Special 그린뉴딜/탄소중립 실현을 위한 세라믹소재 기술개발 동향(1)

수처리용 세라믹 분리막 최신 기술 동향

송인혁_한국재료연구원 세라믹재료연구본부 책임연구원
하장훈_한국재료연구원 세라믹재료연구본부 책임연구원
이종만_한국재료연구원 세라믹재료연구본부 책임연구원

1. 서론

최근 들어 도시화 및 산업화에 따른 물수요 증가와 공급부족 등으로 글로벌 물 시장은 지속적으로 성장할 것으로 전망되고 있다. 즉 인구의 도시 집중화와 빠른 상하수도의 노후화, 기후위기로 인한 수재해 대비 시설 개선 사업, 안전진단 등으로 세계 물시장의 성장세가 가파른 것으로 분석되고 있다. 특히 산업폐수의 발생량에 관한 환경부의 최신 자료(산업폐수의 발생과 처리, 2019)에 따르면, 2008년에 대비하여 반도체 및 전자부품 제조시설에서 방출되는 산업 폐수는 급격하게 증가하는 추세이다.
  환경부와 산업통상자원부에서는 2020년 7월 16일 탄소중립 사회를 향한 그린뉴딜 계획을 발표하였다. 이는 2020년 7월 14일 한국판 뉴딜 종합계획의 일환으로서 코로나 19로 인한 경제위기와 함께, 코로나 19를 불러온 기후·환경위기를 동시에 극복하기 위한 전략으로 추진된다. 도시·공간 등 생활환경을 녹색으로 전환하여 기후·환경위기 대응을 위한 안전망을 공고히 하고, 저탄소·분산형 에너지를 확산해 저탄소 사회로의 전환을 가속화 해나간다는 전략이다. 그린뉴딜 3대 분야 중에서 첫 번째 대분야인 “도시ㆍ공간ㆍ생활 인프라 녹색 전환”분야에는 추진과제로서 “깨끗하고 안전한 물 관리체계 구축”이 포함되어 있다. 즉 물산업은 매우 중요한 추진 정책의 하나임을 알 수 있다.
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(1-4). 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 한외여과용으로 사용되나 최근에는 나노 여과막 적용성이 검토되고 있으며 고분자로 만들어진 유기막에 비하여 고온의 가혹한 조건에서도 사용될 수 있으므로, 다양한 하.폐수 처리에 적용될 수 있다. 향후 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. 본고에서는 최근 들어 많은 연구가 되고 있으며, 미래 지향적으로 수처리용 분리막으로 사용이 전망되고 있는 세라믹 분리막의 기술 동향에 관하여 기술하였다. 

그림 1. 수처리 개념도 및 기술 트랜드 변화

2. 세라믹 분리막 기술의 분류 및 원리

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. 분리막의 종류는 기공의 크기에 따라 정밀여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF), 역삼투 필터(RO)로 나눠진다. 일반적으로 정밀여과(microfiltration)는 0.1 ~ 10 ㎛, 한외여과(ultrafiltration)는 10 ~ 100 nm, 나노여과(nanofiltration)는 1 ~ 10 nm, 역삼투(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. 분리막의 구조는 크게 두 가지로, 막의 표면에서 속까지 균일한 구조를 가진 대칭막과 균일하지 않은 구조를 가지는 비대칭 막으로 나누어 볼 수 있다. 세라믹 분리막은 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.  
 
그림 2. 분리막의 분류 및 기능(1)

  세라믹 분리막은 기존에 널리 사용되어 온 고분자 분리막에 비하여 극한의 운용 조건(pH, 압력, 온도)에서 고 신뢰성을 가지며 내 환경성을 보유하고 있어, 지속 사용이 가능하여 차세대 미래 그린 산업을 주도할 수 있는 원천 기술이다. 특히 기존의 고분자 분리막의 단점을 보완한 세라믹 분리막은 향후 수처리 뿐만 아니라 증류, 흡착, 추출 등이 요구되는 제약, 반도체, 식품, 제지, 발전 등 다양한 극한 운용 조건을 요구하는 시장으로 영역 확대가 가능한 기술 분야이다. 수처리용 세라믹 분리막 기술을 분류하면 표 1과 같이 지지체 제조 기술, 분리막 제조 기술, 기능성 표면개질 기술 등으로 구분할 수 있다.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 5월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>