환경기술 동향
수처리용 세라믹 분리막 소재기술(1)-제6장 공기정화·수처리용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 |
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글쓴이 한상현 2019.01.22 16:19 | 조회수 2544 0 |
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.
수처리용 세라믹 분리막 소재, 차세대 미래 그린 산업 주도
■ 기술의 정의 및 분류
수처리용 세라믹 분리막 기술은 기존에 널리 사용되어 온 고분자 분리막에 비하여 극한의 운용 조건(ph, 압력, 온도)에서 높은 신뢰성을 가지며 내환경성을 보유하고 있어, 지속 사용이 가능하여 차세대 미래 그린 산업을 주도할 수 있는 원천 기술이다. 특히 기존의 고분자 분리막의 단점을 보완한 세라믹 분리막은 향후 수처리뿐만 아니라 증류, 흡착, 추출 등이 요구되는 제약, 반도체, 식품, 제지, 발전 등 다양한 극한 운용 조건을 요구하는 시장으로 영역 확대가 가능한 기술 분야이다.
■ 기술의 원리
일반적으로 분리막이란 2개 이상의 성분 중에서 특정 성분만을 선택적으로 분리할 수 있는 경계층을 말하며, 분리막의 기공 크기나 구조 및 분리되는 입자 크기나 성질에 따라 분류한다. 분리막의 종류는 기공의 크기에 따라 정밀여과(mf), 한외여과(uf), 나노여과(nf), 역삼투 필터(ro)로 나눠진다. 일반적으로 정밀여과(microfiltration)는 0.1∼10㎛, 한외여과(ultrafiltration)는 10∼100nm, 나노여과(nanofiltration)는 1∼10nm, 역삼투(reverse osmosis)는 1nm 이하를 나타낸다. mf 필터는 탁도를 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 uf가 사용되며, nf와 ro는 담수와 하수 재이용 처리 부분에 주로 사용되고 있다. 분리막의 구조는 크게 두 가지로, 막의 표면에서 속까지 균일한 구조를 가진 대칭막과 균일하지 않은 구조를 가지는 비대칭 막으로 나누어 볼 수 있다. 세라믹 분리막은 입자가 소결되어 형성되는 것으로 일반적으로 비대칭 막으로 이루어져 있다. 보통은 2층 혹은 3층 구조로 이루어져 있으며, 하층은 조대한 입자로 구성되는데 이는 투과 저항을 낮게 하여 높은 투과유속이 얻어지는 역할을 하기 위함이다. 물질 분리는 표면의 미세한 입자로 구성된 치밀한 상층에서 이루어진다.
■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성
unfccc(united nations x-framework convention on climate change)의 기후기술(climate technologies)은 크게 저감기술(mitigation technologies)과 적응기술(adaptation technologies)로 구분할 수 있다. 본고에서 다루는 수처리용 세라믹 분리막 기술은 저감기술 분야에서는 폐기물(waste)의 wastewater treatment, 적응기술에서는 물분야의 desalination, water treatment - filtration 등에서의 핵심기술 분야로 구분된다.
탄화규소·지르코니아·타이타니아 등 연구 요구
■ 국내 동향
국내 세라믹 필터 및 분리막 개발과제는 90년대부터 추진해 왔으며, 현재는 mf 시장이 형성되고 있는 시점이다. 또한 폐수 정화용개발 등이 제한적으로 진행되고 있으며, 기술수준은 선진국과 격차가 있다.
■ 해외 동향
1) 미국
세라믹 분리막은 1940년대에 미국의 corning glass co.에 의해 제조된 vycor 타입의 다공성 유리와 미국 정부에 의한 manhattan project에서 개발된 uo2 핵연료 제조를 위한 uf6 동위원소 기체분리용 분리막에 그 기원을 두고 있다. 특히, 세라믹 분리막은 우라늄의 농축 기술 개발에 사용되어지므로 전략물자 소재이며 수입제한 품목으로 아직까지도 선진국에서도 국가의 전략적 소재로 육성하고 있는 산업이어서 기술이전을 제한하고 있으며 외국제품 수입 시 많은 제약이 따른다.
2) 일본
2006년에 시작된 일본의 제3차 과학기본계획의 정책목표 중 하나는 “건전한 물 순환과 지속 가능한 물 이용”이며, 이를 위해 4개의 프로그램으로 구성된 “물(水)·물질순환과 유역권 연구영역”이 설정되어 있다. 그중에서 “대책관리를 위한 적정기술” 프로그램에는 “국제적으로 보급 가능한 첨단 수처리 기술”이란 연구과제가 있으며, 과제의 목표는 “막이나 미생물을 이용한 수처리”이며, 유역권 관리에 관한 첨단기술을 개발하여 세계 각국에 보급하고 하천, 호수, 습지대 및 연안 등의 물 환경을 개선하여 유엔의 밀레니엄 개발목표 달성에 기여하는 것을 목적으로 하고 있다.
3) 유럽
유럽의 막여과 시장은 프랑스를 중심으로 성장한 세계 1,2위 물기업인 베올리아(veolia), 수에즈(suez) 등을 중심으로 이루어졌으며, 특히 유럽 통합에 의한 시장 통합과 민영화 촉진이라는 요인이 크게 작용하였다. 영국의 경우 상하수도 사업의 민영화와 함께 세계적인 물 기업 육성에 노력하고 있으나, 아직까지 유나이티드 유틸리티(united utilities) 한 곳에 불과한 실정이다. 특히 세라믹 분리막의 경우 유럽은 x-framework program으로 다공질 세라믹 지지체 개발과 액상 분리용 세라믹 막 시스>
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