수처리용 세라믹 분리막
기술개발 및 산업동향

황 광 택_ 한국세라믹기술원 이천분원 수석연구원

1. 서  론

전 세계는 급격한 산업 발전으로 점점 더 환경오염이 심화되면서 지구 전반에 걸쳐 환경 오염 방지에 대한 관심이 고조되고 다양한 연구 뿐만 아니라 환경 관련 산업의 시장이 크게 확장 되고 있다. 특히 환경오염에 의한 기후 변화와 급격한 인구 증가는 모든 나라에서 물 부족이라는 심각한 문제를 발생시키고 있다.
우리나라도 역시 리비아, 모르코 같은 사막 국가들처럼 물 부족 국가가 될 것이라고 유엔에서 지적하고 있다. 이것은 강수량, 인구밀도 그리고 국민 1인당 물소비량 등을 고려하여 건설교통부가 세운 수자원 장기 종합 계획 및 유엔 자료에서 얻어진 결과이다.
과학저널 ‘바이오사이언스’는 세계 각국이 현재의 자원 관리 관행을 바꾸지 않을 경우 21세기에는 심각한 물 부족에 시달리게 될 것이라고 지적했다. 또한 스웨덴의 스톡홀름 환경연구소는 최근 유엔의 지속적 발전을 위한 위원회에 제출한 보고서를 통해 물 낭비에 대한 대처를 하지 않으면 오는 2025년에 전 세계 인구의 2/3 가량이 물 부족에 허덕일 것이라고 발표하였다.
이러한 물 부족 문제는 개발도상국 등의 급격한 성장에 따른 물 수요 증가로 점차 심화될 것으로 예상하고 있다.
물 부족과 같이 인류 삶의 질 향상에 직결되는 환경문제는 모든 산업분야에 영향을 미치게 될 것이다. 이에 따라 국제적인 환경규제가 강화되고 있고, 환경을 이유로 무역과 산업활동에 대한 규제가 시작됨에 따라 산업계는 환경을 고려한 생산 방식으로 전환이 이루어지고 있다.
국내 환경 산업은 시장규모가 매년 10% 이상 성장하고 있으며, 환경부도 최근 보고서에서 지난 2000년 8조 9,000억원에 불과했던 시장규모가 2005년에는 18조 5,000억원으로 확대되었다. 이는 2000년 5,237억 달러와 2005년에 6,942억 달러 등으로 3~6%의 성장률을 보이는 세계 환경 시장의 성장 속도에 비해 최고 5배 빠른 것이다.
환경오염의 감소는 원천적으로 오염물질의 양을 줄이거나 발생하지 않도록 하는 방법과 발생되는 오염물질을 효과적으로 감소시키는 방법으로 진행된다. 환경소재로서 세라믹스는 주로 오염물질의 처리 분야에 주로 사용되고 있으며, 대기분야, 수질분야 및 소음・진동방지분야로 분류될 수 있다.
본고에서는 수처리용에 사용되는 세라믹 분리막의 기술개발과 산업동향에 대해 기술하고자 한다.

2. 수처리용 세라믹 분리막

오염된 물의 수질 개선을 위해 다양한 기술들이 사용되고 있으며, 일반적으로 사용되는 수질 정화 기술 종류는 표1에 정리하여 나타내었다. 위 다양한 공법 중에서 막분리 특히 세라믹스 막분리에 대한 연구는 많은 연구가 수행되지 않았으며, 기술의 수준이 성장기 단계에 있다. 수질 정화 공정은 다양하게 사용되고 있지만 분리막을 이용한 여과 공정은 기존의 다른 공정에 비해 에너지 소모가 적고 공정이 단순하여 용수 및 폐수 처리, 해수의 담수화, 초순수, 제조, 제약 및 식품 제조 분야에서의 분리 및 정제 등의 액상 공정에 이르기까지 다양하게 이용될 수 있다.
분리막이란 2개 이상의 성분 중에서 특정한 성분만을 선택적으로 분리할 수 있는 경계층을 말하며, 분리막의 기공크기나 구조에 따라 분류한다. 기공 크기에 따라 정밀여과(MF, microfiltration)는 0.1~10㎛, 한외여과(UF, ultrafiltration)은 10~ 100nm, 나노여과(NF, nanofiltration)은 1~10nm, 역삼투(RO, reverse osmosis)는 1nm 이하로 분류할 수 있다. 여과막을 이용한 기공 크기에 따른 여과 공정을 분류하여 보면 아래 그림1과 같이, 형성된 필터의 기공에 의해 오염된 입자가 제거되어진다. 정밀여과막은 탁도(물의 혼탁 정도) 조절 및 박테리아를 제거할 수 있고, 한외여과막은 고분자량의 유기물이나 각종 바이러스를 제거할 수 있다. 나노여과막은 다가의 이온과 저분자량의 유기물을 제거할 수 있으며 역삼투막은 일가 이온들을 제거하여 순수한 물을 여과할 수 있다. 일반적으로 상하수 처리는 정밀여과 및 한외여과막을 사용하며, 담수와 하수 재이용 분야에는 나노여과와 역삼투막이 적용된다. 세라믹 소재의 분리막은 정밀여과, 한외여과, 나노여과에 해당하는 막이 제조되고 있다.
분리 공정의 유용성은 분리막의 특성에 의하여 좌우될 수 있는데 현재 주로 사용되는 고분자 분리막은 열적, 기계적, 화학적 및 생물학적 안정성이 낮고 세척이나 열처리에 의한 재생성이 용이하지 않기 때문에 차후 이들을 대체하여 열악한 조업 조건 하에서 효율적으로 장시간 사용될 수 있는 세라믹 막의 개발이 요구되는 실정이다.
세라믹 분리막은 고분자 분리막에 비하여 pH, 압력, 온도 등 극한조건에서 높은 내구성을 가지며 내환경성을 보유하고 재활용 가능한 차세대 미래 그린 산업을 주도할 수 있는 미래 원천 소재이다. 특히 기존의 분리막의 단점을 보완한 새로운 세라믹 분리막은 향후 수처리 뿐만 아니라 증류, 흡착, 추출 등이 요구되는 제약, 반도체, 음료, 제지, 발전소 등 다양한 극한환경을 요구하는 시장으로 확대가 가능한 포괄적인 기술 분야이다. 실용화되고 있는 막분리 공정에 사용되고 있는 세라믹 분리막은 고분자 분리막에 비해 다음 표2와 같은 장단점을 지니고 있다.
일반적인 다공성 세라믹 재료는 1000℃ 이상의 고온에서 사용이 가능하고 금속용융이나 증기의 세척에 응용될 수 있다. 내화학성은 용매, 산, 알칼리, 세제 등과 같이 다양한 분야에 견딜 수 있으며, 고압에서 견디는 특성에 의하여 30 기압 이상의 압력에서 견디며 역세척과 같은 방법으로 대량처리 공정에서도 사용할 수 있다. 이는 오염(fouling)이 큰 문제가 되는 공정에서 에너지 효율을 높일 수 있다.
응용에서 가장 중요한 사항은 여과할 입자의 크기이다. 다른 인자들로는 확산, 이온 전하, 기압, 용해도, 표면 activity, 밀도를 포함한 공정 단가이다. 아직까지 세라믹 다공체가 널리 사용되지 못하는 이유는 높은 가격과 기공크기 분포의 조절에 있다. 재료공정의 발달로 인해 균일한 기공크기 제어가 가능해지고 경제적으로 세라믹 분리막이 제조될 수 있게 되어 가고 있다.

 더 자세한 내용은 세라믹코리아 12월호 본문에 이어집니다.