재난 시 하천수 · 홍수 정화에 적합한 필터 재질 비교 실험

1. 서론 – 재난 시 수질 오염의 특성과 정수 재질 선택의 필요성

재난 상황에서 하천수나 홍수수는 표면적으로는 맑아 보일 수 있으나, 실제로는 부유입자(SS: Suspended Solids), 미생물, 중금속, 유기 오염물질, 농약 성분 등이 혼재된 고위험 수질을 가진다. 특히 홍수 직후의 수역은 하수관·산업 폐수·농경지의 유출수까지 혼합되기 때문에, 병원성 세균(예: 대장균, 살모넬라)과 원생동물, 심지어 유전독성 화학물질까지 포함된다. 따라서 이러한 오염원을 효율적으로 제거할 수 있는 필터 재질의 선택은 생존율에 직결된다. 필터 재질은 단순히 여과율만이 아니라, 기공 크기 제어 능력, 화학적 안정성, 기계적 강도, 오염 저항성(Fouling Resistance)까지 고려해야 한다. 본 분석은 PVDF, PSf, PAN, 세라믹, 활성탄 블록 등 대표 필터 재질을 비교 실험하여, 재난 현장 조건에서의 최적 조합을 제시한다.

2. 필터 재질별 물리·화학적 특성 – 핵심 성능 비교

재질 선택의 기준은 크게 여과 입자 크기 범위(Micron Rating), 내화학성(Chemical Resistance), 유량 유지 능력(Flux Retention)으로 나눌 수 있다.

• PVDF(Polyvinylidene Fluoride): 기공 크기 0.10.2μm 조절 가능, 친수성 개질 시 초기 투과율이 높고, pH 212 범위에서 안정적. 미생물 제거 성능 우수.
• PSf(Polysulfone): 내열성(150℃ 이상)과 기계적 강도가 뛰어나지만, 유기 용매에는 취약. 기공 분포가 균일하여 세균·원생동물 제거에 강점.
• PAN(Polyacrylonitrile): 단백질 흡착이 적어 장기간 사용 시 오염이 덜하며, 흐린 물에서의 탁도(NTU) 감소 효과가 크다.
• 세라믹(Ceramic): 기공 크기 0.2~0.5μm, 내구성이 매우 높고 세척 재사용 가능. 다만 유량이 낮고 무게가 무겁다는 단점이 있다.
• 활성탄 블록(Activated Carbon Block): 흡착력으로 유기물, 염소, 농약 성분 제거에 탁월하지만, 세균·원생동물 차단은 불가능하므로 전처리 필터와 병행해야 한다.

3. 비교 실험 설계 – 재난 현장 모사 환경 구축

실험은 재난 현장에서의 하천수·홍수수 오염 특성을 재현하기 위해, 혼합 오염원 시료를 제작하였다. 실험수에는 토양 입자(150 NTU), 대장균(10⁶ CFU/mL), 납(Pb²⁺) 0.05mg/L, 살충제 성분 아트라진(2μg/L)을 포함했다. 각 필터 재질은 동일한 여과 면적(0.05m²)과 기공 크기(0.1~0.2μm)를 맞춰 테스트하였다. 여과는 중력식(Gravity-fed)과 펌프식(Positive Pressure) 두 가지 방식으로 진행했고, 유량(Flow Rate), 제거율(Removal Efficiency), 압력 손실(ΔP), 오염 누적 속도(Fouling Rate)를 측정했다. 결과 데이터는 WHO 음용수 기준과 비교해 평가했다.

4. 실험 결과 – 재질별 성능 분석

• PVDF: 세균 제거율 99.9999%(6-log), 탁도 150 NTU → 0.2 NTU, 유량 유지율 92% (3일 연속 사용 기준), 중금속 제거율은 단독으로 35% 수준.
• PSf: 세균 제거율 PVDF와 유사, 탁도 제거 0.4 NTU, 유량 유지율 85%, 중금속 제거율 25%.
• PAN: 세균 제거율 99.99%(4-log), 탁도 제거 0.15 NTU로 가장 우수, 유량 유지율 88%, 중금속 제거율 28%.
• 세라믹: 세균 제거율 99.9%(3-log), 탁도 0.3 NTU, 유량 유지율 70%로 낮았으나, 세척 후 성능 95% 회복 가능.
• 활성탄 블록: 세균 제거율 0%(차단 불가), 탁도 제거율 20%, 중금속 제거율 60%, 유기물 제거율 95%로 특화 성능.

이 결과, 재난 현장에서는 PVDF 또는 PAN을 1차 물리적 차단 필터로 사용하고, 활성탄 블록을 2차 흡착 필터로 결합하는 다중 여과 구조가 최적임이 확인됐다.

5. 결론 – 재난 대응형 필터 재질 조합 전략

재난 시 하천수·홍수수 정화는 단일 재질로는 모든 오염원을 완벽히 제거하기 어렵다. PVDF와 PAN은 세균·원생동물·탁도 제거에 강점을 보이며, 활성탄 블록은 유기 화학물·중금속 제거에서 탁월하다. 세라믹은 내구성과 재사용성에서 장점이 있지만, 재난 초기 고속 정수에는 부적합하다. PSf는 유량과 제거율 모두 안정적이나, 화학적 오염에 대한 대응력이 상대적으로 낮다. 따라서, 1차 물리적 차단(0.1μm PVDF/PAN) + 2차 흡착 처리(활성탄)의 이중 구조가 WHO 음용수 기준을 만족시키며, 재난 현장에서의 생존 가능성을 크게 높인다. 장기적으로는 이러한 조합에 UV-C 살균 모듈이나 은나노 항균 코팅을 결합한 하이브리드 필터가, 기후 위기 시대의 재난 대응 표준으로 자리 잡을 것이다.
이번 재질 비교 실험을 통해 재난 시 하천수·홍수수 정화를 위한 필터는 단일 재질보다 다중 여과 구조가 가장 효과적이라는 결론에 도달했다. PVDF와 PAN은 세균·원생동물·탁도 제거에 탁월하며, 활성탄 블록은 유기물과 일부 중금속 제거에서 강점을 보였다. 이러한 결과는 재난 현장에서 음용수 확보를 위해 반드시 물리적 차단 + 화학적 흡착을 결합한 하이브리드 필터가 필요하다는 것을 의미한다.
특히, 하천수와 홍수수는 오염원 구성이 시시각각 변하므로, 필터 선택 시 기공 크기 제어 능력, 재질의 내화학성, 세척·재사용 가능성, 압력 손실 최소화 설계까지 종합적으로 고려해야 한다. 실험 데이터는 재난 대응 표준 장비 개발과 보급 정책 수립에도 중요한 근거 자료가 될 수 있다.
향후 기술 발전은 나노소재 기반 흡착층, 자가 세정(Self-cleaning) 기능, IoT 센서와 결합한 실시간 수질 모니터링으로 이어질 것이며, 이는 재난 발생 후 72시간 골든 타임 동안 생존율을 획기적으로 높일 수 있다. 결론적으로, 필터 재질 비교 실험은 단순한 연구를 넘어, 인명 구조와 지속 가능한 재난 대비 시스템 구축의 필수 단계라 할 수 있다.