KISTI 산업정보분석실 김기일(Tel:02-3299-6033  e-mail:kimkiil@kisti.re.kr)

증발법보다 효율적인 막분리법
해수담수화(Seawater Desalination)는 무한한 수자원인 바닷물을 담수로 이용할 수 있다는 점에서 전 세계적인 물 부족 문제를 해결할 수 있는 강력한 대안으로 간주되어오고 있으며, 세계미래학회 2008년 보고서에 따르면 세계적으로 가장 큰 산업 중 하나가 될 것으로 전망하고 있다.

해수에는 Na+, Mg2+, Cl- 등 다양한 이온이 높은 농도로 용해(총 용존고형물농도, Total Dissolved Solid, TDS = 35,000mg/L)되어 있는 반면, 담수의 TDS 농도는 500mg/L이므로, 해수를 담수용 원수로 이용할 경우 99% 이상의 TDS 제거가 필요하다. 이를 위한 해수담수화 기법에는 증발법과 막분리법이 일반적으로 적용될 수 있다.

해수에 다량의 에너지(열)을 가해 증발-응축과정을 통해 담수화시키는 증발법(세계 담수화 용량의 26.8%)과는 달리, 막분리법은 반투과성막(반투막, Semipermeable Membrane)이 설치된 모듈에서 해수조 방향으로 삼투압보다 더 큰 압력을 가할 때, 담수조 방향으로 물이 이동하는 원리를 기반으로 하는 방법(역삼투법 Reverse Osmosis, RO)이다. 해수담수화용 막분리법은 에너지사용량이 낮고, 증발법에 비해 소요공간이 적고, 처리용량이 높아 최근 선호되는 방식으로, 2012년 통계(Desalination.com)를 기준으로 세계 담수화 용량(65.2 백만 톤/일)의 60%를 차지하고 있다.

역삼투 플랜트는 취수, 전처리, RO, 후처리공정으로 구성된다. 전처리공정에서는 RO분리막 모듈로 유입되기 전에 RO분리막의 생물학적 파울링(Fouling)을 일으키는 미생물을 제거하기 위한 염소계 산화제(염소, 이산화염소, 클로라민 등) 처리공정이 포함된다.

해수담수화용 막분리법은 에너지사용량이 낮고, 소요공간은 적은 동시에 처리용량이 높아 최근 선호되는 방식으로, 2012년 통계를 기준으로 세계 담수화 용량의 60%를 차지하고 있다.

역삼투 플랜트의 수처리 효율 및 수명특성을 결정하는 가장 중요한 부품소재로는 높은 이온선택성(염배제율), 높은 수투과도, 우수한 기계적 강도, 내오염성, 향상된 내염소성, 높은 가공성 및 기술적 성능재연성 등 다양한 요구조건을 만족하는 반투과성 RO분리막이다.

대표적인 RO분리막 소재로는 셀룰로오즈 아세테이트(Cellulose Acetates, CA), 폴리술폰, 가교 폴리에테르, 폴리피페라진아마이드, 폴리아마이드(Polyamides, PA) 등 합성 고분자막이 사용되어져 왔다. 그중 CA나 PA계 복합막이 실제 RO 공정에서 주로 사용된다. CA계 RO분리막은 내산화성은 있으나, 생분해되거나 pH7 이상의 알칼리나 pH5 이하의 산조건에서 쉽게 가수분해되어 막 성능이 저감되는 문제점이 발생한다. 반면, PA계 RO분리막은 고투과성을 위해 도입된 다공성 지지층(두께 50m 다공성 폴리술폰층+두께 150m 폴리에스테르 부직포층의 2중층 구조)위에 PA 또는 그의 유사체(PA Derivatives)가 밀집박막형 염배제층(Membrane Skin Layer, 두께 150-200nm)으로 계면중합된 박막필름형 복합체(Thin Film Composite, TFC) 구조를 갖는다.

TFC형태의 RO분리막은 단위면적당 처리효율을 극대화하기 위해 막을 둘둘 말아놓은 형태인 Spiral Wound 방식으로 하나의 Element 모듈을 구성하여, 직경 4인치 또는 8인치, 길이 40인치 또는 60인치로 생산되어진다. 1~7개의 Element를 직렬로 연결한 형태를 Pressure Vessel이라 하며, 이 Vessel을 직렬 또는 병렬로 연결하여 RO 시스템이 구성된다. 이러한 PA계 RO분리막은 염소계 산화제에 노출되면 쉽게 산화되어, 수투과도가 증가되는 반면, 염배제율이 급속하게 감소되는 문제점을 나타낸다. 따라서 내염소성 확보를 위해 염소공격에 취약한 PA 화학구조를 변형시키거나, 아마이드 그룹을 포함하지 않는 대체소재(예: 술폰화 폴리아릴렌계 고분자)를 개발하는 연구/개발이 전세계적으로 추진되고 있다.

2010년부터 시행된 WPM 3세부 “저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재개발” 과제(주관기관: (구) 삼성SDI ㈜ (현) 롯데케미칼)를 통해 얻어진 국내 담수용 분리막 시장규모를 통해 간접적으로 해수담수화용 분리막시장을 추산하면, 2011년 860억 원에서 매년 9.4% 성장을 통해 2020년 1,930억 원에 이를 것으로 예상된다. 이러한 국내 통계는 2007년부터 국비 및 민자투자 약 2천억 원이 투입된 국토해양부 해수담수화 플랜트 사업에 의해 부산광역시 기장에 건설 완료된 일일처리용량 45,000톤급 RO 해수담수화시설의 정상가동 시(현재 고리원전과 관련된 방사성 수질 검증에 대한 지속적 요구에 의해 정상가동 지연상태임)에는 다소 변할 것으로 예상된다.

통계 자료의 변동폭에 영향을 주는 추가인자로는 RO분리막의 국내 공급업체이자 세계 시장점유율 4위를 차지하던 웅진케미칼의 도레이케미칼로의 인수합병 건과 2014년 미국 NanoH2O의 LG화학으로의 인수합병 건이 있다.

지역별 시장은 2010년 기준으로 일본을 제외한 아시아·태평양지역 26.2%, 미국 22.2%, 중동 20.5%, 유럽 16.1%, 일본 11.5%를 이루고 있지만, 2017년 아시아·태평양지역은 중국 및 아시아 신흥국의 시장잠재력 향상에 따라 28%로, 중동지역은 전통적인 증발법에서 고에너지효율을 갖는 역삼투 막분리공정으로의 전환에 따라 22%로, 유럽은 환경적 중요성 부각과 동유럽 시장경제 상승전망에 따라 16.6%로 성장되는 반면, 미국 20.7%, 일본 9.9%로 축소될 것으로 전망된다.

해수담수용 RO분리막 세계 시장의 경우 2011년 9,958억 원에서 2020년 2조 7,600억 원 규모로 늘어날 것으로 예상되며, 국내 시장의 경우 2011년 860억 원에서 2020년 1,930억 원에 이를 것으로 예상된다.

더해서 정삼투 및 막증류와 같은 대체/보완공정 연구도 지속적으로 이루어지고 있다. 별개로, 최근 수처리시장에 진입한 LG전자, LG화학과 함께, 제일모직 수처리사업부를 인수한 롯데케미칼-코오롱FM(소재)-코오롱 인더스트리(분리막 생산)-코오롱워터텍(수처리공법)-코오롱건설(수처리설비 및 건설)-코오롱워터앤에너지(수처리시설 운용)과 같은 자회사를 수직계열화하여 수처리 통합 솔루션을 제공하고자 하는 코오롱 등 국내 대기업들도 장기적으로 해수담수화용 역삼투 시장에 신규진입할 가능성이 있어, 이들 제조사간 기술경쟁이 가속될 것으로 전망된다.

해수담수화 역삼투 분리막법 관련 기술개발은 고성능 내염소성 막제조, 대형 막모듈제작, 에너지회수장치개발, 고압펌프개발 등 요소기술 개발과, 파울링 저감기술개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 막제조 기술은 염제거율이 현 수준(>99%)을 유지하면서 수투과율을 극대화한 고플럭스화 방향으로 진행되고 있다. 현재까지 공개된 최고수준의 플럭스인 12,000GPD(Galon Per Day)의 용량 제품을 보유한 업체는 Hydranautics 이며, 상당수 업체가 10,000GPD 이상의 고플럭스막을 양산하고 있다.
 
시장활성화를 위한 선결과제 및 전략
우리나라는 증발법 방식의 해수담수화 세계 1위 ㈜두산중공업을 필두로 최고수준의 시스템 엔지니어링 기술을 보유하고 있다. ㈜두산중공업 역시 최근 에너지저감문제와 직면하여 막분리법에 기반을 둔 해수담수화 시스템으로의 급격한 전환을 이루고 있다. 하지만, 전통적으로 강점을 보여오고 있는 시스템 엔지니어링 기술과는 달리, 시스템의 기본설계능력과 함께 RO분리막 핵심원천기술은 선진국과 비교하여 상대적으로 부족한 실정이다. 이를 위해 저에너지 소모형, 환경친화형 미래핵심 분리막 기술을 확보하는 것이 시급하다.

RO분리막 기술확보 방안으로는 단순 기술개발이 아닌, 최종단계 상업화에 초점을 맞춘 R&BD 전략이 바람직하며, 국가차원의 연구개발사업 추진이 필요할 것이다.

현 단계에서 적용 가능하며, 미래지향적인 RO분리막 기술로는 고플럭스(High Flux) 막 개발을 들 수 있다. 대표 예로는 나노기술과 바이오기술을 해수담수화에 적용함으로 효율성을 수배-수백 배까지 향상시키는 연구(제올라이트(Zeolite), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT), Superconductor Membrane, 생체모방형 Aquaporin Membrane, 분자적층형(Molecular Layer-by-Layer, mLBL) 분리막, 자가조립형 공중합체 분리막 등 새로운 소재를 RO분리막으로 사용하거나, RO분리막에 도입시켜 사용하는 기술개발)가 진행되고 있다.

상기 기술들의 상용화까지는 최소 10년 이상의 연구개발이 예상되지만, 최근 들어 나노기술 및 바이오기술의 빠른 진보속도를 감안할 때, 예상보다 빠른 시간에 혁신기술로 시장도입 될 수도 있다. 다양한 가능기술 중 가장 높은 가능성을 보이는 소재로는 그래핀과 Aquaporin이다. 2012년 Manchester 대학 연구진(Nair et al)은 그래핀 산화물(Graphene Oxide; GO)막이 헬륨과 같은 기체에 대한 배리어로 작용하는 반면, 물에 대해선 약 1,000배 빠른 투과도를 가짐을 보고하였다.

Aquaporin연구는 생물체의 세포막에 물이나 이온을 선택적으로 빠르게 통과시킬 수 있는 단백질 채널이 있음에 착안하여 이루어진 것으로, 물이 수 옹스트롬의 직경을 가진 소수성 통로를 통해 이동하는 반면, 이온은 자유에너지증가를 통해 배제할 수 있음을 증명하여 그 가능성을 보여주었다. 또 다른 대표적인 예는 mLBL형태의 막으로, 선택층 두께제어의 한계를 보이는 상업용 가교형 PA막에 비해, PA 분자층 구조를 층 단위로 적층시키는 방식을 택해, 선택층 두께 및 수투과/염제거를 위한 채널구조를 쉽게 제어할 수 있는 장점과 함께, 유기계 오염물에 대한 내오염성을 향상시킬 수 있음을 보여주었다.

서술된 각각의 기술은 많은 장점을 가지고 있지만, 기술적 난제들도 여전히 많이 포함하고 있다. RO분리막 기술확보 방안으로는 단순 기술개발이 아닌, 최종단계 상업화에 초점을 맞춘 Research, Development, & Business(R&BD) 전략이 바람직하며, 이를 위해 소모되는 막대한 비용과 위험부담을 감안할 때, 국가차원의 연구개발사업 추진이 필요할 것이다.