30년 에너지·환경의 선두주자100년 미래의 희망, 한국막학회
정수처리 분야, 하·폐수 처리 분야, 해수담수화 기존 정수공정은 침전, 여과와 같은 물리적 공정과 응집, 소독과 같은 화학적 처리에 의하여 주로 운전이 되고 있으나, 수처리과정에서 이용되는 약품에 의한 배관의 스케일링(scaling) 및 소독과정에서 사용되는 염소는 물속의 유기질과 반응하여 THM, HAA 등의 발암성 할로겐 화합물을 생성한다고 알려져 있다. 이러한 영향을 최소화하고자 최근에는 약품을 사용하지 않는 흡착 공정이나 막분리 공정과 같은 물리적인 수처리 공정이 매우 중요한 기술로 주목받고 있다. 특히 전 시스템의 자동화 운전이 가능하기 때문에 인건비 및 운전비를 크게 줄일 수 있는 특징을 갖고 있다.
초순수란 일반적으로 17∼18㏁/cm 정도의 전기적 저항(electrical resistivity)을 가진 물리 · 화학적으로 화합물질 및 합성물질 등이 거의 존재하지 않는 고순도의 물을 말한다. 물의 초순수화는 응집, 여과와 활성탄 처리 등의 전처리를 한 후에 이온교환수지에 의한 순수화를 하나 더 나아가서 한외여과막의 역삼투막 및 정밀여과막 등의 막여과, 탈기 및 자외선살균 등의 처리을 조합하여서 초순수를 제조할 수 있다. 또 전처리에 역삼투막 처리를 할 경우 탈이온이나 유기물질이 제거가 되므로 이온교환수지 처리의 부담을 경감할 수 있고 처리수의 순도도 향상시킬 수 있다. 초순수는 현재 반도체나 전자공업, 초임계 보일러, 원자력발전소 및 제약공업 등에 대량으로 사용되므로 매년 처리수질의 향상이 강력히 요구되어지고 있는 추세이다.
막여과에 의한 음용수 처리는 과거 활성탄의 흡착에 의한 정수나, 미세한 기공을 함유한 다공성 세라믹 분리막이 주류를 이루고 있었으나, 80년대부터 역삼투막 및 중공사막에 의해 처리되는 경향이다.
수도의 수원으로는 하천·호소·저수지·지하수 등이 이용되는데 수질이 좋은 지하수나 용출수는 염소소독만을 하여 급수하는 경우가 많으나, 하천이나 호소(湖沼)를 수원으로 하는 수도에서는 탁도와 세균류 등의 유해불순물을 완벽하게 제거하지 않고서는 음용수로서 공급할 수 없다. 이와 같이 물의 정화는 정수장에서 완속여과와 급속여과에 의하여 이뤄지고 있으나 최근 바이러스 및 원생동물 등의 완벽한 제거를 위하여 막여과가 점차 증가 하고 있다.
폐수처리 분야에 대한 막분리 기술의 적용은 단순히 폐수를 처리한다는 개념이 아니라 폐수 중에 함유된 유효물질을 회수하여 재활용 한다는 점과 폐수 중의 물을 높은 수율로 회수하여 재이용함으로써 폐수 오염원의 부하를 크게 줄여 주는 장점이 있다. 그 외에도 폐수처리시 들어가는 약품의 양이 적어 발생되는 슬러지를 줄일 수 있으며, 물리적인 처리방법으로 폐수의 수질변화에 대한 영향을 적게 받아 일정한 처리수준을 유지할 수 있다. 막분리 공정을 이용하여 공장폐수 및 하수에 대한 처리 및 재활용을 하여 경제적, 환경적 측면에 대한 여러 장점을 이용하는 추세로 발전하는 수단이 된다. 일반적으로 폐수의 성분이 크게 변하지 않는 생활하수의 처리 및 재활용의 경우보다 산업폐수를 처리할 때 더욱 그 중요성이 강조된다.
해수담수화란 해수 중에 용해되어 있는 염분을 제거하여 담수를 얻는 일련의 공정을 말하며, 담수화의 방식을 분류한다면 크게 상태변화를 동반하는 방식과 상태변화를 동반하지 않는 방식으로 구별할 수 있다. 상태변화를 동반하는 방식은 증발법과 냉동법이 있으며, 상태변화를 동반하지 않는 것은 막분리법 및 이온교환수지법 등이 있다. 또 담수화에 필요한 에너지의 사용형태로는 열을 이용하는 증발법, 압력을 이용하는 역삼투법, 전기에너지를 이용하는 전기투석법 등으로 나누는 것이 가능하다. 이중 어떠한 방법을 이용하여 해수담수화를 할 것인지는 원수의 농도와 운전 온도의 적용범위에 따라 달라진다. 증발법은 30,000∼50,000㎎/ℓ의 고농도 염수에, 전기투석법은 500∼3,000㎎/ℓ의 비교적 저농도의 염수에 적용하며, 역삼투법은 500∼50,000㎎/ℓ의 저농도에서 고농도까지의 넓은 범위의 염수에 주로 적용하고 있다.
고/액 분리, 액/액 분리, 기/액 분리, 기/기 분리 정밀화학 분야는 물질의 3가지 형태인 고체, 액체, 기체를 최종 사용시점에서 이용할 수 있는 방법에 따라 적용되며, 고/액 분리, 액/액 분리, 기/액 분리, 기/기 분리의 네 가지 분리기술로 분류된다.
고액분리는 고체와 액체가 혼합되어 있을 경우, 이 두 개의 삼차원 균일상을 제3의 상인 막(membrane) 등의 물리화학적 성질을 이용하여 분리하는 것을 일컫는다. 막은 이동하는 유체에 집중된 저항을 가하며, 이 저항은 물질에 선택적으로 다르게 작용하므로, 이동속도의 차이에 따라 두 상의 분리가 일어나게 한다.
액/액 분리는 혼합액체로부터 분리막의 물리화학적 성질에 따라 선택적으로 특정 액체를 분리해 내는 것으로, 주로 역삼투법, 한외여과법, 투과증발법, 이온교환막을 이용한 전해 및 전기 투석법이 이용된다.
화학품 제조, 식품 제조, 의료, 반도체 제조 등의 여러 분야에서 액체 중에 용존된 기체를 탈기하는 즉 기체-액체의 혼합기체로부터 특정 기체 혹은 기체를 분리하는데 사용된다.
기/기 분리란 혼합기체로부터 특정한 기체를 분리하는데 사용되는 것으로 한쪽면으로부터 혼합기체가 접촉되어 막과의 친화성이 좋은 혼합기체 내의 특정 기체분자가 막 반대편으로 선택적 투과되는 현상을 이용 한다. 분리해 내는 특정기체는 수소(H2), 질소(N2), 산소(O2), 이산화탄소(CO2) 등이 대부분이었으며 분리된 기체는 다양한 공업 분야뿐만 아니라 의료분야에서도 널리 보급되어지고 있다.
<전해질(Electrolyte)의 종류에 따라> - 인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell) - 알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell) - 고분자전해질형(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) - 용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell) - 고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) - 직접메타놀형(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)
<이용 방식에 따라> - 연료전지, 2차 전지
휘발성 유기화합물은 지하수, 토양, 대기 등의 환경오염 물질의 하나로서, 주로 위발성 유기 할로겐 화합물로서 메틸렌 클로라이드, 디클로로 에틸렌, 트리클로로 에틸렌, 디클로로 프로판 및 클로로디브로모 에탄 등 주로 자동차 및 석유화학 단지에서 배출되고 있다. 따라서 이러한 유기화합물을 제거 또는 회수하는 방법이 필요하며, 회수 방법 중에 하나로 막분리법을 들 수 있다. 막분리법은 화합물이 함유된 가스를 분리막에 선택적으로 투과시켜 화합물을 흡착탑에 의해 흡수·회수하고 화합물이 제거된 가스를 공기 중으로 방출시키는 방식이다.
연료전지(fuel cell)를 간단히 표현하면 수소(H2)와 산소(O2)가 전기화학적으로 반응할 때 물(H2O)이 생성되는 것과 동시에 전기(electricity)와 열(heat)이 발생되는 원리를 이용한 발전장치(electricity generation device)로서, 이는 물 전기분해(water electrolysis)의 역반응(reverse reaction)으로 볼 수 있다. 현재 지구상에서 연료로 가장 널리 사용되고 있는 석유, 석탄 등의 화석에너지는 발전용으로 사용될 때 극심한 환경오염 물질을 배출시키는데 비하여 연료전지는 거의 환경오염 물질을 배출시킴이 없이 물만을 생성, 배출시킴으로써 이상적인 발전기술로 각광받고 있으며 선진 각국에서 기술개발 경쟁을 가속화하고 있는 분야이다.
막처리 기술의 활용한 농축 분리는 주류가동, 유가공, 음료생산 및 제약, 도료, 반도체 제조 과정에서 에 액체 여과에 적용되고 있으며, 농축분리 분야에 사용되는 분리막은 대부분이 고분자로 만들어진 역삼투막이나 한외여과막이 이용 된다.
식품 및 화학공업 분야에 있어서 정제분리는 중요한 요소기술로 자리 잡아 왔으며, 최근 에너지 절약을 위하여 재래식 정제 분리를 대신할 수 있는 막분리 응용에 관심이 높아지고 있다. 전통적인 방법으로는 증류, 흡수, 증발, 건조, 기계적 분리가 아직도 중요한 부분을 차지하고 있으나, 새로운 분리 방법 중 하나인 막분리 기술은 선택적 투과성을 갖는 막을 이용하여, 액상, 기상에서 유기, 무기물 및 기체를 압력차, 농도차, 전위차 등을 추진력으로 하여 분리, 정제, 농축하는 분리조작이다. 원리와 공정이 비교적 간단하고 적용범위가 넓어 액체와 기체상의 분리 공정에 많이 이용되는 기술로서, 에너지 소비가 적고, 용매의 필요성이 적어 경제적이며, 상변화에 고온처리 등이 수반되지 않는 장점이 있기 때문에, 전통적 분리공정을 대체할 수 있는 잠재력이 충분하다.
혈액투석(Hemodialysis), 혈액여과(Hemofiltration), 혈액투석여과(Hemodiafiltration), 혈장분리(Plasma Separation), 혈장분획(Plasma Fractionnation) 등 대부분의 의료용 기기는 혈액을 정화하기 위해 사용되며 주로 중공사막을 이용한다. 이러한 의료용 기기들에 사용되는 분리막은 용도에 따라 달리 적용이 되는데, 처리가 곤란한 독성물질이 체내에 들어오는 경우나 생체의 본래 기능에 결함이 있는 경우에 인공막을 사용한다. 막을 사용하여 생명을 유지하는 경우는 대사계(代謝係) 인공장기가 중심이며, 대사노폐물을 제거할 때는 인공신장을 사용한다. 이 때 분리, 투과, 흡착 등의 원리를 이용한다. 막의 선택투과성과 분리능을 이용한 의료용 분리막 기기로서 대표적인 것으로서는 인공신장 혈액투석기와 막형 인공심폐기이며, 특히 혈액투석기, 혈액여과기, 혈액투석여과기, 흡착혈액관류기, 혈장분리기, 혈장분획기, 막형 인공심폐기 등은 고분자 분리막의 다양한 특성을 이용하여 광범위하게 개발되어 사용되고 있다. 원리는 체외순환조직을 이용하면서 혈액에 물리, 화학, 생물학적 처치를 더하여 병인물질을 제거하는 의료수단이며, 혈액정화는 막을 이용한 여과(filtration)와 흡착(adsorption)원리를 이용한다. 의료용 막에는 혈액투석(Hemodialysis)막, 혈액여과(Hemofiltration)막, 혈액투석여과(Hemodiafiltration)막, 혈장분리(Plasma Separation)막, 혈장분획(Plasma Fractionnation)막 등이 있다.
