공기정화장치 - 유형 및 특성 -

공기 정화 장치 공기정화장치가 필요한 이유 ?

대기 환경 보전법- 허용기준

자연은 후손에게서 빌려 쓰는 것으로 환경을 보존

산업안전보건법 대기환경보전법

오염물질

송풍기

공 기 정 화 장 치

공기정화장치

입자상 물질의 처리 : 원심력집진장치(싸이클론 : cyclone), 세정집진장치(스크라버 : scrubber), 중력 및 관성력 집진장치

가스상 물질의 처리 : 흡수(absorption), 흡착(adsorption), 연소(incineration), 응축(condensation), 플라즈마(plasma), 전자빔(electron beam), 바이오필터(biofilter) 등

Part I Principles of Air Filtration

Part II Air Filters

Part III Dust Collectors

Part IV Adsorption

Part V Air Exchanger

Mechanical filtration

공기필터를 사용하여 먼지 제거

충돌 (collision), 부착 (adherence)

Electrostatic filtration

정전기적 힘에 의한 먼지 제거

예: 정전기필터와 전자공기정화기

Adsorption

흡착력이 강한 물질 사용

예: 활성탄 (Activated carbon), 제올라이트 (Zeolite)

Chemical decomposition

산화력이 강한 물질 이용: 오존(O3) 등

박테리아 이용: 바이오 필터 (Bio-filter)

공기정화방식의 구분

공기필터 (Air filters)

낮은 농도의 먼지 제거

통상 일반적인 공기

집진기 (Dust collectors)

높은 농도의 먼지 제거

통상 먼지가 많이 발생하는 산업현장에 적용

공기필터보다 100배에서 200,000배까지 적용 가능

먼지제거장치

1. 정전기적 힘 (Electrostatic force)

먼지와 필터 사이의 인력

매우 강한 인력

먼지가 작고 필터의 파이버 (fiber)가 가늘면 더 커짐.

인력 (Attractive Forces)

- + + - - + + + + - - + + + +

- + + +

- - + - - - - + + - - - - + +

- - - +

Charged dust particle

Charged filter fiber

2. 쌍극 모멘트 (Dipole moment)

먼지와 필터사(絲)에 있는 전자들 사이의 인력

전자의 분포는 대부분 불균형

3. van der Waals Force

분자들 사이의 인력

이 인력은 분자에 생기는 임시 쌍극자에 의해 형성

먼지에 있는 분자들과 필터사에 있는 분자들이 서로 끌어당김

인력 (cont’d)

- - + + - - - + + + - - + +

- - + + - - - + + + - - + +

Uncharged dust particle

Uncharged filter fiber

충돌 (Impaction)

포획 (Interception)

확산 (Diffusion)

걸림 (Straining)

정전기적 인력 (Electrostatic attraction)

먼지정화방식

충돌 (Impaction)

Filter fiber

Air stream

Particle pass

포획 (Interception)

Filter fiber

Air stream

확산 (Diffusion)

Filter fiber

Air stream

걸림 (Straining)

공기의 흐름

공기분자들이 먼지를 잡아당기는 힘

공기분자들이 필터에 걸린 먼지에 끊임없이 부딪쳐서 먼지를 공기의 흐름으로 밀어 넣는 작용을 한다.

물리적 충격

부딪침, 떨림 등

물리적 충격이 먼지와 필터사이의 인력보다 클 경우 발생

필터로부터 떨어진 먼지는 공기흐름에 들어가거나 중력에 의해 아래로 떨어진다.

분열시키는 힘 (Disruptive Forces)

필터의 정화효율 (Collection Efficiency of Filters)

0.3 µm

Part I Principles of Air Filtration

Part II Air Filters

Part III Dust Collectors

Part IV Adsorption

Part V Air Exchanger

미디어 (Media)

필터의 재질

벌림판 (Separators)

필터의 주름 사이에 끼움

− 주름을 잡은 알루미늄 판을 끼우거나

− 녹인 플라스틱 주입

필터에서 공기가 일정하게 흐르는 통로 제공

필터재질을 지지하는 역할도 함.

틀 (Frame)

필터의 외각을 구성 형태 유지

필터 하우징에 필터를 끼워 넣는데 필요

밀봉제 (Sealant)

필터 미디어를 틀에 고정

이들 사이의 틈을 메우는 역할도 함.

필터와 관련된 용어 (Terms for Filters)

유리섬유 (Glass fiber media)

유리로 만든 것

합성섬유 (Synthetic fiber media)

합성물질로 제조

폴리에스테르 (Polyester)가 가장 일반적

Polypropylene, nylon, and modacrylic 등도 사용.

발포물질 (Foam material)

폴리우레탄 재질

구멍의 크기로 구분됨: 통상 2-25 pores/cm2

씻어서 재사용 가능

공기필터재질 (Air Filter Media)

섬유필터 (Fibrous Filter)

막 필터 1 (Membrane Filter)

막 필터 2

전면 속도와 필터 속도 (Face Velocity vs Media Velocity)

Face velocity

Media velocity

Face velocity

Media velocity

편평한 필터 주름을 잡은 필터

담요 필터 (Mat filters)

담요 형태

건물의 외기 도입부에서 큰 먼지를 제거하는 용도로 사용

주머니 필터 (Bag filters)

주머니 형태

공기흐름의 면적을 넖히기 위한 것

판형 필터 (Panel filters)

평평한 모양

전면속도(Face velocity)와 필터속도(Media velocity)가 일치

주름 필터 (Pleated filters)

필터의 전면이 늘어난 필터

전면속도보다 필터속도가 훨씬 느리다.

잔주름 필터 (Mini-pleated filters)

잔주름이 잡힌 필터

진공청소기 또는 공기정화기를 작게 만들기 위해 사용됨

공기필터의 형태 (Type of Air Filters)

두루마리 필터 (Roll Filters)

쓰고 버리는 필터 (Throw Away Filters)

주름 필터 (Pleated Filters)

잔주름 필터 (Mini-Pleated Filter)

백필터 및 카트리지필터

헤파필터(HEPA filter)

High Efficiency Particulate Air filter

Minimum efficiency of 99.97% for 0.3µm particles

얼파필터(ULPA filter)

Ultra Low Penetration Air filter

Minimum penetration efficiency of up to 99.999% for 0.3 or 0.1-0.2µm particles

썰파필터(SULPA filter)

Super Ultra Low Penetration Air filter

Minimum penetration efficiency of 99.9999% for 0.12µm particles

Not recognized officially, but used by agreements between buyer and seller.

고효율 필터 (High Efficiency Filters)

HEPA Filters

ULPA Filter

ASHRAE 52.2 method

일반필터를 시험하는 방법

실험실에서 발생시킨 Kcl 입자를 사용

먼지개수측정기를 사용

미세먼지의 개수를 12개의 크기로 나누어 측정

오차를 줄이기 위해 6번 반복해서 측정하되,

각 시험은 점차 먼지를 더 입혀가면서 실시하여,

각 시험마다 합성커브(Composite curve)를 만든다.

합성커브의 값은 평균값으로 하고,

이들 평균값으로 MERV (Minimum efficiency reporting value)를 결정

☞ ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers (미국 냉난방기사협회)

필터 시헙법 (Filter Testing)

필터의 등급

머브(MERV)로 한다.

MERV는 1부터 20까지

MERV 1-4 (washable, electrostatic, and throwaway filters)는 과거 측정법인 ASHRAE 52.1 method를 사용

ASHRAE 52.2-1999는 MERV 5에서 16까지의 등급결정에 사용

MERV 17에서 20까지는 DOP testing을 사용

☞ DOP test: Dioctylphthalate를 사용

필터의 등급 (Filter Rating)

MERV Parameters - ASHRAE 52.2 -

MERV Average Particle Size Efficiency (%)

Arrestance (%) 0.3 – 1.0 µm 1.0 – 3.0 µm 3.0 – 10.0 µm

1 - - E3 < 20 Aavg < 65

2 - - E3 < 20 65 ≤ Aavg < 70

3 - - E3 < 20 70 ≤ Aavg < 75

4 - - E3 < 20 75 ≤ Aavg

5 - - 20 ≤ E3 < 35 -

6 - - 35 ≤ E3 < 50 -

7 - - 50 ≤ E3 < 70 -

8 - - 70 ≤ E3 -

9 - E2 < 50 85 ≤ E3 -

10 - 50 ≤ E2 < 65 85 ≤ E3 -

11 - 65 ≤ E2 < 80 85 ≤ E3 -

12 - 80 ≤ E2 90 ≤ E3 -

13 E1 < 75 90 ≤ E2 90 ≤ E3 -

14 75 ≤ E1 < 85 90 ≤ E2 90 ≤ E3 -

15 85 ≤ E1 < 95 90 ≤ E2 90 ≤ E3 -

16 95 ≤ E1 95 ≤ E2 95 ≤ E3 -

DOP Testing

HEPA, ULPA, SULPA 등과 같은 고효율필터를 시험하는데 사용

원래는 방독면에 사용되는 필터를 시험할 목적으로 개발됨

DOP (dioctylphthalate) vapor를 사용

안전성 때문에 몇몇 시험소에서는 DES (diethylsevacate)를 사용

사용될 모든 필터를 시험

고성능필터 시험 (High Efficiency Filter Testing)

각 필터의 효율을 %로 표시

IEST 의 등급으로 구분

HEPA filters

IEST Type A: ≥ 99.97% efficiency on 0.3µm particles

ULPA filters

IEST Type C: ≥ 99.99% efficiency on 0.3µm particles

IEST Type D: ≥ 99.999% efficiency on 0.3µm particles

IEST Type F: ≥ 99.999% efficiency on 0.1 – 0.2µm particles

SULPA filters

≥ 99.9999% efficiency on 0.12µm particles

No industry wide standard

Usually specified by agreements between buyer and seller.

☞ IEST: Institute of Environmental Sciences and Technology

고효율필터 등급 (High Efficiency Filter Rating)

필터의 성능 (Filter Performance)

Time

Rate

Part I Principles of Air Filtration

Part II Air Filters

Part III Dust Collectors

Part IV Adsorption

Part V Air Exchanger

오염물의 농도 (Contaminant concentration)

오염물의 특성 (Contaminant characteristic)

가스흐름의 특성 (Gas stream characteristics)

필요한 효율 (Efficiency required)

에너지 비용 (Energy cost)

장치선정 시 고려할 점 (Device Selection Factors)

전자공기정화기 (Electrostatic Precipitator)

Discharge electrode

Discharges negative or positive ions for ionizing dust.

Wire or sharp tip

Collection plate

Large surface area plate

Oppositely charged plates were spaced alternately.

Advantage

Low pressure drop

Low energy cost

Disadvantage

Uses high voltage electricity for ionizing.

Can generate ozone.

May need other devices such as cooling tower, wet scrubbers, or heat exchangers to provide proper conditions.

전자공기정화기-계속

특성

집진은 직물로 가능

디자인 시 고려할 점

먼지의 농도

필터의 유형: woven or non-woven

필터의 형태: bag, tube, or cartridge

가동 방식: intermittent or continuous

재생방식: shaker, purse-jet, reverse-air

재생간격

하우징 모양 (Housing configuration): single or multiple compartment

집진기 (Fabric Collectors)

집진기의 예

싸이클론 (Cyclone)

Dirty air

Air flow pattern

Collected dust

Dust hopper

Clean air

습식 집진기 (Wet Dust Collector)

Dirty air

Clean water

Dirty water

Clean air

Distributor

습식 가스제거기 (Wet Gas Collector)

Dirty air

Packing media

Clean water

Dirty water

Clean air

Distributor

Support plate

롤 필터 (Roll Filter)

Filter media

Motorized roller

집진기의 사용 예

집진기의 현장 적용 예

한국철도공사 대전차량정비창

Part I Principles of Air Filtration

Part II Air Filters

Part III Dust Collectors

Part IV Adsorption

Part V Air Exchanger

Corrosive gases (부식성 가스)

건물, 장비, 시설 등을 손상할 가능성이 있는 물질들

이런 화합물들은 사람의 건강에도 해가 될 수 있다.

Examples: SOx, NOx

Irritant gases (자극성 가스)

불쾌감이나 조직에 손상을 주는 물질들

영향을 주는 신체 부위: 눈, 피부, 점액세포, 호흡기관

Examples: NH3, Cl2, O3, and HCHO (formaldehyde)

Odorous gases (악취 가스)

주로 후각에 영향을 주는 물질들

무기성 물질(Inorganic compounds): H2S, NH3

유기성 물질(Organic compounds): CH3SH, formaldehyde

가스오염물 (Gaseous Contaminants)

Source control

오염원 자체에 대한 처방

가장 효과적

우선적으로 고려할 점

종종 빌딩 자체가 오염원이 되기도 함.

Ventilation control

Source control로 충분치 않을 경우 고려할 차선책

환기로 오염물질의 농도를 기준 이하로 낮추는 것

환기할 공기에 대한 관리도 필요

Removal control

위의 방법 모두 활용해도 여전히 문제가 될 경우 최종적 선택

많은 연구가 진행 중

흡착제 등 상용화된 다양한 기술 또는 제품 활용

Methods for Control

정의

오염물질이 활성탄 등 다른 물질의 표면에 달라붙어 있는 제거되는 과정

단위면적당 표면에너지(surface energy)로 표현됨.

표면에너지

어떤 물질의 표면에 있는 분자들에 의해 만들어지는 에너지

표면에너지는 밖으로 영향을 미친다.

흡착원리

흡착제 (Adsorbent): the solid material

흡착물 (Adsorbate): the captured material

표면에너지에 의해 인력이 발생

인력이 흡찹물의 운동에너지보다 클 경우 흡착됨.

흡착력: 흡착제의 표면적에 비례

흡착력: 온도와 습도에 영향을 받는다.

흡착 1 (Adsorption)

흡착 2

Bre

akt

hro

ugh (

%)

50

C B A

흡착제 (Adsorbents)

좋은 흡착제는 표면적이 크다.

통상 무수한 미세구멍이 나 있다.

활성탄 (Activated carbon)

가장 일반적인 흡착제

전체표면적이 1,400 m2/g까지

이것은 복식테니스코트의 5.4배에 달하는 면적

Other commercial adsorbents

Alumina

Silica gels

Zeolites

흡착제 1 (Adsorbents)

Tennis court (260.8 m2)

흡착제 2

Carbon Filters

배경

화학흡착제가 모든 오염물을 흡착하는 것은 아니다.

분자량이 큰 가스(>80)나 극성 가스들이 잘 흡착된다.

분자량이 작은 가스나 비극성가스들은 잘 안된다.

화학흡착

여러가지 화합물들이 이들 흡착제에 들어 있다.

이들 화합물들은 흡착물과 자발적이고 비가역적으로 반응을 하여 안정한 화합물로 변환이 된다.

이렇게 만들어진 화합물들은 흡착제에 그대로 있거나 CO2, 수증기, 혹은 다른 물질로 변화되어 공기 속으로 날아간다.

특징

Examples: activated carbon impregnated with NaOH or KOH for removal of acid gases

Chemisorption occurs favorably with higher temp and humidity.

화학흡착 (Chemisorption)

Part I Principles of Air Filtration

Part II Air Filters

Part III Dust Collectors

Part IV Adsorption

Part V Air Exchanger

환기장치 (Air Exchanger)

과거에는 에너지 회수를 하지 못하는 환풍기를 주로 사용

최근에는 에너지를 회수하면서 환기를 하는 추세

에너지 회수형 환기장치의 종류

판형

드럼형

열교환기 (HRV: heat recovery ventilator) 사용

Transfers only heat (sensible heat)

Appropriate for comparably colder and dryer climate area

에너지교환기 (ERV: energy recovery ventilator) 사용

Transfers heat (sensible heat) and some water vapor (latent heat).

Can keep indoor humidity more constant

Appropriate for warmer and more humid climate area

환기장치의 종류

환기장치의 예

바깥모양

내부모양

INSIDE Outside

Stale air

Supply fresh air

Outdoor air

Exhaust stale air

판형 열교환기

드럼형 열교환기 (Rotary Heat Exchanger)

Summer (cooling)

30oC 25oC

27oC 22oC

Winter (heating)

20oC 0oC

15oC 5oC

A Simplified Example for Utilizing Air Exchanger