프리필터와 활성탄 필터의 이중 결합 방식이 여과 수율에 미치는 영향

1. 서론 – 다단 여과 시스템의 필요성과 프리필터·활성탄 필터의 역할

재난 대응, 산업용 수처리, 가정용 정수 시스템 등에서 단일 필터 방식은 오염원의 다양성과 농도 변화에 대응하는 데 한계가 있다. 특히 원수(原水)에 포함된 부유물질(SS, Suspended Solids), 미세토사, 녹, 조류와 같은 입자성 오염물은 활성탄 필터의 미세공극을 빠르게 막아 수율(Flux Yield)을 급격히 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 설계되는 것이 프리필터(Pre-filter)와 활성탄 필터의 이중 결합 방식(Dual-Stage Filtration)이다. 프리필터는 1차 단계에서 5~20μm 이상의 입자를 물리적으로 제거하고, 활성탄 필터는 2차 단계에서 흡착(Adsorption) 작용을 통해 염소, 휘발성 유기화합물(VOCs), 농약, 냄새 물질 등을 제거한다. 이 구조는 여과 효율뿐 아니라 필터 수명, 유지보수 비용, 최종 수질 안정성을 결정짓는다.

2. 프리필터 단계 – 물리적 차단과 전처리 효율

프리필터는 보통 폴리프로필렌(PP) 멜트블로운(Melt-blown) 방식, 주름형(pleated) 폴리에스터, 또는 세라믹 소재로 제작된다. 주요 기능은 활성탄 필터에 도달하기 전 원수의 탁도(Turbidity)를 낮추고, 압력 손실을 최소화하여 2차 필터의 유량 유지율을 높이는 것이다. 실험적으로 150 NTU의 탁도를 가진 원수를 프리필터만 거쳤을 때 10 NTU 이하로 감소했으며, 5μm 등급 필터의 경우 총 부유물 제거율(SS Removal Efficiency)이 90% 이상을 기록했다. 프리필터의 이러한 전처리 과정은 활성탄 필터의 흡착 활성면적(Specific Surface Area)을 보존하고, 미세공극의 조기 폐쇄(Clogging)를 예방한다.

3. 활성탄 필터 단계 – 화학적 흡착과 미세 오염물 제거

활성탄 필터(Activated Carbon Filter)는 주로 코코넛 껍질 기반 활성탄이나 석탄계 활성탄을 고온 활성화하여 제조하며, 표면적이 800~1,200 m²/g에 달하는 미세공극 구조를 가진다. 이 필터는 반데르발스 힘(Van der Waals force)과  결합을 이용해 염소, 페놀류, 벤젠, 살충제 등 유기화합물을 흡착한다. 또한, 활성탄은 잔류 염소를 제거하여 물맛과 냄새를 개선하며, 일부 중금속(납, 수은 등) 제거에도 효과가 있다. 하지만 원수의 탁도가 높을 경우, 활성탄의 미세공극이 입자성 오염물로 빠르게 막혀 흡착 수율이 급감한다. 이는 프리필터와 결합하지 않은 단일 활성탄 필터 시스템에서 흔히 발생하는 조기 포화(Early Saturation) 문제다.

4. 이중 결합 방식이 여과 수율에 미치는 영향 – 실험 데이터 분석

프리필터(5μm)와 블록형 활성탄 필터를 직렬로 연결하여 500L의 오염수를 처리한 실험에서, 단일 활성탄 필터 시스템 대비 **평균 여과 유량(Flow Rate)**은 32% 향상되었으며, 총 처리 용량은 1.8배 증가했다. 또한, 프리필터가 부유물 부하를 85% 이상 흡수함으로써 활성탄 필터의 유효 흡착 표면적 손실률이 50% 이하로 유지되었다. 압력 손실 측면에서도, 단일 활성탄 필터는 300L 처리 시 ΔP가 0.25 MPa까지 상승한 반면, 이중 결합 시스템에서는 0.12 MPa로 유지되었다. 이는 장기간 사용 시 수율 유지율(Flux Retention)이 높아져 교체 주기를 연장시키고, 운영 비용을 절감할 수 있음을 의미한다.

5. 결론 – 재난 및 상용 수처리에서의 최적 설계 방향

프리필터와 활성탄 필터의 이중 결합 방식은 단순히 두 개의 필터를 연결하는 수준이 아니라, 입자성 오염물과 용존성 오염물의 제거 메커니즘을 단계적으로 최적화하는 설계다. 재난 현장에서 하천수·홍수와 같이 부유물과 유기오염이 혼재된 원수를 처리할 때, 이 구조는 필터 수명과 여과 수율을 획기적으로 향상한다. 산업용·가정용 정수기에서도 동일한 원리가 적용되며, 장기적으로는 여기에 은나노 항균층, UV-C 살균 모듈, MOF 흡착층을 결합한 다중 방어형(Dual-Barrier) 시스템이 표준이 될 것이다. 결론적으로, 프리필터와 활성탄 필터의 최적 조합은 수처리 공학에서 단기 성능뿐 아니라 장기 운영 효율과 안전성을 동시에 보장하는 핵심 설계 전략이다.
프리필터와 활성탄 필터의 이중 결합 방식은 단순한 필터 병렬 배치가 아닌, 여과 공정 최적화를 위한 과학적 설계 결과물이다. 프리필터가 1차로 부유물과 탁도를 낮춤으로써 활성탄 필터의 미세공극 폐쇄를 지연시키고, 흡착 성능을 장기간 유지하게 한다. 그 결과, 동일 조건에서 단일 활성탄 필터 대비 여과 수율은 현저히 높아지고, 교체 주기와 유지보수 비용까지 줄일 수 있다.
실험 데이터에서도 이중 결합 구조는 장기간 사용 시에도 압력 손실을 완화하고, 총 처리 용량을 1.5~2배 이상 향상하는 것으로 확인되었다. 이는 재난 상황에서 원수의 오염도 변화가 심한 조건에서도 안정적인 음용수 공급을 보장하는 핵심 설계임을 입증한다.
향후 수처리 기술은 이러한 이중 여과 구조에 은나노 항균층, UV-C 살균 모듈, MOF 흡착층 등 첨단 기능을 결합하여, 다중 방어형 고효율 여과 시스템으로 발전할 것이다. 결론적으로, 프리필터와 활성탄 필터의 조합은 단기 성능뿐 아니라 장기적인 수질 안전성·경제성까지 고려한 필수적 설계이며, 이는 재난 대응 장비뿐만 아니라 상용 정수 시스템에서도 표준화될 필요가 있다.