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문제 정의
- 등온흡착선도는 흡착량과 압력과의 관계를 정량화하는데 유용하게 사용된다. 구체적인 관계는 이후 재생 1, 2차 흡착선도와의 비교를 통해 고찰하고자 한다.
- 도로에서 발생하는 미세먼지는 대기환경 뿐 아니라 보건상의 위험을 가중하고 있다. 기존에 소음을 담당하는 시설물인 방음벽 위에 필터 기능을 포함하는 패널을 장착하여 기능성을 높임으로 도로 환경을 개선하고자 하였다. 해당 필터는 통수, 통풍성을 고려하여 현장에서 발생하는 기류로 미세먼지 제거를 유도하였으며 빗물 역세척이 가능하도록 통수성 및 탈수성을 우수한 소재 및 구조를 채용하였다.
- 미세먼지의 위해성을 알리는 연구들은 대개 농도 10 µg/m3가 증가했을 때 사망률 또는 관련 질환 발병률로 심각성을 보고한다.
- 본 연구에서는 도로 현장에서 발생하는 미세먼지를 제거하고자 물세척이 가능한 모듈 형태의 정전 필터를 개발, 흡착능 및 재생능을 평가하였다. 흡착능은 압력에 따른 흡착능 뿐 아니라 미세한 입자의 제거를 고려하여 입경별 제거능을 확인하였다.
- 본 연구에서는 도로에서 발생하는 미세먼지를 저감하기 위해 정전 필터를 채용한 패널을 제작하여 성능을 평가하였다. 정전 필터는 비용과 적용성 측면에서 유리하나 입자가 포집됨에 따라 성능이 저하되는 현상이 있다.
제안 방법
- 1) 개발된 필터의 흡착능을 평가하였다. 흡착능은 규격제조된 미세먼지를 폐쇄 실험 장치에 통과시켜, 제거효율과 부하 압력․흡착량과의 관계 등을 살펴보았다.
- 2) 본 필터는 물세척에 의해 흡착된 분진이 세척되도록 제작하였다. 물세척은 강우 환경을 고려하여 물세척으로 흡착된 미세먼지를 역세척, 재생하였다.
- 각각 선정한 말기압력 조건에 대해 물세척을 하여 재생 전후의 흡착능력을 비교하였다. 재생은 총 2회에 걸쳐 진행되었으며 수돗물의 유속을 이용하여 세척하였다.
- 76 mm의 노즐을 장착하였다. 강우 조건 산정은 한해 강우량 자료를 바탕으로 평균 강우지속시간과 평균 강우강도를 곱하여 평균 강우량 47.0 mm로 정하였다. 물세척을 거친 필터는 열풍기로 충분히 건조한 후 2.
- 본 연구에서 적용하는 필터는 물 세정 재생을 고려하여 설계되었다. 따라서 평균 강우 조건을 선정하여 흡착 평가된 필터를 1, 2차로 재생시켜 흡착능을 다시 평가하였다.
- 10) 이를 방지하기 위해 물세정에 의한 탈리가 가능하도록 소재를 선정하였다. 또한 발생기류에 의한 필터링이 가능하도록 통기성을 향상시켰다. 해당 필터는 도로 위 시설물인 방음벽에 적용할 수 있도록 모듈 규격으로 제작할 수 있으며 본 연구에서는 성능 평가를 위해 일정 규격으로 제작되었다.
- 각 단계의 입경의 제거효율은 계수기를 통해 측정한 것을 분석한 것이다. 말기압력은 40 mmaq였으며 풍속에 따른 영향을 확인하기 위해 2.0, 2.5, 3.0 m/s의 조건으로 실험하였다.
- 5 m/s의 풍속으로 분진을 발생시켰다. 말기압력을 25, 30, 35 mmaq까지 정하여 해당 압력까지 흡착되는 분진의 양을 측정하였다. ASHRAE dust의 입도 분포는 평균 7.
- 0 mm로 정하였다. 물세척을 거친 필터는 열풍기로 충분히 건조한 후 2.2의 실험과 동일한 조건으로 흡착능을 평가하였다.
- 본 연구에서 적용하는 필터는 물 세정 재생을 고려하여 설계되었다. 따라서 평균 강우 조건을 선정하여 흡착 평가된 필터를 1, 2차로 재생시켜 흡착능을 다시 평가하였다.
- 실험 대상 시편은 내외부 Electro Filter, Klogon Filter을 구성하여 제작된 정전기 필터를 사용하였다(DAEYOUNG Air Filter, Korea). 본 필터 구조는 현장에서 적용가능하기 위해 통수성과 통기성을 확보하고자 다공성의 net 구조를 내층에, fiber 구조를 표면에 층별로 결합하여 구성하였다. 소재는 미세먼지에 대응가능하고 탈수성, 가공성, 물세척 등이 가능한 polypropylene으로 하였다.
- 본 필터는 현장에서 발생하는 기류를 이용하여 통과시키는 용도로 압력 손실을 최소화하도록 고안하여 통기성으로 제작되었다. 처리 대상 입경이 작아지기 위해서는 필터의 통기성이 불리해질 수밖에 없으므로15) 필터의 현장성과 PM2.
- 45 m/s가 된다. 이를 참고하여 풍속 조건을 2.0, 2.5, 3.0 m/s로 정하였다(Table 3)
- 물세척은 강우 환경을 고려하여 물세척으로 흡착된 미세먼지를 역세척, 재생하였다. 재생 1, 2차 후의 흡착능의 변화로부터 필터의 재생능을 평가하였다.
- 흡착능은 압력에 따른 흡착능 뿐 아니라 미세한 입자의 제거를 고려하여 입경별 제거능을 확인하였다. 재생능은 평균 강우량을 산정하여 흡착능에 의해 말기압력까지 폐색된 필터를 역세척하여 총 2회에 걸쳐 재생하여 흡착능을 확인하였다.
- 각각 선정한 말기압력 조건에 대해 물세척을 하여 재생 전후의 흡착능력을 비교하였다. 재생은 총 2회에 걸쳐 진행되었으며 수돗물의 유속을 이용하여 세척하였다. 수도꼭지에 나오는 수돗물의 유속을 빗물 종단속도로 알려진 9m/s로 맞추기 위해 반경 1.
- 1 법으로 실험하였다. 지정된 유속으로 분진이 발생하는 챔버 사이에 필터 시편을 장착하였고, 통과 및 흡착되는 분진의 양을 무게로 측정하여 효율과 흡착량을 산정하였다. 효율은 다음과 같은 방법으로 정하였다.
- 필터의 재생 능력을 보다 예측하기 위해 재생전, 재생 1, 2차 흡착특성을 Langmuir 흡착선도를 통해 도시하였다. 실험에서 구해진 압력별 분진유지용량을 바탕으로 흡착선도와 해당 파라미터를 각각 Fig.
- 흡착능은 규격제조된 미세먼지를 폐쇄 실험 장치에 통과시켜, 제거효율과 부하 압력․흡착량과의 관계 등을 살펴보았다. 한편 미세먼지 내 포함된 입자 규격별 제거 성능을 확인하였다.
- 또한 발생기류에 의한 필터링이 가능하도록 통기성을 향상시켰다. 해당 필터는 도로 위 시설물인 방음벽에 적용할 수 있도록 모듈 규격으로 제작할 수 있으며 본 연구에서는 성능 평가를 위해 일정 규격으로 제작되었다. 본 연구의 내용은 다음과 같다.
- 기존에 소음을 담당하는 시설물인 방음벽 위에 필터 기능을 포함하는 패널을 장착하여 기능성을 높임으로 도로 환경을 개선하고자 하였다. 해당 필터는 통수, 통풍성을 고려하여 현장에서 발생하는 기류로 미세먼지 제거를 유도하였으며 빗물 역세척이 가능하도록 통수성 및 탈수성을 우수한 소재 및 구조를 채용하였다. 도로에서 발생하는 소음의 저감 뿐 아니라 다기능성의 역할을 감당하는 시설물로서 방음벽의 활용성 및 가능성은 이후에도 꾸준하게 고려되어야 할 것으로 생각된다.
- 1) 개발된 필터의 흡착능을 평가하였다. 흡착능은 규격제조된 미세먼지를 폐쇄 실험 장치에 통과시켜, 제거효율과 부하 압력․흡착량과의 관계 등을 살펴보았다. 한편 미세먼지 내 포함된 입자 규격별 제거 성능을 확인하였다.
- 본 연구에서는 도로 현장에서 발생하는 미세먼지를 제거하고자 물세척이 가능한 모듈 형태의 정전 필터를 개발, 흡착능 및 재생능을 평가하였다. 흡착능은 압력에 따른 흡착능 뿐 아니라 미세한 입자의 제거를 고려하여 입경별 제거능을 확인하였다. 재생능은 평균 강우량을 산정하여 흡착능에 의해 말기압력까지 폐색된 필터를 역세척하여 총 2회에 걸쳐 재생하여 흡착능을 확인하였다.
- 개발 필터는 통기성 측면에서 특화되어 개발되었기에 현장에서 발생하는 기류는 중요한 설계인자로 판단된다. 흡착특성 분석 중 도로 분진 발생 현장을 모사하기 위해 주요한 영향인자로 풍속을 정하였다. 풍속 범위는 도로 위 자동차의 주행속도에 의해 발생하는 유도풍의 기류를 참고하였다.
대상 데이터
- 정전 필터는 비용과 적용성 측면에서 유리하나 입자가 포집됨에 따라 성능이 저하되는 현상이 있다.10) 이를 방지하기 위해 물세정에 의한 탈리가 가능하도록 소재를 선정하였다. 또한 발생기류에 의한 필터링이 가능하도록 통기성을 향상시켰다.
- 가로×세로 길이는 다양한 크기로 제작가능하나 이후에 기술되는 흡착 평가를 위해 챔버 규격인 594 × 594 mm2 로 제작하였다(Fig. 1).
- 는 공급된 분진의 중량이다. 사용 분진은 ASHRAE dust였으며 70 mg/m3의 농도를 2.5 m/s의 풍속으로 분진을 발생시켰다. 말기압력을 25, 30, 35 mmaq까지 정하여 해당 압력까지 흡착되는 분진의 양을 측정하였다.
- 본 필터 구조는 현장에서 적용가능하기 위해 통수성과 통기성을 확보하고자 다공성의 net 구조를 내층에, fiber 구조를 표면에 층별로 결합하여 구성하였다. 소재는 미세먼지에 대응가능하고 탈수성, 가공성, 물세척 등이 가능한 polypropylene으로 하였다. 프레임은 STS304이며 두께는 60 mm이었다.
- 재생은 총 2회에 걸쳐 진행되었으며 수돗물의 유속을 이용하여 세척하였다. 수도꼭지에 나오는 수돗물의 유속을 빗물 종단속도로 알려진 9m/s로 맞추기 위해 반경 1.76 mm의 노즐을 장착하였다. 강우 조건 산정은 한해 강우량 자료를 바탕으로 평균 강우지속시간과 평균 강우강도를 곱하여 평균 강우량 47.
- 실험 대상 시편은 내외부 Electro Filter, Klogon Filter을 구성하여 제작된 정전기 필터를 사용하였다(DAEYOUNG Air Filter, Korea). 본 필터 구조는 현장에서 적용가능하기 위해 통수성과 통기성을 확보하고자 다공성의 net 구조를 내층에, fiber 구조를 표면에 층별로 결합하여 구성하였다.
- 소재는 미세먼지에 대응가능하고 탈수성, 가공성, 물세척 등이 가능한 polypropylene으로 하였다. 프레임은 STS304이며 두께는 60 mm이었다. 가로×세로 길이는 다양한 크기로 제작가능하나 이후에 기술되는 흡착 평가를 위해 챔버 규격인 594 × 594 mm2 로 제작하였다(Fig.
이론/모형
- 12,13) 그러나 분진이 단분자층으로 흡착되는지 여부는 해당 실험에서는 확인이 불가하다. 따라서 흡착과 압력의 관계를 고려한 흡착선도는 반경험 Langmuir 등온흡착식으로 해석하였다. 이러한 경향은 다음 절에서 확장되는 재생 후 흡착-압력 관계에서도 나타난다.
- 압력에 대한 흡착 평가와 재생능에 관한 효율은 ASHRAE 52.1 법으로 실험하였다. 지정된 유속으로 분진이 발생하는 챔버 사이에 필터 시편을 장착하였고, 통과 및 흡착되는 분진의 양을 무게로 측정하여 효율과 흡착량을 산정하였다.
- 입경별 흡착 제거 효율은 미냉난방공조기술자학회(american society of heating refrigerating and air-conditioning engineers, ASHRAE)에서 정한 ASHRAE 52.2법으로 실험하였다. 입경은 0.
- 필터의 흡착 특성은 ASERAE 52.1로 평가하였다. 25, 30, 35 mmaq로 설정한 말기 압력에 대한 제거효율과 분진유지 용량을 Fig.
성능/효과
- 1) 입경별 흡착능은 대표입경 2.57 µm를 기준으로 그 이상의 입경에 한하여 91.3%로 효율을 나타내었다.
- 미세먼지가 10 µg/m3가 증가했을 때 65세 이상 노인 사망률은 0.4%가 증가하였으며, 1) 초미세먼지에 의한 심혈관계 관련 질병은 1.75% 증가하였다. 2) 미세먼지는 사망률 뿐 아니라 영유아의 천식, 아토피 발병률 등과도 민감한 상관관계가 있는 것으로 보고된 바 있다.
- 흡착량이 커질수록 재생횟수에 따른 흡착선도의 기울기 차가 벌어진다. 1차 재생 후 저하율은 3.04%, 2차 재생 후 저하율은 흡착량 100 g까지 약 9.58%의 저하가 일어났다. 이는 필터 시편을 한계량까지 흡착시키고 난 후에 물세척하여 재생률이 떨어졌기 때문으로 보인다.
- 2) 흡착능력 평가에 있어 제거율은 평균 93.7%의 효율로 제시된 말기압력 범위에서의 영향은 미미한 것으로 확인되었다. 분진유지용량은 설정한 말기압력에 따라 비례하며 정량적으로는 흡착선도로 나타낼 수 있었다.
- 3) 재생횟수에 따른 제거효율은 큰 차이가 없었다. 다만 흡착능력 저하는 1차보다 2차에서 유의하게 나타났다.
- 전태영 등은 미세먼지의 필터 제거 특성을 습도, 초기농도, 유속 등에 대하여 평가하였다.7) 필터링 후 최종 도달 농도는 모든 경우에서 일치하였으나, 흡착 특성은 주변 환경의 영향을 받았다. 습도가 높을수록 초기 유입 농도가 낮을수록, 유속이 높을수록 최종 도달 농도에 도달하는 시간이 짧았다.
- 60이었다(Table 3). 반경험 Langmuir 식은 파라미터 t가 1보다 클 경우 한계 흡착량에 수렴하지 않고 중간에 최대점을 보이는 특성을 갖으나 본 실험에서 제시하는 압력 범위에서는 수렴하는 경향을 나타냈다.
- 7) 필터링 후 최종 도달 농도는 모든 경우에서 일치하였으나, 흡착 특성은 주변 환경의 영향을 받았다. 습도가 높을수록 초기 유입 농도가 낮을수록, 유속이 높을수록 최종 도달 농도에 도달하는 시간이 짧았다. 특히 대기오염 저감 방안으로 필터를 고려할 경우 도로환경에 대응할 수 있도록 선행연구가 필요하다.
- 57 µm 이상인 PM10에 해당함을 알 수 있다. 전체 범위에서 보면 풍속이 높을수록 각 입경에서 효율이 근소하게 높은 것으로 조사되었다.
- 실제 현장에서의 일정하지 않은 조건에서 효율 검증이 필요할 수 있으나, 본 연구의 풍속과 입경, 농도 등의 제시한 조건 범위를 고려할 때 제거율은 대체로 만족될 것으로 보인다. 즉, 개발 필터가 대상으로 하는 PM10 범위에서는 3가지 풍속 경우에 대해 모두 일정 수준 이상(평균 91.3%) 성능이 나왔으며 따라서 실험 범위 안에서는 충분한 제거효율을 보일 것으로 예상된다. 풍속의 범위를 벗어날 경우에도 필터의 제거 기작(정전기 + 여과)으로 볼 때 해당 효율에 크게 차이가 나지는 않을 것으로 보인다.
- 이는 통풍, 통수성을 고려한 필터 구조에서 기안한 것으로 보인다. 풍속 범위에서는 3.0 m/s에서 가장 우수한 효율을 보였다.
- 풍속별로도 94.0% 이상의 제거율을 보여 해당 입경 범위의 흡착 제거가 충분히 가능한 것으로 보였다.
- 풍속에 따라서는 뚜렷한 경향으로는 볼 수 없으나, 대체로 3.0 m/s에서 가장 높은 제거율을 보였다. 2.
- 5에 나타내었다. 필터의 효율은 말기압력 별로 각각 92.6, 94.3, 94.1%로 평균 93.7%의 제거율을 나타내었다. 해당 조건에서 말기압력의 영향은 나타나지 않는 것으로 보인다.
- 해당 기울기에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터는 m으로 재생횟수가 증가할 때마다 각각 2.68, 2.52, 2.36으로 (× 102) 감소하였다.
후속연구
- 5는 trade-off 관계이다. 따라서 통기성을 유지하면서 초미세먼지를 흡착할 수 있는 기작을 이후 연구를 통해 개선해야 할 것으로 보인다.
- 실제 현장에서의 일정하지 않은 조건에서 효율 검증이 필요할 수 있으나, 본 연구의 풍속과 입경, 농도 등의 제시한 조건 범위를 고려할 때 제거율은 대체로 만족될 것으로 보인다. 즉, 개발 필터가 대상으로 하는 PM10 범위에서는 3가지 풍속 경우에 대해 모두 일정 수준 이상(평균 91.
- 실제현장에서는 실험상의 말기압력까지 분진이 흡착되지 않을 것으로 예상되므로 재생률은 상승될 것으로 기대된다. 한편 물세척에 의한 재생의 저하를 방지하기 위한 한계 흡착량은 이후 추가적인 실험 방안을 고려하여 제시되어야 할 것으로 보인다.
- 앞서 기술한 대로 높은 풍속에 의한 압력저항의 증가가 방해 요소로 작용한 것으로 판단된다. 한편, 전체적으로 3.0 m/s에서 가장 높은 제거율을 보이는 것은 급속한 흐름이 형성된 와류에 의해 물리적으로 부딪혀 통과하지 못하는 원인에 의한 것으로 해석되나 이에 대해서는 보다 자세한 고찰이 요구된다.
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