여     과

실습목표

여과의 원리와 방법을 이해한다.

여과기의 종류와 구조를 이해하고 설명한다.

실습을 통하여 여과기를 조작할 수 있는 능력을 기른다.

실습 재료

거름종이(7종류), 녹말, 유리 봉, 빨간 분필, 황산바륨, 고무마개

기기/기구

진공펌프, 원심 분리기, 필터 프레스, 진공계, 아스피레이터, 뷰흐너 깔때기,

흡인병, 깔때기, 둥근 플라스크

관계 이론

여과의 원리

여과란 유동성이 있는 고체-액체 혼합물을 다공성의 여과재를 지나게 하여, 고체는 여과재로 걸러주고, 액체는 통과시켜 분리시키는 조작이다. 이때. 여과재를 통과한 액을 여액(Filtrate)이라고 하고, 여과재에 걸러져서 남은 고체 덩어리를 케이크(cake)라고 한다.

여과재로 실험실에서는 거름종이, 유리 여과기, 유리 섬유, 석면 등이 사용되며, 공업적으로는 직물, 철망, 다공성 금속, 모래 등이 사용된다. 유체를 여과재에 통과시키기 위하여 압력차를 이용하는데 압력차를 발생시키는 방법에 따라 중력식, 가압식, 감압식, 원심분리식 여과 등으로 나눌 수 있다.

여과를 하기 전에 여과막이 막히는 것을 방지하기 위하여 여과 원액에 규조토나 펄프와 같은 여과 조제를 넣어주기도 한다.

여과 조작은 술 등 양조 제조공정과 정수 공정, 안료 및 염료 공정에서 많이 사용되고 있으며, 여과 대상 물질의 특성에 따라 여과 조작 조건을 잘 맞추어 주어야 한다.

여과기의 종류

모래 여과기(Sand Filter)

중력을 이용한 중력 여과기와 밀폐된 공간에 압력을 가하여 작동하는 압력식 여과기가 있다. 아래 층에 자갈을 놓고 위에 모래를 쌓아 놓아 슬러지가 위층의 모래 위에 쌓이게 된다. 슬러지가 어느 정도 쌓이면 펌프로 역세를 하여 슬러지를 제거한다. 상수도의 처리에서 많이 사용되고 있다.

가압 여과기(Filter Press)

하수 처리장과 같이 슬러지가 많은 여과액을 탈수 처리할 때 사용되며, 가압 여과기를 통과하게 되면 여액(Filtrate)과 케이크(Cake)로 분리된다.

가압 여과기의 여과 공정은 다음과 같다.

원액 슬러리를 <그림 Ⅱ-22(A)>와 같이 주입구를 통하여 가압 여과기에 공급한다.

<그림 Ⅱ-22(B)>와 같이 가압 여과기를 압축하면 케이크(Cake)가 여과판 사이      에서 만들어지며, 여액(Filtrate)는 여과판의 아래 구멍으로 배출된다.

케이크가 여과판 사이에 가득 차면 <그림 Ⅱ-22(C)>와 같이 케이크를 제거한다.

진공 여과기(Vaccum Filter)

여과포가 붙어 있는 원통을 회전시키면서 원심력에 의한 압력차를 발생시켜 여과, 탈수, 케이크 제거가 연속적으로 이루어지게 하는 장치이다. 이러한 원리를 이용한 여과기로는 올리버 여과기(Oliver Filter)가 많이 사용된다.

여과 재료

거름종이

용액에서 용매와 녹아 있는 용질은 통과시키지만 크기가 큰 용질(녹지 않은 용질)은 통과하지 못하게 해서 고체와 액체를 분리하는 종이이다. 실험실에서 주로 사용되며, 거름종이의 구멍이 비교적 크고, 또한 고르지 못하여 정성적인 실험을 하는데 많이 사용된다. 거름종이는 보통 원형이며 지름이 4.0 cm에서 10 cm의 것이 많이 사용되고 있고, 정량 분석용으로 사용되는 거름종이는 형태와 크기가 다를 수 있다. 원형 거름종이의 지름은 사용하는 깔때기의 주둥이 지름보다 1 cm 쯤 작은 것이 좋다. 거름종이를 사용할 때는 원형의 거름종이를 반으로 접은 뒤, 다시 한번 반으로 접어 1/4의 원을 만들고, 가운데를 열어 원뿔 모양이 되게 한 후, 깔때기에 집에 넣어 사용한다.

모래

고운 모래의 알갱이를 체로 걸러서 염산과 함께 끓여서 불순물을 제거한다. 물로 깨끗이 씻은 다음, 가열하여 여과재료로 사용할 모래를 만든다. 이렇게 처리된 모래는 강한 산성의 여과에 적합하며, 상수도 처리에 많이 사용된다.

여과천(Filter Cloth)

거름종이로 여과액을 거르게 될 경우, 여과 후 거름종이에 부착된 물질을 떼어내기가 어렵다. 이럴 경우에는 거름종이 대신에 여과천을 사용하면 편리하다. 여과천 재질로는 면, 양모 등 천연물질과 아크릴 섬유 등 합성 고분자 물질이 있다. 거름종이는 한 번 사용하면 재사용이 불가능하지만 여과천은 세척하여 다시 사용할 수 있다.

여과 조작 기구

깔때기

윗부분은 폭이 넓고 아랫부분은 폭이 좁아 한 용기에서 다른 용기로 물질을 옮길 때 주로 쓰인다. 깔때기의 아랫부분이 비스듬하게 잘려 있는데, 이 부분을 비커 벽에 대고 액체 물질을 흘려 보내면 액체가 튀는 것을 막을 수 있기 때문이다. 깔때기는 사용되는 용도에 따라 여러 종류가 있으며, 표준형은 지름 45～70mm, 다리길이 45～70mm, 입구가 60°, 밑면의 기울기가 45°이다. 여과액의 점도와 고체 물질의 종류와 농도에 따라 여과 속도가 달라지기 때문에 이에 맞는 적절한 깔때기를 사용하여야 한다. 많은 용액을 여과할 때에는 뷰흐너 깔때기를 아스피레이터와 함께 사용하며, 여과액을 조절하거나 분별할 때에는 콕 깔때기를 사용한다.

여과 구동 기구

원액을 여과재에 통과시키는 구동력에 따라서 중력 여과, 가압 여과, 진공 여과, 흡인 여과(감압 여과), 압착, 원심 분리 여과 등이 있다. 실험실에서는 거름종이를 이용한 중력 여과와 아스피레이터를 이용한 흡인 여과, 그리고 진공펌프를 이용한 진공 여과가 많이 사용된다.

안전 및 유의사항

진공 펌프 및 아스피레이터로 여과 조작을 할 때에는 모든 연결 부분에 틈이 생      기지 않도록 장치를 꾸민다.

거름종이를 이용하여 여과 조작을 할 때 여과액이 튀지 않도록 조심한다.

거름종이를 깔때기에 넣기 전에 살며시 물에 적셔서 깔때기와 거름종이 사이에     틈이 생기지 않도록 한다.

실습순서

거름종이와 깔때기를 이용한 여과 조작

종류가 다른 거름종이 7장을 모양이 같은 깔때기에 접어 넣는다.

200 ㎖ 비커에서 녹말과 물을 혼합하여 10 wt%의 혼합 녹말용액 100 ㎖를 만든다.

깔때기에 여과원액을 아래 그림과 같이 부으면서 거름종이를 통하여 여과한다.

같은 방법으로 거름종이 남은 6개 종류의 거름종이에 대하여도 실험을 실시한다.

각각의 거름종이에 대한 여과 시간과 여과액의 투명도를 관찰하여 기록한다.

뷰흐너 깔때기를 이용한 여과 조작

1000 ㎖ 비커에서 녹말과 물을 혼합하여 10 wt%의 혼합 녹말용액 500 ㎖를 만든다.

<그림 Ⅱ-29>와 같이 뷰흐너 깔때기와 아스피레이터를 연결하고, 거름종이     2장을 깔때기 바닥에 놓는다.

녹말 혼합액을 뷰흐너 깔때기에 넣으면서 아스피레이터에 연결된 수도 밸브     를 연다.

여과 시간과 여과액의 투명도를 관찰하여 기록한다.

빨간색 분필과 황산 바륨에 대하여도 녹말과 같은 방법으로 여과실험을 실시      하여 여과 시간과 여과액의 투명도를 관찰하여 기록한다.

(위의 실험을 할 때, 아스피레이터 대신에 진공 펌프를 이용하여도 된다.)