역삼투막(Reverse Osmosis, RO),나노여과막(Nanofiltration Membrane),한외여과막(Ultrafiltration Membrane),정밀여과막(Microfiltration Membrane)

역삼투막(Reverse Osmosis, RO),나노여과막(Nanofiltration Membrane),한외여과막(Ultrafiltration Membrane),정밀여과막(Microfiltration Membrane)

막여과 공정 

막(Membrane)은 19세기 중반에 발명된 초산셀룰로오스(Celluloid)를 시작으로 현재는 다양한 기능성 합성막을 생산하기에 이르렀다.
막분리 기술은 1950년대 이온교환막을 이용하여 해수의 탈염(desalting)에 적용된 이후, 막의 재료와 공정개발이 꾸준히 이루어져 현재는 정수처리공정은 물론광범위한 산업분야에서 응용되고 있다.
막여과 공정이란 선택적 투과성을 갖는 분리막을 선택, 이용하여 물리적으로 액상-액상, 고상-액상 및 고상-기상의 혼합물로부터 분리, 농축, 정제하여 제거하는공정을 말한다. 또한, 막여과 공정은 막소재의 물리․화학적 특성, 미세구조의 크기, 화학적 친화성, 이온성 등의 차이에 따라 유체의 상(Phase)변화를 수반하지않고 분리할 수 있는 효율적인 공정인 것이다.

막여과 공정은 사용하는 막의 종류에 따라 제거할 수 있는 오염물질의 크기나 성상의 구분이 명확하기 때문에 고도정수처리에 적용하여 목표하는 수질을 만족시킬수 있도록 선택, 적용할 수 있다.

막분리 공정에서 이러한 분리를 가능하게 하는 구동력(Driving force)은 막 양면에서의 농도차, 압력차 또는 전위차 등에 의한 것이다.
고도정수처리에 적용되는 막여과 공정은 제거되는 입자의 크기별로 역삼투(Reverse Osmosis, RO)법, 저압역삼투법 또는 나노여과(Nanofiltration, NF)법, 한외여과(Ultrafiltration, UF)법, 정밀여과(Microfiltration, MF)법 및 전기투석(Electrodialysis, ED)법 등으로 분류 할 수 있다.

이들 중 UF, NF, RO 막 등은 원수 중의 용해성 물질이 막표면 근처의 경계층에서 농축되는 농도분극현상(Concentration Polarization)을 일으키므로 용해성 물질의 농도가 막의 유속과 제거성능을 좌우한다. 막분리 공정에 의한 정수처리의 특징은 안전성이 우수하고 설치면적이 적으며, 원수의 수질조건에 구애 받지 않고막의 분리 공경(pore size)보다 큰 물질의 확실한 제거와 자동운전이 가능하다는 것이다.

무엇보다도 탁질이나 콜로이드성 입자의 제거는 물론 미량 유기화합물질 등의 수질기준 강화에 대비할 수 있다는 장점이 있다.

따라서 수돗물을 생산하는 정수장에서는 상수원의 오염물질이 다양화되고 기존의 표준정수처리공정으로는 충분한 대응성이 부족하여 막분리 공정을 이용한 정수처리의 적용성이 매우 크다.
그 밖에도 분리막은 형태에 따라 평막(Plate Type), 실 형태로 중앙이 빈 중공사막(Hollow-fiber Type) 및 관 형태의 관상막(Tubular Type)으로 분류된다.

막여과 설치방식에 따라서는 막을 케이스에 넣은 케이싱 수납형막과 막을 직접 수중에 침적시킨 침적형 막이 있다.
또한, 막여과 운전방식에 의해서는 공급수 전량을 여과하는 전량여과 방식 (Dead-end Flow)과 막면에 대하여 평형으로 물의 흐름을 만들어 입자들이 막의 표면에 퇴적하는 것을 억제하면서 여과하는 십자류 여과(Cross-flow)가 있다.

이러한 여러 가지 막의 형태 및 여과조건은 처리대상물질의 성상이나 막의 특성에 따라 다르나, 일반적으로 고도정수처리에 가장 많이 활용되는 방식은 케이싱수납형 중공사막을 이용한 전량여과/Cross-flow여과방식 이다.

막분리의 분류

 

-정밀여과막(Microfiltration Membrane)
정밀여과막(MF)은 현미경으로 볼 수 있는 정도의 세공(Pore)을 가진 분리막으로 체걸름 원리에 의해 입자 크기에 따라서 분리해 내는 분리막이다.

다른 분리막에 비해 높은 투과유량을 나타내며, 주로 입경 0.01 ㎛ 이상의 영역을 분리 대상으로 한다. 분리막의 분리 능력은 공경(pore size)으로 나타낸다.

정수처리시의 주된 제거 대상물질은 현탁물질, 콜로이드, 세균, 조류, 크립토스포리디움, 지아디아 등이다.
정밀여과막에서 여과 대상 물질의 형태는 입자나 균체이고 공경보다 작은 물질은 투과되기 때문에 농도분극현상은 발생되기 어려운 것으로 알려져 있다.

일반적으로 분리는 막표면에서 형성되는 케잌(Cake)에 의한 여과나 막 표면이나 막내부에서의 저지에 의한 여과로 해석할 수 있다.

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- 한외여과막(Ultrafiltration Membrane)
한외여과막(UF)은 주로 저분자와 고분자 물질을 분리하는 분리막으로 현미경으로 관찰해도 그 세공을 관찰할 수 없는 것이 정밀여과막(MF)과 다른 점이다.

한외여과막은 일반적으로 비대칭성(Asymmetric) 구조로 되어 있는데, 선택분리 기능을 가진 표면활성층(Active skin layer)과 이를 지지하는 다공성의 지지층으로 구성되어 있다. 분리 기능을 가지는 표면활성층의 세공 크기는 매우 작고 미세하므로 분리 능력을 ㎛ 단위로 표시하지 않고 분획분자량(Molecular weight ofcut-off, MWCO), 즉 분리해 낼 수 있는 분자량의 크기로 나타낸다.

UF 막은 표면의 치밀층(Skin layer)에서 분리가 이루어지고, 따라서 막표면 부근에서는 농도분극현상이 나타날 수도 있다.

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-나노여과막(Nanofiltration Membrane)
나노여과막(NF)은 1980년 초에 개발되어 다른 분리막에 비해 비교적 늦게 상용화된 막으로 주로 계면활성법에 의한 복합막이다.
역삼투막과 한외여과막의 중간적인 특성을 지니고 있고, 분리 원리는 주로 역삼투막과 같은 용액의 확산을 이용하는 것이다. 반면, 분획분자량은 RO 막과 UF 막의중간적 특성을 가지고 있다. 나노막(NF)이란 명칭은 해수의 담수화에 사용되는 RO 공정과 구분하기 위해서 명명되었다.

NF를 포함한 RO 공정은 3 가지 즉, 고압 RO(5.6～10.5 MPa, sea water desalination), 저압 RO(1.4～4.2 MPa, 부분적 desalination)와 NF(또는 Loose RO, 0.3～1.4 MPa, 부분적 desalination 또는 0～20% NaCl 배제)로 분류할 수 있다.
NF는 일부 염을 저지하며, 유기물에 대해서는 분자량이 200～500 정도의 분획분자량을 갖는다.

NF란 용어는 이러한 분자량(200～500)이 10Å의 가상 공극을 갖기 때문에 붙여진 명칭이다. 주로 2가 이온이나 저분자 물질을 분리대상으로 한다.

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-역삼투막(Reverse Osmosis, RO)
반투막에 의하여 고농도 용액과 저농도 용액이 격리되어 있을때, 저농도의 용매가 고농도 용액 쪽으로 이동하는 정삼투압 현상을 일으킨다.

이 때 고농도 용액쪽에 정삼투압보다 더 큰 압력을 작용하게 되면 삼투압 방향이 역으로 되어 고농도 용액에서 저농도 용액 쪽으로 용매가 반투막을 투과한다.

이러한 원리에 의하여 용액 중에 임의의 물질을 분리, 농축 및 분획하는 조작을 역삼투막법이라고 한다. 아래의 그림은 역삼투압의 원리를 보여주고 있다.

이러한 공정에 쓰이는 분리막을 RO라고 한다. RO의 구조는 비대칭이고, 세공은 명확하지 않다.

이온 상태의 물질까지도 분리할 수 있기 때문에 주로 해수의 담수화 공정 등에 이용된다.
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- 전기투석
수중에 특히 정수처리공정의 원수 내에 용해되어 있는 무기물들은 대부분 이온화되어 있다.

여기에 전극을 삽입하여 전류를 흐르게 하면 양이온은 음극으로 음이온은 양극으로 이동한다. 따라서 양이온 또는 음이온을 선택적으로 통과시키는 투과성 막을이용하면 이온성분과 물의 분리가 가능하다. 이러한 원리를 이용한 단위 조작인 전기투석법(Electrodialysis)은 해수로부터 소금을 생산하기 위해 비교적 오래전부터 사용되어 왔는데, 전기투석법과 역삼투법은 분리막 (membrane)을 사용한다는 점에서는 동일하다.

그러나 근본적인 차이점은 역삼투법의 경우, 구동력이 압력인 반면 전기투석법에서는 전기적인 힘이다.

따라서 역삼투공정에서는 수중의 모든 물질이 제거되는 반면 전기투석법에서는 전기적인 전하를 띤 물질, 주로 이온성분만 제거된다는 점이다.

즉 이러한 점이 전기투석법을 이용할 경우 전처리를 비교적 엄격히 하지 않아도 되는 장점이 된다.

출처 : 2004년 환경부 "고도정수처리 정책방향에 관한연구" 발췌