서 론

현재 세계는 물 부족 현상이 심화되고 있으며, 수질 오 염으로 인하여 물산업의 중요성이 부각되고 있다. 많은 매 체들이 21세기 물 산업이 20세기 석유 산업을 추월할 것 이라는 전망을 내놓았고, 앨빈 토플러 등의 미래 학자들 역시 21세기가 물의 시대가 될 것이라고 전망하고 있다. 이러한 전망을 바탕으로 많은 기업들이 물 산업을 미래 성장 사업으로 주목하기 시작했으며, 자국 물 산업 육성을 위해 각국 정부들도 구체적인 계획안을 발표하고 있다[1]. 특히 그림 1에서와 같이 물산업은 단위 산업으로 반도체 산업이나 조선 산업보다 큰 규모를 갖추고 있다. 이처럼 세계 물산업 규모가 상당히 큰 이유는 국민 생활과 산업 활동에 필수적인 서비스로 전 세계적으로 산업이 형성되 어 있기 때문이다.

심각해지는 물 부족 현상으로 인하여 수처리 기술의 중 요성을 증대되고 있으며, 또한 물 산업 구조가 대규모 사 업화가 가능하도록 패러다임이 변해가고 있다. 즉 20세기 초반에 성립된 화학 처리제 중심의 수처리 기술 패러다임 이 최근 들어 필터의 미세한 구멍(Pore)을 통해 오염 물질 을 걸러내는 멤브레인(Membrane) 방식의 기술 패러다임 으로 전환되고 있다. 기존 멤브레인 방식의 기술은 필터 자체의 높은 제조 비용과 시스템 운영시 과도한 전기 소 모 문제 등으로 운영 유지 측면에서 경제적 효용이 낮아 시장의 외면을 받아왔다. 하지만 21세기에 접어든 후, 제 조 기술의 혁신으로 가격 경쟁력을 확보하고, 기존 방식으 로 처리하지 못했던 물질들을 걸러낼 수 있는 멤브레인 방식 고유의 장점이 부각됨으로써 빠르게 시장이 성장되 고 있다. 특히 멤브레인 방식은 기술 진입 장벽이 존재하 기 때문에, 기술 차별화를 달성한 기업들을 중심으로 전 세계 시장이 재편 되고 있다. 실제로 현재 멤브레인 시장 은 매출 상위 5개 기업의 점유율 합계가 전체 시장의 75% 이상을 차지할 정도로 과점화 되었다[3, 4].

물론 이와 같은 중요성이 증대되는 멤브레인의 소재는 대부분 유기물로 이루어져 있어, 현재 고분자 멤브레인이 시장을 주도하고 있다. 그러나 최근 들어 일본을 중심으로 무기물로 이루어진 세라믹 분리막에 대한 중요성이 증대 되고 있다. 수처리용 세라믹 분리막은 다양한 무기소재를 이용하여 제조하며 내열성, 내약품성, 내유기 용매성 등이 우수하고 기계적 강도도 강하다. 주로 정밀여과와 한외여 과용으로 사용되나 최근에는 나노여과막 적용성이 검토되 고 있으며 고분자로 만들어진 유기막에 비하여 고온의 가 혹한 조건에서도 사용될 수 있으므로, 다양한 하∙폐수 처 리에 적용될 수 있다. 향후 수처리용 세라믹 분리막 소재 는 복합화를 통하여 구조와 기능 특성의 극대화가 가능하 여 처리 용량을 증대시키고, 고집적화의 실현을 가능하게 할 수 있다. 특히 기존의 고분자 분리막의 단점을 보완하 는 새로운 세라믹 분리막은 향후 수처리를 중심으로 증류, 흡착, 추출 등이 요구되는 제약, 반도체, 음료, 제지, 발전 소 등 다양한 극한환경을 요구하는 시장으로 확대가 가능 한 포괄적인 기술 분야이다. 특히, 세라믹 분리막은 열적 안정성이 높아 재생이 가능하므로, 현재 고분자 분리막 시 장에서 대두되고 있는 폐분리막 매립 문제로 인한 2차적 인 환경 문제 발생을 최소화 할 수 있게 되어, 친환경적인 분리막 소재이다.

미래 선도적인 신개념의 수처리용 세라믹 분리막 소재 는 복합화를 통하여 구조와 기능 특성의 극대화가 가능하 여 처리용량을 증대시키고, 고집적화의 실현을 가능하게 할 수 있다. 또한 분리막 소재의 단일기능을 융복합 기능 으로, 고에너지 소비를 저에너지 소비로 수처리 패라다임 변화에 대응함으로서, 열악한 미래 환경에 대응하는 원천 소재를 개발하는 것은 매우 중요하다. 특히 본 고에서는 수처리용 세라믹 분리막 소재 연구 현황을 중심으로 특히 지지체 소재를 중심으로 일반적으로 기술하였다.

수처리 산업의 중요성 및 현황

수처리 공정에 있어서 기존의 물리화학적, 생물학적 공 정 보다 수질 개선 효과가 우수하고 약품 사용이 배제된 환경 친화적 분리막 분리 공정으로 기술이 진화 중이며, 도시화와 산업화에 따른 수질 악화, 난분해성 폐수의 증가, 환경 규제 강화, 생활수준 향상 등으로 환경 친화적인 수 처리 기술의 필요성이 증가하고 있다. 향후 세계적인 물산 업 성장은 인구 증가, 산업화, 도시화가 활발하게 진행 중 인 아시아 개도국 시장이 이끌 것으로 전망된다. 특히, 세 계 1, 2위의 인구를 가지고 있는 중국, 인도 등의 신흥국 중산층 소비자가 향후 20년간 30억명의 신규수요자로 등 장하면서 경제 성장에 따른 공업용수와 생활용수의 수요 가 급증 할 것으로 전망된다.

현재 미국, 일본, 유럽 등은 세라믹 분리막 상용화 연구 가 진행되어 플랜트가 설치되고 있는 시점임에도 불구하 고 국내에서는 아직 체계적인 연구가 거의 전무한 상태이 며, 일부 실시되고 있는 세라믹 분리막을 이용한 수처리 시스템 평가의 경우 분리막 소재는 외국 수입품을 이용하 여 평가하고 있는 실정이다. 현재 미국, 일본, 유럽 등은 세라믹 분리막 상용화 연구가 진행되어 플랜트가 설치되 고 있는 시점임에도 불구하고 국내에서는 아직 체계적인 연구가 거의 전무한 상태여서 선진국과 기술격차는 큰 편 이다.

세계의 주요 수처리 관련 업체 현황을 살펴보면, 소재, 부품, 기기제조 분야와 장비설계, 조립, 시공 분야, 사업운 영 분야로 크게 3분야로 구분할 수 있다. 국내의 경우 플 랜트 산업의 발달로 인하여 장비설계, 조립, 시공 분야는 비교적 발전되어 있으나 소재 부품분야는 아직 미흡한 상 태 이다. 이에 최근들이 소재 부품 산업에 대한 연구가 활 발히 진행되고 있으나 실제적으로 고분자 소재 시장을 중 심으로 형성되어 있으며 세라믹 멤브레인 관련된 시장은 거의 전무하며, 수입에 의존하고 있다.

그림 2는 세라믹 분리막 관련 일본의 중견 기업인 Meiden 사로부터 국내 대기업인 한라 그룹이 제품 공급 및 기술 협력 계약을 했다는 기사이다(매일경제, 2014. 02. 03). 이 는 10 여년 전에 국내 관련 기업들이 선진 외국에서 고분 자 분리막의 원천기술을 수입하는 것과 흡사하다. 즉 이제 국내 대기업들도 세라믹 분리막의 중요성을 인식하고 있 는 것으로 판단되며, 국내에서도 이와 같은 세라믹 분리막 에 대한 원천기술 확보가 매우 절실하며, 이를 위한 조속 한 추진이 요구되는 매우 중요한 시기이다.

2011년 8월 한국환경산업기술원에서는 연구 분류체계에 있어서도 미래지향형 하수처리 핵심 분야 및 세부기술을 분류 하였다. 핵심 분야를 에너지 효율화/효율향상 분야, 미량 유해물질 제어 분야, 하수 중 유효자원 회수 분야, 슬 러지 자원화 분야 등으로 구분하였으며, 이때 미량 유해 물질 제어 분야의 세부 핵심기술로서 고도산화 분해기술, 세라믹 막 수처리 기술, 흡착기술 등을 제시하였다. 이는 세라믹 막 수처리 기술의 중요성이 점점 중요해 지고 있 음을 입증하는 것이다.

수처리 분리막의 분류 및 특성

일반적으로 분리막이란 2개 이상의 성분 중에서 특정 성분만을 선택적으로 분리할 수 있는 경계층을 말하며, 분 리막의 기공 크기나 구조 및 분리되는 입자 크기나 성질 에 따라 분류한다[6]. 따라서 멤브레인을 이용한 분리 공 정에는 멤브레인에 의해 물리적으로 구분되는 두 가지의 상이 필요하게 되며 이때의 멤브레인은 나노 다공성 (nanoporous), 마이크로 다공성(microporous) 또는 매크로 다공성(macroporous)이거나, 이들의 조합으로 이루어져 있 게 된다. 멤브레인의 분리공정은 서로 다른 두 상 사이에 위치하는 막이 두 상 사이의 물질의 이동 및 확산을 조절 하는 것으로서, 혼합물 형태의 두상 중에 한 상이 선택적 으로 이동되어 다른 상과 분리되는 과정을 말하는 것이다. 멤브레인을 통한 특정한 상의 이동은 한 가지 이상의 구 동력에 의하여 발생되며, 이 구동력은 농도와 압력의 구배 와 같은 화학적 혹은 전기적 포텐셜의 차이에 의해 발생 된다[7].

분리막의 구조는 크게 두가지로, 막의 표면에서 속까지 균일한 구조를 가진 대칭막과 균일이 아닌 비대칭 막으로 나누어 볼 수 있다. 세라믹 막은 입자가 소결되어 형성되 는 것으로 일반적으로 비대칭 막으로 이루어져 있다. 보통 은 2층 혹은 3층 구조로 이루어져 있으며, 하층은 조대한 입자로 구성되는데 이는 투과 저항을 낮게 하여 높은 투과 유속이 얻어지는 역할을 하기 위함이다. 물질 분리는 표면 의 미세한 입자로 구성된 치밀한 층에서 이루어진다. 그림 4는 전형적인 세라믹스 막의 구조로서 삼층 구조로 이루 어져 있다. 1~15 μm의 기공크기를 가지는 제일 아래층을 지지층(support)이라고 하며, 중간층은 0.1~1 μm의 기공 크기를 갖고, 제일 위층을 분리막이라고 하며 3~100 nm의 기공크기를 갖는다. 밑의 두층을 1차 분리막이라고 하며, 세층을 모두 갖운 것을 2차 분리막이라고 한다[8].

멤브레인의 종류는 구멍의 크기에 따라 정밀여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF), 역삼투 필터(RO)로 나눠진 다. 일반적으로 정밀여과(MF, microfiltration)는 0.1~10 μm, 한외여과(UF, ultrafiltration)는 10~100 nm, 나노여과(NF, nanofiltration)는 1~10 nm, 역삼투(RO, reverse osmosis)는 1 nm 이하를 나타낸다. 또한 이를 통해 실제적으로 분리 할 수 있는 물질을 그림 5에 정리하였다. MF 필터는 탁도 를 조절하고 각종 박테리아를 제거할 수 있는 필터이다. 또한 UF 필터는 고분자량의 유기물이나 각종 바이러스를 제거할 수 있다. NF 필터는 각종 다가의 이온(Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺ 등) 과 저분자량의 유기물을 충분히 제거할 수 있다. RO 필터는 일가이온 들을 제거하여 최종적으로 순수한 물만을 통과시킬 수 있다. 보통 상/하수 처리 및 담수와 하 수 재이용의 전처리(Pre treatment)에 MF와 UF가 사용되 며, NF와 RO는 담수와 하수 재이용 처리 부분에 주로 사 용되고 있다.

그림 6은 세라믹 분리막의 제조 형태에 따라 특성 별로 분류한 것이다. 허니컴 형태의 모노리스 타입의 세라믹 필 터는 약 200개의 유속 채널을 보유하고 있으며, 비교적 높 은 모듈당 15 or 25 m² 필터 면적을 보유하고 있다. 한 개 의 필터 하우징에는 1개의 필터를 수직으로 장착하게 되 어 있으며, 주로 MF 필터를 중심으로 활용되며, 현재 일 본을 중심으로 많은 상용화가 이루어지고 있다. 엘레멘트 타입의 세라믹 필터는 약 0.1 m² 또는 0.2 m²의 막면적을 가진 관형의 세라믹 필터를 금속 모듈에 조합하여 최종적 으로 20 내지 30 m²의 막 면적을 가지는 필터로 제조 된 다. 주로 MF, NF, UF 필터를 중심으로 다양하게 활용된 다. 판형의 세라믹 멤브레인은 주로 폐수 처리를 위하여 소형 수처리 시스템에 사용하며, 유체의 흐름 방향도 바깥 쪽에서 안쪽으로 향하게 설치하며, 주로 MF, NF, UF 필 터를 중심으로 다양하게 활용될 수 있다.

일반적인 수처리 공정에서 고분자 분리막은 처리 공정 후 수중에 용해되어 있거나 산에 의해 용해된 Fe, Mn 등이 고분자 분리막 내부에 침적되어 biofouling을 유발 하나 세라믹 막은 산이나 염기에 의한 역세 시 내약품성 에 강한 장점이 있으며 발전소에서 배출되는 고온의 1차 계통수 처리 등에 특성이 있다. 즉 세라믹 분리막은 무 기소재(알루미나, 티타니아, 탄화규소, 질화규소, 지르코 니아, 제올라이트 등)를 이용하여 제조하며 내열성, 내약 품성, 내유기 용매성 등이 우수하고 기계적 강도도 강하 다. 주로 정밀여과와 한외여과용으로 사용되나 최근에는 나노 여과분리막으로도 사용되고 있으며 고분자로 만들 어진 유기 분리막에 비하여 고온의 가혹한 조건에서도 사용될 수 있으므로, 다양한 하∙폐수 처리에 적용될 수 있다.

특히 현재 실용화되고 있는 막분리 공정에 사용되고 있 는 세라믹 분리막은 고분자 분리막에 비해 표 1과 같은 장 단점을 지니고 있다[10].

세라믹 분리막의 발전 과정 및 제조 공정

세라믹 분리막은 1940년대에 미국의 Corning Glass Co. 에 의해 제조된 Vycor 타입의 다공성 유리와 미국정부에 의한 Mahatan Project에서 개발된 UO₂ 핵연료 제조를 위 한 UF6 동위원소 기체분리용 분리막에 그 기원을 두고 있 다. 특히, 세라믹 분리막은 우라늄의 농축 기술 개발에 사 용되어지므로 전략물자 소재이며 수입제한 품목으로 아직 까지도 선진국에서도 국가의 전략적 소재로 육성하고 있 는 산업이어서 기술이전을 제한하고 있으며 외국제품 수 입 시 많은 제약이 따른다.

한편, 프랑스에서는 1950년대와 1960년대 초반에 동위 원소 농축용 세라믹 분리막을 개발하였고, 이들이 현재 상 업화의 기술을 보유하고 있다. 1960년대 중반이후 Oak Ridge Lab.에서 액체분리용 세라믹 분리막이 개발되어 1970년대의 세라믹 분리막의 상업화에 기여를 하게 되었 다. 이후 세라믹 분리막의 잠재적 응용성이 높이 평가되면 서 이들에 대한 상업적인 활동과 연구개발이 활발히 이루 어지기 시작한 것은 1980년대 이후의 일이다. 1980년대 이후의 세라믹 분리막은 정밀여과공정에 사용되기 시작했 고, 그 동안 미국, 일본 및 유럽 등에서 막의 제조 및 응 용기술에 대한 광범위한 연구가 진행되고 있으며 상업화 의 선두에 서 있다.

표 2에서는 세라믹 분리막을 제조하는 기업의 대표적인 상업화 사례들을 정리하였다. 현재 실용화되고 있는 분리 막의 재질은 알루미나 외에 단일 산화물 또는 유리질이 대부분이지만, 높은 열적 안정성과 열충격 저항에 강한 비 산화물계나 복합산화물계의 재질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 가볍고 기계적 강도와 내알카리성이 높을 뿐아니라 세라믹막의 재료로 단백질 흡착능이 낮은 것으로 알려진 탄소에 대한 관심도 증가하고 있다.

그림 7은 현재 개발 되고 있는 다양한 형태의 수처리용 세라믹 필터를 형태에 따라 분류한 것으로서 크게 MONOLITH TYPE, HOLLOW TYPE, TUBE TYPE 등으로 구별 되고 있으며, 대부분 알루미나 소재가 주류를 이루고 있 으나 탄화규소, 질화규소, 지르코니아, 타이타니아 소재도 많이 제조되고 있는 실정이다. 또한 그림 8은 현재 그림 7과 같은 수처리용 세라믹 필터를 이용하여 개발되어 있 는 다양한 형태의 수처리용 세라믹 모듈 및 시스템을 인 터넷의 기업 카달로그를 통하여, 일부 발췌하여 나타낸 것이다.

세라믹막의 제조법은 일반적인 신소재의 제조법과 마찬 가지로 주로 초기 성형 및 분리막층의 코팅방법에 따라 분류될 수 있다. 초기 성형 공정으로는 Extrusion 공정, Slip-casting 공정, Pressing 공정, Tape-casting 공정 등이 있으며, 분리막층의 코팅고정은 Dip-coating 공정, Aerosol deposition 공정, Sol-gel 공정, 등 다양한 공정을 사용할 수 있다.

세라믹 분리막의 연구 현황

분리막용 세라믹 지지체는 미국 Pall Corp.사, 일본 Noritake Co.사와 NGK Insulators 사 등이 개발하여 시판 하고 있으며, 지지체 위에 분리층을 형성시킨 분리막 unit 제작업체로는 일본 Mitsui Engineering & Shipbuilding Co. 스위스 Sulzer Chemtech, Pervatech BV사, 미국 GEA Filtration사 등이 있다.

수처리용 세라믹 분리막 MF, UF(MBR 포함)의 2009년 도 일본 시장은 14억엔으로 전체 5.4%를 차지, 주로 정수 장과 산업폐수처리에 사용되고 있으며 장래에 해수담수화 의 전처리에 사용될 수 있으며 2010년 15억엔, 2011년 17 억엔, 2012년 22.5억엔, 2015년 33억엔으로 예측된다 (2010년 (주)후지경제 자료).

나노기공 세라믹 분리막 소재는 에너지, 환경, 화학, 우 주, 바이오 분야의 핵심인 촉매, 분리(흡착, 흡수, 분리막, 필터) 소재, 단열재, 센서, 경량소재, 저장소재, 광학소재, 기판소재, 생물분자분리체 등의 근간물질이며 그 시장규 모가 2012년 10,000억불/년에 이를 것으로 예상하기 때문에 각 선진국은 그 연구개발에 박차를 가하고 있다[11-12].

Mitsui사는 세라믹 분리막을 이용한 탈수 막 모듈 및 시 스템 기술에서 세계에서 독보적인 위치를 점하고 있으며, 제올라이트를 알루미나 지지체 위에 형성시켜 상용급 플 랜트를 개발, 수출하고 있다. 일본을 비롯한 미국, 유럽 국 가에서 하니컴형의 세라믹 분리막이 상용화되고 있다. 이 들의 경우는 alumina/alumina 복합 분리막 뿐만 아니라 zirconia/alumina, titania/alumina, zirconia/silicon carbide 등의 다양한 재질의 복합 세라믹 분리막이 개발되어 여러 분야 에서 실용화 되고 있으며, 특히 일본의 NGK사에서는 이 소재를 이용하여 광범위한 산업(자동차, 화학, 제약, 건설, 환경 산업 등)에 적용하고 있는 대표적인 사례이다.

그림 9는 일본에서 세라믹 분리막을 이용하여 운영되고 있는 정수장 현황을 나타 낸 것으로 이때 사용된 분리막 중 1세대 분리막은 1985년부터 응용이 되기 시작하였으며, 1996년에 처음 음용수 처리 정수장(DWTP, drinking water treatments plant)에 처음 설치되었으며, 분리막의 가격과 분리특성을 향상시키기 위하여 2세대 3세대 분리막이 2001년과 2006년에 각각 설치되었다. 현재 87개의 정수장 이 일본 전역에 설치되었으며, 처리용량도 1일에 406,600 m³ 규모로 운영되어지고 있다.

2006년에 시작된 일본의 제3차 과학기본계획의 정책목 표 중 하나는 “건전한 물 순환과 지속 가능한 물 이용”이 며, 이를 위해 4개의 프로그램으로 구성된 “물(水)∙물질 순환과 유역권 연구영역”이 설정되어 있다. 그중에서 “대 책관리를 위한 적정기술” 프로그램에는 “국제적으로 보급 가능한 첨단 수처리기술”이란 연구과제가 있으며, 과제의 목표는 “막이나 미생물을 이용한 수처리”이며, 유역권 관 리에 관한 첨단기술을 개발하여 세계 각국에 보급하고 하 천, 호수, 습지대 및 연안 등의 물 환경을 개선하여 유엔 의 밀레니엄 개발목표 달성에 기여하는 것을 목적으로 하 고 있다.

유럽은 Framework Program으로 다공질 세라믹 지지체 개발과 액상 분리용 세라믹 막 시스템을 개발하였고, 일본 은 Noritake, NGK, Nikkato 등의 소재 전문기업을 중심으 로 Yamaguchi 대학, AIST와 함께 지지체를 개발, 상업화 하고 있고 미국 US Filter도 알루미나 지지체 제품을 개발 하였다.

물 부족이 심각한 이스라엘, 싱가포르 등은 정책적으로 하수의 재활용에 막분리 공정을 적용하였다. 이스라엘은 2020년까지 전체 용수 수요량의 23%를 MBR 공정을 통 해 공급할 예정이며, 싱가포르는 2011년까지 자립 가능한 수자원을 확보한다는 정책하에 “NEWater” 개발에 성공하 였다.

국내 세라믹 필터 및 분리막 개발과제는 90년대부터 추 진해 왔으며, 현재 MF 시장이 형성되는 시점 이다. 그러 나 또한 폐수 정화용 알루미나 필터와 폐유 처리용 알루 미나 필터의 개발 등이 소규모로 진행되고 있으며, 기술수 준은 선진국과 격차가 있다.

국내 세라믹스 다공체 연구는 주로 압출에 의한 분리막 제조연구로 응용분야는 기체분리, 자동차용으로 개발단계 에 있으며, 관련 소재기업으로는 세라컴, 칸세라, 나노, 코 센테크, 맥테크, 화인테크 등이 있다. 또한 국가출연연구 소로는 한국세라믹기술원, 한국화학연구원, 한국에너지기 술연구원, 재료연구소 등에서 부분적인 연구가 진행되고 있다. 현재 세라믹스 필터의 가장 큰 단점 중의 하나인 여 과면적을 극대화시키는 기술을 개발하는 것이 최대의 과 제이며, 여과대상 물질에 따른 세라믹스 분리막의 소재 개 발 및 시스템 업체와 공동 연구가 필요하다. 효성엔지니어 링(주)과 수자원공사 주도로 2005년 이후부터 200 m³/day 규모의 pilot 플랜트를 경북 G정수장에 시험 운행을 하고 있으나 사용된 세라믹 분리막은 NGK insulatos사(일본)의 소재를 수입하여 사용하고 있는 실정이다.

세라믹 분리막의 경우 선진 기업과의 기술격차뿐만 아니라 장기간 축적된 신뢰도 장벽을 극복하는데 어려 움이 있고, 특히 원천 소재 기술은 국내에 전무한 상태 이므로 원천 소재 기술의 자립을 위해서는 세라믹 분리 막 소재개발에서 시스템에 이르는 분리막 수처리 기술 전반에 대해 정부의 장기 전략에 근거한 정책적 지원이 필요하다.

재료연구소에서의 수처리용 분리막 관련 연구 현황

재료연구소에서는 기관고유사업으로 수처리용 다공성 세라믹 분리막 제조 기술 관련 연구를 집중적으로 수행하 고 있다. 구체적으로는 연구 분야를 세라믹 지지체 기공제 어 분야와 기능성 부여 분야, 세라믹 지지체 압출 공정 제 어 분야 등으로 구분하여 연구가 추진 중에 있다. 기존의 세라믹 필터는 주로 알루미나, 타이타니아, 지르코니아 소 재를 중심으로 연구가 이루어져 왔으나, 재료연구소에서 는 기존의 엔지니어링 세라믹스 소재 이외에 규조토 등의 천연 다공성 소재를 이용하여 기존 소재 대비 높은 강도 및 통기율을 보이는 저가의 필터 지지체를 개발 하였다. 또한 다양한 코팅 공정을 통하여 기공크기 조절 및 기능 성을 부여하고 있다. 특히 수처리 필터용 지지체 제조를 위해서 비표면적 증대 및 내구성을 증가시킬 수 있는 압 출 공정을 기반으로 하였다. 즉 압출 공정 시스템은 수처 리 필터를 제조하기 위한 핵심 공정으로서, 세라믹 분말을 이용하는 형상 제어 기법의 하나로서 압출 공정을 통하여 관형, 허니컴, 평관형 등의 다양한 형태로 성형이 가능하 였다. 그림 10은 재료연구소에서 압출 공정에 의해 제조 된 다양한 형상의 수처리용 세라믹 지지체의 모습이다.

수처리 분야의 시장 현황

환경부 2010년 10월에 발표한 물산업 육성전략에 따르 면 국내 물산업 시장은 2008년 12조원 규모이며 이 중 상 수도 5조4천억원, 하수도 4조5천억원, 먹는 샘물 4,500억 원으로 구성되어 있으며, 물산업 전체 시장은 2013년에는 17조원, 2020년에는 26조원으로 확대될 것으로 전망하고 있다. 2007년 기준으로 국내 하∙폐수 처리 시장 규모는 24 억 달러(US) 규모이며, 이는 전체 세계시장의 2.1%정 도에 해당되며 이에 정부는 2007년 ‘물산업 육성 5개년 추진 계획’에서 2005년 10.9조원인 국내 물산업 시장을 10년내 20조원 규모로 육성하겠다는 목표를 밝힌바 있다.

세라믹 분리막 수처리 기술의 경우 국내 세라믹 분리막 시장에 대한 정확한 조사 자료는 없으나, 일부 식품산업에 사용되는 경우와 정수처리에 사용되는 경우(수자원공사 연초정수장)를 제외하면 국내 시장규모는 미미한 것으로 조사되며, 향후 중소규모 시설을 중심으로 폐수처리와 재 이용 분야에 세라믹 막이 활발하게 도입될 것으로 전망된 다. 2011년 미래지향형 하수처리 시스템에 대한 기술동향 에 대한 환경기술 기술동향보고서에 의하면, 세계 세라믹 분리막 수처리 시장규모를 기준으로 국내 시장은 2015년 이후부터 본격화될 것으로 예상하고 있다.

분리막 소재는 전 세계적으로 현재 100억달러, 한화 11 조원 규모의 시장이 형성돼 있으며, 연 15% 가량의 성장 률을 보이고 있어 오는 2018년이면 20조원 수준으로의 성 장이 예상되며 분리막 기반 부품의 규모는 전 세계적으로 약 1,000억달러, 한화 100조원대 규모로 성장할 것으로 전 망된다.

현재 세계적인 선도 기업들도 해결하지 못하는 한계특 성들을 돌파할 수 있는 신규소재 개발에 성공할 경우 2008년 2,000억원 규모에 그치고 있는 국내 멤브레인 산 업을 2018년 세계 시장 점유율 30%, 1조원대 규모로 육 성할 수 있을 것으로 예상된다. 물 산업이 점차 유망해지 는 가운데 분리막 기술의 중요성이 점차 시장에서 커지고 있는 실정이며, 분리막 기술의 발전에 따라 물 시장 전망 과 분리막의 물 시장에서 차지하는 비중이 급증하고 있는 상황이다.

결론 및 요약

최근 들어 수처리 패러다임이 멤브레인으로 바뀌고 국가 영역이었던 운영관리가 민영화로 됨에 따라, 고분자 멤브 레인 영역에서 활동적인 연구가 진행되고 있는 반면 아직 세라믹 소재 분야에서는 국내에서 체계적인 연구가 이루어 지지 않는 상태여서 선진국과 기술격차는 큰 편이다. 현재 미국, 일본, 유럽 등은 수처리용 세라믹 분리막 상용화 연 구가 진행되어 플랜트가 설치되고 있는 시점이지만, 향후 국내의 세라믹 소재 관련 기반기술 수준을 고려할 때 집중 적인 연구개발을 통하여 기술격차를 줄일 가능성이 있다고 판단된다. 최근 들어 재료연구소에서는 과거 다년간 다공 질 세라믹스 관련 연구를 수행하였으며, 이를 기반으로 수 처리용 세라믹 분리막 관련 연구를 수행하고 있다. 향후 수 처리 분야에서 분리막 소재의 연구 방향은 다음의 5가지로 정리할 수 있다. 첫째 NT와 BT의 융합(Fusion)이 이루어지 는 소재, 둘째는 높은 유속(high flux)을 가질 수 있는 소재, 셋째는 낮은 에너지 소비를 보이는 소재, 넷째는 낮은 파 울링(Fouling)을 보이는 소재, 마지막 다섯째는 낮은 환경 충격(Low environmental impact)이 요구되는 소재 등으로 정리할 수 있다. 그러므로 기존의 다공질 분리막 소재 이 외에도 이와 같은 미래 지향적 분리막 소재를 개발하기 위 하여 많은 노력이 요구되어지는 시점이다. 본고를 통하여 아무쪼록 많은 관심 있는 연구자들이 수처리 관련 세라믹 소재에 많은 관심을 가지기를 바란다.

Acknowledgements

감사의 글

본 연구는 한국기계연구원 부설 재료연구소 주요사업의 지원으로 이루어진 결과입니다.

Fig. 1.

State of art of water industry and business prospects [2].

Fig. 2.

News article about technical transfer from Japan company (Meiden Co.) [5].

Fig. 3.

Future technology for wastewater disposal proposed from KEITI (2011. 8).

Fig. 4.

Typical microstructure of ceramic membrane.

Fig. 5.

Classification of membrane with variation of pore size.

Fig. 6.

Classification of ceramic membrane with variation of type [9].

Fig. 7.

Morphology of the various ceramic filter for water treatment (a)(b) Monolith type, (c) hollow type and (d)(e)(f) tube type.

Fig. 8.

Commercialized ceramic filter modules and systems for water treatment: (a) membrane modules (Pall), (b) membrane modules (CeraMem), (c) CeraMem ceramic membrane system, (d)(e) Hilco ceramic membrane System and (f) CFS membrane system.

Fig. 9.

Specification of ceramic membrane and installation map in Japan [13].

Fig. 10.

Morphology of a sintered ceramic support filter for water treatment fabricated by KIMS (tube, honeycomb and flat tube shape).

REFERENCES

• 1. H. H You, LG Business insight. (2009) 7/22 2.
• 2. ImFactState of art of water industry and business prospects. (2013) imFact Publishing Co, 2.
• 3. Frost & Sulivan, Global Desalination Plant Market. (2009)
• 4. R. B Alley and T Berntsen, Change 2007The Physical Science Basis. Summary for Policy makers. (2007) WMO.
• 5. News articleHanla, technical transfer from Japan company (Meiden Co.) Maeilkyungje. Feb. 3. 2014 (http://news.mk.co.kr
• 6. H. K Lonsdale, J. Membrane Sci. (1989) 43 1.
• 7. S. K Kang, R&D Trend and Information Analysis of Ceramic Membrane for Water Treatment. Prospectives of Industrial Chemistry. (2004) 7(3):83.
• 8. K Keizer and J Burggraaf, (1987) In: Proceedings of 14th international conference on science of ceramics; The institute of ceramics, state-on-trent, UK. 43.
• 9. U Mueller, Techneau, Ceramic membrane applications for filter backwash water treatment. Technical report, 17/01/08. (2008) Jan.
• 10. J. H Park, New & Information for chemical Engineers. (2003) 21(1):33.
• 11. G. Q Lu, Nanoporous Materials. (2004)
• 12. EC, Roadmap Report on Nanoporous Materials. (2005)
• 13. K Hattori, Operation with keramic membrane filtration system for DWTP in Japan. Sbornik konference Pitna voda. (2010) 101.

Figure & Data

References

Citations

Citations to this article as recorded by  

• Application of Physical and Chemical Enhanced Backwashing to Reduce Membrane Fouling in the Water Treatment Process Using Ceramic Membranes
  Seogyeong Park, Joon-Seok Kang, Jeong Lee, Thi-Kim-Quyen Vo, Han-Seung Kim
  Membranes.2018; 8(4): 110.     CrossRef
• Effects of particle size and forming pressure on pore properties of Fe-Cr-Al porous metal by pressureless sintering
  Bon-Uk Koo, Yujeong Yi, Minjeong Lee, Byoung-Kee Kim
  Metals and Materials International.2017; 23(2): 336.     CrossRef
• Characterization and Microstructure of an Extruded Flat-Tubular-Type Alumina Filter
  Byung-Seo Bae, Jang-Hoon Ha, In-Hyuck Song
  Journal of the Korean Ceramic Society.2014; 51(5): 406.     CrossRef