[논문]나노 기술을 이용한 수처리 분리막 소재의 최근 연구동향

이희대; 조영훈; 박호범

나노 기술을 이용한 수처리 분리막 소재의 최근 연구동향
Current Research Trends in Water Treatment Membranes Based on Nano Materials and Nano Technologies 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.23 no.2, 2013년, pp.101 - 111

이희대 (한양대학교 에너지공학과) , 조영훈 (한양대학교 에너지공학과) , 박호범 (한양대학교 에너지공학과)

초록
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나노 소재는 표면적이 매우 크고 크기나 기공이 균일하여 분리막에서 물질 전달 통로나 특수한 기능성을 갖게 하는 소재로 이용이 가능하다. 그러나 나노 소재 및 나노 기술을 기반으로 한 분리막의 상용화를 위한 여러 가지 기술적인 한계가 존재하며 최근 나노 소재 및 제조 기술이 발전하고 다양해짐에 따라 분리막에 나노 소재 및 기술을 활용하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 나노 소재 및 기술을 활용하는 경우 기존 분리막의 투과도 및 선택도를 크게 높일 수 있으며 열적, 화학적, 기계적 안정성 및 내오염성을 향상시키거나 기능성 소재를 활용하여 분리막에 새로운 기능을 부여할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Nano materials having large surface area, uniform dimensions or pores can be utilized in various membrane applications. Recently, many studies have been focused on the application of nano materials and nano technologies in membrane applications by the help of the discovery and development of nano technologies. in terms of mass transport channels or functional modification. However, there have been several technological limitations for commercialization. Nano materials and nano technologies can improve 1) permeability, selectivity, 2) mechanical, chemical, thermal stability or fouling tolerance of conventional membranes and even 3) introduce new functionalities such as specific affinity and reactivity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그 결과, 제올라이트 복합막은 기존 상업용 막 대비 선택층에서의 가교밀도가 떨어지지만 제올라이트 나노기공을 통한 물/이온 선택적 분리에 대한 가능성을 확인하였다. 따라서 제올라이트의 구조 및 폴리아미드막과의 접촉력 향상을 통하여 더 향상된 탈염성능을 얻을 수 있다는 가능성을 제시하였다.
그중에서도 분리막 분야에서의 나노기술 적용은 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 혁신 기술로서, 차세대 분리막 개발을 위한 핵심 역할을 할 것으로 기대된다. 본고에서는 이러한 나노기술 기반 분리막 기술 중 기존의 분리막과 접목한 나노 복합 분리막과 기능성 나노 분리막 소재에 대하여 중점적으로 기술의 개요 및 최신 기술 수준 및 연구 현황을 알아보고, 향후 연구 방향에 대하여 제시해 보고자 한다.

제안 방법

소량의 제올라이트(0.2 wt%) 의 첨가와 다양한 조건에서의 후처리를 통하여 향상된 성능을 얻는데 성공하였으며, 기존 상업용 복합막과 제올라이트 복합막의 선택층(폴리아미드) 가교밀도 비교⋅분석을 통하여 제올라이트 복합막의 투과모델을 예측하였다.

성능/효과

이러한 단백질 채널을 분리막에 적용하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있으며, 그 중 Kumar 그룹은 2007년 대장균에서 추출된 아쿠아포린-Z라는 물질을 포함하는 아쿠아포린/고분자 생체모방 복합 분리막을 구현하였다[17]. 그 결과 기존 상용 역삼투막 대비 약 80배 빠른 수투과율 및 99% 염 배제율을 얻는데 성공하였다. 아쿠아포린 기반 생체모방 복합 분리막은 우수한 수투과도 및 염 배제 성능을 가지며, 대면적화 및 생산성에서의 문제점을 해결한다면 기존 역삼투막을 대체 할 수있는 기술로서의 적용이 가능하다.
2 wt%) 의 첨가와 다양한 조건에서의 후처리를 통하여 향상된 성능을 얻는데 성공하였으며, 기존 상업용 복합막과 제올라이트 복합막의 선택층(폴리아미드) 가교밀도 비교⋅분석을 통하여 제올라이트 복합막의 투과모델을 예측하였다. 그 결과, 제올라이트 복합막은 기존 상업용 막 대비 선택층에서의 가교밀도가 떨어지지만 제올라이트 나노기공을 통한 물/이온 선택적 분리에 대한 가능성을 확인하였다. 따라서 제올라이트의 구조 및 폴리아미드막과의 접촉력 향상을 통하여 더 향상된 탈염성능을 얻을 수 있다는 가능성을 제시하였다.
수처리 분야는 사용된 물에 존재하는 오염물질을 제거하는 하⋅폐수처리, 음용수를 위한 정수, 물 부족 지역에서 수자원을 확보 하기 위한 해수담수화 등이 있으며 여러 가지 수처리 기술 중 분리막을 이용한 수처리 기술은 각 분야에서 연 평균 10∼20% 정도의 매우 높은 성장률을 기록하고 있다[2]. 분리막 기술을 이용한 수처리 공정은 분리막의 종류에 따라 물에 존재하는 각종 오염물질이나 무기 이온 등에 대한 높은 제거율을 보이며 기존 공정 대비 에너지 소비가 적고 화학물질의 사용 및 배출이 없어 친환경적이며 또한 분리막 모듈을 이용하여 기존 대비 적은 입지면적을 가지며 공정의 확장이 용이하다. 분리막을 이용한 수처리 기술은 수십 년간 매우 빠른 속도로 발전되어 왔으며 그 응용 분야 또한 화학제품의 농축 및 정제, 반도체 공정에 필요한 초순수 제조, 유기용매 분리공정, 식품 및 음료 생산 분야 등 매우 다양해지고 있다.

후속연구

11) 보인다[19]. 그러나 현재 기술로는 정밀 여과 및 한외여과 수준의 분획분자량을 갖는 분리막 제조만이 가능한 수준이며, 나노여과 및 역삼투 분리막에 적용 가능한 수준의 미세 기공 제조를 위해서는 상 분리 과정에서의 반응 제어 기술과 다양한 블록 공중합체 개발에 많은 연구가 이루어져야 할 것이다.
이처럼 나노 소재 및 기술을 활용한 분리막 기술은 기존 분리막 성능 한계를 넘어 매우 높은 성능 향상 및 다른 기능성을 부여할 수 있으나 기술적인 한계로 인하여 상용화가 늦어지고 있다. 나노 소재 기술과 분리막 기술의 발전뿐 아니라 두 기술을 접목시키는 융합기술에 대한 연구가 이루어져야 하며 이를 통하여 가까운 미래에 새로운 차세대 분리막의 개발 및 상용화가 이루어질 경우 현재 직면하고 있는 수자원 및 에너지 위기에 효과적으로 대처할 수 있을 것으로 보인다.
나노 촉매 분리막은 기존 세라믹 소재 기반 분리막 제조기술의 개선을 통하여 쉽게 제조가 가능 하나 낮은 생산성 및 높은 제조 비용으로 아직 상용화되지 못하고 있으며 유⋅무기 나노 소재 혼합막은 대량 제조가 쉽고 친수성, 내오염성, 기계적 강성을 확보하면서 투과 성능의 향상이 크지만 유기물과 무기물 간의 공극으로 인한 분리막 내 결함이 발생할 수 있어 분산도 및 균일성을 확보하는 유⋅무기 혼합 기술에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수처리 분야로는 무엇이 있는가?	최근 세계적인 물 부족 현상에 대한 관심이 고조되고 있으며 수자원을 확보하고 이용하기 위한 수처리 기술에 대한 연구가 주목받고 있다[1]. 수처리 분야는 사용된 물에 존재하는 오염물질을 제거하는 하⋅폐수처리, 음용수를 위한 정수, 물 부족 지역에서 수자원을 확보 하기 위한 해수담수화 등이 있으며 여러 가지 수처리 기술 중 분리막을 이용한 수처리 기술은 각 분야에서 연 평균 10∼20% 정도의 매우 높은 성장률을 기록하고 있다[2]. 분리막 기술을 이용한 수처리 공정은 분리막의 종류에 따라 물에 존재하는 각종 오염물질이나 무기 이온 등에 대한 높은 제거율을 보이며 기존 공정 대비 에너지 소비가 적고 화학물질의 사용 및 배출이 없어 친환경적이며 또한 분리막 모듈을 이용하여 기존 대비 적은 입지면적을 가지며 공정의 확장이 용이하다.
	분리막 기술을 이용한 수처리 공정의 장점은?	수처리 분야는 사용된 물에 존재하는 오염물질을 제거하는 하⋅폐수처리, 음용수를 위한 정수, 물 부족 지역에서 수자원을 확보 하기 위한 해수담수화 등이 있으며 여러 가지 수처리 기술 중 분리막을 이용한 수처리 기술은 각 분야에서 연 평균 10∼20% 정도의 매우 높은 성장률을 기록하고 있다[2]. 분리막 기술을 이용한 수처리 공정은 분리막의 종류에 따라 물에 존재하는 각종 오염물질이나 무기 이온 등에 대한 높은 제거율을 보이며 기존 공정 대비 에너지 소비가 적고 화학물질의 사용 및 배출이 없어 친환경적이며 또한 분리막 모듈을 이용하여 기존 대비 적은 입지면적을 가지며 공정의 확장이 용이하다. 분리막을 이용한 수처리 기술은 수십 년간 매우 빠른 속도로 발전되어 왔으며 그 응용 분야 또한 화학제품의 농축 및 정제, 반도체 공정에 필요한 초순수 제조, 유기용매 분리공정, 식품 및 음료 생산 분야 등 매우 다양해지고 있다.
	탄소 나노튜브는 어떻게 제조되는가?	6)를 갖고 있으며, 그 구조에 따라 흑연판이 한 겹으로 된 단일 벽 탄소나노튜브와 여러 겹으로 이루어진 다중 벽 탄소나노튜브 등으로 분류된다. 탄소나노튜브는 전기 방전법, 레이저 증착법, 화학 기상 증착법 등의 합성방법으로 제조될 수 있으며, 기계적 강도, 열전도성, 전기전도도 측면에서 기존의 철이나 구리 대비 매우 우수한 물성을 지니고 있어 반도체, 군용소재, 인공근육, 우주항공용 등 첨단 소재 분야에서의 적용에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다.

참고문헌 (26)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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