심층여과와 표면여과는 무엇이 다른가?
필터백의 포집 위치가 배출농도와 장기적인 압력손실에 어떤 차이를 만드는지 살펴봅니다.
산업용 집진기에서 필터백을 선택할 때는 분진을 얼마나 잘 포집하는지와 함께, 그 성능을 운전 중 얼마나 안정적으로 유지하는지 살펴봐야 합니다. 필터백을 새로 장착했을 때, 쌓인 먼지를 털어낸 직후, 생산량과 배기가스 유량이 달라지는 순간에도 배출농도를 관리해야 하기 때문입니다.
앞선 칼럼 「전기집진기(ESP)와 백필터는 무엇이 다른가?」에서는 두 집진 방식의 원리와 적용 조건을 비교했습니다. 이번에는 백필터에 사용하는 여재로 범위를 좁혀, 심층여과와 표면여과가 분진을 포집하는 방식과 운전 특성을 살펴봅니다.
그림 1. 분진은 필터백 바깥면에 포집되고, 여과된 가스는 필터백 내부에서 위쪽 청정실로 이동합니다. 설비 구성과 가스 흐름을 단순화한 개념도입니다. 실제 공정에는 추가 처리설비와 송풍기 등이 포함될 수 있습니다.
자료: ㈜마이크로원 자체 기술자료 기반 · AI 활용 3D 개념도
01 · EMISSION CONTROL
먼지 배출농도의 안정성은 왜 더 중요해졌을까?
국내에서는 2019년 5월 공포되어 2020년 1월부터 시행된 대기환경보전법 시행규칙 개정을 통해 먼지 배출허용기준이 강화됐습니다. 당시 정부 발표는 시설별 먼지 기준 범위를 종전 10~70 mg/Sm³에서 5~50 mg/Sm³로 제시하고, 먼지 기준 강화율을 약 33%로 설명했습니다.[1]
이는 여러 시설의 기준을 묶어 요약한 당시 개정 내용이며, 모든 시설에 동일한 수치가 적용된다는 의미는 아닙니다. 개별 시설은 시설 종류·규모·설치 시기 등에 따른 현행 기준과 허가 조건을 확인해야 합니다.
배출허용기준이 낮아지면 동일한 배출농도로 운전하더라도 기준까지의 여유가 줄어듭니다. 따라서 집진기는 안정된 부하에서의 성능뿐 아니라, 탈진이나 공정 변동에 따른 배출농도 상승까지 고려해 설계하고 운전해야 합니다.
02 · TMS · 30-MINUTE AVERAGE
TMS 30분 평균 관리는 무엇을 의미할까?
굴뚝자동측정기기인 TMS는 굴뚝으로 배출되는 오염물질을 연속적으로 측정하고, 측정자료를 굴뚝원격감시체계인 CleanSYS로 전송합니다. 시설에 따라 먼지, 황산화물, 질소산화물 등의 항목을 측정합니다.[2]
TMS 측정값은 5분 동안 적산하거나 평균한 5분 자료로 만들어지고, 30분 자료는 연속된 5분 자료 6개를 평균하거나 적산해 만듭니다. 실제 자료 처리에는 측정기기 상태와 자료의 유효성 판단이 함께 반영됩니다.[2]
순간적인 상승과 30분 평균의 배출허용기준 초과는 구분해 판단해야 합니다.
탈진 직후나 부하 변동 중 발생한 농도 상승도 유효한 측정자료에 반영되면 해당 30분 평균을 높일 수 있습니다. 짧은 농도 상승이 곧바로 30분 평균의 기준 초과를 뜻하는 것은 아닙니다. 다만 상승 폭이 크거나 반복되면 관리 여유가 줄어듭니다.
따라서 여재에는 평상시의 높은 포집성능과 함께 탈진 후에도 배출농도 변동을 작게 유지하는 성능이 요구됩니다.
03 · FILTRATION PRINCIPLE
심층여과와 표면여과는 어디에서 분진을 포집할까?
심층여과: 섬유층 내부에서도 분진을 포집
일반적인 비멤브레인 부직포 여재에서는 분진이 섬유층 안으로 들어가면서 섬유와 충돌하거나 접촉해 포집됩니다. 운전이 진행되면 표면에도 분진이 쌓여 케이크층을 형성하고, 이 층이 미세입자 포집에 중요한 역할을 합니다. 따라서 일반 필터백에서도 내부 포집과 표면 케이크 여과가 함께 일어납니다.[3]
섬유층 깊숙이 들어간 분진은 탈진으로 충분히 제거되지 않을 수 있습니다. 내부에 분진이 남아 축적되면 가스가 통과하기 어려워지고, 탈진 후에도 차압이 충분히 회복되지 않을 수 있습니다. 또한 탈진으로 케이크층이 제거되거나 교란되면, 다시 안정된 층이 형성될 때까지 입자 통과가 증가할 수 있습니다.[4]
표면여과: 멤브레인 표면에서 주로 분진을 포집
표면여과의 대표적인 구현 방식은 지지용 기재에 ePTFE 멤브레인을 접합한 필터백입니다. 멤브레인이 분진의 기재 내부 침투를 억제하고, 분진이 주로 표면에 쌓이도록 합니다.
이 구조는 두꺼운 분진 케이크가 형성되기 전에도 미세입자를 포집하는 데 유리합니다.[5] 또한 분진이 내부에 박히는 현상을 줄여, 탈진할 때 표면의 분진층이 떨어지기 쉽게 합니다. 그 결과 탈진 후에도 포집성능을 유지하고 장기적인 내부 막힘을 줄이는 데 유리합니다. 이는 ㈜마이크로원이 멤브레인과 필터백을 설계할 때 기준으로 삼는 구조적 특성이며, 실제 효과는 현장의 배출농도와 차압 추이로 확인합니다.
그림 2. 왼쪽은 부직포, 오른쪽은 ePTFE 멤브레인과 부직포가 밀착된 복합 구조입니다. 포집 위치와 층 구조를 설명하기 위한 확대 개념도입니다. 섬유·입자·기공의 크기와 멤브레인 두께는 실제 비율이 아니며, 실제 현미경 사진이나 성능시험 결과가 아닙니다.
자료: ㈜마이크로원 자체 기술자료 기반 · AI 활용 3D 개념도
04 · OPERATING CHARACTERISTICS
포집 위치가 달라지면 운전은 어떻게 달라질까?
아래 비교는 일반적인 비멤브레인 부직포와 ePTFE 멤브레인 필터백의 경향을 정리한 것입니다. 실제 성능은 분진 특성과 여과속도, 탈진 조건, 필터백 상태에 따라 달라집니다.
| 비교 항목 | 심층여과 중심의 일반 부직포 | ePTFE 멤브레인 표면여과 |
|---|---|---|
| 주된 포집 위치 | 섬유층 내부와 표면 케이크층 | 멤브레인 표면과 표면 케이크층 |
| 초기 포집성능 | 케이크 형성 상태에 영향을 받음 | 케이크 형성 전부터 미세입자 포집에 유리 |
| 탈진 후 배출농도 | 케이크 교란 후 일시적 상승 가능 | 멤브레인이 온전하면 농도 변동 억제에 유리 |
| 장기 차압 | 내부 분진 축적으로 잔류 차압이 높아질 수 있음 | 초기 차압은 조금 높을 수 있으나 잔류 차압이 일정하게 유지되는 데 유리 |
| 유지관리 | 내부 막힘과 케이크 유지 상태 관리가 중요 | 멤브레인 손상·박리와 표면 폐색 관리가 중요 |
05 · PRESSURE DROP OVER TIME
멤브레인이 표면을 덮고 있으면 차압이 더 높지 않을까?
새 필터백일 때는 그렇지만, 운전 시간이 길어지면 대개 반대가 됩니다. ePTFE 멤브레인 필터백을 처음 검토하는 현장에서 가장 많이 받는 질문입니다. 답은 차압을 어느 시점에 보느냐에 따라 달라집니다.
처음에는 멤브레인이 없는 필터백의 차압이 더 낮습니다
새 필터백은 두 방식 모두 먼지를 잘 포집합니다. 이때 차압은 멤브레인이 없는 일반 부직포 필터백이 더 낮은 경우가 많습니다. 멤브레인의 미세한 기공이 그 자체로 가스 흐름에 저항을 더하기 때문입니다. 새 필터백으로 교체한 직후의 차압만 보면 멤브레인 필터백이 불리해 보이는 이유입니다.
시간이 지나면 심층여과 필터백은 내부부터 막힙니다
심층여과 필터백은 운전할수록 먼지가 부직포 섬유 사이로 파고들어 쌓입니다. 섬유 깊숙이 박힌 미세먼지는 펄스 탈진(압축공기 분사)으로도 잘 떨어지지 않습니다. 그래서 탈진 직후에도 남아 있는 잔류 차압이 탈진을 반복할수록 조금씩 올라갑니다. 섬유 내부가 막힐수록 탈진으로 회복되는 폭이 줄어 차압이 계속 오릅니다. 잔류 차압이 높아지면 탈진을 더 자주 해야 하고, 송풍기 전력과 필터백 교체 부담도 커집니다.
표면여과 필터백은 먼지가 주로 멤브레인 표면에 쌓였다가 탈진 때 떨어져 나갑니다. 멤브레인이 손상되지 않았다면 부직포 안으로 먼지가 차는 속도가 심층여과보다 훨씬 느립니다. 표면여과 필터백도 잔류 차압이 오르기는 하지만 매우 완만하게 오릅니다. 그래서 일정 시간이 지나면 심층여과보다 차압이 낮아지고, 집진기 전체의 차압을 더 오래 안정적으로 운영할 수 있습니다.[6][7]
그림 3. ePTFE 멤브레인 필터백은 운전 초기에 멤브레인 저항과 표면 분진층 형성으로 차압이 빠르게 오른 뒤 완만하게 상승합니다. 일반 필터백은 처음 차압이 낮지만 섬유 내부에 분진이 쌓이며 계속 올라, 어느 시점부터 멤브레인 필터백보다 높아지고 그 차이가 벌어집니다. 경향을 설명하기 위한 개념 그래프이며 실측값이 아닙니다.
자료: 대한환경공학회지(2017)·Advanced Materials Research(2006) 연구 결과의 경향을 바탕으로 ㈜마이크로원 작성
| 운전 단계 | 심층여과(일반 부직포) | 표면여과(ePTFE 멤브레인) |
|---|---|---|
| 새 필터백 | 차압이 낮은 편 | 멤브레인 저항과 초기 분진층으로 차압이 빠르게 올라 더 높은 편 |
| 탈진 반복 | 섬유 내부에 먼지가 쌓여 잔류 차압이 꾸준히 상승 | 먼지가 표면에서 떨어져 잔류 차압이 매우 완만하게 상승 |
| 장기 운전 | 내부가 막혀 탈진해도 회복이 잘 안 되고 차압이 계속 상승, 탈진 빈도 증가 | 낮은 차압을 오래 유지(멤브레인이 온전한 경우) |
국내 연구진이 실험실 규모 여과집진기에서 PTFE 멤브레인을 코팅한 여과백과 코팅하지 않은 PTFE 부직포 여과백을 비교한 결과, 운전 초기 약 5시간까지는 멤브레인 여과백의 압력손실이 약간 높았습니다. 그 이후에는 역전되어, 정상상태에서 멤브레인 여과백은 약 36 mmH₂O, 코팅하지 않은 여과백은 약 160 mmH₂O를 보였습니다.[6] 시험용 실리카(SiO₂) 분진, 여과속도 2.5 m/min, 입구 농도 0.6 g/m³, 탈진 주기 20분 조건의 결과이므로 실제 현장의 수치와는 다를 수 있습니다. 해외 연구에서도 일반 니들펠트는 여과·탈진을 반복할수록 잔류 압력손실이 커진 반면, ePTFE 멤브레인은 거의 일정하게 유지됐다고 보고했습니다.[7]
다만 멤브레인 표면이 수분이나 점착성 물질로 덮이면 표면여과 필터백도 차압이 오를 수 있습니다. 그래서 필터백을 비교할 때는 교체 직후의 차압이 아니라 반복 탈진 후의 잔류 차압과 수개월 단위의 차압 추이를 봐야 합니다.
06 · SELECTION & MAINTENANCE
표면여과의 장점을 실제 성능으로 연결하려면?
ePTFE 멤브레인을 적용했다는 사실만으로 집진기 전체의 성능이 보장되지는 않습니다. 멤브레인 전면의 기공 분포와 결함, 기재와의 접합 상태, 봉제부와 장착부의 밀봉 상태를 함께 확인해야 합니다. 배기가스 온도와 화학적 조성에 맞는 기재 선정도 필요합니다.
운전 조건 역시 중요합니다. 여과속도가 지나치게 높거나 탈진 조건이 맞지 않으면 차압과 입자 통과가 증가할 수 있습니다. 실제 평가에서는 배출농도, 차압, 탈진 빈도, 송풍기 전력, 필터백 교체 주기를 함께 비교하는 것이 좋습니다.[8]
먼지 배출기준이 강화되고 30분 평균농도로 배출 상태를 관리하는 환경에서는, 필터백의 순간적인 포집효율과 반복 운전 중의 안정성이 모두 중요합니다. 표면여과는 분진의 내부 침투를 줄이는 구조를 통해 이러한 요구에 대응할 수 있으며, 그 효과는 실제 공정에서의 배출농도와 차압 추이로 확인해야 합니다.
FAQ
자주 묻는 질문
일반 부직포 필터백도 표면에서 먼지를 잡나요?
네. 운전 중 표면에 분진 케이크층이 형성되면 이 층에서도 분진을 포집합니다. 심층여과와 표면여과의 비교는 포집이 한 위치에서만 일어난다는 뜻이 아니라, 여재 구조에 따라 주로 포집되는 위치와 내부 침투 정도가 다르다는 의미입니다.
표면여과 필터백도 차압이 올라가나요?
네. 새 필터백일 때는 멤브레인 자체의 저항 때문에 일반 부직포 필터백보다 차압이 조금 높을 수 있습니다. 다만 운전이 길어지면 일반 부직포는 내부에 먼지가 쌓여 잔류 차압이 계속 오르는 반면, 멤브레인 필터백은 매우 완만하게 올라 낮은 수준을 오래 유지하는 경향이 있습니다. 수분·점착성 물질로 표면이 덮이면 멤브레인 필터백도 차압이 오를 수 있습니다.
ePTFE 멤브레인 필터백으로 교체하면 배출기준을 충족하나요?
교체만으로 배출기준 충족을 보장할 수는 없습니다. 여과속도와 분진 특성, 탈진 조건, 여재의 적합성, 봉제부·장착부의 누설 여부를 함께 확인하고 실제 운전자료로 평가해야 합니다.
- 환경부(대한민국 정책브리핑), 2020년부터 대기오염물질 배출허용기준 강화(2019.5.1). 먼지 기준 범위와 강화율은 당시 발표 기준.
- 한국환경공단 CleanSYS, 용어사전: 굴뚝 원격감시체계, 5분(평균)자료·30분(평균)자료.
- 미국 EPA, 여과집진기 운전·유지관리 매뉴얼.
- 미국 EPA, Bag Leak Detection Systems — Guidance.
- 미국 EPA, Air Pollution Control Cost Manual, Section 6 Chapter 1 Baghouses and Filters (2018). 1.3.5.3 멤브레인 여재.
- 김정훈 외, 「PTFE membrane이 코팅된 여과백의 off-line 탈진시 미세먼지 집진 특성」, 대한환경공학회지(J. Korean Soc. Environ. Eng.) 39(7), 391–402 (2017).
- Residual Pressure Drop Using ePTFE Micro-Filtration Membrane as Filter Medium, Advanced Materials Research 11–12, 701–704 (2006).
- 미국 EPA, Monitoring by Control Technique — Fabric Filters.