막 (물질)

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1. 개요

막은 생물학적, 화학적, 공학적 분야에서 널리 사용되는 물질로, 외부 환경과 내부를 구분하며 물질의 출입을 조절하는 역할을 한다. 생체막, 인공막, 고분자막 등 다양한 종류가 있으며, 각각의 특성에 따라 정밀 여과, 한외 여과, 역삼투 등의 기능을 수행한다. 막 공정에서는 투과 유량, 막간 압력, 투과도가 중요한 변수이며, 데드 엔드 여과와 교차 흐름 여과 방식이 사용된다. 막 오염은 성능 저하를 일으키는 주요 요인이며, 물리적 및 화학적 세척을 통해 관리한다. 또한, 사용된 막은 재사용, 재활용을 통해 폐기물 감소 및 자원 순환에 기여할 수 있으며, 수처리, 식품, 제약, 에너지 등 다양한 분야에 응용된다.

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반투과성 막은 특정 물질만 통과시키고 다른 물질은 통과시키지 않으며, 생체막은 생명 활동에 필수적인 역할을 하고 인공막은 다양한 산업 분야에 활용된다.

막 (물질)
개요
정의	두 유체 사이를 분리하는 얇고 필름과 같은 구조로, 선택적 장벽 역할을 함.
설명	막은 두 상 사이의 경계면으로 정의할 수 있으며, 분리된 상 사이의 물질 교환에 대한 장벽 역할을 함. 막은 균질하거나 불균질할 수 있고, 고체, 액체 또는 기체일 수 있음. 생물학에서 막은 세포와 세포 소기관을 둘러싸고 있음.
영어 명칭	membrane
기술
적용 분야	초여과 미세 여과

2. 막의 종류

막은 크게 생물이 만드는 생체막과 사람이 특정 목적을 위해 만드는 인공막으로 나눌 수 있다. 막은 구성 물질, 구조, 기능 등에 따라 매우 다양하게 분류된다.

생체막은 세포나 세포소기관을 둘러싸 생명 활동에 필수적인 역할을 하며, 인공막은 분리, 정제, 에너지 생산, 의료 등 다양한 산업 분야에서 활용된다. 각 막의 구체적인 종류와 특징은 하위 문단에서 자세히 설명한다.

2. 1. 생체막

생물에게 막은 외부 환경과 구분된 내부 공간을 형성하고 화학 반응을 조절하는 매우 중요한 구조이다. 생물의 주요 특징 중 하나는 막으로 둘러싸인 내부에서 생명 활동에 필요한 화학 반응을 일으키고, 관련된 물질이 막을 통해 출입한다는 점이다. 대표적으로 세포막이 있으며, 세포 내부의 여러 세포소기관 역시 유사한 성질의 막으로 이루어져 있다. 이처럼 생명체 내부에 존재하는 다양한 막을 통틀어 생체막이라고 부른다. 생체막은 세포와 세포 내부를 보호하고 형태를 유지할 뿐만 아니라, 물질의 선택적 투과를 통해 물질 수송을 조절하고, 외부 신호를 감지하여 신호 전달에 관여하며, 에너지 대사 과정에도 참여하는 등 생명 유지에 필수적인 다양한 기능을 수행한다.

2. 1. 1. 종류

생물에서 막은 외부 환경과 구분된 내부 공간을 형성하고 물질 출입을 조절하는 중요한 구조이다. 생물의 주요 특징 중 하나는 외부 환경과 막으로 구분된 내부에서 화학 반응을 일으키며, 관련 물질이 막을 통해 출입한다는 점이다. 구체적으로는 세포막을 말하지만, 세포 내부 구조에도 유사한 성질의 막이 접혀 만들어진 것이 다수 존재하며, 이를 통칭하여 생체막이라고 한다.

'''생물이 만드는 막'''
* 생체막
** 세포막
** 핵막
* 기타 생물학적 막
** 협막
** 장막
** 큐티클
** 순막
** 바이오필름 (균막)
* 인체 내 막
** 경막
** 거미막
** 고막
** 장막
** 수막
** 횡격막
** 복막
** 점막
** 처녀막
** 자궁내막
** 순막

'''단백질이 만드는 막'''
* 람스덴 현상에 의해 뜨거운 우유 표면에 생기는 막
* 유바

2. 1. 2. 람스덴 현상과 유바

단백질이 응집하여 형성하는 막도 존재한다. 대표적인 예로 람스덴 현상에 따라 뜨거운 우유 표면에 생기는 막을 들 수 있다. 또한 유바도 단백질로 이루어진 막의 한 종류이다.

2. 2. 인공막

인공막은 특정 목적을 위해 인공적으로 합성하여 만든 막을 의미한다. 다양한 소재와 제조 방법을 통해 만들어지며, 분리, 정제, 에너지 생산, 의료 등 여러 분야에서 중요한 역할을 수행하고 있다.

2. 2. 1. 고분자막

미세 여과(MF)는 0.08um~2um보다 큰 입자를 제거하는 데 사용되며, 일반적으로 7~100 kPa 범위의 압력에서 작동한다.^[4] 주로 물속에 떠다니는 고형물(SS)을 제거하거나, 효과적인 소독을 위해 박테리아를 제거하여 물을 정화하는 데 쓰인다. 또한 역삼투(RO) 공정의 전처리 단계로도 활용된다.^[5] 비교적 최근에는 미세 여과 기술과 생물 반응기를 결합하여 생물학적 처리까지 동시에 수행하는 막 생물 반응기(MBR) 기술도 개발되었다.

한외 여과(UF)는 0.005um~2um 이상의 입자를 제거할 수 있으며, 70~700 kPa 범위의 압력에서 작동한다.^[4] 한외 여과는 미세 여과와 비슷한 여러 분야에서 사용된다. 일부 한외 여과 막은 단백질이나 탄수화물과 같이 분자량이 큰 용해된 화합물을 제거하는 데에도 효과적이며, 바이러스나 일부 내독소까지 제거할 수 있다.

특징적인 바깥쪽(상단)과 안쪽(하단) 다공층이 있는 한외 여과 중공사 막의 벽.

나노여과(NF)는 "느슨한" 역삼투라고도 불리며, 0.002um보다 작은 입자까지 걸러낼 수 있다. 나노여과는 폐수에서 특정 용해 성분을 선택적으로 제거하는 데 사용되며, 특히 화학적 연수(軟水) 처리의 대안으로 막을 이용한 연수 공정에 주로 활용된다. 또한, 나노여과는 역삼투 공정 전에 전처리 단계로 사용되기도 한다. 나노여과 전처리의 주요 목적은 다음과 같다.^[6]

# 탁도와 박테리아를 제거하여 역삼투 막의 오염을 최소화한다.

# 물속의 경도 유발 이온을 제거하여 스케일 형성을 방지한다.

# 공급수의 총 용존 고형물(TDS) 농도를 줄여 역삼투 공정의 작동 압력을 낮춘다.

역삼투(RO)는 주로 담수화에 널리 사용되는 기술이다. 또한, 미세 여과 등을 이용한 고도 처리 후에도 폐수에 남아있는 용존 성분을 제거하는 데에도 흔히 사용된다. 역삼투는 이온까지 분리할 수 있지만, 이를 위해서는 850–7000 kPa의 높은 압력이 필요하다. 역삼투는 열을 이용하는 증류 방식에 비해 운전이 간편하고 에너지 비용이 상대적으로 저렴하여 가장 널리 사용되는 담수화 기술로 자리 잡았다. 역삼투 막은 물속 성분을 이온 수준에서 제거하며, 현재 대부분의 역삼투 시스템은 주로 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에스터의 세 층으로 구성된 얇은 막 복합체(TFC)를 사용한다.^[7]

최근에는 나노 크기의 구조 채널을 이용하여 분자 수준에서 물질을 분리하는 새로운 종류의 막들이 개발되고 있다. 여기에는 탄소 나노튜브 막, 그래핀 막, 고유 미세 다공성 고분자(PIMS)로 만들어진 막, 그리고 금속 유기 골격체(MOF)를 포함하는 막 등이 있다. 이러한 막들은 나노여과나 역삼투와 같은 크기 기반 분리뿐만 아니라, 전통적으로 비용이 많이 들고 에너지 소모가 큰 증류 공정이 필요했던 알켄과 알칸의 분리, 또는 물에서 알코올을 분리하는 것과 같은 흡착 기반의 선택적 분리에도 활용될 가능성을 보여주고 있다.

여과 및 정제에 사용되는 대표적인 막의 종류는 다음과 같다.

정밀 여과막 (MF)
한외 여과막 (UF)
역삼투막 (RO)
중공사막
제올라이트막

2. 2. 2. 금속박

금속박은 금속을 얇게 펴서 만든 막이다. 금속 고유의 차단성, 전도성 등의 특성을 활용한다.

2. 2. 3. 나노구조 막

나노구조 채널에 의존하여 분자 수준에서 물질을 분리하는 새로운 종류의 막이 등장하고 있다. 여기에는 탄소 나노튜브 막, 그래핀 막, 고유 미세 다공성 고분자 (PIMS)로 만들어진 막, 그리고 금속 유기 골격체 (MOF)를 통합한 막이 포함된다. 이러한 막은 나노여과 및 역삼투와 같은 크기 선택적 분리에 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 전통적으로 비용이 많이 들고 에너지 집약적인 증류를 필요로 했던 알켄에서 알칸으로, 그리고 물에서 알코올을 분리하는 흡착 선택적 분리에도 사용될 수 있다.

3. 막 공정 운영

막 공정의 주요 요소는 전체 투과 유량에 영향을 미치는 다양한 매개변수들과 관련이 있다. 핵심적인 요소로는 막 자체의 투과 성능을 나타내는 막 투과도(k), 유체를 막 너머로 밀어내는 힘인 막간 압력(TMP), 그리고 시간이 지남에 따라 막 표면에 쌓여 성능을 저하시키는 파울링(fouling) 현상 및 이를 해결하기 위한 세척 과정 등이 있다. 이러한 요소들은 막 공정의 효율성과 지속 가능성에 직접적인 영향을 미친다.^[1]

3. 1. 플럭스, 압력, 투과도

막 공정의 주요 요소는 전체 투과 유량에 영향을 미치는 다음 매개변수들과 관련이 있다.

막 투과도 (k)
단위 막 면적당 작동 구동력 (막간 압력, TMP)
막 표면의 파울링 및 후속 세척

막 시스템에서 생성되는 총 투과 유량은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:

Q_p=F_w \cdot A

여기서 Q_p는 투과 스트림 유량 [kg·s⁻¹], F_w는 물 플럭스율 [kg·m⁻²·s⁻¹], A는 막 면적 [m²]이다.

막의 투과도 (k) [m·s⁻²·bar⁻¹]는 단위 막간 압력당 플럭스율을 의미하며, 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:

k={F_w \over P_{TMP}}

막 관통 압력 (TMP)은 막 양단의 압력 차이를 의미하며, 막을 통해 유체가 이동하도록 하는 구동력이다. 다음 식으로 나타낼 수 있다.

:

P_{TMP}={(P_f+ P_c)\over 2}-P_p

여기서 P_TMP는 막 관통 압력 [kPa], P_f는 공급 스트림의 입구 압력 [kPa], P_c는 농축 스트림의 압력 [kPa], P_p는 투과 스트림의 압력 [kPa]이다.

거부율 (r)은 공급수에서 특정 성분이 얼마나 제거되었는지를 나타내는 비율이며, 다음 식으로 정의할 수 있다.

:

r={(C_f-C_p)\over C_f} \cdot 100

여기서 C_f는 공급수의 농도, C_p는 투과수의 농도이다.

막 공정에서의 물질 수지는 유입량과 유출량이 같다는 원리에 기반하며, 다음과 같은 방정식으로 표현된다.

:

Q_f=Q_p+Q_c

:

Q_f \cdot C_f=Q_p \cdot C_p + Q_c \cdot C_c

여기서 Q_f는 공급 스트림 유량, Q_c는 농축 스트림 유량, C_c는 농축수의 농도를 의미한다.

막 공정의 작동을 제어하기 위해 플럭스와 TMP와 관련된 두 가지 주요 운전 모드가 사용된다. 이는 (1) 일정 TMP 모드와 (2) 일정 플럭스 모드이다.

일정 TMP 모드: 막간 압력(TMP)을 일정하게 유지하면서 운전하는 방식이다. 이 경우, 시간이 지남에 따라 막 오염이 진행되면 플럭스가 점차 감소한다.
일정 플럭스 모드: 투과 유량(플럭스)을 일정하게 유지하면서 운전하는 방식이다. 막 오염이 진행되면 동일한 플럭스를 유지하기 위해 필요한 TMP가 점차 증가한다.

일정 TMP 및 일정 플럭스 작동 모드 비교. 일정 TMP에서는 플럭스가 감소하고, 일정 플럭스에서는 TMP가 증가한다.

막 표면에 걸러지지 않은 물질이나 입자가 쌓이는 현상, 즉 '''파울링'''은 막 공정 운전에 큰 영향을 미친다. 파울링이 발생하면, 주어진 TMP에서 막을 통과하는 물의 플럭스는 감소하고 (일정 TMP 모드), 주어진 플럭스를 유지하기 위한 TMP는 증가하여 (일정 플럭스 모드) 결과적으로 막의 투과도 (k)를 감소시킨다. 파울링은 막 공정 운전의 효율을 저하시키는 주요 제한 요소로 작용한다.

3. 2. 작동 모드

막에는 두 가지 주요 작동 방식이 있다.

'''데드 엔드 여과'''(Dead-end filtration): 막으로 들어오는 모든 공급액(feed solution)이 막을 통과하여 투과액(permeate)이 되는 방식이다. 농축액(concentrate) 흐름이 없으므로, 모든 입자는 막 표면에 남게 된다. 따라서 막 표면에 쌓인 물질을 제거하기 위해 주기적으로 원수(raw feed-water)를 이용해 씻어내는 과정이 필요하다.^[11] 데드 엔드 여과 방식에서는 여과가 진행됨에 따라 막 표면에 쌓이는 케이크 층 때문에 흐름에 대한 저항이 점차 증가한다. 결과적으로 투과성(permeability)과 플럭스(flux)는 고형물 농도에 비례하여 빠르게 감소하므로, 주기적인 세척이 필수적이다.

'''교차 흐름 여과'''(Cross-flow filtration): 공급액이 막 표면에 접선 방향으로 흐르도록 펌핑하여 농축액과 투과액 흐름을 동시에 얻는 방식이다. 이 방식에서는 막을 가로질러 흐르는 공급액 중 일부만 투과액으로 전환된다. 공급액 대비 투과액의 비율을 "전환율" 또는 "회수율"(S, Recovery)이라고 부른다.

:::

S={Q_{투과액}\over Q_{공급액}} = 1-{Q_{농축액}\over Q_{공급액}}

데드 엔드 여과(왼쪽)와 교차 흐름 여과(오른쪽)의 개략도. 데드 엔드 방식은 모든 공급액이 막을 통과하지만, 교차 흐름 방식은 일부만 통과하고 나머지는 농축액으로 배출된다.

교차 흐름 여과 방식에서는 막 표면에 물질이 쌓이더라도, 흐르는 유체의 힘(전단력)이 막 표면에 물질을 붙잡는 힘과 균형을 이룰 때까지 침착이 진행된다. 이 균형점에 도달하면 더 이상 물질이 과도하게 쌓이지 않는 정상 상태(steady state)에 도달하며, 플럭스는 시간에 따라 일정하게 유지되는 경향을 보인다. 따라서 이 방식은 데드 엔드 여과에 비해 파울링의 영향이 적고, 세척 주기를 더 길게 가져갈 수 있다.

4. 막 오염 (Fouling)

막 오염(Fouling)은 공급 스트림의 구성 요소가 막 표면이나 내부에 침전되거나 축적되어 막의 성능을 저하시키는 현상을 의미한다.^[12] 이러한 오염은 특히 역삼투(RO)와 같은 막 분리 공정의 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다.^[12] 오염은 비가역적인 물질 축적, 막 자체의 화학적 변화, 또는 미생물 증식 등 다양한 형태로 나타날 수 있으며, 이는 막의 폐기 원인이 되기도 한다.^[12] 또한, 막 세척을 위해 사용되는 다양한 화학 약품들도 반복적으로 노출될 경우 막 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다.^[12]

4. 1. 오염 원인

오염은 공급 스트림의 구성 요소가 막 표면이나 기공 내부에 침전되거나 축적되어^[12] 막 표면에 고체 물질이 쌓이는 현상으로, 여러 물리화학적 및 생물학적 메커니즘을 통해 발생한다. 주요 오염 발생 메커니즘은 다음과 같다:^[13]

'''유입수 구성 요소의 축적''': 막 표면이나 기공 내에 입자가 쌓여 흐름에 대한 저항을 증가시킨다. 이는 다음과 같은 세부 유형으로 나눌 수 있다.
*'''기공 축소''': 고체 물질이 기공의 내부 표면에 부착되어 기공 크기가 줄어드는 것이다.
*'''기공 막힘''': 유입수 내 입자가 막의 기공에 직접 끼어 막히는 것이다.
*'''젤/케이크 층 형성''': 공급액 속 고체 물질이 막의 기공 크기보다 커서 막 표면에 층을 이루는 것이다.

'''화학적 침전물 형성 (스케일링)''': 용해된 무기 염류 등이 농축되어 막 표면에 침전물을 형성하는 현상이다.

'''생물 오염''': 미생물이 막 표면에 부착하여 증식하고 생물막을 형성하는 현상이다.^[13] 생물 오염은 특히 장기간 사용된 막의 성능을 저하시키는 주요 원인 중 하나이다.^[12]

4. 2. 오염 제어 및 완화

막 오염은 막 시스템 설계 및 운영에서 중요한 고려 사항으로, 전처리 및 세척 요구 사항, 작동 조건, 비용, 성능에 영향을 미치므로 예방하고 필요한 경우 제거해야 한다.^[13] 작동 조건을 최적화하는 것이 오염 방지에 중요하지만, 이미 오염이 발생했다면 물리적 또는 화학적 세척을 통해 제거해야 한다.

'''물리적 세척''' 기술은 막 표면이나 기공에 쌓인 오염물을 물리적인 힘을 이용해 제거하는 방법이다.

'''막 완화'''는 일정 시간 동안 여과를 중단하는 방식이다. 투과액 흐름을 역전시킬 필요가 없으며, 막의 화학적 세척 주기를 연장하는 데 도움을 줄 수 있다.
'''역세척'''(Backwashing)은 여과된 물(투과액)을 막의 반대 방향으로 흘려보내 막힌 기공을 뚫고 표면의 오염물을 제거하는 방법이다. 역세척은 기공 막힘으로 인한 가역적인 오염 제거에 효과적이며, 공기를 주입하여 세척 효과를 높일 수도 있다.^[14] 다만, 역세척은 투과액을 역방향으로 보내기 위한 압력을 만드는 데 에너지가 소모되어 운영 비용을 증가시킨다.
'''역 펄싱'''(Backpulsing)은 높은 빈도로 짧게 역방향 압력을 가하여 막 표면의 오염층을 효과적으로 제거하는 방법이다. 이 방식은 주로 세라믹 막에 사용된다.

최근 연구에서는 최적의 세척 효과를 얻기 위해 막 완화와 역세척을 조합하는 방법이 평가되고 있다.^[15]^[16]

'''화학적 세척'''은 물리적 세척만으로 제거하기 어려운 비가역적 오염이 축적되었을 때 사용된다. 시간이 지남에 따라 물리적 세척의 효과는 감소하므로 화학적 세척이 필요할 수 있다.

'''화학 강화 역세척'''은 역세척 과정에서 낮은 농도의 화학 세척제를 함께 사용하여 세척 효과를 높이는 방법이다.
일반적인 '''화학적 세척'''에는 주로 차아염소산나트륨(유기물 오염 제거)이나 구연산(무기물 오염 제거)과 같은 약품이 사용된다. 막 제조사들은 각자의 막 특성에 맞는 화학 세척 방법과 약품 농도를 권장한다.^[17]

'''작동 조건 최적화'''는 막 오염을 사전에 방지하기 위해 공정 조건을 조절하는 방법이다.

'''플럭스 감소'''는 막을 통과하는 유량을 줄여 오염 속도를 늦추는 방법이다. 플럭스를 낮추면 오염은 줄어들지만, 동일한 처리 용량을 유지하기 위해 더 넓은 막 면적이 필요하므로 초기 설치 비용이 증가할 수 있다. 화학적 세척 없이도 막힘 현상(TMP 증가)이 허용 가능한 속도로 천천히 진행되는 '지속 가능한 플럭스' 조건에서 운전하는 것이 이상적이다.
'''교차 흐름 여과'''(Cross-flow filtration) 방식을 사용하면 공급수가 막 표면을 따라 흐르면서 오염 물질이 쌓이는 것을 줄일 수 있다. 데드 엔드 여과와 달리, 농축액 흐름이 오염 물질 일부를 제거하므로 막 표면에는 얇은 층만 형성된다.
'''공급수 전처리'''는 막으로 유입되는 물의 부유 물질이나 박테리아 함량을 미리 줄이는 과정이다. 염화철이나 황산 알루미늄과 같은 응집제나 응고제를 사용하여 물속의 부유 물질, 콜로이드, 용해성 유기물을 흡착시켜 제거한다.^[18]

'''막 변경'''은 막 자체의 표면 특성을 바꿔 오염 물질이 달라붙기 어렵게 만드는 기술이다.

최근에는 막 재료의 표면 화학적 성질을 변경하여 오염을 줄이려는 노력이 이루어지고 있다. 사용되는 화학적 전략은 처리 대상 용액의 특성에 따라 달라진다. 예를 들어, 담수화에 사용되는 막은 무기물 침착(스케일링)을 막기 위해 소수성(물을 밀어내는 성질)으로 만들 수 있고, 생물학적 물질 처리에 사용되는 막은 단백질이나 유기물 부착을 줄이기 위해 친수성(물과 친한 성질)으로 만들 수 있다. 박막 증착과 같은 기술을 통해 막 표면을 개질하면 오염을 크게 줄일 수 있다. 하지만 이러한 변경 기술은 경우에 따라 막의 처리 유량(플럭스)이나 특정 물질을 걸러내는 능력(선택성)에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다는 단점이 있다.^[20]

5. 역삼투(RO) 막 재활용

역삼투(RO)는 주로 담수화에 사용되는 기술이며, 미세 여과 후 남은 폐수에서 용존 성분을 제거하는 데에도 활용된다. 이 기술은 이온을 효과적으로 제거하지만, 이를 위해 850 kPa에서 7000 kPa에 이르는 높은 압력이 필요하다. 역삼투는 증류 방식에 비해 운영이 간편하고 에너지 비용이 상대적으로 저렴하여 가장 널리 사용되는 담수화 기술 중 하나이다. 현재 대부분의 역삼투 시스템은 폴리아미드, 폴리설폰, 폴리에스터의 세 층으로 구성된 얇은 막 복합체(TFC)를 사용한다.^[7]

역삼투 막은 사용 후 성능이 저하되면 폐기되는데, 이는 환경적 부담을 야기한다. 폐기된 RO 막 모듈은 주로 매립지에 버려지며, 이는 순환 경제 관점에서 해결해야 할 과제이다. 이러한 문제를 완화하기 위해 폐기물 발생 자체를 줄이는 예방 조치와 더불어, 사용된 막을 직접 재사용하거나 재활용하는 다양한 노력이 이루어지고 있다. 이는 폐기물 관리 계층 구조 원칙에 따라 폐기물 발생을 최소화하고 자원을 효율적으로 활용하려는 시도이다.^[21]

5. 1. 폐기 방지

막(Membrane)의 성능이 현저하게 저하되면 폐기된다. 폐기된 역삼투(RO) 막 모듈은 현재 전 세계적으로 불활성 고형 폐기물로 분류되어 있으며, 주로 매립지에 폐기되는 경우가 많다. 에너지 회수의 가능성도 있지만, 지난 수십 년간 폐기물 발생 자체를 줄이기 위한 다양한 노력이 이루어져 왔다. 여기에는 폐기물 예방, 직접 재사용, 재활용 방법 등이 포함된다.

이러한 노력은 폐기물 관리 계층 구조를 따른다. 가장 바람직한 방법은 동일한 용도로 사용되는 막의 양을 줄이도록 설계를 개선하는 것이며, 가장 바람직하지 않은 방법은 폐기하여 매립하는 것이다.^[21]

RO 막은 순환 경제 원칙을 따르는 데 있어 몇 가지 환경적 과제를 안고 있다. 대표적으로 5년에서 10년 정도의 비교적 짧은 수명을 가진다는 점이다. 지난 20년 동안 RO 담수화 플랜트의 수는 70%나 증가했으며, 그 규모도 상당히 커져 일부 플랜트는 하루에 600000m³ 이상의 물을 생산할 정도이다. 이는 매년 약 14000ton의 막 폐기물이 매립된다는 것을 의미한다.

막의 수명을 늘리기 위해 다양한 예방 방법이 개발되었다. RO 공정을 효율적인 전처리 공정과 결합하고, 방오(Antifouling) 기술을 개발하며, 막 세척에 적합한 절차를 개발하는 것이 대표적이다.

전처리 공정은 해수 공급에 필요한 화학 첨가물의 양을 줄이고 RO 시스템의 운영 및 유지 보수 필요성을 낮춰 운영 비용을 절감하는 효과가 있다.^[22]

RO 막에서 주로 발견되는 오염 유형은 다음과 같다.

무기물 오염 (염 침전)
유기물 오염
콜로이드 오염 (현탁액 내 입자 침전)
미생물학적 오염 (박테리아 및 곰팡이)

따라서 효과적인 방오 기술은 이러한 오염 유형을 해결하기 위한 전처리 절차, 적절한 화학 물질 투여, 그리고 효율적인 세척 계획의 조합을 통해 개발될 수 있다.

대부분의 담수화 플랜트에서는 매주 막을 세척하는 화학 강화 역세척(CEB, Chemically Enhanced Backwash)을 실시한다. 이러한 정기적인 세척 외에도, 연간 2~4회의 집중 세척(CIP, Clean-In-Place)이 권장된다.

5. 2. 재사용

역삼투(RO) 멤브레인의 재사용은 사용된 모듈을 요구 사양이 덜 엄격한 다른 분리 공정에 직접 다시 적용하는 방식을 포함한다.^[23] 특히, 역삼투 TFC(Thin Film Composite) 멤브레인의 폴리아미드로 이루어진 조밀한 층을 화학적 처리(다양한 산화 용액 사용)를 통해 분해하여 구멍이 많은 다공성 멤브레인으로 변환할 수 있다. 이렇게 변환된 멤브레인은 미세여과(MF)나 한외여과(UF) 같은 공정에 재사용될 수 있으며, 이를 통해 약 2년 정도 수명을 연장할 수 있다.^[23]

사용한 역삼투 멤브레인을 변환 없이 직접 재사용하는 것에 대한 연구는 아직 많지 않다. 일부 연구에서는 사용된 역삼투 멤브레인의 수압 투과성, 염 제거율, 표면 형태 및 구조 등을 주사전자현미경 및 원자간력현미경을 이용해 분석했다. 그 결과, 오래된 역삼투 요소는 나노여과(NF) 멤브레인과 비슷한 성능을 보였다. 예를 들어, 물 투과 능력(투과성)은 1.0 L m^-2 h^-1 bar^-1에서 2.1 L m^-2 h^-1 bar^-1로 증가하고, 소금(NaCl) 제거율은 90% 이상에서 35~50%로 감소하는 경향이 관찰되었다.^[24]

한편, 최근에는 공정 효율을 높이기 위해 하나의 압력 용기 안에 성능이 다른 역삼투 멤브레인 요소들을 함께 넣어 사용하는 '다중 멤브레인 용기 설계' 방식이 활용되고 있다. 이 방식은 물 처리 설비의 앞부분에는 불순물 제거율이 높지만 처리 속도가 느린 멤브레인을, 뒷부분에는 처리 속도가 빠르고 에너지 소모가 적은 멤브레인을 배치하는 것이 핵심이다. 이렇게 설계하면 필요한 압력이 낮아져 에너지 사용량을 줄이거나, 같은 에너지로 더 많은 양의 물을 처리할 수 있다. 또한, 필요한 멤브레인 모듈과 압력 용기의 수를 줄여 초기 설치 비용을 상당히 절감할 수 있다. 이러한 개념을 확장하여, 사용된 오래된 역삼투 멤브레인을 새 멤브레인과 함께 동일 압력 용기 내에서 재사용하는 방안도 제안되고 있다.^[25]

5. 3. 재활용

재활용은 재료나 구성 요소를 물리적으로 변환하여 다른 유용한 제품으로 재생산하는 과정이다. 막 모듈은 여러 폴리머 구성 요소로 이루어진 복잡한 구조이므로, 각 구성 요소를 분리하여 다른 용도로 회수할 수 있는 잠재력이 있다. 플라스틱 고형 폐기물의 처리 및 재활용은 크게 기계적 재활용, 화학적 재활용, 에너지 회수로 나눌 수 있다.

'''기계적 재활용'''

기계적 재활용은 다음과 같은 특징을 가진다.

재활용하려는 구성 요소를 먼저 분리해야 한다.
공정 중 재료의 성능 저하 방지를 위해 미리 세척하는 과정이 필요하다.
고분자 물질을 적절한 크기로 분쇄하는 과정이 포함된다. (이 과정에서 재료의 약 5%가 손실될 수 있다.)
필요에 따라 추가 세척을 진행할 수 있다.
분쇄된 물질을 녹여 압출하는 공정을 거친다. (이 과정에서 재료의 약 10%가 손실될 수 있다.)
재활용 가능한 막 구성 요소로는 폴리프로필렌(PP), 폴리에스터와 같은 열가소성 수지가 있다.
막 시트는 여러 종류의 고분자와 첨가제로 구성되어 있어, 각 성분을 정확하고 효율적으로 분리하는 것이 본질적으로 어렵다.
주요 장점: 새로운 플라스틱 생산을 대체하여 자원 소모와 환경 부담을 줄일 수 있다.
주요 단점: 모든 구성 요소를 분리해야 하며, 경제성을 확보하기 위해서는 충분한 양의 재활용 대상 물질이 필요하다.^[26]

'''화학적 재활용'''

화학적 재활용은 다음과 같은 특징을 가진다.

탈중합 및 분해 기술을 이용해 고분자를 더 작은 분자 단위로 분해하는 방식이다.
오염된 물질에는 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
화학적 재활용 공정은 특정 물질에 맞게 조정되어야 한다.
장점: 사전 처리 사용이 제한적인 이종 고분자 혼합물을 처리할 수 있다는 장점이 있다.
단점: 기계적 재활용보다 비용이 많이 들고 공정이 복잡하다는 단점이 있다.
폴리에스터 물질(예: 투과 스페이서, 막 시트 구성 요소)은 화학적 재활용에 적합하다. 특히 가수분해는 고분자 생성에 사용된 중축합 반응을 역으로 진행시키는 방법으로, 물을 첨가해 고분자를 분해한다.

'''에너지 회수'''

에너지 회수는 폐기물을 소각하여 열 에너지를 회수하는 방식이다.

폐기물 부피를 90~99%까지 줄여 매립지 부담을 크게 줄일 수 있다.
폐기물 소각로는 일반적으로 760°C에서 1100°C 사이의 고온에서 작동하며, 유리 섬유 케이싱의 잔류 무기 충전재를 제외한 거의 모든 가연성 물질을 제거할 수 있다.^[26]
소각 시 발생하는 열 에너지를 회수하여 발전에 사용하거나 다른 열 관련 공정에 활용할 수 있으며, 이를 통해 기존 에너지원의 온실가스 배출량을 상쇄하는 효과도 기대할 수 있다.
다만, 소각 과정을 적절히 제어하지 않으면 온실가스 외 유해 물질이 배출될 수 있다.

'''후처리'''

재활용 공정 후에는 막의 정상적인 기능 회복을 위해 후처리 단계를 거친다.

먼저, 장비 내 잔류 폐기물을 제거하여 막 성능에 영향을 줄 수 있는 오염을 방지한다.
역삼투막 등에서는 폴리아미드나 폴리설폰 같은 유용한 물질을 회수하기 위해 분리 기술을 사용한다. 회수된 물질은 새로운 막이나 다른 제품 생산에 재사용될 수 있다. 이 단계에서는 물리적 또는 화학적 분리 공정을 통해 물질을 분리·정제하여 품질을 확보하고 생산 공정 재투입을 용이하게 한다.
폐기물 제거 및 물질 회수 후에는 파일럿 시스템에서 막 성능 테스트를 진행한다. 여기서 처리된 막의 성능이 설정된 기준을 충족하는지 신중하게 분석한다. 이 과정은 재활용된 막의 실제 적용 가능성을 확인하는 데 중요하다.

5. 4. RO 막 재활용의 장점

역삼투 (RO) 막 재활용은 여러 중요한 이점을 제공한다. 환경적 측면에서 가장 큰 장점은 새로운 막 생산 과정에서 발생하는 환경 영향을 줄일 수 있다는 점이다. RO 막의 주재료인 폴리머는 석유에서 유래하며, 이는 기후 변화의 주요 원인인 온실가스 (GHG) 배출과 관련이 있다. 또한 이 폴리머는 생분해되지 않아 환경에 부담을 준다.^[1] RO 막을 재활용하면 새로운 원자재에 대한 필요성을 줄여 환경 발자국을 감소시킬 수 있다. 기존 막을 재사용함으로써 환경 오염을 유발할 수 있는 물질의 폐기를 막고, 신규 생산 과정에서 발생하는 온실가스 배출을 완화하는 데 도움이 된다.^[2]

또한, 폐수 배출에 대한 규제가 강화되면서 RO 막에 대한 수요가 급증했다.^[3] 이러한 수요 증가는 공급 부족 문제로 이어질 수 있는데, RO 막 재활용은 이 문제를 해결하는 현실적인 대안이 될 수 있다.^[3]

경제적인 측면에서도 이점이 있다. 수요 증가로 인해 RO 막의 가격이 상승하는 추세이다.^[4] 반면, 사용된 막을 재활용하는 공정은 일반적으로 새로운 막을 구매하는 것보다 비용 효율적이다. 이러한 비용상의 이점은 재활용 설비를 구축하는 데 필요한 초기 투자 비용을 상쇄하는 데 기여할 수 있다.^[4]

6. 막의 응용 분야

미세 여과(Microfiltration, MF)는 0.08μm~2μm 크기의 입자를 제거하는 기술로, 비교적 낮은 압력인 7~100 kPa 범위에서 작동한다.^[4] 주로 물속에 떠다니는 부유 고형물(SS, Suspended Solids)을 제거하고, 효과적인 소독을 위해 물을 정화하며 박테리아를 거르는 데 사용된다. 또한, 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 공정의 효율을 높이기 위한 전처리 단계로도 활용된다.^[5] 최근에는 미세 여과 기술과 생물 반응기를 결합하여 생물학적 처리까지 동시에 수행하는 막 생물 반응기(Membrane Bioreactor, MBR) 기술도 개발되었다.

한외 여과(Ultrafiltration, UF)는 0.005μm~2μm 크기의 입자를 제거하며, 70~700 kPa 범위의 압력에서 작동한다.^[4] 미세 여과와 적용 분야가 유사하지만, 더 작은 입자까지 걸러낼 수 있다. 일부 한외 여과 막은 단백질이나 탄수화물처럼 분자량이 큰 용해된 화합물을 제거하는 데 사용되기도 하며, 바이러스나 일부 내독소까지 제거할 수 있다.

나노여과(Nanofiltration, NF)는 0.002μm보다 작은 입자까지 걸러낼 수 있어 "느슨한" 역삼투압이라고도 불린다. 주로 폐수에서 특정 용해 성분을 선택적으로 제거하는 데 사용되며, 물속의 경도 유발 이온을 제거하여 물을 연수화하는 막 연화 공정에도 활용된다. 이는 기존의 화학적 연화 방법을 대체할 수 있는 기술이다. 또한, 나노여과는 역삼투 공정 전에 물을 미리 처리하는 전처리 단계로도 사용된다. 나노여과 전처리는 물의 탁도와 박테리아를 제거하여 역삼투 막의 오염을 줄이고, 경도 이온을 제거하여 스케일(물때) 생성을 방지하며, 물에 녹아있는 총 용존 고형물(TDS, Total Dissolved Solids) 농도를 낮춰 역삼투 공정의 작동 압력을 줄이는 효과를 가져온다.^[6]

역삼투(Reverse Osmosis, RO)는 막 기술 중 가장 정밀한 여과 방식으로, 주로 바닷물을 민물로 바꾸는 해수 담수화에 널리 사용된다. 또한, 미세 여과 등으로 고도 처리된 폐수에서 남아있는 용존 성분을 제거하는 데에도 흔히 쓰인다. 역삼투는 물 분자만 통과시키고 이온까지 걸러낼 수 있지만, 이를 위해 850–7000 kPa의 높은 압력이 필요하다. 그럼에도 불구하고, 물을 끓여 증류하는 방식에 비해 공정이 간단하고 에너지 비용이 상대적으로 저렴하여 현재 가장 널리 사용되는 담수화 기술이다. 오늘날 대부분의 역삼투 시스템은 주로 폴리아미드 층, 폴리설폰 층, 폴리에스터 층의 세 겹으로 이루어진 얇은 막 복합체(TFC, Thin-Film Composite)를 사용한다.^[7]

이러한 여과 공정 외에도 막 기술은 다양한 분야에서 활용된다. 예를 들어, 농도 차이를 이용하는 투석이나 증발 투과, 관류 추출과 같은 분리 공정에도 막이 중요한 역할을 한다.^[3] 또한, 해양 구조물 분야에서는 얕은 바다에서 파도의 힘을 제어하기 위한 잠수형 유연 둔덕 방파제(Submerged Flexible Mound Breakwater)라는 새로운 형태의 방파제에 막 기술이 적용되기도 한다.^[27]

7. 참고 문헌

메트칼프 앤 에디. ''폐수 공학, 처리 및 재사용''. 맥그로힐 도서 회사, 뉴욕. 제4판, 2004.
폴라 반 덴 브링크, 프랭크 버겔트, 헹크 반 아스, 아리에 즈비넨버그, 하디 템밍크, 마크 C.M. 반 로스드레흐트. "막 생물 반응기에서 막의 기계적 세척 가능성". ''막 과학 저널''. '''429''', 2013. 259-267.
사이먼 주드. ''막 생물 반응기 책: 물 및 폐수 처리를 위한 막 생물 반응기의 원리 및 응용''. 엘스비어, 2010.

참조

_[1] 서적 Basic principles of membrane technology Kluwer Academic: Springer
_[2] 서적 Ultrafiltration and Microfiltration Handbook echonomic Publishing Co., Inc
_[3] 서적 Membranes on Polyolefins Plants Vent Recovery, Improvement Economics Program https://www.slidesha[...] Intratec 2012
_[4] 서적 Small and Decentralized Wastewater Management Systems McGraw-Hill Book Company
_[5] 논문 A review of the function of using carbon nanomaterials in membrane filtration for contaminant removal from wastewater 2022-01-06
_[6] 논문 Long Beach's dual-stage NF beats single-stage SWRO
_[7] 간행물 Selection of odour removal technologies in wastewater treatment plants: A guideline based on life cycle assessment Journal of Environmental Management 2015
_[8] 논문 Enhancing ultrafiltration membrane permeability and antifouling performance through surface patterning with features resembling feed spacers
_[9] 논문 A Critical Assessment of Surface-Patterned Membranes and Their Role in Advancing Membrane Technologies
_[10] 논문 Integration of Porous and Permeable Poly(ether sulfone) Feed Spacer onto Membrane Surfaces via Direct 3D Printing
_[11] 서적 Wastewater Engineering, Treatment and Reuse McGraw-Hill Book Company 2004
_[12] 웹사이트 Understanding The Critical Relationship Between Reverse Osmosis Recovery Rates And Concentration Factors http://www.amtaorg.c[...] 2014-04-28
_[13] 논문 Membrane biofilm communities in full-scale membrane bioreactors are not randomly assembled and consist of a core microbiome 2017-10
_[14] 논문 dual functional filtration/aeration membrane bioreactor for domestic wastewater treatment
_[15] 논문 High rate sulfate reduction in a submerged anaerobic membrane bioreactor (sambar) at high salinity
_[16] 논문 Characteristics of microfiltration membranes in a membrane coupled sequencing batch reactor system
_[17] 논문 MBR focus: the operator's perspective 2005-06
_[18] 논문 Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment
_[19] 논문 Transport modeling of convection-enhanced hollow fiber membrane bioreactors for therapeutic applications
_[20] 논문 Thin film deposition techniques for polymeric membranes– A review https://docs.lib.pur[...]
_[21] 논문 Towards new opportunities for reuse, recycling and disposal of used reverse osmosis membranes https://www.scienced[...] 2012-08-01
_[22] 학위논문 Concentrate and solid waste management in reverse osmosis plants Asian Institute of Technology School of Environment, Resources and Development, Thailand 2012
_[23] 논문 Extending the life-cycle of membranes: A review 2017
_[24] 논문 New lives for old reverse osmosis (RO) membranes https://www.scienced[...] 2010-04-01
_[25] 논문 Current trends and future prospects in the design of seawater reverse osmosis desalination technology https://www.scienced[...] 2012-01-04
_[26] 인용 Coutinho de Paula, E. and Amaral, M.C.S. (already referenced) and Lawler, W., Bradford-Hartke, Z., Cran, M.J., Duke, M., Leslie, G., Ladewig, B.P and Le-Chen, P. (already referenced).
_[27] 논문 Experimental modeling of the interaction between waves and submerged flexible mound breakwaters 2021
_[28] 서적 Bioprozesstechnik : Einführung in die Bioverfahrenstechnik Elsevier, Spektrum Akad. Verl.
_[29] 서적 Basic principles of membrane technology Kluwer Academic: Springer
_[30] 서적 Ultrafiltration and Microfiltration Handbook echonomic Publishing Co., Inc

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