고분자 분리막을 이용한 해수 담수화 및 수처리
2019-02-01
org.kosen.entty.User@1f39129
전영호(gulliver)
1. 서론
지속적인 수자원의 공급은 현대 인류가 직면한 과제이다. 지구는 3분의 2가 물로 덮여져 있지만, 전체 수자원의 약 2.5 %만이 담수(fresh water)이고, 그 중에서 1% 미만만이 인류가 사용가능한 형태로 있으며, 대부분의, 나머지 담수는 극지방의 빙하 등의 형태로 존재하며, 실질적으로 사용이 불가능하다. 여기서, 담수는 일반적으로 염분이나 총 용존고형물질(total dissolved solid, TDS)의 함량이 1000 mg/L 이하인 물로 정의된다. 담수를 제외한 수자원을 보면, 수자원 전체의 약 97 %는 해수(sea water)의 형태로 존재하며, 나머지인 전체의 0.5%는 기수(brackish water) [담수에 의하여 묽게된 해수]로서 존재한다. 따라서 담수화(desalination) 기술은 전체 수자원의 약 97.5%를 차지하는 해수와 기수를 인류의 생활에 유용하게 사용할 수 있는 형태로 바꾼다는 점에서 매우 중요한 공정기술이다. 한편, 인류의 일상생활과 산업활동에 의해 사용된 물은 폐수(waste water)의 형태로도 배출되는데, 이를 수처리(water treatment) 또는 정수(water purification)하는 공정도, 물의 재사용을 가능하게 한다는 점에서, 담수화 공정 못지않게 중요하며, 경제적으로 파급력이 높다고 할 수 있다. 이러한 담수화 및 수처리 공정은, 증발법, 약품 및 미생물을 통한 응집 침전, 염소에 의한 소독 등의 방법을 통해서 수행될 수 있지만, 막분리(membrane separation) 공정에 의해서도 구현될 수 있는데, 막분리 기술은 다음과 같은 장점이 있다.
(1) 에너지 소모가 적음
(2) 생물학적 공정에서 문제시되는 bulking 문제가 없음
(3) 원수 중의 현탁물질과 콜로이드 등 불순물의 완벽 제거
(4) 원수량 변동에 따른 처리수질 안정
(5) 비교적, 처리시간이 짧고 대용량처리가 가능
또한, 이러한 막분리 공정의 막으로는, 무기막(inorganic membrane)은 높은 막성능에도 불구하고 막및 모듈 제작비용이 매우 고가이기 때문에, 주로 고분자 막(polymeric membrane)을 사용한다. 본 보고서에서는, 이러한 고분자 분리막을 사용한 해수의 담수화 및 수처리 공정에 대하여 알아볼 것이다.
2. 고분자 분리막의 분류 및 수처리 작용
막(membrane)이란, 두 개의 상을 나누는 경계면에 위치하여, 여러 종류의 화학물질의 통과를 제어하는 것인데, 막을 이용하여 물질의 분리가 가능한 것은 물질에 따라 막을 통한 이동속도가 다르기 때문이다. 막의 주요 수행특성으로는, (1) 유지효율(retention efficiency), (2) 침투성(permeability), (3) 처리능력(dirt handling capacity), (4) 화학적 저항성(chemical resistance), (5) 기계적 강도(mechanical strength), (6) 청결도(cleanliness) 등이 있다. 이러한 막을 이용한 물질분리는 크게 ① 막을 통과하는 입자의 크기차이를 이용한 것과, ② 막을 통한 확산속도의 차이를 이용한 것으로 나누어진다. 기체의 경우는 주로 비다공성막을 사용하여, 막을 통한 확산속도차이를 이용한 분리공정이 이루어지지만, 물의 담수화 및 수처리는, 물과 에탄올의 분리나, 물로부터 유용한 유기희석물질의 회수 등을 제외하면, 대부분 입자크기 차이를 이용한 방법을 사용하여 물질분리가 이루어진다. 기공의 크기에 다른 고분자막은 미세여과막, 한외여과막, 역삼투막 등이 있으며, 분류기준 및 특성, 해당 분리공정은 다음과 같다.
2.1. 미세여과막
미세여과(microfiltration, MF)막 또는 정밀여과막은, 입자크기가 0.1-10 μm 정도인 용질을 분리하는 미세여과 공정에 사용되며, 막의 기공크기가 약 0.01-10 μm 정도이다. 미세여과막의 구성물질은 일반적으로 대칭형(symmetric) 기공구조(그림1 참조)를 가지는 결정성고분자이며, 현재 식품공업, 생물화학공업, 의료분야, 반도체 제조공정 등에 광범위하게 사용되고 있다. 일반적인 산업에서 가장 많이 쓰이는 곳은 음료수의 살균과 일반용 초순수의 제조공정이다. 이러한 미세여과는 삼투압을 극복할 필요가 없어서, 필요압력이 0.5-5 기압정도인 장점이 있다.
2.2. 한외여과막
한외여과(ultrafiltration, UF)막은, 입자크기가 약 1 nm - 0.1 μm 정도인 당류, 단백질 등의 용질을 분리하는 한외여과 공정에 사용되며, 막 기공크기가 10-500 Å 정도이다. 막의 구성재료는 일반적으로, 비대칭형(asymmetric) 기공구조(그림1 참조)의 비결정성 고분자이며, 한외여과막을 이루고
그림 1. (a) 대칭성 및 (b) 비대칭성 다공성 막의 모식도 (참고문헌7 변형)
있는 고분자의 예로는, 폴리설폰(polysulfone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 등이 있다. 한외여과는 역삼투 공정보다 큰 분자량과 입자크기의 물질을 분리하기 때문에, 막오염이 역삼투 공정보다 더 심하다는 단점이 있다. 하지만, 역삼투는 분리대상 물질이 염류 및 무기이온이라서, 높은 삼투압 극복을 위해 큰 압력이 요구되는 반면에, 한외여과는, 분자량이 큰 분리물질을 대상으로 하므로, 용액 내의 삼투압이 무시할만하여 2-10 기압의 비교적 낮은 압력에서 물질분리가 이루어진다는 장점도 있다. 이러한 한외여과의 공업적 응용은 산업용 초순수 제공, 음료제조, 단백질로부터의 바이러스 제거, 해수의 담수화 등이 있다.
2.3. 역삼투막
역삼투(reverse osmosis, RO)막은, 삼투현상을 일으키는 반투막(semipermeable membrane)으로서, 막의 기공크기가 극도로 작아서 비다공성(nonporous) 막으로 분류되며, 입자크기가 작은 용매만 투과되고 용질은 투과되지 못하여서 10 Å이하의 용질입자를 분리한다. 역삼투막 재료의 예로는, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리옥사디아졸(polyoxadiazole) 등이 있다. 이러한 역삼투막을 사용한 분리공정은 역삼투 공정과 정삼투(forward osmosis, FO)공정을 통해 수행될 수 있으며, 다음과 같다.
역삼투 공정 : 삼투(osmosis) 현상이란, 분리막의 기공크기가 용매보다 크고 용질보다 작아서, 용매가 용매농도가 높은 쪽, 즉 용질농도가 낮은 쪽에서, 용매농도가 낮은 쪽, 즉 용질농도가 높은 쪽으로 통과하는 현상이다. 반면에 역삼투란, 용매의 농도가 낮은 쪽(용질농도가 높은 쪽)에 삼투압보다 더 큰 압력을 가하여, 용매를 용매농도가 높은 쪽(용질농도가 낮은 쪽)으로 보내는 것을 말하며, 이러한 방법을 통해, 입자크기가 매우 작은 용질을 분리할 수 있다. 일반적으로 역삼투 공정은, 삼투압을 극복해야 하기 때문에 10-100 기압의 높은 압력이 필요하며, 따라서 막분리 공정 중에서 에너지 소비가 많은 특징이 있다.
정삼투 공정 : 정삼투는 역삼투와 반대로, 삼투의 원리로 용질을 분리하는 것으로서, 반투막을 사이에 두고 고농도의 유도물질(draw solution)을 원용액과 접하게 하여서 용매를, 용매농도가 낮은 유도물질 쪽으로 이동시켜서 용질을 분리한 후, 다시 유도물질에서 용매를 분리하는 것이다(그림 2 참조).
그림 2. 정삼투막의 모식도 (참고자료 8 변형)
이와 같은 고분자분리막 기공 크기에 따른, 수처리 효과를 표1에 나타내었다.
표 1. 고분자 분리막을 이용한 수처리 공정의 처리효과 (참고문헌 3)
막분리 공정의 가장 큰 문제점 중의 하나는 막 오염(fouling)이다. 수중에는 막오염을 일으키기 쉬운 용해 무기물인 Ca2+, Mg2+, CO32-, SO42-, 실리카, 그리고 Fe2+ 등이 있으며, CaCO3, CaSO4, MgCO3 그리고 실리카 형태로 침전하면서, 막투과를 막는 스케일(scale)의 형성이 막 표면에 일어날 수 있다. 이러한 스케일 형성은, 황산 등을 이용하여 pH를 조절함으로서 방지할 수 있다. 막오염에 원인이 되는 탄산칼슘이 100mg/L 함유된 물은 20cm 직경의 중공사막 모듈에서 탄산염 자체가 300g/hr로 침전될 수 있으며 이는 1cm의 두꺼운 침전층이 48시간내에 전체 중공사막을 둘러 쌓을 수 있는
침전속도이다. 세척과정은 오염물을 제거하고 분리막의 분리특성과 투과율을 회복하는 과정이며 세척에 사용되는 물질은 막오염을 늦추고 오염물질을 용해하여 계속적인 막오염을 막는 역할을 한다. 세척시기는 일반적으로 일정한 유입수의 조건에서 투과수의 전기전도도가 상당한 증가를 보이거나 투과수량을 일정하게 유지하기 위한 펌프압력이 8 ~10% 이상 증가 또는 Pin-pout이 25~50% 증가할 때에 정한다. 한편, 막 오염을 막기 모듈설계와 유체 흐름의 선속도가 중요하다. 낮은 유속은 농도분극과 막오염을 증가시키고 결과적으로 투과율을 감소시키므로 빈번한 세척이 필요하다.
3. 고분자막을 사용한 해수의 담수화
해수의 담수화 방법은 크게 증발법과 역삼투법으로 분류할 수 있다. 증발법(Distillation)은 해수를 가열하여 증발시킨 후 증발된 수증기를 응축시켜 담수를 얻는 방법이다. 이러한 증발법은 역삼투법에 비해 에너지 소비량이 높은 편이다. 현재, 세계적으로 15,000 여 개의 담수화 플랜트가 운전 중인데, 이 중 약 50% 가 역삼투 분리막을 이용한 막분리 플랜트이다. 일반적으로 역삼투 막은 기계적 강도를 제공하는 지지층과 실질적인 물질 분리가 일어나는 활성층으로 구성되는 막이며, 전량여과방식(dead-end)이나 십자류 여과방식(cross flow) 등이 일반적으로 사용되며, 막 모듈의 형태는 나권형 (Spiral Wound) 모듈이 사용된다. 해수의 담수화에서 특히, 처리가 어려운 성분이 붕소 (Boron)이다. 붕소는 수용액 상에서 붕산(Boric acid, B(OH)3)의 형태로 존재 하며 해수 중에는 4.5-6.0 mg/L 농도로 존재한다. 이러한 붕소는 염기성이 강해 있어서, 중성이나 낮은 pH 에서 해리가 잘 되지 않는다. 따라서, 붕소의 이온화를 통한 붕소 제거를 위하여는 pH 을 높여야 하지만, 이 경우, 염의 침전이 일어나서 스케일링이 발생하게 된다. 두 단(stage) 공정이 필요하며, 1단에서는 낮은 pH 에서 염을 제거하고 다음 2단에서는 높은 pH 하에서 붕소를 제거하게 된다. 현재, 산업분야의 담수화 공정에서 사용되는 대부분의 분리막은 방향족 폴리아미드 막을 사용하고 있는데, 이 막은, 매우 얇은 박막의 폴리아미드 선택층과 다공성의 폴리설폰 고분자 층, 그리고, 직포/부직포 같은, 기계적 강도를 제공하는 지지층으로 구성된다. 역삼투 공정을 사용한 해수의 담수화 공정은 다른 막분리 공정에 비해 에너지 소비가 많은데, 이를 해결하기 위해, 같은 역삼투막을 사용하여 담수화를 수행하면서도, 에너지 소비가 적은 정삼투 공정이 사용될 수 있다. 이러한, 낮은 삼투압만으로 염분을 제거하는 정삼투 기술은 상용화가 이루어지지 못하고 있다가, 최근, 정삼투용 분리막 개발이 활발히 진행되면서 차세대 해수담수화 기술로 주목받고 있다. 정삼투 공정은 에너지 소비량이 역삼투 공정에 비해 약 10% 수준이면서 해수담수화가 가능하여 물 부족 현상과 에너지 절감 부분을 모두 만족시킬 수 있는 기술이라고 간주되고 있다. 또한, 외부압력을 최소화함으로써, 오염물질이 막 표면에 쌓이는 것을 감소시킬 수 있다. 이러한 정삼투 공정에서의 유도물질로는, 이산화황 (sulfur dioxide), 지방족 알코올 (aliphatic alcohols), 황산 알루미늄 (aluminum sulfate), 포도당(glucose), 과당(fructose), 질산칼륨(potassium nitrate), 탄산수소 암모늄(ammonium bicarbonate) 등이 있다.
4. 결론
해수의 담수화 공정이나, 폐수나 오염 수용액의 수처리를 통한 물 공급은, 인류의 안정적인 생활과 산업용수의 공급이라는 점에서, 매우 중요하다. 또한, 물 산업분야는, 블루 골드라고 일컬어지며, 이미 800 억 달러 이상의 시장을 형성하고 있다. 따라서 고분막을 사용한 물에서의 불순물 제거공정은 인류의 건강한 생활과 산업동력의 확충뿐만 아니라, 새로운 부가가치 창조의 기반이 될 수 있다고 할 수 있다. 이와 관련하여, 막분리 공정의 개선 연구, 특히, 막분리 시 오염 문제의 해결, 역삼투 분리 시 에너지 소비 감소 및 이를 위한 정삼투 공정에서의 효율적인 유도물질 개발에 대한 연구가 심도있고 폭넓게 이루어지길 기대한다.
References
1. Werber, J. R., Osuji, C. O., & Elimelech, M. Materials for next-generation desalination and water purification membranes. Nature Reviews Materials, 1, 2016.
2. 최승학, 분리막을 이용한 정수공정과 고분자의 역할. KOSEN expert Reviews, www.KOSEN21.org, 2011.
3. DICER, 수처리용 분리막 기술. DICER TEchInfo, Part II, 4(6), 228-232, 2005.
4. 최승학, 역삼투 막분리 공정을 통한 담수화: 공급원수, 기술 그리고 도전. KOSEN expert Reviews, www.KOSEN21.org, 2009.
5. 여과 및 막분리, www.cheric.org(화학공학소재연구정보센터)
6. 막분리공법, www.konetic.or.kr(국가환경산업기술정보시스템)
7. Baker, R. W., Membrane Technology and Applications. John Wiley & Sons, 2nd ed., West Sussex, UK, 2004.
8. 정삼투막 그림, www.blue-tec.nl
9. 홍승관 et al. 그린 미래를 향한 역삼투 공정의 진화. KIC News, 14(6), 9-21, 2011.
10. 물부족 시대의 키워드, 재이용·담수화·스마트워터, 7월, 워터저널, 2017.
지속적인 수자원의 공급은 현대 인류가 직면한 과제이다. 지구는 3분의 2가 물로 덮여져 있지만, 전체 수자원의 약 2.5 %만이 담수(fresh water)이고, 그 중에서 1% 미만만이 인류가 사용가능한 형태로 있으며, 대부분의, 나머지 담수는 극지방의 빙하 등의 형태로 존재하며, 실질적으로 사용이 불가능하다. 여기서, 담수는 일반적으로 염분이나 총 용존고형물질(total dissolved solid, TDS)의 함량이 1000 mg/L 이하인 물로 정의된다. 담수를 제외한 수자원을 보면, 수자원 전체의 약 97 %는 해수(sea water)의 형태로 존재하며, 나머지인 전체의 0.5%는 기수(brackish water) [담수에 의하여 묽게된 해수]로서 존재한다. 따라서 담수화(desalination) 기술은 전체 수자원의 약 97.5%를 차지하는 해수와 기수를 인류의 생활에 유용하게 사용할 수 있는 형태로 바꾼다는 점에서 매우 중요한 공정기술이다. 한편, 인류의 일상생활과 산업활동에 의해 사용된 물은 폐수(waste water)의 형태로도 배출되는데, 이를 수처리(water treatment) 또는 정수(water purification)하는 공정도, 물의 재사용을 가능하게 한다는 점에서, 담수화 공정 못지않게 중요하며, 경제적으로 파급력이 높다고 할 수 있다. 이러한 담수화 및 수처리 공정은, 증발법, 약품 및 미생물을 통한 응집 침전, 염소에 의한 소독 등의 방법을 통해서 수행될 수 있지만, 막분리(membrane separation) 공정에 의해서도 구현될 수 있는데, 막분리 기술은 다음과 같은 장점이 있다.
(1) 에너지 소모가 적음
(2) 생물학적 공정에서 문제시되는 bulking 문제가 없음
(3) 원수 중의 현탁물질과 콜로이드 등 불순물의 완벽 제거
(4) 원수량 변동에 따른 처리수질 안정
(5) 비교적, 처리시간이 짧고 대용량처리가 가능
또한, 이러한 막분리 공정의 막으로는, 무기막(inorganic membrane)은 높은 막성능에도 불구하고 막및 모듈 제작비용이 매우 고가이기 때문에, 주로 고분자 막(polymeric membrane)을 사용한다. 본 보고서에서는, 이러한 고분자 분리막을 사용한 해수의 담수화 및 수처리 공정에 대하여 알아볼 것이다.
2. 고분자 분리막의 분류 및 수처리 작용
막(membrane)이란, 두 개의 상을 나누는 경계면에 위치하여, 여러 종류의 화학물질의 통과를 제어하는 것인데, 막을 이용하여 물질의 분리가 가능한 것은 물질에 따라 막을 통한 이동속도가 다르기 때문이다. 막의 주요 수행특성으로는, (1) 유지효율(retention efficiency), (2) 침투성(permeability), (3) 처리능력(dirt handling capacity), (4) 화학적 저항성(chemical resistance), (5) 기계적 강도(mechanical strength), (6) 청결도(cleanliness) 등이 있다. 이러한 막을 이용한 물질분리는 크게 ① 막을 통과하는 입자의 크기차이를 이용한 것과, ② 막을 통한 확산속도의 차이를 이용한 것으로 나누어진다. 기체의 경우는 주로 비다공성막을 사용하여, 막을 통한 확산속도차이를 이용한 분리공정이 이루어지지만, 물의 담수화 및 수처리는, 물과 에탄올의 분리나, 물로부터 유용한 유기희석물질의 회수 등을 제외하면, 대부분 입자크기 차이를 이용한 방법을 사용하여 물질분리가 이루어진다. 기공의 크기에 다른 고분자막은 미세여과막, 한외여과막, 역삼투막 등이 있으며, 분류기준 및 특성, 해당 분리공정은 다음과 같다.
2.1. 미세여과막
미세여과(microfiltration, MF)막 또는 정밀여과막은, 입자크기가 0.1-10 μm 정도인 용질을 분리하는 미세여과 공정에 사용되며, 막의 기공크기가 약 0.01-10 μm 정도이다. 미세여과막의 구성물질은 일반적으로 대칭형(symmetric) 기공구조(그림1 참조)를 가지는 결정성고분자이며, 현재 식품공업, 생물화학공업, 의료분야, 반도체 제조공정 등에 광범위하게 사용되고 있다. 일반적인 산업에서 가장 많이 쓰이는 곳은 음료수의 살균과 일반용 초순수의 제조공정이다. 이러한 미세여과는 삼투압을 극복할 필요가 없어서, 필요압력이 0.5-5 기압정도인 장점이 있다.
2.2. 한외여과막
한외여과(ultrafiltration, UF)막은, 입자크기가 약 1 nm - 0.1 μm 정도인 당류, 단백질 등의 용질을 분리하는 한외여과 공정에 사용되며, 막 기공크기가 10-500 Å 정도이다. 막의 구성재료는 일반적으로, 비대칭형(asymmetric) 기공구조(그림1 참조)의 비결정성 고분자이며, 한외여과막을 이루고
그림 1. (a) 대칭성 및 (b) 비대칭성 다공성 막의 모식도 (참고문헌7 변형)
있는 고분자의 예로는, 폴리설폰(polysulfone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 등이 있다. 한외여과는 역삼투 공정보다 큰 분자량과 입자크기의 물질을 분리하기 때문에, 막오염이 역삼투 공정보다 더 심하다는 단점이 있다. 하지만, 역삼투는 분리대상 물질이 염류 및 무기이온이라서, 높은 삼투압 극복을 위해 큰 압력이 요구되는 반면에, 한외여과는, 분자량이 큰 분리물질을 대상으로 하므로, 용액 내의 삼투압이 무시할만하여 2-10 기압의 비교적 낮은 압력에서 물질분리가 이루어진다는 장점도 있다. 이러한 한외여과의 공업적 응용은 산업용 초순수 제공, 음료제조, 단백질로부터의 바이러스 제거, 해수의 담수화 등이 있다.
2.3. 역삼투막
역삼투(reverse osmosis, RO)막은, 삼투현상을 일으키는 반투막(semipermeable membrane)으로서, 막의 기공크기가 극도로 작아서 비다공성(nonporous) 막으로 분류되며, 입자크기가 작은 용매만 투과되고 용질은 투과되지 못하여서 10 Å이하의 용질입자를 분리한다. 역삼투막 재료의 예로는, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리옥사디아졸(polyoxadiazole) 등이 있다. 이러한 역삼투막을 사용한 분리공정은 역삼투 공정과 정삼투(forward osmosis, FO)공정을 통해 수행될 수 있으며, 다음과 같다.
역삼투 공정 : 삼투(osmosis) 현상이란, 분리막의 기공크기가 용매보다 크고 용질보다 작아서, 용매가 용매농도가 높은 쪽, 즉 용질농도가 낮은 쪽에서, 용매농도가 낮은 쪽, 즉 용질농도가 높은 쪽으로 통과하는 현상이다. 반면에 역삼투란, 용매의 농도가 낮은 쪽(용질농도가 높은 쪽)에 삼투압보다 더 큰 압력을 가하여, 용매를 용매농도가 높은 쪽(용질농도가 낮은 쪽)으로 보내는 것을 말하며, 이러한 방법을 통해, 입자크기가 매우 작은 용질을 분리할 수 있다. 일반적으로 역삼투 공정은, 삼투압을 극복해야 하기 때문에 10-100 기압의 높은 압력이 필요하며, 따라서 막분리 공정 중에서 에너지 소비가 많은 특징이 있다.
정삼투 공정 : 정삼투는 역삼투와 반대로, 삼투의 원리로 용질을 분리하는 것으로서, 반투막을 사이에 두고 고농도의 유도물질(draw solution)을 원용액과 접하게 하여서 용매를, 용매농도가 낮은 유도물질 쪽으로 이동시켜서 용질을 분리한 후, 다시 유도물질에서 용매를 분리하는 것이다(그림 2 참조).
그림 2. 정삼투막의 모식도 (참고자료 8 변형)
이와 같은 고분자분리막 기공 크기에 따른, 수처리 효과를 표1에 나타내었다.
표 1. 고분자 분리막을 이용한 수처리 공정의 처리효과 (참고문헌 3)
| 구분 | RO | UF | MF |
| 주용도 | 유기물분리, 균,독성제거, 무기이온 제거 | 유기물선택분리, 균,독성 제거, 미세먼지 제거 | 균 제거, 입자 제거 |
| 수질세균 제거 | 99 %이상 | 95 %이상 | 90 %이상 |
| 독성바이러스 제거 | 99 %이상 | 95 %이상 | 5% 미만 |
| 미립자 (0.1 μm이하) |
99 %이상 | 95 %이상 | 0 |
| 유기물 | 99 %이상 | 용존 유기물 제거 못함 | 용존 유기물 제거 못함 |
| 유지관리 비용 | 대 | 중 | 소 |
| 기타 | 운전관리 불리, 부대장비 필요, 회수율 작음 | 무기이온 제거 불가능 | 독성 제거 거의 불가능, 전처리용 |
막분리 공정의 가장 큰 문제점 중의 하나는 막 오염(fouling)이다. 수중에는 막오염을 일으키기 쉬운 용해 무기물인 Ca2+, Mg2+, CO32-, SO42-, 실리카, 그리고 Fe2+ 등이 있으며, CaCO3, CaSO4, MgCO3 그리고 실리카 형태로 침전하면서, 막투과를 막는 스케일(scale)의 형성이 막 표면에 일어날 수 있다. 이러한 스케일 형성은, 황산 등을 이용하여 pH를 조절함으로서 방지할 수 있다. 막오염에 원인이 되는 탄산칼슘이 100mg/L 함유된 물은 20cm 직경의 중공사막 모듈에서 탄산염 자체가 300g/hr로 침전될 수 있으며 이는 1cm의 두꺼운 침전층이 48시간내에 전체 중공사막을 둘러 쌓을 수 있는
침전속도이다. 세척과정은 오염물을 제거하고 분리막의 분리특성과 투과율을 회복하는 과정이며 세척에 사용되는 물질은 막오염을 늦추고 오염물질을 용해하여 계속적인 막오염을 막는 역할을 한다. 세척시기는 일반적으로 일정한 유입수의 조건에서 투과수의 전기전도도가 상당한 증가를 보이거나 투과수량을 일정하게 유지하기 위한 펌프압력이 8 ~10% 이상 증가 또는 Pin-pout이 25~50% 증가할 때에 정한다. 한편, 막 오염을 막기 모듈설계와 유체 흐름의 선속도가 중요하다. 낮은 유속은 농도분극과 막오염을 증가시키고 결과적으로 투과율을 감소시키므로 빈번한 세척이 필요하다.
3. 고분자막을 사용한 해수의 담수화
해수의 담수화 방법은 크게 증발법과 역삼투법으로 분류할 수 있다. 증발법(Distillation)은 해수를 가열하여 증발시킨 후 증발된 수증기를 응축시켜 담수를 얻는 방법이다. 이러한 증발법은 역삼투법에 비해 에너지 소비량이 높은 편이다. 현재, 세계적으로 15,000 여 개의 담수화 플랜트가 운전 중인데, 이 중 약 50% 가 역삼투 분리막을 이용한 막분리 플랜트이다. 일반적으로 역삼투 막은 기계적 강도를 제공하는 지지층과 실질적인 물질 분리가 일어나는 활성층으로 구성되는 막이며, 전량여과방식(dead-end)이나 십자류 여과방식(cross flow) 등이 일반적으로 사용되며, 막 모듈의 형태는 나권형 (Spiral Wound) 모듈이 사용된다. 해수의 담수화에서 특히, 처리가 어려운 성분이 붕소 (Boron)이다. 붕소는 수용액 상에서 붕산(Boric acid, B(OH)3)의 형태로 존재 하며 해수 중에는 4.5-6.0 mg/L 농도로 존재한다. 이러한 붕소는 염기성이 강해 있어서, 중성이나 낮은 pH 에서 해리가 잘 되지 않는다. 따라서, 붕소의 이온화를 통한 붕소 제거를 위하여는 pH 을 높여야 하지만, 이 경우, 염의 침전이 일어나서 스케일링이 발생하게 된다. 두 단(stage) 공정이 필요하며, 1단에서는 낮은 pH 에서 염을 제거하고 다음 2단에서는 높은 pH 하에서 붕소를 제거하게 된다. 현재, 산업분야의 담수화 공정에서 사용되는 대부분의 분리막은 방향족 폴리아미드 막을 사용하고 있는데, 이 막은, 매우 얇은 박막의 폴리아미드 선택층과 다공성의 폴리설폰 고분자 층, 그리고, 직포/부직포 같은, 기계적 강도를 제공하는 지지층으로 구성된다. 역삼투 공정을 사용한 해수의 담수화 공정은 다른 막분리 공정에 비해 에너지 소비가 많은데, 이를 해결하기 위해, 같은 역삼투막을 사용하여 담수화를 수행하면서도, 에너지 소비가 적은 정삼투 공정이 사용될 수 있다. 이러한, 낮은 삼투압만으로 염분을 제거하는 정삼투 기술은 상용화가 이루어지지 못하고 있다가, 최근, 정삼투용 분리막 개발이 활발히 진행되면서 차세대 해수담수화 기술로 주목받고 있다. 정삼투 공정은 에너지 소비량이 역삼투 공정에 비해 약 10% 수준이면서 해수담수화가 가능하여 물 부족 현상과 에너지 절감 부분을 모두 만족시킬 수 있는 기술이라고 간주되고 있다. 또한, 외부압력을 최소화함으로써, 오염물질이 막 표면에 쌓이는 것을 감소시킬 수 있다. 이러한 정삼투 공정에서의 유도물질로는, 이산화황 (sulfur dioxide), 지방족 알코올 (aliphatic alcohols), 황산 알루미늄 (aluminum sulfate), 포도당(glucose), 과당(fructose), 질산칼륨(potassium nitrate), 탄산수소 암모늄(ammonium bicarbonate) 등이 있다.
4. 결론
해수의 담수화 공정이나, 폐수나 오염 수용액의 수처리를 통한 물 공급은, 인류의 안정적인 생활과 산업용수의 공급이라는 점에서, 매우 중요하다. 또한, 물 산업분야는, 블루 골드라고 일컬어지며, 이미 800 억 달러 이상의 시장을 형성하고 있다. 따라서 고분막을 사용한 물에서의 불순물 제거공정은 인류의 건강한 생활과 산업동력의 확충뿐만 아니라, 새로운 부가가치 창조의 기반이 될 수 있다고 할 수 있다. 이와 관련하여, 막분리 공정의 개선 연구, 특히, 막분리 시 오염 문제의 해결, 역삼투 분리 시 에너지 소비 감소 및 이를 위한 정삼투 공정에서의 효율적인 유도물질 개발에 대한 연구가 심도있고 폭넓게 이루어지길 기대한다.
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