21세기에 들어서 지구촌엔 물이 부족하고, 물 때문에 고통 받는 사람들이 많다는 소식을 쉽게 접하게 된다. 하지만 우리나라 사람들에게는 다소 와 닿지 않는 이야기다. 어딜 가나 수도꼭지를 틀면 물은 그냥 나오고, 아무 식당에서도 물은 그냥 손님에게 제공되는 그런 혜택받은 환경을 가진 나라에 살기 때문이다. 그러나 잠깐이라도 외국에 나가보면 다르다. 처음 해외여행을 간 사람들이 가장 낯설어하는 부분이 바로 어느 식당에 가도 물을 사먹어야 한다는 것이다. 대한민국에서와는 달리 물은 공짜가 아니다. 우리나라를 포함, 일본이나 중국 외에는 다른 어떤 곳에서도 물은 무료가 아니다. 특히 사막화가 진행된 아프리카나
중동 등의 지역에는 농업용수나 공업용수 뿐만 아니라 마실 물도 부족한 경우가 많다. 유엔에 따르면 현재 세계 인구의 20%인 11억명이, 2050년에는 최소 20억, 최대 70억명이 물 부족 현상을 겪게 될 것이라고 한다. 한국인들의 해외 봉사에 빠지지 않는 부분이 우물파기가 있을 만큼 전 세계적인 물 부족 현상은 결코 무시할만한 일이 아니다. 하지만 이를 어떻게 해결할 것인가? 어차피 사람들이 이용할 수 있는 육지의 수자원은 한정되어 있고 인구는 늘어나고 있으니 말이다. 지구의 한편에서는 물이 부족하다고 난리지만, 지구는 물의 행성이라고 부를 정도로 물이 많다. 지구 표면의 70%가 바다로 덮여있고 지구상의 물 가운데 97%가 바닷물이다. 문제는 이 물은 마실 수 없는 짠물이라는 점. 그래서 사람들은 예전부터 물을 짜지 않은 담수로 만드는 작업을 생각하고 있었지만, 기존에 대세를 차지하고 있는 증발법은 화석 연료를 태워야 하므로 공해와 함께 비용이 많이 들었다. 그런 상황에서 근래에는 이를 대신하기 위한 멤브레인이라는 기술이 각광 받고 있다. 정수처리 하 폐수 처리 분야에도 필수 현대인들은 위생적이고 과학적 공법에 의해 생산된 물을 마시는 것이 일상화된 지 오래다. 위생적이고 과학적인 공법으로 생산되는 물은 많은 과정을 거친다. 그 중 하나가 막(membrane)을 통해 여과되는 과정이다. 막은 수처리 분야에서 정수처리 분야, 하 폐수 처리 분야, 해수담수화 등에 응용되는 기술이다. 막(멤브레인:membrane)은 무엇인가를 걸러내는 역할을 하는 존재를 말한다. 즉 멤브레인이란 원하는 물질만 통과시키고 그렇지 않은 것은 막아내는 여과막에 대한 기술인 셈이다. 해수담수화 프로젝트에 사용되는 멤브레인 기술은 바닷물에서 소금 등 불필요한 물질은 걸러내고, 순수한 물만 받아들이는 것으로 생각할 수 있는데 이러한 해수를 담수화하는데에는 역삼투법 (RO; Reverse Osmosis)이 가장 유력하다. 바닷물 쪽에 고압을 가해 소금을 비롯한 이온성 물질을 멤브레인으로 걸러내어 깨끗한 물을 얻어내는 것이다. 이 RO 방식은 담수 생산 비용이 저렴할 뿐만 아니라 에너지 소비량도 적은 편이다. 더구나 이 멤브레인 방식은 해수담수화 뿐만 아니라 물 부족 현상을 해결할 수 있는 또 한가지의 방법인물 재활용에도 쓰일 수 있다. 오염물질을 제거하기 위해 RO 방식과 함께 정밀여과(microfiltration) 멤브레인, 한외여과 (ultrafiltration) 멤브레인 등이 쓰이면 결코 적지 않은 양의 물을 아낄 수 있다. 멤브레인이 물에 대해서만 쓸모 있는 기술은 아니다. 해수담수화나 재생수는 그 응용분야의 극히 일부에 불과하다. 필요한 물질만 여과하는 멤브레인 기술은 이미 2차전지, 발전, 의료, 반도체, 석유화학, 섬유등 다양한 분야에서 활약하고 있을 정도로 전 세계적으로 그 연구 및 개발에 박차를 가하고 있는 미래 핵심 기술 가운데 하나다. 우리나라 또한 마찬가지로 정부와 기업들이 멤브레인 사업 참여를 선언하거나 이미 진행하고 있다. 이러한 멤브레인 방식의 정수시설과 장치가 보급된 다면 지구촌의 물 부족 현상은 한결 덜어질 것이 분명 하기에 본지는 수자원환경에‘막 이야기’를 다뤄보고자 한다. 각광받는 멤브레인 기술 국내에는 막을 연구하는 한국막학회가 있다. 지난 1986년 설립된 이 학회는 1991년 4월 과학기술부로 부터‘사단법인 한국막학회’설립허가를 받았으며, 그해 6월 14일 서울대학교에서 첫 번째 춘계총회 및 학술대회를 개최하면서 한국막학회의 본격적인 활동을 시작했다. ‘맑고 투명한 세상’. 바로 한국 막학회의 정신이다. 막학외는 막(membrane)에 관한 학문연구와 기술발전 및 보급을 통해 관련 산업을 진흥시킨다는 것이 목적이다. 마학회에서 규정한 막의 정의는 두 개의 삼차원 균일상을 분리시키고 있는 상(phase)으로 상의 물리화학적 성질에 의해 물질 및 에너지의 교환 속도가 좌우되는 제3의 상을 말한다. 막은 이동하는 유체에 집중된 저항을 가하며 이 저항은 물질에 선택적으로 다르게 작용하므로 이동속도의 차이에 따라 두 상의 분리가 일어나게 한다. 이러한 막분리 공정은 분리하고자 하는 물질의 크기, 형상, 분자량, 그리고 극성 등의 물리/화학적 특성들과 함께 분리공정의 조업 조건(온도, 압력 및 화학적/생물학적 환경)에 따라 활용할 수 있는 공정과 종류가 달라지게 된다는 것. 분리막은 막을 구성하고 있는 물질의 물성, 구조, 막의 응용분야 및 역할 등에 의하여 다양하게 분류할 수 있다고 한다. 막의 탄생과 역사1748년 Jean Nollet에 의한 삼투현상에 관한 실험이래로 1829년 Tomas Graham의 고체물질 속에서의 기체와 액체의 확산연구를 통하여 최초로 막을 이용한 물질분리가 시작되었다. 합성고분자 분리막의 경우, 1846년 Fick의 cellulose nitrate 막의 개발을 시작으로 Loeb와 Sourirajan의 intergrally skinned asymmetric hyperfiltration membrane의 개발을 통하여 1960 년부터 1980년까지의 20년동안 많은 막소재 및 응용 기술의 연구가 추진되었다. 1800년 중반 T. Graham에 의하여 기체 분리막의 용해, 확산모델이 제시된 이래로 기체 분리막에 대한 연구는 조금씩 발전하였으나 오랫동안 실용화되지 못하였다. 그 후 1950년 대에 들어서 기체 분리막에 대한 연구가 본격적으로 수행되었는데 Dupont사는 용융 poly ester 중공사막을 개발하여 혼합기체로부터 수소와 헬륨을 분리하였으며, Monsanto사가 polysulfone 중공사막에 methylsiloxane을 coating한 복합 중 공사막으로 수소분리용 기체 분리막을 상업화 하였다. 고분자 분리막은 분리의 성능을 극대화하기 위해 막소재의 선정과 막의 물리적 구조형상에 따라 분리형태가 다양해질 수 있다. 분리막을 이용해서 제조된 각종의 분리막 모듈로는 평판형, 광형, 나권형, 중공사형 및 유로형 등이 존재하며 현재도 새로운 연구개발을 계속하고 있다. 현재 사용되고 있는 분리막의 소재로는 cellulose, cellulose acetate, cellulose nitrate 등의 천연고무들과 polyacrylonitrile, polyamide, polyether 등과 같은 합성고분자 들이 이용되고 있다. 막여과 정수처리 도입 및 연구산업화 도시화로 상수원 수질이 악화(맛, 냄새, 원생동물) 되면서 먹는 물 수질기준 강화 및물에 대한 국민적 기대는 커지고 있으나 기존 정수처리의 한계에 봉착하면서 막여과 정수처리가 필요성 대두되고 있다. 막여과 공정은 처리수질이 안정적, 신뢰적일 뿐만 아니라 자동화, 무인화가 가능하여 유지관리가 용이한 시스템이지만, 기존의 정수처리에 비하여 운영관리 등에 따른 기술력이 뒤따른다. 국내외 막분리 기술개발은 80년대 막분리 정수처리 적용의 초기단계를 거쳐 90년대 막분리 정수처리 기술개발 및 적용을 시작하게 되었고, 2000년대에 들어서서 막분리 정수처리 기술의 중대형화가 이루어졌다. 우리나라에서는 90년 중반부터 산,학 중심으로 막여과에 대한 연구를 추진하여 왔으며, 실제적용을 위하여 2000년부터 한국수자원공사에서 본격적으로 연구를 시작하여 최근에는 (주)대우건설, (주)한화건설, 서울시 상수도 연구소 등에서 활발하게 연구개발이 진행되고 있다. 막기술의 수처리분야 응용분야 기존 정수공정은 침전, 여과와 같은 물리적 공정과 응집, 소독과 같은 화학적 처리에 의하여 주로 운전이 되고 있으나, 수처리과정에서 이용되는 약품에 의한 배관의 스케일링(scaling) 및 소독과정에서 사용되는 염소는 물속의 유기질과 반응하여 THM, HAA 등의 발암성 할로겐 화합물을 생성한다고 알려져 있다. 이러한 영향을 최소화하고자 최근에는 약품을 사용하지 않는 흡착 공정이나 막분리 공정과 같은 물리적인 수처리 공정이 매우 중요한 기술로 주목받고 있다. 특히 전 시스템의 자동화 운전이 가능하기 때문에 인건비 및 운전비를 크게 줄일 수 있는 특징을 갖고 있다.
(1) 초순수 제조
초순수란 일반적으로 17∼18㏁/cm 정도의 전기적저항(electrical resistivity)을 가진 물리 화학적으로 화합물질 및 합성물질 등이 거의 존재하지 않는 고순도의 물을 말한다. 물의 초순수화는 응집, 여과와 활성탄 처리 등의 전처리를 한 후에 이온교환수지에 의한 순수화를 하나 더 나아가서 한외여과막의 역삼투막 및 정밀여과막 등 의 막여과, 탈기 및 자외선살균 등의 처리을 조합하여서 초순수를 제조할 수 있다. 또 전처리에 역삼투막 처리를 할 경우 탈이온이나 유기물질이 제거가 되므로 이온교환수지 처리의 부담을 경감할 수 있고 처리수의 순도도 향상시킬 수 있다. 초순수는 현재 반도체나 전자공업, 초임계 보일러, 원자력발전소 및 제약공업 등에 대량으로 사용되므로 매년 처리수질의 향상이 강력히 요구되어지고 있는 추세이다.
(2) 음용수 제조
막여과에 의한 음용수 처리는 과거 활성탄의 흡착에의한 정수나, 미세한 기공을 함유한 다공성 세라믹 분리막이 주류를 이루고 있었으나, 80년대부터 역삼투막 및 중공사막에 의해
처리되는 경향이다.
(3) 상수도 처리
수도의 수원으로는 하천·호소·저수지·지하수 등 이 이용되는데 수질이 좋은 지하수나 용출수는 염소소 독만을 하여 급수하는 경우가 많으나, 하천이나 호소 (湖沼)를 수원으로 하는 수도에서는 탁도와 세균류 등 의 유해불순물을 완벽하게 제거하지 않고서는 음용수로서 공급할 수 없다. 이와 같이 물의 정화는 정수장에서 완속여과와 급속여과에 의하여 이뤄지고 있으나 최근 바이러스 및 원생동물 등의 완벽한 제거를 위하여 막여과가 점차 증가 하고 있다.
(4) 하·폐수 처리
폐수처리 분야에 대한 막분리 기술의 적용은 단순히 폐수를 처리한다는 개념이 아니라 폐수 중에 함유된 유효물질을 회수하여 재활용 한다는 점과 폐수 중의 물을 높은 수율로 회수하여 재이용함으로써 폐수 오염원의 부하를 크게 줄여 주는 장점이 있다. 그 외에도 폐수처리시 들어가는 약품의 양이 적어 발생되는 슬러지를 줄일 수 있으며, 물리적인 처리방법으로 폐수의 수질변화에 대한 영향을 적게 받아 일정한 처리수준을 유지할 수 있다. 막분리 공정을 이용하여 공장폐수 및 하수에 대한 처리 및 재활용을 하여 경제적, 환경적 측면에 대한 여러 장점을 이용하는 추세로 발전하는 수단이 된다. 일반적으로 폐수의 성분이 크게 변하지 않는 생활하수의 처리 및 재활용의 경우보다 산업폐수를 처리할 때 더욱 그 중요성이 강조된다.
(5) 해수담수화
해수담수화란 해수 중에 용해되어 있는 염분을 제거하여 담수를 얻는 일련의 공정을 말하며, 담수화의 방식을 분류한다면 크게 상태변화를 동반하는 방식과 상태변화를 동반하지
않는 방식으로 구별할 수 있다. 상태변화를 동반하는 방식은 증발법과 냉동법이 있으며, 상태변화를 동반하지 않는 것은 막분리법 및 이온교환수지법 등이 있다. 또 담수화에 필요한 에너지의 사용형태로는 열을 이용하는 증발법, 압력을 이용하는 역삼투법, 전기에너지를 이용하는 전기투석법 등으로 나누는 것이 가능하다. 이중 어떠한 방법을 이용하여 해수담수화를 할 것 인지는 원수의 농도와 운전 온도의 적용범위에 따라 달라진다. 증발법은 30,000∼50,000㎎/ℓ의 고농도 염수에, 전기투석법은 500∼3,000㎎/ℓ의 비교적 저농도의 염수에 적용하며, 역삼투법은 500∼50,000㎎/ℓ의 저농도에서 고농도까지의 넓은 범위의 염수에 주로 적용하고 있다. 기타 막여과 공정시 장점 평상시 운정상에 막여과 설비의 경우 통상 자동 운전 및 감시가 가능하여, 주기적인 순회 점검으로 관리 가능하고, 긴급시에는 원격감시가 가능하여 고장 발생시 짧은 시간내에 상황 파악 가능하다. 하지만 세정 및 교환과 막의 약품 세정, 막교환 등 주기적인 관리가 필요하다 설치조건면에서 막여과 설비는 원수 탁도 변동에 안정적이며, 유지관리상 자동 운전이 가능하여 필요 인력소요가 적으므로 고립지역 등에 큰 장점이 있다. 또한 시설공사 기간은 기존의 정수처리 방식에 비해 매우 짧고, 시설이 콤팩트 하여 시설 개량 및 변경이 비교적 쉽다. 설치공간을 보면 막여과 설비는 기존의 여과시설에 비해 1/2 ~ 1/3 정도로 설치 공간이 작다
[저작권자ⓒ 이미디어. 무단전재-재배포 금지]
