[출처 = 워터저널(www.waterjournal.co.kr) 2011년 8월호 특집 기사 / 원문은 파일첨부 참조]

 

지구온난화로 물 부족 심화… 유해물질 증가로 수질기준 강화 추세
막여과 시장, 매년 20% 증가…‘탄소나노튜브’·‘아쿠아포린’ 차세대 막 재질

 

 

 

▲ 홍 승 관 교수/고려대학교 건축사회환경공학부

1990년대 멤브레인 연구를 시작한 이후, 그 동안의 새로운 기술은 일본이나 미국 등 선진국의 기술에 대한 모방이나 선진국을 뒤쫓아가며 진행됐던 것이 사실이다.

 

그러나 이제는 세계 시장을 선도할 수 있는 새로운 연구를 시작할 때가 됐다. 추격형을 탈피해 선도형으로 가는 시점에 와 있고, 특히 막여과의 미래 기술은 아직까지 실증화된 기술이 많지 않아 우리가 선도할 가능성이 충분하다.

 

막여과 기술의 필요성을 세 가지로 나눠 보면, 우선 지구온난화로 인한 물 부족 현상이 벌어지고 있다. 또, 환경호르몬 등으로 인해 수질기준은 강화되고 있다. 반면에 선진국을 포함한 많은 나라의 물 공급 시스템이 노후화 되고 있다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해서는 대체 수자원 확보와 수질기준을 만족시킬 수 있는 멤브레인과 같은 공정이 필요하며, 이를 뒷받침할 스마트한 시스템이 필요하다.

 

이들을 모두 만족시킬 수 있는 최적의 공정이 바로 막 공정이다. 특히, 대체 수자원 개발에 중요한 방안인 하수 재이용과 해수담수화 분야에서 멤브레인의 적용은 점점 늘어나고 있다.

 

멤브레인 공정의 장점으로는 화학약품 사용이 적고, 소요되는 부지면적이 작으며 자동화가 가능한 것 등을 꼽을 수 있다. 특히, 다양한 공정과 접목이 가능하고 처리 부산물인 슬러지(오니) 등이 적게 발생하는 것이 강점이다.

 

문제는 “과연 이러한 장점들을 최적화해서 적용하고 있는가?”라는 부분이다. 그리고 최적화 됐다면 이 장점들이 최대한 발휘될 수 있는 미래형 수도 공급 시스템은 무엇인지 생각해봐야 한다.

 

막여과 기술의 도입은 지난 2007년부터 2010년까지 역삼투(RO, Reverse Osmosis) 멤브레인의 경우 매년 8%의 증가를 보이고 있으며, 나노여과(NF, Nano Filtration) 멤브레인은 20%, 정밀여과(MF, Micro Filtration) 및 한외여과(UF, Ultra Filtration) 멤브레인은 25%, 멤브레인 생물 반응조(MBR, Membrane Biological Ruants)는 25%씩 증가하고 있다.

 

그러나 이러한 성과는 하루아침에 이뤄진 것이 아니다. 예를 들어 해수담수용 RO 멤브레인의 경우, 30∼40년의 세월을 거쳐 기술의 혁명과 도약을 통해 현재의 시장을 형성했다. 그 기간동안 과거에 비해 약 10분의1 정도의 압력에서 운전이 가능해졌고, 염 제거율은 10배 가까이 증가했다.

 

▲ 지난 2007년부터 2010년까지 막여과 기술의 도입 현황을 보면 역삼투막(RO)의 경우 매년 8%, 나노여과막(NF) 20%, 정밀여과막(MF) 및 한외여과막(UF) 멤브레인은 25%씩 증가하고 있다. 사진은 안양시 청계정수장에 설치된 막여과 정수처리 시스템.

현재 막 공정 기술의 혁신에서 가장 이슈가 되고 있는 것은 에너지다. 당연한 이야기지만 막 공정도 에너지를 적게 사용하는 방향으로 나아가야 한다.

 

기술이 발전함에 따라 에너지 회수장치 등을 통해 해수담수용 RO 멤브레인의 경우 톤당 전력 사용량이 20만 톤 이상에서 2.5∼3㎾h까지 내려가 있다.

 

이는 과거에는 상상하지 못했던 수준의 기술이고, 미국에서는 현재 1.3∼1.5㎾h를 목표로 하고 있다. 그러나 이렇게 많은 에너지를 줄이기 위해서는 새로운 막 공정, 막 기술이 필요하다.

 

저에너지를 위한 에너지 분야의 혁명은 ‘스마트 파워 그리드(Smart Power Grid) 시스템’이라고 볼 수 있다.

 

화석연료로부터 벗어나 신재생 에너지를 도입하고, 이를 현재 시스템에서 최대한 적용·활용할 수 있도록 ‘스마트 파워 그리드’라는 시스템을 구축해 모든 방향에서 최적화된 공급 시스템을 만드는 작업들이 진행 중이다.

 

‘스마트 파워 그리드’를 통해 물의 생산과 공급에서 전기 에너지, 신재생 에너지 등을 이용할 수 있는 방향으로 나아갈 것으로 기대된다.

 

그렇다면 새로운 막은 무엇이며, 그러한 막의 장점을 부각시키고 저에너지, ‘스마트 파워 그리드’ 등에 맞는 멤브레인은 무엇일지 생각해봐야 한다. 최근 차세대 막 재질로 등장하고 있는 것은 탄소 나노 튜브(CNT, Carbon Nano Tube)와 아쿠아포린(Aquaporin), 유·무기 복합체(Inorganic-organic composite) 등이다.

 

CNT는 관의 지름이 수∼수십 나노미터 수준이다. 전기전도율은 구리와 비슷하고 열전도율은 다이아몬드와 비슷하다. 또, 강도가 뛰어나 변형에도 강하고 쉽게 끊어지지 않는다. 이러한 장점 때문에 CNT는 적용범위가 다양하며, 최근에는 정수 쪽에 적용한 논문들이 나오고 있다.

 

CNT로 배치된 형태의 멤브레인을 만들어본 결과, 물의 유속이 1천∼1만 배 빠른 현상을 보였다. 이는 CNT의 표면에 마찰이 거의 없는 성질에 기인하는 것으로 밝혀졌다. 이밖에도 일본에서는 CNT를 이용, 살균효과를 증대시키는 연구가 발표되기도 했다.

 

그러나 CNT를 막 표면에 고르게 분산시키는 과정에 있어 정밀한 기술이 필요하고, 제작과정이 까다롭다보니 경제성이 떨어진다는 단점이 있다. 즉, 아직까지는 CNT를 만드는 제작환경이나 전력 등을 실용화하기 어려운 실정이다.

 

아쿠아포린은 세포막에서 물의 흐름을 조절하는 단백질로 삼투압에 의해 물의 통로 역할을 한다. 그래서 물분자 이 외의 다른 분자나 이온 등은 투과시키지 않는 정교한 구조와 기능을 갖고 있다. 이런 아쿠아포린은 높은 플럭스와 염 제거 효과를 가진다. 생물학적 기능에 있어서의 능력은 오직 물분자만을 통과시키기 때문이다.

 

그러나 문제는 낮은 안전성이다. 현재의 기술로 아쿠아포린을 안정적으로 만들어 실용화 할 수 있는가는 좀 더 연구를 해봐야 한다.

 

최근 유·무기복합 멤브레인이 관심 받고 있으며 그에 따라 기존의 단점들을 보완하고 플럭스를 증가시키는 연구가 진행되고 있다. 실제로 생산시설을 만들기도 했다. 유·무기복합 멤브레인은 플럭스도 높고 안티 파울링(Anti Fouling)능력도 좋다.

 

그러나 이산화티탄(TiO₂)등 나노 파티클의 첨가로 인해 구멍이 막히거나 막의 두께변화 등의 문제가 발생, 염 제거율이 낮아질 수 있다. 이제는 염 제거율도 개선할 수 있는 연구를 진행해 시장에 진출해야 할 시기가 됐다.

 

▲ 앞으로는 막 재질의 혁명, 공정 강화, 적용 분야의 다양화 및 통합 등이 미래 첨단 여과막 공정의 방향이 될 것으로 예상된다.

공정 부분에서는 △정삼투(FO, Forward Osmosis) △막 증발법(MD, Membrane Distillation) △막 결정화(MCr, Membrane Crystallization) 등의 공정이 새롭게 대두되고 있다.

 

이 공정들은 사실 30∼40년 전에 등장했던 개념들인데, 당시 여러 가지 기술상의 한계로 인해 관심 받지 못하다가 최근 에너지 통합형 기술, 저에너지 기술 등에 대한 노력에 의해 새롭게 주목받고 있으며, 이들 공정은 기존의 공정을 보완하고 강화시키는 방향으로 연구·개발되고 있다.

 

이러한 새로운 막여과 기술, 즉 새로운 재질과 공정의 혁명은 고품질 음용수에 대한 욕구와 더 나은 에너지 소비를 충족시키기 위해 지속적으로 개발이 진행되고 있다.

 

막 공정 측면으로 들어가서 FO 공정은 삼투압을 이용, 물을 생산하는 공정이다. 이는 역삼투와는 달리 삼투압 이상의 압력을 공급할 필요가 없어 저에너지 공법이라 할 수 있다. 그러나 유도용액에서 적은 에너지로 물을 공급할 수 있는 기술이 없으면 배보다 배꼽이 더 큰, 추후에 더 많은 에너지를 사용하는 오류가 발생할 수 있다. FO 공정은 다른 공정과의 결합을 통해 에너지효율을 높이는 연구가 많이 진행되고 있다.

 

따라서 FO 공정의 장점은 낮은 에너지 사용과 압력이 걸리지 않아 파울링이 적고, 회수율이 높다는 것이다. 그러나 구성상의 어려움도 존재하며, FO 공정의 경우 아직은 태동단계라 볼 수 있다. FO 공정은 우리나라에서도 많이 연구되고 있으며 싱가포르, 미국 등에서 많은 성과를 내고 있다. 이에 따라 향후 4∼5년 안에 상용화에 근접하는 멤브레인 기술이 나올 것으로 예상되며, 많은 연구가 필요하다.

 

MD 공정은 열로 주도되는 프로세스다. 간단히 말하자면, 공극을 갖고 있는 소수성 막을 이용해 기화시키고, 기화된 분자들이 이동해 분리되는 공정이다. 적용 분야와 관련해서는 많은 연구가 진행 중이다. MCr은 최근 RO 공정의 회수율을 높이는 공정강화의 개념에서 많이 연구되고 있다.

 

공정강화에 대해 설명하자면, 막여과 공정의 성공과 잠재성에도 불구하고 개선해야 할 부분이 많다. 수질과 회수율을 높여야 할뿐만 아니라, 공정의 측면에서도 파울링을 줄이고 효율적인 에너지 소비를 해야한다. 이로써 가격까지 낮출 수 있을 것이다.

 

또, 멤브레인 부산물의 양을 줄이고 부산물로 인한 환경피해를 최소화해야 한다. 이런 문제점을 해결하기 위해서는 멤브레인 기술을 다양하게 개발해 통합해야 하며, 신재생에너지 등을 사용할 수 있도록 시스템을 구성·통합해야 한다. 그리고 환경에 끼치는 영향을 최소화 하기 위해 부산물을 줄이고 공정은 최적화 하는 기술들이 필요하다.

 

이제는 물 재이용을 위해 3차 처리, 4차 처리 등의 공정이 필요해졌고, 현재 연구된 멤브레인 등의 기술은 이미 3차 처리, 4차 처리에 적용 가능할 정도의 수준으로 올라와 있으며 2차 처리, 3차 처리 등을 통합하는 기술도 활발히 연구되고 있다.

 

막 공정 적용 분야의 다양화를 살펴보면, 이제 미래에는 에너지 통합형 플랜트라는 개념이 등장할 것이다. 공장·발전소의 폐열이나 저비용 태양열, 삼투압을 에너지로 사용하는 등과 같이 대체 에너지를 통합해 에너지를 획기적으로 줄이는 시스템이다.

 

다음은 물 통합형 플랜트이며, 해수를 유도용액으로 사용하는 하수 재이용, 빗물과 하수의 통합 시스템, FO·RO 하이브리드 시스템, 해양 방류 시스템 등과 같이 각기 다른 물 플랜트를 통합해서 새로운 시너지 효과를 나타내는 것이 필요할 것이다.

 

마지막으로 ‘스마트 워터 그리드(Smart Water Grid)’라는 말이 등장하기 시작했는데, 이 ‘스마트 워터 그리드’라는 기획과제는 이제 마무리 단계에 와 있다. 이는 양방향 정보 교환과 분산형 수처리 설비의 지능적 관리를 통해 물 순환의 효율성을 제고하는 분산형 물 순환 이용망으로써, 다양한 대체 수자원들을 효율적으로 공급할 수 있는 장을 만들어주는 것이라고 생각한다.

 

즉, 물 재이용이나 해수담수화, 빗물 활용 등 다양한 물 공급에 있어 문제가 되는 공급 비용이나 방법 등에 대해 ‘스마트 워터 그리드’로써 저비용으로 공급하거나, 소비자 스스로 공급받을 수 있는 시스템을 만들 수 있고, 이 시스템의 핵심적 기술은 멤브레인이 될 것이다.

 

결국 ‘스마트 워터 그리드’는 막 공정의 장점들을 최대한 부각시킬 수 있을 것이다. 이처럼 막 재질의 혁명, 공정 강화, 적용 분야의 다양화 및 통합 등이 앞으로 미래 첨단 막 공정의 방향이 될 것이다.