▲ 디어포스멤브레인스가 개발한 폴리비닐리덴디플루오리드 중공사를 이용한 차세대 분리막 .

■ 국제 기술개발동향

정수용 막의 소재는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)와 같이 내화학성·내구성이 높은 고분자 중공사막이 상용화돼 적용되고 있다. 선진 막회사에서는 다양한 형태와 특성을 갖는 막모듈을 자체적으로 개발해 막 제조기술과 공정기술에 대한 특허를 선점하고 있다.

1990년 초반, 막여과 정수처리시스템은 주로 중소규모시설의 자동화 및 성능향상을 목적으로 개발됐으나 1990년대 후반부터 막여과 정수처리시스템의 대형화 추세가 나타났으며 북미 지역을 중심으로 1일 10만톤급의 대규모 정수처리 플랜트가 설치·운영돼 왔다.

유입수의 변동에 대응해 안정적으로 막여과 공정을 운전하기 위한 전처리 공정이나 투과유량 향상을 위한 막오염 제어기술의 개발이 진행되고 있으며 막여과 공정의 에너지 절감을 위한 자동제어기술이 선진 막회사에서 개발되고 있다.

물 부족 지역을 중심으로 대규모 하수재이용을 위한 기술이 개발돼 현장에 도입되고 있으며, 처리비용을 절감하고 처리수의 안전성을 향상시키기 위한 고도처리 기술의 개발이 지속적으로 진행되고 있다. 또한 막여과를 기반으로 한 물 재이용 공정기술 적용이 진행되고 있다.

미국은 막여과와 이온교환수지 등을 이용한 하수처리수의 공업용 및 식수화 사업을 추진하고 있다. 캐나다는 막여과 기술을 이용한 공업용수 재활용 (3,000톤/일)을, 싱가폴은 막여과 및 역삼투 기술을 이용한 공업용수 재활용 (2만톤/일)을 진행하고 있다. 일본은 MBR(Membrane Bioreactor) 공정을 이용한 도시하수 재활용 기술을 시도하고 있다.

체계적으로 물산업을 육성해온 일본은 1991년에서 1994년까지 ‘MAC 21 Project’를 시작으로 1994년에서 1996년까지 ‘New MAC 21’, 2002년까지 ‘ACT 21 Project’, 2004년까지는‘ E-Water Project’를 성공적으로 끝마치면서 수처리용 분리막 개발에 박차를 가하고 현재 세계적으로 분리막을 이용한 수처리 사업을 선도하고 있다. 또한 일본은 1993년 처음 막분리 공정을 도입한 이후 2005년 상수처리시설을 207곳에서 운영 중이다.

미국의 경우는 역삼투막 개발에 있어서 1972년 Cadotte 그룹이 성공적으로 역삼투 복합막을 개발하면서 1978년에 역삼투 복합막 원천기술을 확보하고 1992년 미국정부에 특허가 이양되면서 기업화가 본격적으로 이루어졌다.

우리나라는 1987년 미국에서 막분리 공정을 처음 도입한 이후 막분리 공정이 도입된 정수장이 1997년 20개소에서 2006년 260개소로 급격히 증가하고 있다. 최근 들어 하루 처리용량 10만톤 이상의 기존 대용량 정수장에도 막분리 공정 도입이 확대되고 있는 추세다.

물 부족 현상이 심화됨에 따라 하수를 각종 용수로 재활용하는 중수도 분야에서도 막분리 공정의 적용이 확대 중이다. 특히 이스라엘·싱가포르 등은 정책적으로 하수의 재활용에 막분리 공정을 적용하고 있다. 이스라엘은 2020년까지 전체 용수 수요량의 23%를 MBR(Membrane BioReactor) 공정을 통해 공급할 예정이고 싱가포르는 2011년까지 자립 가능한 수자원을 확보한다는 정책 하에 재생수로 만든 음용수(NEWater) 개발에 성공했다.

물 재이용뿐만 아니라 해수담수화 분야에서도 증발법에서 역삼투법으로 시장의 변화가 진행됨에 따라 역삼투 공정을 위한 요소기술과 엔지니어링 기술이 개발되고 있다. 전 세계 해수담수화양은 2015년 6,300만톤/일로 증가할 것이며 해수담수화 시장에의 자본투자는 2015년까지 360억달러를 넘을 전망이다. 2005년 기준 해수담수화용 역삼투막의 시장 점유율이 45%이었으나 2015년에는 61%를 상회할 것으로 전망되고 있다.

해수담수화에 필요한 에너지를 절감하기 위한 에너지 회수 기술 및 최적화 기술이 개발되고 있다. 대용량 해수담수화 기술의 수요가 증가하고 있으며 역삼투막 기반의 하이브리드 공정기술 및 차세대 해수담수화 기술에 대한 연구가 진행 중이다. 국지적 고립지역의 물부족 해소를 위한 신재생에너지원 기반의 중소형 담수화플랜트가 개발 중이며 독일의 경우 풍력발전을 이용한 1,500톤/일 규모의 해수담수화플랜트가 개발 중이다.

세계적으로 물 재이용양은 2015년까지 5,450만톤/일로 증가할 것이며 물 재이용 시장에의 자본 투자는 2015년까지 280억달러를 넘을 전망이다. 또한 하수처리수 재이용 기술은 미래의 성장동력으로 유력하므로 개발이 시급하다고 할 수 있다.

분리막 관련 주요 기관으로는 미국의 GE/Zenon·Pall, 독일의 Siemens, 일본의 Asahikasei·토레이·미쯔비시·쿠보타 등이 있고 프랑스의 Aquasource, 싱가폴의 Hyflux 등이 있다. 미국의 GE/Zenon은 분리막 및 MBR 공정을 설계해 운영하고 있으며 Siemens/ITT는 하수 재이용 플랜트를 건설하고 있다. 미국 GE/Ionics는 해수 담수화 플랜트 엔지니어링을, Dow/ Filmtec은 역삼투 분리막에 집중하고 있고 미국의 ERI는 에너지 회수기술을 개발해 상용화하고 있다. 독일의 WME는 풍력발전 담수 플랜트를 상용화하고 있다. 프랑스의 Veolia·Suez는 시장을 민간위탁 방식으로 개척해 세계 물시장의 70% 이상을 독점하고 있다.

■ 국내 기술개발동향

국내 막여과 정수처리 기술은 2004년부터 수처리선진화 사업단 과제를 통해 개발이 진행됐다. 막 소재는 정수막 소재에 대한 국산화를 진행해 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 기반 침지식 및 가압식 중공사 막모듈을 개발해 현장 검증연구를 진행했으며, 2010년 9월 영등포 정수센터는 1일 3만톤 규모의 고도정수처리시설을 완공해 운전을 준비하고 있다.

국내의 경우, 과거 물 재이용에 대한 사회적 이해부족과 기술적 한계로 인해 그 활용이 미비한 실정이었지만 최근 물부족 현상이 심각해지고 수처리 및 정화기술이 발전함에 따라 물 재이용에 대한 관심이 점차 높아지고 있는 실정이다.

현재 국내 하수처리수 재이용률은 매년 꾸준히 증가하고 있는 추세이며 2000년 2.9%, 2003년 5.4%, 2006년 7.7%를 기록하고 있다. 2006년에는 연간 64억톤의 하수처리량 중 4억9,000만톤을 재이용했다. 향후 2016년까지 연간 12억4,000만톤의 물을 재이용하려는 목표를 세우고 있다.

공업단지들은 안정적인 수자원을 지속적으로 확보하기 위해 하수 재이용에 높은 관심을 보이고 있지만 최적화된 목적수질 공정개발의 미흡, 재이용을 위한 초기투자비 및 유지관리 비용 때문에 재이용수 사용 확대에 어려움을 겪고 있다. 이에 따라 최근 들어 분리막 기술을 이용한 공업용수를 생산하려는 시도가 증가하고 있다.

해수담수화의 경우 대용량 담수플랜트 해외진출을 위한 대규모 시설에 대한 엔지니어링 기술개발의 필요성이 높아지고 있으며 국내에서 확보해야 하는 핵심기술은 플랜트의 대형화 기술, 에너지 절감 기술, 역삼투막의 효율 향상 기술 등이다. 관련 R&D 사업으로는 국토해양부 해수담수화 플랜트사업, 지식경제부 Eco-Ener 플랜트 사업, 지식경제부 세계시장 선점 10대 핵심소재(WPM) 개발 사업 등이 있다.

▲ 국가별 수처리용 분리막소재.

■ 국내외 주요 기업의 생산활동

저압용·고압용 수처리용 분리막은 국내외적으로 상용화가 많이 진행됐다. 특히 역삼투막은 그 성능이 우수하며 가격도 상당히 인하됐다. 저압용 분리막도 현재는 높은 가격에 출시되지만 근시일 내에 많이 인하될 것으로 예상된다. 역삼투막은 개발 역사가 오래된 만큼 성능이 상당한 수준까지 향상돼있고 한외여과막이나 정밀여과막은 종류와 소재가 다양한 만큼 시장에 진출할 수 있는 여지가 많이 남아 있다.

◇ 저압용 분리막

Asahikasei·토레이·미쯔비시·쿠보타·Pall·Aquasource·Hyflux·GE/Zenon 등이 다양한 소재를 이용해 상용화에 성공해 시판하고 있으며 국내에서는 코오롱·에코니티·에치투엘·퓨어엔비텍·케미코아·우리텍 등이 상용화해 시판하고 있다. 소재는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride), CA(Cellulose Acetate), PES(Polyethersulfone), PAN(Polyacrylonitrile), PE(Polyethylene) 등 다양하다. 향후에는 가격경쟁력·분리막 물성 등이 시장에 진출하는데 큰 역할을 할 것으로 판단된다.

◇ 고압용 분리막

미국의 Dow/Filmtec와 GE/Osmonics, 일본의 토레이와 니토덴코, 중국의 본트론이 폴리아미드(Polyamide) 역삼투막을 개발해 상용화했다. 일본의 토요보는 CTA(Cellulose Triacetate) 중공사형 역삼투막을 상용화했다.

2016년, 물시장 5,300억불·분리막 시장 303억불 규모

産·學·硏 공동연구 통한 원천기술 및 제조공정 개발 요

■ 시장규모 및 전망

현재(2007년) 물시장 규모는 조사기관마다 차이가 있지만, 음료시장과 주택용/상용용을 제외하면 약 3,500억달러 수준이다. GWI(Global Water Intelligence) 에서는 물 산업은 전 세계 GDP 성장률을 상회하는 연평균 4.7%의 성장을 통해 2016년에는 5,300억달러 규모가 될 것으로 예상했다.

또한 2007년 분리막 시스템 시장은 61억달러 수준으로 추산되고 있으며 연평균 19.5% 성장으로 2016년에는 303억달러 규모로 커질 것으로 예상된다. 이는 물 산업 전체의 시장 성장률보다 4배 이상 빠른 성장률이다. 분리막 방식은 기술진입 장벽이 존재하기 때문에 기술 차별화를 가진 기업들이 전 세계 시장을 대상으로 과점하고 있다. 현재 분리막 시장은 매출 상위 5개 기업의 점유율 합계가 전체 시장의 75% 이상을 차지하고 있다.

현재 분리막 신규 투자 규모에서 산업용 분야가 50%를 차지하지만 2016년에는 전체 분리막 투자 규모에서 공공용과 산업용 비중이 8:2 수준으로 바뀔 것으로 예상하고 있다. 현재 주목받고 있는 담수와 더불어 하수 재이용 시장이 빠르게 성장할 것으로 기대된다.

인구 밀집형 도시의 확산으로 한정된 지역에 폭발적인 물 수요가 발생한다는 점에서 증대된 물 수요를 해결하기 위해서는 담수화뿐만 아니라 하수 재이용 시설 확충이 절대적이다.

2007년 재이용 시설 투자는 담수시설의 45.4%에 불과하지만 2016년에는 담수 시설과 동일한 규모로 투자가 발생할 것이다. 담수 투자 증가는 7.3%이지만 재이용 분야의 투자는 16.7%로 확대될 것으로 보인다.

■향후 수처리용 분리막 연구방향 및 과제

◇ 원천기술 확보를 위한 프로그램 필요

수처리용 분리막소재 및 공정은 미래에 부를 창출할 수 있는 유망한 분야이며 최근에 성장성이 크게 높아지고 있다. 그러나 국내 수처리용 분리막 기술 수준은 외국 선진사에 비해 원천기술 및 성능 수준에서 기술적인 차이를 극복하지 못하고 있다. 선진국은 수처리용 분리막소재부터 제조기술까지 체계적인 지원 하에 수처리용 분리막 상용화에 성공했고 차별화된 기술을 바탕으로 이를 더욱 발전시키고 있다. 이와 더불어 기존의 수처리 설비의 분리막 기술로의 대체가 빠르게 이루어지고 있어서 국내의 경우에는 조만간 선진국의 분리막 기술에 의해 시장을 선점당할 가능성도 높다.

국내의 경우 기술수준이 선진국에 비해 많이 뒤쳐져 있으며 기업주도의 응용개발 연구가 주를 이루고 있다. 특히 대부분의 수처리용 분리막을 수입에 의존하고 있다.

향후 급격히 확대되는 수처리 시장에서 수처리용 분리막은 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되므로 체계적인 원천기술 확보를 위한 프로그램의 추진이 필요하다.

역삼투막의 경우는 선진사들과 비교해 기술 수준의 한계를 극복해 세계 시장에 진입하고 있다. 그러나 아직까지도 극복해야 할 과제가 남아있으며 기술 장벽을 극복해야 할 수준도 명백하다. 또한 미래에 선도를 할 수 있는 기술 및 소재 측면에서는 선진사들보다 먼저 시장에 진입해 선점해야 하는 것을 목표로 해야 한다. 이와 같은 관점에서 객관적인 기술 수준의 차이를 인정하고 국가적으로 체계적인 지원을 통해 세계 일류 수준의 기술을 확보해야 한다.

정밀여과 및 한외여과막의 경우는 선진국에서 원천기술 및 특허를 선점하고 있어서 이를 극복하기가 매우 어려운 실정이다. 현재 이 분야에서는 세계 시장에 진입하지 못하고 있으며 상용화돼 있는 기술 수준도 떨어져 있다. 기술 수준의 객관적인 평가를 통해 선진국과의 기술 차이를 극복하는 방안을 빠른 시일 내에 산학연 공동연구로 제시해야 한다. 미래 선도기술을 정확히 예측해 세계 시장에 진입할 수 있는 기반을 구축하기 위해서 국가의 체계적인 지원이 절실하다.

현재 상용화돼 있지는 않지만 미래를 선도할 수 있는 저에너지 기반기술을 체계적으로 지원해야 한다. 현재까지는 수처리용 분리막 분야에서 선진국과의 기술 차이가 높았다면 미래의 분야에서는 국내 기술의 원천성 및 원천특허 기술을 확보해 기술을 선도하는 것도 가능할 것이다.

◇정부 지원 제도의 탄력적 운영 필요

수처리용 분리막은 상용화가 어렵지 않은 분야지만 핵심기술은 외국 선진기업이 보유하고 있다. 따라서 소재부터 핵심기술을 개발해야 하고 원천기술뿐만 아니라 제조공정까지 산학연이 공동으로 미래를 위한 연구개발이 이루어져야 한다.

빠른 시일 내에 선진 기술과의 차이를 극복하는 것은 어려우며 상용화되고 있는 제품들의 국내 시장 진입 장벽을 낮추고 실제 적용을 통해 선진 기술과의 차이를 극복해 나갈 수 있는 기반을 마련해 기업들의 개발 의지를 높이는 방안이 절실하다. 원천기술을 확보하더라도 국가적인 차원에서 기술을 보호하고 활성화시키기 위해서는 제도적으로 국내 기술을 우선적으로 적용하게 할 수 있는 제도적인 장치가 필요한 것이다.

이를 통해 선진 기술과의 장벽을 낮추고 원천기술 확보가 가능하면 세계 시장의 진출이 가능하게 될 것이다. 정부 차원에서의 체계적인 지원 및 보호정책이 우선되지 않는다면 미래의 수처리 시장은 크게 위협받을 것이다.

▲ 수처리용 분리막 연구개발 과제.