1. 막분리 공정

  a. 막이 가져야 할 조건

  높은 생산수량(water flux), 높은 염제거율을 가질 것
  높은 강도를 가지는 엷은 barrier를 형성하는 능력을 가질 것.
  넓은 pH 범위에서 화학적으로 안정할 것
  막의 수명이 길 것
  물리적으로 미생물에 견디는 힘이 클 것
  다른 형태에서도 사용될 수 있는 다양성을 가질 것
  압력, 온도 등의 운전 조작범위가 넓을 것
  가격이 저렴할 것

  b. 막 분리의 장.단점

  ▷ 장  점

   - 상 변화를 수반하지 않는 분리공정으로 에너지 절약형이며 분리 대상물질의 변질이 없다.
   - 막 소재의 물리,화학적 기능에 의해 입자 크기별, 화학적 친화성에 분리되는  특정 물질 만을 분리하는 기능을 가지며 설비가 간단하다.
   - 응용범위가 넓고 온도 변화가 적은 공정에 적용이 가능하며 설계 및 증설이 간단하고 운전 및 장치가 단순하여 자동화가 용이하다.
   - 과부하가 걸릴 때 처리수의 수질에는 큰 영향이 없다.

  ▷ 단  점

  - 유입수의 온도, pH등의 성질에 따라 운전이 제한된다.
  - 농축수의 최종처리가 필요하고, 새로운 공정에 적용할 경우 실험이 우선시 된다.
  - 초기 투자비가 높다.
  - fouling 및 이에 다른 세척이 어렵다.

  c. 막 분리 공정의 특징

   막분리 공정은 기존의 분리 및 농축 공정과 비교하여 여러 가지 특징을 갖고 있다.   분리막은 상의 변화없이 물질을 선별적으로 분리시키므로 공정이 단순하고 다른 분리공정에 비해 에너지 효율이 좋다.  기존 방법은 상의 변화를 유도하여 물질을 분리하므로 에너지 소모량이 많으며 높은 열 등에 의한 물질의 특성 변화가 일어나기도 한다.  그러나 막분리는 기계적인 압력에 의한 분리가 일어나므로 특정 성분의 분리와 정제, 농축 공정에서 새로운 대안으로 많이 응용되는 추세이며  그 범위는 점차 넓어질 것이다.  현재 식품산업의 원료 분리 및 농축,  반도체 세척공정의 초순수 제조에 응용되고 있으며, 폐수내 유효물질 회수 및 재활용 등 다양한 적용에 대한 개발이 진행중이다.

  막분리 공정은 전체적인 시스템이 타 공정에 비해 간단하여 파일럿 실험에 의한 설계인자가 확보되면 공정설계 및 시설 확장이 편리하며 시설자체의 부피가 작아지므로 설치면적을 최소로 유도 할 수 있다.  특히 막분리 공정을 이용하여 폐수를 처리하는 경우 약품 사용을 줄일 수 있어 슬러지 발생량을 최소화 할 수 있다.  또한 분리막 공정에서 얻어진 처리수는 원수로 사용되거나 수질에 따라 직접 제조 공정에 사용될 수 있다. 

  d. 막 오염 및 세척

  가. 막의 오염

   분리막은 폐수를 적은 에너지로 선별적인 분리를 할 수 있는 장점에도 불구하고  막의 성능을 저하시키는 분리막의 오염 문제로 인해 그 보급이 늦추어지고 있다.  분리막의 오염에 의한 문제점 중 하나는 투과율의 감소로 원인은 크게 두 가지로 나뉘어 진다. 첫째는 막의 오염으로 인한 기능의 저하이며, 둘째는 농도분극현상으로 인한 기능 저하이다. 전자의 경우 원수의 특성에 따라 막 표면에 오염물질이 강하게 결합, 축적되어 막의 투과율을 감소시키거나 성질을 변하게 하여 분리능을 변화시키는 현상이며, 후자의 경우는 분리막을 경계로 고농도의 용질이 용액중에 체류하고 투과수 흐름에는 상대적으로 낮은 농도의 용질층이 존재하여 용질이 막 표면에 농축될 경우 고농도의 용질층에 의한 삼투압 증가로 투과율이 감소하는 현상이다. 

   나. 막의 세척

    세척과정은 막의 오염물을 제거하고 분리막의 분리특성과 투과율을 회복하는 과정이며, 세척에 사용되는 물질은 오염을 늦추고 오염물질을 용해, 계속적인 막의 오염을 막는 역할을 한다.  이 때 세척으로 인한 막의 손상을 최대한 줄여야 하며 세척의 효율을 증가시키기 위해 펌프압력의 증가 투과수량의 변화등을 측정하고 적정한 세척 시기를 선정하여 주기적으로 세척을 해 주어야 한다. 

   세척 방법은 물리적, 화학적, 물리화학적인 방업이 있으며 물리적 방법에는 포워드 플러싱(Foward Flushing),  중공사막에 쓰이는 공기주입, 관형모듈에 쓰이는 스폰지 볼 등의 방법이 있으나 널리 보급되지는 않은 실정이다.  화학적 세척은 문헌이나 막제조자의 지침에 따라 행하는 것이 통상적이며 무기 오염물 제거를 위해 산 세척을, 유기오염물질은 염기세척이나 계면활성제를 사용하며 부가적으로 효소나 소독제를 사용하기도 한다.  이 때 막의 특성을 정확히 파악하여 약품등으로 인한 막표면의 훼손이 발생하지 않도록 유의하여야 한다.

  e. 막분리 공정의 설계

   분리막을 폐수처리에 적용하는 과정은 시험실 규모의 벤치테스트를 통한 적합한 막의 선택과 이렇게 선택된 막모듈을 이용한 파일럿 실험을 수행하여 얻은 설계인자를 사용하여 막분리 공정의 기술적, 경제적 타당성을 조사한다.  특히 폐수처리에 파일럿 테스트가 중요한 이유는 발생되는 폐수의 특성이 다르고 특히 분리막의 오염을 유발시키는 유기물질의 복합적 현상 규명이 이론적으로 어렵기 때문이다.  분리막 공정에서 막의 특성을 변화시키는 요인은 아래와 같이 요약할 수 있다.
  원수농도 : 농도가 올라갈 수록 투과율이 감소하지만 용질 배제율은 크게 변하지 않는다.  그러나 농도에 따라 용액의 성질변화가 있을 경우 막의 배제능이 변할 수 있다.
  pH : 용질의 특성을 변화시켜 막과 용질간의 상호 친화도 및 흡수도를 변화시킨다.
  전처리 : 전처리를 통하여 막의 투과흐름을 개선시킬 수 있다.
  운전조건 : 높은 압력에서는 용매의 투과율이 증가하나 막 내부에 오염물질이 강하게 결합되어 오염을 가속화 시킨다.
  분리막의 소재 : 막의 친수성 및 소수성, 막표면의 코팅전하의 분포, 표면의 거칠기, 공극율 및 입경분포에 따라 용매투과율 및 배제율이 변한다.

  공정설계는 전처리 부분과 분리막 운전 부분, 그리고 후처리 부분으로 크게 나눌 수 있다.  가장 핵심적인 부분은 고압펌프와 막을 지지하는 압력 용기 및 분리막 모듈이며 핵심역할을 담당한다.

  전처리 부분은 막의 성능을 장기간 유지하기 위하여 막에 영향을 주는 물질 및 투과율을 감소시키는 오염원을 제거하는 것이 주목적이며 막의 화학적 분해, 스케일, 기계적 열화 및 투과율 감소 등의 문제를 해결 하여야 한다.  특히 폐수처리 및 재활용에 분리막 공정을 응용 시에는 적용 폐수에 대한 전처리가 필수적이다.  일반적으로 사용되는 전처리 기법은 화학적 전처리 및 물리적 전처리로 크게 나눌 수 있으며, 화학적 전처리로는 pH 조정과  응집제 투여를 통한 침전제거 또는 이온의 용해도 상승유도, 스케일을 억제하거나 제거하기 위한 약품 투여, 생물학적인 오염을 사전에 제거할 수 있는 처리 및 탈염소제 첨가 등이 있다.  물리적인 전처리로는 투과율을 감소시키는 SS물질을 제거하기 위한 공정이 대부분을 차지하며 모래여과나 카트라지 휠터등을 주로 사용하며 원수의 농도를 적절한 수준으로 맞추어 주는 것도 분리막의 수명을 연장시키는 방법이다.  또한 원수에 함유되어 있는 유분이나 막표면에 부착하는 막코팅물질 등은 사전에 적절히 처리되어야 한다.

  후처리 공정은 투과수의 수질에 의해 좌우되며 분리막의 종류에 따른 투과수의 질과 쓰이는 용도에 따라 후처리 수준이 결정된다.  RO 계열의 막으로 폐수를 처리 할 경우 일반적인 재활용 부분에 초점을 두면 투과수 자체는 양호한 수질을 나타내지만 간혹 냄새가 있거나 pH등이 높거나 낮아서 원하는 수준으로 조정할 필요가 있다.  또한 담수나 해수를 음용수로 재이용할 겨우 더욱 세심한 후처리가 필요하며 고 순도의 공장용수로 사용할 경우에는 탈기 공정 후 이온교환법과 같은 효과적인 후처리 공정이 결합된다.

2. 막분리 공정과 폐수처리

  a. 폐수처리 응용

   폐수처리 분야에 대한 막분리 기술의 적용은 단순히 폐수를 처리한다는 개념이 아니라 폐수중에 함유된 유효물질을 회수하여 재활용 한다는 점과 폐수중의 물을 높은 수율로 회수, 재이용하여 폐수 오염원의 부하를 크게 줄여 준다는 측면에서 많은 잇점을 가지고 있다.  그 외에도 폐수처리시 들어가는 약품의 양이적어 발생슬러지를 줄일 수 있으며 물리적인 처리방법으로 인해 수질변화에 대한 영향을 적게 받아 일정한 처리 수준을 유지 할 수 있다.  또한 전 시스템의 자동화 운전이 가능하여 인건비 및 운전비를 크게 줄일 수 있는 특징을 갖고 있다.

<막분리 공정과 기존 기술간의 차이점>

  가. 염색, 염료 폐수 처리

  염색폐수 처리에 막을 이용하려는 시도는 Brandon과 Porter등이 다이나믹 분리막을 이용, 처리수 재이용이 시도되었으며 18종의 유성분의 회수 및 재이용을 시도했다.  16개월에 걸쳐 Clenson,S.C. 주 부근에 있는 La France시의 염색가공 공장이 생산 라인을 이용하여 실시한 것으로서 농축액, 투과액의 재 이용에 대한 경제성까지 언급한 바 있다.  국내의 막분리 공정을 이용한 폐수처리에 관한 연구는 활발하지 못하나 산업체의 관심은 대단하다.  염료 및 염색폐수처리에 분리막을 사용한 연구는 아직 초보적인 수준이다.

  나. 중수도 처리

  수자원의 고갈로 인해 수돗물을 절약하고 재활용하는 차원에서 중수도법이 도입되면서 분리막을 이용한 하수 및 오수처리 방법이 주목을 받고 있다. 
  미국 Thetford System Inc. 의 싸이클렛 공정은 1979년부터 개별순환방식으로 중수도를 처리하여 수돗물을 재사용하는 방법으로 사용되고 있다.  처리수의 수질은 BOD 5mg/L 이하, SS 5mg/L 이하이다.  발생되는 미생물 슬럿지는 일년에 한번 제거한다.   싸이클렛 공정의 핵심기술은 관형 UF막을 이용해  폭기조의 미생물을 분리하여 폭기조의 MLSS를 높혀주고 미세물질, 세균 등이 처리수로 유입되는 것을 방지하는 것이다.  일본에서는 대형사무실 빌딩의 중수도 처리에 평판형 UF막을 이용하는 공정이 주로 사용되고 있다.

  다. 하수처리

  미국 덴버시에서는 생활하수를 막분리 공정으로 처리하여 음용수를 생산하는 시범공장을 건설하여 운전하였다.  처리수를 수돗물로 공급하는데 필요한 광범위한 보건위생학적 연구를 수행하여 만족할 만한 연구 결과를 얻었지만 하수를 처리하여 수돗물로 재사용하는 개념을 일반시민들이 아직 수용하지 못하는 단계에 있다.  따라서 덴버시의 하수 재사용 계획은 위생상 기술적인 문제는 극복되었지만 시민의 홍보 부족 등으로 아직 유보상태에 있다.
  일본은 1985년부터 생물학적 반응기와 결합한 막분리 공정의 연구과제를 수행하고 있다.  호주의 Memtec Inc.도 기존의 하수처리장에서 배출되는 방류수에 MF막을 사용하여 부유물질과 세균을 제거하여 재활용하는 방법을 개발하여 보급하고 있다.

  라. 도금 및 표면처리

  도금 및 표면처리과정에서 발생되는 폐수는 중금속의 농도가 높은 폐수와 세척공정에서 배출되는 기름과 계면활성제를 포함한 폐수가 대부분이다.  UF막을 이용하여 기름에멀션을 분리하며, 투과수는 RO막을 이용하여 세척수로 재사용한다.  막분리 공정은 단위 생산공정별로 설치하여 각 공정에서 발생되는 폐수의 특성에 따라 분리막 및 모듈을 선택하는 것이 경제적이다.  그러나 기존의 공장시설이 공정단위별로 폐수를 분리수거할 수 없는 경우는 종합폐수처리장에 막분리 공정을 적용할 수 있다.

  마. 제철소 폐수

  제철소는 원료생산공정에서 제품생산공정에 걸쳐 다양한 폐수를 배출한다.  대부분의 제철소는 단위공정별 1차 폐수처리 시설을 갖추고 1차 처리된 폐수는 종말처리장에서 최종처리 후 방류된다.  국내 제철소 폐수처리의 막분리 공정 적용가능성을 조사한 연구논문은 기존의 종말처리장에 분리막을 적용하는 경우와 단위공정에서 배출되는 폐수를 처리하는 방법을 연구하였는데, 그 결과  종말처리장과 단위공정에 적용된 분리막의 처리수 수질은 공급되는 공업용수 수질으 능가하는 것으로 나타났다. 최근의 가뭄으로 인해 막분리 공정 도입이 활발히 논의되고 있다.

  바. 석유화학 폐수

  석유화학 폐수는 기름 성분이 주를 이루고 있는데 한외여과공정은 이러한 폐수의 처리에 적합하다.  하지만 기름 폐수를 분리막으로 처리하는데 있어서 가장 문제가 되는 것은 처리수의 투과율이 감소하는 막의 오염 현상이다.  이러한 오염 현상은 오일이 막 표면 혹은 막공에 쌓이게 됨으로써 투과수의 흐름을 방해하고 막 표면의 압력손실을 가져오게 된다.  투과율의 감소를 막기 위해서는 오염이 잘 안되는 분리막 재질의 개발, 막표면의 농도분극을 최소화시키는 모듈의 개발, 오염된 막의 세척에 관한 연구, 전처리 기술개발 등의 연구가 수행되어야 하며 활발히 그에 대한 연구가 진행되고 있다.

  사. 매립지 침출수 처리

  분리막을 이용한 침출수 처리 연구는 1980년대 중반부터 중점적으로 실시되었다.  Rutgers Univ.의 Ahlert와 Syzdek은 침출수 처리에 9가지 종류의 UF막을 실험하여 침출수 전처리 공정에 UF막을 적용할 수 있음을 보여주었다.  산업폐기물 매립지에서 발생되는 침출수에 라임을 첨가하여 탁도, 중금속, 부유/용존 고형물을 제거하는 전처리를 한 후에 CA Tubular RO막을 사용하여 고농도의 무기염과 유기물질을 처리하는 실험을 실시하였다.  이후 생물학적 처리와 여과등의 전처리 공정을 보강하여 TDS=42.7mg/L, TOC=14mg/L인 방류수질을 얻을 수 있었다.
  캐나다 환경청에서 1985년부터 침출수 처리에 분리막을 사용하여 유해물질을 제거하는 연구를 수행하였다.  MF 전처리를 거친 침출수를 나권형 RO복합박을 사용하여 농축시켰다.  침출수에 포함된 유기농약성분 및 TOC제거율은 97% 이상 얻을 수 있으며 분리막의 투과율은 일정하게 유지되었다.
  독일의 Rochem사가 개발한 디스크 튜브 모듈은 전처리 조건이 기존의 나권형 모듈보다 완화되어 1989년부터 독일의 Schonberg 매립지를 비롯한 10개 이상 매립지에서 사용되고 있다.  Rochem 모듈의 특징은 원수쪽의 유로가 짧고 폭이 상대적으로 크기 때문에 오염이 적게 발생하고 막세척이 용이하므로 침출수와 같은 고농도의 폐수처리에 적합한 막모듈이다.  또한 200bar까지 고압의 조건에서 운전할 수 있어 침출수의 부피를 1/20까지 줄여서 농축수의 처리를 단순화시킬 수 있다.  현재 독일에서는 산업쓰레기 매립장의 침출수 처리 시 디스크 튜브형의 모듈을 이용하여 치리하고 있으며 미국의 5개 도시에서는 생활하수 처리에 나권형의 모듈을 사용한 분리막 공정을 이용, 하수를 처리 후 투과수를 재활용하고 있다.  그리고 오일이 함유되어 있는 폐수의 경우는 관형의 모듈을 주로 사용하여 막내 오염을 최소로 유도하여 처리하고 있다.