기능성 고분자 분리막

[사무국]

경희대학교 화학공학과 명예교수 김 성 수

 고분자 분리막은 고분자 물질로 만들어진 막으로, 혼합물에서 특정 성분만 선택적으로 투과시키는 기능을 가지고 있으며 그 특성에 따라 다양한 분야에 활용되고 있다. 분리막 공정은 기존의 분리 공정에 비하여 가열이 없는 상온 공정이며 화학약품 첨가에 의한 물질 변성이 없는 장점을 가지고 있으며 액체나 기체의 성분을 분리, 정제, 농축하거나 제거하는 데 활용되며, 화학 공정, 환경, 에너지, 바이오 등 다양한 분야에서 사용된다. 수십 나노미터에서 수백 마이크로미터의 두께를 가지며, 다공성 또는 비다공성 구조를 가질 수 있다.

 고분자 분리막의 분리 메커니즘은 sieve mechanism과 solution diffusion mechanism으로 분류될 수 있다. Sieve mechanism은 분리막 자체가 미세다공성(microporous) 구조를 갖고 있고 미세 기공의 크기보다 작은 성분만 투과한다는 개념이다. Solution diffusion mechanism은 분리막 자체가 미세 기공이 없는 비다공성 구조로서 분자 level에서의 분리가 일어나며 분자와 분리막 물질과의 친화성, 분리막 내부에서의 확산 속도의 차이에 의하여 분리하는 개념이다. 분리막은 적용 대상에 따라 크게 수처리 막과 기체 분리막으로 나누어지며 분리 메커니즘 및 세부 용도에 따라 다양하게 분류된다. 

1. 수처리 막
 1.1 정밀 여과막(micro-filtration membrane, MF)
 정밀 여과막은 0.1~10µm 크기의 입자를 제거하며 저압(0.1~2bar) 구동 방식의 분리 공정에 사용된다. Sieve mechanism에 의하여 큰 입자, 미생물, 고형물은 걸러지고(농축액), 용매 및 작은 용질은 통과한다 (투과액). 용존 염류나 저분자 유기물은 제거할 수 없다. 오폐수 및 정수처리가 가장 큰 응용 분야로 부유물, 조류, 박테리아 등을 제거하여 membrane bioreactor 개념으로 기존의 폐수처리 공정에 비하여 시간적, 공간적으로 유리하여 상당 부분 기존 처리 공정을 대체하고 있다. 또한 식음료 산업 분야, 바이오제약 분야에도 다양하게 활용 범위를 확대하고 있어 기존 석유화학 및 화학 공정 분야에도 적용되고 있다. 

 1.2 한외 여과막 (ultrafiltration membrane, UF)
 한외 여과막 역시 sieve mechanism에 의하여 고분자, 콜로이드, 단백질, 다당류, 미생물 및 바이러스 등을 액체로부터 제거하며 물, 이온, 소형 유기물 등은 투과시킨다. UF 막의 기공 크기는 1~100nm, 1~10bar의 작동 압력에서 운영되어 MF보다 미세한 분리 공정이라고 할 수 있다. UF의 경우 기공 size보다는 제거할 수 있는 물질의 분자량인 MWCO(molecular weight cut-off)으로 사양을 표시하며 1,000~500,000 돌턴(Da) 범위의 MWCO로 표시된다. MF와 UF 모두 압력에 의해 작동하며, 상변화는 발생하지 않는 상온 공정이다. UF의 적용 분야는 수처리 분야에서 역삼투(RO) 공정의 전처리, 탁도, 병원성 미생물, 콜로이드성 실리카, 유기물 제거 등에 활용되고 있다. 식품 및 음료 산업 분야에서 단백질 농축, 주스 정제 및 멸균에 사용되며 의료 분야에서 바이러스 제거, 항체 정제, 무균 여과, 효소 및 백신 농축/투석에 활용된다. 화학 및 산업 공정에서 페인트 회수, 에멀션 분리, 고분자 및 안료의 농축에도 적용된다.
 

 1.3 역삼투막 (reverse osmosis, RO)
 역삼투막은 용존 염류, 유기물, 거의 모든 저분자량 오염물질을 제거하는 공정에 사용된다. 비다공성 막으로서 solution diffusion mechanism에 의하여 자연적인 삼투압보다 높은 압력을 가하면 물 분자만이 RO막을 투과하여(permeate) 초순수 상태가 되며, 염류, 유기물, 박테리아, 바이러스 등은 차단되어(reject) 농축되게 된다. 작동 압력은 염분 농도에 따라 4~80bar를 적용하며 자연적인 삼투현상의 역과정이므로 역삼투 공정이라고 부른다. 해수 담수화, 초순수 생산, 폐수 재이용, 산업용수 처리 등에 널리 사용된다. 핵심 성능 지표는 염 제거율(salt rejection)로, 95%~99.8%의 매우 높은 수준이다. 
 나노여과막(nanofiltration, NF)은 평균 기공 크기가 1~10nm 수준인 반투과성 막으로, 역삼투(RO)와 한외여과(UF)의 중간 특성을 가진다. 2가 이온, 유기물(분자량 200~1000), 염료 색소 물질 등을 효과적으로 제거하며, NaCl과 같은 1가 염류는 부분적으로 통과시킨다.

2. 기체 분리막
 기체 분리막은 투과하는 기체가 membrane matrix에 용해된 후 확산되는 solution diffusion mechanism에서 용해도 및 확산 속도의 차이에 따라 특정 기체 성분만을 선택적으로 투과시키는 막으로 에너지, 환경, 화학 산업 등에서 필수적인 역할을 하고 있다. 기존의 증류나 흡수 공정 대비 에너지 효율이 뛰어나고, 모듈화에 용이한 장점이 있어 그 활용 범위를 넓히고 있다. 이산화탄소 제거, 수소 회수, 공기 분리, 천연가스 정제, 바이오가스 업그레이드 등에 활용되고 있다. 

 2.1 이산화탄소 분리막
 탄소 포집 및 저장 기술의 핵심 요소로, 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 기능을 한다. 특히 저에너지 소비, 공정 단순화, 소형화 가능성 등의 장점 덕분에 미래 탄소중립 전략에서 주목받고 있다. 현재 적용 분야는 발전소 배출가스(CO2/N2), 천연가스 정제(CO2/CH4), 수소 생산공정(CO2/H2) 등에 적용되고 있다. CO2 분리막 기술은 탈탄소 산업의 핵심 플랫폼으로 부상하고 있다. 고성능 막 소재와 공정 통합 기술이 병행 발전함에 따라, 앞으로는 에너지, 정유화학, 수소경제 등 다양한 분야에서 저탄소 공정 혁신의 주역으로 자리 잡을 가능성이 높다.

 2.2 수소 분리막
 수소 분리막 기술은 수소 경제의 핵심 인프라로, 고순도 수소를 저비용·고효율로 생산하기 위한 핵심 요소이다. 특히 수소 생산 과정 중 탄소 배출을 최소화하고, 연료전지·정유·화학 공정에서 혼합 가스(H₂/CO₂, H₂/CH₄, H₂/N₂ 등)로부터 고순도 수소를 분리하는 데 필수적이다. 주요 적용 분야로는 수소 제조(스팀 메탄 개질, 바이오가스 개질 등), 암모니아 분해, 수소 회수, 석유 정제공정 및 산업용 수소 회수, 연료전지 시스템에서의 수소 정제 등이 있으며 향후 활용 분야가 확대될 전망이다.

 2.3 공기 분리막
 공기 중의 주요 구성 성분인 질소와 산소를 분리하는 기술로서 질소 생산 및 산소 농축에 널리 사용되며 에너지 효율성과 운전의 간편함 때문에 PSA(압력 스윙 흡착)나 저온 공정에 비해 소형화, 이동성, 비용 측면에서 유리하다. 현재 사용되는 공가 분리막의 투과 측에는 산소가 농축되고, 비 투과 측에는 질소가 농축된다. 질소 농축의 경우 식품 포장, 제약 제조, 반도체 공정, 화재 방지용 등에 활용되고 있고 산소 농축의 경우 의료용 산소 발생기, 연소로 및 자동차 등의 연소 효율 향상, 폐수 처리장 산소 공급 등에 사용되고 있다. 

3. 분리막 제조 기술 및 전망
 고분자 분리막의 제조기술은 지속적으로 발전하고 있다. 미세다공막의 경우 상변환법에 의하여 고분자 matrix 구조를 형성한 후 사용된 용매나 희석제들을 제거하는 방법이 주종을 이루고 있고 결정성 고분자를 연신하여 미세기공을 형성하는 공정도 개발되어 여러 분야에서 사용되고 있다. RO 막이나 기체분리막의 경우 비다공막으로서 투과 물질에 대하여 선택성을 갖는 고분자 물질을 개발하여 직접 제막하거나 이를 극도로 얇게 코팅하여 사용하고 있다. 다양한 시스템에 대한 선택성 및 투과량을 개선하기 위한 물질 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 

 고분자 분리막은 인공장기 분야, 배터리 분야에도 직접적으로 활용되고 있으며 다양한 산업에서 핵심 기술로 자리 잡고 있으며, 기능성 및 친환경 소재 개발이 분리막 기술의 중요한 방향이 될 것이다.

필자소개
경희대학교 명예교수
한국막학회 회장 
경희대학교 공과대학장
지역혁신센터 소장
핵심연구센터 소장