막의 재질

필터로서 역할을 수행하는 얇고 튼튼하며 경제성 있는 막이 실용화되기 시작 한 것은 불과 20~30년 전의 일이며, 고분자, 전기화학, 세라믹 기술 등 소재산 업이 발달함에 따라 막의 재질이 셀룰로오스에서 이온교환막, 팔라듐 소결막 등 에 이르기까지 다양하게 발전하였다. 정수처리에 많이 사용하는 재질은 셀룰로 오스계, 비셀룰로오스계 및 비초산셀룰로즈계 막으로 분류한다.

2.5.1 셀루로오스계 막

1953년 Reid가 cellulose를 아세틸화(acetylation)하여 만든 acetyl cellulose 막이 초창기 막이며, 해수 담수화에 사용되었다. 친수성(hydro- philic)이며 염소에 대한 저항력이 있고 저렴하다. 고분자의 분자량은 25,000~80,000이며, 표면에 윤이 나고 매끄럽다. 건조한 상태로 보관하거나 방 치해서는 안 되며, 적정 pH 범위는 4~7로 좁고 사용온도가 제한된다.

Loeb과 Sourirajan이 얇은 표피층(skin layer)과 두꺼운 지지층(support layer)의 비대칭성 구조로 Loeb이 만든 100㎛보다 훨씬 얇은 두께 0.06~0.3㎛인 디아세틸 셀룰로오즈계의 초박막(超薄膜)을 개발하였다. 이 복합 막은 내압성이 강한 치밀한 지지층을 부착시켜 만든 막으로서 표피층과 지지층의 재질이 다르 기 때문에 복합막이라고 한다.

중공사는 모발정도가 극히 가느다란 외경 45~65㎛, 내경 24~30㎛ 정도의 관형 으로 되어 있고, 압력이 가해지면 내압성 지지체가 없어도 70kg/㎠ 정도의 압력 에 견딜 수 있다. 막의 투과성은 비대칭성의 acetyl cellulose막의 1/10~1/5이 지만, 밀도는 아주 높다.

2.5.2 비셀룰로오스계 막

방향족 폴리아마이드계 중공사막이 있으며, 비대칭 폴리아마이드계 중공사막 은 염소이온 제거율을 92% 정도로 높일 수 있다. 이 막은 acetyl cellulose 막 보다 내알칼리성이고 적용 pH범위가 4~11로 넓지만, 내 염소성이 상당히 떨어지 는 단점이 있다.

Poly imidazopyrene막은 염 제거율이 90% 이상이고, 내약품성이 우수하나 투 과량이 적다. poly benzmidazol막은 내열성, 내압성, 반투과성이 우수하고 탈염 막으로 적절하다. 지지층 막 위에 poly acryl산을 첨가하여 상층을 형성시키고, 2차적으로 zirconium 수산화물로 이중층을 형성시킨 dynamic막은 탈염율은 낮지 만 막투과량이 크고, 내열성, 내알카리성, 미생물에 대한 저항성 등이 우수하며 막의 재생이 쉬운 장점을 가지고 있다.

Na2O-B2O-SiO2계의 글라스 중공사막은 외경 20㎛, 내경 10㎛으로서 약 200kg/

㎠의 압력에 견딜 수 있으며, 내약품성, 미생물에도 저항성이 크다.

2.5.3 비초산 셀룰로오스계 막

합성 고분자막은 수용성 고분자를 가교한 것으로 카르복실산기를 갖는 고분자 와 복합체를 만든 후 폴리이소시아네이트와 반응시킨다. 친수성 모노마와 소수 성 모노마의 공중합체는 친수성과 소수성비에 의해 제조한다.

Polyvinyl alcohol(PVA)막은 물 및 염의 투과계수가 낮고, 선형수용성 고분자 막인 polyvinyl pyrolidine(PVP)막은 물 투과계수는 초산셀룰로오스의 30~60배 이지만, 염의 투과계수가 4,000배 정도로서 분리성능이 나쁘다.

친수성 및 소수성 모노머를 공중합시켜 만든 막에는 Copolyurethane계 막, 비 닐모노마공중합 막(스티렌-비닐피로리딘, 아크릴산에틸비닐피로리딘), 메타크릴 산 가락토스의 공중합물 막, 메타크릴산 글리세롤의 공중합체 막, 비닐피로리딘 -스틸렌-아크릴산메틸(에틸)공중합체 막, 폴리에틸렌옥사이드와 비닐모노마의 공중합체 막, 에틸렌글리콜모노메타글리레이트와 에틸렌글리콜디메타글리레이트 의 공중합체 막 등이 있다.

극성 모노마의 공중합체 막은 내압성이고 결정성이 높으며 분자 간 회합도와 탈염성이 높다. 분자간의 회합력이 높아지기 위해서는 고분자 물질이 극성이 높 은 방향족 탄화수소를 가져야 한다. 고분자막의 견고성을 증가시키는 가장 효과

적인 극성기는 프로톤 공여체기이며, 그 외에 에스테르기, 카르복실기, 니트릴 기가 있다. 공중합체 막으로는 폴리비닐렌카보네이트 막, 폴리아크릴로니트릴 막 등이 있다.

친수기를 부가한 소수성 고분자막은 소수성 고분자에 친수기를 도입하여 역삼 투 특성을 갖게 만든 반투막이다. 그 중 하나는 이온교환기를 갖는 막의 적용이 고, 다른 하나는 친수성 막에 화학적 방법을 이용해서 그라프트 중합으로 친수 기를 도입하는 방법이다. 슬폰화 2,6-디메틸폴리페닐렌옥사이드 막이 여기에 속 하며, 2,6-디메틸폴리페닐렌옥사이드 수지에 술폰기를 도입시켜 이온 교환능을 갖는 역삼투 막이 개발되었다.

무기막의 재질로는 산화지르코늄(지르코니아, ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3), carbon, SiC, 다공질 glass막, 산화티타늄(TiO2) 등이 있으며, 정수처리에는 지 르코늄(지르코니아, ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3) 등을 원료로 제조한 세라믹 막 이 주로 사용된다¹³⁾.

세라믹 막은 반영구적이고 flux가 크며, 압력 한계범위가 20bar 정도로 높고, 140℃ 정도의 고온에서도 내열성이 강하며, 전 pH 범위에서 운전이 가능하다.

또한 유기성 막에 비해 내열성, 내약품성이 좋고 기계적 강도가 큰 편이다.

2.5.4 막의 재질에 따른 필터의 종류

막의 재질은 Table 2.7에 나타낸 바와 같이 정밀여과 막, 한외여과 막, 나노여 과 막 및 역삼투 막에 따라 다음과 같은 것이 있다¹⁴⁾.

정밀여과 막에는 PVDF(polyvinylidene fluoride), Polyester, Polypropylene, PTFE(polytetrafluoroethylene), Poly urethane, Polysulfon, Polyamide, Nylon, Polycarbonate, Acrylonitrile polymer, Regenerated cellulose 등이 사 용된다.

한외여과 막에는 Polyethersulfone, PVDF(polyvinylidene fluoride), Regenerated cellulose, Polysulfones, Polyamides, Poly carbonates, Cellulose triacetate, Poly acryl nitrile, Acrylonitrile copolymers, Polyvinyl chlorides, Polyethers, Polyeletrolyte complexes 등이 사용된다.

또 나노여과 막 및 역삼투 막에는 Polybenzimidazoles, Polyfuran resins, Sulfonated polysulfon, Polyureas, Polyamide, Polypiperazinamides,

Polyamines, Polyphenylene oxide, Polyethers, Regenerated Cellulose, Cellulose Acetate-methacrylates, Cellulose Acetate-butyrates 등이 사용되 며, 이와 같은 막의 지지층 재질로는 Polysulfon, Polypropylene, Fiberglass, Polyester, Polyolefin, Polyurethane, Woven Glass 등이 사용된다.

Material of membrane Using filter type Cellulose acetate(CA) MF, UF, RO Cellulose teriacetate(CTA) MF, UF, RO CA/Triacete blend (CA / TAB) RO

CA/Triacete nitrate (CA / TAN) MF Cellulose(regenerated) (Ce) D Polyacrilonitrile Copolymer (PAN) UF PAN-Polyvinichloride copolymer[PAN-PVE (copolymer)] MF, UF Polyamide(aromatic) [PA (aromatic)] MF, UF, RO Polyarylether Sulfone(polysulfone) [PAEtS] MF, UF

Polybenzimidiazole(PBL) RO

Polycarbonate(track-etched) [PC] MF Polyester(track-etched) [PEs] MF

Polyimide[PI] UF, RO

Polypropylene [PP] MF

Polytetrafluoroethylene [PIFE] MF

Polyvinylchloride [PVC] MF

Polyvinylidenefluoride [PVF] UF Mephenylene-diamine + Trimesoyl chloride(i) RO Polyetheramine + Isophthloyl chloride(i) RO Polyetheramine + Toluene diisocyanate(i) RO Polyacrylic acid + Hydrous ziroconium oxide(ii) UF, RO Table 2.7. Material of membrane and application part

note 1) (i) : surface layer of complex membrane, (ii) : surface layer of dynamic membrane