실내 공기청정기 필터가 초미세먼지와 냄새를 제거하는 원리는?

Question

HEPA 필터나 활성탄 필터는 각각이 역할이 다르다고 알려져 있습니다. 입자를 포집하는 것과 가스 흡착이 어떤 물리화학적인 원리로 이루어지게 되나요?

Answer 1

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

알고 계신데로 필터가 물질을 빨아드리는 것은 흡착 / 포집 으로 나뉩니다.

흡착은 화학적으로 잡는 것이고 포집은 물리적으로 잡는 것이라 이해하시면 됩니다.

흡착은 활성탄 필터의 역할인데 활성탄 자체는 고온을 통해 만들어진 물질로 내부에 많은 기공을 가지고 있습니다. 내부의 수분과 기체들이 빠져나가고 남은 구멍인데, 그 구멍의 수가 미세하게 아주 많이 존재하고 있습니다.

이 구멍속으로 냄새 분자가 들어가게 되면 내부 공간안에서 분자간의 인력이 작용하여 안쪽에 붙어버리고 외부로 배출되지 않는 것인데 이 분자간 인력이 화학적인 끌어당김에 해당합니다.

포집은 물고기를 잡는 그물과 같습니다. 섬유 형태의 헤파필터 속에는 다양한 구조가 복합하게 얽혀있습니다. 그 사이를 먼지가 지나가면 크기에 따라 여기저기 통과되면서 달라붙어 걸리게 되는데 이것이 포집의 원리 입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)

Answer 2

안녕하세요, 벚꽃의계절님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 실내 공기청정기가 초미세먼지와 냄새를 제거하는 원리는 물리학과 화학의 재미있는 법칙들을 활용한 결과물이랍니다. 공기청정기 내부에서 가장 핵심적인 역할을 하는 헤파(HEPA) 필터와 활성탄 필터가 각각 어떤 물리화학적 원리로 작동하는지 알기 쉽게 설명해 드리겠습니다.

1. [헤파 필터] 초미세먼지를 잡는 물리적 원리

헤파 필터는 머리카락보다 훨씬 가는 섬유들을 불규칙하게 엉키게 만들어 만든 거미줄 같은 구조입니다.

많은 사람들이 미세먼지가 촘촘한 채에 걸러지듯 필터에 걸린다고 생각하지만, 눈에 보이지 않는 초미세먼지는 공기의 흐름을 타고 섬유 사이를 통과할 수 있을 만큼 작기 때문에 실제로 헤파 필터는 미세먼지의 크기에 따라 다음 세 가지 물리적 원리를 조합하여 먼지를 포집하고 있습니다.

1) 직접 충돌(Inertial Impaction):

크기가 상대적으로 큰 미세먼지(직경 1마이크로미터 이상)는 무게와 질량이 있어서 관성이 큽니다.

공기는 필터 섬유를 피해 이리저리 꺾여서 흐르지만, 무거운 먼지는 공기 흐름을 따라가지 못하고 직진하다가 섬유에 쾅 부딪혀서 달라붙게 됩니다.

2) 차단(Interception):

크기가 중간 정도인 먼지들은 공기의 흐름을 타고 섬유 사이를 잘 통과하는 듯 보입니다.

하지만 이동 경로가 섬유와 너무 가까우면, 먼지의 가장자리가 섬유 표면에 살짝 스치면서 정전기적인 인력이나 마찰력 때문에 섬유에 붙잡히게 됩니다.

3) 확산(Diffusion):

크기가 0.1마이크로미터 이하인 아주 작은 초미세먼지는 질량이 너무 가벼워서 공기 중의 기체 분자들과 끊임없이 충돌합니다. 이 때문에 직진하지 못하고 갈팡질팡 불규칙하게 움직이는데, 이를 브라운 운동이라고 하는데요. 불규칙하게 헤매다 보니 오히려 섬유에 걸려들 확률이 높아져 필터에 포집되게 된답니다.

이처럼 크기가 큰 먼지는 충돌로 잡고, 아주 작은 먼지는 확산으로 잡기 때문에 역설적으로 그 중간 크기인 0.3마이크로미터 크기의 먼지가 가장 잡기 어렵습니다. 헤파 필터는 이 가장 통과하기 어려운 0.3마이크로미터의 먼지를 99.97% 이상 걸러낼 수 있도록 정밀하게 설계된 필터랍니다.

2. [활성탄 필터] 냄새와 가스를 잡는 화학적 원리

헤파 필터는 물리적인 알갱이인 먼지를 잡는 데는 탁월하지만, 냄새를 유발하는 기체 분자나 담배 연기, 새집증후군 원인 물질인 폼알데하이드 같은 가스 성분은 그냥 통과시켜 버립니다. 이는 기체 분자는 섬유 사이의 틈보다 비교할 수 없을 정도로 작기 때문인데요. 이 기체들을 잡기 위해 사용하는 것이 활성탄 필터이며, 핵심 원리는 흡착입니다.

1) 엄청난 표면적과 미세 기공:

활성탄은 숯을 고온의 증기로 가공하여 내부에 수많은 미세한 구멍(기공)을 뚫어놓은 물질입니다.

활성탄 단 1그램의 펼친 표면적이 축구장 하나 크기에 달할 정도로 넓습니다. 공기청정기 팬이 돌아가며 오염된 가스를 이 활성탄 사이로 통과시키면 가스 분자들이 이 무수한 구멍 속으로 흘러 들어갑니다.

2) 반데르발스 힘을 이용한 물리적 흡착:

미세한 구멍 속으로 들어간 냄새 가스 분자들은 활성탄 내부 벽면과 아주 가까워집니다.

이때 모든 분자 사이에 인력이 작용한다는 물리학 법칙인 반데르발스 힘에 의해 가스 분자들이 활성탄 표면에 자석처럼 착 달라붙게 됩니다. 액체가 표면에 맺히는 것과 비슷하다고 하여 이를 흡착이라고 부릅니다.

3) 화학적 흡착에 의한 보완:

가끔 물리적 흡착만으로 잘 붙지 않는 특수한 유해가스(산성 가스나 염기성 가스 등)가 있습니다.

이를 해결하기 위해 최근 활성탄 필터에는 특정 가스와 화학적으로 반응하여 강하게 결합하는 첨가제를 묻혀두기도 하는데요. 이를 화학적 흡착이라고 하며, 냄새 제거 효율을 극대화하는 역할을 하고 있습니다.

3, (참고사항) 실무 및 활용 조언

공기청정기의 두 필터는 작동 원리가 완전히 다른 만큼, 관리할 때도 주의가 필요합니다.

1) 헤파 필터는 물세탁 금지:

헤파 필터는 미세 섬유의 촘촘한 배열 구조와 정전기적 힘이 생명입니다. 물에 닿으면 섬유 구조가 무너지고 정전기 기능이 사라져 미세먼지를 잡는 능력이 치명적으로 떨어지므로 주기에 맞추어 새것으로 교체해야 합니다.

2) 활성탄 필터의 수명 이해:

활성탄 필터의 미세 기공에 냄새 분자가 꽉 차서 더 이상 붙을 자리가 없으면 냄새 제거 기능이 멈추고, 심지어 포화 상태가 되면 붙어 있던 냄새가 다시 밖으로 뿜어져 나올 수 있습니다. 따라서 집안에서 요리를 하거나 생선을 구울 때는 가스 분자가 너무 많이 발생하므로 공기청정기를 잠시 끄고 환기를 먼저 한 뒤, 남은 냄새를 잡는 용도로 공기청정기를 트는 것이 필터를 오래 쓰는 방법이랍니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉