국내 소식

■ KIST, 해수담수화 분리막 오염 억제법 개발
국내 연구진이 바닷물로부터 염분과 용해 물질을 제거하여 식수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 해수담수화 기술에 사용되는 분리막의 오염을 억제하는 방법을 찾아냈다. 한국과학기술연구원(KIST) 물자원순환연구센터 정성필, 이석헌 박사팀은 해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정에 적용 가능한 분리막이 오염되거나 젖지 않도록 하는 마그네슘 투입 전처리 공정을 개발했다고 7일 밝혔다.
해수담수화 기술 중 하나인 막증류 공정은 해수를 가열하여 발생된 수증기를 소수성 분리막을 통과시켜 해수와 수증기를 분리한 후 응축하여 담수를 생산하는 기술이다. 막증류 공정에서는 분리막 표면에서 막오염이 발생하며, 막증류 공정에서의 독특한 현상인 막젖음이 발생한다. 막 오염에 의하여 담수 생산 속도가 감소하거나, 분리막의 교체 주기가 짧아지는 경우 담수 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다. KIST 연구진은 막증류 공정을 모니터링하여 탄산칼슘(CaCO3)과 황산칼슘(CaSO4) 결정이 분리막 표면에 형성되는 것이 막오염의 주요 원인임을 확인하였다. 또한, 탄산칼슘은 운전 초기부터 형성되어 분리막의 부분 막젖음을 유발하고, 황산칼슘의 형성은 완전한 막젖음을 발생시켜 운전 중단을 유발함을 규명했다.
해수담수화 공정에서 칼슘계 결정에 의한 막오염을 방지하기 위하여 스케일방지제(anti-scalant)가 대표적으로 적용되어 왔으며, 막증류 공정의 전처리 공정으로써 화학적 연수화(軟水化) 기술이 적용된 사례도 보고되고 있다. 하지만 스케일방지제를 사용하는 경우, 유기물인 스케일방지제가 유입수의 표면장력을 낮춰 막젖음의 발생 가능성을 증가시킨다는 보고가 있다. 또한, 화학적 연수화 기술을 적용하는 경우, 연수화 과정에서 형성된 결정들을 제거하기 위한 대규모 침전 공정이 추가로 필요한 어려움이 있다.
KIST 정성필 박사팀은 바닷물에 마그네슘을 투입하는 전처리 공정을 최초로 제안했다. 마그네슘은 바닷물 속에 존재하는 탄산 및 황산이온과 결합하려 하므로, 탄산칼슘 및 황산칼슘의 형성을 막아 분리막 오염이 효과적으로 지연되는 것으로 확인되었다. 또한, 투입되는 염화마그네슘(MgCl2)이 무기물질이기 때문에 소수성 분리막의 안정성(막젖음에 대한 저항성)도 확보할 수 있었다.
정성필 KIST 박사는 "소수성 분리막의 안정성이 확보되어 담수화 효율이 높아지고 분리막의 수명이 연장될 수 있을 것으로 기대된다"며 "무기물 기반의 친환경 전처리가 막 증발 공정 뿐 아니라 다양한 해수담수화 공정에서 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 본 연구는 환경부 플랜트연구사업과 과학기술정보통신부 지원 하에 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 'Water Research' 최신 호에 게재됐다.

[http://www.newspim.com/news/view/20200407000506 / 뉴스핌 2020.04.07]
■ 에너지연, 안전하고 효율 높은 수소 생산용 분리막 개발
한국에너지기술연구원은 조원철 선임연구원 연구팀이 물을 전기분해해 수소를 생산하는 '수전해' 기술의 안전성과 효율을 높일 수 있는 분리막을 개발했다고 10일 밝혔다.
분리막은 수전해 과정에서 생산된 수소와 산소가 서로 섞이지 않도록 분리해 폭발 위험을 낮추는 게 핵심이다. 분리막 세공 크기를 줄여 서로 섞이지 않게 하는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 전압 효율이 떨어진다는 문제가 있다.
연구팀은 친수성인 지르코니아 입자를 개발, 분리막에 균일하게 바름으로써 저항을 줄여 효율을 높이는 데 성공했다. 조원철 연구원은 "현재 전량 수입하고 있는 수전해 분리막 국산화에 기여할 것"이라고 말했다.

[https://www.yna.co.kr/view/AKR20200110065100063?input=1195m / 연합뉴스 2020.01.10]

■세탁해 한 달 쓰는 마스크 나온다…KAIST, 나노마스크 개발
국내 연구진이 세탁해 한 달 간 사용할 수 있는 마스크 개발에 성공했다. KAIST는 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 직경 100~500nm(나노미터) 크기의 '나노섬유'를 직교 혹은 단일 방향으로 정렬시키는 독자기술 개발로 세탁 후에도 필터 효율이 유지되는 나노섬유 멤브레인(여러겹 적층한 막)을 개발했다고 16일 밝혔다.
 나노섬유는 지름이 수십에서 수백 나노미터에 불과한 초극세실이다. 나노실을 쓰면 섬유를 현재보다 100분의 1 정도로 가늘게 만들 수 있다. 업계에서는 이 소재로 만든 필터가 제 기능을 발휘할 경우 1회용 마스크 대란을 크게 해소할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 김 교수 연구팀이 개발한 절연블럭 전기방사법은 나노섬유의 배향성(Alignment)을 제어해 직교 형태의 나노섬유를 제조할 수 있는 공정이다. 이 직교 형태의 나노섬유는 공기필터의 압력강하를 최소화하고 여과 효율을 최대화할 수 있는 구조다.
 기존 마스크 공기필터는 고분자 소재를 멜트블로운(Melt-blown) 공법으로 방사한 후, 고전압에 노출시키는 공정을 거쳐 완성된다.
 이러한 정전식 섬유필터는 수분이 닿으면 정전기 기능이 사라져 필터 효율이 급격하게 떨어지기 때문에 사실상 재사용이 불가능하다. 세계보건기구(WHO)도 이같은 문제 때문에 1회용 보건마스크의 재사용을 금지하고 있다. 김 교수에 따르면 이번에 개발한 직교 나노섬유 기반 마스크는 에탄올 살균 세척 실험 결과 20회 반복 세척 후에도 초기 여과 효율을 94% 이상 유지해 여과 성능이 잘 유지된다는 것이 확인됐다.
 특히 에탄올에 3시간 이상 담가도 나노섬유가 녹거나 멤브레인의 뒤틀림 현상이 없어 에탄올을 이용한 살균·세척의 경우 한 달 이상 사용이 가능한 장점이 있다. 아울러 겉면마스크 안쪽에 필터의 삽입 교체가 가능해 10~20회 세척 사용 후 필터를 교체할 수 있고 손세탁을 통해서도 안전한 마스크 이용이 가능하다.
 지난해 2월 설립된 KAIST 교원 창업회사인 '김일두연구소'는 방향성이 제어된 나노섬유 멤브레인을 52구 바늘구멍을 통해 섬유를 토출하는 롤투롤(roll-to-roll) 방식의 양산 설비를 구축했다.
이 회사는 35cm의 폭을 갖는 멤브레인을 1시간에 7m 생산이 가능해 하루 평균 1500장 수준의 나노섬유 마스크 필터를 제조할 수 있다. 김 교수는 "식품의약품안전처 승인 등의 관련 절차를 거쳐 제품화한 후 곧 양산 설비 증설을 통해 생산량을 늘리는 한편 정렬된 멤브레인에 항균기능을 부여해 사용 안정성이 더욱 향상된 고품질 필터를 개발할 것"이라고 말했다. 김 교수는 코로나19(신종 코로나바이러스 감염증) 사태와 관련해 현재 식약처가 규제와 절차를 간소화하고 있어 이르면 한 달 내에 허가가 나올 수도 있다고 전망했다. 식약처의 승인이 나면 김 교수는 현재 1500장 수준인 생산량을 최대 5만장까지 늘린다는 계획이다.

[https://www.hankyung.com/life/article/2020031643227 / 한국경제 2020.03.16]

■ 전기분해응집 장치 이용…세정수 깨끗해진다
낙농 현장에서 발생하는 착유 세정수 정화처리 기술이 개발, 환경 문제 해결에 도움이 될 것으로 기대되고 있다.
 (주)부강테크(대표 정일호)의 '전기분해응집 장치를 이용한 착유 세정수 정화처리 기술'이 최근 농림축산식품부로부터 농식품 산업의 혁신성장을 선도할 우수기술로 선정됐다.
이번에 우수기술로 선정된 부강테크의 기술은 전기분해 응집과 분리막 공정을 적용했다.
전기분해 응집공정은 용해성 전극판에 의해 용출되는 Al3+가 응집핵으로 작용해 각종 유기물과 병원성 세균을 처리하는 기술이다.
 기존 기술은 주로 생물학적 방법으로 오염물을 정화해 방류기준을 만족시키기에 어려운 부분이 있었으나, 이번 기술 개발로 허가지역 방류기준에 부합하는 처리가 가능해졌다.
 분리막 여과공정은 0.1㎛ 이하의 입경을 가지는 세라믹 평막형 분리막 모듈을 적용해 미세입자와 응집물을 완벽히 차단함으로써 안정적인 방류수질을 제공하는 것이다.
 기존 기술은 모래 여과공정을 적용하고 있어 처리수질에 대한 안정성이 부족했지만 분리막 여과공정을 사용함으로써 일정 수질 이상의 처리수를 배출하고 비상시 운전에 대한 대응이 가능해졌다.
 이번에 인증을 받은 기술은 2~3년의 기간 동안 정부로부터 신기술로 인증을 받게 되고 신기술 인증을 적용한 제품에 신기술 인증 표시(NET마크)를 사용할 수 있다. 또한 우수기술사업화지원사업 정책자금 지원과 인증 신기술의 상용화를 위한 후속연구개발 지원 등을 받을 수 있게 된다.

[http://www.chuksannews.co.kr/news/article.html?no=232329 / 축산신문 2020.01.10]

■ 대우조선해양 이철원 · 서진에너지 박성균, 2월 대한민국 엔지니어상 수상
과학기술정보통신부와 한국산업기술진흥협회는 대한민국 엔지니어상 2020년 2월 수상자로 대우조선해양 이철원 책임연구원과 서진에너지 박성규 연구소장을 선정했다고 밝혔다. 이철원 책임연구원은 방산 분야 소음기술 국산화를 통해 국내 최초로 잠수함 해외 수출에 기여한 공로로, 박성균 연구소장은 막결합형 하폐수 생물학적 처리기술을 개발해 분리막 수처리 환경분야 성장에 기여한 공로로 각각 수상자로 선정됐다.
이철원 책임연구원은 1999년 대우조선해양에 입사해 진동소음연구부 책임연구원으로 일하고 있다. 국내 최초 무인 자율 잠수정(AUV)인 '옥포 6000'의 소나 시스템(Sonar system)과 자율운항 제어 프로그램을 개발하는 등 해양/특수선 소음 분야 업무를 수행했다. 2000년대 초반 이후 강화된 선박 환경 규제와 선원의 노동 환경 개선을 위해 소음 통제의 중요성이 커졌으나 조선 분야 소음 해석 및 설계는 주로 해외 연구기관에 의존하고 있었다. 이철원 책임연구원은 이러한 해외 의존에서 탈피하기 위해 각종 선박 건조에 필요한 소음해석 프로그램과 해석 결과를 선박 설계/건조에 적용하기 위한 표준을 개발했다.
현재는 대우조선해양의 잠수함 분야 소음 통제를 맡아 국내 최초 잠수함 수출에 기여함과 동시에 국산 잠수함의 품질 향상에 기여하고 있다. 이철원 책임연구원은 앞으로 조선 소음 분야 기술에서 가장 난이도가 높은 잠수함 소음 통제 기술개발에 집중해 세계 최고의 저소음 잠수함 개발에 대한 포부를 밝혔다.
박성균 소장은 현대엔지니어링 부장을 거쳐 2017년부터 서진에너지 연구소장으로 일하고 있다. 기술개발 및 사업화를 총괄하면서, 막결합형 하폐수 처리기술의 경쟁력을 높였다. 교대교차주입방식의 분리막 결합형 혐기성 소화기술을 국내 최초로 현대건설과 공동으로 상용화에 성공했으며, 이를 바탕으로 2018년 미국 시장진출 위한 교두보를 마련했다. 박성균 소장은 분리막 막힘현상을 방지하기 위해 공기공급량을 간헐적으로 공급하는 기술을 국내 최초로 개발해 효율을 높였으며, 바이오가스를 이용한 수소융복합충전소 기술개발 및 실증화 사업에 참여해 음식물쓰레기로부터 바이오가스를 생산하고, 이를 정제해 수소융복합충전소의 원료인 바이오메탄을 생산하는 기술개발을 주도하고 있다.
박성균 소장은 "막일체형 생물학적 하폐수 처리기술을 더욱 발전시켜 미국을 비롯한 해외 선진국 환경시장에 당당히 진출할 수 있도록 노력할 것"이라고 수상소감을 밝혔다. '대한민국 엔지니어상'은 산업현장의 기술혁신을 장려하고 기술자를 우대하는 풍토를 조성하기 위해 매월 대기업과 중소기업 엔지니어를 각 1명씩 선정하여 과학기술정보통신부 장관상과 상금 700만 원을 수여하는 시상이다.

[http://www.inews24.com/view/1243264 / 아이뉴스24 2020.02.17]


국외 소식

■ 제약 폐수 처리를 위한 MBR용 PVDF/Ag-SiO₂ 분리막 개발

최근 연구에서 PVDF/SiO₂
및 PVDF/ Ag-SiO₂ 나노 복합체 막을 제조되었으며, 제조된 나노 복합체 막의 항균 오염 성능을 평가하기 위해 실제 제약 폐수에 의해 공급된 MBR 시스템에서 장기 여과 테스트가 진행되었다. 순수한 PVDF와 비교하여, 나노복합체 PVDF막의
water flux는 약 60% 증가하였고 접촉각은 약 99°에서 89°로 감소한 것으로 관찰되었다. 이러한 결과들은 나노 복합물 PVDF/Ag-SiO₂막이
뛰어난 항오염 특성을 나타낸다는 것을 의미하였다. 또한, 플럭스
회수율은 나노복합체 PVDF/Ag-SiO₂ 막의 경우 58%에서 76%로 증가하였으며, 나노복합체막의
화학적 산소 요구량 (COD) 및 암모늄 제거 효율은 각각 90% 및
95%보다 높았으며, 이는 막 개질이 품질에 미치는 영향이
무시할 만한 수준임을 나타내었고, 향후 실적용될 것으로 기대를 모았다.

[Separation and Purification Technology, 28
April 2020 (2020년 4월)]

■ 막 증류용 그래핀/PVDF
복합막 개발

새로운 PVDF/그래핀
복합 막이 개발되어 큰 관심을 모으고 있다. 새로운 PVDF-f 및
PVDF-f-그래핀 (PVDF-f-G) 중합체를 상전이 기술로
다공성 막 제조에 사용하였고 친수성, 기공 크기 및 기계적 특성 측면에서 특이한 특성을 나타내는 것으로
확인되었다. 구체적으로 막 증류 (DCMD)에 적용됐을 때, PVDF-f-G 막은 오래 지속되는 염 제거율 (99.9% 초과)과 뛰어난 내구성을 보여 큰 관심을 모았다.

[Journal of Membrane Science, 604, 1 June
2020, 118017 (2020년 6월)]

■ NIPS와
TIPS공법으로 제조한 Hyflon/PVDF 분리막 개발

막 증류 (MD :
Membrane Distillation)는 고농도 염수를 처리할 수 있는 유망한 기술로 각광을 받고 있다. 그러나, MD를 위한 중공사 섬유 및 평평한 시트로서 이용 가능한
미세 다공성 소수성 막은 거의 개발되지 않았다. 최근 연구에서는 poly(vinylidene
fluoride) (PVDF) 막에 3 종류의 Hyflon
AD를 코팅하여 고소수성 Hyflon/PVDF 복합체 중공섬유막을 제조하는데 성공하여 큰
관심을 받았다. PVDF 중공사 섬유막은 NIPS 및 TIPS을 통해 제조되었으며, 분석 결과 막의 성능이 공극 크기, 다공성, 액체 진입 압력 및 접촉각에 크게 의존한다는 것이 확인되었다. 이렇게 새로이 개발된 분리막은 다양한 용도로 활용될 것으로 기대를 모았다.

[ Separation and Purification Technology,
247, 15 September 2020, 116992 (2020년 9월)]

■ 폐수 처리 후 오염 물질 제거를 위한 폴리 설폰/나노TiO₂ 복합막 개발

천연 고무 가공 산업은 많은 양의 폐수를 생산하는 것으로 알려져있다. 최근 연구에서 기계적 및 분리 특성을 향상시키기 위해 나노입자 혼합에 의해 기존 고분자 막을 변형시키는데 성공하였으며, 구체적으로 나노-TiO₂ 입자를 폴리설폰 막에
도핑하여 천연 고무 폐수를 처리하였다. 나노-TiO₂의
첨가는 접촉각을 61.83에서 41.67 °로 감소시키고
막의 기계적 강도를 4.1-7.2 MPa에서 감소시킴으로써 친수성을 향상시켰다. 그 결과 향상된 다공성 및 기공 크기로 인해, 2.0 중량%의 TiO₂를 갖는 막을 사용하였을 때 가장 높은
PWF (4.65 L.m^-2 h^-1)를 달성하였으며, TDS, COD, NH₃ 및 탁도 제거율이 증가하는 것으로 관찰되었다. 개발된 멤브레인의 성능은 깨끗한 물을 생산하기 위해 산업용 고무 폐수 처리에 적용될 수 있는 것으로 알려져
큰 기대를 모으고 있다.

[Journal of Water Process Engineering, June
2020, 101190 (2020년 6월)]