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  • 기사등록 2018-11-01 17:15:12
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재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

수처리용 세라믹 분리막 소재, 차세대 미래 그린 산업 주도


■ 기술의 정의 및 분류


수처리용 세라믹 분리막 기술은 기존에 널리 사용되어 온 고분자 분리막에 비하여 극한의 운용 조건(pH, 압력, 온도)에서 높은 신뢰성을 가지며 내환경성을 보유하고 있어, 지속 사용이 가능하여 차세대 미래 그린 산업을 주도할 수 있는 원천 기술이다. 특히 기존의 고분자 분리막의 단점을 보완한 세라믹 분리막은 향후 수처리뿐만 아니라 증류, 흡착, 추출 등이 요구되는 제약, 반도체, 식품, 제지, 발전 등 다양한 극한 운용 조건을 요구하는 시장으로 영역 확대가 가능한 기술 분야이다.


■ 기술의 원리


일반적으로 분리막이란 2개 이상의 성분 중에서 특정 성분만을 선택적으로 분리할 수 있는 경계층을 말하며, 분리막의 기공 크기나 구조 및 분리되는 입자 크기나 성질에 따라 분류한다. 분리막의 종류는 기공의 크기에 따라 정밀여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF), 역삼투 필터(RO)로 나눠진다. 일반적으로 정밀여과(microfiltration)는 0.1∼10㎛, 한외여과(ultrafiltration)는 10∼100nm, 나노여과(nanofiltration)는 1∼10nm, 역삼투(reverse osmosis)는 1nm 이하를 나타낸다. MF 필터는 탁도를 조절하고 각종 박테리아를 제거할 수 있는 필터이다. 또한, UF 필터는 고분자량의 유기물이나 각종 바이러스를 제거할 수 있다. NF 필터는 각종 다가의 이온(Ca2+, Mg2+, Fe3+ 등) 과 저분자량의 유기물을 충분히 제거할 수 있다. RO 필터는 일가이온 들을 제거하여 최종적으로 순수한 물만을 통과시킬 수 있다. 보통 상/하수 처리 및 담수와 하수 재이용의 전처리(Pre-treatment)에 MF와 UF가 사용되며, NF와 RO는 담수와 하수 재이용 처리 부분에 주로 사용되고 있다. 분리막의 구조는 크게 두 가지로, 막의 표면에서 속까지 균일한 구조를 가진 대칭막과 균일하지 않은 구조를 가지는 비대칭 막으로 나누어 볼 수 있다. 세라믹 분리막은 입자가 소결되어 형성되는 것으로 일반적으로 비대칭 막으로 이루어져 있다. 보통은 2층 혹은 3층 구조로 이루어져 있으며, 하층은 조대한 입자로 구성되는데 이는 투과 저항을 낮게 하여 높은 투과유속이 얻어지는 역할을 하기 위함이다. 물질 분리는 표면의 미세한 입자로 구성된 치밀한 상층에서 이루어진다.


다음의 <그림 3-6-2-2>는 세라믹 분리막의 제조 형태에 따라 특성 별로 분류한 것이다. 허니컴(honeycomb) 형태의 모노리스(Monolith) 타입의 세라믹 분리막은 약 200개의 유속 채널을 보유하고 있으며, 모듈당 15 or 25m2의 비교적 높은 표면적을 보유하고 있다. 한 개의 멤브레인 하우징에는 1개의 멤브레인을 수직으로 장착하게 되어 있으며, 주로 MF 분리막를 중심으로 활용되며, 현재 일본을 중심으로 많은 상용화가 이루어지고 있다. 엘레멘트(Element) 타입의 세라믹 분리막은 약 0.1m2 또는 0.2m2의 막면적을 가진 관형의 세라믹 분리막을 금속 모듈에 조합하여 최종적으로 20 내지 30 m2의 막 면적을 가지는 분리막으로 제조된다. 주로 MF, NF, UF 필터를 중심으로 다양하게 활용된다. 판형의 세라믹 멤브레인은 주로 폐수 처리를 위하여 소형 수처리 시스템에 사용하며, 유체의 흐름 방향도 바깥쪽에서 안쪽으로 향하게 설치하며, 주로 MF, NF, UF 필터를 중심으로 다양하게 활용되고 있다.


■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성


UNFCCC(United Nations Framework Convention on Climate Change)의 기후기술(climate technologies)은 크게 저감기술(Mitigation technologies)과 적응기술(Adaptation Technologies)로 구분할 수 있다. 본고에서 다루는 수처리용 세라믹 분리막 기술은 저감기술 분야에서는 폐기물(waste)의 wastewater treatment, 적응기술에서는 물분야의 desalination, water treatment - filtration 등에서의 핵심기술 분야로 구분된다.


수처리와 같은 환경문제는 현대를 살아가는 인간과 산업 사회가 직면한 사회현안이며, 최근 국가 경제 및 정책을 좌우하고 국민 복지 수준을 가늠하는 주요 이슈로서 “국민 복지 및 사회현안 해결”의 핵심 관심사이다. 특히 무기소재를 이용하는 분리 시스템은 기존의 고분자 위주의 분리막을 이용한 수처리 시스템으로 달성할 수 없는 조건에서 청정 조건을 달성함으로서 청정한 환경을 위한 친환경적인 미래 전략기술로서 기후 변화 대응 관점해서 지속적으로 연구가 필요한 부분이다.


국내 기술수준 선진국과 격차, 정부 지원 절실

탄화규소·지르코니아·타이타니아 등 연구 요구


■ 국내 동향


국내 세라믹 필터 및 분리막 개발과제는 90년대부터 추진해 왔으며, 현재는 MF 시장이 형성되고 있는 시점이다. 또한 폐수 정화용 알루미나 필터와 폐유 처리용 알루미나 필터의 개발 등이 제한적으로 진행되고 있으며, 기술수준은 선진국과 격차가 있다.


국내 세라믹스 분리막에 관한 연구는 주로 압출에 의한 제조공정 연구로서, 응용분야는 탈질용 담체 및 자동차 배기가스용이며, 관련 소재기업으로는 세라컴, 칸세라, 나노, 코센테크, 화인테크 등이 있다. 또한 국가출연연구소로는 재료연구소, 한국세라믹기술원, 한국화학연구원 등에서 부분적인 연구가 진행되고 있다. 현재 수처리용 세라믹스 필터의 가장 큰 단점 중의 하나인 여과면적을 극대화시키는 기술을 개발하는 것이 최대의 과제이며, 여과대상 물질에 따른 세라믹스 분리막의 소재 개발 및 시스템 업체와 공동 연구가 필요하다.


세라믹 분리막의 경우 선진 기업과의 기술격차뿐만 아니라 장기간 축적된 신뢰도 장벽을 극복하는데 어려움이 있고, 특히 원천 소재 기술은 국내에 전무한 상태이므로 원천 소재 기술의 자립을 위해서는 세라믹 분리막 소재개발에서 시스템에 이르는 분리막 수처리 기술 전반에 대해 정부의 장기 전략에 근거한 정책적 지원이 필요하다.


최근 들어서 정부에서 세라믹 분리막 소재에 관심을 가지기 시작하였다. 2013년에는 산업통상자원부에서 주관하는 세라믹 R&BD 발전 전략 핵심기술 보고서에서 개발 테마로 “압출공정 기반 고기능 내환경성 수처리용 세라믹스 분리막 소재 기술 개발” 등이 도출되었다. 또한, 2014년 First Mover 소재·부품 R&D전략 세라믹 소재 분야 핵심소재 보고서에서 선도산업 유지형 소재로서 “플랜트용 다중 기공 구조 세라믹 분리막 소재 기술”이 도출되었으며, 선도산업 창출형 소재로서 “자연 복원과 순환을 위한 미래오염물질 제거용 청정 세라믹 소재“가 도출되었으나 과제화 되지는 않았다. 2015년에는 전략적 핵심소재 기술개발사업으로 “수처리용 고비표면적 기공제어 세라믹 하니컴 분리막 및 모듈개발” 과제가 도출되어 ㈜나노, 한국세라믹기술원, 재료연구소, KCC 등의 컨소시엄에서 6월부터 시작되어 5년간 수행되고 있다.


환경부에서는 수처리 관련 다양한 연구과제가 도출되었으나, 대부분 고분자 분리막을 이용하였으며, 세라믹 소재를 이용한 분리막 연구에 관해서는 보수적으로 진행되었다. 2014년 12월부터 납석을 이용한 세라믹 분리막 연구가(주)칸세라, 한국과학기술원, 재료연구소가 참여하는 실증 사업이 진행되고 있다. 이외에도 한국화학연구원과 재료연구소는 2014년부터 기관고유사업을 재원으로 융합연구사업인 “기능성 무기소재 기반 고도 수처리 분리막 핵심기술 개발”이라는 제목으로 세라믹 분리막 관련 연구를 진행 중이다. 이에 따라 국가적으로도 세라믹 분리막 관련 연구가 정책적으로도 중요하며, 이에 따른 연구의 필요성의 중요도는 확인된 것으로 판단되며, 점차적으로 향후 국내 연구가 활성화 되면 관련 시장도 확대될 것으로 판단된다. 그러나 대부분의 세라믹 분리막 연구의 소재가 알루미나를 기본으로 하고 있으며, 탄화규소, 지르코니아, 타이타니아 등 다양한 소재의 세라믹 분리막에 대한 연구가 요구된다.


국내의 고도 수처리에 대한 기술이 공정개발 위주로 이루어지고 있는 실정으로, 산업적 접근의 수처리 장치 및 설비 등에 대한 기술개발이 필요하다. 특히 고도수처리 기술은 시장 수요에 의하여 기술이 개발 또는 수입되고 있어 기술 수준이 떨어지는 경향이 있으며, 국외 기술에 의존도가 높아질 가능성 있어 대응 기술보유를 위한 R&D 투자노력이 필요하다. 고도 수처리 시장과 관련하여 관련 업체가 우수 신기술을 개발하더라도 수요업체의 폐쇄성(기존기술 및 검증설비 선택), 업계 영세성으로 인한 신뢰도 저하와 실증(실험)장비 미비 및 고가의 실험장비사용료 등으로 기술상용화에 애로가 발생되어 정부의 지원 아래 출연연을 중심으로 완성도 높은 기술 개발을 수행할 필요성이 있으며, 정부지원의 필요성이 매우 높은 분야이다.


현재 미국, 일본, 유럽 등은 세라믹 분리막 상용화 연구가 진행되어 플랜트가 설치되고 있는 시점임에도 불구하고 국내에서는 아직 체계적인 연구가 거의 전무한 상태이며, 일부 실시되고 있는 세라믹 분리막을 이용한 수처리 시스템 평가의 경우 분리막 소재는 외국 수입품을 이용하여 평가하고 있는 실정이다.


■ 해외 동향


1) 미국


세라믹 분리막은 1940년대에 미국의 Corning Glass Co.에 의해 제조된 Vycor 타입의 다공성 유리와 미국 정부에 의한 Manhattan Project에서 개발된 UO2 핵연료 제조를 위한 UF6 동위원소 기체분리용 분리막에 그 기원을 두고 있다. 특히, 세라믹 분리막은 우라늄의 농축 기술 개발에 사용되어지므로 전략물자 소재이며 수입제한 품목으로 아직까지도 선진국에서도 국가의 전략적 소재로 육성하고 있는 산업이어서 기술이전을 제한하고 있으며 외국제품 수입 시 많은 제약이 따른다.


수처리 분야는 전체적으로 미국 환경보호청의 상수도 수질 규제 강화에 따라 스마트 상수도 시스템 등 수처리 관련 시설, 가정용 필터시장에 대한 관심도 증가가 예상된다. 가정용 필터 시장은 품질뿐만 아니라 디자인, 브랜드 이미지 구축이 시장 점유율 확대의 결정적인 요인으로 분석된다. 현재 수처리용 분리막 관련해서는 듀폰, 다우케미컬 등의 기업이 고분자 막뿐만 아니라 무기막에 관해서도 많은 연구를 진행하고 있다.


2) 일본


2006년에 시작된 일본의 제3차 과학기본계획의 정책목표 중 하나는 “건전한 물 순환과 지속 가능한 물 이용”이며, 이를 위해 4개의 프로그램으로 구성된 “물(水)·물질순환과 유역권 연구영역”이 설정되어 있다. 그중에서 “대책관리를 위한 적정기술” 프로그램에는 “국제적으로 보급 가능한 첨단 수처리 기술”이란 연구과제가 있으며, 과제의 목표는 “막이나 미생물을 이용한 수처리”이며, 유역권 관리에 관한 첨단기술을 개발하여 세계 각국에 보급하고 하천, 호수, 습지대 및 연안 등의 물 환경을 개선하여 유엔의 밀레니엄 개발목표 달성에 기여하는 것을 목적으로 하고 있다.


Mitsui사는 세라믹 분리막을 이용한 탈수 막 모듈 및 시스템 기술에서 세계에서 독보적인 위치를 점하고 있으며, 제올라이트를 알루미나 지지체 위에 형성시켜 상용급 플랜트를 개발, 수출하고 있다. 하니컴형의 세라믹 분리막이 상용화되고 있으며, 이들의 경우 alumina/alumina 복합 분리막뿐만 아니라 zirconia/alumina, titania/alumina, zirconia/silicon carbide 등의 다양한 재질의 복합 세라믹 분리막이 개발되어 여러 분야에서 실용화되고 있다. 특히 일본의 NGK사에서는 이 소재를 이용하여 광범위한 산업(자동차, 화학, 제약, 건설, 환경 산업 등)에 적용하고 있는 대표적인 사례이다.


3) 유럽


유럽의 막여과 시장은 프랑스를 중심으로 성장한 세계 1,2위 물기업인 베올리아(Veolia), 수에즈(Suez) 등을 중심으로 이루어졌으며, 특히 유럽 통합에 의한 시장 통합과 민영화 촉진이라는 요인이 크게 작용하였다. 영국의 경우 상하수도 사업의 민영화와 함께 세계적인 물 기업 육성에 노력하고 있으나, 아직까지 유나이티드 유틸리티(United Utilities) 한 곳에 불과한 실정이다. 특히 세라믹 분리막의 경우 유럽은 Framework Program으로 다공질 세라믹 지지체 개발과 액상 분리용 세라믹 막 시스템 개발 등 지속적인 노력이 이루어지고 있다.



▲ <표 3-6-2-1>수처리용 세라믹 분리막 소재기술의 분류


▲ <그림 3-6-2-1>분리막의 원리 및 구분


▲ <그림 3-6-2-2>다양한 세라믹 분리막의 형태에 따른 분류


▲ <표 3-6-2-2>세라믹 막과 고분자 막의 비교


▲ <그림 3-6-2-3>세라믹 분리막 적용 개념도(좌) 및 pilot plant(우)


▲ <그림 3-6-2-4>국가별 물소비량 : 1996-2005(m3/year per capita)


▲ <표 3-6-2-3>선진국 대비 국내 본 연구 해당 기술의 기술수준



▲ <그림 3-6-2-5>일본의 세라믹 멤브레인을 사용한 수처리 플랜트


▲ <그림 3-6-2-6>Veolia의 소형 멤브레인 시스템(좌) 하수 2차처리수의 추가처리를 세라믹막 시스템(우)


▲ <표 3-6-2-5>세라믹 분리막 적용분야


▲ <표 3-6-2-6>세라믹 분리막 기술 - 국내 선도연구기관


▲ <표 3-6-2-7>세라믹 분리막 기술 - 해외 선도연구기관


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