| 필터공정분야에서의 지난 50년간 가장 중요한 개발 10가지
필터산업은 우수한 성능의 새롭게 개발된 설비들의 포트폴리오 구축 및 이러한 설비를 개발하는 고도의 기술력을 갖춘 기업체들의 상호 연구 노력에 의하여 커다란 발전을 이루었다.
이러한 기술개발의 내용은 많은 분야에서 쉽게 접할 수 있게 되었으며 지난 50년간 이루어진 필터 공정의 기술개발 핵심 사항을, 지난 35년간 filtration 및 separation 분야에서 공정 엔지니어 전문가 및 마케팅 건설턴트로 근무한 Ken Sutherland 가 10가지의 커다란 기술개발 항목을 정리하였다. (이는 개인의 주관적인 견해에 의한 선정임을 밝혀둔다-역자)
1. Multi-media packed beds (복합메디아 장착 패키지형 필터)
사여과층 (sand bed) 형태의 필터는 광범위하게 널리 사용되는 전통적인 필터로서 유입수의 흐름이 하향류로 이루어지며 내부 축적되는 고형물질의 세정이 쉽게 처리되는 패키지 형태 (packed bed) 로 되어 있다. 일정시간동안 여과가 이루어진후 원수의 여과 흐름은 정지되며 상향류 흐름의 역세가 이루어진다. 이 때 bed상에 침적된 고형물질이 bed 가 팽창하는 동안 제거가 이루어지며 배출수 라인을 통하여 배출된다.
그 이후 다시 여과 및 역세 과정의 사이클이 이루어지기전에 원수의 고형물질이 다시 bed상에 침적되도록 bed 내부의 메디아를 재구성 하는 것은 쉬운일이 아니다. 이제까지 bed의 재구성에 대한 여러 가지 방법이 소개되었으며 가장 성공적인 방법으로는 입자성 메디아 (granule)을 여러층으로 구성하는 방법이며 서로 다른 density를 갖는 메디아로 구성, 서로 다른 입자상 크기 (particle size)로 구성되게 하여 재배치 (resettling) 및 역세과정이 원활하도록 하는 방식이다.
즉 일반적으로 사용되는 메디아의 구성은 garnet, fine sand 및 anthracite 순서로 된다. 이러한 복합메디아 (multi-media) 를 사용하는 사여과필터 (sand bed)의 실제사용수명을 상당히 오랜기간 동안 연장시킬수 있다.
2. Moving Bed Filters (이동식 베드 필터)
필터장치의 또 다른 혁신적 개발로 불활성의 입자상 메디아 (inert granular solid) 장착의 패키지형 필터 (packed bed)를 이용하는 것이 있는데 이는 기존의 필터장치와는 설계 및 운전조건이 매우 다른것이 특징이다.
필터 장치의 시장 성장을 이끌고 있는 핵심 분야로는 일반적으로 미세한 입자를 제거하려는 수요의 증가 및 배출가스 여과처리등과 같은 고온의 시스템에서 적용이 가능한 필터 장치의 수요 증가로 알려져 있다. 고온여과에서의 문제점은 일반 필터장치에서 사용되는 메디아 (천연섬유 혹은 합성 고분자섬유)로는 여과에 필요로 하는 고온의 운전온도를 견딜 수 없다는 점이다.
이러한 사용 온도범위의 제한에 대하여 일부 메디아는 적정한 높은 온도에서 동작되도록 fluoropolymer를 사용하여 제작 하거나 혹은 보다 높은 온도에서 소결처리된 스텐강의 메쉬 (sintered stainless steel mesh) 구조로 소결하여 이러한 조건을 극복할 수 있다. 이때 발생되는 고온의 배출가스는 여러 문제점을 발생시키므로 불활성 자갈 소재 (inert pebbles)로 된 moving packed bed의 개발로 해결이 가능하다.
이동식 베드 필터 (moving bed filter) 설비는 비교적 큰 직경의 필터용 베셀이 필요하며 pebbles은 반대방향으로 하향 운전이 되며 반면에 hot dirty gas는 필터 베셀을 통하여 상향운전이 이루어진다. 필터장치의 하부에서는 자갈속에 흡착되어 있는 오염물질은 미세한 개스의 주입 혹은 소량의 역세수에 의하여 제거되며 자갈층은 재사용이 가능하도록 세척이 이루어진다. 세척에 사용된 개스는 필터장치의 상부를 통하여 재사용 목적으로 혹은 안전한 배출목적으로 빠져나간다.
3. Cross-flow Filtration (십자형 여과 혹은 순환형 여과 필터)
필터방식의 과거 초기 개발로부터 필터 내에서의 흐름은 변화가 없었다. 즉 개스 및 물속에서 부유상태의 미세한 입자 물질들은 필터용 베셀의 유입수 라인으로 흘러 들어와 내부의 필터 메디아를 통과하면서 필터용 베셀 외부로 나가게 되는 과정을 거치며, 이때 일부의 부유성 물질이 메디아 상에 부착되어 제거가 이루어진다. 이러한 과정에서 미세한 입자물질 슬러리는 여과용 메디아에 대하여 직각으로 작용되는 방법이며 이는 전량여과 (through-flow 혹은 dead-end flow) 방식이라 부른다.
이 과정에서 유입수내 부유성 물질이 완전히 제거 되도록 적절한 필터 장치가 사용되며 필터내에 부착된 부유물질은 수동 혹은 자동으로 제거될 때까지 그 상태를 유지하게 된다.
멤브레인을 필터 메디아로 사용함으로서 제거방법에 대한 또다른 대안이 도입되었다. 필터 양단에 생기는 높은 압력의 차압 (pressure drop)으로 여과가 이루어지는 이유로 가능하면 얇은 층의 멤브레인 메디아를 사용하는 운전이 가능해졌다.
이러한 공정은 유입수내의 슬러리가 필터 메디아 표면과 평행되는 흐름으로 이루어지며 이러한 방식을 십자형 여과 (cross-flow 혹은 tangential flow) 라고 부르며 유입수의 대부분 부유성 물질은 필터 장치의 높은 압력으로 인하여 농축수 슬러리 형태로 농축수 라인으로 배출된다. 이러한 십자형 여과 운전은 주로 멤브레인 공정에서 사용되어 왔으며 이에 대한 적용 확대는 활발하게 이루어지고 있다.
4. Polyelectrolyte Flocculants (고분자전해질 응집제)
기계적, 물리적 분리의 핵심 기술로는 여과 (filtration) 및 침전 (sedimentation) 공정으로 분류 되는데 이중 침전 기술의 시장 규모는 매우 적은 분포를 보이나 실제 정수처리장 설치의 경우에는 대규모 설비로 설치되고 있다.
이러한 침전조의 대규모 설비는 효과적인 분리작용에 필요한 충분한 체류 공간을 확보하여 준다. 지난 100년간 이상 수처리 공정에서는 대부분 중력 작용에 의한 분리 기술이 사용되었으며 중력을 이용한 침전공정의 기술은 유입 원수에 응집용 케미칼을 주입하여 침전성능을 향상시켜, 부유상태의 미세한 입자들을 커다란 크기로 플록화 변환시키는 처리로 진행되었다.
오랜 기간동안 이러한 응집제는 유기성 케미칼을 기본으로 하여, 주로 황산알미늄 (alum) 혹은 폴리염화알류미늄 (polyvalent salt)등이 사용되었다. 응집제는 침전조 (clarifier) 장치 유입수 라인에, 주로 고형 분말 형태로 원수내의 순수한 물과 혼합 희석하여 주입 되는데, 이러한 과정은 목표 성능치를 얻기 위한 손쉬운 방법은 아니다.
이러한 방법은 유기성 고분자전해질 (polyelectrolyte)의 개발로 획기적인 개선이 이루어졌다. 즉 특히 polyacrylamides 개발은 자체의 액상상태로 물속에서 쉽게 확산이 되며 침전조내에 정확한 양의 주입이 가능하게 되었다. 고분자전해질의 사용으로 침전공정에서 성능향상을 이루었을 뿐만 아니라 또한 여러 종류의 여과용 설비가 혼합 사용되는 공정에도 적용이 가능하다.
5. Spunmelt Nonwovens (비직조형태의 스펀멜트 메디아)
여과공정은 이제 고온의 원수를 처리하여야 하며 원수자체 및 생산수에서도 보다 미세한 입자 처리를 요구하는 방향으로 전환되고 있다, 따라서 산업계는 이제 급속하게 thermopolymer 도입, 미세한 입자를 추출하는 성능을 가지며 또한 이러한 기능을 제공하는 미세한 섬유사 개발등 과정에 직면하게 되었다.
즉 필터 메디아로서의 파이버 자체가 더 미세한 구조로 제작되면 필터장치에서의 분리작용은 더욱 미세한 처리가 가능해진다. 과거에는 대부분 필터산업에서 분리기능은 주로 자연에서 얻을수 있는 섬유사 파이버 및 필라멘트 (모직,면사 및 실크등)를 직조형태(woven)로 혹은 비직조형태 (nonwoven)로 형상화 하여 자체 재질의 특성에 걸맞는 비교적 조대형 크기 (coarse) 메디아로 제작되었다.
1990년대 중반 일차 성형된 thermopolymer의 개발 및 이러한 재질을 형상화 할 수 있는 기술개발로 전혀 새로운 소재인 “spunmelts” 소재가 탄생, 즉 다양한 종류 크기의 제품이 생산될 수 있었다. 초기 제품은 spunbonded 제품이며 그 후 melt blown으로 그 다음 flash spun materials 로 이어졌으며 마지막으로 electrospun으로 발전 제품화 되었다.
이러한 재질들은 복합 화이버로서의 특성을 갖도록 상호 교차 성형으로 제작도 가능하며 마감재질에서도 다양한 특성을 가지며 또한 필터산업 에서 효과적인 범위내 적용을 위하여 다양한 방법으로 처리 가공되기도 하였다.
6. Membranes as Media (멤브레인 메디아)
여과 공정에 대하여 상당한 지식을 갖고 있는 누군가에게 지난 50년간 가장 중요한 개발이 무엇이냐고 하면 필터 메디아로 멤브레인의 사용이라고들 한다. 멤브레인을 사용한 여과방법은 약 50년전부터 시작되었으며 다양한 바닷물 원수로부터 매우 순수한 수질의 물을 얻는 목적으로 사용, 이러한 방법은 순수한 여과 기능이 아닌 멤브레인 재질상의 분자크기 공간을 통하여 물분자 확산 (diffusion) 작용에 의하여 이루어지는 방법이다.
초기 멤브레인은 역삼투 (reverse osmosis) 기술의 적용 이었으며 이들은 보다 낮은 여과성능을 가진 멤브레인 (loose membrane) 특성을 갖는 다양한 범위의 멤브레인 종류로 확대 되었다. 즉 큰 분자 물질의 제거 기능으로부터 입자성 물질의 제거까지 확대되어 NF, UF 및 MF 멤브레인이 개발되었다. UF 멤브레인은 매우 순수한 물의 처리를 위한 일반적인 공법이 되었으며 MF 멤브레인은 식품,음료 산업및 케미칼 분야의 단순한 초기 분리공정에 사용이 빠르게 확산되었다.
7. Ceramic Media (세라믹재질 메디아)
높은 온도용의 필터 기능을 갖는 수단으로 세라믹 입자형태의 작은 미립자에 의한 이동형 베드 (moving bed) 구조의 적용은 이미 설명한바와 같다. 그러나 세라믹 필터는 다른 목적으로 사용되기도 하는데 세라믹 필터의 핵심은 부식성 유체에 내성이 있다는 것이나 그러나 재질의 특성상 불균일한 환경조건에서 쉽게 부서지기 쉬운것이 커다란 문제로 대두 되었으나 이러한 문제는 현재 완전히 해결이 되었으며 즉 세라믹 재질의 표면에 얇은층으로 소결 성형 구조를 가진 커다란 porous block의 사용 혹은 세라믹 파이버의 두꺼운 층 외부에 기저부(substrate)를 갖도록 하여 제작함으로서 해결되었다.
육각면 블록 구조의 세라믹 메디아는 세라믹 멤브레인의 또다른 형태로 원형의 압력 베셀내에 설치 가능하며 필요한 경우 분리가 이루어진 고형물질의 통로를 위한 공간이 만들어진다. 이러한 블록 구조는 전체 베셀 길이에 따라 여러개의 원형 hole이 만들어져 있으며 각각의 hole은 얇은층의 세라믹 재질로, 그리고 멤브레인의 성능을 갖도록 적절한 위치에 소결구조로 되어 있다. 현재 세라믹 메디아에서의 부서지기 쉬운 현상은 더 이상 문제시 되지 않고 있다
8. Mini-Pleats (주름형태의 공기용 필터)
공기의 여과 공정, 특히 빌딩의 에어콘디쇼닝이나 발화용의 공기 포집용 적용에서는 대량의 공기를 얻는 과정이 필요하다. 이러한 목적으로 적절한 air filter 장치에는 신기술의 필터 메디아 재질이 사용되어야 하며 가장 경제적으로 필터 하우징 용량에 적절한 크기의 구조를 가져야 한다.
과거 오랬동안 이러한 air filter는 교체가 가능한 정방향 형태의 pad 혹은 panel을 기본 구성으로 하여 단단한 구조의 고정형 프레임에 설치되는 구조로 air filter 하우징 외벽에 견고하게 고정 설치가 된다. 정방향의 프레임내에는 비직조 (nonwoven) 재질의 간단한 pad 에 의하여 혹은 여러개의 bag 이나 pockets 으로 또는 일련의 주름형태의 flat material등으로 내장되어 있다. 이중 주위 환경에 가장 효율이 좋은 여과 메디아로 선택되어 사용된다.
이러한 형태의 filter는 air 용 및 기타 다른 가스의 공기 여과 목적으로 국제규격의 요구 조건을 만족할 수 있으며 pad filters 자체는 하우징내에서 상호 교체가 가능하다. 주름 형태의 media를 가진 air filter는 flat material의 어느 형태에서도 사용가능하나 현재 가장 효율적인 것으로는 V-block 시스템이다.
이는 주름형태의 메디아가 몇몇의 flat pack상에 배열되어 단단하고 고정된 프레임내에 예리한 각도를 갖도록 설치된다. 이러한 구조는 프레임내에서 가스의 흐름이 원활하게 되며 걸러진 불순물이 지정된 위치에 일정하게 모이게 하는 역할을 한다. 따라서 V-block 필터는 미래의 공기여과 필터의 핵심 제품이 될 것이다.
9. The Consultants (필터산업의 컨설팅업무)
필터산업은 대부분의 적용 분야에서 복잡한 공정으로 공급선으로부터 고도의 엔지니어링 기술및 공정기술을 제공받아야 한다. 그러나 공정상의 엔지니어 기술지원을 얻을 수 없는 설비 제조업체들 및 이들 설비를 사용하는 사용자들은 장치의 설계 및 장치의 선택과정에서 컨설팅 조언이 필요한 경우에 전문 컨설팅 그룹에 의존한다.
이러한 컨설팅 전문가로 Derek Purchas 는 오랫동안 여과기술및 침전기술에 컨설팅 업무을 하였으며 필터 메디아 및 여과 기술에 대한 여러 저술을 남겨놓기도 하였다. 그는 Filtration Society의 초기 회장에 취임한 이후로 5회 계속 연임하였으며 그 후 필터산업의 비즈니스 확산에 훌륭한 컨설팅 업무를 하여 왔으며 컨설팅 업무 역할의 신장에도 커다란 공헌을 하였다.
10. Society Foundation (필터 협회의 창설)
지난 50년의 기간 동안 이루어진 개발 과정에서 마지막으로 선정된 항목은 영국내에 Filtration Society 협회가 문을 열게 된 것으로 이와 관련하여 Bill Norris는 Filtration + Separation 저널 창설을 주도, 여과산업에서의 기술지향적인 협회 창설의 기회를 갖게 되었다. 이 협회 창설을 기회로 미국에서도 Americal Filtration Society 가 새롭게 설립, 이후로 Bill Norris의 전폭적인 지원으로 연이어서 FILTECH 전시회가 영국에서, 그리고 World Filtration Congress가 파리에서 개최, 매우 성공적인 결과를 가져 왔다.
[출처 = 2013 Sep/Oct Filtration&Separation]
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