필터 웹의 기하학적 구조 및 다층 구조가 필터 성능과 차압에 미치는 영향

Abstract

지속적인 입자 포집 과정에서 필터에 발생하는 차압은 호흡 보호구 착용자의 호흡 용이성을 저하시킬 뿐 아니라, HVAC (heating, ventilation, air-conditioning) system의 에너지 소모를 증가시킨다. 이러한 이유로, 낮은 차압을 유지하며 사용 수명이 개선된 필터의 개발이 요구된다. 본 연구에서는 지속적인 입자 포집 과정에 있어서 필터 웹의 기공과 레이어 구조가 차압에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 전기방사 공정을 이용하여 microfiber, nanofiber, microbead-on -string 을 방사하였고 nanofiber을 다른 두 섬유와 동시에 방사하여 intermingled 된 섬유 웹을 제작하였다. 다양한 섬유로 구성된 총 14 종의 전기방사 웹 레이어 구조를 제작하였다. 이후, 상업용 멜트블로운 필터에 일정한 간극을 부여한 다층 레이어 구조를 제작하였다. 단일 레이어 구조의 전기방사 웹의 차압은 공극률 (porosity)보다 기공 (pore) 크기가 미치는 영향이 큰 것으로 보였다. 가장 작은 기공 크기를 지닌 나노섬유 웹이 초기 차압이 다른 웹이 비해 높았으며, 포집된 입자의 거동을 분석한 결과, 작은 기공 크기로 인하여 입자들이 웹 내부로 침투하지 못하고 표면에서 포집되어 공기의 흐름을 막아 차압이 빠르게 상승하였다. 반면, microbead-on-string 웹은 나노섬유 웹에 비해 낮은 초기 차압과 차압 상승률로 인하여 긴 사용 수명을 보였다. 이는 섬유 사이에 존재하는 큰 직경의 microbead로 인하여 기공 크기가 증가해 포집된 입자가 웹의 표면이 아닌 내부에 포집되어 depth filtration이 가능했기 때문으로 사료된다. 이에 따라, 다층 레이어 구조는 배치 순서에 따라 지속적인 입자 포집 과정에서 차압과 로딩 거동이 상이하게 나타남을 확인하였다. 전기방사 웹 두 장으로 구성된 구조는 레이어 사이에 존재하는 미세한 간극에서 공기의 수평 방향 이동으로 인해 전체적인 압력이 감소하는 효과가 발생함을 확인하였다. 상업용 멜트블로운 필터의 레이어 사이에 부여된 간극에 의한 차압 감소 효과는 레이어 수가 많고, 유속이 빠를수록 효과가 뚜렷하게 나타났다. 첫 번째 레이어를 투과하는 공기가 두 번째 레이어로 유입되는 과정에서 레이어 사이 간극은 차압이 낮은 방향으로 효율적으로 분배되어, 간극이 부여되지 않은 구조와 비교했을 때 낮은 차압과 depth filtration에 의한 차압감소가 관찰되었다. 본 연구의 결과는 지속적으로 입자를 포집하는 과정에서 낮은 차압과 긴 사용 수명을 지닌 필터를 디자인하기위한 시사점을 제안한다.

The build-up of pressure drop with mass loading of particles aggravates the breathing resistance and energy consumption of HVAC (heating, ventilation, air-conditioning) system. Lowering the pressure drop and extending the service life is the significant requirement for above reasons. This study investigated the role of pore and layer construction of filter media on the pressure drop development with continued particle loading. Five basic morphologies, including microfiber, nanofiber, microbead-on-string, and a mix of those morphologies were fabricated via electrospinning. Then the variations of layered constructions were made, to include a total 14 different filter structures. For the conventional meltblown filter, the web-to-web space was implemented by inserting a bulk air gap between the filter webs. For a single layer electrospun web, the pore size rather than the percent porosity had a major impact on the pressure drop. Nanofiber electrospun web which had most small pore size showed high initial pressure drop. Also, the pressure drop increased more quickly than other webs, because small surface pores were quickly clogged by the collected particles. The web with microbead on string showed a low initial pressure drop. Microbead sustained space between nanofiber, helping the depth filtration through the inner pores. For dual layers, the space between the layers and the placement order of webs were important factors affecting the pressure drop and depth loading of particles. For the layered constructions with conventional meltblown webs, the effect of air gap on the reduced pressure drop was greater at the higher face velocity. The inserted air gap was more effective than the 0 gap in reducing the pressure drop, because the air space between filter layers acted as an effective air flow channel between the compact filter layers. The loading capacity also increased with the air gap implementation, effectively delaying the clogging and extending the service life. The results of this study can be used as a practical design guide to reduce pressure drop and to promote depth filtration.