Membrane Filtration Plant

Membrane

Abstract

A membrane is a thin layer or sheet of material that is designed to selectively allow certain substances to pass through while blocking others. Membranes are used in a variety of applications, including filtration, separation, purification, and concentration of liquids and gases.
In filtration and separation applications, membranes are often used to remove impurities, such as particles, bacteria, and other contaminants, from liquids or gases. In other applications, membranes can be used to selectively transport specific molecules or ions, such as in the case of reverse osmosis or electrodialysis.
Membrane technology has become increasingly important in fields such as biotechnology, pharmaceuticals, and water treatment, where it is used for purification, concentration, and separation of various substances.
The degree of selectivity of a membrane depends on the membrane pore size. Depending on the pore size, they can be classified as microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) membranes.
Classified by forms membrane modules : There are Spiral-Wound Module, Hollow -Fiber Module, Tubular Type Module, Plate & Frame Type Module, etc.

Ⅰ. 멤브레인이란

Mmembrane 이란 특정성분을 선택적으로 통과시킴으로써 입자 분리라는 일반여과(Filteration) 뿐만 아니라 액체에 용해된 용존물질이나 혼합기체의 분리까지도 가능한 여과재로 선택적 투과성을 가지고 있다.
멤브레인을 막(膜) 또는 분리막이라 칭하기도 하며, 압력차(MF, UF, NF, RO), 농도차(NF, RO), 전위차(ED) 등의 성질을 이용하여 혼합 물질에서 성질이 다른 물질을 분리 또는 전달 기능을 강화시키기도 한다.

※ 막의 개발 역사

1748년 Jean Nollet에 의한 삼투현상에 관한 실험 이래로 1829년 Tomas Graham의 고체물질 속에서의 기체와 액체의 확산연구를 통하여 최초로 막을 이용한 물질분리가 시작되었다.
합성고분자 분리막의 경우, 1846년 Fick의 Cellulose Nitrate 막의 개발을 시작으로 Loeb와 Sourirajan의 Intergrally Skinned Asymmetric Hyperfiltration Membrane의 개발을 통하여 1960년부터 1980년까지의 20년 동안 많은 막소재 및 응용기술의 연구가 추진되었다.
1800년 중반 T. Graham에 의하여 기체 분리막의 용해, 확산모델이 제시된 이래로 기체 분리막에 대한 연구는 조금씩 발전하였으나 오랫동안 실용화되지 못하였다.
1950년대에 들어서면서 기체 분리막에 대한 연구가 본격적으로 수행되었는데 Dupont사는 용융 Polyester 중공사막을 개발하여 혼합기체로부터 수소와 헬륨을 분리하였으며, Monsanto사가 Polysulfone 중공사막에 Dimethylsiloxane을 Coating한 복합 중공사막으로 수소분리용 기체 분리막을 상업화 하였다.
그 후 1960년경부터는 미국에서 탈염을 위해 역삼투막을 중심으로 연구 발전되어서 공업용수의 제조와 특정물질의 분리, 폐수의 재이용, 음용수의 생산 등의 여러 분야에서 활용되고 있다.
(참조 : 특허청, 2002, 기능 성분리막)

1. 막의 분리 기능

1) 분리·농축 : 분리막 여과의 기본적인 특징은 상변화 없이 응집제등 약품 첨가 없이 고/액 분리, 액/액 분리 및 가스 분리 가능
2) 분획 : 분획은 용질 혹은 미립자를 분자량이나 크기에 대응해서 개별적으로 분리하는 것
3) 격리 : 분리막에서의 격리는 다른 성질의 액체 혹은 물질이 막사이에서 양자가 혼합되지 않게 분리상태에 있는 것
4) 고정·흡착: UF막과 MF막은 비교적 큰 세공경의 내표면에서 막의 분리와 흡착을 동시에 행한다.

(ROMembrane및 tubular Membrane(우))

(RO Membrane)

2. 막의 응용분야


분야	세부 분야	내 용
수처리	가정용	정수기나 연수기 등 음료용이나 생활용으로 주로 사용
	상하수처리	상하수 처리장에 멤브레인 방식이 병원성 세균 등의 처리 능력이 뛰어나 적용 확대 예상
	해수담수화	중동 등 물 부족 지역에서 멤브레인을 이용 해수의 나트륨 등 염분을 제거하는데 적용
전기,전자	반도체, 디스플레이	주된 용도는 초순수 제조 영역이며, 클린룸 공정에 필요한 세정수, 에칭액 등 공정의 사용되는 화학 약품의 정제 등에 사용
에너지	저장 (2차전지)	리튬이온전지 세퍼레이터로서 단락을 방지하고 리튬 이온만 선택적이며 가역적으로 투과시키는 기능을 함.안전성 강화를 위해 표면에 세라믹 코팅 등 후처리
	차세대발전	연료전지(PEMFC, SOFC 등)에 수소 이온 이동을 위한 멤브레인에서 사용. 대표적인 것으로 고분자와 세라믹 소재 멤브레인이 해당
	플랜트	원자력 등 발전 설비의 냉각수는 초고순수를 필요
헬스케어	제약	의약품 정제, 수액, 주사제 등 제조 공정, 약물 전달, 진단 테스트, 피부 부착 금연보조제, 콘택트 렌즈 등에 사용
헬스케어	의료기구	인공신장 등 인공장기의 역할로 혈액 투석(Dialysis) 기능, 각종 의료처치용 제품에 사용
석유, 화학	화학공정	클로로-알칼리(CA) 등 석유화학 공정에서 나오는 화학 약품이나 유기 용제의 정제와 포토레지스트(PR) 등 기능성 수지 제조 공정에서도 사용
석유, 화학	가스분리	석유화학 공정에서 발생하는 가스 분리, 바이오연료의 분리, 질소, 아르곤 등 고순도 가스 제조에 사용
생활	식음료	와인,맥주,청량음료 등의 여과,과즙의 농축정제,조미료 탈색,단백질의 농축정제 등에 사용
생활	섬 유	우주탐사용 제품에서부터 개인용 의류, 등산용품 등

Ⅱ. 멤브레인 분류

1) 분리 성능에 따른 분류

정밀여과막(MF; Microfiltration Membrane)

한외여과막(UF; Ultrafiltration Membrane)

나노여과막(NF; Nanofiltration Membrane)

역삼투막(RO; Reverse Osmosis Membrane)

이온교환막(IE; Ion Exchange)

전기투석막(ED; Electrolyte Dialysis)

기체분리막(GAS; Gas Separation/ PV)

혈액투석막 (Hemodialysis)

2) 막모듈 형태에 따른 분류

나권형 모듈(Spriral-wound module)

중공사형 모듈(Hollow -Fiber module)

관상형 모듈(Tubular Type module)

평판형 모듈(Plate &Frame type module)

모노리스형 모듈(Monolith type module)

3) 재질에 따른 분류


고분자 막 (유기막)	폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리술폰(PSF),셀룰로스아세테이트(CA), 테플론(PTFE) 등
무 기 막	세라믹막 (알루미나,지르코니아, 타이타니아 등)
금 속 막	스테인레스, 니켈, 팔라듐, 은, 백금, 금 등

4) 성질에 따른 분류


생채막과 합성막(인공막)	균질막과 불균질막	다공성막과 비다공성막
유기막과 무기막	대칭성막과 비대칭성막	친수성과 소수성막
단일막과 복합막

Ⅲ. 분리 성능에 따른 분류 및 특징

1. MF/UF Membrane

MF, UF멤브레인은 분리경 및 제거대상물질에 의하여 분리는 하고 있으나 일반적으로 거의 동일하며 체걸음 작용에 의해 여과 된다.
적용 분야는 정수처리,하수처리,해수담수화 전처리 등의 공정에 적용되어 부유물질 제거에 사용되고 있다

(MF막과 UF막의 특성비교)


사용막	여과법	분리경	여과성능	탁도 제거성능	제거가능 물질
정밀여과막(MF)	정밀여과법	공칭공경 0.01μm이상	0.5㎥/㎡일 이상	0.05 NTU이하	부유물질,콜로이드,세균,조류,바이러스,크립토스포리디움 포낭(包囊),지아디아 포낭 등
한외여과막(UF)	한외여과법	분획 분자량 100,000Daltn이하	0.5㎥/㎡일 이상	0.05 NTU이하	부유물질,콜로이드,세균,조류,바이러스,크립토스포리디움 포낭,지아디아 포낭,부식산,등

(정밀여과법과 한외여과법 특성 비교)


구분	분리대상	막구조(막형태)	조작압력(MPa)
정밀여과법	입자 지름 0.025∼10㎛	균질막/비대칭막	1Kgf/㎠ (감압∼0.1)
한외여과법	분획 분자량 1,000∼300,000Da	비대칭막	2~5Kgf/㎠ ( 0.2∼0.5)

1) 정밀여과막 (MF ; Microfiltration Membrane)

정밀여과막 (MF; Microfiltration):정밀여과법에 이용되며 부유물질이나 원충(原蟲),세균,바이러스 등을 체가름 원리에 따라 입자의 크기로 분리를 목적으로 정수처리,하수처리,중수도,해수담수화 전처리 등에 사용한다.

① MF막 성능

공 경 : 0.01μm이상
여과성능 : 0.5㎥/㎡․일 이상
탁 도 제거성능 : 0.05 NTU이하
운전압력 :흡입 0.6 kg/㎠ 정도,가압 2kg/㎠
제거 대상 물질 :부유물질,콜로이드,세균,조류,바이러스,크립토스포리디움 포낭(包囊),지아디아 포낭 등

② MF막의 특성

MF막는 다른 막분리 공정보다 높은 투과플럭스를 가지며,재래식 응집,침전 여과에 비하여 투과수질이 좋다
높은 투과플럭스,용이한 세척,적용의 유연성및 경제성 등으로 적용이 넓고,발전 속도가 빠르다.
MF막는 해수담수화 전처리,막여과 정수 뿐만 아니라 식품산업,화학공업,제약산업 등에 다양 한 분야에 적용
MF막의 공경은 다른 분리막에 비해 크기 때문에 공극 안으로 콜로이드가 들어가 내부 폐색을 일으킬 우려 높다.

(MF멤브레인 및 막여과 시설)

(침지식 MF 중공사막)

2) 한외여과막 (UF ; Ultrafiltration Membrane)

한외여과막 (UF : Ultrafiltration) :한외여과법에 이용되며 부유물질이나 원충,세균,바이러스,고분자량물질 등을 체가름원리에 따라 분자의 크기로 분리를 목적으로 사용 정수처리,하수처리,중수도,해수담수화 전처리 등에 사용한다.

① MF막 성능

공 경 : 0.01~0.001㎛
여과성능 : 0.5㎥/㎡․일 이상
탁도 제거성능 : 0.05 NTU이하
운전압력 : 2 ~ 3 kg/㎠
제거 대상 물질 :부유물질,콜로이드,세균,조류,바이러스,크립토스포리디움 포낭,지아디아 포낭,부식산 등
분리 능력 표시 :분획 분자량(MWCO),즉 분리해낼 수 있는 분자량의 크기로 나타냄
※ 분획 분자량(MWCO ; Molecular Weight of Cut-off)이란 UF막에서 사용되는 단위,막에서 90%이상 저지되는 표준 고분자물질의 분자량으로 표시

② MF막의 특성

UF막(한외여과막)은 세척을 통하여 여러번 사용 가능
한외여과막은 현미경으로 관찰해도 그 세공을 볼 수 없는 것이 MF와 다른 점이다.
한외여과막은 일반적으로 비대칭성 구조로 선택분리기능 가진 표면활성층 및 다공성의 지지층으로 구성
Pre Size보다 큰물질은 Fiter에 걸려서, Pre Size보 작어서 통과한 물질은 확산 작용에 의해 제거

(UF 막여과시설, 제철소 해수담수화시설 전처리)

(UF멤브레인 구조)

(UF 멤브레인 구조)

2. NF/RO Membrane

나노여과막 (NF ; Nanofiltratin Membrane)은 정밀여과법에 이용되며 이온이나 저분자량(유기물,농약,맛/냄새물질,합성세제,칼슘이온,마그네슘이온,황산이온,질산성질소 등)물질을 제거하는 목적으로 사용되는 반면
역삼투막 (RO ; Reverse Osmsis Membrane)은 이온 물질 제거를 목적으로 하는 막으로 담수용 역삼투막과 담수화 공정에 쓰이는 해수담수화용 역삼투막이 있으며,금속이온제거,해수중의 염소이온 등 이온물질을 제거하는 목적으로 사용 된다.

(NF막과 Ro막 특성 비교)


사용막	여과법	분리경	여과 성능	제거 가능 물질
나노여과막 (NF)	나노여과법	염화나트륨 제거율 5~93%미만	0.05㎥/㎡일 이상	유기물,농약,맛/냄새물질,합성세제,칼슘이온,마그네슘이온,황산이온,질산성질소 등
역삼투막(R)	역삼투법	염화나트륨 제거율 93%이상	0.01㎥/㎡일 이상	금속이온,염소이온,해수중의 염분 등

(나노여과법과 역삼투법 특성 비교)


구분	분리대상	막구조(막형태)	조작압력(MPa)
나노여과법	분획분자량 350∼1,000Da	복합막	5~40Kgf/㎠ (0.5∼4)
역삼투법	염류~분획분자량 3500Da이하	균질막,비대청막,복합막	40~100Kgf/㎠ (4∼10)

1) 나노여과막 (NF ; Nanofiltration Membrane)

① NF막 성능

공 경 : 0.005~0.001㎛
여과성능 : 0.05㎥/㎡․일 이상
여과작용 :체거름 작용과 확산 작용,즉 삼투현상을 응용
염화나트륨 제거율 : 5 ~ 93%미만
조작압력 : 5 ~ 40kg/㎠ 정도
제거 대상 물질 :유기물,농약,맛/냄새물질,합성세제,칼슘이온,마그네슘이온,황산이온,질산성질소 등
분리 능력 표시 :분획 분자량(MWCO)

(NF and나노여과 시설 )

(NF 멤브레인 & 나노막 여과시설 )

② NF막의 특성

분획분자량은 R막과 UF막의 중간적 특성을 가지며,주로 2가 이온이나 저분자물질이 분리대상이다.
NF막은 일부염을 저지하며,유기물에 대해서는 분자량 200~500정도의 분획분자량을 가진다
Nanofiltratin이란 용어는 이러한 분자량(200~500)이 20Å의 가상 공극을 갖기 때문에 붙여진 명칭이다.
조작압력이 높아 경제성이 떨어진다.
향후 증발법 등에서 스케일을 유발시키는 이온 물질을 제거하기 위한 전처리 등에 연구 되고 있다.

2) 역삼투막 (RO ; Reverse Osmsis Membrane)

① RO막 성능

공 경 : 0.001~0.0001㎛
여과성능 : 0.01㎥/㎡일 이상
여과작용 :체거름 작용과 확산 작용,즉 삼투현상을 응용
염화나트륨 제거율 : 93%미만
조작압력 : 50 ~ 75 kg/㎠ 정도
제거 대상 물질 :금속이온,염소이온,해수중의 염분 등
분리 능력 표시 :분획 분자량(MWC)

② RO막의 특성

이온 상태의 물질까지도 분리할 수 있어 주로 해수담수화,펄프 폐액 정화,도금폐수 처리 등에 쓰임
향후 수질오염 및 댐건설 등의 어려움으로 해안지역 등에 광역상수도용 해수담수화 추진 및 심층수 개발
역삼투막은 막의 한 종류로서 구멍크기는 수Å 정도로 알려져 있으나 일설에는 구멍이 없다고 설명하기도 한다.
이러한 반투막의 분리크기와 비교하면 분리대상으로 하고있는 물분자의 크기는 2Å정도이고,식염이온의 크기는 4Å정도로 알려져 있다.

(R멤브레인 및 해수담수화시설)

(역삼투 해수담수화시설, 스페인)

Ⅳ. 모듈 형태에 따른 분류 및 특징

1. 나권형(Spriral-wound Type) 모듈

(1) 구 조

나권형 모듈은 입구가 한쪽인 봉투와 같은 형태의 평막사이에 생산수가 흐를 수 있는 공간을 두었으며, 막과 막사이에는 Mesh Space를 두어 원수가 흐를 수 있도록 한 모듈, 즉 Module은 2장의 평막 사이에 통수가 가능한 지지체를 넣고 막의 외면에는 그물형태의 Spacer를 적층시킨 후 Roll Cake형태로 말아서 만든다
막과 막의 표면사이에 Polypropylene 재질의 메쉬 스페이서를 삽입하여 와류를 증대시켜 물질전달 촉진시키고 농도 분극 감소시킨다.
공급수가 각각의 모듈을 지나는 동안 분극 현상이 점차 증가로 압력이 저하되면서 구동력 감소 원인이 된다

(2) 작용 원리

모듈 유입부에서 유체에 압력을 가하게 되면 유입수는 모듈을 통과하면서 막에서 분라된 순수한 물은 중앙의 생산수 수집관으로 이동하게 되고, 막에서 배제된 유입수는 모듈의 반대쪽 끝에서 농축수가 되어 빠져 나간다.
공급수가 각각의 모듈을 지나는 동안 분극 현상이 점처로 증가하고 압력저하를 가져와 분리 구동력을 감소시키 는 원인이 된다.
실제 공정에서 사용하는 경우에는 모듈을 압력베셀에 2~6개를 직렬로 연결하여 사용한다.
모듈은 보통 1m 정도의 길이에 8Inch. 4inch 등이 직경을 가지며 통상 직경으로 8inch, 4inch 막이라 호칭 한다.

(와권형 RO 멤브레인)

2. 중공사(Hollow Fiber)형 모듈

(1) 구 조

중공사형 모듈은 원통형의 압력 통속에 빈공간이 있는 섬유성 실을 수천개에서 수만개씩 배열시킨 형태로 다른 모듈에 비해 부피당 막 표면적이 가장 넓으며, 고농도의 오염물질에 오염되기 쉽다, 투과방식에 따라 내압식과 외압식이 있다.
- 내압식(Inside-out Flow) : 원수가 막 내부에서 흐르며 막 외부로 처리수를 흐르게 하는 형식
- 외압식(Outside-in Flow) : 원수는 막 외부에 위치, 처리수는 막 외부에서 내부 흐르는 형식

(2) 작용 원리

중공사 모듈이 투과 방식은 막 내측에 유입하는 내압식과 막 이측에서 원수를 유입하는 외압식이 있다.
중공사형 막은 사람의 머리카락보다 직경이 작은 매우 미세한 방향성 폴리아미드로 만들어 지는데 섬유는 표면위에 0.1∼1 μm사이의 매우 얇고 촘촘한 층을 가지는 비대칭적인 것인 반면, 외층아래는 상대적으로 두꺼운 20∼30μm 다공성층이 존재한다.
따라서 중공사형 막은 자기지지형이며 두꺼운 벽을 가진 실린더와 유사하다. 외경과 내경의 비가 2:1정도가 되는 중공사는 파괴없이 높은 운전압력을 견딜정도의 강도를 갖기 때문에 다른 시스템과 비교하여 극도로 빽빽하게 주어진 부피를 채울 수 있다.
소규모의 RO장치에서는 관형의 외압형 모듈을 사용하는 것이 가장 바람직하며 대행화 할수록 단위용적당 투과량이 큰 중공사형을 사용하는 것이 바람직하다고 사료 된다

(중공사막 MF 멤브레인)

(3) 특 징

Fiber 다발 양쪽은 Epoxy로 접착하여 사용하므로 다른 Module과는 달리 막 지지체가 없어 고압에서 사용 곤란
단위 부피당 막면적이 넓어 처리액의 점도가 높지 않거나 Sludge 형성이 적은 물질을 분리에 성능 우수
막 내부 유로폐색을 일으킬 수 있으므로 철저한 전처리 필요.(고농도 현탁물질에 오염 쉽다)
중공사 모듈은 충진 밀도가 높아 단위부피당 막 표면적이 가장 넓다.
만들기가 쉽고 경제적인 system으로 매우 큰 Fiber 막 면적을 갖는다.
내압식은 막 내경 작아 작은 유량으로 높은 유속 가능하나 압력 손실 크고, 유로 폐색 발생 쉽다.
외압식은 원수중에 현탁물질이 존재하는 경우 사용하며, 중공사막 사이에 현탁물질 축적 발생

3. 관상(Tubular)형 모듈

① 구 조

관상형 모듈은 내압용기안에 파이프 형상의 분리막 element를 여러개 모아 놓은 형태로
분리막 element는 파이프 형태의 다공질 지지돤의 안쪽에 분리기능을 갖는 분림막을 고정시키는 개별 파이프형태 대부분 내압식으로 운전하며 스폰지볼을 이용하여세정한다.
Tubular module은 다른 module 형식에 비해 공급액 유로 입구가 크고 공급액의 유속을 크게할 수 있는 구조로 양호한 유체흐름(Good Fluid Hydrodynamics_을 형성하여 Fouling의 저항성이 크다는 장점이 있어서 비용이 높다는 문제를 극복하고 있지만 일반적으로 U/F 에만 적용되며 유럽을 중심으로 사용되고 있다.

(Tubular Type Membrane: PES and PVDF)

② 작용 원리

관형 막은 직경이 12 ∼25mm 정도로 고압에 견딜 수 있는 다공성 튜브 내에 위치한다 .고압을 지닌 유입수가 튜브내로 유입, 내압식(Inside-out Flow) 여과 형식으로 부유 고형물의 농도가 높은 유입수에 대해 유효한데 예를 들면 치즈 생산공장이나 탈지유 생산공장과 같은 낙농산물의 가공공장에서 탈수에 유용하다 .

③ 특 징

거대 입자만을 제거하는 정도의 단순한 전처리 만을 막의 운전이 가능하다.
유속을 크게 할 수 있으므로 막면상의 Scale형성이 적다.
여러가지 세정법의 적용이 가능하므로 세정이 용이. (Sponge Ball 세정 등)
Module구조가 간단하므로 막교환이 용이하다. (막교환비용이 싸다)
막면적비 장치용량이 크기 때문에 설치공간이 많이 필요하다.
보통 높은 유속으로 운전하므로 에너지 소비가 많다.
단위 부피당 막의 면적이 크지 않기 때문에 담수화의 경우 사용된 예가 드물다.
충진밀도 작으나 유로단면 커서 고농도의 현탁입자 함유한 액체 적용 가능

4. 평판(Plate &Frame)형 모듈

① 구 조

각 모듈 간격 조절 가능하며, 고농도의 현탁물질 함유한 원수 적용 가능
여과 면적 넓게 하기 위하여 부채형태로 접기도 한다.
평판형 module은 지지판의 양면에 평막을 붙인 것이고 작은 공간을 경계로 일정한 간격으로 층을 이루어 모듈화한 것이다.
현재는 일반적으로 Electrodialysis, Pervaporation System 또는 Small Ultrafiltration 과 R/System에 제한되어 사용하고 있다. R/System에 적용되는 것은 보통 수평형배열식을 쓰며, UF system에는 수직형 배열식을 사용한다.

(침지형 평막 Element &Block)

② 특 징

각 모듈이 간격 조절이 가능하여 고농도 현탁물질을 함유한 원수에 적용 가능하다.
분해 조립이 가능하여 세정이 용이하다.
각각의 평막 자체만 교체가 가능하다.
반면 평막은 오염물질 부착으로 하중이 아래로과대하게 집중되면서막이 찢어지는 경우가 있으며, 이를 보완하기 위하여 중앙에 상하로 보강재를 두기도 한다.
최근에는 평막 사용이 점차 감소하는 추세를 보이고 있다.

5. 모노리스(Monolith)형 모듈

① 구조 및 원리

Tubular막의 변종으로. Malti-lumen막 혹은 malti channel 막이라고도 부른다.
주상에 성형한 지지체에 복수의 유로를 설치하여, 내벽면에 치밀층을 형성한 막으로, 형상(形狀)이 한 본(本)의 석주(石柱)(monolith)를 닮고 있기 때문에 이렇게 부르고 있다.
일반적으로 사용되는 Monolith 막의 재질은 세라믹 계이다. 막의 형상으로 내압식으로 한정된다.
충진밀도 작으나 유로면적 커서 고농도 현탁물질 함유한 원수 적용 가능하다.

(모노리스형 세라믹 멤브레인)

② 세라믹 멤브레인 전망

최근 세라믹 멤브레인이 가격이 고가임에도불구하고 내구성이 우수하여 주목받고 있다.
하지만 세라믹 막은 Pore Size 제어에 한계가 있어 MF/UF 에 제한적으로 적용되는 현실을 감안하면장기
적인적용범위가 제한적일 것으로 여겨진다.

Ⅴ. 막 재질에 따른 분류 및 특징

1. 막 재질에 따른 분류


고분자 막 (유기막)	폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리술폰(PSF), 셀룰로스아세테이트(CA), 테플론(PTFE) 등 ※ 멤브레인 소재의 94%를 차지함. 유연하여 성형가공이 용이함. 내열성, 내약품성에 약함
세라믹 막 ( 무기막)	알루미나,지르코니아, 타이타니아 등의 소재로 이뤄짐 ※ 전체 소재의 5% 차지. 고분자막 보다 내열, 내약품성 우수, 가격고가, MF/UF 급의 분리성능 가짐
금 속 막 (무기막)	스테인레스, 니켈, 팔라듐, 은, 백금, 금 등 ※ MF 수준의 분리 성능을 가짐

2. PA 막과 CA 막의 특징

(1) PA(Polyamide)막 복합막(Composite Membrane)

복합막은 막의 분리기능을 담당하는 활성층(비대칭막의 조밀층)과 지지층(다공층)이 기본적으로 다른 재질로 구성 이 막의 제조방법은 막의 두께를 얇게 하면 막투과 유속이 증가한다는 용해 확산설을 기초로 하고있으며, CARNELL &CASSIDY법,FRANCIS법 및 초박막을 다공층 지지체에 직접 COATING하는 방법 등이 있다.
현재는 주로 계면 중합법을 이용하여 역삼투 복합막을 제조한다
복합막은 막의 표면적을 최대한 넓게 만들어 막투과수량을 증가시키고 기존의 CA막에 비해 염 제거율이 월등히 높다, 또한 단위 막면적당 투과 유량이 적고 주로 hollow fiber type으로 사용되며, chemical과 biological agent에 대한 저항력 있다.

(2) CA(Cellulose Acetate)막 비대칭막(Asymetric Membrane)

LOBE와 SOURIRAJAN에 의해 개발된 막으로써 두께가 100~200 ㎛인 반투성 막이다
이 막은 두께가 0.25~1㎛의 조밀한 활성층(스킨층)과 수십㎛ 정도의 세공이 다수존재하는 스폰지 형태의 지지층으로 구성되며 이 두 층이 같은 재질로 되어있는 것이 특징이다.
이들 두층중 조밀한 구조의 활성5층만이 탈염작용에 관여하며 지지층은 활성층이 고압에 견디도록 지지해준다
염의 분리작용을 하는 활성층의 두께가 전체의 1/100 이하로 얇은 것은 물의 투과에 대한 저항을 감소시켜 물의 막투과 유속을 증가시키기 위한 것이며, 단위 막 면적당 투과 유량이 많다

(CA 막과 PA 막 비교)


항 목		PA 막	CA 막	비 고
pH 범위		2~12	4~6	산 주입
운전압력 (Kgf/㎠)		15	30	동 력
제거율(%)	TDS	99+	98
제거율(%)	SiO2	99+	95
안 정 성		상당히 안정적	안정적	장기물성
물성저하		Flux Rejection	수질악화
염투과율 (3년 후)		30%↑	100%↑
제 거 율		99% → 98.7%	98% → 96%

3. 세라믹 멤브레인 (Ceramic Membrane)

(1)세라믹 막이란?

세라믹 멤브레인은 무기 막으로 고분자 막 또는 유무기복합 막보다 내열성,내구성,내화학성 등 성질이 우수하고다른 막에 비해 에너지 소모가 적고 높은 분리 효율을 가지고있으나,균열없는 기공구조 제어가 어렵고 취성이 커 부서지기 쉽고 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다.세라믹 막은 나노기공구조 제어를 정밀하게 제어하는 기술이 핵심이며 이로 인하여 MF / UF막에 제한적으로 적용되고 있으며, NF(한외여과), R(역삼투여과),기체분리 공정에 사용되는 막의 경우,미세구조 제어,막의 표면특성 분석,개질의 어려움 등의 여러 가지 기술적인 문제로 연구적인 단계에 머무르고 있는 실정이다

세라믹 막의 역사는1940년대 미국의 Corning Glass Co.에 의해 제조된 Vycor타입의 다공성 유리와 미국정부에 의한 Mahatan Project에서 개발된 U2핵연료 제조를 위한 UF6동위원소 기체분리용 분리막에 그 기원을 두고 있다.1960년대 중반이후 Oak Ridge Lab.에서 액체분리용 세라믹막이 개발되어1970년대의 세라믹막의 상업화에 기여를 하게 되었다.이후 세라믹 막의 잠재적 응용성이 높이 평가되면서 이들에 대한 상업적인 활동과 연구개발이 활발히 이루어지기 시작한 것은 1980년대 이후의 일이다. 1980년대 이후의 세라믹막은 정밀여과 공정에 사용되기 시작했고,그 동안 미국,일본 및 유럽 등에서 막의 제조 및 응용기술에 대한 광범위한 연구가 진행되고 있으며 상업화의 선두에 서 있다.

(여러형태의 세라믹 멤브레인)

(2) 세라믹 막의 재질 및 구조

세라믹 막의 소재로는 실리카,알루미나,티타니아,지르코니아 및 제올라이트 등이 주로 연구되고 있다.세라믹 막의 소재는 박막화에 의한 투과 속도 증대,균열 없는 양질의 분리 층,균일한 세공분포,투과저항이 거의 없는 지지체,내구성 및 화학적 내구성 등이 요구된다.세라믹 막의 선택 투과 성능 구현을 위한 대표적인 나노 기공 구조제어 기법으로는 졸-겔법(Solgel),기상 화학 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)이 있다.

(탄화규소(Silicn Carbide)세라믹 멤브레)

(탄화규소(Silicon Carbide)세라믹 멤브레)

(3) 세라믹 막의 적용분야

세라믹 막은 상하수도 등 수처리분야 및 산 알카리의 회수,식품․주류․주스 제조 등의 산업문야 등에서 사용되고 있으나 아직까지는 미미한 수준이다.수처리용으로 일본에서는 2004년에 약 39,900㎥/d규모의 정수장에 적용한 바 있으며,우리나라의 경우에는 한국수자원공사 연초정수장에 약 30,000㎥/d규모로 건설되고 있다.(2012년 준공 예정)

(4) 향후 전망

세라믹 막은 내열성,내구성,산․염기 등 화학적 안정성,고온 적용성,고 투과율 등 많은 장점을 가지고 있으나,비싼 멤브레인 가격으로 인한 초기 투자비 증가는 세라믹 막 대중화에는 많은 시간이 예상된다.또한 나노 기공 구조제어의 한계로 인하여MF/UF막에 적용범위가 제한적일 것으로 여겨진다.반면,고온 고압조건에서 혹은 화학적 내성이 요구되는 조건에서의 막의 이용에는 확대가 기대된다.

또한,세라믹 막의 대중화를 위해서는 가격적인 면에서 다른 소재 막과 대비하여 현실성이 있어야 하며,나노 기공제어가 가능하여 MF ~ RO막까지 적용이 가능하여야 할 것이다.또한,막의 소재 개발,부품 개발 및 엔지니어링 기술이 분야별로 유기적으로 연계될 수 있도록 많은 연구 개발이 이뤄져야 할 것이다.

Ⅵ. 막의 설질(구조)별 특징

1) 생채막 : 미생물과 각종의 기관에 있어서 세포막 등의 생체내에 존재하는 막으로 기능은 분리보다는 물질전달에 관계한다.
2) 합성막(인공막; Synthetic(Artificial) Membrane): 인공막은 생채막 이외의 모든막으로 실질적인 수처리 용도 등에 사용되는 통상적인 막
3) 다공질막 (Porous Membrane): 막에 실제 세공이 많이 있는 막으로 세공의 크기는 수 나노미크론 이상으로 세공수 많고(개공율 높고), 균일한 공경을 가진 막이 가치 높다.
4) 비다공질막(Non-Porous Membrane): 기체분자와 무기이온 등의 물지이 투과되는 세공경을 가진막으로 다공질막과 비다공질박의 사이에 세공경을 가진 막을 미다공질막이라 부른다.
5) 대칭성막 : 막의 단면을 중심으로 세공이 대칭된 구조를 가지는 막
6) 비대칭성막 : 막의 단면을 중심으로 표면과 내면이 다른막으로 특수한 얇은 치밀층(0.1~1㎛)과 이것을 지지하는 지지, 즉 다공질 층으로 형성한다.
7) 단일막 : 막재질이 한종류인 막
8) 복합막 : 막재질이 2종류 이상으로 막이 합성되어 만들어진 막으로 복합막은 비대칭성막의 일종으로서 분리 기능을 가진 특수한 얇은 치밀층과 재질이 다른 지지층으로 형성된다.
9) 균질막 : 막의 단면에서 균질한 막으로 균질막은 대칭막으로서 막의 두꺼워 여가저항 크다
10) 불균질막 : 불균질막은 단면에서 균질하지 않은 막으로 기계적 강도 보강하기 위하여 부직포 위에 분리 기능 형성시킨 막
11)유기막 : PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polysulfone), CA (Cellulose Acetate), PAN(Polyacrylnitrile), PA(Polyamide) 등의 고분자 물질로 합성되어진 막으로, 고분자 물질로 합성되기 때문에 사용되는 재질도 풍부하고 막형태도 다양하다.
12) 무기막 : 세라믹이나 스테인레스 등의 무기물질로 만들어진 막으로 형태 한정적이나 내고온성, 내산화성 등 우수하다.
13)친수성막 : 막표면의 물과 친화력 보이는 소재의 막으로 CA, PVA(Polyvinylalcohol) 등이 있다.
14) 소수성막 : 막표면의 물과 친화성 없는 막, 즉 방수성을 나타내는 막으로 PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PS(Polysulfone) 등이 있으며, 소수성막 친화성위해 화학적 처리로 가능하다.

(유기막과 무기막의 비교)


재 료	종 류	비 고
Polymer membrane (유기막)	polyalkenes	Polyethylenes(PE), Polypropylene(PP)
	Cellulosics	Cellulose Acetate(CA), Cellulose nitrate, Cellulose triacetate
	Polyninyls
	Polysulfones	Bishpenol A Polysulfone, Polyether Sulfone
	Polycarbonate
	Poyamides(PA)	Nylon-6, Aramids
inorganic (무기막)	금속성 멤브레인	스테인레스강, 니켈, 은, 플래티늄, 금, 팰래디움 etc.
	세라믹 멤브레인	알루미늄, 타이타늄, 실리콘, 저코니움 etc.
	유리 멤브레인	다공성 (0.3nm이상) 유리 멤브레인

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Membrane

Ⅰ. 멤브레인이란

※ 막의 개발 역사

1. 막의 분리 기능

2. 막의 응용분야

Ⅱ. 멤브레인 분류

Ⅲ. 분리 성능에 따른 분류 및 특징

1. MF/UF Membrane

1) 정밀여과막 (MF ; Microfiltration Membrane)

① MF막 성능

② MF막의 특성

2) 한외여과막 (UF ; Ultrafiltration Membrane)

① MF막 성능

② MF막의 특성

2. NF/RO Membrane

1) 나노여과막 (NF ; Nanofiltration Membrane)

① NF막 성능

② NF막의 특성

2) 역삼투막 (RO ; Reverse Osmsis Membrane)

① RO막 성능

② RO막의 특성

Ⅳ. 모듈 형태에 따른 분류 및 특징

1. 나권형(Spriral-wound Type) 모듈

2. 중공사(Hollow Fiber)형 모듈

3. 관상(Tubular)형 모듈

4. 평판(Plate &Frame)형 모듈

5. 모노리스(Monolith)형 모듈

Ⅴ. 막 재질에 따른 분류 및 특징

1. 막 재질에 따른 분류

2. PA 막과 CA 막의 특징

3. 세라믹 멤브레인 (Ceramic Membrane)

(1)세라믹 막이란?

(2) 세라믹 막의 재질 및 구조

(3) 세라믹 막의 적용분야

(4) 향후 전망

Ⅵ. 막의 설질(구조)별 특징