정의
분류
특성






막(membrane)이란 두 개의 삼차원 균일상을 분리시키고 있는 상(phase)으로 상의 물리화학적 성질에 의해 물질 및 에너지의 교환 속도가 좌우되는 제3의 상을 말한다. 막은 이동하는 유체에 집중된 저항을 가하며 이 저항은 물질에 선택적으로 다르게 작용하므로 이동속도의 차이에 따라 두 상의 분리가 일어나게 한다.

이러한 막분리 공정은 분리하고자 하는 물질의 크기, 형상, 분자량, 그리고 극성 등의 물리/화학적 특성들과 함께 분리공정의 조업 조건(온도, 압력 및 화학적/생물학적 환경)에 따라 활용할 수 있는 공정과 종류가 달라지게 된다.

분리막은 막을 구성하고 있는 물질의 물성, 구조, 막의 응용분야 및 역할 등에 의하여 다양하게 분류할 수 있다.


막의 개발





1748년 Jean Nollet에 의한 삼투현상에 관한 실험 이래로 1829년 Tomas Graham의 고체물질 속에서의 기체와 액체의 확산연구를 통하여 최초로 막을 이용한 물질분리가 시작되었다.

합성고분자 분리막의 경우, 1846년 Fick의 cellulose nitrate 막의 개발을 시작으로 Loeb와 Sourirajan의 intergrally skinned asymmetric hyperfiltration membrane의 개발을 통하여 1960년부터 1980년까지의 20년동안 많은 막소재 및 응용기술의 연구가 추진되었다.

1800년 중반 T. Graham에 의하여 기체 분리막의 용해, 확산모델이 제시된 이래로 기체 분리막에 대한 연구는 조금씩 발전하였으나 오랫동안 실용화되지 못하였다.

그 후 1950년 대에 들어서 기체 분리막에 대한 연구가 본격적으로 수행되었는데 Dupont사는 용융 polyester 중공사막을 개발하여 혼합기체로부터 수소와 헬륨을 분리하였으며, Monsanto사가 polysulfone 중공사막에 dimethylsiloxane을 coating한 복합 중공사막으로 수소분리용 기체 분리막을 상업화 하였다.




막의 개발

고분자 분리막은 분리의 성능을 극대화하기 위해 막소재의 선정과 막의 물리적 구조형상에 따라 분리형태가 다양해질 수 있다. 분리막을 이용해서 제조된 각종의 분리막 모듈로는 평판형, 광형, 나권형, 중공사형 및 유로형 등이 존재하며 현재도 새로운 연구개발을 계속하고 있다.

현재 사용되고 있는 분리막의 소재로는 cellulose, cellulose acetate, cellulose nitrate 등의 천연고무들과 polyacrylonitrile, polyamide, polyether 등과 같은 합성고분자 들이 이용되고 있다.




막의 소재

고분자 분리막은 분리의 성능을 극대화하기 위해 막소재의 선정과 막의 물리적 구조형상에 따라 분리형태가 다양해질 수 있다. 분리막을 이용해서 제조된 각종의 분리막 모듈로는 평판형, 광형, 나권형, 중공사형 및 유로형 등이 존재하며 현재도 새로운 연구개발을 계속하고 있다.

현재 사용되고 있는 분리막의 소재로는 cellulose, cellulose acetate, cellulose nitrate 등의 천연고무들과 polyacrylonitrile, polyamide, polyether 등과 같은 합성고분자 들이 이용되고 있다.






막 분리 기능

분리·농축 : 기본적인 특징은 상변화 없이 응집제등 약품 첨가 없이 고/액 분리, 액/액 분리 및 가스 분리 가능

 

분획 : 분획은 용질 혹은 미립자를 분자량이나 크기에 대응해서 개별적으로 분리하는 것


격리 : 분리막에서의 격리는 다른 성질의 액체 혹은 물질이 막사이에서 양자가 혼합되지 않게 분리상태에 있는 것


고정·흡착 : UF막과 MF막은 비교적 큰 세공경의 내표면에서 막의 분리와 흡착을 동시에 행한다.

 










물성에 따른 분류
  - 유기막(organic membranes)
  - 금속막(metal membranes)
  - 무기막(inorganic membranes)
  - 복합막(asymmetric membranes)
 
구조에 따른 분류
  - 세공막(macroporous membranes)
  - 미세공막(microporous membranes)
  - 비세공막(nonporous membranes)
 
공정에 따른 분류
  - 정밀여과막(microfiltration membranes)
  - 한외여과막(ultrafiltration membranes)
  - 나노여과막(nanofiltration membranes)
  - 역삼투막(reverse osmosis membranes) 등
 
응용분야 및 역할에 따른 분류



 

  - 수처리분야용 막
  - 정밀화학분야용 막
  - 에너지분야용 막
  - 식품·약품분야용 막
  - 의료분야용 막 등











 생채막
- 미생물과 각종의 기관에 있어서 세포막 등의 생체내에 존재하는 막으로 기능은 분리보다는 물질전달에 관계한다


 합성막(인공막; Synthetic(Artificial) Membrane)
- 인공막은 생채막 이외의 모든막으로 실질적인 수처리 용도 등에 사용되는 통상적인 막


 다공질막 (Porous Membrane)
- 막에 실제 세공이 많이 있는 막으로 세공의 크기는 수 나노미크론 이상으로 세공수 많고(개공율 높고), 균일한 공경을 가진 막이 가치 높다


 비다공질막(Non-Porous Membrane)
- 기체분자와 무기이온 등의 물지이 투과되는 세공경을 가진막으로 다공질막과 비다공질박의 사이에 세공경을 가진 막을 미다공질막이라 부른다.


 대칭성막
- 막의 단면을 중심으로 세공이 대칭된 구조를 가지는 막 비대칭성막
- 막의 단면을 중심으로 표면과 내면이 다른막으로 특수한 얇은 치밀층(0.1~1㎛)과 이것을 지지하는 지지층, 즉 다공질 층으로 형성한다.


 단일막
- 막재질이 한종류인 막


 복합막
- 막재질이 2종류 이상으로 막이 합성되어 만들어진 막으로 복합막은 비대칭성막의 일종으로서 분리 기능을 가진 특수한 얇은 치밀층과 재질이 다른 지지층으로 형성된다.


 균질막
- 막의 단면에서 균질한 막으로 균질막은 대칭막으로서 막의 두꺼워 여가저항 크다


 불균질막
- 불균질막은 단면에서 균질하지 않은 막으로 기계적 강도 보강하기 위하여 부직포 위에 분리 기능 형성시킨 막


 유기막
- PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polysulfone), CA(Cellulose Acetate), PAN(Polyacrylnitrile), PA(Polyamide) 등의 고분자 물질로 합성되어진 막
- 고분자 물질로 합성되기 때문에 사용되는 재질도 풍부하고 막형태도 다양하다.


 무기막
- 세라믹이나 스테인레스 등의 무기물질로 만들어진 막으로 형태 한정적이나 내고온성, 내산화성 등 우수하다.


 친수성막
- 막표면의 물과 친화력 보이는 소재의 막으로 CA, PVA(Polyvinylalcohol) 등이 있다.


 소수성막
- 막표면의 물과 친화성 없는 막, 즉 방수성을 나타내는 막으로 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polysulfone) 등이 있으며, 소수성막 친화성위해 화학적 처리로 가능하다.


 CA(Cellulose Acetate)막
- 비대칭막(Asymetric Membrane)
- LOBE와 SOURIRAJAN에 의해 개발된 막으로써 두께가 100~200 ㎛인 반투성 막이며, 이 막은 두께가 0.25~1㎛의 조밀한 활성층(스킨층)과 수십㎛ 정도의 세공이 다수존재하는 스폰지 형태의 지지층으로 구성되며 이 두 층이 같은 재질로 되어있는 것이 특징이다.
- 이들 두층중 조밀한 구조의 활성층만이 탈염작용에 관여하며 지지층은 활성층이 고압에 견디도록 지지해준다


 PA(Polyamide)막
- 복합막(Composite Membrane)
- 복합막은 막의 분리기능을 담당하는 활성층(비대칭막의 조밀층)과 지지층(다공층)이 기본적으로 다른 재질로 구성 이 막의 제조방법은 막의 두께를 얇게 하면 막투과 유속이 증가한다는 용해 확산설을 기초로 하고 있으며, CARNELL & CASSIDY법,FRANCIS법 및 초박막을 다공층 지지체에 직접 COATING하는 방법 등이 있다.
- 복합막은 막의 표면적을 최대한 넓게 만들어 막투과수량을 증가시키고 기존의 CA막에 비해 염 제거율이 월등히 높다, 또한 단위 막면적당 투과 유량이 적고 주로 hollow fiber type으로 사용되며, chemical과 biological agent에 대한 저항력 있다.


 정밀여과막(Microfiltration Membranes)
  - 공 경 : 0.025~20㎛
  - 여과작용 : 체걸음 작용
  - 제거대상 : 콜로이드 입자, 현탁질, 조류, 박테리아 등
  - 분리 능력 표시 : 공칭분획경(Pore Size)
  - MF은 크게 Depth및 Membrane Type으로 나누어진다.
  - 조작압력 : 1kg/㎠ 정도


 한외여과막(Ultrafiltration Membranes)
  - 공 경 : 0.01~0.001㎛
  - 여과작용 : 체걸음 작용
  - 제거 대상물질 : 분획 분자량(MWCO) 1,000~30만 정도의 세균, 콜로이드, 단백질, 고분자 유기물 등
  - 조작압력 : 2~5kg/㎠ 정도
  ※ 분획 분자량(MWCO; Molecular Weight of Cut-Off) : 분리해낼 수 있는 분자량의 크기로 분리 능력 표시


 나노여과막(Nanofiltration Membranes)
  - 공 경 : 0.005~0.001㎛
  - 여과작용 : 체거름 작용과 확산 작용, 즉 삼투현상을 응용
  - 제거 대상물질 : 분획 분자량(MWCO) 350~1,000 정도의 세균, 콜로이드, 단백질, 고분자 유기물 등
  - 조작압력 : 3~40kg/㎠ 정도


 역삼투막(Reverse Osmosis Membranes)
  - 공 경 : 0.001~0.0001㎛
  - 여과작용 : 체거름 작용과 확산 작용, 즉 삼투현상을 응용
  - 제거 대상물질 : NF와 유사하며, 무기성 이온류, 저분자 유기물 등
  - 조작압력 : 40~100kg/㎠ 정도


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