Current Research Trends in Water Treatment Membranes Based on Nano Materials and Nano Technologies

(2013년 4월 8일 접수, 2013년 4월 18일 수정, 2013년 4월 18일 채택)

Current Research Trends in Water Treatment Membranes Based on Nano Materials and Nano Technologies

Hee Dae Lee, Young Hoon Cho, and Ho Bum Park^†

WCU Department of Energy Engineering Hanyang University, Seoul 133-791, Korea (Received April 8, 2013, Revised April 18, 2013, Accepted April 18, 2013)

요 약: 나노 소재는 표면적이 매우 크고 크기나 기공이 균일하여 분리막에서 물질 전달 통로나 특수한 기능성을 갖게 하

는 소재로 이용이 가능하다. 그러나 나노 소재 및 나노 기술을 기반으로 한 분리막의 상용화를 위한 여러 가지 기술적인 한 계가 존재하며 최근 나노 소재 및 제조 기술이 발전하고 다양해짐에 따라 분리막에 나노 소재 및 기술을 활용하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 나노 소재 및 기술을 활용하는 경우 기존 분리막의 투과도 및 선택도를 크게 높일 수 있으며 열적, 화학 적, 기계적 안정성 및 내오염성을 향상시키거나 기능성 소재를 활용하여 분리막에 새로운 기능을 부여할 수 있다.

Abstract: Nano materials having large surface area, uniform dimensions or pores can be utilized in various membrane applications. Recently, many studies have been focused on the application of nano materials and nano technologies in mem- brane applications by the help of the discovery and development of nano technologies. in terms of mass transport channels or functional modification. However, there have been several technological limitations for commercialization. Nano materials and nano technologies can improve 1) permeability, selectivity, 2) mechanical, chemical, thermal stability or fouling toler- ance of conventional membranes and even 3) introduce new functionalities such as specific affinity and reactivity.

Keywords: nano material, nano technology, membrane, water purification; desalination

1. 서 론

1)

최근 세계적인 물 부족 현상에 대한 관심이 고조되고 있으며 수자원을 확보하고 이용하기 위한 수처리 기술 에 대한 연구가 주목받고 있다[1]. 수처리 분야는 사용 된 물에 존재하는 오염물질을 제거하는 하⋅폐수처리, 음용수를 위한 정수, 물 부족 지역에서 수자원을 확보 하기 위한 해수담수화 등이 있으며 여러 가지 수처리 기술 중 분리막을 이용한 수처리 기술은 각 분야에서 연 평균 10∼20% 정도의 매우 높은 성장률을 기록하고 있다[2]. 분리막 기술을 이용한 수처리 공정은 분리막의

†교신저자(e-mail: [email protected])

종류에 따라 물에 존재하는 각종 오염물질이나 무기 이온 등에 대한 높은 제거율을 보이며 기존 공정 대비 에너 지 소비가 적고 화학물질의 사용 및 배출이 없어 친환 경적이며 또한 분리막 모듈을 이용하여 기존 대비 적은 입지면적을 가지며 공정의 확장이 용이하다. 분리막을 이용한 수처리 기술은 수십 년간 매우 빠른 속도로 발 전되어 왔으며 그 응용 분야 또한 화학제품의 농축 및 정제, 반도체 공정에 필요한 초순수 제조, 유기용매 분 리공정, 식품 및 음료 생산 분야 등 매우 다양해지고 있다.

수처리 분리막은 그 기공 크기에 따라 크게 하⋅폐수

처리 분야에서 사용되는 정밀여과막(기공크기: 100∼500

nm), 한외여과막(2∼100 nm)과 정수처리 및 해수담수화

Fig. 1. Scheme of membrane based water purification pro- cesses.

Fig. 2. Correlation between water flux and salt rejection performances of membrane[3].

에서 사용되는 나노여과막(∼1 nm), 역삼투막(1 nm 이 하)으로 나눌 수 있다. 정밀여과막 및 한외여과막은 주 로 고분자 소재의 연신공정이나 유기용매를 이용한 상 전이법을 통하여 수 nm∼수백 nm의 기공크기를 갖는 평막 또는 중공사막의 형태로 제조되고 있다. 나노여과 및 역삼투막의 경우 대부분 상전이법을 통하여 제조된 한외여과막 수준의 분리막 표면에 조밀한 화학적 구조 의 활성층을 100∼200 nm 두께로 계면중합 등을 통하 여 도입하는 방식으로 제조된다. 이러한 분리막들은 Fig. 1 과 같이 각각의 기공 크기보다 큰 다양한 물질들 을 제거하기 위하여 여러 수처리 분야에 사용되고 있으며 수력학적인 압력을 이용하여 막 분리공정이 구동된다.

이러한 분리막 기술 및 분리막 공정 기술이 이미 상 용화되어 있고 각종 수처리 분야의 시장이 점점 증대되 고 있는 추세에 있으나 급증하는 깨끗한 물에 대한 수 요로 인하여 높은 투과도 및 제거율을 갖는 고성능의 분리막 소재의 개발이 시급하다. 뿐만 아니라 분리막 여과 공정에서 발생되는 막 오염에 대한 저항성을 가지 며 화학적 세정에 강한 분리막 소재가 요구되고 있다.

그러나 기존의 무기소재 및 고분자를 이용한 분리막 소 재에는 Fig. 2와 같은 투과유량과 선택도에 대한 성능 의 한계가 존재하며 수십 년간 개발된 분리막 제조 및 공정 기술에 비하여 성공적으로 상용화된 분리막 소재 는 극히 제한적이다. 기존 상업화된 분리막 기술은 재 료적 한계 및 공정 최적화 기술의 포화상태에 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

나노 상태의 물질들은 벌크 상태의 물질과는 다른 독 특하고 우수한 성질을 지니며, 최근 이러한 특성을 이 용한 나노 소재의 구조 형성 기술 및 제조기술이 급속

도로 발달하고 있다. 나노 흡착제, 나노 촉매, 나노 입자,

나노 구조체 등에 대한 연구가 활발하며, 컴퓨팅, 의약,

센서, 에너지생산, 친환경 기술 등의 분야에서 응용 및

향후 적용 가능성 측면에서 많은 주목을 받고 있다. 그

중에서도 분리막 분야에서의 나노기술 적용은 기존 기

술의 한계를 극복할 수 있는 혁신 기술로서, 차세대 분

리막 개발을 위한 핵심 역할을 할 것으로 기대된다. 본

고에서는 이러한 나노기술 기반 분리막 기술 중 기존의

분리막과 접목한 나노 복합 분리막과 기능성 나노 분리

막 소재에 대하여 중점적으로 기술의 개요 및 최신 기

술 수준 및 연구 현황을 알아보고, 향후 연구 방향에

대하여 제시해 보고자 한다.

Fig. 3. Thin film composite reverse osmosis membrane structure[5].

Fig. 4. Structural images of various zeolite[6].

2. 나노기술 기반 분리막 기술

나노기술 기반 분리막 기술이란 나노 소재를 이용하 여 기존 분리막과 복합 및 응용하는 나노 복합 분리막 기술과 나노 소재의 기능성 및 구조를 이용한 나노 기 능성 분리막 기술을 포함한다. 일반적으로 나노 복합 분리막 기술은 기존의 상용화된 복합 박막 분리막의 구조 (Fig. 3) 를 기반으로 하여 선택층(두께: 120∼200 nm) 또는 지지층에 나노 물질을 복합하여 나노여과 및 역삼 투막의 성능을 향상시키는 연구와 생체 모방 물질을 이 용한 신개념 분리막 제조를 통하여 수투과율 및 염 배 제율을 향상시키기 위한 연구가 주로 이루어지고 있다.

이와 달리, 나노 기능성 분리막 기술은 소재 자체의 독 특한 특성을 이용하여 물질 분리, 흡착, 자가 세척, 센 서 등의 기능을 할 수 있는 분리막 기술이다. 나노복합 분리막 기술 분야에서는 제올라이트, 탄소나노튜브, 아 쿠아 포린 및 블락공중합체를 이용한 기술 개요와 최근 연구 동향에 대하여 다룰 것이며, 나노 기능성 분리막 기술 분야에서는 나노 섬유의 낮은 투과저항, 촉매 담 지기술 및 나노 기공 내 기능성 분자를 활용한 수처리 기술들을 다룰 것이다.

3. 나노복합 분리막 기술

3.1. 제올라이트 복합 분리막

제올라이트란 실리콘 및 알루미늄의 산화물에서 파

생된 물질군 중 하나로서 분자 출입이 가능한 3-10 옹

스트롬(1Å=10

m) 정도의 일정한 크기를 갖는 나노

세공들이 규칙적으로 배열된 광물을 총칭한다. Fig. 4에

대표적인 제올라이트들의 골격 및 결정 구조를 나타내

었다. Fig. 4와 같이 제올라이트는 구조에 따라 다양한

기공을 가지며 실리콘과 알루미늄의 비율에 따라서도

기공 사이즈가 결정된다. 이러한 기공을 통하여 물질들

이 이동할 수 있으며, 제올라이트가 갖는 일정한 크기의

세공을 이용하여 분자들을 선택적으로 분리하기 위한

분리막 기술 개발이 이루어지고 있다. 제올라이트는 고

압에서의 견딜 수 있는 기계적 물성과 화학적, 열적 안

정성 측면에서 장점이 있다. 제올라이트를 이용한 분리

막 기술의 경우, 초기에는 제올라이트가 코팅된 세라믹

분리막에 대한 연구가 진행되었으나, 초박막-균일 제올

라이트의 제조기술이 어렵고, 값비싼 제조비용이 문제

점으로 제기되어 왔다. 최근 이러한 단점을 극복하기

위하여 기존의 박 막복합 분리막 선택층에 제올라이트

Fig. 5. Structural illustration and TEM images of zeolite/polymer thin film composite membrane[7].

Fig. 6. Structure of graphene and carbon nanotubes[9].

를 복합하여(Fig. 5) 투과율을 향상시키는 연구가 진행 되고 있다[7].

2010 년, Eric M. V. Hoek 그룹에서 발표한 결과에 따르면[8], 기존 상업용 해수담수화 분리막 대비 약 2배 의 투수율과 비슷한 수준의 염 배제율(99.4%)을 갖는 제올라이트 박막 복합 분리막 개발에 성공하였다. 소량의 제올라이트(0.2 wt%) 의 첨가와 다양한 조건에서의 후 처리를 통하여 향상된 성능을 얻는데 성공하였으며, 기 존 상업용 복합막과 제올라이트 복합막의 선택층(폴리 아미드) 가교밀도 비교⋅분석을 통하여 제올라이트 복 합막의 투과모델을 예측하였다. 그 결과, 제올라이트 복 합막은 기존 상업용 막 대비 선택층에서의 가교밀도가 떨어지지만 제올라이트 나노기공을 통한 물/이온 선택 적 분리에 대한 가능성을 확인하였다. 따라서 제올라이 트의 구조 및 폴리아미드막과의 접촉력 향상을 통하여 더 향상된 탈염성능을 얻을 수 있다는 가능성을 제시하 였다.

3.2. 탄소나노튜브 복합 분리막

탄소나노튜브는 탄소의 동소체 중 하나로서 1991년 일본 Iijima 박사에 의해 처음으로 발견되었다. 탄소 나 노튜브는 흑연 판이 나노 크기의 직경으로 둥글게 말린 실린더형 구조(Fig. 6)를 갖고 있으며, 그 구조에 따라 흑연판이 한 겹으로 된 단일 벽 탄소나노튜브와 여러 겹으로 이루어진 다중 벽 탄소나노튜브 등으로 분류된 다. 탄소나노튜브는 전기 방전법, 레이저 증착법, 화학

기상 증착법 등의 합성방법으로 제조될 수 있으며, 기 계적 강도, 열전도성, 전기전도도 측면에서 기존의 철이 나 구리 대비 매우 우수한 물성을 지니고 있어 반도체, 군용소재, 인공근육, 우주항공용 등 첨단 소재 분야에서 의 적용에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다.

기존의 연구들은 탄소나노튜브의 기계 및 열적 특성을

이용한 응용연구가 주로 진행되었지만 2001년 G. Hummer

는 탄소나노튜브의 내부에서의 물 분자들의 수소결합

현상을 분자 시뮬레이션을 통하여 밝혀냈고, 그 결과

벌크에서의 흐름과는 다른 나노유체 거동을 보인다는 결

과를 보고하였다[10]. 그 이후 2005년 Bruce J. Hinds

그룹[11], 2006년 Jason K. Holt 그룹[12]에서 탄소나노

튜브 내부로의 물 분자의 투과는 기존 벌크 유체 대비

Fig. 7. Schematic illustration of vertically aligned CNTs and CNT/Polymer composite membranes[14].

약 1,000배 이상의 빠른 유량을 갖는다는 것을 보고함에 따라 이러한 탄소나노튜브의 빠른 수투과 성능을 수처 리 분리막 분야에 적용하기 위한 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 탄소 나노튜브 분리막은 크게 두 종류로 분 류될 수 있다. 기판 위에서 화학 기상 증착법으로 수직 배향 시킨 탄소나노튜브 분리막과 합성된 탄소나노튜 브를 기존 고분자 소재에 복합하여 만든 탄소나노튜브/

고분자 복합 분리막이다.

수직 배향 탄소나노튜브의 경우, 탄소나노튜브의 밀 도가 크고 이론 값에 가까운 빠른 수투과 성능을 보이지 만 까다로운 공정 조건으로 인하여 대면적화가 어렵다는 단점이 있다. 또한 기존의 나노여과 및 역삼투막을 대 체하기 위해서는 염 배제 성능이 가장 큰 요소로 작용 하는데, 탄소나노튜브의 경우 나노기공이 염 배제 성능 을 가지려면 나노기공의 내경이 약 0.6 nm 미만이여야 한다[13]. 하지만 현재의 기술수준에서는 0.6 nm 미만 의 나노기공을 갖는 단일 벽 탄소나노튜브를 제조하기 어렵기 때문에 기존 해수담수화 기술 대체하는 데 한계 점이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 고분자와의 연계를 통한 탄소나노튜브/고분자 박막 복합 분리막에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으나 탄소나노튜브의 낮은 분산성 및 고분자와의 혼합성때문에 향상된 수투

과율 및 염 배제율을 갖는 탄소나노튜브 분리막 제조에 어려움이 있다. 따라서 탄소나노튜브의 개질 및 고분자 와의 연계성에 대한 기술 개발을 통하여 이러한 문제점 을 해결한다면 탄소나노튜브의 빠른 투수과도를 이용 한 나노여과 및 역삼투 분리막 분야로의 적용 가능성이 존재한다.

3.3. 아쿠아포린 복합 분리막

아쿠아포린이란 세포막 내부에서 물의 투과를 가능 하게 하는 단백질 채널이다. 1950년대에 세포막 내부에 물분자와 이온 중 물분자만 선택적으로 투과시키는 선 택성 분리막 역할을 하는 물질이 있을 것으로 추정되었 지만 어떤 구조와 어떤 작용으로 인하여 그 역할을 하 는지는 알 수 없었다. 오랜 연구 끝에 Peter Agre 교수 와 Roderick MacKinnon 교수가 이 물질의 구조와 매커 니즘을 밝혀냄으로써[13] 2003년 노벨상을 받은 이후 수 처리 신소재 분리막 후보군으로서 많은 관심을 받아왔다.

Fig. 8 과 같이 중성인 물 분자는 아쿠아포린 단백질

이 만든 물 분자 채널을 통하여 이동하고 양이온의 경

우 세포 분리막의 내부 양전하를 띠기 때문에 채널 내

부에서의 전기적 반발력때문에 투과하지 못한다. 아쿠

아포린 분리막에서의 물의 투과는 삼투압에 의한 화학

Fig. 8. Water and ion molecules transport through inner channel of cell membrane[25].

Fig. 9. Optical analysis on bio-inspired Aquaporin-Z/polymer[17].

Fig. 10. Structural illustration and optical images of pat- terned block copolymer[18].

적 포텐셜의 차이를 기반으로 하여 일어난다. 이론적으로 아쿠아포린 단백질 채널은 물과 이온을 100% 분리해 낼 수 있으며, 단층 아쿠아포린 채널의 경우 기존 상용 역삼투막 대비 10배 이상의 빠른 수투과도를 갖는다는 연구결과가 분자 시뮬레이션을 통하여 보고되었다[15].

이러한 단백질 채널을 분리막에 적용하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있으며, 그 중 Kumar 그룹은 2007년 대장균에서 추출된 아쿠아포린-Z라는 물질을 포함하는 아쿠아포린/고분자 생체모방 복합 분리막을 구현하였다 [17]. 그 결과 기존 상용 역삼투막 대비 약 80배 빠른 수투과율 및 99% 염 배제율을 얻는데 성공하였다. 아 쿠아포린 기반 생체모방 복합 분리막은 우수한 수투과 도 및 염 배제 성능을 가지며, 대면적화 및 생산성에서 의 문제점을 해결한다면 기존 역삼투막을 대체 할 수 있는 기술로서의 적용이 가능하다.

3.4. 블록 공중합체 복합 분리막

블록 공중합체란 두 가지 이상의 고분자가 공유결합

으로 연결되어 있는 고분자로서 그 중합된 고분자의 종

류에 따라 두 종류의 고분자의 결합 시 다이 블록 공중

Fig. 11. Nano-porous structure by converting block copolymer: scheme of patterning block copolmyer (left) and SEM images (right)[19].

Fig. 12. Electro-spinning process for nanofiber membrane preparation[21].

합체, 세 종류의 고분자의 결합 시 트라이 블록 공중합체 등으로 분류할 수 있다. 서로 다른 성질을 갖는 두 종 류 이상의 고분자가 화학결합을 통하여 연결되어 있기 때문에 서로 간의 반발력을 가지며 특정 온도 및 압력 조건에서 상 분리가 일어난다. 이러한 상 분리는 각 고 분자 부분의 길이, 분율 및 분자량에 따라 달라지며 이 러한 인자들의 조절을 통하여 다양한 자가 조립 패턴 (Fig. 10) 을 만들 수 있다[18]. 이러한 자가 조립 성질을 갖는 블록 공중합체는 재현성이 뛰어나며 크기 또한 균 일하여 기존 반도체 공정의 미세 식각 기술을 대체할 수 있는 가능성이 있어 전기 전자 분야에서의 많은 연 구가 이루어지고 있다.

다이 블록 및 트라이 블록 공중합체를 이용하여 다양 한 나노 구조체를 제조하고, 선택적 식각 공정을 통한 기공 생성 공정이 가능하다. 이러한 블록 공중합체를 이용하여 높은 공극률 및 균일한 공극 분포를 갖는 분 리막을 제조하기 위한 기반 기술로의 연구가 활발히 진 행되고 있다. 자가 조립 및 선택적 상 분리를 통하여 만 들어진 블록 공중합체 복합 분리막은 수∼수십 나노미 터의 기공 크기를 가지며 기존 상용 막 대비 높은 공극 률을(Fig. 11) 보인다[19]. 그러나 현재 기술로는 정밀 여과 및 한외여과 수준의 분획분자량을 갖는 분리막 제 조만이 가능한 수준이며, 나노여과 및 역삼투 분리막에

적용 가능한 수준의 미세 기공 제조를 위해서는 상 분리 과정에서의 반응 제어 기술과 다양한 블록 공중합체 개 발에 많은 연구가 이루어져야 할 것이다.

4. 나노 기능성 분리막 소재

4.1. 나노 섬유 기반 분리막

전기방사(electrospinning) 법은 Fig. 12와 같이 방사

바늘(tip)과 응집판(collector) 간에 전기적인 포텐셜을 가

Fig. 13. Functional nanofiber membrane (CNT, catalyst composite, porous structure)[21].

Fig. 14. Photocatalytic reaction mechanism by semi-con- ductive nano particle.

Fig. 15. Structure of Inorganic nano material composite membranes.

하여 고분자 용액이 채워진 방사 바늘로부터 수 nm∼

수백 nm 수준의 직경을 갖는 나노 섬유를 얻는 공정이 다[20,26]. 방사된 나노섬유는 일반적으로 불규칙한 형 태의 부직포(nonwoven)의 형태를 띠지만 여러 가지 방 사 조건(바늘과 응집판 간 거리, 전압차, 방사 속도, 방사 바늘과 콜렉터의 운동 등)을 조절하여 섬유의 형태 조 절뿐만 아니라 규칙적인 구조를 갖는 막의 제조 또한 가 능하다. 제조된 나노섬유 기반의 부직포는 기공도와 표 면적이 매우 높아 화학적⋅생물학적 센서, 조직공학, 약물전달, 분리공정, 태양전지 및 연료전지 분야 등 활

용성이 매우 넓다. 특히 기존의 고분자의 상전이법을 이 용한 한외여과 분리막의 경우 낮은 표면 기공도(∼10%) 로 인하여 투과도에 한계를 보이는데 비해 70% 이상의 높은 기공도를 갖는 나노섬유 기반 분리막은 매우 높은 투과도 및 크기 배제효과를 나타내며 밀집한 섬유구조 와 서로 연결된 기공구조로 인하여 기공 크기보다 큰 입자들에 대한 기공 막힘 현상이 적고 세척이 쉽다는 장점이 있다. 또한 현재 나노섬유의 제조 한계는 직경 수십 nm 정도로 이를 통하여 형성된 기공 크기는 정밀 여과막 수준에 있으며 나노섬유층을 한외여과, 나노여 과, 역삼투 및 정삼투 분리막의 지지층으로 활용하는 경우 높은 표면 기공도로 인하여 기존 분리막 대비 투 과도를 크게 높일 수 있다.

또한 고분자 용액의 조성을 변화시키거나 다양한 첨 가제(이종 고분자, 기능성 분자, 촉매, 금속, 세라믹 등) 를 활용하여 나노섬유에 기공을 형성시키거나 필요로 하는 기능성을 부여할 수 있다. 나노섬유 표면에 특정 물질에 대한 흡착특성이나 분해특성을 보이는 기능성 기 ( 리간드, 나노입자, 효소 등)를 도입하는 경우 유기물, 단백질, 독소, 중금속 등을 흡착 및 제거가 가능하다.

이외에도 이온교환 수지의 지지체로 사용함으로써 이 온교환용량 및 교환속도를 크게 향상시킬 수 있다.

전기방사를 통하여 나노섬유기반 분리막을 제조하는 경우 고려해야 할 사항으로는 나노섬유의 직경, 두께 및 기공도를 균일성, 나노섬유의 기계적 안정성 등이 있다.

특히 상용화를 위하여 나노섬유의 기계적 안정성은 필 수적으로 확보되어야 하는데 나노섬유층 만으로 이루 어진 분리막의 경우 기계적 강도를 유지하기 어렵다.

따라서 나노섬유를 분리막으로 활용하기 위하여 추가

적인 지지층을 사용하여 기계적 강도를 확보하거나 열

처리 등을 통하여 나노섬유 간의 결합력을 증가시키는

등의 개질을 필요로 한다. 높은 기공도 및 표면적을 가

4.2. 나노 촉매 분리막 및 유⋅무기 혼합 분리막 최근에는 물을 정화하는 과정에서 분리막을 사용하 는 데 있어 미생물, 단백질 및 유기물을 크기 배제효과에 따른 분리기능뿐 아니라 표면이나 기공에 화학적 반응 성을 부여하여 유기물을 분해 및 전환하는 기능성을 갖 게하는 연구가 진행되고 있다[22]. 유기물을 분해하기 위하여 반도체 소재의 나노 촉매 입자를 이용하여 자외 선이나 태양광을 통해 활성화시키는 광촉매 반응으로 라디칼을 형성하여 미생물을 제거하거나 표면 및 용액 내 존재하는 유해물질의 산화환원반응을 유도할 수 있다.

이러한 반응의 효율을 극대화시키기 위하여 표면적과 활성화도가 매우 큰 나노 입자들을 사용할 수 있는데, 나노 입자 분산액을 통하여 오염물질들을 정화하는 경우 사용된 나노 촉매 입자의 회수 및 재생에 대한 문제가 있다. 나노 촉매 입자를 기존 고분자 수처리 분리막이나 세라믹 소재 분리막의 표면에 도입하는 경우 이러한 문 제점을 해결할 수 있을 뿐 아니라 분리막의 친수성을 향상시킬 수 있고 자가세정(self-cleaning) 기능을 부여 하여 분리막의 내오염성 향상에 큰 이점이 있다.

나노촉매 복합 분리막을 통한 광촉매 반응의 단점으 로는 나노입자가 분리막 내부 기공에 담지되어 있는 경 우 접촉 면적이 분산액에 비해 비교적 작고 생성된 전 자와 홀(hole)의 빠른 재결합으로 인하여 활성화 시간 이 매우 짧아 미생물의 분해에 많은 시간이 소요된다는 점이다. 따라서 표면적이 넓고 활성화 시간을 지연시킬 수 있는 다른 나노 소재(CNT 등)를 활용하여 이를 해 결하려는 연구가 진행되고 있다. 또한 자외선이나 반응 성 라디칼을 사용하는 경우에 이들에 대한 고분자의 내 구성이 문제가 될 수 있어 주로 세라믹 소재의 분리막 표면에 도입되고 있으며 이로 인하여 나노 촉매 분리막 은 제조비용이 높고 처리용량이 적다는 단점이 있다.

그러나 다양한 장점 및 기능성(긴 수명, 오염물질 분해 능, 친수성, 자가세정 등)으로 인하여 소규모의 수처리 공정에 적용 가능성이 크다.

코팅 등의 후처리를 통하여 제조되는 나노 촉매 분리

기공(macrovoid)의 형성을 줄여 분리막의 강성을 높일 수 있다. 첨가되는 나노 소재는 주로 졸-겔(sol-gel) 법 으로 제조되는 무기물 나노 입자로 금속산화물이나 이 종 금속 나노 입자의 경우 미생물을 제거하거나 유해물 질을 분해하여 막오염을 저감시키고, 중금속을 흡착하 는 등의 특성을 보인다.

그러나 기 제조된 나노 입자의 고분자 용액에서 응집 되는 현상이 문제가 되며 이로 인하여 기존의 고분자 분리막보다 분리성능 및 기계적 특성이 떨어질 수 있으 므로 균일한 혼합막을 제조하기 위해 분산 기술이 필요 하며, 최근에는 고분자 용액 내에서 전구체를 반응시켜 균일한 나노 입자를 직접 제조하는 기술이 연구되고 있 다. 혼합막은 제조가 간단하고 기존 분리막에 다양한 기능성을 부여할 수 있어 나노입자의 균일한 대량 제조 및 분산 기술이 확보되는 경우 수처리 분리막 분야에 적용 가능성이 매우 크다고 할 수 있다.

5. 결 론

수처리 분리막 기술과 나노 기술의 접목으로 매우 다 양한 특성을 나타내는 새로운 형태의 분리막의 제조가 가능하다. 나노 소재 및 기술을 사용하여 분리막의 기 본적인 요소가 되는 투과도와 선택도를 향상시켜 기존 분리막의 성능을 높이는 것뿐만 아니라 여러 가지 특성 ( 친수성, 반응성, 흡착성, 내오염성, 내열성, 내화학성, 기계적 강도 등)을 부여하여 다양한 목적을 가지는 기 능성 분리막으로 활용이 가능하다.

그러나 나노 소재 및 복합 및 혼합 분리막 제조 기술

의 한계가 존재하며 아직 많은 연구 및 개발을 필요로

하고 있다. 높은 선택성 및 안정성을 보이는 제올라이트

복합 분리막의 경우 투과도를 향상시키기 위한 박막화

기술과 제조비용의 저감이 요구되며 탄소나노튜브 및

아쿠아 포린과 같은 나노채널 소재의 경우, 기존 분리

막의 투과도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 예상되나

대면적화 기술의 부재와 낮은 생산성 및 높은 정제 비

할 수 있으나 기계적 안정성 및 대량 제조 기술의 확보 가 필요하다. 나노 촉매 분리막은 기존 세라믹 소재 기 반 분리막 제조기술의 개선을 통하여 쉽게 제조가 가능 하나 낮은 생산성 및 높은 제조 비용으로 아직 상용화 되지 못하고 있으며 유⋅무기 나노 소재 혼합막은 대량 제조가 쉽고 친수성, 내오염성, 기계적 강성을 확보하면 서 투과 성능의 향상이 크지만 유기물과 무기물 간의 공극으로 인한 분리막 내 결함이 발생할 수 있어 분산 도 및 균일성을 확보하는 유⋅무기 혼합 기술에 대한 연구가 필요하다.

이처럼 나노 소재 및 기술을 활용한 분리막 기술은 기존 분리막 성능 한계를 넘어 매우 높은 성능 향상 및 다른 기능성을 부여할 수 있으나 기술적인 한계로 인하 여 상용화가 늦어지고 있다. 나노 소재 기술과 분리막 기술의 발전뿐 아니라 두 기술을 접목시키는 융합기술 에 대한 연구가 이루어져야 하며 이를 통하여 가까운 미래에 새로운 차세대 분리막의 개발 및 상용화가 이루어 질 경우 현재 직면하고 있는 수자원 및 에너지 위기에 효 과적으로 대처할 수 있을 것으로 보인다.

감 사

본 연구는 지식경제부의 지원으로 수행한 차세대 친 환경 분리막 소재 및 응용기술 개발 과제의 연구결과로 이에 감사드립니다.

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