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

다양한 하·폐수 처리에 적용되는 세라믹 멤브레인
도시화와 산업화에 따른 수질 악화, 난분해성 폐수의 증가, 환경규제 강화 및 생활수준 향상 등으로 환경친화적인 수처리 기술의 필요성이 증가하고 있어서 물리화학적, 생물학적 공정보다 수질개선 효과가 우수한 환경친화적인 멤브레인을 이용한 수처리 공정이 진화 중에 있다.

분리 멤브레인을 이용한 수처리 공정은 필터의 미세한 구멍을 통해 오염물질을 걸러내는 멤브레인 방식을 채택하는 기술로 기존 멤브레인 방식은 필터 자체의 높은 제조비용과 시스템 운영 및 설비유지 비용의 과다로 시장의 외면을 받아왔으나 21세기 들어 공정기술의 혁신과 멤브레인 소재의 지속적인 개발로 가격 경쟁력을 확보하여 빠르게 시장을 성장시켜 나가고 있다.

특히, 기존방식으로 처리하지 못했던 물질들을 걸러낼 수 있는 멤브레인 방식 고유의 장점이 부각됨으로써 분리 공정에서의 멤브레인 중요성이 계속 증대하고 있다. 이와 같이 중요성이 증대하고 있는 멤브레인 기술에서 수처리 설비의 효율성에 가장 크게 영향을 미치는 멤브레인 소재는 현재 고분자 멤브레인이 시장을 주도하고 있다.

세라믹 멤브레인은 내열성, 내화학성, 내구성 등 우수한 특성에도 불구하고 높은 제조단가 때문에 환경 수처리 분야에서 주로 정밀여과(MF)와 한외여과(UF)용으로 매우 제한적으로 응용되고 있으나, 최근에는 나노여과 멤브레인 적용성 등이 검토되어 다양한 하·폐수 처리에 적용하고 있다.

그러나 최근 들어 무기소재가 가지고 있는 내열성, 내약품성, 내유기 용매성 등이 우수한 특성으로 무기물로 이루어진 세라믹 멤브레인에 대한 중요성이 증대되고 있다. 세라믹 멤브레인은 내열성, 내화학성, 내구성 등 우수한 특성에도 불구하고 높은 제조단가 때문에 환경 수처리 분야에서 주로 정밀여과(MF)와 한외여과(UF)용으로 매우 제한적으로 응용되고 있으나 최근에는 나노여과 멤브레인 적용성 등이 검토되어 고분자로 만들어진 멤브레인을 대체하여 다양한 하·폐수 처리에 적용하고 있다.

수처리용 세라믹 분리 멤브레인 소재는 구조와 기능의 특성의 극대화가 가능하여 처리용량을 증대시키고 고집적화의 실현을 가능하게 할 수 있다. 특히, 기존의 고분자 멤브레인의 단점을 보완하는 새로운 멤브레인은 향후 수처리를 중심으로 증류, 흡착, 추출 등이 요구되는 제약, 반도체, 음료, 제지, 발전소 등 다양한 극한환경을 요구하는 시장으로 확대가 가능한 포괄적인 기술 분야이다.

세라믹 멤브레인은 열적 안정성이 높아 재생이 가능하므로 현재 고분자 멤브레인 시장에서 대두되고 있는 폐분리 멤브레인 매립 문제로 인한 이차적인 환경 문제 발생을 최소화할 수 있어서 친환경적인 멤브레인 소재이다. 수처리용 다공성 분리 멤브레인 제조기술은 크게 기공제어 분야와 기능성 부여 분야, 세라믹 압출공정 제어 분야 등으로 구분할 수 있다.

수입 의존적인 국내의 경직된 소재산업 분야의 특성상, 세라믹 멤브레인에 대한 국내 기술 수준은 환경 수처리 분야의 요구를 수용하지 못하고 있고 또한 환경 수처리 분야에서는 소재산업에 대한 부족한 이해로 개발 투자에 소극적이며, 시장의 형성과 확대를 주도하지 못하고 있다.

멤브레인은 사용하는 소재에 의해서 유기와 무기 소재로 대별한다. 멤브레인의 재질은 표면전하, 소수성 정도, pH 및 산화 내구성, 인장력, 유연성에 따라 다른 특성을 가진다. 일반적으로 MF 및 UF는 Cellulose Acetate, Polyamide 재질을 사용하는데 Polyamide 재질의 경우에는 다양한 pH 범위에서 내산화성을 갖는다.

무기 멤브레인은 유기 멤브레인에 비해 Flux가 2배 이상 높아서 동일 생산량에 필요한 소요 멤브레인 면적이 약 1/2배 규모로 작다. 성능 보증기간은 무기 멤브레인이 15년 정도로서 유기 멤브레인에 비해 약 2~3배 길며 성능이 다한 유기 멤브레인은 폐기 처분하는 반면 무기 멤브레인은 재사용이 가능하여 전체적으로 경제성이 높다.

따라서 침전 및 여과의 대안공정으로 소요면적, 공사비, 유지관리비 등의 경제성과 오존에 대한 내구성 및 세정에 대한 내약품성을 고려하면 무기 소재 멤브레인이 유기 소재보다 적합하다.

수처리 기술에 대한 수요 증가로 세라믹 멤브레인 시장의 고성장 기대
현재 세계 환경시장의 85%를 차지하는 서유럽, 북미, 일본 등 선진국 시장은 지속적으로 안정적인 성장세를 유지할 전망이며, 연평균 성장률은 9% 전후로 비교적 높을 전망이다. 이에 반하여 한국과 BRICs 등 신흥개발국가에 있어서 환경시장은 높은 성장세를 나타낼 전망이며, 특히 세라믹 멤브레인 필터 분야에서 빠른 성장세가 예측된다.

또한 경제가 성장함에 따라 이와 관련된 여러 환경기술 수요도 함께 증가될 전망이다. 신흥국가들의 환경시장 촉진요인으로 여러 가지 이유가 있지만, 대표적으로 경제발전에 따른 공업화 및 도시화, 수처리 및 폐수처리 등 환경 기초시설 확충 및 오염 방지, 청정환경유지에 따른 관광자원 확보, 환경규제 강화 등이 대표적인 이유이다.

특히 세라믹 멤브레인 필터는 상·하수처리, 공장폐수 처리, 지하수질 관리에 필수적인 핵심 부품이므로 그 중요성이 날로 증대되고 있으며, 이로 인하여 그 시장 전망이 매우 긍정적이다.

또한 선진국의 경우 환경규제가 더욱 강화되고, 소득 증대에 따른 삶의 질 향상에 부응하는 고순도 수처리 기술에 대한 요구가 증대되어, 종래 고분자 수처리막의 단점을 극복할 세라믹 멤브레인, 그리고 종래 고분자 수처리막으로 구현이 불가능했던 새로운 정밀화학 분야 등에서의 수처리기술에 대한 수요는 더욱 증가될 전망이다.

수처리용 세라믹 멤브레인 필터의 잠재 시장 규모를 예측하면 세계 시장은 2015년 9.7억 달러에서 2020년 14.9억 달러로, 국내 시장은 2015년 540억 원에서 2020년 1,159억 원 규모로 성장할 것으로 전망된다.

또한 미국 클리브랜드의 시장 조사 기관인 프리도니아 그룹(Freedonia Group)이 자체적으로 진행한 연구결과에 따르면, 앞으로 공정수 제조 요건이 더욱 엄격해짐에 따라 수처리의 수요가 더욱 증가할 것으로 전망했고, 또한 자원 추출, 상업 및 주택, 지역의 수처리 시장이 성장할 것이라고 전망했다.

자원 추출 산업에서는 석유와 천연가스 탐사 및 채취과정에서 발생된 생산수(Produced Water) 요건이 강화되고, 미국 내 증가한 수압파쇄(Hydraulic Fracturing) 활동에 대한 수요를 맞추기 위해 물 재활용 및 재이용이 증가함에 따라 수처리에 대한 수요가 증가할 것으로 예상했다.

그리고 Frost & Sullivan의 분석에 따르면, 빠른 산업화 및 도시화와 더욱 방대한 물 재이용을 요구하는 엄격한 규제로 수처리 관련 시장이 더욱 증가할 전망이며, 특히 전력, 식음료, 제약 산업 등 고순도의 물을 필요로 하는 정밀화학 관련 분야에서 수처리 시장이 더욱 증가할 전망이라고 한다.

이러한 전망들과 현재까지 조사된 시장자료를 토대로 본 평가대상 기술이 속한 수처리용 세라믹 멤브레인 필터의 잠재 시장 규모를 예측하면 2015년 세계 시장 9.7억 달러, 국내 시장은 540억 원에서 2020년 14.9억 달러, 1,159억 원 규모에 달할 것으로 전망된다.

세계 및 국내 기업들의 기술 개발 현황
미국과 일본을 비롯한 외국에서는 Cryptosporidium 등의 병원성 미생물에 의한 수질오염 사고가 발생함에 따라 일정크기 이상의 입자물질 제거 필요성이 증가하였고, 멤브레인 기술을 차세대 고도정수처리기술로 인식하여 활발한 연구 및 보급이 이루어지고 있다.

2000년 이전에는 소규모 수도시설을 중심으로 막여과 공정이 도입되었으나, 이후 대규모 정수장에도 도입되는 추세이다. 선진 외국의 경우 세라믹 멤브레인을 정수공정에 적용하기 위한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있으며, 이를 이용한 상품화 역시 활발하게 추진되고 있다.

세라믹 멤브레인 분야에서 최첨단 기술을 보유하고 있는 일본의 경우, 가정용 정수기를 비롯하여 맥주, 포도주, 과즙과 음료수 등의 정제에 사용되는 식품공업용, 각종 화학공정에 사용되는 액체의 정밀여과에 적용하고 있으며 이외 여러 화학공업용, 바이오리액터용, 등 전자 및 정밀기계공업 분야에서 세라믹 멤브레인을 장착한 장치들이 실용화되고 있다.

미국과 프랑스의 경우에도 환경오염산업에 이미 세라믹 멤브레인에 대한 기술개발과 그 적용사례가 많이 소개되고 있어 세라믹 재질의 특성을 이용한 적용 가능한 산업 분야는 향후 큰 폭으로 증가할 것으로 예상된다.

이러한 세라믹 멤브레인의 소재로는 알루미나를 다공질 지지체의 표면에 미세 기공층을 균일하게 형성시켜 투과도와 여과범위, 구조적, 화학적 안정성을 높이고 있으며, 기타 소재로는 티타니아, 지르코니아 등의 금속산화물을 이용한 메조포어 기공물질을 제조하는 연구가 국내외에서 여러 연구자들에 의해 진행 중에 있다.

일본에서는 1995년에 NGK가 정수장에 세라믹 멤브레인을 도입한 이후 2004년에는 NGK와 EBARA가 공동으로 39,900m3/일 규모의 정수장으로 확대 적용 채택되어 보급이 가속화되고 있으며, 2010년 기준으로 수처리 분야 세라믹 멤브레인 시장은 12억 엔 규모로 MF/UF용 고분자 멤브레인에 비해 미미한 수준이다.

미국 HPD 및 Pall에서 MF막은 α-알루미나, UF막은 티타니아, 지르코니아, 실리카를 소재로 상용화하였으며, 탄화규소의 MF막, 지르코니아, 티타니아의 NF막을 증기투과 용도로 개발 중에 있다. 그 외에도 TAMI 및 Hyflux 등에서 수처리용 세라믹 멤브레인 모듈을 개발하고 있다.

국내의 경우 유기 멤브레인 및 수처리 업체는 웅진케미칼, 코오롱, 에코니티, 퓨어엔비텍, 시노펙스, 필로스 등이 있으며 하수처리 분야에서 마을 하수 처리장 등 소규모 시설을 중심으로 관련 수처리 설비를 설치, 운영하고 있다.

국내에서 세라믹 멤브레인 개발에 관한 연구는 연구소, 대학과 기업에서 주로 부분적인 소규모 과제로 수행되어 왔다. KIST, 한국기계연구원 부설 재료연구소 및 한국에너지기술연구원의 연구팀에서는 여과막에 대한 연구를 진행하고 있으며, 기업의 경우에는 주로 대기오염 물질 제거용 멤브레인 개발에 중점을 두고 있는 실정이다.

세라컴에서는 가장 기본적인 형태인 튜브형 세라믹 멤브레인 제조공정을 확립하였으며 수도압(3 ㎏f/㎠)과 같이 낮은 압력에서도 역세척이 가능한 세라믹 멤브레인을 개발하였다. 에스이피엔지니어링도 해당 제품을 생산하고 있다.

1990년 이후에는 멤브레인을 이용한 물재이용 플랜트 기술 분야에 대한 소재 및 모듈 기술에 대한 특허출원과 논문 등을 통해서 관련 기술에 대한 연구가 진행되고 있으나 선진국 기술과 비교하였을 때 아직 정착단계로 볼 수 있으며 특히, 세라믹 멤브레인을 이용한 운전 및 제어기술 분야에서는 선진국과 큰 격차가 있는 것으로 파악된다.

원천소재 기술 개발 위해 정책적 지원 필요
세라믹 멤브레인을 이용한 수처리 산업의 경우 아직까지 선진 기업과의 기술적 격차가 클 뿐만 아니라 장기간 축적된 신뢰도를 극복하는데 어려움이 있고 특히 원천소재 기술은 국내에 전무한 상태이므로 원천소재 기술의 자립을 위해서 세라믹 분리 멤브레인 소재 및 시스템 개발까지 분리 멤브레인 수처리 전반에 대한 장기적인 정책적 지원이 필요하다.   

세라믹 멤브레인 수처리 기술의 경우 국내 세라믹 멤브레인 시장에 대한 정확한 조사 자료는 없으나 일부 식품산업에 사용되는 경우와 정수처리에 사용되는 경우(수자원공사 연초정수장)를 제외하면 국내 시장규모는 미미한 것으로 조사되고 있으며 향후 중소규모 시설을 중심으로 폐수처리와 재이용 분야에 세라믹 멤브레인이 활발하게 도입될 것으로 전망된다.

세라믹 멤브레인을 이용한 수처리 산업의 경우 국내에 원천소재 기술이 전무한 상태이므로 원천소재 기술의 자립을 위해서 분리 멤브레인 수처리 전반에 대한 장기적인 정책적 지원이 필요하다.

향후 수처리 분야에서 분리 멤브레인 소재의 연구방향은 NT와 BT의 융합이 이루어지는 소재, 높은 유속을 가질 수 있는 소재, 낮은 에너지 소비를 보이는 소재, 낮은 파울링(Fouling)을 보이는 소재, 낮은 환경충격이 요구되는 소재 등으로 이루어질 것으로 보인다. 그러므로 기존의 세라믹 다공질 멤브레인 소재 이외에도, 미래지향적인 분리 멤브레인 소재를 개발하기 위한 많은 노력이 요구되고 있다.

향후 세라믹 멘브레인은 정수처리 및 하·폐수 처리 분야에서 소규모 처리시설에 적용될 수 있으며, 물 재이용 시설 및 단위하수처리시설, 대형건물 및 시설, 학교, 병원, 리조트, 호텔 등에서 활용될 것이다.