| 초록 |
1. 서론 지속적인 수자원의 공급은 현대 인류가 직면한 과제이다. 지구는 3분의 2가 물로 덮여 있지만, 전체 수자원의 약 2.5%만이 담수(fresh water)이고, 그중에서 1% 미만만이 인류가 사용 가능한 형태로 있으며, 대부분의 나머지 담수는 극지방의 빙하 등의 형태로 존재하며 실질적으로 사용이 불가능하다. 여기서 담수는 일반적으로 염분이나 총 용존고형물질(total dissolved solid, TDS)의 함량이 1,000 mg/L 이하인 물로 정의된다. 담수를 제외한 수자원을 보면, 수자원 전체의 약 97%는 해수(sea water)의 형태로 존재하며, 나머지인 전체의 0.5%는 기수(brackish water. 담수에 의하여 묽게 된 해수)로서 존재한다. 따라서 담수화(desalination) 기술은 전체 수자원의 약 97.5%를 차지하는 해수와 기수를 인류의 생활에 유용하게 사용할 수 있는 형태로 바꾼다는 점에서 매우 중요한 공정 기술이다. 한편, 인류의 일상생활과 산업활동에 의해 사용된 물은 폐수(waste water)의 형태로도 배출되는데, 이를 수처리(water treatment) 또는 정수(water purification)하는 공정도 물의 재사용을 가능하게 한다는 점에서 담수화 공정 못지않게 중요하며 경제적으로 파급력이 높다고 할 수 있다. 이러한 담수화 및 수처리 공정은 증발법, 약품 및 미생물을 통한 응집침전, 염소에 의한 소독 등의 방법을 통해서 수행될 수 있지만 막분리(membrane separation) 공정에 의해서도 구현될 수 있는데, 막분리 기술은 다음과 같은 장점이 있다. (1) 에너지 소모가 적음 (2) 생물학적 공정에서 문제시되는 bulking 문제가 없음 (3) 원수 중의 현탁물질과 콜로이드 등 불순물의 완벽 제거 (4) 원수량 변동에 따른 처리수질 안정 (5) 비교적 처리시간이 짧고 대용량처리가 가능 또한 이러한 막분리 공정의 막으로는, 무기막(inorganic membrane)은 높은 막 성능에도 불구하고 막 및 모듈 제작비용이 매우 고가이기 때문에 주로 고분자막(polymeric membrane)을 사용한다. 본 보고서에서는 이러한 고분자분리막을 사용한 해수의 담수화 및 수처리 공정에 대하여 알아볼 것이다. 2. 고분자분리막의 분류 및 수처리 작용 막(membrane)이란 2개의 상을 나누는 경계면에 위치하여 여러 종류의 화학물질의 통과를 제어하는 것인데, 막을 이용하여 물질의 분리가 가능한 것은 물질에 따라 막을 통한 이동속도가 다르기 때문이다. 막의 주요 수행 특성으로는, (1) 유지효율(retention efficiency), (2) 침투성(permeability), (3) 처리 능력(dirt handling capacity), (4) 화학적 저항성(chemical resistance), (5) 기계적 강도(mechanical strength), (6) 청결도(cleanliness) 등이 있다. 이러한 막을 이용한 물질 분리는 크게 ① 막을 통과하는 입자의 크기 차이를 이용한 것과, ② 막을 통한 확산속도의 차이를 이용한 것으로 나누어진다. 기체의 경우는 주로 비다공성막을 사용하여 막을 통한 확산속도 차이를 이용한 분리 공정이 이루어지지만, 물의 담수화 및 수처리는 물과 에탄올의 분리나 물로부터 유용한 유기희석물질의 회수 등을 제외하면 대부분 입자크기 차이를 이용한 방법을 사용하여 물질 분리가 이루어진다. 기공의 크기에 따라 고분자막은 미세여과막, 한외여과막, 역삼투막 등이 있으며, 분류 기준 및 특성, 해당 분리 공정은 다음과 같다. 2.1. 미세여과막 미세여과(microfiltration, MF)막 또는 정밀여과막은 입자크기가 0.1~10μm 정도인 용질을 분리하는 미세여과 공정에 사용되며, 막의 기공크기가 약 0.01~10μm 정도이다. 미세여과막의 구성 물질은 일반적으로 대칭형(symmetric) 기공 구조(그림 1 참조)를 가지는 결정성고분자이며, 현재 식품공업, 생물화학공업, 의료 분야, 반도체 제조 공정 등에 광범위하게 사용되고 있다. 일반적인 산업에서 가장 많이 쓰이는 곳은 음료수의 살균과 일반용 초순수의 제조 공정이다. 이러한 미세여과는 삼투압을 극복할 필요가 없어서, 필요압력이 0.5~5기압 정도인 장점이 있다. 2.2. 한외여과막 한외여과(ultrafiltration, UF)막은, 입자크기가 약 1nm~0.1μm 정도인 당류, 단백질 등의 용질을 분리하는 한외여과 공정에 사용되며, 막 기공크기가 10~500Å 정도이다. 막의 구성 재료는 일반적으로 비대칭형(asymmetric) 기공 구조(그림 1 참조)의 비결정성 고분자이며, 한외여과막을 이루고 있는 고분자의 예로는 폴리설폰(polysulfone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 등이 있다. 한외여과는 역삼투 공정보다 분자량과 입자크기가 큰 물질을 분리하기 때문에, 막오염이 역삼투 공정보다 더 심하다는 단점이 있다. 하지만 역삼투는 분리 대상 물질이 염류 및 무기이온이라서 높은 삼투압 극복을 위해 큰 압력이 요구되는 반면에, 한외여과는 분자량이 큰 분리 물질을 대상으로 하므로 용액 내의 삼투압이 무시할 만하여 2~10기압의 비교적 낮은 압력에서 물질 분리가 이루어진다는 장점도 있다. 이러한 한외여과의 공업적 응용은 산업용 초순수 제공, 음료 제조, 단백질로부터의 바이러스 제거, 해수의 담수화 등이 있다. 그림 1. (a) 대칭성 및 (b) 비대칭성 다공성 막의 모식도 (참고문헌 7 변형) 2.3. 역삼투막 역삼투(reverse osmosis, RO)막은, 삼투현상을 일으키는 반투막(semipermeable membrane)으로서, 막의 기공크기가 극도로 작아서 비다공성(nonporous) 막으로 분류되며, 입자크기가 작은 용매만 투과되고 용질은 투과되지 못하여서 10Å 이하의 용질 입자를 분리한다. 역삼투막 재료의 예로는, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리옥사디아졸(polyoxadiazole) 등이 있다. 이러한 역삼투막을 사용한 분리 공정은 역삼투 공정과 정삼투(forward osmosis, FO) 공정을 통해 수행될 수 있으며, 다음과 같다. 역삼투 공정: 삼투(osmosis)현상이란, 분리막의 기공크기가 용매보다 크고 용질보다 작아서 용매가 용매 농도가 높은 쪽, 즉 용질 농도가 낮은 쪽에서 용매 농도가 낮은 쪽, 즉 용질 농도가 높은 쪽으로 통과하는 현상이다. 반면에 역삼투란 용매의 농도가 낮은 쪽(용질 농도가 높은 쪽)에 삼투압보다 더 큰 압력을 가하여 용매를 용매 농도가 높은 쪽(용질 농도가 낮은 쪽)으로 보내는 것을 말하며, 이러한 방법을 통해 입자크기가 매우 작은 용질을 분리할 수 있다. 일반적으로 역삼투 공정은 삼투압을 극복해야 하기 때문에 10~100기압의 높은 압력이 필요하며, 따라서 막분리 공정 중에서 에너지소비가 많은 특징이 있다. 정삼투 공정: 정삼투는 역삼투와 반대로 삼투의 원리로 용질을 분리하는 것으로서, 반투막을 사이에 두고 고농도의 유도물질(draw solution)을 원용액과 접하게 하여서 용매를 용매 농도가 낮은 유도물질 쪽으로 이동시켜서 용질을 분리한 후, 다시 유도물질에서 용매를 분리하는 것이다(그림 2 참조). 그림 2. 정삼투막의 모식도 (참고자료 8 변형) 이와 같은 고분자분리막 기공크기에 따른, 수처리 효과를 표 1에 나타내었다. 표 1. 고분자분리막을 이용한 수처리 공정의 처리 효과 (참고문헌 3) 구분 RO UF MF 주용도 유기물 분리, 균, 독성 제거, 무기이온 제거 유기물 선택분리, 균, 독성 제거, 미세먼지 제거 균 제거, 입자 제거 수질세균 제거 99% 이상 95% 이상 90% 이상 독성바이러스 제거 99% 이상 95% 이상 5% 미만 미립자 (0.1μm 이하) 99% 이상 95% 이상 0 유기물 99% 이상 용존유기물 제거 못함 용존유기물 제거 못함 유지관리 비용 대 중 소 기타 운전관리 불리, 부대장비 필요, 회수율 |
