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정삼투용 분리막해수담수화 분야에서 성장 기대
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승인 2017.05.16  11:11:09
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KISTI 산업정보분석실 유영복(Tel: 02-3299-6050 e-mail: yybok@kisti.re.kr)

 [ 요약 ]

1. 정삼투(Forward Osmosis; FO)용 분리막은 낮은 삼투압을 갖는 공급염수로부터 고농도의 유도용액 방향으로 물을 빠르게 이동시켜 삼투압만을 통해 염분을 제거할 수 있어 공정구동시 필요한 수리학적 압력을 적게 가할 수 있으며, 역삼투(Reverse Osmosis)막에 비해 막오염이 적어 수명특성이 향상된 차세대 저에너지 수처리공정을 위한 핵심부품이다.
2. FO용 분리막 시장은 매년 4.2%의 연평균 성장률을 갖는 해수담수화 분리막 시장을 부분적으로 점유할 것으로 예측된다.
3. FO용 분리막 시장은 해수담수화를 주요 응용분야로 하여, 국내외 기업들이 표준화 소재 정립과 기술선점을 위해 경쟁이 치열해진 상태이며, 2020년 세계시장규모는 최대 9,500억원으로 전망된다.
4. 전 세계적으로 FO용 분리막 시장은 Hydranautics, Hydration Technology Innovations LLC(HTI), Porifera Inc가 주도하고 있으며, 국내에서는 롯데케미컬, 마이크로필터 등의 기업이 시장 도입을 위해 노력하고 있다.

정삼투 공정 가능하게 하는 정삼투용 분리막
정삼투(Forward Osmosis, FO) 공정은 쉽게 분리 가능한 고농도의 유도용액을 이온선택성을 가지는 반투과성 분리막(이하 ‘반투막’)의 한 쪽에 투입하여, 염수로부터 자발적인 물의 확산현상을 유도시켜, 삼투압만으로 염분을 제거하는 차세대 해수담수화(Desalination)기술이다. 정삼투 공정의 장점으로는 운전에 필요한 인가압력저감을 통해 공정비용 및 에너지비용(이론치<2.0 kWh/m3)을 낮출 수 있으며, 저압인가를 통한 막오염(Biofouling)도를 낮출 수 있고, 분리막의 수명특성을 향상시킬 수 있으며, 시스템 구성을 단순화시킬 수 있다는 점이다.

이러한 장점을 지닌 정삼투 기술의 가능성은 1970년대에 제시되었으나, 정삼투용 분리막의 부재로 인해 실용화의 진행이 이루어지지 못하다가, 최근 정삼투용 분리막 개발이 활발히 진행되면서 가능성 있는 해수담수화기술로 주목받고 있다. 

정삼투 공정성능을 결정하는 핵심기술 중 하나인 정삼투용 분리막은 높은 Water Flux, 낮은 Salt Flux,  생물학적 오염물 및 유기물에 대한 높은 제거율, 우수한 기계적 물성, 높은 내오염도, 낮은 구조인자(Structural Factor) 및 낮은 굴곡도(Tortuosity), 우수한 내화학성, 낮은 내부농도분극(Internal Concentration Polarization) 유도 등 주요요건들을 만족하여야 한다.

상업화된 역삼투(Reverse Osmosis, RO)막이 표준화되어있는 것과는 달리, 정삼투용 분리막은 다양한 소재를 통해 성능 향상을 꾀하고 있는 상태이며, 현재까지 표준화는 이루어지지 않고 있다. 정삼투용 분리막은 고분자소재에 따라 셀룰로오스계, 폴리아마이드(Polyamide, PA)계, 폴리아릴렌계로, 막의 형태에 따라 평막, 나권형 막, 중공사형 막으로 분류되어진다. 전통적으로 역삼투용 분리막으로 많이 사용되어 왔던, 셀룰로오스계 분리막은 대개 비대칭형 평막이나 중공사막 형태로 제조되며, 높은 내산화성을 갖는 반면, 상대적으로 좁은 pH 범위(5<pH<7)로 사용이 제한된다는 점과 생분해성 및 낮은 Water Flux (~6.5 LMH, L/m2/h) 문제를 나타내고 있다.

반면, PA계는 고투과성을 위해 도입된 다공성 지지층 (두께 50m 다공성 폴리술폰층+ 두께 150m 폴리에스테르 부직포층의 2중층 구조) 위에 밀집박막형 PA계 고분자가 150-200nm의 두께로 계면중합된 박막필름형 복합체(Thin Film Composite, TFC) 구조를 갖는다.

PA계 TFC막은 높은 염제거율(> 99%, 낮은 Salt Flux)을 가지며, 비교적 넓은 pH 범위에서 사용가능한 반면, 역삼투용 분리막으로 사용될 때와는 달리 정삼투용 분리막으로 사용될 시에는 저압구동 시 높은 Water Flux가 확보되지 못하는 점과 염소계 산화제에 노출될 시 쉽게 산화되어 Water Flux는 향상되나 Salt Flux가 증가되는 문제점을 보인다. 이러한 PA계 분리막의 취약한 내염소성 문제를 해결하기 위한 시도로는 염소공격에 취약한 PA화학구조를 변형시키거나, PA 작용기를 포함하지 않는 폴리아릴렌계 대체소재(<30 LMH)를 도입하는 시도가 전 세계적으로 진행되고 있다.

낮은 삼투압만으로 염분을 제거하는 정삼투 기술은 실용화 진행이 이루어지지 못하고 있다가. 최근 정삼투용 분리막 개발이 활발히 진행되면서 차세대 해수담수화 기술로 주목받고 있다. 정삼투용 분리막은 다양한 소재를 통해 성능 향상을 꾀하고 있는 상태이며, 현재까지 표준화는 이루어지지 않고 있다.

   
 
저에너지 소모형 정삼투 공정의 선결과제 중 분리막 관련기술로는 현 수준보다 향상된 Water Flux를 갖는 고플럭스 분리막 기술 및 이를 기반으로 한 모듈의 대용량화 기술이 있다.
Water Flux 향상은 친수성 소재 도입과 수투과도가 높은 화학구조를 갖는 고분자 소재 최적화를 통해 달성될 수 있으며, 상업화 목표로는 50LMH 이상을 확보코자 하고 있다. 정삼투용 모듈 대용량화를 위해서 필수적인 8인치 모듈은 프로토 타입형태의 나권형 막으로 제조되었고, 현재 평가가 이루어지고 있어 근래에 상업화될 전망이다.

또한, 해외 선진그룹 주도로 중공사막에 대한 연구결과도 최근 발표되는 등 대용량화에 대한 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 정삼투용 분리막의 응용분야로는 해수담수화 외에도, 다양한 분야(수처리, 단백질 분리/정제, 압력차 발전(Pressure Gradient Power Generation; Pressure Retarded Osmosis))에 사용될 수 있다.

   
 
정삼투 기술, 역삼투 기술 대체할 것으로 전망
2015년 지식산업정보원 ‘물산업/수처리쪾담수화 육성전략 및 산업분야별 멤브레인 기술/시장분석’ 보고서에 따르면, 2014년 세계 물시장은 양적 완화 축소에 따른 세계 경제 불확실성으로 인해 성장률(3%)의 일시적인 저감이 있었지만, 2015년 이후 세계 경제 안정과 개발도상국의 성장세 회복에 맞물려 연평균 5%대의 빠른 성장세(2018년 약 800조원)를 기록할 것으로 예측된다.
분리막 수처리 세계 시장 규모는 아래와 같이 2015년 약 30조원에서 2030년 460조원 규모로 연 20% 급성장을 할 전망이다.

   
 
현재 해수담수화시장은 정삼투 기술이 시장초입단계라는 특수성으로 인해 거의 대부분 역삼투 기술에 기반하고 있다. 하지만, 정삼투 기술의 에너지 소비율이 역삼투 기술 대비 1/3 수준(이론 에너지 소비율: 1 kWh/ton)이라는 점으로 인해 정삼투 기술의 시장진입은 자명하다. 하지만, 독립적인 기술보다는 다양한 수처리 및 분리막 기술과의 하이브리드 시스템을 선호하는 정삼투 기술 특성상, 역삼투 기술의 일부를 대체할 것이라 예상된다.

2014년 한국수출입은행 보고서에 의하면, 해수담수화 관련 분리막 시장은 4.2%의 성장률을 보이고 있으며, 2015년 2조2천억 원 규모로 추정되며, 2020년에는 약 2조7천억 원의 세계시장을 형성할 전망이다. 향후 정삼투용 분리막 시장 규모는 역삼투용 분리막이 선점하고 있는 해수담수화 분리막 시장의 20-50% 수준으로 형성될 전망이다. 해수담수화용 분리막 시장 중 정삼투 기술 비중이 약 30%일 때, 2020년 추산 정삼투 분리막의 세계 시장 규모는 약 8천억 원이 될 전망이며, 50%를 대체할 경우에는 1조 3,500억 원 규모로 성장할 것으로 예상된다. 이 수치는 정삼투용 분리막이 해수담수화 용도로만 한정했을 때 추산한 결과이며, 다른 수처리 분야 응용 시 시장은 더욱 확대될 수 있다.

향후 정삼투용 분리막 시장 규모는 현재 역삼투용 분리막이 선점하고 있는 해수담수화 분리막 시장의 20~50% 수준으로 형성될 전망이며, 해수담수화용 분리막 시장 중 정삼투 기술 비중이 약 30%라고 가정할 때, 2020년 추산 정삼투 분리막의 세계 시장 규모는 약 8천억 원이 될 전망이다.

분리막 수처리 시장에서 정삼투막의 시장점유율을 20%와 50%의 중간값인 35%를 차지한다고 가정할 경우, 매년 연평균성장률 4.2%씩 성장하여 2020년에는 약 9,500억 원의 세계 시장을 형성할 전망이다. 또한 국내 정삼투용 분리막 관련 시장 규모를 직접 제시한 자료는 없지만, 해수담수화와 관련된 여러 보고서 및 전문가 의견을 참조하면, 해수담수화 관련 국내 시장 규모는 세계 시장의 약 8%를 점유하고 있으므로 이를 토대로 정삼투용 분리막 관련 국내 시장 규모를 추정하면 2020년 약 800억 원 규모의 국내 시장을 형성할 것으로 전망된다.

   
 
대표적인 정삼투용 분리막 관련업체로는 Toyobo(일본), Dow Filmtec, Hydranautics, Hydration Technology Innovations LLC(HTI), Porifera Inc(미국), Modern Water Plc, Chelsea Technolgies Group Ltd(영국), IMI-TAMI Institute for Research and Development(이스라엘), Aquaporin(덴마크), Xiamen Kymem Technolgy Company Ltd(중국), Arabian Japanese Membrane Company(사우디아라비아), 롯데케미컬, 마이크로필터(한국) 등이 있다.

국내에서는 2010년부터 시행된 WPM 3세부 ‘저에너지 고효율 담수용 멤브레인 소재개발’ 과제(주관기관: (구) 삼성SDI ㈜ (현) 롯데케미칼㈜)를 통해 정삼투용 분리막을 개발하여, 대량생산화 체계를 갖추고, 사업화를 추진 중에 있다. WPM 사업 결과물인 정삼투용 분리막은 2014년부터 시행 중인 정삼투-역삼투 하이브리드 플랜트 건설과 관련된 국토부 실증화 국책과제에 공급수요처로 활용될 예정이다.

정삼투용 분리막 상업화 위해 정부 지원과 기술 통합 필요
해수담수화 세계 시장은 9.5%의 연평균 성장률을 가지며 급격히 확대될 것으로 예측되어진다. 2008년 대비 2020년 세계 담수화 생산규모는 1.5억 m3/day(연평균 성장률: 17%)로 확대될 전망이다. 이중 분리막법에 기반을 둔 해수담수화 기술은 전체 기술 중 약 71% 이상을 점유할 것으로 예상된다. 분리막 기반 해수담수화 대표기술인 역삼투 기술의 강세가 예상되지만, 역삼투 기술을 통한 담수화 필수조건인 높은 압력인가와 그로 인한 에너지비용 부담 때문에, 역삼투 기술 대비 20-30% 비용절감을 할 수 있는 정삼투 기술이 일부 시장(예측치 20-50% 내외)을 대체할 것이라 예측된다.

정삼투용 분리막의 상업화를 위해서는 정부 및 기업주도형 연구개발사업 추진과 지원이 필수적이며 정삼투-역삼투 하이브리드 공정 및 압력지연삼투 공정과 같이 기술적 통합을 통해 각각의 기술을 상호 보완하여 효율성을 증대하는 방법이 모색되어야 한다. 

유도용액과 함께 정삼투 시장 활성화의 키를 쥐고 있는 정삼투용 분리막 개발의 최종 종결지는 고플럭스(High Flux)막과 관련 있다. 이를 위한 대표적 연구성과로는 제올라이트(Zeolite), 그래핀(Graphene), 카본나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)과 같은 나노기술을 적용하거나, 생체모방형 Aquaporin 분리막과 같이 바이오기술 적용을 통해 해수담수화 효율을 수백배 높인 신규 분리막소재를 들 수 있다. 아래 그림은 물에 대한 높은 투과 특성을 갖는 CNT(검정색 관형모양)나 Aquaporin(감색 수직형 구조체)을 높은 이온선택성을 갖는 수처리용 고분자 분리막(예: PA TFC)에 도입시켜, 기존 분리막보다 Water Flux를 향상시키면서, Salt Flux는 유지코자하는 개념인 하이브리드 기술을 보여준다. 이 기술의 현장적용은 많은 기술적 난제들로 인해 최소 10년 이후로 예상되지만, 빠른 기술진보 속도를 감안할 때, 예상보다 빠르게 시장도입이 될 수도 있다.

   
 
현재 초기 개발단계인 정삼투 공정 기술을 감안할 때, 고투과선택성 정삼투용 분리막이 개발될 경우, 세계 시장의 주도가 예상된다. 정삼투용 분리막의 상업화를 위한 연구개발 추진전략으로는 Research, Development&Business(R&BD)전략이 바람직하며, 이를 달성하기 위한 소요비용 및 위험부담을 고려함과 동시에 정삼투용 분리막 개발 시 국가경쟁력 증대와 세계시장확대 측면을 감안할 때, 정부 및 기업주도형 연구개발사업 추진 및 지원이 필수적이다.

또한, 정삼투-역삼투 하이브리드공정 및 압력지연삼투(Pressure Retarded Osmosis) 공정과 같이 두 개의 다른 종류의 해수담수화기술을 병렬로 결합시키거나, 기술적 통합을 통해 각각의 기술을 상호 보완하여 효율성을 증대하는 방식 역시 모색되어져야 할 것으로 판단된다.

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