탄화규소 소재를 이용한 수처리용 세라믹 필터 기술 동향

송 인 혁_ 재료연구소 분말/세라믹연구본부 책임연구원

이 종 만_ 재료연구소 분말/세라믹연구본부 선임연구원

하 장 훈_ 재료연구소 분말/세라믹연구본부 선임연구원

김 영 욱_ 서울시립대학교 신소재공학과 교수

1. 서 론

2015년 4월에 7차 세계 물포럼이 대구·경북에서 열렸으며, 이를 계기로 우리나라에서도 물 문제 해결과 그에 따른 수처리 기술 관련 현안에 대한 국가적인 관심이 집중되고 있다. 전 세계적으로 물은 인류가 행복한 삶을 영위하기 위해 필요한 가장 기본적인 요소지만, 세계 곳곳에서 물 부족과 위생 관리에 대한 어려움을 호소하고 있다. 이로 인해 세계 각국에서는 깨끗하고 안전한 물을 확보하고 동시에 물로 인한 재해로부터 국민들을 보호하려는 노력이 커지고 있다.
많은 매체들이 물 산업이 석유 산업을 추월할 것이라는 전망을 내놓았고, 앨빈 토플러 등의 미래 학자들 역시 21세기가 물의 시대가 될 것이라고 전망하고 있다. 이러한 전망을 바탕으로 많은 기업들이 물 산업을 미래 성장 사업으로 주목하기 시작했으며, 자국 물 산업 육성을 위해 각국 정부들도 구체적인 계획안을 발표하고 있다1. 특히 물 산업은 단위 산업으로 반도체 산업이나 조선 산업보다 큰 규모를 갖추고 있다. 이처럼 세계 물산업 규모가 상당히 큰 이유는 국민 생활과 산업 활동에 필수적인 서비스로 전 세계적으로 산업이 형성되어 있기 때문이다.
심각해지는 물 부족 현상으로 인하여 수처리 기술의 중요성은 증대되고 있으며, 또한 물 산업 구조가 대규모 사업화가 가능하도록 패러다임이 변해가고 있다. 즉 20세기 초반에 성립된 화학 처리제 중심의 수처리 기술 패러다임이 최근 들어 필터의 미세한 구멍(Pore)을 통해 오염 물질을 걸러내는 멤브레인(Membrane) 방식의 기술 패러다임으로 전환되고 있다 2,3. 이와 같은 중요성이 증대되는 멤브레인의 소재는 대부분 유기물로 이루어져 있어, 현재 고분자 멤브레인이 시장을 주도하고 있다. 그러나 최근 들어 무기물로 이루어진 세라믹 분리막에 대한 중요성이 증대되고 있다. 수처리용 세라믹 분리막은 다양한 무기소재를 이용하여 제조하며 내열성, 내약품성, 내유기 용매성 등이 우수하고 기계적 강도도 강하다. 주로 정밀여과와 한외여  후 수처리용 세라믹 분리막 소재는 복합화를 통하여 구조와 기능 특성의 극대화가 가능하여 처리 용량을 증대시키고, 고집적화의 실현을 가능하게 할 수 있다.
미래 선도적인 신개념의 수처리용 세라믹 분리막 소재는 복합화를 통하여 구조와 기능 특성의 극대화가 가능하여 처리용량을 증대시키고, 고집적화의 실현을 가능하게 할 수 있다. 또한 분리막 소재의 단일기능을 융복합 기능으로, 고에너지 소비를 저에너지 소비로 수처리 패러다임 변화에 대응함으로서, 열악한 미래 환경에 대응하는 소재를 개발하는 것은 매우 중요하다. 수처리용 세라믹 분리막 소재는 대부분 알루미나(Al2O3) 소재를 중심으로 연구 및 상용화가 이루어지고 있으며, 이외에 지르코니아(ZrO2), 타이타니아(TiO2) 소재 및 저가 천연소재를 이용한 분리막 소재가 사용되고 있다. 본 고에서는 최근 들어 많은 연구가 되고 있으며, 미래 지향적으로 수처리용 분리막으로 사용이 전망되고 있는 탄화규소(SiC)를 이용한 세라믹 분리막의 연구 동향에 관하여 기술하였다.

2. 본론

2-1. 세라믹 분리막 분류

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.4 따라서 멤브레인을 이용한 분리 공정에는 멤브레인에 의해 물리적으로 구분되는 두 가지의 상이 필요하게 되며 이때의 멤브레인은 나노 다공성(nanoporous), 마이크로 다공성(microporous) 또는 매크로 다공성(macroporous)이거나, 이들의 조합으로 이루어져 있게 된다. 분리막의 구조는 크게 두 가지로, 막의 표면에서 속까지 균일한 구조를 가진 대칭막과 균일하지 않은 구조를 가지는 비대칭 막으로 나누어 볼 수 있다. 세라믹 막은 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.5
멤브레인의 종류는 구멍의 크기에 따라 정밀여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF), 역삼투 필터(RO)로 나눠진다. 일반적으로 정밀여과(MF, microfiltration)는 0.1~10 ㎛, 한외여과(UF, ultrafiltration)는 10~100 nm, 나노여과(NF, nanofiltration)는 1~10 nm, 역삼투(RO, reverse osmosis)는 1 nm 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.
그림 1은 세라믹 분리막의 제조 형태에 따라 특성 별로 분류한 것이다. 허니컴 형태의 모노리스 타입의 세라믹 분리막은 약 200개의 유속 채널을 보유하고 있으며, 모듈당 15 or 25 m2 의 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 타입의 세라믹 분리막은 약 0.1m2 또는 0.2m2 의 막면적을 가진 관형의 세라믹 분리막을 금속 모듈에 조합하여 최종적으로 20 내지 30 m2의 막 면적을 가지는 분리막으로 제조 된다. 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.
일반적인 수처리 공정에서 고분자 분리막은 처리 공정 후 수중에 용해되어 있거나 산에 의해 용해된 Fe, Mn 등이 고분자 분리막 내부에 침적되어 biofouling을 유발하지만 세라믹 막은 산이나 염기에 의한 역세 시 약품에 대한 저항성이 강한 장점이 있으며 발전소에서 배출되는 고온의 1차 계통수 처리 등에 특성이 있다. 즉 세라믹 분리막은 무기소재(알루미나, 티타니아, 탄화규소, 질화규소, 지르코니아, 제올라이트 등)를 이용하여 제조하며 내열성, 내약품성, 내유기 용매성 등이 우수하고 기계적 강도도 강하다. 주로 정밀여과와 한외여과용으로 사용되나 최근에는 나노 여과 분리막으로도 사용되고 있으며 고분자로 만들어진 유기 분리막에 비하여 고온의 가혹한 조건에서도 사용될 수 있으므로, 다양한 하・폐수 처리에 적용될 수 있다. 특히 현재 실용화되고 있는 막분리 공정에 사용되고 있는 세라믹 분리막은 고분자 분리막에 비해 표 1과 같은 장점을 지니고 있다.7

자세한 내용은 세라믹 코리아 8월호에서 확인 가능합니다.