절삭, 연삭 등의 공작기계를 다루는 작업장에서는 공작물의 냉각 및 윤활을 위해 사용되는 절삭유가 작업 중에 쉽게 미스트화 되어 작업자의 호흡기 질병을 유발시킬 수 있다[1][2]. 미국의 국립산업안전보건연구원(National Institute for Occupational Safety and Health; NIOSH)에서는 1998년도부터 절삭유 미스트 노출량에 대한 기준치를 0.4 mg/m³로 마련하였으며 최근에는 비수용성에서 수용성 절삭유로 전환됨에 따라 실질적으로는 0.2 mg/m³ 수준에서 관리되고 있다[3].

일반적으로 공작 기계에서 발생하는 오일 미스트는 1 ㎛이상의 크기를 나타내고 있으나 용접, 열처리나 연삭 등의 일부 고온 공정에서는 절삭유의 휘발성 성분이 증발, 응축하는 과정에서 1.0 ㎛이하의 초미세입자 형태로 발생되기 때문에 더욱 위험할 수 있다[4]. 최근에는 환기장치를 이용하여 작업자를 공작기계로부터 공간적으로 분리시켜 배기시키고 있으나 이러한 공작기계 작업장에서의 미세한 오일 미스트를 처리하기 위한 효율적인 방법이 요구되고 있다.

또한, 숯이나 가스 등의 연료를 사용하여 육류 및 생선류를 직접 구이하는 방식으로 조리하는 직화구이 음식점에서 배출되는 배기가스는 주로 육류의 지방성분인 육즙이 화염과 직접 접촉하여 미스트 형태로 발생하게 되는데 이러한 배가가스 중의 오일 미스트는 인체 위해성이 높은 PM2.5(직경이 2.5 ㎛이하의 초미세입자)의 형태로 배출되고 있어 이에 대한 대책 마련도 필요하다[5][6].

이러한 다양한 오일 미스트를 제거하는 방법으로 사이클론 집진기, 필터 집진기, 전기집진기 등의 다양한 방법들이 개발되고 있지만 아직까지도 1 ㎛이하급의 미세한 오일 미스트를 처리하는 방법에는 한계를 나타내고 있다. Boundy et al.[7]은 금속 메쉬, 카트리지 필터, 헤파필터 등의 전처리 필터와 고성능 필터에 대하여 시간에 따른 오일 미스트 처리 성능을 살펴보았고, 전처리 필터는 시간에 따른 1 ㎛이하의 미스트에 대한 효율 저하가 나타났고, 고성능 필터는 집진효율은 유지되나 압려손실이 지속적으로 증가하는 특성을 나타냄을 확인하였다.

Leith et al. [8]은 절삭유 미스트를 효과적으로 처리하는 방법으로 헤파필터를 분석하였으나 헤파필터의 수명을 연장시키기 위해서는 상단에 효과적인 전처리 장치가 요구되고, 안정적인 운전을 위해서는 지속적인 유지관리가 필요하다고 결론지었다. Letts et al. [9]은 오일 미스트를 효율적으로 처리하기 위해 유리섬유, 폴리에스테르, 폴리아미드 재질에 대한 적절한 필터 미디어 선정 연구를 수행하였고, 폴리아미드와 같은 높은 표면에너지를 갖는 섬유가 쉽게 포집된 미스트를 탈착하여 압력손실의 증가를 억제할 수 있음을 보여주었다. Lee et al. [10]는 직화구이 음식점에서 전기집진기, 백필터 및 전기집진과 촉매 복합 시스템에 대하여 입자상 물질 제거 성능을 비교했는데, 모든 방식이 0.4-10 ㎛영역에서는 상당한 제거 효과를 나타내었으나 0.4 ㎛이하의 크기에서는 집진 방식에 관계없이 제거 효과가 미약한 것으로 나타났다.

Hwang et al. [11]은 섬유 염색공정에서 발생하는 오일 미스트를 처리하는 파일럿급의 전기식 오일 포집 연구를 수행하여 80-93 %의 복합악취, 60-81 %의 TVOC를 처리하였다고 보고하였으나 미스트에 대한 직접적인 처리성능과 관련하여는 굴뚝에서의 가시적인 사진 비교만을 수행하였고 집진효율에 대한 세부적인 결과를 제시하지 못하였다. Yi et al. [12]는 오일 미스트 처리를 위한 사이클론 연구를 수행하였고, 베인 개수를 10개로 증가시켜 사이클론의 절단 입경을 2.5 ㎛수준까지 집진 성능을 향상시킬 수 있었으나 압력손실이 250 mmAq 까지 상승하는 결과를 얻었다. Kim et al. [13]은 반도체 공정에서 발생하는 백연 미스트와 부식성 가스를 동시처리하기 위해 전기집진기와 스크러버 복합 시스템을 개발하였고 마이크로급 직경의 탄소 브러쉬 방전극을 사용하여 낮은 소비전력에도 1 ㎛급 이하의 백연 미스트에 대한 높은 집진효율을 얻을 수 있었다. 하지만 전기집진기 전단에 분무형 스크러버가 설치되어 미세입자의 성장을 유도하였으므로 1 ㎛급 이하급의 미세입자에 대한 전기집진기의 직접적인 집진효율로 보기 어렵고 부식성 가스를 처리하기 위해 알루미늄 집진판에 PVC 비금속 코팅을 하였기 때문에 인가전압 상승과 집진효율 저하 문제가 발생할 수 있다.

본 연구에서는 마이크로 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 금속 집진부로 구성된 저전력 소비형 2단형 전기집진기를 개발하였고 인체 위해성이 높은 0.3 ㎛급의 미세한 오일 미스트에 대한 인가전압 및 소비전력별 집진효율 특성을 살펴보았다. 하전부의 인가전압에 따른 단위 입자당 하전율과 입경별 집진효율을 측정하였고 Cochet 이론[14]에 근거한 계산값과 비교해 보았으며, 9주 동안의 장시간 운전을 통해 지속적으로 포집된 오일 미스트에 의한 전기집진기의 성능 변화를 살펴보았다.

미스트 포집장치로는 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부의 2단형 전기집진기를 사용하였다. 탄소 브러쉬 하전부는 가로 400 mm, 세로 400 mm, 두께 100 mm의 크기이고, 16개의 탄소 브러쉬 방전극이 4 x 4 채널로 이루어진 사각 덕트형 접지극의 중간에 배치되도록 구성하였다. 평판형 집진부는 가로 456 mm, 세로 467 mm, 두께 260 mm의 외형 크기로 이루어져 있고, 내부에 400 mm x 200 mm 크기 및 1 mm의 두께를 갖는 알루미늄 판이 다수개가 평행하게 판 간격 3 mm으로 배열되어 집진판의 유효면적은 약 8.0 m²가 되는 집진부를 사용하였다. Fig. 1은 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부로 이루어진 오일 미스트 포집용 전기집진기를 400 mm x 400 mm의 시험덕트에 연결하여 풍량과 입자 하전량 및 오일 미스트 집진효율을 측정하기 위한 실험장치 구성도를 나타내고 있다. Fig. 1의 상단에 확대된 그림과 같이 탄소 브러쉬는 직경이 5-10 ㎛크기의 탄소섬유 수백 개를 5 mm 길이로 수축 튜브를 이용하여 엮어서 다발로 만들어 사용하였다.

Figure 1: 
Schematic diagram for oil mist collection tests of the two-stage electrostatic precipitator.

시험입자로는 절삭유가 담겨진 의료용 네뷸라이저(nebulizer)에 필터링한 압축공기를 주입하여 미스트화 하여 발생시켰고 분무 과정에서 발생되는 초기의 하전 특성을 줄이기 위해 Kr-85 방사성물질 중화기와 20 kV의 고전압이 인가된 길이 300 mm, 폭 100 mm, 높이 20 mm의 평판형 콘덴서를 통과시켰다. 덕트로 주입된 오일 미스트는 헤파필터를 통과한 유입 공기와 혼합되어 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부로 이루어진 2단형 전기집진기를 통과하고 오리피스 유량계를 거쳐 밖으로 배출되도록 구성하였다. 탄소 브러쉬 하전부 후단에는 하전된 입자의 평균 하전량을 측정하기 위해 Aerosol Electrometer (Model 3068A, TSI)와 Condensation Particle Counter (Model 3776, TSI)을 연결하였고, 평판형 집진부 후단에는 오일 미스트의 전기집진기 작동 전후의 크기분포를 측정하기 위해 Aerosol Spectrometer (Model 1.109, Grimm)을 연결하였다.

탄소 브러쉬 하전부에서 하전된 미스트의 평균하전량(q)은 다음 식을 통해 구할 수 있다.

여기서, Q_p는 Aerosol Elecrometer로 측정된 미스트 입자의 총 하전량(개/cm³)을 나타내고, N은 Condensation Particle Counter로 측정된 미스트 입자의 총 입자개수(개/cm³)를 나타낸다.

한편, 본 2단형 전기집진기의 오일 미스트에 대한 집진효율은 전기집진기의 하류측에서 집진기를 작동하지 않았을 때와 작동했을 때의 입자 농도를 Aerosol Spectrometer로 계측하고 다음 식으로 산출하였다.

여기서, η는 전기집진기의 입경별 집진효율(%), n₁은 집진기 가동 전의 미스트 입경별 개수농도 (개/m³), n₂는 집진기 가동 후의 미스트 입경별 개수농도(개/m³)를 의미한다.

또한 2단형 전기집진기의 입자 특성에 따른 차이를 살펴보기 위해 일반적인 공기청정기 성능시험(SPS-KACA002-132, 2006)에 사용되는 시험입자인 KCl 입자를 0.1 % 수용액 상태로 네뷸라이저로 분무시키고[15] 중화기와 평판형 콘덴서를 통과시켜 발생시켜서 오일 미스트와의 집진효율을 비교해 보았다.

본 연구에서는 탄소 브러쉬 하전부와 평행형 금속 집진판으로 구성된 오일 미스트 포집용 2단형 전기집진기를 개발하여 하전부의 인가전압별 미스트 입자의 평균 하전율과 유속별 집진효율을 살펴보았고 9주 동안의 장시간 운전을 통해 집진효율 성능 저하 특성을 살펴보았다. 또한 Cochet의 이론 하전율을 이용하여 단위 입자당 평균 하전율과 하전부 인가전압별 집진효율을 계산하여 실험값과 비교해 보았다. 탄소 브러쉬 하전부의 인가전압을 증가시킬수록 단위 입자당 평균 하전율은 증가하였고, 입경별 집진효율도 측정 입경 범위 내에서 전체적으로 증가하는 특성을 나타내었으며, 이론적인 계산과도 거의 일치하였다.

한편, 탄소 브러쉬 하전부의 1.9 W 수준의 낮은 소비전력에도 유량 576 m³/h 조건에서 0.3 ㎛미스트 기준으로 99 % 수준의 높은 집진효율을 얻을 수 있었다. 한편 9주 동안의 운전에도 초기 성능인 98-99 % 수준의 집진효율을 지속적으로 유지하여 장기 연속 운전에 따른 성능저하가 크지 않은 것을 확인할 수 있었다.

하지만 향후 추가적인 연구를 통해 고농도의 미스트 농도 분위기에서 20-50주 이상의 장기간 운전 과정에서의 집진 내구성 시험을 통해 하전부와 집진부의 교체 또는 세정 주기를 파악해야 할 것이고, 오일 미스트 발생 작업장 또는 직화구이 현장에서의 실증 연구를 수행하여 개발된 탄소 브러쉬 전기집진기의 최적의 작동 운전 조건과 유지 관리 방안을 마련할 필요가 있다.