막분리 공정

왜 배우는가: 막분리 공정은 정수처리에서 소독부산물과 병원성 미생물을 물리적으로 제거하는 핵심 기술이라 설계와 운영 현장에서 자주 쓰인다. 시험에서는 정밀여과, 한외여과, 나노여과, 역삼투의 분리 범위와 압력 차이를 비교하는 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제111회 4교시 1번, 제90회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 막분리 공정은 반투과성 막의 선택적 투과를 이용해 압력차를 추진력으로 물속 입자·미생물·용존물질을 분리하는 공정이다.

핵심 키워드

• 정밀여과(MF)
• 한외여과(UF)
• 나노여과(NF)
• 역삼투(RO)
• 막차압(TMP)
• 플럭스(Flux)
• 막오염(Membrane Fouling)
• 농축수와 투과수

막분리 공정의 핵심은 선택성과 투과성의 균형이다. 공극을 줄이면 선택성은 높아지지만 투과 저항이 커져 플럭스가 떨어진다. 따라서 막 설계는 분리 대상 크기와 허용 가능한 에너지 비용을 함께 고려한다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 막분리는 아주 촘촘한 체로 물을 거르는 기술이다. 체의 구멍보다 큰 물질은 남고 작은 물질만 통과한다. 막의 구멍이 매우 작아서 모래여과나 응집침전으로 잡기 어려운 미생물과 바이러스까지 제거할 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 막(Membrane) 을 경계로 두 액상을 나누고, 막이 성분마다 다른 투과 속도를 보이는 성질을 이용해 물질을 분리하는 공정이다. 정수처리에서는 압력차를 구동력으로 쓰는 압력구동 막공정이 주로 쓰인다. 원수가 막면에 공급되면 막을 통과한 투과수(Permeate) 와 막면에 남아 농축되는 농축수(Concentrate) 로 나뉜다.

핵심 용어는 다음과 같다. 막차압(TMP, Transmembrane Pressure) 은 막 양쪽의 압력차로, 물을 막에 통과시키는 구동력이다. 플럭스(Flux) 는 단위 막면적당 단위시간에 투과하는 유량으로, 막 생산성을 나타내는 지표다. 막오염(Membrane Fouling) 은 막면이나 막 구멍에 물질이 쌓여 투과 저항이 늘어나는 현상이다.

막의 구조는 대칭형과 비대칭형으로 나뉜다. 정밀여과막은 공극이 일정한 대칭형 구조이고, 한외여과막과 역삼투막은 얇은 치밀층과 다공성 지지층이 결합한 비대칭 구조다. 얇은 치밀층이 분리 성능을 결정하고 지지층은 기계적 강도를 준다.

분리 기작은 세 가지다. 첫째 체거름(Size Exclusion)은 공극보다 큰 입자를 물리적으로 막는 방식이다. 둘째 용해·확산은 치밀층 안에 용질이 녹아 확산하며 통과하는 방식으로 역삼투가 해당된다. 셋째 전하 배제는 막 표면 전하와 같은 부호의 이온이 반발하여 밀려나는 방식으로 나노여과에서 중요하다. 같은 막이라도 원수와 운전 조건에 따라 세 기작이 함께 작용한다.

막공정은 분리 대상 크기에 따라 네 가지로 나뉜다. 정밀여과(MF)는 현탁 입자와 큰 세균을 걸러내는 가장 큰 공극의 막이다. 한외여과(UF)는 콜로이드와 바이러스, 고분자 물질을 분리한다. 나노여과(NF)는 경도 성분과 유기물 일부를 분리한다. 역삼투(RO)는 거의 모든 이온성 물질을 분리한다. 공극이 작아질수록 분리 범위는 넓어지지만 필요한 압력과 설비비가 함께 커진다.

구동 압력은 MF가 가장 낮고 RO가 가장 높다. 정밀여과는 구동 압력이 가장 낮은 막이다. 한외여과의 작용압력은 5~30psi 범위로 제시되며, 1bar 는 약 14.5psi 에 해당한다. 역삼투는 해수 담수화 기준 삼투압을 넘는 높은 압력을 가해야 한다. 이는 용액의 삼투압을 이겨야 하기 때문이다.

3. 등장 배경과 필요성

첫째, 수질기준이 강화되었다. 소독부산물인 트리할로메탄(THMs) 등을 줄이려면 원수의 유기물을 미리 제거해야 한다. 병원성 원생동물은 일반 염소소독만으로 충분히 불활성화되지 않는 경우가 있다. 막여과는 물리적으로 입자를 걸러내므로 소독에 의존하지 않고 탁도와 미생물을 낮출 수 있다.

둘째, 기존 응집·침전·여과 공정의 한계다. 급속여과는 원수 탁도 변동에 민감하고 세균과 바이러스의 log 제거율을 안정적으로 확보하기 어렵다. 막은 공극 크기로 제거 성능을 보장하므로 처리수 수질이 일정하게 유지된다. 막여과는 공극 크기가 제거 성능을 결정하는 물리적 장벽이다.

셋째, 해수 담수화와 물 재이용 수요가 늘었다. 바닷물의 높은 삼투압을 이기려면 역삼투가 필요하다. 하수 2차 처리수 재이용에서는 정밀여과와 한외여과가 전처리 또는 최종 처리로 쓰인다.

넷째, 설치 면적과 자동화의 장점이다. 막모듈은 비교적 작은 면적에서 많은 처리량을 얻을 수 있고 운전을 자동화하기 쉽다. 반면 막 교체비와 막오염 관리 비용이 단점이므로 설계 때 두 요인을 함께 따져야 한다.

정수처리 공정에서 막은 보통 전처리 뒤에 배치된다. 응집과 침전으로 대부분의 탁질을 줄이고, 막 앞단에서 큰 입자를 제거해 막오염을 늦춘다. 이 배치가 막의 수명과 플럭스 유지에 직접 영향을 준다.

4. 구성요소·원리·절차

막여과 설비는 막모듈, 압력용기, 전처리 설비, 송액펌프, 세정설비로 구성된다. 각 구성요소가 맡는 역할과 설계 포인트는 다음 표와 같다.

설비 형식은 가압식과 침지식으로 나뉜다. 가압식은 막을 압력용기에 장착하고 원수를 막에 압송하여 여과한다. 대형화와 공정 자동화가 쉽고 전처리가 필요하다. 침지식은 막을 원수 속에 담그고 흡입력을 가해 여과수만 빨아내는 방식이다. 막수명이 길고 전처리가 불필요하며 고농도 원수 처리에 적합하다.

막분리의 원리는 압력차를 추진력으로 원수를 막에 통과시키는 것이다. 정밀여과막과 한외여과막은 공극 크기에 의한 체거름 원리로 입자를 걸러낸다. 역삼투막은 물 분자가 막 재질 속으로 용해되어 확산하는 원리로 용존 이온을 분리한다. 막을 통과한 물을 투과수, 막에 걸려 농축된 물을 농축수라 한다. 막이 물질을 걸러내면 막면 근처에 농도가 높아지는 농도분극이 생기고, 이 층이 투과 저항을 키운다.

운전 방식은 두 가지다. 전량여과(dead-end) 방식은 공급수 전부를 막에 직각으로 통과시키며 모래여과와 유사하다. 십자흐름(cross-flow) 방식은 막면과 평행하게 유속을 주어 막면에 쌓이는 물질을 씻어내고, 투과는 막면에 직각으로 일어난다. 십자흐름은 막 표면 오염이 적어 안정된 플럭스를 유지한다.

막 운전의 핵심은 플럭스와 막차압의 관계를 보고 세정 시기를 정하는 것이다

핵심 공식은 다음과 같다.

$J=\frac{Q_p}{A}$

J는 플럭스(㎥/㎡·d, 막 단위면적당 투과유량), Q_p는 투과수량(㎥/d), A는 막면적(㎡)이다.

$R=\frac{Q_p}{Q_f}\times100$

R은 회수율(%), Q_f는 공급수량(㎥/d)이다. 공급수량 1,000㎥/d에 투과수량 900㎥/d이면 R=900/1,000×100=90%이다. 이는 일반 막여과 정수 설계에서 요구하는 수준과 같다.

$TMP=\frac{P_{in}+P_{out}}{2}-P_p$

TMP는 막간 차압(kPa), P_in은 막 입구 압력, P_out은 농축수 출구 압력, P_p는 투과수 측 압력이다. 정속(일정 플럭스) 운전에서 TMP가 상승하면 막 오염이 진행되고 있다고 판단한다.

막여과 운전 절차는 다음과 같다.

• 원수를 응집·침전·여과 등으로 전처리한다.
• 송액펌프로 원수를 가압하여 막모듈에 공급한다.
• 막을 통과한 물은 투과수로 취출하고, 막에 걸린 물질은 농축된다.
• 농축수는 배출하거나 공급 측으로 순환시켜 회수율을 조절한다.
• 플럭스와 막차압을 주기적으로 기록하여 막 오염을 감시한다.
• 막차압이 한계에 이르면 역세척 또는 약품 세정을 수행한다.

5. 관련 법령·기준·표준

막여과 정수 설비의 수질 목표는 먹는물 수질기준이 정하고, 설계는 정수시설 설계 지침과 공학 자료의 기준 수치를 따른다. 아래 표는 막 종류별 공극 크기, 제거 대상, 분리 성능 지표, 운전 압력, 회수율을 정리한 것이다. 조문 번호는 쓰지 않고 기준 이름과 값만 적는다.

정밀여과막은 공극이 가장 커서 부유물질과 큰 세균을 제거하고, 한외여과막은 고분자와 바이러스까지 막는다. 역삼투막은 공극이 가장 작아 용존 염류를 분리하며 제거율은 95~99% 수준이다.

한외여과 분리 성능은 막이 90% 이상 배제하는 용질의 최소 분자량인 분획분자량(MWCO)으로 나타낸다. 분획분자량은 300~300,000Da 범위의 당류, 단백질, 고분자 물질에 대응한다. 한외여과 운전압력은 저압 범위로 제시되며, 자료에 따라 단위 표기가 다르다.