여과

여과(濾過)는 유체만이 통과할 수 있는 복잡한 구조를 가진 여과 매체를 사용하여 혼합물로부터 고체 물질과 유체를 분리하는 물리적 분리 과정이다. 여과 매체를 통과하지 못하는 고체 입자는 오버사이즈(oversize)라고 하며, 통과하는 유체는 여과액(濾過液, filtrate)이라고 한다. 오버사이즈 입자는 여과기 위에 거름 케이크를 형성할 수도 있고, 여과기 격자를 막아 유체 상이 여과기를 통과하는 것을 방해할 수도 있는데, 이를 블라인딩(blinding)이라고 한다. 여과기를 성공적으로 통과할 수 있는 가장 큰 입자의 크기를 해당 여과기의 유효 기공 크기라고 한다. 고체와 유체의 분리는 완벽하지 않다. 기공의 크기, 여과기의 두께 및 생물학적 활동에 따라 고체는 약간의 유체로 오염될 수 있으며 여과액에는 미세 입자가 포함될 수 있다. 여과는 자연계와 공학 시스템 모두에서 발생하며, 생물학, 지질학 및 공업적 형태가 존재한다. 일상 생활에서는 조리된 파스타에서 조리수를 빼기 위해 콜런더를 사용하는 것처럼 "거르다"라는 동사가 더 자주 사용된다.

오일 여과는 품질을 저하시킬 수 있는 불순물을 제거하여 오일을 정제하는 방법을 말한다. 오염 물질은 기계 부품의 마모, 환경적 요인, 오일 교환 중 부적절한 취급 등 다양한 경로를 통해 오일로 유입될 수 있다. 오일 여과의 주요 목표는 오일의 성능을 향상시켜 기계를 보호하고 서비스 수명을 연장하는 것이다.

여과는 또한 유체 흐름에서 고체를 분리할 뿐만 아니라 동반, 식작용, 흡착 및 흡수를 통해 화학적 종과 생물학적 유기체를 제거하는 생물학적 및 물리적 시스템을 설명하는 데에도 사용된다. 그 예로는 완속 모래 여과기와 살수 여과기가 있다. 또한 유기체가 환경에서 작은 먹이 입자를 여과하기 위해 다양한 수단을 사용하는 대식작용의 일반적인 용어로도 사용된다. 미세한 종벌레부터 가장 큰 물고기 중 하나인 돌묵상어, 그리고 수염고래에 이르기까지 그 범위가 다양하며, 이들은 모두 여과 섭식자로 설명된다.

 정의 
물속으로 가라앉는 모래 같은 것이면 데칸테이션으로 분리시킬 수 있다. 그러나 흙과 같이 입자가 작아서 물 속에서 휘저었을 때, 곧 가라앉지 않는 것은 체로 쳐서 나누는 방법을 이용하면 된다. 이 경우 거름 종이가 체의 구실을 한다.  거름 종이는 특수한 셀룰로오스로 되어 있는 종이인데, 작은 틈이 있다, 보통은 둥근 거름종이를 사용하는데, 대개는 거름 종이를 넷으로 접은 다음 한쪽을 벌려서 원뿔꼴로 만들어 깔때기에 끼워서 사용한다. 이때 원뿔꼴 거름종이의 반면은 세겹이 되고 다른 쪽 반면은 흩겹이며, 사용되는 부분은 거름종이 전체의 절반에 해당한다. 거름종이를 여과할 액체에 적셔서 깔때기에 꼭 붙게 하고, 액체를 그릇에 조용히 유리 막대를 타고 흐르도록  하면서 거름종이 위에 붓는다. 이때 액체의 양은 깔때기에 댄 거름종이의 80%정도만 붓고 넘치지 않도록 주의해야 한다.  깔때기는 깔때기 받침으로 지지하고, 그 끝은 액체를 받는 비커의 벽에 닿게 하여 떨어지는 액체가 튀지 않고 벽을 타고 내리도록 한다. 이러한 조작을 여과라고 한다,  거름종이에 남은 고체는 물을 부어서 씻는다. 여과할 때 거름 종이에 남는 고체보다 여과액 쪽이 필요한 경우는 여과되는 속도를 빨리 하기 위해 거름 종이를 주름을 많이 잡아 꽃 모양으로 접어서 사용하기도 한다. 이것은 거름종이의 전면이 여과에 사용되므로, 넷으로 접은 경우보다 빨리 여과시킬 수가 있다.  많은 용액을 빨리 여과시키고자 할 때는 흡인 여과를 한다. 자기로 만든 브흐너 깔때기의 눈금접시 위에 거름종이를 액체에 적셔 붙이고, 깔때기를 고무 마개로 흡인병에 고정시켜서 수류펌프 등으로 흡인한다. 그러면 흡인병 속의 압력이 저하되어, 거름종이에 담긴 액체가 대기압으로 해서 급속히 여과된다.

 물리적 과정 
 여과는 유체가 액체, 기체 또는 초계임유체일 수 있는 현탁액에서 입자와 유체를 분리하는 데 사용된다. 응용 분야에 따라 성분 중 하나 또는 둘 다를 분리해낼 수 있다.
 여과는 물리적 조작으로서 화학적 조성이 다른 물질들을 분리할 수 있게 한다. 한 성분은 용해시키고 다른 성분은 용해시키지 않는 용매를 선택한다. 선택한 용매에 혼합물을 녹이면 한 성분은 용액이 되어 여과기를 통과하는 반면, 다른 성분은 남게 된다.
 여과는 화학공학에서 널리 사용된다. 여과기와 생물학적 소화 장치가 결합된 장치인 바이오필터에서처럼 공급 흐름을 처리하기 위해 다른 단위 조작과 결합될 수 있다.
 여과는 단일 구멍 층(체)에서 분리가 일어나는 체질(sieving)과 다르다. 체질에서는 체의 구멍을 통과하기에 너무 큰 입자가 걸러진다(체 분석 참조). 여과에서는 다층 격자가 여과기의 구불구불한 채널을 따라갈 수 없는 입자들을 잡아둔다. 오버사이즈 입자는 여과기 위에 케이크 층을 형성할 수도 있고 여과기 격자를 막아 유체 상이 여과기를 통과하는 것을 방해(블라인딩)할 수도 있다. 상업적으로 '필터'라는 용어는 분리 격자가 매우 얇아 표면이 입자 분리의 주요 구역이 되는 막에도 적용되지만, 이러한 제품들은 체라고 불릴 수도 있다.
 여과는 분리가 표면 전하에 의존하는 흡착과 다르다. 활성탄과 이온교환수지를 포함하는 일부 흡착 장치는 여과가 주요 기계적 기능이 아님에도 불구하고 상업적으로 필터라고 불린다.
 여과는 여과 매체가 없기 때문에 자석(일반적으로 윤활유, 냉각제 및 연료유)을 사용하여 유체에서 자기 오염 물질을 제거하는 것과 다르다. "마그네틱 필터"라고 불리는 상업용 장치가 판매되지만, 이 이름은 작동 방식이 아니라 용도를 반영한 것이다.
 생물학적 여과기에서는 오버사이즈 미립자가 포획 및 섭취되며, 그 결과 대사산물이 방출될 수 있다. 예를 들어, 사람을 포함한 동물의 경우 신장 여과를 통해 혈액에서 대사 노폐물을 제거하며, 물 처리 및 하폐수 처리에서는 완속 모래 여과에서처럼 여과 매체 위나 안에서 자란 생물막으로 원치 않는 성분을 흡착하여 제거한다.

 방법 
여과기는 고체 잔류물에서 원치 않는 액체를 제거하거나, 액체에서 원치 않는 고체를 깨끗하게 하거나, 단순히 고체와 액체를 분리할 목적으로 사용될 수 있다.

여과에는 많은 다른 방법들이 있으며, 모두 물질의 분리를 달성하는 것을 목표로 한다. 분리는 제거할 물질 또는 물체와 여과기 사이의 어떤 형태의 상호작용에 의해 달성된다. 여과기를 통과해야 하는 물질은 유체, 즉 액체 또는 기체여야 한다. 여과 방법은 대상 물질의 위치, 즉 유체 상에 용해되어 있는지 또는 고체로 현탁되어 있는지에 따라 달라진다.
섬네일|열간 여과. 에를렌마이어 플라스크에 담긴 용액을 핫플레이트 위에서 가열하여 플라스크 자체에서 고체가 재결정되는 것을 방지한다.
원하는 결과에 따라 즉, 열간 여과, 냉간 여과 및 진공 여과와 같은 여러 실험실 여과 기술이 있다. 원하는 결과를 얻는 주요 목적 중 일부는 혼합물에서 불순물을 제거하거나 혼합물에서 고체를 분리하는 것이다.
섬네일|left|뜨거운 용액에서 고체를 분리하기 위한 열간 여과
열간 여과 방법은 주로 뜨거운 용액에서 고체를 분리하는 데 사용된다. 이는 여과 깔때기와 용액에 닿는 다른 기구에서 결정이 형성되는 것을 방지하기 위해 수행된다. 그 결과, 기구와 사용되는 용액은 온도가 급격히 낮아지는 것을 방지하기 위해 가열되며, 온도가 낮아지면 깔때기에서 고체가 결정화되어 여과 과정을 방해할 수 있다. 깔때기에서 결정이 형성되는 것을 방지하고 효과적인 열간 여과를 수행하기 위한 가장 중요한 조치 중 하나는 줄기 없는 여과 깔때기를 사용하는 것이다. 여과 깔때기에 줄기가 없기 때문에 용액과 여과 깔때기 줄기 사이의 접촉 면적이 줄어들어 깔때기에서 고체의 재결정화를 방지하고 여과 과정에 악영향을 미치는 것을 막는다.

섬네일|냉간 여과. 얼음 수조를 사용하여 여과 과정을 거치기 전에 용액의 온도를 낮춘다.
냉간 여과 방법은 결정을 만들 용액을 실온에서 천천히 식히는 대신 얼음 수조를 사용하여 빠르게 냉각시키는 방법이다. 이 기술은 실온에서 용액을 냉각하여 큰 결정을 얻는 것과 반대로 매우 작은 결정을 형성하게 한다.

진공 여과 기술은 소량의 용액에서 작은 결정을 빠르게 건조시키기 위해 주로 선호된다. 이 방법에는 부흐너 깔때기, 깔때기보다 지름이 작은 거름종이, 부흐너 플라스크, 그리고 진공원에 연결할 고무 튜브가 필요하다.

원심 여과는 여과할 물질을 빠르게 회전시켜 수행한다. 밀도가 더 높은 물질은 수평 회전에 의해 밀도가 낮은 물질로부터 분리된다.

중력 여과는 혼합물을 높은 곳에서 낮은 곳으로 붓는 과정이다. 이는 종종 단순 여과를 통해 이루어지는데, 유리 깔때기에 거름종이를 넣고 액체는 중력에 의해 통과하는 동안 불용성 고체 입자는 거름종이에 걸러지게 된다. 물질의 양에 따라 여과 원뿔, 주름진 필터 또는 여과 피펫을 모두 사용할 수 있다. 중력 여과는 음식에서 조리수를 걸러내거나 액체에서 오염 물질을 제거하는 등 일상생활에서 널리 사용된다.

 여과력 
구동력이 공급될 때만 여과될 유체가 여과 매체를 통해 흐를 수 있다. 중력, 원심 분리, 여과기 위의 유체에 압력을 가하는 것, 여과기 아래에 진공을 가하는 것, 또는 이러한 요인들의 조합이 모두 이 힘에 기여할 수 있다. 간단한 실험실 여과와 거대한 모래층 여과기 모두에서 중력만 활용될 수 있다. 다공성 여과 매체를 담은 보울이 있는 원심분리기는 중력보다 몇 배 더 강한 원심력이 중력을 대신하는 여과기로 생각할 수 있다. 실험실 여과에서 여과 과정을 가속화하기 어려울 때 일반적으로 여과 매체 아래의 용기에 부분 진공이 제공된다. 사용되는 여과기의 유형에 따라 대부분의 산업용 여과 조작은 여과 속도를 높이고 필요한 장비의 양을 줄이기 위해 압력 또는 진공을 사용한다.

 여과 매체 

여과 매체는 물질의 분리를 수행하는 데 사용되는 재료이다.

실험실에서 사용되는 여과 매체에는 크게 두 가지 유형이 있다.
 표면 여과기는 고체 입자를 잡기 위한 망이 있는 고체 체이며, 때로는 거름종이의 도움을 받기도 한다(예: 부흐너 깔때기, 벨트 필터, 로터리 진공 드럼 필터, 십자류 여과기, 스크린 필터).
 심층 여과기(depth filter)는 고체 입자가 통과할 때 이를 잡아두는 과립 물질 층이다(예: 모래 여과기).

표면 여과기는 고체 입자, 즉 잔류물을 온전하게 수집할 수 있게 하지만, 심층 여과기는 그렇지 않다. 그러나 심층 여과기는 입자가 포획될 수 있는 표면적이 더 넓기 때문에 막힘 현상이 덜 발생한다. 또한 고체 입자가 매우 미세할 때는 고체 체를 세척하는 것보다 오염된 과립을 버리는 것이 더 저렴하고 쉬운 경우가 많다.
여과 매체는 용매나 세제로 헹구거나 역세척하여 세척할 수 있다. 대안으로 수영장 수처리 시설과 같은 공학적 응용 분야에서는 역세척을 통해 세척할 수 있다. 자동 세척 스크린 필터는 시스템 흐름을 중단하지 않고 스크린을 세척하기 위해 흡입 지점 역세척을 활용한다.

 여과기를 통한 흐름 달성 
유체는 압력 차이로 인해 여과기를 통해 흐른다. 즉 유체는 여과기의 고압 측에서 저압 측으로 흐른다. 이를 달성하는 가장 간단한 방법은 커피 필터 예시에서 볼 수 있듯이 중력을 이용하는 것이다. 실험실에서는 여과 과정을 더 빠르게 하기 위해 공급측에 압축 공기 형태의 압력(또는 여과액 측에 진공)을 가할 수 있지만, 이는 막힘이나 미세 입자의 통과를 유발할 수 있다. 대안으로 여과 시간을 단축하는 것이 중요한 산업 분야에서 흔히 사용되는 방법으로 펌프에 의해 가해지는 힘으로 액체가 여과기를 통해 흐르게 할 수 있다. 이 경우 여과기를 수직으로 설치할 필요가 없다.

 여과 보조제 
여과를 돕기 위해 특정 여과 보조제가 사용될 수 있다. 이들은 종종 압축되지 않는 규조토이며, 주로 실리카로 구성된다. 또한 나무 셀룰로스와 더 저렴하고 안전한 펄라이트와 같은 다른 불활성 다공성 고체도 사용된다. 활성탄은 색상이나 냄새를 바꾸는 등 여과액의 특성 변화가 필요한 산업 분야에서 자주 사용된다.

이러한 여과 보조제는 두 가지 다른 방식으로 사용될 수 있다. 슬러리가 여과되기 전에 프리코트(precoat)로 사용될 수 있다. 이는 젤라틴 유형의 고체가 여과 매체를 막는 것을 방지하고 더 맑은 여과액을 제공한다. 또한 여과 전에 슬러리에 첨가될 수도 있다. 이는 케이크의 공극률을 높이고 여과 중 케이크의 저항을 줄여준다. 로터리 여과기에서 여과 보조제는 프리코트로 적용될 수 있으며, 이후 이 층의 얇은 조각들이 케이크와 함께 깎여 나간다.

여과 보조제의 사용은 대개 케이크를 버리거나 침전물을 여과기에서 화학적으로 분리할 수 있는 경우로 제한된다.

 대안 
여과는 데칸테이션보다 혼합물의 분리에 더 효율적인 방법이지만 훨씬 더 많은 시간이 소요된다. 매우 적은 양의 용액이 포함된 경우 용액의 대부분이 여과 매체에 흡수될 수 있다.

여과의 대안은 원심분리이다. 고체와 액체 입자의 혼합물을 여과하는 대신, 혼합물을 원심 분리하여 (대개) 더 밀도가 높은 고체를 바닥으로 강제 이동시키며, 그곳에서 종종 단단한 케이크를 형성한다. 위에 있는 액체는 데칸테이션할 수 있다. 이 방법은 젤라틴질이나 미세 입자와 같이 여과가 잘 되지 않는 고체를 분리하는 데 특히 유용하다. 이러한 고체들은 각각 여과기를 막거나 통과할 수 있다.

 생물학적 여과 
생물학적 여과는 유기체 내부에서 일어날 수 있으며, 또는 여과되는 물질 내의 매체에서 생물학적 성분이 자랄 수도 있다. 고체, 유화된 성분, 유기 화학 물질 및 이온의 제거는 섭취 및 소화, 흡착 또는 흡수를 통해 달성될 수 있다. 생물학적 상호작용, 특히 다중 유기체 공동체의 복잡성 때문에 어떤 과정이 여과 결과를 달성하는지 결정하는 것이 불가능한 경우가 많다. 분자 수준에서 이는 종종 개별 유기체 내의 개별 촉매 효소 작용에 의한 것일 수 있다. 일부 유기체의 폐기물은 이후 다른 유기체에 의해 분해되어 가능한 한 많은 에너지를 추출하며, 그 과정에서 복잡한 유기 분자를 물, 이산화탄소 및 질소와 같은 매우 단순한 무기 종으로 환원시킨다.

 배설 

포유류, 파충류 및 조류에서 콩팥은 사구체가 요소와 같은 원치 않는 성분을 선택적으로 제거하고, 이어서 신체가 항상성을 유지하는 데 필수적인 많은 물질을 선택적으로 재흡수하는 신장 여과를 통해 기능을 수행한다. 전체 과정은 배뇨를 통한 배설이라고 한다. 이와 유사하지만 종종 덜 복잡한 해결책이 모든 동물에서 채택되는데, 심지어 원생동물에서도 수축포가 유사한 기능을 제공한다.

 생물막 

미생물막(생물막)은 박테리아, 파지, 효모, 그리고 종종 원생동물, 윤형동물 및 환형동물을 포함한 더 복잡한 유기체들의 복잡한 공동체이며, 이들은 젖은 기질 위에 역동적이고 복잡하며 빈번하게 젤라틴 같은 막을 형성한다. 이러한 생물막은 대부분의 강과 바다의 바위을 덮고 있으며, 각각 식수를 만들고 하수를 처리하는 데 사용되는 완속 모래 여과기 표면의 슈무츠데케(Schmutzdecke)와 살수 여과기의 여과 매체 위 막의 핵심적인 여과 능력을 제공한다.

생물막의 예로는 호수, 강, 바위 등에서 발견될 수 있는 생물학적 슬라임이 있다. 천연 생물막은 발달이 느리기 때문에 단일 또는 이중 종의 생물막을 활용하는 것은 새로운 기술이다. 바이오여과 과정에서 생물막을 사용하면 원하는 바이오매스와 필수 영양소를 고정된 지지체에 부착할 수 있다. 물을 다양한 공정에 재사용할 수 있도록, 바이오여과 방법의 발전은 폐수에서 상당한 양의 유출물을 제거하는 데 도움이 된다.

폐수를 생물학적으로 처리하는 시스템은 사람의 건강과 수질을 모두 향상시키는 데 매우 중요하다. 생물막 기술, 다양한 여과 매체에서의 생물막 형성 및 기타 요인들이 이러한 생물막의 성장 구조와 기능에 영향을 미친다. 생물막의 구성, 다양성 및 역학에 대한 철저한 조사를 수행하기 위해 다양한 전통적 및 현대적 분자 접근 방식도 취해진다.

 여과 섭식자 

여과 섭식자는 일반적으로 수생 환경을 여과하여 먹이를 얻는 유기체이다. 많은 원생동물이 여과 섭식자이며, 흡관충류처럼 물의 흐름 속에 유지되는 원형질의 딱딱한 스파이크부터 입으로 입자를 유도하기 위해 고동치는 섬모의 다양한 배열에 이르기까지 다양한 적응 방식을 사용한다. 여기에는 구강으로 입자를 끌어들이는 소용돌이를 만드는 복잡한 섬모 고리를 가진 종벌레와 같은 유기체가 포함된다. 이와 유사한 섭식 기술이 윤형동물과 태형동물에 의해 사용된다. 많은 수생 절지동물이 여과 섭식자이다. 일부는 다리의 털이 입자를 잡는 동안 물의 흐름을 입 쪽으로 만들기 위해 배다리를 리드미컬하게 휘젓는다. 일부 날도래목과 같은 다른 것들은 입자를 잡기 위해 물의 흐름 속에 고운 그물을 짠다.

 예시 
많은 여과 과정은 하나 이상의 여과 메커니즘을 포함하며, 하류 요소의 막힘을 방지하기 위해 종종 유체에서 미립자가 먼저 제거된다.

미립자 여과에는 다음이 포함된다:
 커피 추출물과 찌꺼기를 분리하기 위한 커피 필터.
 공기에서 입자를 제거하기 위한 공기조화 장치의 HEPA 필터.
 광업에서 귀금속을 추출하기 위한 벨트 필터.
 메릴-크로우 공정(Merrill–Crowe process)에 사용되는 것과 같은 수직 판형 여과기.
 고체를 포집해야 하는 제약 응용 분야 또는 배치 공정에서 일반적으로 사용되는 너체 필터(Nutsche filter).
 가열로 요소가 미립자로 오염되는 것을 방지하기 위해 여과를 사용하는 가열로.
 집진장치를 사용하여 운반되는 원치 않는 물질의 흐름을 멈추거나 늦추기 위해 여과를 자주 사용하는 산업용 배기 덕트 시스템과 같은 공압 이송 시스템.
 실험실에서 다공성 장벽 역할을 하는 거름종이와 함께 자주 사용되는 부흐너 깔때기.
 건물 환기 시스템, 내연 기관 및 산업 공정에서 공기 중 미립자 물질을 제거하기 위해 흔히 사용되는 공기여과기.
 자동차의 오일 필터(종종 캐니스터 또는 카트리지 형태).
 수조 여과기
 콜런더를 사용하여 음식에서 물을 걸러내는 것.

흡착 여과는 여과 매체에 의한 오염 물질의 흡착을 통해 오염 물질을 제거한다. 이는 여과 매체와 여과액 사이의 긴밀한 접촉을 필요로 하며, 통과하는 동안 확산을 통해 오염 물질이 매체와 직접 접촉하게 하는 시간이 걸리는데, 이를 이라고 한다. 흐름이 느리면 여과기 전체의 압력 강하도 줄어든다. 응용 분야에는 다음이 포함된다:
 세정기 필터를 사용하여 재호흡기 및 생명 유지 장치의 호흡 기체에서 이산화 탄소 제거.
 폐쇄된 서식지의 재순환 호흡 기체에서 휘발성 탄화수소, 냄새 및 기타 오염 물질을 제거하기 위한 활성탄 필터.

결합된 응용 분야에는 다음이 포함된다:
섬네일|수분 분리기(중앙)와 다이빙용 가스 혼합물을 위한 산소 호환 호흡 공기를 생산하기 위한 두 개의 고압 제품 필터 하우징(금색 아노다이징)을 보여주는 소형 고정식 바우어 고압 호흡 공기 압축기 설비.
 압축 호흡 공기 생산. 여기서 공기는 압축기로 들어가기 전에 미립자 필터를 통과하여 압축기를 손상시킬 수 있는 입자를 제거하고, 압축 후 냉각 후 액적 분리가 이어지며, 최종 제품 흡착 여과를 통해 가스 상태의 탄화수소 오염 물질과 과도한 수증기를 제거한다. 어떤 경우에는 이산화탄소 수치를 조절하기 위해 흡착 매체를 사용하는 프리필터가 사용되고, 산소 분율을 높이기 위해 변압 흡착이 사용될 수 있으며, 일산화 탄소 오염의 위험이 있는 경우 제품의 여과 매체에 홉칼라이트 촉매 변환기가 포함될 수 있다. 이러한 모든 과정은 광범위하게 제품 여과의 측면으로 지칭된다.
 완속 모래 여과기에서 생물막 여과를 이용한 음용수 처리.
 살수 여과기를 이용한 생물막 여과를 이용한 하폐수 처리.

 같이 보기 
 투석
 추출

 각주 및 참고 문헌 



 외부 링크 



분류:화학공학 공정
분류:분석화학