산업용섬유의 응용 8장 분리기술과 섬유 2010. 4. 16. · 산업용 섬유의 응용...

산업용 섬유의 응용

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제8장 분리기술과 섬유

8.1 분리기술에 대해

화학기술에 있어서 「분리」라는 용어의 정의는「성질이 다른 물질을 구분하여

포집하는」것이다. 그 분리기술에 대해서는 많은 정리방법이 있다. 우선 이것을

정리해 보자.

이 책에서는 분리 기초 기술에 대해 기술하고 그 다음으로 그 응용예에 대해

기술하고자 한다.

① 목적에 의한 분류 방법

• 이물질, 불순물 제거 : 물의 정화, 대기 정화, 화합물 정제, 생체 관련 물질

제거 (체액내 유해 물질, 미생물)

• 미소량 화합물을 포집 : 미량금속 포집

• 혼합물의 분리 : 혼합 가스 분리, 혼합액 분리

② 분리 수단에 의한 분류 방법

• 여 과 (필터)

형 태 : 섬유구조물 (편직물, 부직포, 충전물), 성형품 (통 모양, honeycomb 등 )

기 능 : 고온여과, 내부식성 (고기능ㆍ내열성 섬유, 금속섬유),

고농도 여과 (bag 필터), 저농도ㆍ미량 여과 (electret 이용, 중공사막),

정밀 여과 (중공사막/역침투막), 화학흡착 여과 (활성탄소 섬유)

• 흡 착

물리 흡착 (활성탄 섬유), 화학흡착 (이온교환 섬유/킬레이트 섬유)

• 미생물 이용 : 미생물담체섬유 (탄소섬유 외 각종 섬유상물질)

③ 분리대상물의 「相」에 의한 분류 방법

물의 정화, 대기정화 등의 환경정화 사례에 대해서, 일본 加茂의 리포트를

보완해서 소개하고자 한다. (표 8-1)

④ 대상물의 크기에 분류 방법 (여과)

인용되는 것이 많고 그림도 있어 소개하고자 한다. (그림 8-1)

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Ⅱ. 섬유용 섬유로서의 기능과 용도

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표 8-1 분리 대상물의 相과 분리 기술

분 리 상 분리기술 용 도 예

기체/기체 분리 중공사막

활성탄섬유

혼합가스 분리, 순화

유해가스 제거, 탈취

용제가스 회수

기체/액체 분리 중공사막 탈기. 흡기

유해가스 제거, 탈취

인공 (혈액가스교환정화)

기체/고체 분리 여과포ㆍ부직포 에어 필터

빽 필터

액체/고체 분리 여과포ㆍ부직포

중공사막

액체 필터 (정수, 하수)

생물이용정화

액체/액체 분리 중공사막

활성탄섬유

초순수

인공투석 (혈액정화)

분자ㆍ이온 분리 활성탄섬유

이온교환섬유

정수기

에어필터

미소금속 포집

그림 8-1 제거 대상물의 크기와 여과 기술

8.2 흡착요소기술과 섬유

8.2.1 개 요

흡착 특성을 가지는 섬유를 아래의 표에 요소기술을 정리하였다. 일단, 물리적

흡착과 화학적 흡착으로 나누었지만, 양자의 특성을 구비하는 섬유도 있다.


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물리적 흡착 : 활성탄소섬유

electret 섬유

소수성 섬유

··· micropore 흡착ㆍ포착

··· 전기적 흡착

··· PP 섬유

화학적 흡착 : 변성 활성탄소섬유

이온교환섬유

킬레이트섬유

아크릴레이트계섬유

키토산 섬유

관능기 도입

기 타

··· 첨착제, 반응성 약제 부가

··· 그라프트중합, 반응성약제

8.2.2 활성탄 섬유 (ACF)

활성탄소섬유에 대해서는 제3장(3. 8)에서 기본특성과 상품에 대한 해설을

했다. 이 장에서는 흡착분리 주요소재로서 흡착특성에 한해서 정리했다.

(1) 실존 가스에 대한 ACF의 흡착

ACF 필터를 사용할 때 대상 가스와 사용조건에 대한 배려는 중요하다.

일본의 上野와 前田의해설을 소개하고자 한다. 그림 8-2에 나타낸 바와 같이

제거대상가스는 실존농도수준과 흡착능력에 의해 크게 6개의 영역으로 나눌 수

있다. 이것을 잘 이해해서 적절한 흡착 처방을 강구할 필요가 있다.

A영역 : ACF에 의한 흡착력이 크며, ACF의 효과를 가장 잘 발휘할 수 있다.

(4대 악취 ·· 멜캅탄, 황화수소, 아민류 외)

B영역 : ACF에 의한 흡착력이 크다. 그러나 단위시간당 가스 흡착 필요량이

커서 포화하기 쉽다. (활성탄 병용 필요).

케톤, 알코올, 파라핀, 톨루엔, 스틸렌 등

C영역 : ACF로 제거가 곤란. 저분자량 화합물이 많다. 화학흡착이 필요

SO2, NO2, 강산, 강알칼리, 저분자량 올레핀

D영역 : ACF 필터로는 제거가 곤란. 수요 많다. ACF 표면개질, 활성탄의 병용

암모니아, 알데하이드류

E영역 : ACF의 흡착용량 부족. 피흡착 물질의 농도가 크다.

용제류 (방향족계, 할로겐화 탄화수소 고급 지방산)

F영역 : ACF가 효과 없다. 화학물질이 안정하여 흡착하지 않는다.

CO, CO2, 메탄, 에탄, 수소, 질소

0


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F영역의 가스에 대해서는 ACF 활성일 때 micropore의 생성조건에 따라 흡착성이

개선된다는 보고가 있다.

* 흡착 지수 : 4 : 흡착 능력이 크다. 활성탄의 약 20～50 %를 흡착한다.

3 : 충분히 유효하지만 4만큼은 아니다. 활성탄의 약5～20%를 흡착.

2 : 흡착조건에 따라 개별적 검토 필요. 활성탄의 약1～5% 정도를 흡착.

1 : 보통 환경에서는 별로 효과가 없다.

그림 8-2 실제 가스에 대한 ACF의 흡착

(2) ACF 비표면적과 흡착 가스

제3장에서 말한 것처럼 ACF의 흡착장소가 되는 micropore의 공경(孔徑)에

따라 피흡착 물질의 종류가 다르다. 분자량이 큰 화합물(예를 들면 비타민 류)

등은 pore의 직경이 크지 않으면 흡착되지 않는다. PAN계의 ACF에 대한

공경(孔徑), 비표면적과 피흡착 물질에 따른 차이를 표 8-2에 정리하여 나타

내었다.


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표 8-2 PAN계 ACF의 피표면적과 흡착량

타 입 FX-l00 FX-200 FX-300 FX-400 FX-600

비표면적 m2g

1 500 700 900 1,100 1,500

섬유직경 µm 15 12 10 8 7

평균세공직경 A 20 22 22 28 32

질소함유량 % 10 7 5 2

0


361

(4) 광촉매 복합 활성탄소 섬유 (Unitika)

ACF는 피흡착 물질을 포집하지만 그 물질을 분해하지는 않는다. 그러므로

탈착 처리하지 않는 한 효과는 포화된다. 광촉매인 산화티탄을 담지시켜 흡착

물질의 분해에 의한 「자기재생기능｣에 의해 보다 장기에 걸친 탈취 효과를 기대할 수 있다.(그림 8-4) 또, 광촉매 효과로서 항균성, 항바이러스성이 있다.

또 악취물질의 흡착 속도가 변화하면 그것이 ACF에 흡착된 뒤, 광촉매에 의해

산화 분해하는 과정에 대한 연구결과를 소개하고자 한다.(표 8-3)

광촉매 첨가와 광조사에 의해 악취물질 제거 속도는 큰 폭으로 올라간다. 그리고

멜캅탄(CH3SH)은 황산이온(SO2-)에, 암모니아(NH3)는 초산이온(NO3

-)에 의해 산화

되는 것이 확인되었다.

그림 8-4 광촉매 복합 활성탄 섬유 시트(“Ad'all”)


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표 8-3 ACF와 광촉매 산화티탄의 병용에 의한 악취 제거 속도 상수

Run No. 계 NH3 H2S CH3SH k

Ⅰ blank 0.43±0.04 0.36±0.04 0.50±0.05 k1Ⅱ TiO2/FAC 단독 3.08±0.33 3.49±0.26 2.52±0.03 k2

Ⅲ-bBLB

광조사 단독 1.17±0.07 0.86±0.03 1.18±0.07 k3b

Ⅳ-b TiO2/FAC시트+광조사 3.10±0.57 4.03±0.24 4.29±0.21 k4bⅢ-u

UV2광조사 단독 1.25±.008 1.22±0.10 7.28±0.50 k3u

Ⅳ-u TiO2/FAC시트+광조사 4.26±0.35 3.85±0.17 13.05±0.60 k4u

8.2.3 이온 교환 섬유

(1) 이온 교환 섬유의 구조와 특성

이온성 화합물의 흡착ㆍ분리에는 이온교환 수지가 사용되고 있다. 가장 많이

사용되고 있는 것이 폴리스틸렌계 이온교환 수지이다.

가교 폴리스틸렌의 술폰화에 의해 강산성의 cation 교환섬유(약 3meq/g)가 얻어

진다. 또 chloromethyl기를 도입 후 trimethylammonium화함으로써 강염기성

anion 교환섬유를 얻을 수 있다.(약 2meq/g)

폴리스틸렌은 뛰어난 특성을 가지고 있지만 폴리머로서는 연해서 섬유화하기

곤란하다. 이 때문에 폴리스틸렌을 해(海)성분으로 하고 도(島)성분에 보강제로 폴리

프로필렌을 배치하는 해도(海島)구조의 복합섬유가 개발되었다.(Toray “IONEX”)

이 섬유는 수지에 비해 10배에서 100배정도 흡착 속도가 빠르다.

희박용액의 처리에는 매우 적합하다.(그림 8-5)

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그림 8-5 폴리스틸렌계 이온 교환체의 반응과 흡착 거동

(2) “IONEX” (Toray finechemicals)

“IONEX”는 고분자화학 기술과 복합섬유 기술을 베이스로 한 가교 폴리스틸렌

타입의 이온 교환 섬유이다. 섬유길이는 약 40㎛, 양이온 교환체(술폰산형)와

음이온 교환체(제 4급 암모늄염형)가 있다. 시트상 등의 자유로운 형태로도 가능

하다. 섬유 단면 구조 모식도와 품종을 그림 8-6에 나타낸다.

< 용 도 >

• 순수 제조·원자력발전의 복수(復水) 처리·유해이온 제거ㆍ유용한 이온 회수

• 이온성 가스 흡착ㆍ생화학 물질의 분리ㆍ정제ㆍ단백질, 세균, 바이러스 흡착


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품 명 주성분ㆍ외관 특 징 용 도

(섬유상 이온교환체)

“IONEX"

cut fiber

고속이온교환,

저압손실

원자력발전소 복수처리

초순수 제조

(이온교환 여과지)

RX-1

여과지상 성형품 (47mmφ) 높은 포집효율, 저금속 B.G.

강산형 cation교환여과지

강염기형 anion교환여과지

원자력발전 수질분석

일반 수질분석

그림 8-6 이온 교환 섬유 "IONEX" (Toray finechemicals)

(3) PVA계 이온 교환 섬유 (Nitivy)

Nitivy 이온교환 섬유는 비닐론의 건식방사기술을 이용하여 개발된 장섬유상

교환체이다.(표 8-4) 이러한 이온교환 섬유는 폴리비닐알코올(PVA)과 여러가지의

관능기를 가진 친수성 폴리머로부터 만들어진다. 이온교환 수지와 비교해서,

장섬유이기 때문에 부직포형태, 종이형태화 해서 모듈화가 용이하다. 이온교환

속도가 빠르기 때문에 효율적으로 처리가능하고 재생효율도 높은 것이 특징이다.

Nitivy 이온교환 섬유는 섬유자체가 친수성이므로 수처리 외에, 가스(공기) 처리

에도 유용하게 전개할 수 있다. 그 외 관능기를 chelate 타입으로 한 chelate 섬유도

있다.(표 8-4)

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표 8-4 이온교환 섬유 (Nitivy)

○ 양이온교환 섬유

명 칭 IEF-SC IEF-SC

이온교환기 술폰산기 카르본산기

사이즈ㆍ형상

IEF 단섬유 섬도

단면형상

긴직경×짧은 직경

약 13dtex

원형

직경 약 35㎛

약 17dtex

dog bone

약 40 × 15㎛

형 태

cut 원사

종이

부직포

可 (2mm이상)

可

可

可 (2mm이상)

可

可

이온교환 용량 2.0meq/g이상 4.0meq/g이상

비 중 1.3 1.3

○ 음이온교환 섬유

명 칭 IEF-SA IEF-WA

이온교환기 trimethyl ammonium기

1～3급 amino기

1～3급 amino기

사이즈ㆍ형상

IEF 단섬유섬도

단면형상

긴직경×짧은 직경

약 17dex

dog hone

약 55 × 15㎛

약 11dex

dog hone

약 55 × 15㎛

형 태

cut 원사

종이

부직포

可 (2mm이상)

可

可

可 (2mm이상)

可

可

이온교환용량 SA : 2.0meq/g 이상

WA : 2.0meq/g 이상

WA : 3.0meq/g 이상

비 중 1.3 1.3

(4) 그라프트 중합에 의한 이온교환 섬유 “EPIX” (ece)

폴리올레핀계의 부직포에 방사선 그라프트 중합법에 의해 이온교환기를 그라

프트 중합한 부직포이다. 클린룸의 미량 오염물질 제거에 실용화되어 있다.

비표면적이 큰 고성능 필터로 나노수준까지의 클린화가 가능하다.(표 8-5)


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표 8-5 방사선 그라프트 중합에 의한 이온 교환 부직포

○ 필터의 종류와 제거 대상물예

필터의 종류 이온교환기 제거대상 성분

강산성 cation섬유 술폰산기 NH3,Na+,K+ etc

약산성 cation섬유 카르보닐기 NH3,Na+,K+ etc

강염기성 anion섬유 4급 암모늄기 HCl, HNO3,HF,H2SO4 etc

약염기성 anion섬유 3급 아미노기 HCl, HNO3,HF,H2SO4 etc

○ 각종 미량물질의 제거성능 예

단위 (ng/m3)

미량물질 입구농도 출구농도

NH4+

2,100 < 50

NO3- 2,600 590

SO42- 680 82

Cl- 750 < 50

F- 240 < 50

P 35 3

B 5.6 0.5

8.2.4 킬레이트섬유

킬레이트(chelate)섬유는 이온교환 섬유와 같이 양이온을 포착하지만 흡착활성점이

착체(錯体)구조이기 때문에 대상 금속에 대해서 선택성이 있다. 특히, 수질오탁

방지법 대상의 환경오염물질로서의 붕소 화합물, 불소 화합물, 질산계 질소 등의

흡착에 효과적으로 작용한다.

(1) 셀룰로오스계 킬레이트 섬유 “Chelest fiber” (Chelest(주))

“Chelest fiber”는 셀룰로오스에 chelate 능력을 화학적으로 부여한 섬유이다.

① 합성과 구조

셀룰로오스에 가교결합을 개입시켜 관능기를 도입한다. 에폭시기를 도입하는

관능기에 의해서 킬레이트 결합으로 흡착하는 금속에 선택성이 있다. 붕소의

경우는 N-methylglucamine, indium인 경우는 iminodiacetic acid를 반응시킨 예가

보고되고 있다. 이 킬레이트 섬유의 구조를 그림 8-7에 나타내었다.

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367

그림 8-7 킬레이트 섬유의 구조와 반응

② 금속 이온 흡착 거동

그림 8-8에 나타낸 것처럼 처리액의 pH에 따라 흡착량이 크게 변화한다. 금속

이온에 의해서도 그 거동은 다르다. 알칼리 좌석에서 금속에 따라서는 수산화물이

분리하는 경향이 있기 때문이다. 탈착할 때 통과액에 선택적으로 금속이 용출하기

때문에 금속이온이 분화(分畵)할 수 있다.

③ 특징

• 기재에 천연섬유를 이용하여 화학결합으로 킬레이트 관능기를 고정화.

• 킬레이트 속도가 크고, 단시간에 중금속이온ㆍ반금속이온 제거가 가능.

• 저농도의 중금속이온ㆍ반금속이온에 대해서도 뛰어난 킬레이트 능력을 발휘.

• 수용액 ·비수용액 및 이들 혼합액 어느 것에나 사용가능.

• 점성이 있는 액체에 대해서도 킬레이트 효과 발휘 가능.

• 물ㆍ기름에 대한 젖음성이 높아, 쉽게 용액 중에 분산.


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그림 8-8 킬레이트 섬유 “chelest fiber” 중금속 흡착과 탈착

④ 품종

(a) chelest fiber GCP

반금속이온을 킬레이트 한 제품이다. 고체/액체 분리함으로써 chelest fiber

GCP와 함께 용액중의 붕소, 게르마늄, 비소, 셀렌 등을 취출할 수 있다. 반금속

제거ㆍ분리ㆍ회수가 가능하다.

(b) chelest fiber ICP

금속이온을 킬레이트 한 제품이다. 금속이온을 제거하여 배출규제강화에 대응

하고 제품의 고품질화, 금속 제거ㆍ분리ㆍ회수가 필요한 분야에 넓게 사용할 수

있다. 고체/액체 분리하는 것으로 용액중의 금속이온을 계외로 꺼낼 수 있다.

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(2) amidoxime형 킬레이트 섬유

amidoxime기(카본에 NH2기와 =NOH가 결합)는 킬레이트 형성으로 중금속

흡착에 효과가 있다. 섬유로의 도입에는 2가지 방법이 보고되고 있다.

① 폴리올레핀 섬유로의 방사선 그라프트 중합

폴리프로필렌 등의 폴리올레핀(polyolefin)에 전자선을 조사해 라디칼을 형성

시킨 후, acrylonitrile과 methacryl산의 혼합 모노머에 침지하여 cyano기(-CN)와

carboxyl기(-COOH)를 도입한다. 또한 염산 hydroxylamine을 이용해 cyano기를

amidoxime화한다.

일례로서 이 방법으로 얻은 킬레이트 부직포의 Zn와 Cd의 흡착용량은 80 mg/g

으로, 시판중인 킬레이트 섬유의 4배의 흡착량을 나타내고 있다.

② 변성 아크릴섬유에 의한 킬레이트 섬유

아크릴 섬유에 hydroxylamine을 반응시켜 amidoxime화한 후, 알칼리 처리해

합성한다. 해수중의 우라늄 농축에 효과가 크다고 보고되고 있다.

8.2.5 아크릴레이트계 섬유 “Cellfine" (Toyobo)

아크릴레이트계 섬유란 단량체가 아크릴산, 아크릴산나트륨, 아크릴아미드 가교

공중합체로 구성되어 있는 직쇄상 고분자로 이루어진 섬유이다.(JIS 정의)

카르복실기와 그 금속염, 아미드기의 활성에 의해 많은 기능이 발현된다.

“Cellfine”은 각종 가스흡착능력이 부여된 흡착 섬유로 3가지 타입이 시판되고

있다.

특히 전기기기 방청제로는 “LONGFRESH”가 시판중이다.(Toyobo) 습기를 흡수

하면서 황화수소를 흡수해 방청효과를 발현시킨다. 녹에 의한 동판의 전기저항

상승을 장기간 억제 할 수 있다.

(1) “Cellfine S”

유황계 악취물질을 흡착함으로써 금속의 방청(변색방지)기능이 있다. 또 항

바이러스, 항균, 곰팡이방지 기능이나 습도조절 기능을 겸비하고 있다. 녹의

원인이 되는 황화수소의 흡착특성과 악기(플룻)의 방청효과를 그림 8-9에 나타

내었다.


370

그림 8-9 금속 방청 섬유 “Cellfine S”(Toyobo)

(2) “Cellfine N”

섬유중의 카르보닐기에 의해 공기중이나 물속의 암모니아를 흡착한다. 입상

활성탄이나 섬유상 활성탄 등 종래의 흡착제에 비해 5~20배의 강력한 흡착능력

을 가지고 있다. 바람을 맞거나 세탁에 의해 재생된다.

(3) “Cellfine A”

대기중의 산이나 aldehyde계 물질을 흡착하는 섬유상 흡착제이다. 섬유중

의 염기성기가 산이나 aldehyde와의 반응에 의해 흡착한다.(그림 8-10)

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(a) Cellfine S

(b) Cellfine N

(c) Cellfine A

그림 8-10 아크릴레이트계 섬유 “Cellfine"의 가스흡착특성

8.2.6 가교 키토산 섬유

chitin은 아미노산의 일종으로 게, 새우 등의 갑각류나, 곤충, 균류 등의 세포벽에

존재한다. 셀룰로오스의 글루코스기 2번 위치의 수산기가 아세틸기로 치환되어


372

있는 구조를 가진다. 키토산은 이 아세틸기를 탈아세틸화한 화합물이다. 키토산

을 섬유화한 섬유(Fujibo)는 사람의 피부를 보호하는 기능이 있으며, 항균작용도

가지고 있다. 생분해성이기도 하다. 이 키토산 섬유를 가교함으로써, 아미노기

의 증량과 유기산에 대한 저항성을 높일 수 있기 때문에 화학물질의 흡착제로서

사용할 수 있다. 염색폐수에서 염료의 흡착ㆍ분리, 환경 수계의 농약 흡착제거

등에 활성탄소 섬유 이상의 효과를 나타낸다.(표 8-6)

표 8-6 가교 키토산 섬유의 물성

ChF-B

아미노기 농도(molㆍkg-1

dry fiber) 3.30

함수율(kg waterㆍkg-1 dry fiber) 1.14

진밀도(kgㆍm-3) 1,690

겉보기 밀도(kgㆍm-3) 574

섬유장(cut) (mm) 3-5

단섬유직경 (㎛) 20

실제의 섬유평균직경(㎛) (수십가닥 고착) 300

키토산 섬유(Fujibo)를 Denacol EX841 (가교제)로 처리하여 가교한다. 이 섬유에

대해 chlorophenoxyacetic acid 유도체로 이루어진 제초제의 흡착특성을 조사

하였다. ppm 수준의 고농도 영역에서는 활성탄 이상의 흡착량을 보이며 농약의

분리가 가능했다. 농약은 염소기가 많을수록 흡착이 많으며 pH의존성이 높다.

(산성쪽에서는 pH 의존성이 크고, 중~염기성 영역에서는 능력이 감소한다.)

8.3 여과요소기술과 섬유

8.3.1 여과기술에 대해

분리 대상물의「상｣과 분리기술의 개요는 표 8-1에 정리하였다. 이른바 물리적인「여과｣에 있어서 대상이 되는 화합물 ｢상｣은「기체/고체｣ 또는 「액체/고체｣에서 고체의 분리이다. 액체, 극미소 화합물, 분자ㆍ이온 등의 분리에서「흡착｣ 또는 중공사막에 의한 정밀여과(精密濾過), 한외여과(限外濾過)의 범주이다. 여과입자의 크기와 대응하는 여과 기술은 그림 8-1에 나타내었다. 이러한 입자

여과에 대한 재료 즉,「필터｣의 관점에서 다음과 같이 구분된다.

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373

● 섬유구조물의 형태에 의한 구분

Ÿ 직물, 여과지(부직포)

Ÿ filament winding, 원통형

Ÿ 볼 모양, 주사위 모양, 묶은 면섬유 모양

Ÿ 복합

● 여과대상물 상태에 의한 구분

Ÿ air filter : 희박 가스, 미량 입자의 여과→대기 정화, 크린룸

Ÿ bag filter : 고온ㆍ고농도의 입자와 가스의 여과→화학 공장, 폐기물처리

Ÿ liquid filter : 순수용 (전자산업, 의료산업 외)

상수용 (수도 정수, 가정용 정수)

하수, 배수용 (생활배수, 산업용 폐수)

하천, 못과 늪 정수

유기용제용(2가지 액체 분리, 가스 분리)

● 여과재 기능에 의한 구분

Ÿ micro fiber 부직포 : 일반적 여과재 (PET 외 범용섬유)

Ÿ 내열, 내부식 여과재 : 내열성 섬유

Ÿ 고강도 여과재 : 고강도 고기능 섬유, 금속섬유

Ÿ electret 여과재 : PP micro fiber

Ÿ 중공사 : 정밀여과, 한외여과, 역삼투막

Ÿ 흡착기능 부여 여과재 : 활성탄소섬유, 이온교환 섬유와의 복합

Ÿ 활성생물 담지 여과재 : 탄소섬유, 표면활성섬유 구조물 (부직포)

이 항에서는 범용섬유에 의한 일반적인 필터 기술은 생략한다.(①의 구분)

필터에 부여되는 기능적 여과재(③의 분류)에 대해 기술하고, 다음으로 그것을

사용한 특징 있는 2차 가공품(장치)을 정리하고자 한다.(②의 구분)

8.3.2 유기 고기능섬유의 필터 소재

고기능 섬유에 대해 정리한 제2장부터 제4장까지의 소재와 섬유의 대부분은

그 주된 용도중 하나가 필터이다. 특히 bag filter는 불가결한 섬유이다.


374

(1) 메타계 아라미드 “Nomex”(duPont) “Conex”(Teij in)

유기계 내열성ㆍ고기능 섬유의 선구자이며 대표제품으로 필터로서의 실적도

많다. Nomex Type 450 (100% 사용)은 아스팔트 제조설비, 시멘트 제조에 장기간

운전한 실적이 있다. 400℃F의 사용시 수축은 1%를 넘지 않는다. 물성에 대한

자세한 내용은 제2장(2.4)을 참조.

< bag filter 소재로서의 특징 >

• 유리 전이 온도(Tg)는 270℃.

• 고온에서 용해하지 않으며, 400℃부근부터 탄화한다.

• 건열 250℃에서 강신도는 상온의 60% 유지, 열수축은 1%

습열안정성도 양호(120℃, 100시간에 강도 유지율이 약 85%)

• 내황산성, 내알칼리성은 범용섬유 수준이며, 고온열화에는 주의가 필요

(2) Polyamide imide “Kermel”

역학특성은 범용섬유 수준이지만, 내열성, 내약품성은 m-아라미드 이상의 특성

을 가지기 때문에 필터소재로 유럽에서 많이 사용된다. 상세한 물성은 제2장

(2.5) 참조.


• Tg 340℃ (m-아라미드는 270℃)

• 상용 온도 200℃

• 최고 사용 온도 240℃, 열화 개시 온도 150℃

• 내약품성은 아라미드보다 약간 양호한 수준. 단시간이라면 고온의 가수

분해나 산화 분위기에서도 물성 유지.

• 400℃이상의 가열감량은 메타계 아라미드나 폴리이미드(후술)보다 우수.

(그림 2-11)

(3) Polyimide “P84”

내열성 소재로서 m-아라미드, 폴리아미드이미드와 거의 동등한 수준이지만 고온

내구성ㆍ내약품성은 가장 뛰어나다. bag filter 소재로서는 최고 수준으로 유럽

에서 많이 사용된다. 상세한 물성은 제2장(2.6)을 참조.


• 내열성, 내약품성은 PPS, m-아라미드보다 우수하여 PTFE에 가까운 고온 여과

소재이다.(그림 2-15 참조) 산성가스 분위기에서도 240℃, 500시간 사용 가능.

0


375

• 섬유 단면이 고변형 부정형으로 여과 면적이 크다.

집진 효율도 양호. 극세 영역에서는 특히 현저.(그림 8-11, 그림 8-12)

• 난연성은 유기섬유로서는 최고 수준. (LOI 38)

그림 8-11 폴리이미드 섬유 “P84”의 여과 면적

그림 8-12 폴리이미드(P84)의 집진 효율(Toyobo)

(4) Melamine 섬유 “Basofil”

내열성 섬유중에서도 가장 빨리 실용화된 섬유이다. 상세한 섬유물성은 제2장

(2.8)을 참조.


• 내열성은 PPS 수준으로 200℃의 연속 사용에 견딘다.

• 내약품성은 강산, 부식성 약제에는 불량.


376

• m-아라미드에 비해, bag filter로서의 특성은 우수.

압력손실은 적다.(對 m-아라미드에 비해, 20%낮다.)

• 분진발생이 적다.(그림 8-13)

그림 8-13 멜라민섬유 (Basofil)의 bag filter 성능

(5) Polyphenylenesulfide (PPS) “Procon”(Toyobo), “Torcon”(Toray)

코스트 퍼포먼스가 좋은 내열소재로 bag filter 용도로 수요가 많다. 상세한

섬유특성은 제2장 7절(2.7)을 참조.


• 내증열성, 내약품성이 아주 좋다.(제2장 그림 2-17, 그림 2-18, 그림 2-19)

m-아라미드보다 아주 양호하고 불소계 섬유(PTFE)에 필적.(그림 8-14)

200℃이하에서는 일부 산화성 산을 제외하고 강산, 강알칼리에도 안정.

• 난연성이 뛰어나다. (LOI : 34)

• 압력손실을 개선하기 위한 여과포 표면처리. (mirror 가공, 불소 수지가공)

• 집진효율 개선을 위한 고밀도 직물, 극세섬유화(1dtex 수준 : Torcon)와

섬유단면의 고변형화가 유효하다.(Toray "Torcon") 다이옥신류의 배출

억제도 가능하다.

0


377

가스폭로 테스트 보일러의 배기가스 모델

그림 8-14 PPS의 가스 보일러 배기가스 폭로 시험 (Toyobo “Procon”)

(6) 불소계 섬유

① PTFE (polytetrafluoroethylene)

“Teflon”, “Toyoflon” (Toray) / “Plofilen” (Lenzing)

“Rastex”(Gore) / PTFE 부직포 “Polyflon”(Daikin)

내약품성, 난연성은 유기섬유 중에서 최고수준이며 내열성, 포집입자 탈락성도

있기 때문에 고온 내부식성 bag filter에는 빠뜨릴 수 없는 소재이다. 상세한

섬유 물성은 제2장(2. 14)을 참조.


• 내열 온도는 280℃

• 내약품성이 아주 우수. 모든 유기섬유가 부식되는 강산, 초산, 왕수(aqua

regia)에도 안정.(표 2-19 참조)

• 부착한 더스트 제거가 매우 용이

• 강도는 낮다. (2g/dtex)

② 유리섬유 혼합 타입 (“TEFAIRE” duPont → Toray)

bag filter로서 내열, 내약품성의 최고 기능을 가진 제품이다. 유리섬유 혼합에

의해 고밀도 펠트가 형성되어 높은 수준의 미세입자 여과를 할 수 있다.(분진은

Teflon에만 부착되어 유리섬유는 깨끗하다. 그림 8-15) 상용 내열 온도는 250℃,

불화수소 가스에는 “Teflon”이 열악하다. “TEFAIRE HG Technology”도 시판

되고 있다.


378

그림 8-15 “Tefaire”(불소 섬유와 유리 섬유의 혼합 필터)

③ 공중합 타입 불소섬유(“Halar” ECTFE)

에틸렌과 chlorotrifluoroethylene의 공중합 폴리머이며 융점 240℃로 용융

방사가 가능하다. 폴리머는 코팅용으로도 적용된다.

• 내열특성은 PTFE 보다 약간 뒤떨어지지만 유기계에서는 최고수준이다.

• 난연성도 유기계에서는 PTFE 다음이다. (LOI : 95)

• 내약품성은 PTFE와 거의 동등하다.

• 점착성이 없고 포집입자의 탈착이 쉽다.

(7) 내열성 아크릴 섬유

내열성은 내열 타입의 고기능 섬유보다 떨어지지만 범용 타입 PET보다 우수한

저비용 필터 소재이다. 아크릴로니트릴 모노 폴리머가 주체이다.

0


379

① Degussa “DOLANIT” Japan exlan : T-900 시리즈

아크릴로니트릴 호모 폴리머(습식방사, 섬유단면 kidny형)이다. 유럽의 시멘트

공장용 bag filter에 실적이 많다. 상세 물성은 표 5-16 참조.

< 특 징 >

• 고강력 : 아크릴 섬유 레귤러 대비 10% 향상

• 내열성 : 상용 125℃, max 140℃, 탄화 분해 160℃

• 내증열성 : 130℃ 스팀, 350시간에서 95%의 강도 유지

• 내약품성 : 배기가스 SO2, 산소, 산, 알칼리 안정 (125 이하)

• 용해되지 않는다.

• PET나 폴리이미드(P84)와의 혼합사용으로 코스트 퍼포먼스 개선

② Montefibre : Ricem

아크릴로니트릴 호모 폴리머로 내열성, 고강력(표 2-15)이다. DORANIT와

같은 특성이라고 생각할 수 있다.

8.3.3 무기 섬유의 필터 소재

(1) 유리 섬유

유리 섬유가 여과재로서 많이 사용되는 이유는 다음과 같다

• 다양한 섬유직경으로 중간성능급에서부터 HEPA(High Efficiency Particulate

Air) ~ ULPA(Ultra Lowpenetrational Air Filter)까지 만들 수 있다.

• 코스트 퍼포먼스가 좋다

• 습식 초지법(抄紙法) 특유의 얇고, 고품질 발현.(단섬유)

• 유리섬유 고유의 불연성, 내열성

성능상 과제로는 구성성분인 Boron에 의한 반도체 클린룸에서의 문제가

있지만, 기재 유리의 조성 변경으로 대응하고 있다. (Low boron재)

① Glass filter cloth (Nittobo)

filter bag 사용 목적은 공해방지, 노동환경 개선, 시멘트ㆍ화학공업 등에서 배출

되는 유가 분체의 회수 등에 있다. 유리섬유 filter bag을 다른 합성섬유의 것과

비교하면 내열, 내식, 화학적 안정성이 뛰어나다.(표 8-7)


380

표 8-7 Glass cloth 품종 (Nittobo)

항 목 섬유의 특성 여과포의 특성

소 재인장강도

g/d

신장률

%

비 중 내산성 내알칼리성 최 고

사용온도

E-glass 4.0～5.5 3～4 2.54 ○ ○ 280 ℃

Teflon 1.0～2.5 25～50 2.1 ◎ ◎ 250 ℃

Aramid 4.5～5.5 35～50 1.38 △ ○ 200 ℃

Polyester 4.3～6.0 20～32 1.38 ○ △ 140 ℃

Acryl 3.2～5.0 12～20 1.14 △ ○ 140 ℃

Nylon 66 5.3～6.4 28～38 1.14 × ○ 140 ℃

※ 상기 값은, 표준시 참고 값으로 보증치가 아님.

규격 (표준)

제품기호 조 직두 께

mm

폭

mm

질 량

g/m2

밀 도

(본/25mm)

인장강도

(N/25mm)길 이

m

통기도

(㎤/㎠/sec)경사 위사 경사 위사

KS4010/

TRITEMP2주자직 0.22 965 291 54 54 >842 >803 100 6.8

KS4155/

TRITEMP2능직 0.42 965 485 41 30 >2,400 >2,400 100 32

KS4325/

ST-4A2중직 0.85 1,170 880 48 48 >2,200 >1,700 61.5 10

KS4325/

T-B2중직 0.88 1,170 917 48 48 >2,200 >1,700 61.5 12

② Glass air filter (日本無機)

사용 목적에 따라 여러 그레이드가 있다.(그림 8-16)

• 여과 입자직경 0.1μm의 ULPA와 0.3μm의 HEPA가 표준 그레이드

• 내열 온도 250℃, 400℃, 500℃ 그레이드도 있다.

• Boron이 없는 그레이드 (“Low boron”)

• 유기물 발생이 적은 그레이드 (“Neuec”)

• 살균기능 부여(천연 효소 이용) 그레이드 (“Vanish”)

• 염해대책 중성능 필터

< 표준형 ULPA 필터 >

Atmos micro filter는 입자지름 0.1μm 수준의 미립자를 99.9995% 포집하는

성능을 가지고 있다. 높은 포집 효율에도 불구하고 압력손실이 낮고, 여과면적이

크기 때문에 분진 보유량이 크고 수명이 길다. 0.01μm의 초ULPA도 있다.

0


381

< 표준형 HEPA 필터 (“Atmos”) >

Atmos perfect filter는 0.3μm의 입자에 대해 99.97%이상의 포집효율을 보증

한다. 원자력 관련 산업의 배기 말단부 최종 필터로서 개발되었으며, 이후 원자력

관련분야 뿐만 아니라, 의약품, 식품가공, 전자산업 등의 클린화에는 꼭 필요하다.

< Boron free 초 ULPA>

반도체ㆍ액정산업의 클린룸에 이용되는 유리섬유재 필터로부터의 붕소 발생이

문제가 되고 있다. 붕소 발생이 없고 낮은 압력손실로 고효율이며 내약품성도

뛰어나 폭넓은 분야에서 사용이 가능하다.

그림 8-16 유리섬유 ULPA 필터 (日本無機)


382

(2) 세라믹 필터

고온필터로는 세라믹이 정점의 위치에 있다. 세라믹섬유 일류기업인 3 M의

상품에 대해 소개하고자 한다. 타 메이커도 유사한 상품이 많다. 섬유물성은

제4장(4.3)을 참조하기 바란다. 특징과 용도를 그림 8-17에, 대표 품종을 표 8-8에

나타내었다. 3M은 bag filter 소재로서 2가지 품종을 대표로 추천하고 있다.

• FG7-14 : back washing 타입 여과, 내열 371℃

• FG7-22 : pulse jet 여과, 내열 371℃

고온여과(371℃)

고효율여과

고내구성, 고강도(내인열강도)

내부식성

시멘트공장

화학장치

석유화학

석탄보일러

제품포집

그림 8-17 세라믹 bag filter의 특징

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383

표 8-8 세라믹 bag filter FB-700 (3M)

Filter Bag Fabric FB-700 Typical Properties (FG7-14/FG7-22)

Fabric Style FG7-14 FG7-22

Basis Weight 14 oz/yd2

(475 g/m2) 22 oz/yd

2 (475 g/m

2)

Weave Pattern 1/3 Twill 1/3 Twill

Temperature Resistance 700°F(371°F) continuous operation

800°F(427°C) short excursions

Tensile Strength (warp) > 120 lb/in (21.4kg/cm) > 200lb/in(35.7kg/cm)

Mullen Burst > 500 lb/in2 (35.1kg/cm2) > 900lb/in2(63.2kg/cm2)

Permeability 40-65 ft3/[email protected]

(122-198 l/[email protected])

20-40 ft3/[email protected]

(61-122 l/[email protected])

(3) 금속 필터(소결부직포 필터)

금속섬유를 랜덤하게 교락한 시트상의 web을 가압소결해서 얻을 수 있다. 목적

으로 하는 여과입도와 용도에 따라 섬유 직경, 두께, 서포트용 금속망 등 제조

조건을 설정한다. 제4장(4.5)에서도 다룬 여과재로서의 일반적인 특징을 아래와

기술한다.

• 고온 안정성

• 높은 공극율(6~85%)을 갖고 있다. (낮은 압력손실, 높은 투과유량)

• 3차원적인 심층여과에 의해 입자직경이 다른 이물의 효율적 포착 가능

• 높은 기계적 강도

• 여과재의 재생, back washing, back pulse에 의한 on-line 세정이 용이

업계 최대기업인 Bekart사와 日本精線의 상품을 소개하고자한다.

① Bekart사의 금속섬유 여과재

(a) Bekipor WB

금속섬유가 3차원의 입체적인 부직포구조를 하고 있다. 일반적으로 스테인레스

316 L이 사용된다. 보다 높은 내열ㆍ내부식성이 필요한 경우는 다른 합금이

사용된다. 표준 사이즈는 1,200 × 1,500 mm이다.

(b) Bekipor ST

내구성이 높은 스테인레스 스틸 섬유의 소결품이다.(표 8-9, 그림 8-18) 균일

하고 가는 섬유를 사용한 구조로 다공질이다. 액체ㆍ기체에 관계없이 여과효율을

최대로 하면서도 고온ㆍ고압 하에서 효율이 떨어지지 않는다.


384

표 8-9 소결금속 필터의 특징과 용도(Bekart사)

Bekipor ST 필터의 특징 Bekipor의 용도 예

Ÿ 큰 sheet sizeŸ 굽힘ㆍ프리츠 가공 용이Ÿ support mesh 부착 가공 가능Ÿ 높은 내열성ㆍ내부식성Ÿ 우수한 내구성ㆍ세정성Ÿ 높은 공극율Ÿ 초기 압력손실이 적다Ÿ 내압축성Ÿ 높은 이물 포집능력Ÿ 오랜 여과수명Ÿ 겔ㆍ미립자도 효율적으로 제거Ÿ 공경(空徑) 경사 분포가 가능 Ÿ 넓은 면적의 여과 가능Ÿ pulse back이나 back washing에 대응

Ÿ 폴리머 여과Ÿ 촉매담체Ÿ 항공우주Ÿ 오일/가스Ÿ 의약품Ÿ 물ㆍ유압/연료Ÿ 멤브레인Ÿ HEPA 필터Ÿ 원자력 시설 환기Ÿ 흡음재Ÿ 자동차 : 에어필터Ÿ airbag inflator/윤활유 필터

필터 원단 "Bekipor"

Bekipor WB :

부직포 구조

Bekipor ST :

소결부직포Spin pack 용도예

Filter element "Bekicross" / "Bakiflow"

그림 8-18 금속섬유 필터 (Bekart사 제품)

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385

(c) Cross flow element “Bekicross”

정밀여과용 cross flow element “Bekicross”를 사용한 필터는 기계강도와 높은

공극율을 가지고 있다. 그러므로 여과중에 여과작업을 멈추지 않고 가압공기로

투과액을 단시간(0.2 ~ 0.4초) 역류시키는 back pulse법을 적용함으로써 기계를

정지시키지 않고 안정된 유량을 얻을 수 있다.

주로 유럽의 화학공업 분야 특히, 반응촉매 회수, 폐수 처리, 윤활제의 유수(油

水)분리, 금속 가공시 이물질 제거 등에 사용되고 있다.

② 日本精線 “Naslon”

소결금속망의 여과 특성을 이미 금속섬유 항(표 4-42)에서 서술하였다. 조건에

따라 다르지만 분말금속 소결필터에 비해서 l 자리수 높은 유량이 가능하다. 최근

반도체산업에 사용되고 있는「반도체용 정밀필터 “NASclean”」를 소개한다.

NASclean은 신개발품으로 미세한 스테인레스 강철 단섬유(직경 1㎛, 길이 10㎛)

를 소결시킨 얇은 메탈 멤브레인 필터로, 0.003㎛이상 입자 완전 제거와 뛰어난

가스 치환 특성이 있다.(그림 8-19) 기본 특성은 Bekart 제품과 거의 같다.

그림 8-19 반도체용 정밀소결 금속 섬유 필터 “NASciean” (日本精線)


386

8.3.4 Electret 필터

(1) electret 필터란

electret필터는「외부 전계가 존재하지 않는 상태에서도 장기간 전기 분극을

보관 유지하여 주위에 전계를 형성하는 물질」이다.

물질의 분극된 전극에 하전 미립자가 흡착되는 작용을 이용하여 미립자의

흡착ㆍ여과에 이용되고 있다. 1980년대부터 Toyobo, 3M, 일본 vilene 등이 에어

필터나 마스크에 실용화했다. 현재는 일본내에서도 약 10개사가 생산하고 있다.

그 제조법으로는 소수성으로 전기저항이 높은 소재(합성고분자, 특히 폴리프로

필렌이 많다)에 그림 8-20의 표에 기재한 것 같은 처리를 한다. 현재는 직류

코로나 방전에 의한 electro electret나 고온으로 가열하면서 전기장을 걸어주는

열 electret법이 많다. 분극은 그림의 (a)에서 (d)가 복잡하게 얽혀져 있다.

종 류 작 성 법

열 electret 유전체를 융점, 연화점 또는 유리전이온도까지

가열하여 직류고전압을 인가하면서 냉각

electro electret 상온, 직류 코로나 방전 또는 고전압 인가

hot electret 광조사중에 직류고전압 인가

radio electret 전자선, 감마선 조사

magnet electret 높은 자계속에서 용융후 냉각

mechano electret 기계적 가압변형, 마찰에 의한 대전

그림 8-20 electret의 제조법과 분극기구

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387

(2) 집진기구와 특징

통상적인 필터에서 미립자는 필터 섬유와의 기계적 충돌만으로 포집된다.

그러나 electret 필터에서는 섬유상에서 (+)와 (-)로 분극한 섬유가 정전기력에

의해서 입자를 포집한다. 정전기력에 의해서 포집효율을 유지하면서 섬유 간격

이 넓혀지기 때문에 동일한 포집효율에서도 압력손실은 크게 낮아질 수 있다.

필터 수명도 길어진다.(그림 8-21)

그림 8-21 electret 필터 “elitolon”의 압력손실과 포집효율

(3) 고온 electret 필터

electret 필터의 전하는 고분자의 결정 계면이나 분자간에 잡혀 있기 때문에

폴리머의 유리전이온도(Tg) 이상의 고온에서는 분자운동에 의해서 효과가 없어

진다. 고온에서 사용되는 필터에는 PP와 같은 Tg가 낮은 폴리머는 사용할 수

없다. 100℃를 넘지 않는 경우 지방족 금속염을 첨가하면 효과가 있다는 보고도

있다. 그러나 보다 더 고온에서는 폴리머로 PTFE(“teflon”)나 실리콘 수지 등을

이용하는 경우도 있다. Teflon을 이용해 제조한 electret 필터의 집진 효율(실험

에서는 dioctylphthalate 흡착) 자료를 소개하고자 한다.


388

(4) 시판중인 electret 필터 (대표 2개사)

① “Elitolon” (Toyobo)

“Elitolon"은 electret 극세섬유층과 섬유밀도 구배층의 2개층 구조로 되어 있는

에어필터이다. 필터 유닛으로서 용도에 따라 EF, SL, FU의 3종류 타입이 있다.

면밀도를 높게 하면 포집효율이 큰 폭으로 올라간다.(그림 8-21)

< 특 징 >

• 높은 포집효율, 낮은 압력손실.

• 포집된 분진의 재비산이 적다.

• 우수한 내풍압성.

• 강한 내약품성.

• 폐기처분이 용이.(산업폐기물이 되지 않는다).

• 고온습하에서도 안정된 성능 발휘.

② “Toraymicron” (Toray)

폴리프로필렌 소재의 특수 극세섬유 부직포를 electret한 시트이다. 소재의 두께

방향으로 고도로 배열된 분극극조를 갖고 있기 때문에 시트의 내부 및 외부에

강한 전계를 생성한다. 메디컬 마스크, 와이핑 크로스 등에도 이용된다. 일반적

특성은 전술한 “elitolon”과 큰 차이는 없다.(표 8-10, 그림 8-22)

물성

품번

두께

(m)

치수

(g/m2)

인장강도(N/5cm) 인장신도(%) 인열강도(N) 포집효율

(%)

압력손실

(Pa)경사 위사 경사 위사 경사 위사

EM02010 0.17 20 8.9 8.0 33 52 1.08 1.12 87 5.9

EW03110 0.24 31 13.0 12.4 33 54 1.35 1.39 90 7.3

EM05010 0.37 50 20.0 18.3 38 60 2.58 2.47 99 12.5

ES04010 0.40 40 8.6 11.5 33 59 2.81 2.66 43 1.2

EC1404B 1.07 140 43.7 27.5 54 96 9.77 9.44 71 2.5

EY1354A 0.95 135 54.5 25.7 36 68 5.63 7.54 88 6.7

MB150 0.93 150 84.3 71.6 26 90 7.94 9.71 ※99.97 48.1

EP100 0.61 100 58.8 44.1 40 70 3.43 4.41 ※※99.999 83.4

표 8-10 electret 필터 “Toraymicron”의 물성표 (Toray fine chemicals)

주1) 물성, 성능에 대해서는 참고치이다.

(※,※※는 각각 폴리스티렌 0.3µm, 0.1µm)

0


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Toraymicron 원단 電石섬유의 분진부착상태 일반섬유

그림 8-22 electrit 필터 “Toraymicron” (Toray fine chemicals)

8.3.5 중공사막 필터

(1) 중공사막 필터의 특징

표 8-1에 정리한 것처럼 분리기술로서「중공사막」의 이용가치는 매우 높다.

혈액투석뿐만 아니라 향후에도 필요한 중요한 기술이 되고 있다. 그 장점을

정리하면 다음과 같다.

① 대상으로 하는「상」의 적용 범위가 넓다.

「기체/기체」,「기체/액체」,「액체/고체」,「액체/액체」등 대부분의 케이스에

적용 할 수 있다.


390

② 분리대상물의 크기 범위가 매우 넓다.

현탁입자, 박테리아, 바이러스에서부터 저분자량 화학물까지 적용가능하다.

정밀여과, 한외여과로부터 역침투막 등에 의해 나노 수준까지 여과할 수 있다.

③ 대상물의 적용농도 범위도 넓다.

하수, 배수, 하천ㆍ호수와 늪에서부터 수돗물까지 대상 불순물의 농도가

큰 폭으로 바뀌어도 적용 가능하다.

④ 대량 처리가 가능하다.(정수장, 해수담수화)

⑤ 고순도의 물을 얻을 수 있다.(초순수, 무균수 등)

⑥ 선택적 분리가 가능하다.(투석막, 가스분리)

⑦ 설비가 컴팩트하다.

(2) 중공사막 필터의 종류

중공사막은 그 용도에 따라 수많은 종류가 있다. 많은 주요 섬유기업은 서로

다른 폴리머를 사용하며 다공화하는 방법도 다양하다

• 기질 폴리머 : 비스코스레이온, 구미암모니아 레이온, 초산셀룰로오스, 폴리

아크릴로니트릴, 폴리아미드, 아라미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리메틸

메타아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리테트라

플루오르에틸렌, Polyvinylidene fluoride 등

• 섬유화 방법 : 용융 방사, 건습식 방사, 습식 방사

• 섬유막구조 : 균질, 비대칭, 복합

• 다공화 방법 :고도 연신법, 상전환법, 소결법

• void 크기 : 1nm ~ 1µm

• 섬유 표면 처리 : 친수화 처리

(3) 대표적인 중공사막 필터

시판되고 있는 설비나 제품에 대해서는 다른 절에서 자세히 설명하고 여기

에서는 필터제조와 특징을 정리하였다.

① 폴리에틸렌 중공사막 필터 (Mitubishi rayon “Sterapore”)

폴리에틸렌 베이스의 정밀여과용 중공사막 필터이다.(그림 8-23, 표 8-11)

< 제조법 >

PE나 폴리프로필렌(PP)과 같은 결정성고분자는 용융방사후 높은 draft로 연신

하면 라멜라 적층구조의 배향 결정화가 진행된 미연신사를 얻을 수 있다. 이것을

0


391

저온에서 섬유축 방향으로 연신하면 비결정부분은 성장하지만 적층 라멜라구조는

일부 박리하여 void가 형성된다. 냉연신으로 생성된 void는 열연신으로 확대

되고 열세트로 고정된다.(EHF막이라 한다) 이 섬유계면은 소수성으로 그대로

여과분리하기에는 부적합하므로 친수화 처리해서 물의 침투성을 좋게 한다(EX막).

이 EHF막에서도 비다공질의 PE초박막(0.5μ m)을 샌드위치한 복합중공사도 개발

되고 있다. 강도가 뛰어나고 가스 투과성이 좋은 중공사막으로서 이용되고 있다

(MHF막 : 후술)

< 특 징 >

폴리에틸렌 고유의 물성이 막의 특성에 반영되고 있다.

• 입자 지름 0.03~10µm, 공공율(空孔率) 50~70%가 주체인 정밀 여과 필터

• PE 베이스이기 때문에 기계적 강도가 뛰어나다.

• 내약품성, 내박테리아성이 뛰어나다.

• 소수성 타입(EHF막)과 친수성 타입(EX막)이 있다.

• 정밀여과용도에 적합한 여과재로서 수돗물 정화, 고농도 배수의 고액분리용

으로 사용된다.

• 막분리 활성 오니법(MBR)의 중공섬유 분리막으로서 일본하수도 사업단으로

부터 인가되었다. (2001년 11월 28일)

대표적 EHF막

품종내경

(µm)

막두께

(µm)

空孔率

(%)

버블포인트

(kgf/cm2)

270W 280 55 73 1.6

270T 270 55 72 2.2

270H 270 55 66 3.9

410C 270 70 63 4.5

390C 280 55 63 4.8

390A 280 55 59 8.0

＊ 에탄올중에서 측정

표 8-11 PE 중공사막 대표품종 (Mitsubishi rayon)


392

그림 8-23 PE 중공사막의 제조 공정

② 삼초산 셀룰로오스 중공사막 필터 (Toyobo “Hollosep")

이온, 저분자량 물질은 통과시키지 않고 물만을 투과시키는 역삼투막 중공사막

이다.(표 8-12)

< 특 징 >

• 삼초산 셀룰로오스를 다공기질에 사용하고 있는 역삼투막 중공섬유이다.

• 역삼투막은 용해염이나 저분자량 유기물까지 제거할 수 있기 때문에 해수

담수화와 같은 탈염분 등에 매우 유효하다. 초순수 제조, 유가 물질 회수에도

이용된다.

• 고압ㆍ고플럭스 사양 :

해수의 침투압은 일반 해수에서 2.6MPa이기 때문에 담수의 회수율(담수량/

원해수량)을 높이기 위해서 고압여과가 필요하다. 중공사의 세섬도화, 적정

dimension에 의해 고압조작(8.4MPa)가 가능해져 회수율은 60%를 넘는다.

• 투수성은 방사조건, 제막조건의 개선에 의한 미세공 제어로 크게 향상된다.

0


393

• 폴리머가 삼초산 셀룰로오스이기 때문에 염소에 대해 뛰어난 내성을 가진다.

소독용 염소로 처리한 원수를 직접 모듈에 공급하기 때문에, 모듈 내부에서의

생물학적 문제를 막을 수 있다.(약품 세정에 의한 가동률 로스가 적다)

• 중공사를 교차로 배치하고 있기 때문에 중공사형 모듈은 단위체적당 막면적을

크게 한다. 막 단위면적당 투과수량이 적기 때문에 원수중의 탁질(濁質)

성분, 오염물질의 막에 대한 부하가 적다.

• 해수담수화 설비로서 일본내 최대 메이커이다. 일본 오키나와에 40,000톤/일

설비가 가동중이다.

고압ㆍ고플럭스 사양의 모듈방법과 성능 예

종 목신규형 모듈 종래형 모듈

HB9155 HB10255 HM10255

투과 수량 (m3/日) 16 65 45

소금 제거율※1

(%) 99.4 99.4 99.4

엘리멘트수 1 2 2

측정 조건

식염 농도

압력

온도

회수율

(mg/L)

(MPa)

(℃)

(%)

35,000

5.5

25

30

35,000

5.5

25

30

조작 범위(상한)

조작 압력

SDI15(오염 계수)

온 도

잔류 염소※2

(MPa)

(-)

(℃)

(mg/L)

8.4

4

40

1.0

7.0

4

40

1.0

※ 1 : 소금 제거율 = (1-투과수 염 농도/공급수 염 온도) x 100%

※ 2 : 공급수의 수질·수온에 의해서 제한된다

표 8-12 역삼투막 중공사 필터 “Hollosep”의 물성, 성능

③ 초산셀룰로오스 중공사막(Daicel)

초산셀룰로오스(CA)를 기질로 건습식 상전이법에 의해 만들어진 중공사막 섬유

이다.(표 8-13)

< 특 징 >

• 분화 분자량 15만, 막의 내경/외경은 0.8mm/1.3mm, 내압 방식의 모듈.

• 셀룰로오스 기질이기 때문에 친수성이 높고 단백질 흡착이 작다.


394

• CA중공사막과 다른 재료와의 비교 시험에서는 400시간 후에도 CA중공사막은

PES 나 PAN계에 비해 2배 이상의 통과유속을 나타내었다. 이것은 친수성에

의한 유기물 부착이 적고 제타전위가 강한 (-)로 입자를 반발하기 때문이다.

• 수처리 설비는 Daicen membrane systems에서 생산되고 있다.

조건 CA PES PAN

접촉각 ° 50～55 65～70

흡수율 % 25℃ 4.7～6.5 0.43 55～58

BSA 흡착량 mg/m2

pH7 0.5 3.5 2.5～3.6

제타 전위 mA pH7 -30 -4.2 1.3

투과유속 m/日 하천 2.5 1.0 -7.5

주) CA ; 초산셀롤로오스, PES ; 폴리에테르술폰, PAN ; 폴리아크릴로니트릴

표 8-13 각종 막소재와 분리막 특성 (Daicel)

(4) 혈액 투석용 중공사막 (각사)

투석용 중공사막은 아주 중요한 기술 아이템으로 이와 관련하여 정리한 책자도

많으므로 여기에서는 중공사 소재 일람표만 소개하기로 한다.(표 8-14)

(5) 셀룰로오스 중공사막 (“Planova” Asahikasei)

바이러스 제거용 중공사 필터 “Planova”(Asahikasei)의 중공사막이다.

< 제조법과 특징 >

소재는 투석용과 같은 구리암모니아법 레이온이다. 그러나 투석막이 원칙적

으로 단백질을 투과시키지 않는 조밀한 구조인데 반해, 분자량 수만에서 수십만의

단백질을 투과시키는 구조인 것이 큰 차이이다.

제조법은 구리암모니아법으로 cotton linter를 용해한 셀룰로오스액을 2중방사구

에서 물-암모니아-아세톤의 3성분계 응고액을 채운 U자 고리형 방사통으로 방사

해서 실질적으로 무장력상태에서 구조를 형성한다. 응고액중에서 상분리에 의해

셀룰로오스 입자가 천천히 성장하여 필요한 보이드가 형성된다.(일본 特願平

03-147049)

중공사막은 막 표면의 조밀하고 얇은 스킨층과 그 하부의 성근 구조의 보이드

(finger void라 칭한다)로 이루어져 있다. 저지해야 할 바이러스는 이 스킨층과

내부에서 막아진다. 단백질은 투과된다. 막기질이 셀룰로오스이므로 단백질

흡착이 적지 않다는 이점도 있다.(그림 8-24)

0


395

막 소재 메이커 분자 구조 방 사 비 고

구리암모니아법

재생 셀룰로오스

Membrana (독일}

Asahikasei

Terumo

건습식

혼 식

세계에서 최조 의료용 투석막.

생체 적합성을 향상하기 위해

diethylaminoethyl 기, PEG graft,

비타민E 코팅 등의 수식

탈초산법

재생 셀룰로오스

Althin (미국)

Teijin

용 융 세계 최초 중공사형 투석막

초산 셀룰로오스 Althin (미국)

Teijin

Toyobo

용 융

건습식

확산으로 β2-microgloblin 제거.

diacetate(CDA)와 triacetate

(CTA)가 있다.

폴리아크릴로

니트릴

Hospal (프랑스) 습 식 합성고분자 투석막 제1호

Asahikasei 습 식 투과성능 뛰어난 비대칭

투석막

폴리메틸메타

아크릴레이트

Toray

건습식 감마선 감균(減菌) 제 1호,

β2-microgloblin을 흡착

폴리비닐알콜

공중합체

Kuraray 혼 식 항혈전성이 뛰어난 투석막

폴리술폰 Fresenius (독일)

Asahikasei

Toray

Terumo

건습식 β2-microgloblin 제거성능이

우수한 비대칭막

폴리비닐페놀(PVP)를 함유.

폴리에테르술폰 Gambro (스웨덴}

Membrana (독일)

건습식 β2-microgloblin 제거성능이

우수한 비대칭막

폴리비닐페놀(PVP)를 함유.

폴리에스테르계

폴리머 아로이

(폴리아릴레이트와

폴리에스테르술폰)

日機裝 건습식 Endotoxin을 흡착

방향족

폴리아미드

Gambro (스웨덴) 습 식 비대칭 High Flux 막.

PVP를 함유.

표 8-14 혈액 투석용 중공사막 소재

그림 8-24 바이러스 분리막 “Planova”의 막구조


396

⑥ 3층 복합 중공 섬유막(MHF)

고분자막에 의한 기체 분리는 에너지 절약과 함께 컴팩트한 점이 주목을 받아

수소의 농축ㆍ분리, 기체/액체 가스 교환, 탈기 등에 응용되고 있다. 이 기술은

특수복합 중공섬유에 의한 가스 분리용이다.

< 제 법 >

열가소성 폴리우레탄을 고밀도 폴리에틸렌(PE)에 샌드위치 상태로 끼워, 높은

드래프트로 용융복합 방사해 PE를 배향 결정화시킨다. 이렇게 미연신사를 고도

연신함으로써해 PE를 다공화한다. 한편 폴리우레탄은 다공화하지 않고 늘려서

박막화한다. PE의 다공화 프로세스와 기구는 PE 중공사막과 기본적으로 다르지

않다.(① 참조)

< 섬유 물성 >

섬유 단면구조를 그림 8-25에 섬유물성을 표 8-15에 나타내었다. 이 중공사막은

기체/액체 가스 교환기능이 우수하다. 하나의 응용예로서 「수중의 용존 산소

제거」이다. 액상과 가스상에 막을 넣고 가스측을 감압함으로써 액상의 가스를

이행시킨다.

반도체산업의 초순수중 용존 산소제거에 실용화되고 있다. 역으로 액체내로의

급기에도 이용할 수 있다. 그 하나가 고농도의 탄산가스를 용해시키는 온욕요법

설비이다. 이 기술은 2004년도 일본 섬유학회 기술상을 수상하였다.

그림 8-25 3층 복합 중공 섬유막(MHF)

0


397

단 위 MHF type M

지지층 소재 - 고밀도 폴리에틸렌

박막 기능층 소재 - 열가소 폴리우레탄

내경 µm 200

전체막압 µm 40

지지층공공율 % 45

박막 기능층 두께 µm 0.5

O2 Reflux

02/N2/분리 계수

cm3cm-2s-1cmHg-1

-

2 × 10-5

2.7

표 8-15 대표적인 MHF의 기본 물성

⑦ 기타 중공사막

(a) Polysulfone 중공사막

투명성을 가지는 비정질(amorphous) 수지 중에서 가장 내열성이 뛰어난 폴리

술폰계 수지에 의한 중공사막이다. 폴리술폰은 여과, 분리 등에 이용되는 막(멤

브레인) 소재로서 물성, 내열성, 제막성, 안정성이 뛰어난 점 때문에 합성 수지계

중에서도 최근 특히 주목을 끌고 있다. 특히 그 안전성, 생체적합성때문에 혈액

투석용 막소재로 사용되고 있다. 또, 해수 담수화, 음료수 정수 등의 분야에서는

종래법을 대체하는 고도 방법으로 매년 채용이 증가하고 있다.(표 8-16)

일반명 Polysulfone Polyethersulfone Polyphenylsulfone

상 표 UDEL RADEL A RADEL R

그레이드 P-1700 NT11 P-3500 NT11 A-100 NT R-5500 NT

멜트블로우 5～9 (343℃) 2～4,9 (343℃) 10～15 (380℃) 9～14 (400℃)

유리 전이온도(Tg) 190 190 220 220

내약품성 ○ ○ ○+ ◎

내열수성 ○ ○ ○- ◎

제막성 ○ ◎ ○ ○

표 8-16 폴리술폰계 중공사막의 물성 (Solvay advanced polymers)

(b) Polyvinylidene fluoride(PVDF) 중공사막

PVDF 중공사막은 비교적 저온으로 가공할 수 있는 제막성, 균형있는 기계

강도와 더불어 염소세정, 오존에 의한 수처리 등의 사용환경에 견디는 막 재료이다.


398

vinylidene fluoride(VF2) 단일 모노머로 된 호모 폴리머와 이 VF2와 HFP

(hexafluoro propylene) 또는 CTFE(chlorotrifluoroethylene)와의 공중합체(코폴리머)

2 종류가 있다. 일반적으로 막의 기계적 강도를 고려해서 호모 폴리머가 제막용

으로 사용되지만, 가공온도를 내릴 필요성이 있거나 유연한 막질이 필요할 때에는

코폴리머가 아주 적합하다. 부식성 물질인 공장배수의 오니처리에 실적이 있다.

(c) Polyimide 중공사막

고온, 내용제성 등 가혹한 조건에서 이용되는 중공사 분리막으로서 폴리이미드

분리막 개발이 활발하게 진행되고 있다. 방향족 폴리이미드는 가스분리막으로서

실용화되어 있는 초산셀룰로오스, 폴리카보네이트, 폴리술폰 등과 비교해서 높은

가스분리성을 가지고 있으며 내열성, 기계강도도 우수하다. 수소가스 분리, 탄산

가스 분리, 탈습 등의 분야에 실용화가 검토되고 있다.

(d) 화학수식된 중공사 분리막

다공성의 중공사막의「孔」측에 각종 관능기를 방사선 그라프트 중합에 의해

결합시킨 기능성 중공사막이다. 그라프트 사슬은 중공사의 공공(孔空)내에서

성장해, 중공부분을 통과하는 화학물질을 선택적으로 분리하는 기능이 있다. 단백질

농축, 광학 이성체 분리, 효소 반응 활성화를 할 수 있다.

8.4 수처리와 섬유

8.4.1 수처리 기술에 대하여

「수처리」는 목적, 대상화합물에 따라 대응기술도 여러가지 제안되고 있다

(1) 처리수의 사용 목적에 의한 구분

① 상수도정화기술

정수 즉, 하천, 호수와 늪, 지하수 등의 현탁물질, 세균류, 원충, 기타 미생물,

화학물질, 용해성 저분자 물질 등을 제거하여 마시기에 적합한 수질을 얻는다는

것이다. 저농도 물질 제거가 주용도이지만 해수 담수화와 같이 비교적 고농도의

물질을 대상으로 하는 경우도 있다. 가정용 정수기도 이 범위에 들어간다고 말할

수 있다.

0


399

② 배수회수기술

수자원의 유효한 활용과 환경보전을 위해 제품 세정수를 초순수용 제조원수,

냉각탑 보급수로 재이용하는 것을 목적으로 한다.

③ 폐수처리기술

고농도의 폐수를 방류 기준치 이하까지 처리하여 방류한다. 농축한 고형물은

일반적으로는 산업 폐기물로 처리된다.

④ 초순수 제조기술

공업용수나 우물물 등의 원수를 여과, 이온 교환, 분리막, 탈기, 살균 등의

기술로 처리하여 반도체 등의 제품 세정시 필요한 초순수의 수질을 얻는 것

⑤ 특수화합물의 분리·회수

• 유수분 분리 (기름 오염 대책)

• 유해금속이온 제거

• 유가 금속이온 분리ㆍ회수 (우라늄, 희귀 금속류)

• 유해 화학물질 제거 (PCB, 다이옥신, 농약 등 )

⑥ 자연환경보호를 위한 수질 정화

(2) 분리 기술에 대해

「분리」기술은 기본적으로「흡착」과「여과」, 경우에 따라서는「분해」기술에

의한다. 실질적으로 이러한 기술은 단독이 아닌 복수의 기술을 조합시켜 사용

된다. 또 앞서 기술한 바와 같이 최근 정수기술로서 중공사막 필터가 이용되고

있다. 대상물질의 적용범위가 넓고 양질의 정수를 얻을 수 있기 때문이다.

정수용 중공사 분리막의 종류를 표 8-17에 나타내었다.


400

각종의 정수 처리용 분리막의 특징

정밀 여과

MF

한외 여과

UF

나노 여과

NF

역삼투

RO

막 공경(空徑) 0.02～1µm 5～20nm 2～5nm < 2nm

순수투과유속

[l/m2.h]

500～10,000 100～2,000 20～200 10～100

막구조 균질, 비대칭 비대칭 비대칭.복합 비대칭.복합

막재질1) CA， PC, PE, PP，

PTFE， PVDF， CE

C, CA， P A， PS,

PAN， PES， PVA,

PVDF, CE

CA, PA CA, PA

제막법 상전환법, 연신법,

소결법

상전환법, 소결법 상전환법

(표면 처리)

상전환법

(표면 처리)

모 듈 중공사막, 스파이럴형, 관형, 평판형, 멀티 루멘형

제거대상 미립자, 세균,

바이러스, 조류(藻類),

등

미립자, 세균,


후민산 등

미립자, 세균,


후민산, 후르본산,

NH3-N, 소독부생성물

등

미립자, 세균,


후민산, 후르본산,

NH3-N, 소독부생성물,

무기물 등

여과 압력

[kPa]

20～200 50～500 500～3,000 2,000～10,000

운전 에너지

[kWh/m3]2)

0.03～0.3 0.05～0.5 0.5～0.3 1.0～0.7

1)C : 재생셀룰로오스, CA : 초산셀룰로오스, CE : ceramic, PA : polyamide, PE : polyethylene,

PAN : polyacrylonitrile, PC : polycarbonate, PES : polyethersulfone, PP : polypropylene,

PS : polysulfone, PTFE : polytetrafluoroethylene, PVDF : polyvinylidenefluoride 2)표류수를 회수율 90%로 막처리했을 경우 막 여과부에서의 소비 전력량 추정치

표 8-17 정수용 분리막의 특징

8.4.2 정수관련 제품과 설비

상수, 하수, 배수 등의 정화는 기본적으로 여과ㆍ흡착 요소 기술을 공통으로

대상물에 따라 요소기술의 조합, 용량, 여과 정밀도, 부대시설 등이 변화된다.

아래에 주요 메이커의 특징 있는 관련 제품과 설비를 소개한다. 이외에도

이들 소재 메이커가 제공하는 여과재를 적절히 조합시킨 어셈블리 메이커의

제품도 많지만 설계의 기본사항은 변하지 않으므로 생략하기로 한다.

0


401

(1) Kuraray 정수용 중공사막 필터

① Kuraray SF 필터

0.02~0.2㎛의 미립자를 액체로부터 분리하는 고기능막이다. 정밀 여과(MF)와

한외 여과(UF)의 중간영역을 커버하여 청주 양조공정이나 폐수처리 등에 폭 넓게

사용되고 있다.

② Kuraray ML모듈

0.003~0.1㎛의 정밀여과, 한외여과 영역에 대응하여, 반도체 공정의 초순수

제조나, 의약품공업 제조시 무균수 제조 등에 활용된다.

③ Megaflow

정밀여과 영역보다 큰 2㎛에 대응하는 대공경(大孔徑) 타입이다. 유량이 크고,

효율적인 여과가 가능하다. 최근 수도물로의 혼입이 문제가 되어 있는 병원성

미생물 「cryptosporidium」을 제거하는 데 효과적으로 정수장의 수처리용으로

본격적으로 사용되고 있다.(그림 8-26)

(2) Mitsubishi rayon, 정수용 중공사막 필터 “Sterapore”

① 상수용 필터

< 특 징 >

• 공칭 공경(空徑) 0.1m (정수용) 일반 세균을 완전하게 차단

• 유연성이 뛰어나며 기계적 강도가 높다 : scraping 세정이 가능

• 항구적 친수화 : 드라이 보관, 직접 통수가 가능

• 소각처분 가능 : 폐기물 처리가 용이

• 용해 연신법에 의한 제막 : 용제, 환경 호르몬 등을 포함하지 않아

제막 시 환경에 대한 영향이 적다.

< 품목번호와 특성 >

표 8-18 에 “Sterapore”의 품종번호와 특성을 나타내었다.


402

그림 8-26 Kuraray 정수 시스템

0


403

표 8-18 상수용 정수 시스템 (Sterapore)

용 도 원 수 모 듈 처 리 량 비 고

일반정수 하 천sterapore LFM

5,000(m3/d)고탁도

대용량 typesterapore LFB

공업용수 공업용수sterapore G

60(m3/h)일반～대용량

compact 화sterapore GB

해수여과 바닷물sterapore G

50(m3/h)

일반～대용량

compact 화sterapore GB

② 하ㆍ배수용 필터

하 ․ 배수용 막분리 필터 중공사막은 일반 생활배수용(PE)과 대용량 공업용(PVDF ; polyvinylidenefluoride) 2가지 종류가 있다.(표 8-19, 그림 8-27)

하 ․ 배수처리 시스템은, 활성오니 정화와 조합하여, 고효율로 고품질의 정화를 할 수 있다.(MBR 시스템) 일본하수도사업단의 인가를 받아 사용되고 있다.

• 막 분리 모듈을 활성오니조에 침지시키고, 흡입에 의해 정수한다.

• 활성오니를 고농도로 유지할 수 있다.(10.000mg/l) : 처리시간 단축, 컴팩트화

• 처리수의 수질 향상 : 부유 현탁물이 검출한계 이하, BOD가 아주 낮다.

• 침전조 불필요

• 리사이클 시스템에 적합 : 병원성균 100% 차단, 잡용수로 이용 가능

(3) Mitsubishi rayon, 탈기막 모듈

중공사막 필터 해설항에서 서술한 MHF 필터가 실용화되고 있다. 물속의

용존가스는 중공사막 내외간의 가스 농도차이를 추진력으로 해서 비다공질막

(3층 복합사)을 투과하여 제거된다. 용존 산소를 1µg/L(ppb) 이하의 초저농도

까지 탈기 가능하다. 막 내외에 농도차를 발생시키려면 막 간격을 두는 것 뿐만

아니라 공간을 진공상태로 하는 방법이 효과적이다. MHF는 용해ㆍ확산기구에

의해 비다공질의 박막으로 가스 분자만이 투과된다는 특징을 가지고 있다.

비수계의 탈기도 가능하다.(그림 8-25, 표 8-16 참조)

고밀도 집적회로의 세정수, 식품 용수(산화 방지), 금속 부품의 세정수(녹방지)

등에 이용되고 있다.


404

Sterapore SUM Sterapore SAD

형식번호 SUR 234L SUR 334LA SADF 2590A

막면적 1.5m2/本 3m

2/本 25m

2/本

공칭공경 0.4µm 0.4µm

막 외경 0.54mm 2.8mm

element 치수(mm) 1,035×446×13 1,035×524×13 2,000×1,250×30

건조 질량 0.6kg/本 0.64kg/本 16kg/本

중공사막 폴리에틸렌 PVDF

집수관 ABS 수지 ABS 수지

potting재 폴리우레탄 수지 폴리우레탄 수지

특 징

ㆍ중소 규모 폐수 처리용

(수십～수천 m3/일)

ㆍ수심에 따라 유닛의 적층 다단화가 가능

ㆍ하수도등의 대규모 배수처리용

(수백～수십만m3/일)

ㆍ높은 친수성능, 내약품성

중공사막구조

표 8-19 하배수 처리 시스템 “Sterapore”

0


405

설비전경 막부분 설비

종 류

유입수 처리수

BOD(mg/L) 220


406

Hollosep HB 시리즈, HJ

특징 “Hollosep” 고압 타입 HB 시리즈인 HJ는 세계적으로 많이 사용되어 높은 신뢰성을

가지고 있는 Toyobo의 CTA 중공사형 역침투막 모듈을 개량한 것이다.

중공사의 세섬도화에 의해 고내압성을 부여하고, 모듈 막면적을 증가시켜 투수량을

향상시킨 것이다. 고내압화에 의해 해수담수화의 고회수율 운전을 실현했다.

특히 HJ와 HB의 일부(HB10255FI)의 제품은 중공사막을 종래의 편단개구형에서 양단

개구형으로 하여 중공사의 중공내 유동압력을 감소시킴으로써 모듈의 투수량을 큰

폭으로 향상시켰다.

이러한 모듈 일부는 Toyobo와 같은 중공사형인 duPont사 모듈과 대체사용이 가능

하며, Toyobo의 모듈이 가지는 내염소성과 내탁질성 등의 특징은 그대로 유지하고

있기 때문에 운전·관리가 쉽다.

type 명 칭

외관치수

(외경×전체길이)

[mm×mm]

해수량*1

[m3/日]

염제거율*1,*2

[%]사 양 실용 예

HB시리즈

HB10255 400×3097 62 99.6 B10255 HB10

HB10255FI 400×2875 67 99.6 B10255F HB10F

HB9155 (278×1498) 15 99.6 B9155 HB9

HJ시리즈 HJ9155 294×2051 34 99.6 J9155

* 평가 조건 : 5.39 MPa, 35,000mg/L NaCl, 25℃, 회수율 30%

*1 : 투수량 및 염제거율은 측정조건에서 2시간 후에 얻은 값이다.

*2 : 염제거율은(1-투과수 염농도/공급수 염농도)×100[%]의 값이다.

그림 8-28 해수담수화 역삼투막 중공사 “Hollosep”의 사양 (Toyobo)

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407

(5) 섬유담체에 의한 생물접촉 여과 정수

하천 표류수에 포함된 암모니아성 질소나 악취 물질, 지하수에 포함된 철, 망간

등을 제거ㆍ정수하기 위해서 섬유담체에 부착하는 미생물을 이용하는 방법이다.

그 장점은 아래와 같다.

• 섬유담체에 의한 효과 : 공극율이 커서 통수 저항이 작기 때문에 고속여과가

가능하고, 비표면적이 커서 미생물의 보관성이 좋다

• 생물접촉 여과의 이점 : 미생물에 의한 수질 개선 효과가 커서, 응집제, 염소

등이 감소된다. 오니 발생이 적다

현장시험에서는 섬유담체로서 폴리에스테르 섬유를 2m의 두께로 충전시킨

욕조를 이용해 240m/일, 접촉시간 12분 운전으로 하천수, 지하수에서 철, 망간

제거율이 80%이상, 암모니아성 질소의 질소화에 의한 제거도 80~100%였다. 상기

기술한 내용은 일본 각 정수장에 적용되어 효과를 발휘하고 있다.

8.4.3 순수 제조장치

순수 제조는 원수상태와 목표순도에 의존하고 있지만,「여과」와「흡착」기술을

조합해 실시되고 있다. 정수기술의 최고 수준이라 할 수 있다.

(1) Kuraray 순수 제조 장치

중공사막 필터(모듈)에「역삼투막 여과」,「한외여과」, 이온교환, 자외선 산화

등을 조합시켰다.(그림 8-29)


408

그림 8-29 Kuraray의 순수 제조 설비 flow

(2) 전기재생형 순수장치 Codes (日本練水)

역침투막과 이온 교환 섬유의 조합에 의한 순수 제조 장치이다.

< Codes의 원리 >

원수가 수돗물인 경우 처음에 역삼투막(RO)에 의해 1차 탈염되고 그 투과수가

Codes에 보내진다. RO 침투수는「탈염실」로 유입되고, 잔류이온은 약한 전기력

에 의해「농축실」쪽으로 연속해서 이동하여 배출된다. 이 결과 물 흐름이 중단

되는 일 없이 고순도의 순수를 만들 수 있다. 이 잔류이온을 보충하여「농축실」

쪽으로 이동시키기 위해「탈염실」에「이온교환섬유」가 세계 처음으로 사용되었다.

< 이온교환 섬유가 우수한 점 >

탈염실내에 충진된 이온 교환체는 유입한 이온을 농축실쪽으로 이동시키기

위해서 존재한다. 이온교환 수지의 경우 유입 이온이 자연스럽게 이동하기 위해서

(+) 극에서 (-) 극으로 동일 극성을 가진 수지를 정렬해야만 한다. 이 경로상에

하나의 입자라도 다른 극성의 수지가 들어갈 경우 전기가 흐르기 어려워져 이온

이동을 저해하게 된다. 한편, 이온교환 섬유의 경우 각각이 하나의 극성을 가지기

위해 이온(전기)의 이동 속도가 한단계 올라간다. 이 결과 처리수질 향상, 사용

전기량 절감이 가능해진다.

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< 특 징 >

• 배수 처리설비 : 약품재생 배수는 전혀 나오지 않는다.

• 약품 탱크 : 약품을 사용하지 않는다. 염소가스에 의한 부식 걱정도 없다.

• 5Mㆍcm이상의 고순도 순수를 얻을 수 있다.

• 세계에서 처음으로 열살균이 가능하게 되었다.(옵션)

8.4.4 가정용 정수기

가정용 정수기의 당초 목적은 수돗물의 염소냄새(표백분 냄새) 제거에 있었다.

그러나 원수에는 각종 유해 물질이 존재한다. JIS에서는 가정용 정수기에 대해

다음과 같은 13가지 항목의 유해 물질 제거 성능을 정하고 있다.(표 8-20)

시험 항목 각 물질의 인체에의 영향 등

(1) 곰팡이 냄새 (2-MIB) 호수 등에서 부영양화현상으로 발생하는 염균류에 의해 생성되어 물맛을 해친다

(2) 용해성 납 인체에 축적되면 유아나 어린이에게 급한 성질이나 지능장해를 일으킬 우려가 있다

(3) Total trihalomethane chloroform, bromodichloromethane, dibromochloromethane, bromoform 의 총칭.

이러한 물질은 염소와 수도 원수 중에 포함된 유기물이 반응하여 생성되는 물질

로서, 발암성을 포함한 유해성의 위험이 있다고 한다.

(4) 유리 잔류 염소 수돗물의 위생확보를 위해 염소 소독하는 것이 정해져 있다.

이것이 표백제 냄새의 원인이 되어 물맛을 해친다.

(5) 탁도 탁한 성분, 쇠녹 등의 마이크로 수준의 더러움을 나타낸다.

(6) 농약(CAT) 제초제로 널리 사용되고 있으며 내분비 교란작용을 유발한다고 의심되고 있다.

(7) tetrachloroethylene 드라이클리닝 세제 등에 사용. 중추신경장해, 간장·신장 장해 등의 영향

(8) trichloroethylene 금속·기계 등의 탈지 세제 등에 사용. 중추신경장해, 간장·신장 장해 등의 영향

(9) 1,1,1-trichloroethane 금속·기계 등의 탈지 세제 등에 사용. 중추신경장해 등의 영향이 있다.

(10) chloroform trihalomethane 성분의 하나. 발암성을 포함한 유해성의 위험이 있다.

(11) bromodichloromethane trihalomethane 성분의 하나. 발암성을 포함한 유해성의 위험이 있다.

(12) dibromochloromethane trihalomethane 성분의 하나. 발암성을 포함한 유해성의 위험이 있다.

(13) bromoform trihalomethane 성분의 하나. 발암성을 포함한 유해성의 위험이 있다.

참고 : Total trihalomethane(3)과 그것을 구성하는 4물질 (10), (11), (12), (13)는 각각 항목에

대해 시험 방법이 정해져 있다.

(출처 : JIS S320l)

표 8-20 가정용 정수기의 정수 능력 시험항목 (13개 항목)


410

(1) 정수기용 활성탄 필터 (Toyobo KF1500)

수돗물 중의 잔류염소를 아래와 같은 반응으로 제거한다.

2Cl2 + 2H2O + C → 4HCl +CO2

ACF의 「KF1500」 10vg를 원통상으로 성형한 정수기 필터 엘리멘트의 염소

제거 효율은 접촉시간이 1.5초의 짧은 시간에도 불구하고 양호하다. 또, 곰팡이

냄새의 원인물질인 2-Methyl isoborneol(MIB)과 diosmin의 제거 효율도 높다.

(그림 8-30)

그림 8-30 수돗물 중의 염소와 곰팡이 냄새 물질(MIB)의 제거

< 정수 샤워기로의 이용 >

수돗물속에 포함되어 있는 염소는 머리카락이나 피부를 산화시키거나 지방질을

용해해 보호기능을 손상시킨다고 알려져 있다. 샤워기 헤드에 ACF (제품은

레이온계 ACF의 KF)를 붙여 잔류 염소를 제거하는 제품이다. 이 정수용 카트

리지는 3개월(4,800 리터)은 교환 없이 성능을 유지할 수 있다. ACF의 염소

제거 성능은 온도가 높아질수록 향상된다.

(2) Unitika 활성탄 섬유 카트리지 필터

활성탄 섬유「Unitika Ad'all」를 베이스로 하여 특수 구조재를 복합시킨

활성탄 카트리지 필터이다

< 특 징 >

• 흡착 속도가 매우 빠르다.

• 장기간에 걸쳐 우수한 여과성능을 유지한다.

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< 사 양 >

외경 65φ/내경 30φ x 길이 250mm, 발포 폴리에틸렌제 엔드 패킹 첨부

(3) Toray “Torayvino” Cassetty 203X

JIS 규격의 13개 항목 정수능력을 통과하는 수도꼭지 직결형 정수기이다.

정수기 “Torayvino”는 시리즈 최고의 제거 성능을 가지고 있다.

「다층구조 중공사 필터」는 한가닥 한가닥의 실이 마카로니와 같은 공동상

(空迵狀)으로 벽면에는 0.1㎛ 단위의 아주 미세한 구멍이 무수히 뚫려 있다. 이러한 구멍이 다층구조를 형성해 중요한 미네랄 부분은 손상시키지 않고, 쇠녹

이나 오물 등의 아주 미세한 오염물이나 일반 세균, 대장균, 충류 등을 걸러낸다.

< 상품 특징 >

• 3개 종류의 여과재에 의한 고성능 여과

이온 교환체 : 납 제거

중공사(필터 공경 : 0.2㎛) : 오물 제거

입상활성탄 : 잔류염소, 곰팡이냄새, 휘발성 유기화합물(할로겐 화합물) 제거

• JIS가 정한 가정용 정수기의 정수능력 시험방법에 의해 13개 항목 통과.

• 의료 분야에의 적용

• 여과유량 : 1.6리터/분, 카트리지 수명 : 900리터

(4) 알칼리 이온 정수기 「02 Cleansui alkali AL001」(Mitsubishi)

거치형 알칼리이온 정수기이며 모두「일본 가정용품 품질표시법」에 있는 제거

대상 13개 물질을 제거한 정수기이다. 단계별 알칼리성(I : pH 7.5~8.5, II : pH

8.0~9.0, Ⅲ : pH 8.5~9.5) 정수기능을 탑재하여, 3단계의 알칼리 이온수ㆍ맑은 물

ㆍ산성수의 모두 5 종류의 물을 용도에 맞추어 선택할 수 있다.(그림 8-31)


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그림 8-31 알칼리 이온 정수기 「02 Cleansui alkali AL001」 (Mitsubishi)

8.4.5 특수화합물의 제거ㆍ포집

(1) 유해물질 제거에 의한 정수

① 광촉매 모듈 “Aqua solution” (Ube industries)

이 배수처리 기술은,「여과」,「흡착」과 이질의 기구에 의한 배수 정화 기술

이다. 제4장(4.3.7 (2))에서 서술한 바와 같이「광촉매 산화 티탄섬유」을 이용한

것이다. 산화티탄 섬유 부직포를 충진한 모듈(그림 4-17)에 배수를 통과시키면서

광조사하면 배수중�

산업용섬유의 응용 8장 분리기술과 섬유 2010. 4. 16. · 산업용 섬유의 응용...

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