0. 목차
- '막여과 폐수처리'란?
- '막여과 폐수처리' 산업
- '막여과 폐수처리' 기술
- 폐수처리 공법
- '수처리용 분리막' 기술의 발전
1. '막여과 폐수처리'란?
1-1. '물리·화학·생물학적 공정'에서 '막 분리 공정'으로
지구 표면의 약 70%가 물에 해당하지만 사실상 인류가 마실 수 있는 물은 1% 미만인 것으로 알려져 있다. '국제연합(UN)"이 2025년에는 전 세계 인구의 절반 이상이 물 부족 현상으로 고통받게 될 것이라고 경고한 바와 같이 '기후변화', '수질오염' 등으로 인한 문제가 심각한 상황이다. 과거 물은 쉽게 주변에서 구할 수 있는 자원이었으나, 이젠 '블루골드(Blue Gold)'라고 일컬어질 만큼 귀한 자원이 되고 있다. 이에 따라 사용 가능한 수자원을 확보하기 위한 수처리 시장에서 패권을 쥐기 위해 글로벌 기업들이 치열한 기술 경쟁을 하고 있다.
수처리에 사용되는 '막분리 공정(Membrane Separation Process)'은 환경 규제가 강화됨에 따라 '새로운 오염원 제고 필요 증대', '슬러지 발생량 최소화 필요', '수자원 재이용 시설 확산', '처리 시설의 콤팩트화 니즈' 등 시대적 요구에 의해 최상의 방법으로 부상되고 있다. '막 분리 공정'은 1990대 초에 개발되었지만 '비교적 고가의 제품 가격', '과도한 전기 소모량으로 인한 높은 운전 비용' 등으로 인해 경제성이 떨어져 산업계에서 채택되지 못하였다. 그러나 분리막 기술 저변의 발전으로 가격이 하락함에 따라, 전 세계적으로 활용도가 높아지고 있다. 수처리 공정은 물리·화학적·생물학적 공정 대비 수질의 개선 효과가 뛰어나고 화학약품의 사용이 최소화되어 환경친화적인 막분리 공정으로 그 패러다임이 변화되고 있는 상황이다.
| 구분 | 1세대(1800년대~) | 2세대(1920년대~) | 3세대(1990년대~) |
| 기술 | 물리화학적 공정 | 생물학적 공정 | 막분리 공정 |
| 방법 | - 약품을 사용하여 오염 물질을 응집·침전 후 여과 - 콜로이드성 물질 제거 |
- 호기성·혐기성 미생물을 이용해 오염물질 분해 - 용존성 유기물질 제거 |
- 다양한 분리막을 활용해 오염물질 여과 - 콜로이드성 및 용존성 유기물질 제거 |
| 특징 | - 화학약품 사용 - 다량의 슬러지 발생 - 설비 투자 비용 높음 |
- 물리화학적 공정 대비 2차 오염 감소 - 난분해성 물질 제거를 위한 고도처리 시설 필요 |
- 환경친화적이며 콤팩트한 설비, 모듈화 구성 가능 - 조작이 간편하고 자동화가 용이 - 처리 수질이 안정적 |
| 주요 적용분야 | 정수 처리 | 하수 처리 | 정수·하수 처리 |
1-2. '막여과 폐수처리'의 정의
'막여과 폐수처리(Membrane Filtration Wastewater Treatment)'란 가정이나 산업에서 배출되는 폐수를 방류하거나 재이용하기 위해 여과재로서 '막(Membrane)'을 활용하여 폐수 내의 오염물질과 불순물들을 제거하는 일련의 과정을 의미한다. 전통적인 물리·화학·생물학적 공법으로는 처리가 어려웠던 분야에 있어 '나노 기술(Nano Technology)'을 바탕으로 한 '여과막(Filter Membrane)' 제조기술로 발전되면서 고효율·고성능의 폐수처리가 가능해졌으며 적용분야도 다양해졌다.
'막여과 폐수처리(Membrane Filtration Wastewater Treatment)'는 미세한 공극을 가진 얇은 막을 통과시키면서 '용매(물)'과 '용질(제거 대상 물질)'을 분리하는 기술로서, 생산되는 처리수의 수질이 안정적이고 시설이 콤팩트하고 운전이 비교적 간단하다는 장점이 있다. 또한 '하폐수의 처리수 재이용 정책 강화', '중수도 보급정책 활성화' 등 정책적 모멘텀에 맞물려 점차 적용 분야가 확대되고 있는 추세이다.
막을 이용한 폐수처리 설비 성능에 대한 주요 인자는 '막 투과 플럭스', '처리 수온', '운전 압력(Working Pressure)', '회수율(Recovery Rate)' 등이 있다. 이러한 공정 효율과 막 자체의 성능은 긴밀한 관계이기 때문에 여과막 스펙 설계 시부터 충분한 연구가 필요하다. '플럭스(Flux)'는 단위 시간 및 단위 면적당 여과되는 유량이다.
2. '막여과 폐수처리' 산업
'폐수처리 설비 산업'은 '상하수도 처리', '폐수 처리(Wastewater Treatment)', '해수 담수화(Seawater Desalination)' 등을 통해 환경보전을 구현하고 지역 사회에 용수를 공급하는 공공 상업적 특성을 가지고 있다. 따라서 공공 기관 주도하에 수처리 시스템의 구축이 진행되는 경우가 많다. 또한 식수나 용수 등으로 활용할 수 없는 하폐수 및 오수를 정화하여 공업·농업·산업 용수 및 생활 식수 등으로 사용할 수 있도록 수자원 품질을 개선시키기 때문에 부가가치가 높은 산업이다.
폐수처리를 위한 막여과 모듈·유닛을 비롯해 물리화학적 잔처리를 위한 '저류조', '미생물 투입 및 관리석비', '광학적 설비' 등 대형 설비와 고가의 특수 장치 구축이 필요한 대규모 설비 산업으로서, 설치와 운영에 대규모 투자가 요구되며 이러한 대형 사업 중심 구조로 인해 제조 분야에 대해서도 소수의 글로벌 기업들이 독과점 구조를 형성하고 있다. 또한 'IT(Information Technology)', 'BT(Bio Technology)' 등 요소 기술과의 융·복합화를 통합 설비 개선 및 자동화와 효율 개선 등이 요구되며, 다양한 오염원에 대한 복합적인 이해가 필요한 기술집약적 산업이다. 따라서 기술력 보유 기업들의 시장 지배력이 강한 특성을 가진다.
분리막 기반 수처리 산업의 '가치사슬(Value Chain)'은 크게 '제조 부문'과 '건설 부문', '운영·서비스·관리' 부문으로 대별된다. '제조 부문' 은 '소재', '제품', '모듈', '장치'로 세분화되고, '운영·서비스·관리' 부문은 '운전과 관리(O&M: Organization & Method)' 및 '프로젝트 파이낸싱(Project Financing)'으로 구분된다.
2-1. ESG와 막여과 폐수처리
'ESG(Environmental, Social, Governance)'에 대한 전 세계적인 관심이 높아짐에 따라 환경 이슈가 국내를 비롯한 글로벌 주요 화두로 주목되고 있다. ESG 가운데 '환경(E)' 중에는 수질오염이나 물 부족 문제 등이 주요 주제로 포함되어 있기 때문에, 수처리 산업에 대한 관심은 지속적으로 커질 것으로 전망된다.
| ESG 주요 주제 | 내용 |
| 환경(E) | 기후변화 및 탄소배출, 대기 및 수질 오염, 생물의 다양성, 삼림 벌채, 에너지 효율, 폐기물 관리, 물 부족 |
| 사회(S) | 고객 만족, 데이터 보호 및 프라이버시, 성별 및 다양성, 직원 여가, 지역사회 관계, 인권, 노동기준 |
| 지배구조(G) | 이사회 구성, 감사위원회 구조, 뇌물 및 부채, 임원 보상, 로비, 정치 기부금, 내부 고발자 제도 |
2-2. 방류수 수질 규제에 따른 폐수처리 산업 고도화 추세
1960년 이전에는 도시인구 집중이나 산업화가 아직 이루어지지 않아, 물 산업이나 수질에 대한 관리 이슈는 단순한 도시 정비 사업의 일부로만 여겨졌다. 하지만 이후 급속한 도시화와 산업화 및 생활수준 향승 등으로 인해 수처리 산업은 질적인 성장이 요구되어 왔다.
그에 따라 선진국을 포함한 각국에서는 방류수 수질 기준이 지속적으로 강화되고 있다. 한국의 경우 수질오염물질 관리를 강화하기 위해 배출허용기준 적용 대상 물질이 2000년에 27종에서 2013년 46종으로 확대되었고, 그중에서 특정 수질유해 물질의 경우에는 2000년 17종에서 2013년 28종으로 확대되었으며, 2016년에 들어서는 35종으로 확대가 지속되었다. 이러한 수질 규제 강화에 따라 폐수처리 산업은 구조가 다양해지고 기술이 고도화되며 국제화될 것으로 예상된다.
3. '막여과 폐수처리' 기술
'막여과 폐수처리(Membrane Filtration Wastewater Treatment)' 기술은 '막의 종류'와 더불어 '운전방식', '설치 방식', '막 모듈의 구성 방식', '폐수처리 공법' 등에 따라 구분될 수 있는데, 그에 따른 분류는 다음과 같다.
| 막여과 폐수처리 | 내용 |
| 막 종류 | 정밀여과막(MF), 한외여과막(UF), 나노여과막(NF), 정삼투막(FO), 역삼투막(RO) |
| 운전 방식 | 전량여과방식, 십자흐름여과방식 |
| 설치 방식 | 침지식 시스템, 가압식 시스템 |
| 모듈 구성 | 평판형, 관형, 나권형, 중공사형 |
| 폐수처리 공법 | MRB, SMAS, HANT |
3-1. 막 종류
'막여과 폐수처리'는 사용되는 막의 구분에 따라 '정밀여과(MF: Microfiltration)', '한외여과(UF: ultrafiltration)', '나노여과(NF: Nanofiltration)', '역삼투(RO: Reverse Osmosis)' 등으로 분류된다. '정밀여과막'은 약 100nm~ 10μm 크기의 부유물질이나 박테리아 등을 분리하기 위한 용도로 사용되는 분리막이며, 주로 상하수도 수처리 분야에 활용된다. '한외여과막'은 약 1~100nm 크기의 현탁물질과, 단백질, 고분자 등의 물질들을 분리해 내기 위한 분리막으로서 주로 하수처리 분야에 사용된다. '나노여과막'은 약 1nm 수준 크기의 유기물질 등을 분리하기 위한 것으로서 상수도 처리나 해수담수화 공정 등에 활용된다. '역삼투막'은 역삼투압의 원리를 이용하여 이온성 물질이나 중금속 등의 미세 물질을 제거하는 데 사용되거나 '해수담수화', '초순수의 제조' 등에도 활용된다.
| 종류 | 공극직경 | 분리대상 | 용도 |
| 정밀여과(MF) | 100~1000nm | 부유물질, 콜로이드, 박테리아, 세균, 조류 등 | 상하수 처리 |
| 한외여과(UF) | 1~100nm | 부유물질, 콜로이드, 세균, 조류, 바이러스 등 | 하수 처리(산업용 폐수) |
| 나노여과(NF) | 약 1nm | 윤기물, 농약, 맛·냄새물질, 합성세제, 금속이온 등 | 해수담수화 전처리, 상수처리 |
| 역삼투(RO) | 1nm 이하 | 금속·비금속 이온 등 | 해수담수화, 초순수 제조 |
3-2. 운전방식
'막여과 폐수처리(Membrane Filtration Wastewater Treatment)'의 공정은 운전방식으로는 '유입되는 원수(피처리수)'의 전부 혹은 대부분을 여과시키는 '전량 여과 방식(Dead-end filtration method)'과 처리수가 여과막에 투과되는 방향에 대해 수직 방향으로 원수가 흐르도록 제어하여 유립되는 원수가 흐르는 과정에서 일부분이 여과되는 형태의 '십자흐름 여과 방식(Cross flow filtration method)'이 있다.
- 전량 여과 방식(Dead-end filtration method): '전량 여과 방식'의 경우 공급되는 원수의 전체를 모두 여과시키기 때문에 처리되는 원수의 절대적인 양은 많지만 유체 흐름을 저속으로 제어해야 하여 유속상의 효율이 떨어지고, 막에 대한 '파울링(Fouling, 막 공극 차단)' 현상이 심화될 수 있다는 문제가 있다.
- 십자흐름 여과 방식(Cross flow filtration method): '십자흐름 여과 방식'은 공급되는 원수에 포함된 현탁 물질 등로 인한 '파울링(Fouling) 현상에 대한 리스크가 상대적으로 적고, 안정적인 유속의 유체 흐름을 확보할 수 있다. 하지만 에너지 소모량이 비교적 높아 운전 비용 상승의 문제가 있다.
| 항목 | 전량여과방식 | 십자흐름여과방식 |
| 특징 | - 공급수 전량을 여과하는 방식 - 막 표면에 쌓이는 오염물질을 정기적으로 제거해야 함(역세척) |
- 공급수가 막 표면을 따라 흐르면서 공급수와 수직방향으로 여과 진행 - 공급수 중 현탁물질이나 콜로이드가 막 표면에 퇴적되는 현상이 억제됨 |
| 장점 | - 동력비가 저렴 - 펌프 용량이 작고 에너지 효율이 양호함 |
- 높은 탁도의 원수에서도 안정적인 '유속(flux)'이 가능 - 막 표면유속에 의해 여과저항이 일정하게 유지될 수 있어 연속운전에 유리 |
| 단점 | - 고탁도 원수의 경우 유속이 느려짐 | - 동력비가 높음 |
3-3. 설치방식
'막여과 폐수처리' 공정 시스템이나 설비의 설치 방식은 원수가 공급 및 정치되는 '수조(Water Tank)'와 '막 모듈(Membrane Module)', '펌프(Pump)'의 배치 구조에 따라 '침지식 시스템(Immersion System)'과 '가압식 시스템(Pressurized System)'으로 구분된다.
- 침지식 시스템(Immersion System): '침지식 시스템'은 피처리수가 담겨있는 원수조 내에 '막 모듈'이 '수조' 내에 잠기는 형태로, 침지 되도록 설치하는 방식이다. '설비 부지 최소화', '시스템 단수화' 등의 장점이 있으나 낮은 '유속(Flux)'을 나타내는 단점이 있다.
- 가압식 시스템(Pressurized System): '가압식 시스템'은 수조로부터 펌프를 통해 막모듈에 원수가 유입되는 형태로, 원수조 외부의 별도 위치에 막 모듈을 설치하는 방식이다. 오염물질의 농도가 높은 원수에 대해서는 잔처리가 필요하며 시스템이 복잡하지만, 미관에 양호하고 대형화에 적합하다.
| 항목 | 침지식 시스템 | 가압식 시스템 |
| 운전 특성 | - 원수조 내에 막 모듈을 침지시켜 설치하는 형태 - 운전압은 0.2~0.4 kg/cm2 수준 |
- 원수조 밖(지상) 별도 위치에 막 모듈을 설치하는 형태 - 운전압은 1~3 kg/cm2 수준 |
| 적용 대상 | - MBR, 하수처리, 오폐수 처리 등 높은 농도의 원수처리에 활용 | - 정수, 하폐수 등에 대한 처리 가능하나 전처리 공정이 수반되어야 하기 때문에 고농도 원수처리에 분리 |
| 장점 | - 모듈 설치를 위한 별도 부지 불필요 - 시스템 단순, 고농도 폐수처리 가능 - 막 수명이 길고 공정 자동화 기능 - 전처기 공정 불필요하고 경제적 |
- 미관이 양호, 이미지 개선 효과가 큼 - 대형화에 적합함 - 높은 '유속(flux)' 확보 가능 - 막 세척, 공정 자동화 용이 |
| 단점 | - 낮은 '유속(flux)'을 나타냄 - 수중 설치로 인해 미관 개선 효과 낮음 |
- 고농도 폐수 적용 어렵고 전처리 필요 - 복잡한 시스템 구조 - 설치를 위한 추가 부지 확보 필요 |
3-4. 모듈 구성
수처리에 활용되는 분리막은 실제 '플랜트(Plant)'에 적용하기 위해 접촉면적이 크고 고압에서 운전 가능하도록 만들어 사용하는데, 이를 '모듈(Module)'이라고 한다. 폐수처리에 사용되는 여과막은 물리적·기계적 물성 확보와 공정 효율 개선 등의 측면에서 다양한 모듈로 활용된다. 모듈 구성에 따라 '평판형(Flat Sheet Type)', '관형(Tubular Type)', '나권형(Spiral Wound Type)', '중공사형(Hollow Fiber Type)' 등으로 구분될 수 있다. 같은 분리막이라도 모듈의 종류에 따라 특성이 달라진다.
| 항목 | 평판형 | 관형 | 나권형 | 중공사형 |
| 특징 | - 가장 기본형태 - 다양한 크기 가능 |
- 난류 형성이 용이 - 전처리 공정에 활용 |
-여러 겹의 평판형 여과막을 말아놓음 | - 수많은 섬유를 중공관 형태로 배열 |
| 장점 | - 분해·세정 용이 - 고농도 처리 가능 |
- 파울링 내성 확보 - 높은 유속 확보 |
- 모듈 집적화 용이 - 와류 증대 가능 |
- 저점도 처리 용이 - 저슬러지 처리 용이 |
| 단점 | - 오염물질 하중집중 - 집적성이 떨어짐 |
- 제작·교환 고비용 - 넓은 설치 공간 |
- 낮은 유속으로 연속공정 비효율 | - 고압 조건 하에서 운전이 어려움 |
3-5. 폐수처리 공법
폐수처리 공법으로는 'MBR(Membrane Bio-Reactor)' 공법, SMAS(Submerged-type Membrane Aeration System)' 공법, '막일체형 생물학저 하·폐수 고도처리(HANT: Hyundai Advanced Nutrients Treatment)' 공법이 있다.
- 'MBR 공법: '막여과 공정'과 '생물학적 처리 공정'을 융합한 폐수처리 공법
- 'SMAS' 공법: '중공사막'을 통해 수행하는 막일체형 공법
- 'HANT' 공법: 'MBR 공법'과 '질소·인 처리 기술'이 융합된 고도처리 기술
4. 폐수처리 공법
4-1. MBR법
'MBR(Membrane Bio-Reactor)' 공법은 '막여과 공정'과 '생물학적 처리 공정'을 융합한 폐수처리 공법으로서, 침전조 없이 수조 내에 MBR 막모듈을 침지식으로 설치하고 흡입 여과시키는 방식이다. MBR 공법은 침전조를 수반하지 않더라도 '슬러지(Sludge, 하수처리 또는 정수과정에서 생긴 침전물)'의 침강 성질과 관계없이 부유 고형물을 전량 제거할 수 있으며, '유기물'이나 '질소', '인' 등을 철저히 제거하면서도 높은 미생물 농도를 유지할 수 있다. 또한 침전조가 요구되지 않기 때문에 '폭기조(Aeration Tank)'의 용량을 줄임으로써 공정 및 설비를 간소화할 수 있다. 'MBR(Membrane Bio-Reactor)' 공법은 내오염성이 높은 소재와 모듈 구조를 활용해서 '유기물', '미생물', '입자' 등에 대한 내성이 양호하고, 생분해와 화학반응이 일어남에 따라 소재 성능 저하를 차단하기 위한 기계적 안정성 역시 확보하고 있다.
'MBR 공법'은 '분리막(Separation Membrane)'의 위치에 따라 '침지식 MBR', '가압식 MBR'로 구분된다.
4-2. SMAS법
'SMAS(Submerged-type Membrane Aeration System)' 공법은 기존에 침전조에서 수행되던 처리수-부유물 간 분리 과정을 '막분리조(Membrane Separation Tank)'내 침지된 '중공사막(Hollow Fiber Membrane)'을 통해 수행하는 막일체형 공법이다. 침지된 '중공사막'을 외부 펌프에 연결하고 중공사막 내부에 음압을 형성시키면, 막 외부에 피처리수가 막으로 이동하면서 여과가 수행된다. 그 과정에서 이물질들로 인한 '파울링(Fouling, 막 공극 차단)' 현상을 억제하기 위해 미생물의 호흡 기작을 활용해 중공사막 쪽으로 공기를 공급한다.
'SMAS 공법'을 통해 고-액 분리 과정은 이물질의 크기에 의해 일어나기 때문에 처리수 내 이물질을 완전히 제거 가능하며, 미생물이 외부로 유출되지 않아 처리조 내의 미생물 농도를 높은 수준으로 유지할 수 있다. 또한 별도의 '침전조(Precipitation Tank)'가 필요 없는 침지식 구성이기 때문에, 전체 설비의 부지 면적을 절감할 수 있다.
'중공사막(Hollow Fiber Membrane)' 방식은 사람의 혈액을 걸어주는 인공신장 투석기의 필터를 사용한 정수방식이다. '중공사(Hollow Fiber)'는 대나무같이 중간 부분이 빈 필터로 머리카락 굵기의 10000분의 1에 해당하는 0.01~0.04μm 이하의 구멍이 뚫려 있어 세균을 걸러내면서 미네랄은 통과시키는 기능을 한다. 수압에 의해 물이 '마이크로 필터(Micro Filter)' 및 '활성탄 필터(Activated Carbon Filter)' 등을 강제로 지나도록 한다. 미생물이나 유기 오염 물질을 제거하지만 보다 미세한 물질은 제거하지 못한다. 정수기의 부피가 작고 정수 시스템이 간단해 가격도 저렴한 편이나, 필터 교체 시기가 짧은 단점이 있다.
4-3. HANT법
'대한통운'은 '현대 엔지니어링(Hyundai Engineering)'과 공동으로 질소와 인을 동시에 제거할 수 있는 MBR 공법인 '막일체형 생물학저 하·폐수 고도처리(HANT: Hyundai Advanced Nutrients Treatment)' 공법을 2000년부터 개발했다. HANT 공법은 기존 대한통운의 SMAS 공법과 현대엔지니어링의 '질소·인 처리 기술'이 융합된 고도처리 기술로서, 국내 최초의 막을 이용한 고도처리 기술이다.
'HANT 공법'은 '유량조정조(Flow control Tank)' → '드럼 스크린(Drum Screen)' → '무산소조(Anoxia Tank)' → '혐기조(Anaerobic Tank)' → 막분리 호기조(Membrane Separation Aerobic Tank)' → 탈기조(Deaeration Tank)' → 방류 수조(Effluent Tank)의 순으로 구성된다. 'HANT 공법'은 '질소(N)'와 '인(P)'을 동시에 제거하기 위한 'A2O공법' 등의 '혐기조(Anaerobic Tank)' → '무산소조(Anoxia Tank)' 배열과는 달리 '무산소조' → '혐기조' 순으로 구성된다. 이는 국내 하수성상의 특징 중 하나인 낮은 질소 제거율을 고려하여 '무산소조'를 상류 측에 두고 유입수를 최초에 '무산소조'로 유입시켜 C/N(Carbon/Nitrogen)' 비를 높이기 위한 공정 배열이다. '무산소조'에서 '탈질화(Denitrification)'가 수행되고, '혐기조'에서 인 방출이 일어나며, '막분리 호기조' 내에서 '질산화(Nitrification)'와 인의 과잉섭취와 남은 용존유기 물질의 제거 및 고-액 분리가 수행된다.
'막분리 호기조(Membrane Separation Aerobic Tank)' 내의 혼합액은 '막분리 호기조'와 '탈기조' 사이의 개방된 부분을 통해 하류 측의 '탈기조'로 자연 이송된다. '탈기조'은 질산성 질소가 포함된 혼합액을 '무산소조'로 반송하기 전에 혼합액에 잔류하는 '유리산소(O2)'를 제거함과 동시에, '탈기조' 내 유입되어 농축된 'MLSS(활성 오니법에서 폭기조내 혼합액의 평균 부유물 농도를 말함)'를 무산소조로 반송시킴으로써, 무산소조 내 MLSS 농도를 유지시키는 역할을 한다. 이때 외부반송 필요 없이 하나의 내부 반송만으로 탈질을 위한 '혼합액 반송'과 '슬러지 반송'이 동시에 일어날 수 있다는 특징이 있다.
5. '수처리용 분리막' 기술의 발전
최근에서는 여러 가지 획기적인 수처리 분리막 기술이 개발되고 있다.
5-1. 세척하여 재사용 가능한 수처리 분리막
특히 세척하여 재사용할 수 있는 수처리 분리막 기술이 이목을 끌고 있다. 수처리용 분리막은 다양한 유기 고분자 물질과 세라믹 등과 같은 무기 물질을 통해 제조되는데, 지속적으로 사용하게 되면 분리막 표면에 '미생물'과 '슬러지(Sludge, 하수처리 또는 정수과정에서 생긴 침전물)'가 쌓이는 '파울링(막 공극 차단)' 현상으로 인한 막 오염이 발생된다. 오염된 분리막은 적어도 1회 이상 정도 6시간 이상의 화학 약품 처리를 통해 세척해야만 재사용이 가능한 실정이다. 그 때문에 유지 비용이 높고 세척 약품에 의한 분리막 손상으로 수명이 저하되는 문제가 있었다.
이러한 상황에서 '한국 과학 연구원(KIST: Korea Institute of Science and Technology)' 물자원 순환 연구센터 연구팀은 오염된 분리막 표면에 햇빛을 쐬면 스스로 세척되는 분리막 소재를 개발하는데 성공하였다. KIST 연구팀은 가시광선에 반응하는 광촉매를 수처리 분리막 표면에 처리하여, 가시광선을 조사하였을 때 표면에 쌓인 오염물질들이 완전히 분해되도록 하였다. 특히 분리막 표면에 축적된 고농도의 대장균과 황색포도상구균 등과 같은 세균과 바이러스 등을 최대 1시간 안에 99.9% 제거하는 데 성공하였다. '미생물'뿐 아니라, 염료 등 '유기 오염물질', '중금속'까지도 처리할 수 있게 되었다.
쉽게 세척이 가능할 뿐만 아니라 10회 이상 반복 테스트에서도 성능이 유지되는 등 높은 내구성도 입증하였다. 해당 연구는 2021년에 국제 학술지인 'Applied Cataysis B: Environmental'에도 게재되었다. KIST 연구팀이 개발한 '광촉매 수처리 분리막'은 기존 수처리용 분리막이 가진 '막 오염 문제', '세척 문제', '높은 유지 관리 비용 문제'들을 해결함은 물론 내구성도 확보하여 물 산업에 기여할 것으로 전망되고 있다.
5-2. 고성능화를 통한 적용분야 확대
'수처리용 분리막'에 대한 연구와 투자가 늘어나면서 '수처리 분리막'은 점차 고성능으로 발전하고 있는 추세이다.
'코오롱(Kolon)'은 '막(Membrane)'을 수처리, 정수 등 물산업에는 물론, 수소 시대를 맞아 수소차 '연료전지(Fuel Cell)'의 필터에도 사용함으로써 기술적 성과를 내고 있다. 수소차 연료전지에 들어가는 코오롱의 필터는 '수분만 통과시키는 막여과 기술'을 적용함으로써, 외부에서 유입되는 공기와 미세먼지를 여과하여 수소차 연료전지 모듈의 완성도를 높이고 있다.
나노기술 소재 전문 기업인 '시노펙스(Synopex)'의 분리막 기술도 주목받았다. 수입 의존도가 높은 고성능 필터의 국산화를 도모하기 위해, 시노펙스는 '수처리용 멤브레인 필터'를 비롯해 '반도체', 'LCD 생산 라인용 고성능 필터'를 개발하여 호평을 받으면 공내외에 공급 중이다. 특히 순수 내지 초순수가 필요한 '정밀전자산업(반도체 등)'에까지 분리막 및 필터 기술을 적용하여 '삼성전자', 'LG디스플레이' 등에 납품하고 있다. '시노펙스'는 2020년에 LG화학으로부터 고성능의 멤브레인 생산설비를 인수한 '시노펙스(Synopex)'는 김천공장 확장 및 리모델링을 하여 2021년 4월부터 다양한 막모듈 필터 양산을 수행하고 있다. 수처리 분리막을 포함하여 '기체 분리용', '의료기기·제약·바이오용', '식음료 제조용', '초순수 제조용', '해수담수화 전처리용' 등 다양한 분야에 적용 가능한 막모듈 제품을 생산·납품하고 있다.
5-3. 신소재 개발
세계 각국의 '분리막 기술'과 '분리막 공정 기술'은 이미 상용화되어 있으며, 각종 분야에서 시장이 증대되고 있는 추세이다. 하지만 환경개선에 대한 수요가 급증함에 따라 '높은 투과도', '높은 제거율', '막 오염 저항성에 대한 안정성', '화학적 세정에 대한 안정성'을 가진 고성능의 분리막 소재 개발이 요구되고 있다.
기존에 상업화된 수처리용 분리막 기술은 '재료적 한계'에 있으며, '공정 최적화 기술' 등에 있어 포화상태에 있다. 이에 이를 해소하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 '분리막 기술'과 '나노 기술(Nano Technology)'의 접목을 다양한 특성을 가지는 새로운 형태의 분리막 제조가 개발되고 있다. 수처리 분리막 소재의 경우 최근 '탄소나노튜브(CNT)', '알루미나 섬유' 등의 '나노물질'을 이용하여 막의 구조를 조절하는 연구들이 시도되고 있다. 아래의 표는 분리막 소재별 특성을 표로 정리한 것이다.
| 종류 | 장점 | 단점 | 응용분야 |
| PVDF(Polyvinylidene fluoride) | 내약품성, 강도 | 소수성, 내화학성 | MF, UF |
| PTFE(Polytetrafluoroethylene) | 내화학성, 내열성 | 소수성 | MF, UF |
| PES(Polyethersulfone) | 내열성, 친수성 | 내화학성 | MF, UF |
| PA(Polyamide) | 내열성, 안정성 | 염소저항성 | MF, UF, RO |
| CA(Cellulose acetate) | 친수성 | 내화학성, 미생물저항 | MF, UF, RO |
| PAN(Polyacrylonitrile) | 친수성 | 강도 | MF |
| PP(Polypropylene) | 강도, 내열성 | 소수성, 내화학성 | MF |
| PE(Polyethylene) | 내열성, 내약품성 | 소수성, 내화학성 | |
| PS(Polysulfone) | 내열성, 염소저항성 | 낮은 한계압력 | MF, UF |
| PVA(Polyvinylalcohol) | 친수성 | - | NF |
| Ceramic | 기계강도, 내화학성 | 전단력 | MF, UF |
5-3-1. 한국의 신소재 개발
한국의 경우 2009년부터 막분리 공정이 본격적으로 도입되었으며, 관련 산업이 빠르게 성장하고 있다. 하지만 원천소재에 대한 기술 부재로 인해 선진기업과의 기술격차가 존재하며, 핵심 소재에 대한 기술 자립도가 아직 미미한 수준이다. 업계 전문가들은 2023년 기준, 선진국 대비 국내 기술력은 약 70~80% 수준이라고 평가하고 있다. 기술격차가 존재하는 상황에서 후발주자인 국내 기업들은 미래 트렌드에 부합하는 소재 기술을 개발함으로써 시장의 재편을 시도하려는 노력이 필요하다고 생각된다.
한국에서 수처리 분리막 소재 분야의 연구는 '정밀여과(MF: Microfiltration)'와 '한외여과(UF: ultrafiltration)' 분리막 중심으로 이루어지고 있으며, 제조기술 수준이 아직 글로벌 리딩기업 대비 많이 부족한 현실이다. '역삼투(RO: Reverse Osmosis)'나 '나노여과(NF: Nanofiltration)' 분리막에 대한 연구와 제조활동을 '도레이케미칼(Torei Chemical)'을 제외한 기업에서는 거의 이루어지고 있지 않다. 최근 '제일모직', 'LG전자', 'LG화학', '호남석유화학', 'SK' 등에서는 주로 'PVDF(Polyvinylidene Fluoride)' 다공성 분리막을 제조하는 연구를 수행하고 있다.