1. 분리막의 정의 및 역사

  분리막이란 특정 성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리시킬 수 있는 액체 혹은 고체막으로 막의 물리화학적 성질에 의해 물질과 에너지의 교환속도가 결정된다. 분리막의 체계적인 연구의 시작은 1748년 Nollet이 동물세포막의 삼투압현상에 관한 보고였다.  1886년 Vant Hoff는 다공성 도자기 표면에 Copper ferrocyanide를 침전시켜 제조한 삼투막을 이용하여 삼투압이론을 발표하였다.  Gibbss의 열역학 이론이 발전하면서 삼투압현상의 이론적 근거를 제공하였고, 또 삼투압과 다른 열역학의 변수들과의 상관관계가 1920년까지 대부분 알려졌다. 이후 지속적인 연구와 개발이 이루어져 해수담수화에 실용화가 이루어졌으며 지속적으로 성능과 경제성을 개선해나가고 있다.

  우리나라에서 분리막이 가장 먼저 사용된 분야는 반도체의 초순수 제조분야이며 서해안 지역의 공업용수 확보를 위한 대형 수처리시설이 건설되었다.  그 후 의료 및 제약업계에서 무균수의 제조에 응용되기 시작되었다.  현재 이 분리막을 이용한 폐수처리가 활발히 연구되고 있으나 폐수의 종류와 형태가 매우 다양하고 기존의 분리막이 해결해야할 문제점등으로 인해 아직 해결해야 할 부분은 많다. 하지만 우리의 수자원 문제를 고려할 때 가장 적절한 대안으로 각광받고 있다.

2. 분리막의 종류

  a. 분리막의 분리특성에 의한 분류

    분리막의 구분은 막의 재료, 운전형태 및 모듈의 형태에 따라 구분하고 있다.  일반적으로 물에 함유되어 있는 것은 크기가 큰 부유물질과 물에 용존되어 있는 무기, 유기물질들이다.  전자의 부유물질은 콜로이드성 입자나 미생물등이며, 후자는 칼슘, 나트륨, 망간과 같은 이온성 물질에서부터 크롬, 구리와 같은 중금속류와 다양한 유기물질들이다.  분리막은 분리하고자 하는 물질에 따라 그 종류가 달라지게 된다. 현재 개발된 막분리 기술로는 정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration), 나노여과(nanofiltration), 역삼투여과(reverse osmosis), 기체분리(gas seperation)및 전기투석등이 있으며, 공경의 크기 및 흡착, 막표면 에서의 용해 및 확산 등의 분리 원리를 응용하여 물질을 분리한다. 아래 그림에 각 분리막 공경의 크기 및 분리 가능 범위에 대하여 나타내었다.

  따라서 각각의 분리특성을 고려하여 처리하고자 하는 수질 또는 요구하는 수질에 따라 막을 선정하여야 하며 이를 단독 또는 혼합하여 처리공정을 설정하여야 한다.

  b. 분리막의 type에 의한 분류

  가.  Spirial Wound (나선형)Modules

  원래 인공신장용으로  사용된 것이지만 R/O System용으로 완전한 개발이 되었는데 이것은 UOP에 의하여 실행되었다.  간단한 실험실적 Module은 전형적으로 12 inch length와 2 inch diameter의 Collection Tube로 이루어져 있다.  이러한 module은 보통 20ft2의 막면적을 가지고 있다.

  Spiral Wound module은 가장 compact하고 가격이 싸 많이 사용되고 있다. 

  module은 2장의 평막사이에 통수가 가능한 지지체를 넣고 막의 외면에는 그물형태의 Spacer를 적층시킨 후 Roll Cake형태로 말아서 만든다.

  ▷ 장점

  - Module당 막면적이 넓고 투과 유속이 크며 장치가 compact 하다.

  - 농도분극 현상 억제 : Space가 난류촉진 역할을 하는 기능을 가지고 있어서 막에 대한 공급유량이 적어도   막면에서의 유속이 크다.

  ▷ 단점

  - 유로직경이 700㎛ 이하로 작기 대문에 적절한 전처리가 필요하다.

  - 사용된 space가 난류를 촉진시키지만 고농도의 슬러리물질을 product로 얻고자 할 때는 입자가 기는 수가 있어 막의 세정에 의한 성능회복이 문제이다.

  나. Hollow Fiber (중공사형) modules

  Closed-end design 형태이며, Pressure vessel 속에 장치된다.  System은 Sheel side에서 가압되어 fiber wall을 통해 유출되어 배출된다.  이것은 제작이 쉽고 경제적으로 매우 큰 fiber 막면적을 갖는다.  Fiber의 직경은 보통 100㎛ ID, 150~200㎛ OD 이다.

  Clean application에 RO 나 UF가 적용되며, UF module은 flow channel이 RO module보다 더 규칙적이기 때문에 fouling에 대하여는 덜 민감하다. 일반적으로 Romicon과 Amicon제품이 많이 사용된다.

  Industrial Scale에 적용되는 size는 ID 0.5mm 와 1.1mm의 2가지 type 이 사용되고 있다.  Module들은 각각 3,000개의 fiber까지 보유하게 되며 막면적은 0.06 ~ 4.9㎡이다.  아주 높은 점도의 유체에 적용하는 module의 길이는 1.09, 0.635 ~ 0.318m가 있다.  또한 fiber structure에 손상을 주지 않고 back-flush 될 수 있는 Max. operating temperature는 75℃이다.

  Fiber 다발의 양쪽은 epoxy로 접착하여 사용하므로 다른 module과는 달리 막지지체가 없는 것이 특징이다.  따라서 고압에서의 사용은 곤란하다.  그러나 단위 부피당 막면적이 넓어 처리액의 점도가 그다지 높지 않거나 sludge 형성이 적은 물질을 분리 하는 데는 좋은 성능을 나타낸다.

  일반적으로 대형 module인 3inch ID x 43inch L은 압력에 의존적이며, flow rate와 무관한 희박용액의 처리나 fouling이 잘 일어나지 않는 액의 처리에 적합하다.  짧은 module인 25 inch L, 12.5 inch L은 반대로 고점도액의 처리나 최종 생산수의 농도가 진한 경우에 사용한다.

 다. Plate and Frame (평판형) modules

  이 module은 막분리 system 중에 가장 먼저 개발된 type으로 design은 conventional filter-process에 기초하고 있다.  수많은 Plate and Frame module 이 small-scale 적용을 위하여 개발되어 왔지만, 값이 상대적으로 비싸고 특히 많은 gasket seal로 인한 leak가 문제 되고 있다.  현재는 일반적으로 electrodealysis, pervaporation system 또는 small ultra filtation과 R/O system에 제한되어 사용하고 있다.  R/O에 적용되는 것은 보통 수평형 배열식을 스며, UF 에서는 수직형 배열을 쓴다.

 라. Tubular (관형) modules

  Tubular module은 good fluid hydrodynamics로 인한 fouling의 저항성이 크다는 잇점이 있어서 비용이 높다는 문제를 극복하고 있으며 현재는 UF 에만 적용되고 있다. 표면의 fouling을 저감하기 위하여 cross flow 속도는 5m/sec 이상을 사용하고 있으며, 제작상의 가장 큰 어려움은 tube 끝의 sealing이다.

  Tubular module은 다른 module에 비해 공급액 유로 입구가 크고 공급액의 유속을 크게 할 수 있는 구조로 되어 있으므로 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

  - 거대 입자만을 제거하는 정도의 단순한 전처리 만으로 막의 운전이 가능하다.

  - 유속을 크게 할 수 있으므로 막면상의 Scale 형성이 적다.

  - 여러가지 세정법의 적용이 가능하므로 세정이 용이하다. (Sponge Ball 세정 등)

  - module 구조가 간단하므로 막교환이 용이하다. (교체 비용이 저렴하다.)

  한편 다음과 같은 단점을 가지고 있다.

  - 막면적 대비 장치 용량이 크기 때문에 설치공간이 많이 필요하다.

  - 보통 높은 유속과 압력으로 운전하므로 에너지 소비가 많다.