여과사 유효경 및 균등계수

왜 배우는가: 여과사의 유효경과 균등계수는 여과지 설계와 역세척 효율, 여과 수질을 좌우하는 기본 지표다. 기술사 시험에서 용어 문제와 논술 문제로 반복해 출제되므로 정의와 수치 기준을 함께 알아야 한다.

출제 이력: 제127회 1교시 8번, 제99회 2교시 6번, 제91회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의:

유효경은 여과사 중량의 10%가 통과하는 체눈 크기(D10)이고, 균등계수는 60% 통과경과 유효경의 비(D60/D10)이다

핵심 키워드

• 유효경(Effective Size)
• 균등계수(Uniformity Coefficient)
• D10·D60
• 입도분포곡선
• 여과속도
• 역세척
• 여과 손실수두
• 탁질 누출

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 여과사 알갱이가 얼마나 고른지, 그리고 대표 크기가 얼마인지를 나타내는 두 가지 값이다. 여과층은 알갱이 사이 틈으로 물이 흐르며 탁질을 붙잡으므로, 알갱이 크기가 고르면 틈도 고르게 생긴다.

유효경(Effective Size)은 여과사 시료를 체로 걸러 중량 기준 10%가 통과하는 체눈 크기, 즉 D10을 mm 단위로 나타낸 값이다. 유효경이 작을수록 여과 저항이 커지고 탁질 제거 능력은 높아지지만, 손실수두와 역세척 부담도 함께 커진다. 유효경은 여과층의 대표 틈 크기를 정하므로 여과 방식에 따라 기준 범위가 다르다.

균등계수(Uniformity Coefficient)는 중량 기준 60% 통과경 D60을 유효경 D10으로 나눈 값이다.

$U_c = \frac{D_{60}}{D_{10}}$

U_c는 균등계수(무차원), D_{60}은 중량 60%가 통과하는 체눈 크기(mm), D_{10}은 유효경(mm)이다. 값이 1에 가까울수록 입자 크기가 고르고, 값이 클수록 크기 차이가 크다. 입도분포곡선의 중간부 기울기로 대략 판단할 수도 있다.

입도분포곡선은 체눈 크기별 통과 중량 백분율을 로그 눈금에 그린 곡선이다. 곡선이 가파르면 특정 크기 입자가 집중되어 있고, 완만하면 여러 크기가 섞여 있다. 여과사에서 곡선이 가파른 것이 좋은 것이다.

균등계수가 작을수록 여과 성능이 안정된다. 입자 크기가 고르면 역세척 때 층 전체가 고르게 팽창하고, 탁질이 층 깊이 전체에 걸쳐 포착된다. 반대로 큰 입자와 작은 입자가 섞이면 작은 입자가 틈을 메워 손실수두가 빨리 커지고, 큰 입자 쪽으로 물이 몰려 탁질이 빠져나가는 현상이 생긴다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 여과지는 모래 입도를 체 번호나 평균 입경으로만 표시했다. 여과 방식이 완속여과에서 급속여과로 옮겨 가면서 여과 속도가 크게 높아졌고, 같은 평균 입경이라도 입도 분포에 따라 성능 차이가 크다는 문제가 드러났다. 이 문제를 해결하려고 유효경과 균등계수라는 두 지표가 정립되었다.