I.
서 론
산업현장에서 발생되는 배출 가스는 입자상 및 가스 상의 복합오염물질 형태로 배출되고 있으며, 최근 사회 적 문제로 대두되고 있는 고농도 미세먼지 및 미량의 중금속인 수은(Hg) 또한 화력발전소나 연소시설 등 화 석연료를 사용하는 에너지산업 및 제조업 연소시설에 서 주로 배출되고 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 미 세먼지의 경우 발생원에서 직접 대기 중으로 배출되거 나 연소과정에서 발생되는 연소생성물인 NOX, SOX, NH3 등이 전구물질로 작용하여 기체의 상변화에 의해 2차 오염물질 형태로 생성되며, 국내 환경부는 직접배 출과 간접배출을 약 1 : 2로 구성되는 것으로 추정해 제시하고 배출원별 기여도를 사업장, 건설기계, 발전소 순으로 평가하였다1). 그러나 전 세계적으로 주요 에너 지원인 석유, 석탄, 천연가스 등 화석연료 보유량은 한 정되어 있고 저급연료 사용량이 증가하고 있는 현실이 므로 정부에서도 미세먼지 2차 생성 메커니즘 규명 및 유해성분 분석, 집진 등 저감 기술의 획기적인 성능개 선 등 해소에 초점을 맞추고 있다2). 또한, 유해 중금속 물질은 대부분 입자상 물질에 포함되어 존재하고 미립 자일 경우 대기 중에 부유하여 인체에 악영향을 미치 게 되나 기존의 집진장치로는 제거 효율이 낮고 대부 분 대기 중으로 배출되고 있으며 연간 약 2,500톤 이 상 발생되는 수은의 경우 대기 중에서 소멸되지 않고 산화되어 체류하거나 흡수, 생체 내 축적되고 유기수은 으로 전환되어 신경계의 발달과 기능에 치명적인 역할 을 하는 것으로 알려져 있다. 국내에서도 연간 약 10 ~ 30톤이 발생되는 것으로 보고되고 있으며, 최근에 는 중국의 석탄 사용량 증가에 따라서 세계 수은발생 량 중 아시아에서 약 50%가 발생하는 것으로 조사되 고 있다3). 이에, 국내에서도 고성능 소재 개발 및 집진 장치 구조 개선 등을 통한 복합오염물질 동시처리 장 치 및 고효율 하이브리드 필터 개발이 일부 진행되고 있으나 미세먼지 제거를 위한 기술 축적 및 연구개발 실적이 미흡하고 핵심 기술은 해외 선진 기술에 의존하 거나 주요 부품은 대부분 해외에서 고가에 수입하여 사 용하고 있는 실정이다. 그러므로 복합오염물질 동시 처 리를 위한 내마모성 고강력 표면층 여과제 제조 및 미 세입자 표면 침투방지용 고성능 필터 제조에 대한 국산 화 기술개발 및 초미세먼지 대기환경기준 강화에 대비 하여 주요 배출원에서 발생되는 미세먼지 배출을 저감 시키기 위한 기존 집진방식의 문제점을 근본적으로 해 결할 수 있는 고효율 집진기술 적용이 필요한 실정이다. Table 1 Fig. 1
본 연구에서는 산업현장에서 발생되는 미세먼지 및 미량의 중금속인 수은등 복합오염물질을 동시에 처리 하기 위하여 fiber 및 여과 media 제조 복합화 기술 및 thermal laminating 기술을 적용하여 필터 표면의 다공 성을 변화시켜 입자상 먼지입자가 필터 내부로 침투하 지 못하고 표면에서 제거되는 PTFE 멤브레인 필터를 국산화 개발하고 표면처리 및 개질을 통한 가스상의 미량의 수은을 제거하기 위한 흡착제 적용성 평가를 진행하였다. 또한, 개발된 필터의 성능을 확인하기 위 하여 pilot 실험용 집진장치를 이용하여 상용급 필터와 의 운전 차압 및 여과성능 등 비교 실험을 통해 개발 필터의 운전 특성 평가를 진행하였다. Fig. 2
II.
PTFE 특성 및 membrane filter 제조기술 개발
1.
PTFE 특성 및 적용
PTFE(PolyTetraFluoroEthylene)는 작은 분자들을 사 슬이나 그물 형태로 화학결합시켜 만드는 커다란 분자 로 이루어진 유기 중합체 계열에 속하는 비가연성 불 소수지로서 열에 강하고 마찰 계수가 극히 낮으며 매 끄러운 표면을 갖고 화학약품에 대해 내화학성이 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 넓은 온도범위(-270 ~ 250°C) 에서 물리적 성질을 유지하는 특성으로 인해 filter media 외 내약품성, 내후성, 내오염성, 비점착, 전기적 용도 등 다양한 분야에 적용되고 있다4-6). PTFE membrane의 경우 W.L Gore & Association. Inc.의 Bob Gore에 의해 강력한 미공성 재료가 만들어진다는 사실 을 발견했으며, 최근 산업플랜트에 적용되는 PTFE filter 또한 미세기공을 이용하여 입자상 물질을 filter 표 면에서 차단하고 청정가스만 대기 중으로 배출시키는 원리를 이용한 것으로 기존 방식 대비 여과 방식의 차 이점, 내화학성 및 내고온성과 같은 물리적화학적 특성 등에 대한 고찰 및 여과집진 성능 향상을 위하여 PTFE membrane으로 laminating된 filter에 대한 관심이 증대되어 다양한 연구가 진행되고 있다7-10). Fig. 3
2.
Filter media 및 PTFE membrane filter 특징
여과집진기는 배출가스에 함유되어 있는 입자상 물 질을 filter bag에 의해 분리하여 기계적 방법으로 포집 하는 설비로서 산업용 설비에서는 1 μm 이하의 입자 에 대해서도 95% 이상의 높은 제진효율을 나타내고 있다. 여과포는 다공질의 섬유로 된 여과 재료로서 여 과집진장치의 가장 중요한 부분이며 천연섬유, 합성섬 유, 무기섬유 등을 주로 사용하고 있고 섬유에 따라서 처리 가능한 허용온도가 다르지만 일반적으로 온도가 높은 고온가스에는 사용이 어려운 단점을 가지고 있다. 그러나 PTFE membrane filter media의 경우에는 pore size가 0.05 ~ 10 μm로서 microscopic pore 구조의 membrane 막을 이용함으로써 sub-micron 입자들을 포집하 기에 수월하고 표면여과(surface filtration) 방식을 통해 미세입자가 filter bag에 달라붙지 않아 여과재 심층부 로 침투되는 것을 방지함으로써 고효율의 집진효과 및 탁월한 탈진작용을 통해 기존의 심층여과(depth filtration) 방식의 단점인 압력손실의 증가 및 집진효율 감 소를 저감시킬 수 있어 공정 성능 향상 및 집진설비 운 전비용 절감 효과를 가져올 수 있다. 특히, Thermal lamina ting 기술을 적용하여 제작되는 PTFE membrane filter의 경우 media에서 0.3 μm 이상의 초미세입 자를 고효율로 포집할 수 있으며 사용 시간이 증가할 수록 급격한 압력손실을 보이는 일반 filter media 대비 안정적인 압력손실을 유지할 수 있다. 또한, 일반 여과 보다 더욱 미시적인 부분에 있어서 액체에 용해되어 있는 용질이나 혼합기체의 분리까지도 가능한 특성을 가지고 있다11). Table 2, Fig. 4
3.
PTFE membrane filter 제조기술 개발
PTFE membrane 제조기술은 paste extrusion에 의해 이루어지며 크게는 resin 혼합/압축/압출 공정과 film 제조 및 MD/CD stretching 두 단계로 구분할 수 있다. PTFE resin과 lubricant를 혼합하는 전처리를 거쳐 압 축을 하여 billet를 만들고 만들어진 billet를 압출하여 rod의 형태를 만드는 예비성형을 했다. 그 후 rod 형태 의 PTFE를 압연하여 film 형상을 만들어 낸 후 성형하 고 PTFE와 혼합된 lubricant를 제거하는 제유과정을 거쳐 연신을 실시하였다. 연신은 MD(Machine direction) 연신과 CD(Cross direction) 연신으로 구분할 수 있는데 본 연구에서는 MD 연신을 우선 실시하고 CD 연신을 진행하여 membrane을 제조하였다. 또한, 각 공 정에서 membrane의 성능에 영향을 줄 수 있는 변수와 조건들을 검증하여 membrane 제조 최적화의 기초 자 료를 수립하였다. Fig. 5
Resin 압축 단계는 PTFE 입자가 서로 일정한 모양 으로 결합하는 초기 단계로서 압축압력, 압축온도, 압 축시간 등이 주요인자로서 접합하지 않을 경우 압축된 billet는 매끄럽지 못한 표면과 균열 등이 발생할 수 있 고 균일한 PTFE membrane의 생산이 어렵게 된다. 이 에, 본 연구에서는 원활한 압축 압력을 낮은 압력부터 점차 증가시켜 4가지 조건으로 실시하였으며 압축온도 는 상온부터 증가시켜 3가지 조건으로, 압축시간 또한 3가지 조건으로 실시하여 biller의 표면과 균열 등을 관 찰하고 PTFE film 제조에 미치는 영향을 관찰하였다. 또한, 압축으로 만들어진 PTFE biller을 rod의 형태로 만드는 압출 조건은 저압, 중압, 고압의 조건으로 실시 하였고 rod의 굵기는 2가지 조건으로 변화를 주었다. Table 3, Fig. 6
압출이 끝난 PTFE rod는 압연을 통해 sheet 형태의 PTFE film으로 가공을 하였으며 제조된 PTFE film은 MD 연신을 실시하여 1차 membrane화 공정을 거치고 2차로 CD 연신을 실시하여 최종 membrane을 생산하 였다. PTFE MD 연신 film의 표면 형태를 관찰하기 위 하여 SEM 분석을 실시한 결과 MD 연신비가 높은 film의 경우 nod와 fibril의 구분이 명확하고 fibril의 길 이 역시 긴 것을 알 수 있었으며 PTFE MD 연신 film 의 표면형태는 압축, 압출, 압연의 변수보다 연신비가 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. Fig. 7
PTFE MD 연신을 마친 film을 CD 연신하여 membrane을 제조한 결과 기공크기는 0.58 μm, 공기투과도 는 8.03 cm3/cm2/sec로 분석되다. 제조된 PTFE membrane의 표면 형태를 관찰한 결과 좌우 및 상하가 균일 하게 연신이 된 것을 알 수 있었으며, membrane의 nod와 fibril의 형태는 비정형의 거미줄 형상으로서 미 세한 기공들이 sub-micron 입자들을 포집하기에 수월 할 것으로 판단되었다. Fig. 8
PTFE 부직포를 제조하기 위한 소결/연신, slitting, crimping 및 cutting의 단계를 거쳐 PTFE staple fiber를 제조하였으며, 물성에 주요 영향을 주는 변수인 pin의 각도와 접촉면적은 70°, 40mm로 조절하여 fibril이 1 ~ 3 개인 PTFE staple fiber를 완성하였다. 또한, 부직포 제조 에 있어서 PTFE fiber의 정전기 발생에 따른 엉킴 등의 문제를 해결하기 위하여 0.2%의 대전방지 유제를 분사 후 건조하여 사용하였으며, slip 특성으로 인해 pre punching 시 안정적인 교락이 일어나도록 speed와 punching 밀도를 조절하여 최종적인 PTFE 부직포 제조 공정 최적화 조건을 도출하였으며, 시제품 제조 결과 PTFE Nonwoven의 공기투과도는 8.33 cm3/cm2/sec, MD/ CD 인장강도는 81.02/77.72 kg/50 mm로 분석되었다. Fig. 9
III.
PTFE 표면개질 및 중금속 흡착특성
1.
PTFE 표면개질
PTFE 재질 필터의 표면개질을 통해 미량중금속인 수은(Hg)을 흡착제거할 수 있는 기능을 부여하기 위하 여 기능성 아민계 그룹을 코팅하여 PTFE 표면 개질을 진행하였다. 이는 PTFE 표면이 fluorine으로 hydrophobic한 특성을 띄고 있으므로 플라즈마를 이용한 표면 개질을 통해 표면에 hydroxyl group(-OH)으로 치환시 켜 hydrophilic한 상태로 전환시키기 위함이었다. 이로 써, 고온의 증기 속에서 생성된 수은이온이 표면 개질 을 통해 형성된 아민그룹의 비공유 전자쌍과 이온결합 을 통해 수은을 흡착할 수 있도록 하였다. PTFE 표면 개질 시 silane coupling agent의 종류인 APTMS((3- aminopropyl)trimethoxysilane, 97% Alfa Aesar)와 GPTMS ((3-gly cidoxypropyl)trimethoxysilane, ≥ 98% Sigma Aldrich)를 이용하였으며, 높은 표면적을 가지면서 다 양한 중금속 제거에 이용되고 있는 활성탄계 재료를 수은 흡착에 적용해보고자 ACF(activated carbon fiber) 를 이용하여 개질 후 수은흡착 성능을 비교하였다. Fig. 10
Solarus advanced plasma cleaning system을 이용하 여 PTFE 멤브레인을 감압진공 조건에서 O2, H2, Ar 기체의 유량조절과 플라즈마 처리 시간을 변화시켜 표 면개질이 잘 이루어지는 조건을 찾고자 하였으며, 플라 즈마 개질의 임계시간 확인결과 4 ~ 5분 정도임을 알 수 있었고 기체의 양을 비교하는 FT-IR spectrum은 APTMS로 개질시켰을 때 Si-O-CH2 peak intensity를 비교하여 최적 조건을 확인하였다. Fig. 11
APTMS를 이용한 표면 개질 결과 O2, H2 기체의 양 을 조절하여 비교 시 1,190 ~ 1,140 cm−1 부근에 Si-OCH2 peak가 나타나 플라즈마 처리에 의해 -OH로 개질 된 표면이 APTMS와 잘 반응하였음을 확인하였고 O2 15 mL/min, H2 15 mL/min 조건에서 개질된 PTFE 시 료에서 intensity가 가장 높게 나오는 것을 알 수 있었 다. 또한, 그 외 1차 아민의 N-H peak, Aliphatic C-H peak가 관찰되는 것으로 미루어 보아 PTFE 표면에 APTMS가 개질되었음을 확인 할 수 있었다. Fig. 12
2.
ACF 표면개질
ACF 표면에도 hydroxyl group(-OH)이 존재할 수 있 지만 산 처리를 통해 친수성을 더욱 증가시켜 ACF 표 면과 silane coupling agent의 반응성을 극대화하고자 하였다. 그러나 활성탄의 경우 처리되는 산의 종류에 따라 수은 제거율이 달라진다는 문헌 조사 결과에 의 해 ACF에 대해서 H2SO4, HCl, HNO3의 3가지 종류의 산을 이용하였으며, 산 처리를 진행한 결과 유사한 spectrum peak를 나타내었으며, 3,400 cm−1 부근의 hydroxyl group이 더 강한 intensity를 띄고 있음을 알 수 있었다. 산 처리된 ACF는 APTMS와 혼합된 반응 용기에 넣어 반응시킨 후 Ethanol을 이용하여 세척 후 건조시켜 FT-IR spectrum을 이용하여 분석한 결과 1,150 ~ 1,000 cm−1에서 HCl을 이용한 산 처리가 가장 강한 intensity의 Si-O peak를 나타내었다. Fig. 13
3.
중금속 흡착특성 실험 장치
PTFE 부직포의 수은 흡착특성을 확인하기 위하여 수은 공급장치와 흡착장치, 수은 농도측정 장치로 구성 된 수은 흡착 실험 장치를 제작하였는데 수은 공급장 치는 수은을 기상으로 흡착칼럼까지 공급하기 위하여 permeation 튜브를 사용하여 온도에 따라 permeation 튜브의 멤브레인으로 정략적으로 투과되어 기상으로 배출될 수 있도록 하였고 carrier gas로 질소를 이용하 여 농도를 조절하였다. 또한, 흡착칼럼의 전/후단에서 는 전용 수은분석용 장치를 이용하여 실시간으로 수은 농도를 측정하였고 흡착제의 수은 흡착능력은 반응기 출구에서 측정된 수은농도의 경시변화로부터 파과시간 까지 공급된 수은의 양으로부터 흡착제 단위질량당 흡 착된 수은의 질량으로 나타내었다. Fig. 14
4.
중금속 흡착특성 실험 결과
플라즈마를 이용한 PTFE 부직포의 표면 개질 후 중 금속 흡착실험 장치를 이용하여 수은 흡착특성 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 수은의 유입농도는 약 70 ppb, 유량은 1,700 mL/min으로 고정하였으며 APTMS 및 GPTMS로 개질된 PTFE 표면에 흡착된 수은의 흡 착량은 파과시간까지의 유입된 수은의 양으로 정의하 였다. 실험 결과 표면개질을 하지 않은 PTFE 부직포 및 GPTMS로 표면 개질된 PTFE 부직포는 거의 수은 을 흡착하지 않는 것을 알 수 있었으나 APTMS로 표 면 개질된 PTFE 부직포의 경우에는 수은 파과시간이 약 4분 정도로 나타났으며 계산 결과 샘플 무게대비 수은의 흡착량은 1.443 μg/g-PTFE에 해당되었다. 이로 써 PTFE 표면에 존재하는 APTMS가 수은의 흡착에 기여를 하고 있다는 것을 알 수 있었으나 PTFE 부직 포의 표면적이 4.84 m2/g 정도로 매우 낮기 때문에 개 질된 APTMS의 함량이 매우 적어 수은 흡착량이 낮게 나타나는 것으로 판단되었다. Fig. 15
PTFE 부직포의 낮은 표면적으로부터 수은을 흡착하 기 위한 작용기인 APTMS의 담지량이 적어 수은의 흡 착량이 매우 낮은 것으로 판단되어 넓은 표면적을 갖 고 중금속 제거에 이용될 수 있는 지지체를 적용하고 자 섬유상 카본인 ACF를 이용하여 APTMS로 개질 후 수은흡착 성능 비교실험을 진행하였다. 실험에 적용한 ACF는 분석결과 표면적이 1,169 m2/g였으며 수은의 유입농도 및 유량은 기존 실험과 동일 조건에서 진행 하였다. 실험 결과 개질되지 않은 ACF는 150분 이후 부터 수은이 검출되기 시작하였으며 ACF 단위무게당 수은의 흡착량은 0.054 mg/g-ACF의 흡착능력을 가진 것으로 나타났다. 반면 APTMS로 표면개질한 ACF의 경우에는 450분 이후부터 수은이 검출되기 시작하였으 며 개질된 ACF의 단위무게당 수은의 흡착량은 0.162 mg/g-ACF로서 약 3배 정도의 흡착능력이 증가하는 것 을 알 수 있었다. 실험 결과로부터 넓은 표면적을 갖는 ACF를 지지체로 적용하고 PTFE 부직포에 APTMS를 직접 수은흡착용 기능기로 개질한 경우 가장 좋은 수 은 흡착특성을 갖는 것을 알 수 있었다. Fig. 16
IV.
PTFE membrane 필터 차압 및 여과특성
1.
PTFE membrane 필터 시편 차압특성
필터는 다양한 형태 및 크기의 공극을 이용하여 입 자들 간의 크기 차이를 이용한 물리적 분리정제 기술 의 하나로서 입자들 간의 크기 차이에 의해 필터 매트 릭스 상에서 분리가 일어나게 되며, 작은 입자들은 필 터 매트릭스와 물리적 충돌을 통해 저항이 발생하게 되고 발생된 저항은 입자간의 충돌로 이어져 필터 전/ 후단의 압력에 차이가 발생하게 되는데 Fanning’s equation을 이용하여 사용유체에 대한 발생 차압을 계 산하였고 필터 차압은 필터의 공극과 반비례하는 관계 에 있으므로 필터의 차압을 측정하여 필터 공극에 대 한 상대적인 비교를 하였다. Fig. 17
Lab-sclae 차압측정 장치를 이용한 필터 시편 차압특 성 실험 시 linear velocity는 최대 15 cm/sec로 선정하 였고 가스유입 유량은 6 l/min로서 유량제어기(MFC) 를 이용하여 정량공급하였으며 필터 시편의 노출 온도 는 상온(RT)에서부터 유입가스 가열부의 furnace를 이 용하여 200°C까지 승온하여 차압을 측정하였다. 유입 가스 가열부 전/후단에는 thermocouple을 이용하여 온 도를 확인하였고 필터 시편을 통과하는 가스의 차압은 디지털 마노미터를 이용하여 전/후단 압력을 측정함으 로써 각 샘플 시편의 차압 특성을 파악하였다. Fig. 18
차압특성 실험은 상용급 PTFE 일반 필터 및 PTFE membrane 필터를 대상으로 상압 조건에서 1 ~ 6 L/min 으로 유량을 변경하면서 차압특성을 비교하였고 측정 된 차압이 100 mmH2O 이하로 외부 변화에 대하여 값 이 유동하므로 각 유량에서 단계적으로 차압 측정을 진행하였다. 실험 결과 필터 시편별 차압 변화 현상은 인입유량 및 온도 증가에 따라 차압 값이 선형 증가관 계를 갖는 유사한 특성을 나타내었으나 membrane 코 팅 필터의 경우 수백만 개의 아주 미세한 기공을 갖는 microscopic pore 구조의 특성으로 인해 일반 필터에 비해서는 상대적으로 높은 차압을 갖는 것으로 판단되 었다. 그러나 PTFE 일반 필터는 온도 상승에 따라 차 압/선속도 비가 비선형 비례관계를 갖는 반면 PTFE membrane 필터는 선형 비례관계를 나타냄으로써 온도 변화에 따른 기공변화는 더 작음을 알 수 있었다. Fig. 19
2.
PTFE membrane 필터 여과특성
본 연구에서 개발하고자 하는 PTFE membrane 필터 의 여과효율 및 역세정을 통한 연속운전 성능을 파악 하고자 150 m3/h급 pilot 시험용 집진장치를 이용하여 분진을 공급하지 않는 무부하 조건과 분진을 공급하는 분진 부하 조건에서의 필터 운전특성 실험을 진행하였 다. Pilot 시험용 집진장치는 필터배치 및 장치 형상 등 을 고려하여 φ 156 × 1,500 mm 크기의 필터 6개를 설 치하였으며 상승속도는 0.18 m/s, 여과속도는 0.8 cm/s 이다. 집진필터에 부착된 분진의 탈진은 고압의 공기를 이용한 pulse jet 역세정 방식을 적용하였고 역세정 효 과를 향상시킬 수 있도록 필터 상단부에는 벤튜리를 설치하였다. Fig. 20
필터시편 차압특성 시험과 동일하게 상용급 PTFE 일반 필터 및 PTFE membrane 필터를 대상으로 무부 하 조건에서 운전온도는 상온 ~ 150°C, 시험가스 유량 은 30 ~ 150 m3/h로 변화를 주어 필터별 차압 특성을 비교한 결과 시편을 이용한 차압특성 시험 결과와 동 일하게 운전온도와 시험가스 유량이 증가할수록 차압 이 비례적으로 증가함을 알 수 있었고 PTFE membrane 필터의 경우 정상운전 조건(150 m3/h, 150°C) 조건에서 차압이 최대 20 mmH2O 발생됨을 확인하였다. Fig. 21
분진 부하 조건에서의 필터 운전특성 실험은 미세분 진을 모사하기 위하여 평균입경 7.8 μm의 황토분말 입 자를 이용하였고 스크류 회전 모터에 의한 회전수 제 어를 통해 공급량을 제어하였다. 실험 전 정량공급 상 태를 확인하기 위하여 10 ~ 60 Hz 조건에서 미세분진 공급특성 시험을 진행한 결과 스크류피더 인버터 Hz 별로 공급량이 선형관계를 나타내며 일정하게 증가함 으로써 공급속도 증가에 따른 정량적이고 안정적인 공 급이 가능함을 확인하였다.
분진 부하 조건에서의 필터 운전특성 실험 시 운전 조건은 운전압력 상압, 운전온도 150°C, 시험가스 유량 150 m3/h로 동일한 기준으로 진행하였으며, 필터 차압 이 100 mmH2O 도달 시 필터 역세정이 진행되도록 하 였다. 실험 결과 PTFE 일반 필터는 분진 공급 시작을 기준으로 초기에는 낮은 차압을 유지하다가 점차 증가 하여 2시간 30분 경과 후 100 mmH2O에 도달하였고 자동 시퀀스에 따라 역세정이 시작되어 18 mmH2O까 지 낮아지는 것을 알 수 있었고 역세정 주기는 약 1시 간 20분 정도로 파악되었다. 그러나 시간이 지날수록 역세정 시 필터 차압이 점차 증가하는 경향을 나타냄 으로써 일반 필터 media의 경우 심층여과 방식으로 인 해 일정기간 경과 후 차압이 급격히 증가하는 것을 알 수 있었다. PTFE 일반 필터의 여과성능을 확인하기 위 하여 실험 중 집진장치 전/후단에서 각 2회씩 분진농도 를 측정한 결과 분진제거 효율은 약 95.7%로 나타났다.
동일 운전조건에서 PTFE membrane 필터는 분진 공 급 시작부터 차압이 점차 증가하기 시작하여 2시간 경 과 후 100 mmH2O에 도달하여 역세정이 시작되어 15 mmH2O까지 낮아지는 것을 알 수 있었고 역세정 주기 는 약 1시간 정도로 파악되었다. 그러나 PTFE 일반 필 터와 비교 시 시간이 지날수록 차압이 증가하지 않는 것을 알 수 있었다. 이는 필터 표면에 분진이 달라붙지 않는 PTFE membrane 고유의 성질로 인해서 표면여과 방식에 의해 여과가 진행됨으로써 낮은 차압의 지속적 인 유지가 가능하여 장기간 운전 시 급격한 압력손실 을 보이는 일반 필터 대비 안정적인 압력손실 유지 및 탈진주기가 감소될 것으로 판단되었다. 또한, PTFE membrane 필터의 여과성능 확인 결과 분진제거 효율 은 약 99.96%로서 높은 여과성능을 나타내었다.
V.
결 론
본 연구에서는 산업현장에서 발생되는 미세먼지 및 미량의 중금속을 동시에 처리하기 위하여 필터 여재 복합화 및 thermal laminating 기술을 적용하여 PTFE 멤브레인 필터를 개발하고자 각 공정에서 membrane의 성능에 영향을 줄 수 있는 변수와 조건들을 검증하여 membrane 제조 최적화의 기초 자료를 수립하였다.
제조된 PTFE membrane의 SEM 분석을 통한 표면 형태 관찰결과 membrane의 nod와 fibril의 형태는 비 정형의 거미줄 형상을 나타내었으며 PTFE MD 연신 film의 표면형태는 압축, 압출, 압연의 변수보다 연신비 가 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 제조공정 최 적화 조건 도출을 통해 PTFE membrane 필터 제작 결 과 PTFE Nonwoven의 공기투과도는 8.33 cm3/cm2/sec, MD/CD 인장강도는 모두 70 kg/50 mm 이상 확보하였 고 membrane의 경우 pore size는 0.58 μm, 공기투과도 는 8.03 cm3/cm2/sec를 확보하였다.
미량중금속인 수은(Hg)을 흡착제거할 수 있는 기능 을 부여하기 위하여 기능성 아민계 그룹을 코팅하여 수은이온이 PTFE 표면 개질을 통해 형성된 아민그룹 의 비공유 전자쌍과 이온결합을 통해 수은을 흡착할 수 있도록 하였다. 표면개질 실험 결과 silane coupling agent의 종류인 APTMS가 수은흡착용 기능기로 사용 가능할 것으로 판단되었고 수은 흡착성능 실험 결과 일반 PTFE 표면에 APTMS로 표면 개질된 샘플 대비 넓은 표면적을 갖는 ACF를 지지체로 적용 시 수은의 흡착량은 0.162 mg/g-ACF로서 3배 정도의 흡착능력이 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.
상용급 PTFE 일반 필터와 PTFE membrane 필터의 필터시편 차압측정 비교 실험을 통해 운전온도와 시험 가스 유량이 증가할수록 차압이 비례적으로 증가하는 차압변화 현상을 확인하였고 pilot 시험용 집진장치를 이용하여 운전압력 상압, 운전온도 150°C, 시험가스 유 량 150 m3/h 조건에서 필터의 운전특성을 확인한 결과 PTFE membrane 필터의 경우 장시간 운전 시에도 안 정적인 압력손실 유지 및 탈진주기 감소 효과를 나타 내었고 분진제거 효율은 약 99.96%로서 높은 여과성 능을 확인하였다. 이로써 국산화 개발 완료 시 상업용 집진설비의 핵심부품으로서 다양한 산업시설에 확대 적용이 가능하며 정부의 대기환경 규제치 강화에 적극 적으로 대응하고 공정성능 향상 및 설비 운전비용 절 감 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.
