전하 필터에서는 천천히 나타나 므로 대량의 정수처리 및 초순수 제조 공정으로도 사용이 가능할 것으로 기대된다.
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