[논문]다층구조의 고효율 수처리용 필터 제조

손종석; 정현섭; 유영상; 홍주희

doi:10.9713/kcer.2019.57.6.841

다층구조의 고효율 수처리용 필터 제조
Manufacture of Multi-Layered High Efficiency Water Treatment Filter 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.6, 2019년, pp.841 - 846

손종석 (순천제일대학교 산업기술화공과) , 정현섭 (순천제일대학교 산업기술화공과) , 유영상 ((주) 수연테크) , 홍주희 (순천제일대학교 산업기술화공과)

초록
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본 연구는 외국제품과 동등 또는 이상의 품질을 가진 고효율성 수처리 필터의 제조와 그 공정을 개발하는데 목적이 있다. 개발된 필터의 여과효율은 93~99%로 기존의 국내산 82~97.5%, 일본산 92.5~98% 보다 우수하거나 유사하였다. 오염 입자의 양에 따른 압력손실(내구성)은 기존의 국내산보다는 현저하게 작았으며 일본산과 비교해도 약 $0.1kg_f/cm^2$의 낮은 압력 손실을 나타내었다. 또한 본 연구에서 개발된 카트리지 필터는 일본산 제품에 비하여 약 50%의 가격으로 생산이 가능하므로 기존의 국내산 제품뿐 아니라 일본산 제품에 대한 수입대체 효과도 기대할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this work is to manufacture of high efficiency water-treatment filter that is equal to imported products or even higher in terms of quality and even develop the manufacturing process. The filtration efficiency of the developed filter was 93~99%, which was better or similar to that of domestic filter (82~97.5%) and Japanese filter (92.5~98%). The pressure loss(durability) along with the amount of contaminant particles was significantly smaller than that of domestic products, and showed $0.1kg_f/cm^2$ less than that of Japanese products. In addition, at the cost side of production, the developed cartridge filter can be produced with 50% of the current price compared to that of Japanese products. Therefore, it is possible to replace the imported Japanese products as well as domestic products.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Schematic diagram for non-woven production.
그림 Fig. 2. First Spray-spinning extrusion system. (1) Resin (2) Extruder (3) Air (4) Die (5) Electrostatic (6) Collector
표 Table 1. The Properties of LDPE resin
표 Table 2. Process condition for LDPE extrusion
그림 Fig. 3. The schematic diagram of water filtering tester. (1) D.C. Motor, (2) Pressure gauge, (3) Indicator, (4) Filter media, (5) Flow meter.
그림 Fig. 4. The schematic diagram of air-filter tester. 1. Dust generator 2. Filter media 3. Digital manometer
표 Table 3. The particle size distribution of dust
표 Table 4. Mixing ration of dust for air-filter test
그림 Fig. 5. Cross-section of cartridge filter.
그림 Fig. 6. The variation of pressure drop with water flow rate of 5 μm cartridge filter.
그림 Fig. 7. The filtration efficiency of 5 μm cartridge filter on the particle distribution.
그림 Fig. 8. The filtration efficiency of air-filter on dust; A. Develope filter, B. Japanese filter.
그림 Fig. 9. The variation of pressure drop with amount of contaminant particle on 5 ℃cartridge filters.
그림 Fig. 10. DSC analysis of several samples; (a) Domestic filter, (b) Japanese filter, (c) Developed filter.
표 Table 5. Price comparison before and after development

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 고분자 섬유를 이용한 고효율성 필터 제조를 위한 가장 중요한 요소인 고분자 부직포의 기공(pore) 크기를 조절하여 다양한 산업분야의 용도에 맞는 수처리용 필터의 생산·제조기술 개발 뿐 아니라 고가의 수입품을 대체할 수 있는 제품을 개발 하고자 한다.

제안 방법

20 l의 물에 고형 입자인 카버런덤(carborundum) #600 (10~30 μm)을 5분당 5 g씩 첨가하여 총 40 g이 첨가될 때가지 이 용액을 10 l/min의 유속을 유지하며 카트리지 필터를 통과시켜 여과 전·후 용액의 단위 부피당 고형 입자 크기 분포를 화상처리 분석 시스템(Image Analyzer System, Omnimet 1, UK)을 사용하여 여과효율을 조사하였다.
5 μm 기공 크기를 갖는 각 샘플의 수처리용 카트리지 필터(I.D 30 mm, O.D 65±1 mm, L 250 mm)를 필터 케이스에 장착한 후, 유체의 유속(flow rate)을 2 l/min에서 12 l/min까지 분당 2 l씩 유속을 증가시키며 압력손실을 측정했다.
용융방사를 위한 필터 소재의 열적 특성(특히 용융온도)분석은 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC, TA Instruments, DSC 250)를 이용하였다. 분석을 위한 각 시료(국내산 A, 일본산 B, 개발품 C)의 양은 5 mg을 사용하였으며 온도는 0℃에서 200℃까지 10℃/min의 속도로 상승시키면 분석을 수행하였다.
수처리용 카트리지 필터의 여과효율 시험을 수행하면서 동시에 내구성 시험을 병행하였다. 즉 5분 단위로 5 g씩 총 40 g의 카버런덤(#600)을 첨가하면서 카버런덤의 첨가량에 따른 수처리용 카트리지 필터의 압력손실 변화를 5분마다 측정하였다.
시험용 분진의 첨가량은 분당 1 g씩 총 5 g을 첨가한 후 투입 전·후의 분진 총 질량을 측정하여 여과 효율을 구하였다.
여과효율 시험은 유체중의 고형물을 제거하는 필터의 여과 능력을 측정하기 위하여 수행하였으며, 시험에 사용한 필터는 5 μm용 카트리지 필터를 사용하였다.
또한, PP 섬유를 사용한 제품은 부직포와의 결합력이 떨어지고 열을 가하게 되면 뭉치는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위하여 LDPE (Low Density Polyethylene, HYUNDAI SEETE LDPE XJ800)를 공압출 방사법을 이용한 개선된 필터 제조 공정을 개발하였다(Fig. 2). 필터 제조에 사용된 LDPE의 물성과 가공조건은 Table 1과 2에 나타내었다.
즉 5분 단위로 5 g씩 총 40 g의 카버런덤(#600)을 첨가하면서 카버런덤의 첨가량에 따른 수처리용 카트리지 필터의 압력손실 변화를 5분마다 측정하였다. 이와 같이 카버런덤 첨가량의 증가에 따른 압력손실의 증감에 따라 카트리지 필터의 내구성을 판단하였다.
수처리용 카트리지 필터의 여과효율 시험을 수행하면서 동시에 내구성 시험을 병행하였다. 즉 5분 단위로 5 g씩 총 40 g의 카버런덤(#600)을 첨가하면서 카버런덤의 첨가량에 따른 수처리용 카트리지 필터의 압력손실 변화를 5분마다 측정하였다. 이와 같이 카버런덤 첨가량의 증가에 따른 압력손실의 증감에 따라 카트리지 필터의 내구성을 판단하였다.

대상 데이터

시험용 분진은 KS 규격(KS A 0090)에 규정된 시험용 분진(제15종)을 사용하였으며, 분진의 평균 입자 크기는 8.84 μm 이었다.

이론/모형

용융방사를 위한 필터 소재의 열적 특성(특히 용융온도)분석은 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry, DSC, TA Instruments, DSC 250)를 이용하였다. 분석을 위한 각 시료(국내산 A, 일본산 B, 개발품 C)의 양은 5 mg을 사용하였으며 온도는 0℃에서 200℃까지 10℃/min의 속도로 상승시키면 분석을 수행하였다.
필터 소재의 여과 시험을 위하여 필터 성능시험기에 대한 KS 규격(KS B 6141)중에서 형식 3의 규정에 준하여 여과 시험기를 제작하였다(Fig. 4). 시험용 분진은 KS 규격(KS A 0090)에 규정된 시험용 분진(제15종)을 사용하였으며, 분진의 평균 입자 크기는 8.

성능/효과

SEM를 이용하여 제조된 카트리지 필터의 단면 구조를 확인하여 얇은 막의 여러 층으로 형성되었음을 확인하였다. 또한 제조된 필터는 내부로 갈수록 더욱 조밀한 구조를 갖는다(Fig.
현재 국내에서 제조되는 필터의 대부분은 원료를 부직포 제작회사에서 공급받아 이것을 2차 가공하는 형태로 제조되고 있어 필터의 기공에 맞는 부직포를 선별하여 제조하지 못하기 때문에 필터 성능에 차이가 있다. 그러나 개발된 필터의 여과효율이 93~99%로 기존 국내산 82~97.5%, 일본산 92.5~98%로 우수하거나 비슷한 효율을 나타내었다. 또한, 오염 입자의 양에 따른 압력손실(내구성)도 기존의 국내산보다는 현저하게 작았으며 일본산과 비교해도 약 0.
7 kg/cm²로 국내산 샘플 A보다는 낮은 압력 손실이 발생하였다. 그러나, 본 연구에서의 개발된 카트리지필터의 압력 손실은 각 오염 입자 첨가량에 대하여 0.1 kg/cm², 0.6 kg/cm²으로 국내산 샘플 A와는 현격한 압력 손실의 변화 차이를 나타내었으며 또한 일본산 샘플 B와 비교하여도 0.1 kg/cm²의 낮은 압력 손실을 나타내었다. 이러한 압력 손실이 낮다는 것은 개발된 제품이 내구성이 우수하다는 것을 나타낸다.
08 kgf /cm²로 상대적으로 낮은 압력손실이 발생하였다. 그러므로 본 연구에서 개발된 수처리용 카트리지 필터의 여과수명이 기존의 카트리지필터인 국내산 샘플 A나 일본산 샘플 B보다 우수한 것으로 사료된다.
5~98%로 우수하거나 비슷한 효율을 나타내었다. 또한, 오염 입자의 양에 따른 압력손실(내구성)도 기존의 국내산보다는 현저하게 작았으며 일본산과 비교해도 약 0.1 kgf /cm²의 낮은 압력 손실을 나타내었다. 그러므로 본 연구에서 개발된 카트리지 필터는 낮은 초기 압력 손실과 우수한 여과효율 및 내구성을 가졌을 뿐 아니라 경제적인 측면에서 일본산 제품에 비하여 약 50%의 가격으로 생산이 가능하므로 기존의 국내산 제품과 일본산 제품의 수입대체 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
8에 나타내었다. 분당 1 g씩 분진 첨가량 증가에도 두 제품의 여과 효율은 큰 차이를 나타내지 않고 84~85%의 여과 효율을 나타내었다. 이러한 결과는 생산단가가 낮은 개발된 제품이 고가의 생산단가에 의하여 제조되고 수입되는 일본산 제품보다 경제적 측면에서 경쟁력이 있다고 판단된다.
이러한 결과들로부터 20 μm 이하의 작은 오염입자들에 대한 여과효율이 국내산 샘플 A와 일본산 샘플 B보다 개발된 카트리지 필터의 효율이 우수하다고 판단된다.
9에 카트리지 필터의 오염입자 첨가량 증가에 따른 압력 손실의 변화를 나타내었다. 일정 통수량에 대한 카트리지 필터의 압력손실은 오염 입자인 카버런덤의 첨가량이 증가할수록 증가하는 경향을 나타낸다. 특히 국내산 샘플 A에서는 오염 입자의 첨가량이 5 g인 경우에는 0.
10에 나타내었다. 필터 소재의 용융온도는 개발된 샘플 C가 170℃로 다른 샘플의 용융온도(A, B; 132℃)들보다 높게 나타났다. 이는 개발된 필터의 소재가 열에 대한 안정성이 우수하여 고온에서 융용 방사가 가능하고 필터 소재인 고분자 섬유사이의 접착력뿐 아니라 부직포와의 접착력도 증대시켜 필터의 내구성을 향상시키는 것으로 판단된다.
7은 본 연구에서 개발한 5 μm 이상 오염 입자 제거용 카트리지 필터의 여과효율을 측정한 결과를 나타낸다. 필터의 요구 성능은 낮은 압력손실과 우수한 여과효율이며, 이러한 조건에 적합한 필터의 경우 우수한 여과효율과 낮은 압력손실 등으로 인하여 필터의 수명 또한 연장이 가능할 것으로 판단된다. 여과효율 시험은 유체중의 고형물을 제거하는 필터의 여과 능력을 측정하기 위하여 수행하였으며, 시험에 사용한 필터는 5 μm용 카트리지 필터를 사용하였다.

후속연구

1 kgf /cm²의 낮은 압력 손실을 나타내었다. 그러므로 본 연구에서 개발된 카트리지 필터는 낮은 초기 압력 손실과 우수한 여과효율 및 내구성을 가졌을 뿐 아니라 경제적인 측면에서 일본산 제품에 비하여 약 50%의 가격으로 생산이 가능하므로 기존의 국내산 제품과 일본산 제품의 수입대체 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수처리용 카트리지 필터는 어떻게 제조되고있는가?	현재 국내에서 생산되고 있는 수처리용 카트리지 필터는 PP(Polypropylene) 섬유(fiber), 아크릴(Acrylic) 섬유, 면(Cotton) 섬유 등을 와인딩(winding)하는 제조 기술, 고분자 melt-blown 제조기술 및 고분자 부직포를 열접착 또는 감아서 제조하는 기술에 의하여 제조되고 있다[9-16]. 그러나 일본 등에서는 가장 정밀한 필터를 만드는 기술로 알려져 있는 고분자 부직포를 열융착 또는 감아서 제조하여 물리적 여과 효율을 향상시킨 수처리용 카트리지 필터 제조 기술이 이미 개발되었다.
	수질 오염이란 무엇인가?	인간 생활이나 산업 활동에 의하여 발생하는 폐수, 하수, 분뇨 등과 같은 인위적 요소들에 의하여 자연 수자원이 화학적, 물리적 및 생물학적으로 변하는 현상을 ‘수질 오염(water pollution)’이라 한다[1,2]. 수세기 전부터 많은 선진국들은 산업화에 따른 물의 사용량이 많아지면서 이에 따른 수질오염의 심각성에 대하여 관심을 가져왔다.
	일본 등에서 수입되고 있는 제품 필터의 단점을 개선하기 위한 방법은 무엇인가?	또한, PP 섬유를 사용한 제품은 부직포와의 결합력이 떨어지고 열을 가하게 되면 뭉치는 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위하여 LDPE (Low Density Polyethylene, HYUNDAI SEETE LDPE XJ800)를 공압출 방사법을 이용한 개선된 필터 제조 공정을 개발하였다(Fig. 2).

참고문헌 (16)

Bae, M. S., "Improvement of Total-Maximum-Daily-Load Policy in Korea - Equity of Water Quality Standards and Management of Development Plans," Research Report, Chungbuk Development Institute, Korea(2009).
Cha, B. J. and Chi, S. D., "Recent Trends and Prospect in Microfiltration Membrane," KIC News, 14(6), 29-37(2011).
Cha, B. C., Ji, S. D. and Kim, J. H., "Membrane Market for Water Treatment," KIC News, 14(6), 2-8(2011).
Shim, H. S., Lee, Y. M., Nam, S. Y. and Choe, Y, O., "Depth Cartridge Filter for Industrial Liquid Filtration," Membr. J., 19(3), 173-182(2009).
Lim, D. Y. and Choe, Y. O., "Fiber Material for Air Filter," Fiber Technol. Ind., 8(4), 365-377(2004).
Kim, J. T. and Cho, I. H., "Trends in the Technology and Market of Membrane Bioreactors (MBR) for Wastewater Treatment and Reuse and Development Directions," Membr. J., 23(1), 24-44(2013).
Song, I. H., Ha, J. H., Bae, B. S., Park, Y. J., Ko, J. W., Baek, Y. K., Kim, Y. K., Lee, J. G. and Hahn, Y. D., "Research Trend of Ceramic Filter for Water Treatment," J. Korean Powder Metall. Inst., 21(1), 62-71(2014).

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http://smroadmap.smtech.go.kr/0201/view/m_code/A330/id/1822/idx/1300.
Song, S. P., Lee, J. K. and Ryu, S. K., "Adsorption/Desorption Behavior of Residual Chlorine from Aqueous Solution by Activated Carbon Fiber Cartridge Filter," Korean Chem. Eng. Res., 38(2), 199-203(2000).
Chung, S. C., Ahn, B. G. and Im, S. S., "Effect of Melt-blown Processing Conditions on the Filtration Characteristics of Polypropylene (PP) Cartridge Filter," Appl. Chem. Eng., 13(6), 613-618 (2002).

상세보기
Han, J. H., Lee, D. J., Lim, H. M., Lee, S. H. and Oh, S. G., "Effect of Processing Factors on the Properties of Melt-blown PP/Ba-ferrite Composite Fabrics," J. Korean Ind. Eng. Chem., 17(3), 267-273(2006).
Shim, H. J., Kang, J. Y., Jang, S. H. and Oh, T. H., "Effect of Electrostatic Treatments on the Filtration Efficiency of Melt-blown Nonwovens," Tex. Sci. Eng., 45(2), 57-63(2008).
Lee, C. H., Lee, J. H., Kwon, E. H., Lee, K. J., Son, E. J. and Kim, S. H., "Performance of a Plat-Type Enthalpy Exchanger Made of Melt Blown Nonwovens (II) -Characteristics of Polypropylene and Nylon Melt Blown Nonwovens," Tex. Sci. Eng., 47(6), 371-377 (2010).
Latifatu M., Ko, J. M., Lee, Y. G., Kim, K. M., Jo, J. D., Jang, Y. S., Yoo, J. J. and Kim, J. H., "Electrochemical Properties of Activated Carbon Supecapacitor Containing Poly(acrylonitrile) Nonwoven Separator Coated by a Hydrogel Polymer Electrolyte," Korean Chem. Eng. Res., 51(5), 550-555(2013).

원문보기 상세보기
Chu, K. H., Park, M. R., Kim, H. Y., Jin, F. L. and Park, S. J., "Preparation and Characterization of Polypropylene Non-woven Fabrics Prepared by Melt-blown Spinning for Filtration Membranes," BKCS, 35(6), 1901-1903(2014).

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Kim, C. H., Choi, S. J., Lee, H. S. and Kim, H. S., "Study of the Olefin Adhesion Layer Produced by Melt-blowing LDPE," Tex. Sci. Eng., 53(2), 68-74(2016).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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