128
… NICE, 제34권 제2호, 2016신사업 소개
1. 개요
우리가 흔히 쓰는 말 중 아낌없이 쓰는 것을 빗대 어 ‘물 쓰듯이’ 쓴다는 표현을 한다. 그러나 물은 더 이상 ‘물 쓰듯이’ 쓸 수 있는 자원이 아니다. 지구상 의 물 중 담수는 2.5%에 지나지 않고 그 중에서도 현 실적으로 이용 가능한 지하수 및 표층수의 양은 전 체 담수의 30.5%에 불과한 수준이다(그림 1). 또한 이마저도 지구 온난화로 인한 가뭄 증가로 갈수록 줄어가고 있으며 이와 더불어 인구 증가와 산업화는 물의 사용량을 배가시키고 있는 현실이다. 이에 해 수담수화와 산업용수의 정수화를 통하여 사용 가능 한 수자원의 절대량을 증가시키기 위한 많은 노력이
필요한 실정이다. 본고에서는 해수뿐만 아니라, 산 업용수 그리고 가정용수를 처리하는 RO필터 사업에 진출한 LG화학의 연구 성과를 소개하고자 한다.
2. 세계 물 부족 현상과 물 산업 필요성
21세기는 더 이상 석유 전쟁이 아니다. 바야흐로 석유로 대표되는 시대에서 물로 대표되는 ‘블루 골드’
의 시대가 도래할 것으로 전망된다. 물 산업이 주목 받고 있는 가장 근본적인 이유는 자연적으로 공급될 수 있는 수자원의 한계와 수요의 급증에서 유래한 물 부족 문제에 있다. 특히 인구 증가와 더불어 산업화 는 물 수요를 급증시키고 있으며, 미국의 경우 30년 만에 물 사용량이 300% 이상 급증하였는데, 그 원인 은 동기간 50% 증가한 인구 요인 보다는 전체 물 사
LG화학의 RO필터 기술
강혜림*, 신정규 {*hyelimk, tumshin}@lgchem.com LG화학 기술연구원
<그림 1. 지구 수자원 비중(%)> <그림 2. 전 세계 물 부족 인구>
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 2, 2016 …
129
신사업 소개
용량의 60% 이상을 소비하는 산업용수의 증가로 분 석되고 있다. 이러한 산업화 속도는 특히 전 세계 인 구의 80% 이상을 차지하는 저개발 국가에서 더 빨리 진행되고 있으며, 결과적으로 전 세계 물 부족 인구 의 급증을 가져올 것이다(그림 2). 따라서 해수담수화 를 이용하여 기본적으로 이용 가능한 수자원을 확보 할 수 있는 물 산업의 필요성이 대두되고 있다.
3. 1nm 이하의 초미세입자를 제거할 수 있 는 역삼투 (RO) 분리막
물을 정제하는 기술은 20세기에 생화학물질을 처 리하는 방식에서 최근 분리막 공정을 이용하는 방식 으로 그 패러다임이 옮겨가고 있다. 이 분리막 기술 은 미세 기공이 뚫려 있는 막을 통해 분리 및 정제하 는 기술로서 기공의 크기에 따라 UF (Ultrafiltration, UF), MF (Microfiltration, MF), NF (Nanofiltration, NF), 그리고 역삼투방식인 RO (Reverse osmosis, RO) 로 나뉘어진다. 그 중 RO 분리막은 1nm 이하의 초미 세입자를 제거할 수 있는 작은 기공을 지니며, LG화 학에서는 UF와 RO 분리막이 계층적으로 이루어진 수처리 복합 분리막을 개발하고 있다. RO 분리막은 삼투압을 이용하는 방법으로서 ‘삼투압’은 농도 차가 있는 두 용액을 반투과성 막으로 분리했을 때, 저농 도 용액의 물분자가 고농도 용액으로 이동하며 발생 하는 수위 차이를 말한다(그림 3). 이 때 고농도 용액 쪽으로 삼투압 이상의 압력을 가하면 반투과성 막을 통해 물분자가 선택적으로 이동하면서 물이 정수될 수 있다. 이러한 RO 분리막은 부직포와 UF 지지층과 함께 계층적으로 디자인하여 기계적 강도가 향상된 복합 분리막의 형태로 사용할 수 있으며 또한, 분리
막을 spiral-wound 방법으로 모듈화하여 보다 집적된 수처리 시스템을 구축할 수 있다(그림 4, 5).
4. LG화학의 RO필터 사업 진출
이러한 역삼투 분리막 시장은 메이저 몇 개사 가 시장의 대부분을 차지하고 있는 진입장벽이 높 은 사업이다. 이에 LG화학은 미국의 수처리 필터 제 조업체인 ‘NanoH2O’를 2014년 4월에 인수하여 역삼 투 필터의 핵심 기술력을 확보하고, LG화학의 고분 자 합성 및 가공 기술과 글로벌 마케팅 네트워크의 강점을 결합하여 RO필터 사업에 진출하였다. 기존 NanoH2O社는 고유의 나노 복합 물질을 적용하여 해 수담수용 RO필터 분야에서 독보적인 기술력을 보 유한 기업이었으며, LG화학은 회사 인수 후 지속적 인 연구개발을 통해 해수담수용 RO필터뿐만 아니 라, 산업용, 가정용 RO필터에 이르는 다양한 제품군 을 자체 개발 완료하였다. 특히 해수담수용 RO 분 리막의 경우 업계 최고 수준의 염분 제거 성능 (제거 율 99.85%)를 구현하였고, 미국 국가위생국 (National Sanitation Foundation, NSF)의 음용수 수질관리 인증 규격인 NSF standard 61 의 인증을 획득해 음용수로 의 정수 기능을 인정 받았다.
<그림 3. 역삼투 (RO) 분리막 정수 원리>
<그림 4. RO 모듈의 단면 모식도>
<그림 5. 수처리 복합 분리막의 전자현미경 이미지>
130
… NICE, 제34권 제2호, 2016신사업 소개
5. 지속적인 포트폴리오 확장
앞서 언급한대로, 기존 NanoH2O는 해수담수용 RO 분리막에 특화된 기업이었으나, 인수 후 LG화학 은 보유한 화학 소재 설계 역량을 접목하여 다양한 제품군으로 포트폴리오를 확장시켰다(그림 6, 7). 특 히 RO 분리막 설계는 정수하려는 물의 수질과 운전 조건에 밀접한 관련이 있으므로 그 용도에 맞는 소 재 디자인이 필요하다. 이에 핵심 기술인 나노 복합 물질을 RO활성층에 도입함과 동시에 중합 계면을 제어하는 소재 기술을 개발하여 생산수를 기준으로 기존 경쟁사 제품 대비하여 RO필터의 성능을 최대 30%까지 끌어올려 에너지 사용량을 획기적으로 절 감하는 제품을 개발하였다.
■해수용 RO 분리막
해수용 RO 분리막의 경우, 매우 진한 염분 농도 를 지닌 해수를 정수해야 하므로 상대적으로 높은 수준의 염분 제거 성능을 요하며 저온의 해수 또한 효율적으로 담수화 할 수 있는 특성을 지닌다. 뿐만
아니라, 해수 내에 자연적으로 존재하는 붕소(Boron, B) 제거율은 해수용 RO 분리막에서 중요한 성능 지 표 중 하나이며, 현재 업계 최고 수준의 붕소 제거 성 능 (제거율 94%)을 보유하고 있다.
■산업용 RO 분리막
산업용 RO 분리막은 음용수로 사용하는 물보다 훨씬 많은 양의 물이 생산되어야 하고, 특히 반도체 공정에서는 초순수 수준의 수질이 중요하다. 따라서 본 제품은 고염분 제거 성능과 동시에 운전 비용을 절감할 수 있는 고투과 유량의 에너지 절감형으로 설계하였다.
■가정용 RO 분리막
가정용 RO 분리막은 건식 타입으로 운반 및 취급 이 용이하고, 고투과 유량의 특성을 가지고 있다.
6. 맺음말
LG화학은 지난해 NanoH2O 인수 이후 지속적인 R&D 투자를 통해 RO필터 전 제품군을 양산해내며 RO필터 사업에 성공적으로 데뷔하였다. 특히 작년 11월에는 LG화학만의 독보적인 기술력을 인정받아 첫 대규모 프로젝트를 수주하며 전세계 5개국 8개 해수담수화 프로젝트에 RO필터를 단독으로 공급계 약을 체결하였다. 이러한 LG화학의 RO필터 사업은 R&D를 통하여 사업화된 과제로서, 연구원들의 많은 시행착오를 밑거름으로 달성된 성과이다. 현재 전세 계가 물 부족 문제에 직면한 만큼 향후 지속적인 연 구개발을 통하여 인류의 물 부족에 “Solution”을 제공 하는 LG화학이 되고자 한다.
<그림 6. RO 분리막 전자현미경 이미지, 왼쪽부터 해수용, 산업용, 가정용 분리막>
<그림 7. 해수용, 산업용 그리고 가정용 RO필터 이미지>
