Update2024.04.28 (일)
멤브레인소재, 물 부족 시대 ‘해결사’
■ 기술의 정의 및 분류
수처리용 분리막이란 물속에 존재하는 이온 및 유·무기 물질들을 물리화학적 방법에 의해 선택적으로 분리할 수 있는 물질을 의미한다.
일반적으로 수처리용 분리막은 기공크기에 의해서 기공이 큰 순서에 따라 정밀여과막·한외여과막·나노여과막·역삼투막 등으로 분류된다.
수처리용 분리막은 대칭형과 비대칭형 구조로 이루어진다. 정밀여과막·한외여과막은 대부분 단일 고분자를 사용해 제조되며 나노여과막·역삼투막은 대부분 지지층 위에 이종의 고분자를 이용해 코팅된 비대칭 구조로 이루어진다. 다음의 표에 현재 상용화돼 있는 고분자 분리막에 대해 정리했다.
■ 환경변화
◇ 수자원 고갈
지구에 존재하는 물의 양은 염수가 97.5%, 담수가 2.5%를 차지한다. 전 세계 물 총량의 2.5%정도 밖에 안 되는 담수 중에서도 사용할 수 있는 물은 0.26%에 불과하며 그 중 농업용수가 70%, 산업용수가 22%이고 먹는 물 등은 8% 밖에 존재하지 않는다.
미국 NIC(National Intelligence Council)·국제원자력연구소·UN 세계 수자원개발 보고서 등은 물의 수요는 1950∼1990년 사이에 3배나 증가했고, 앞으로 35년 이내에는 현재보다 2배나 증가하고 2020년 이후에는 20억명 이상의 세계인구가 물 부족을 겪을 것으로 전망했다.
UN은 지난 세기에 인구는 두 배로 증가한 반면 물 사용은 6배나 늘었으며 2030년까지 식량수요가 55%까지 늘어날 것으로 예상하면서 물 수요는 더욱 가파르게 증가할 것으로 내다보고 있다. 한편, 지구 전체의 수자원량은 일정한 반면 세계 인구는 1800년대 이후 기하급수적으로 증가하고 있어 1인당 사용가능한 물의 양은 갈수록 줄어들 전망이다.
전 세계 11억명 이상의 인구가 깨끗한 식수를 공급받지 못하고 있으며 26억명이 기본적인 공중위생 설비조차 없는 환경에서 살아가고 있다. UNDP(국제연합개발계획)는 2006년 11월 발표한 2006 인간개발보고서에서 “매년 어린이 1,800만명이 더러운 물로 전염되는 설사병으로 사망하고 있고 개발도상국에서 더러운 물의 사용은 무력충돌이나 AIDS 보다 인류의 더욱 큰 위협이 되고 있다”고 주장하고 있다.
국가별 1인당 연간 재생 가능 수자원량을 기준으로 할 때 우리나라는 130위를 기록했다. 국가별 수질지수는 우리나라가 122개 국가 중에 8위를 차지해 수자원의 양이 부족하나 수질은 상대적으로 양호한 것으로 나타났다.
물빈곤지수(Water Poverty Index)에 의하면 우리나라의 경우 전체 147개국 중 43위, 30개 OECD 국가 중 20위로 수자원환경이 좋지 않은 편이다. 또한 연평균 강수량은 세계평균의 1.4배이나 1인당 강수량은 세계평균의 1/8에 불과하다.
국제인구행동연구소는 2002년의 인구와 연간 재생 가능한 수자원량을 기준으로 2025년 우리나라의 1인당 재생 가능한 수자원량을 예측했다. 그 결과, 우리나라의 연간 1인당 이용할 수 있는 재생 가능 수자원양은 1,493m3이었으며 2025년에 인구가 5,200만명으로 11% 증가한다는 가정 하에서는 그 양이 1,340m3으로 줄어들 것으로 전망했다.
오늘날 세계는 수자원량의 부족이라는 문제와 수자원의 오염이라는 두 가지 큰 위기를 맞고 있다. “물 문제를 해결하는 사람은 두 개의 노벨상 - 노벨평화상과 노벨과학상-을 타게 될 것” 이라고 예언한 35대 미국 대통령 케네디의 예언에서도 지구촌이 직면하고 있는 물 문제가 얼마나 심각한지를 알 수 있다.
한국, UN 지목한 세계 水자원 부족 국가
원천기술 없으면 기술 선진국 水자원 종속
◇ 수자원 확보 노력과 기술 필요
지구 상에는 다양한 수자원이 존재한다. 해수·지표수·지하수·우수·물 재이용·보조 수자원(강변여과수 및 해양심층수 등) 등이 있다. 안전한 수자원 공급을 위해서는 다양한 기술이 요구되고 있고 그 중에서도 분리막 기술이 최근에 큰 화두가 되고 있다. 그러나 대부분의 상용화된 분리막 기술들은 외국이 선점하고 있으며 국내 원천기술은 부족한 것이 현실이다. 이러한 현실을 극복하기 위한 국가적 차원의 지속적인 분리막 기술 개발이 절실하다.
■ 기술의 중요성
◇ 수처리 분리막의 기술혁신 필요
현재 국내의 수처리용 분리막소재 및 제조기술의 수준은 선진국(미국, 일본 등)과의 격차가 크다. 따라서 선진국과의 기술격차를 줄이기 위한 신소재 및 제조기술 개발이 필요하다. 또한 선진국도 해결하지 못한 수준의 기술을 빠른 시일 내에 국산화하려는 시도가 절실하다.
◇ 원천기술 확보를 통한 차별화 기술 필요
선진국은 많은 연구비를 투자해 원천기술을 확보하고 있으며 핵심기술의 해외이전 방지를 위해 노력하고 있다. 최근 들어 우리나라도 수처리용 분리막 핵심기술 확보를 위해 국가 차원에서 연구비를 투입하고 있으나 아직까지 선진국과의 기술격차를 좁히지 못하고 있다. 특허의 진보성 측면에서 혁신적 기술개발에 많은 어려움이 있는 것이 현실이다.
현재 분리막소재의 국산화가 시급히 요구된다. 소재 국산화를 통해 특허의 원천성을 확보하지 못하면 향후 특허분쟁에서 자유로울 수 없으며 선진국과의 격차를 좁히지 못하고 계속 따라가는 수준에 머물 수밖에 없다.
■ 수처리 분리막의 개요
수처리 분리막은 운전하는 압력에 따라 저압용과 고압용 분리막으로 분류된다. 저압용 분리막은 한외여과막과 정밀여과막으로, 고압용 분리막은 나노여과막과 역삼투막으로 분류된다. 또한 제조법에 따라 분류하면 나노여과막과 역삼투막은 일반적으로 계면중합(Interfacial Polymerization)법에 의해 코팅층을 다공성 지지체 위에 코팅해 제조되며, 한외여과막과 정밀여과막은 비용매유도 상분리법(Nonsolvent-Induced Phase Separation)과 열유도 상분리법(Thermally-Induced Phase Separation)에 의해 제조된다.
◇ 한외여과막(Ultrafiltration Membrane)
기공크기는 분획분자량(Molecular Weight Cut-Off)으로 표시된다. 기공크기는 분획분자량 수천∼10만정도 되며 거대분자 등의 유기물 분리에 사용되고 비용매유도 상분리법에 의해 제조된다. 소재는 PVDF(Polyvinylidene FluoridePVDF)· PAN(Polyacrylonitrile)·셀룰로스계·폴리술폰계 등에 의해 제조된다. 한외여과막은 지표수 및 지하수 처리, 해수담수화 전처리, 하수 재이용 등에 사용된다.
◇ 정밀여과막(Microfiltration Membrane)
기공크기는 0.05~1미크론 정도 되며 탁도 등을 제거하는 데 사용되고 비용매유도 상분리법·연신법·열유도 상분리법에 의해 제조된다. 소재는 Polyvinylidene Fluoride(PVDF)·셀룰로스계·폴리에틸렌·폴리프로필렌 등에 의해 제조된다. 정밀여과막은 지표수 및 지하수 처리, 해수담수화 전처리, 하수 재이용 등에 사용된다.
최근에는 열유도 상분리법과 비용매유도 상분리법의 장점을 살리고 단점을 극복하는 제조법이 개발돼 상용화되고 있다.
열유도 상분리법은 고온에서 용해되는 용매를 사용해 고온에서 제조하는 방법이며 온도차에 의해서 분리막이 제조되고 용매의 종류에 따라 기공의 크기가 결정된다. 비용매유도 상분리법에 비해 큰 기공이 얻어지며 작은 기공을 제조하기는 매우 어려운 기술이지만 강도가 비용매유도 상분리법에 비해 매우 우수한 장점이 있다.
비용매유도 상분리법은 고분자 용액을 비용매에 침지시켜 기공을 형성시키는 방법으로서 사용되는 첨가제와 비용매의 종류에 따라 기공의 크기를 자유로이 조절할 수 있는 장점이 있다. 중공사 형태로 제조될 경우 열유도 상분리법에 비해 저농도의 고분자가 사용돼 강도가 떨어지는 단점이 있어서 이를 극복하기 위해 지지체를 사용한다.
평막 형태로 제조될 경우에는 부직포가 사용되고 중공사 형태로 제조될 경우에는 브레이드(Braid)라는 직조된 형태의 섬유를 사용해 그 위에 코팅하는 형태로 제조된다. 브레이드(Braid) 등에 코팅하는 형태로 제조될 경우 운전하는 방향과 반대로 역세척을 반복할 경우 코팅이 벗겨지는 문제점이 있다.
브레이드(Braid) 없이 중공사 형태로 제조할 경우 강도를 향상시키기 위해 지지체로 열유도 상분리법을 사용하고 코팅체로 비용매유도 상분리법을 사용한다. 이와 같은 방법을 사용하게 되면 열유도 상분리법의 장점인 강도를 유지하면서 비용매유도 상분리법의 장점인 기공 조절의 용이성을 확보할 수 있는 장점을 공유하면서 차별성을 확보할 수 있다.
◇ 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)
고압용 분리막은 나노여과막과 역삼투막이 있다. 나노여과막은 2가 이온의 분리에 사용되고 역삼투막은 1가 이온까지도 제거가 가능하다. 제조법은 크게 계면중합법에 의한 코팅층 생성법과 비용매유도 상분리법(아닐링)으로 나뉠 수 있으며 계면중합법에 의해 주로 제조되고 있다.
계면중합법에 의한 고압용 분리막의 제조는 염제거율과 투과율이 높은 장점이 있는 반면 코팅층인 폴리아미드가 염소에 약한 단점이 있다. 비용매유도 상분리법에 의한 셀룰로스계 역삼투막은 염제거율과 투과율이 상대적으로 계면중합법에 비해 낮지만 염소에 대한 내구성이 우수하고 막오염 저항성이 뛰어난 장점이 있다. 또한 중공사 형태로 제조돼 투과율이 낮은 단점을 막 면적을 크게 높임으로서 극복하고 있다.
■ 수처리용 분리막의 성장성
수처리용 분리막은 기존의 모래여과법과 같은 방법에 비해 사용 부지가 크게 줄고 자동화가 가능하며 병원성 미생물 및 바이러스 등을 거의 완벽하게 제거할 수 있는 장점이 있다. 또한 유기물까지도 제거할 수 있어서 염소 후처리에 의한 발암물질인 염소소독 부산물에 대한 우려도 줄일 수 있다.
과거에 비해 분리막 가격도 크게 떨어져서 매우 경제적인 방법으로 평가받고 있다. 이와 같은 장점으로 인해 전 세계적으로 정수장·하폐수 처리장·물 재이용·해수담수화에 분리막이 사용되고 있으며 매년 사용량이 급격히 증가하고 있다.
전 세계적으로 수처리용 분리막 제조사들의 인수 합병이 이루어지고 있고 대형화되고 있다. 특히 국내에서는 대기업들의 분리막 시장 진출이 증가되고 있다.
수자원 확보를 위한 규제 강화 및 각국의 수자원 부족 인식의 공유도 수처리용 분리막 시장규모를 증가시킬 전망이다. 대부분의 기관에서 수자원 부족이 심각하다는 인식이 가중되고 있으며 이의 해결을 위한 방법으로 분리막의 적용이 크게 증가하고 있다.
미래에는 수자원을 확보하는 국가가 부를 창출할 수 있다는 인식하에 각국에서는 다가오는 수자원 부족이라는 문제를 해결하기 위해 경쟁적으로 기술 확보에 나서고 있다. 이와 같이 미래 수자원 부족 문제를 극복하기 위한 방법으로서 수처리용 분리막의 미래전망은 매우 밝다고 할 수 있다.
■ 수처리용 분리막소재의 역할과 위상
수처리용 분리막소재의 경우 해외 선진기업들이 원천기술을 확보하고 있다. 수처리용 분리막은 저압 및 고압용 분리막 종류에 따라 소재 측면에서 요구특성에 많은 차이가 있으며 기술 원천성 확보를 위해서는 소재의 차별성 이 필요하다.
저압용 분리막의 경우 차별화를 위해서는 신소재를 이용한 분리막 제조법의 혁신을 통해 작은 기공크기에 높은 투과율 및 막오염 저항성을 높일 수 있는 소재가 확보돼야 한다. 고압용 분리막의 경우 현재 상용화돼 있는 제품들의 성능보다 동일하거나 높아야 하고 특히 염소(Chlorine)에 대한 내구성을 향상시켜야 한다.
해외 선진기업의 경우를 살펴보면 저압용 분리막을 위해서 소재 측면에서 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)의 우수성을 적극적으로 알리고 제조법에서도 차별화해 상용화에서 크게 성공하고 있다.
고압용 분리막의 경우는 미국이 1970년대부터 주도적으로 계면중합법을 발전시켜 현재 역삼투막 분야에서 기술을 주도하고 있다.
현재 국내에서 수처리용 분리막소재는 대부분 외국에서 수입하고 있으며 분리막 개발회사가 소재 개발을 다루고 있지 않다. 따라서 분리막 개발회사가 국제 경쟁력 확보를 위해서는 국내 고분자 제조사들과 협력해 우리나라만의 분리막소재 개발이 절실한 상황이다.
■ 수처리용 분리막 기술개발동향 수처리 분리막시장 급성장, 각국 경쟁 치열
◇ 저압용 분리막
저압용 분리막으로 사용되는 고분자 소재는 다양하다. 초창기에는 PSf (Polysulfone)류가 많이 사용됐고 비용매유도 상분리법에 의해서 제조됐다. 또한 CA(Cellulose Acetate)가 사용됐으며 다른 고분자 소재에 비해 막오염 저항성이 탁월하다는 장점이 있다. PSf는 중공사 형태보다는 역삼투막을 제조하기 위한 지지체 제조를 위해 주로 사용되고 있다.
PES(Polyethersulfone)는 PSf에 비해 친수성이 높아 상대적으로 막오염 저항성이 우수해 중공사형 분리막 제조 소재로 사용되고 있다. 열유도 상분리법으로는 PE(Polyethylene) 및 PP(Polypropylene)가 사용이 되고, 비용매유도 상분리법으로는 PAN(Polyacrylonitrile) 및 PVDF 등이 사용이 돼 왔다. 고분자 소재로서 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 소재는 PVDF로서 비용매유도 상분리법 및 열유도 상분리법에 널리 사용 되고 있다.
PVDF(Polyvinylidene Fluoride)는 브레이드(Braid) 보강재 위에 코팅해 사용된 기술이 원천기술로 돼 있고 전 세계적으로 이와 같은 형태의 분리막을 제조해 사용되고 있으며 비용매유도 상분리법에 의해 제조되고 있다. 기존의 비용매유도 상분리법의 단점으로 지적돼 온 단사의 문제점을 해결한 것이다.
이러한 형태의 분리막은 침지형 분리막으로 분류가 돼 가압을 통해 투과수를 얻는 것이 아니라 흡입에 의해서 투과수를 얻는 형태로 운전된다. 현재까지도 널리 사용되고 있는 소재이다. 정수처리 및 폐·하수 처리에 주로 이용되며 막 오염 제어를 위해 사용되는 공기방울의 스트레스에도 영향을 받지 않고 운전이 용이하게 된다는 큰 장점을 갖고 있다.
그러나 정수처리에는 막오염 제어를 위해 역세척이 자주 사용되며 반복되는 역세척에 의해서 코팅층이 벗겨지는 문제점이 있어서 이를 극복하기 위한 분리막이 개발돼 상용화돼 있다. 또한 이 때 사용되는 소재로는 PVDF가 있다. 이와 같이 PVDF는 열유도 및 비용매유도 상분리법이 모두 가능해 전 세계적으로 널리 사용되고 있는 소재이다.
PVD는 소수성을 띠고 있어 표면의 친수화를 위해 많은 연구가 이루어지고 있으며 가장 활발히 연구되고 있는 방법이 ATRP(Atomic Transfer Radical Polymerization)법이다. 즉 PVDF의 불소기를 다른 유기물질로 치환해 표면의 친수성을 향상시켜 막오염 저항성을 높이는 방법이다.
최근에 발표된 새로운 코팅물질로서 홍합이 방출하는 접착제인 도파민이 있다. 도파민은 -OH와 -NH2가 동시에 있으면서 중합돼 박막 형태의 접착물질을 만든다. 중합물질인 폴리도파민은 방향족에 -OH기가 다량 함유돼 있고 내구성과 친수성을 동시에 지니고 있어서 유용한 코팅물질로 평가받고 있다.
또한 막오염 저항성을 향상시키기 위해 표면의 기공을 줄이면서도 투과유량을 크게 감소시키지 않는 제품들이 출시되고 있으며 앞으로는 기술의 동향이 이와 같은 방향으로 흘러갈 것으로 사료된다. 이를 위해서는 활성층 (Active Layer)의 두께를 최소화하면서 내구성을 유지하는 것이 관건이다.
미래 선도할 기술 개발로 물자원 자립 필요
◇ 고압용 분리막
현재 가장 널리 사용되고 있는 고압용 분리막은 비대칭 구조로 돼 있으며 활성층에 따라 폴리아미드(Polyamide)를 계면중합법에 의해서 제조하는 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 고압용 분리박은 평막 형태를 집적화시킨 나선형(Spiral Wound) 형태의 모듈을 사용하고 활성층은 셀룰로스 물질로 된 중공사 형태도 사용하고 있다.
계면중합법은 서로 섞이지 않는 용매에 각각 다른 반응이 가능한 단량체를 첨가해 계면에서 반응이 일어나면서 고분자가 합성되는 방법이다. 주로 폴리아미드와 폴리에스테르(Polyester)를 합성하는 데 사용된다. 현재 상용화돼 있는 역삼투막은 폴리아미드 활성층을 갖는다.
폴리아미드 역삼투막은 부직포 위에 다공성 한외여과막을 제조한다. 이 때 한외여과막은 100 미크론 이하의 두께를 갖으며 또 한외여과막의 기공크기는 분획분자량이 PEG(Polyethylene Glycol)로 10만 정도다. 이렇게 제조된 한외여과막 위에 폴리아미드(Polyamide) 층을 계면중합법으로 형성시킨다. 계면중합층은 약 0.2 미크론 이하의 두께를 갖는다.
단량체로는 수용액에 m-페닐린(Phenylene) 디아민(Diamine)을 사용하고 유기용액에는 TMC(Trimesoyl Chloride)를 사용하며 단량체를 피페라진(Piperazine)과 같이 지방족 아민을 사용할 경우 나노여과막이 제조된다. 수용액에 다른 첨가제를 사용해 투과유량을 높인 고유량(High Flux) 역삼투막과 제거율을 높인 고배제율(High Rejection) 역삼투막이 개발되고 있으며 또한 표면의 거칠기와 하전을 중성화시킬 수 있는 고분자 물질을 코팅한 Anti-Fouling(점착방지) 역삼투막이 상용화돼 있다. 폴리아미드 역삼투막은 표면에 음전하를 띠고 있으며 자연계에 존재하는 대부분의 음이온 물질에 대해서는 반발력을 띠어 막오염이 감소하지만 2가이온의 미네랄 성분이 유기물과 분리막 간의 가교역할을 해 막오염을 가속시키게 된다.
고유량(High Flux) 역삼투막은 하수 및 정수처리와 정수기에 주로 사용되고 고배제율(High Rejection) 역삼투막은 해수담수화 및 초순수를 제조하는데 사용된다. Anti-Fouling(점착방지) 역삼투막은 오염이 심하게 발생할 수 있는 곳에 적용되고 있다. 최근에는 폴리아미드의 염소 저항성이 떨어지는 점에 주목해 염소 저항성이 높은 고분자 물질을 사용해 역삼투막을 제조하려는 연구가 진행되고 있다. 그러나 현재 상용화돼 있는 역삼투막에 비해 투과유량이 상당이 떨어지고 염 제거율이 미치지 못하는 단점이 있다. 새로운 고분자 물질을 이용한 역삼투막 개발이 필요한 시점이다. 내염소성을 향상시키는 방법으로는 단량체 변화, 무기물질(실록산 및 티타늄) 코팅, 술폰화된 방향족 고분자 코팅법 등이 있다.
폴리아미드 이외에 비용매유도 상분리법에 의한 역삼투막 제조는 개발 역사가 오래됐지만 폴리아미드에 비해 투과성능이 떨어져 큰 주목을 받지는 못했다. 역삼투막은 중공사 형태이므로 같은 부피당 막 면적이 훨씬 넓고 CA(Cellulose Acetate)가 폴리아미드에 비해 염소 저항성과 내오염성이 탁월해 최근 들어서 관심을 갖고 있다. CA(Cellulose Acetate)는 상전환법에 의해서는 염제거 특성이 떨어지지만 어닐링(Annealing)법을 사용하면 염제거능이 급격히 증가하는 특성이 있어서 역삼투막으로 사용이 가능한 것이다.
고압용 분리막으로서 역삼투막 이외에 나노여과막이 있다. 역삼투막과는 달리 나노여과막은 나노기공을 지니고 있어서 저분자량의 유기물과 2가 이온을 제거하고 1가 이온은 기공을 통해 통과시키는 특성이 있다. 특히 염료를 함유하는 용액에서 염료를 분리할 수 있는 특징이 있다. 아직까지는 역삼투막에 비해 적용분야가 적어서 많이 사용되고 있지는 않지만 향후에 크게 적용될 수 있을 것으로 보인다. 나노여과막 중에서 소금을 90% 이상 제거할 수 있는 성능이 있는 막은 정수처리에서 문제가 되는 맛과 냄새 제거에 우수한 특성을 보이고 역삼투막에 비해 투과유량이 매우 우수해 고도정수처리 특히 맛, 냄새 제거에 사용이 유력하다.
◇ 미래 선도형 수처리용 분리막
내셔널 지오그래픽(National Geographic)에서 미래를 선도할 수 있는 분리막으로 정삼투법(FO, Forward Osmosis)·CNT (Carbon Nanotube)·아쿠아포린(Aquaphorin) 등을 소개했다. 특히 정삼투법(FO)은 최근에 큰 이슈가 되고 있는 기술로 역삼투막에 비해 에너지소비가 매우 적은 특성이 있으면서도 염 제거가 가능한 기술로서 평가받고 있다. CNT는 입구의 양전하를 띤 튜브가 양이온 물질과의 반발로 인해 통과하지 못하고 양이온을 띠지 않는 물만 CNT를 미끄러져서 통과하는 것이다. Aquaphorin은 인체 내에 존재하는 멤브레인 단백질로서 물은 자유로이 통과시키면서도 양이온 물질은 반발에 의해 통과시키지 못하는 물질이고 이러한 현상을 생체모방(Biomimetic)에 의해서 재현하면 저에너지 염제거 특성을 보유할 수 있다.
이러한 세 가지 기술 중에서 현실적으로 상용화에 가장 근접돼 있는 기술은 정삼투법(FO)이다. 정삼투법(FO)은 삼투(Osmosis) 현상과 유사하지만 삼투를 연속해서 발생시킬 수 있는 현상을 일컫는다. 삼투는 농도가 다른 두 용액 사이에 반투막을 두고 화학적 퍼텐셜(Potential)이 높은 물이 화학적 퍼텐셜이 낮은 물 쪽으로 이동하는 현상을 말한다. 농도가 높은 쪽의 농도를 계속 유지시키면서 삼투 현상을 연속으로 발생시키는 것이 정삼투법(FO)이다. 이 때 발생되는 삼투압 이상으로 압력을 가해 물의 흐름 방향을 거꾸로 하는 것이 역삼투이고 삼투압 이하로 압력이 가해진 상태에서 삼투와 같은 방향으로 물이 이동하는 것이 압력 지연 삼투(Pressure-Retarded Osmosis)이다.
정삼투법(FO)은 수처리에 사용이 되고 압력 지연 삼투(Pressure-Retarded Osmosis)는 신재생에너지를 발생시키는 데 사용된다. 1970∼80년대에 사이언스(Science)지에 바다에서 신재생에너지를 발생시킬 수 있는 가능성이 제시된 이후 이를 상용화시키려는 노력이 있어왔지만 분리막의 성능이 이를 따라 주지 못해서 주목을 받지 못했다. 최근 들어서 다시 가능성을 현실화시키려는 노력들이 진행되고 있다.
분리막의 최적화를 이루기 위해서 농도분극을 줄이는 것, 특히 분리막 내부에서의 농도분극 최소화를 위해 노력하고 있다. 이 같은 노력으로 분리막 성능이 급격히 향상되고 있으며 이러한 추세라면 삼투 현상을 상용화할 수 있을 것으로 보인다. 또한 투과유량 뿐만 아니라 농도가 높은 쪽에서 묽은 쪽으로 역확산(Back-Diffusion)이 발생되지 않도록 효율적인 저항층을 형성시키는 것도 필요하다.
분리막 뿐만 아니라 유도용액(Draw Solution)도 문제가 된다. 정삼투법(FO) 현상을 계속 유지시키기 위해서는 효율적인 유도용액이 필요하며 현재까지는 예일대학에서 개발된 유도용액이 유일하다. NH4HCO3가 그 것으로서 60℃ 정도에서 NH3와 CO2의 기상으로 변하며 다시 온도를 낮추고 압력을 가하면 NH4HCO3로 고형화되는 특성이 있어서 회수가 가능하다. 보다 효율적인 유도용액이 개발이 된다면 정삼투법(FO)의 상용화가 앞당겨질 수 있을 것이다. 이 외에도 자기적 나노입자(Magnetic Nanoparticle)가 있는데 나노입자가 삼투압을 발생시킬 수 있으며 자기장 등 다양한 방법에 의해서 회수가 가능하기 때문에 이를 이용해 볼 가치가 있다.
막증류(Membrane Distillation)도 해수담수화 및 농축에 적용이 가능하다. 막증류는 증류(Distillation) 공정에서 분리막을 사용해 유효면적을 극대화시킴으로서 효율을 증가시킨 것이다. 온도 차이가 나는 용액을 사이에 두고 물에 젖지 않는 소수성인 다공성 분리막을 사용하면 기공에서 물은 통과하지 않고 증기만 고온에서 저온 쪽으로 통과해 저온 쪽에서 응축이 일어난다. 이 때 염의 제거능은 99.9% 이상을 유지하게 된다. 막증류가 상용화되기 위해서는 현재 상용화돼 있는 소수성 정밀여과막보다 소수성이 높고 기공도(Porosity)를 훨씬 증가시킨 신소재 중공사 분리막을 사용함으로써 투과도와 제거율을 향상시킬 필요가 있으며 고온을 유지할 수 있는 에너지 확보가 필요하다.
■ 수처리용 분리막 개발의 핵심 이슈
◇ 고압용 분리막
현재 역삼투막은 개발 역사를 보더라도 큰 성장을 이루어왔다. 1970∼80년대 미국정부로의 기술 이양을 기점으로 상용화가 가속화되면서 해수담수화용의 고염제거율 역삼투막, 기수(Brackish Water, 汽水) 처리를 위한 고투과유량 역삼투막, 막오염 저항성을 향상시킨 내오염성 역삼투막, 보론(Boron) 제거율을 높인 역삼투막, 맛·냄새 제거능이 향상된 나노여과막 등이 상용화되고 있다
이와 더불어 내염소성을 더욱 향상시키려는 개발이 이슈화 되고 있다. 염 제거율을 99.9%까지 높이려는 노력과 더불어 보론 제거율을 95% 이상까지 높이는 연구들이 진행 중이며 이러한 기술을 먼저 개발하는 기관이 역삼투막 분야에서 앞서 나갈 수 있을 것이다. 또한 모듈의 대형화도 이루어지고 있어서 폭을 8인치에서 16인치로 증가시키는 등 막면적을 증가시키고 있다.
◇ 저압용 분리막의 핵심 이슈
정밀여과막은 내구성이 향상된 소재를 중심으로 중공사막(폴리에틸렌) 형태로 연구가 진행되고 있으며 내구성이 유지되면서도 강도를 증가시키고 투과유량을 향상시키려는 방향으로 진행되고 있다. 또한 막오염을 최소화시키려는 연구들도 진행 중이다.
한외여과막에서도 정밀여과막에서와 같이 내구성이 향상된 소재를 중심으로 연구가 되고 있고 강도를 향상시키려 하고 있다. 현재 상용화돼 있는 PVDF 계열을 바탕으로 열유도 상분리법과 비용매유도 상분리법을 동시에 사용하는 복합법이 주목을 받고 있으며 코팅 두께의 최소화를 통한 투과유량의 증가와 코팅 단면의 스폰지화와 기공크기를 점점 줄여나가는 방향으로 개발이 진행되고 있다. 또한 막오염을 최소화시키는 연구도 진행 중이다. PVDF에 비해서 내구성은 떨어지지만 내오염성이 탁월한 소재를 이용해 중공사형 분리막을 제조하려는 노력들도 있다.
