멜브레인이란

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contents_img 멤브레인이란

 

 o Mmembrane 이란 특정성분을 선택적으로 통과시킴으로써 입자 분리라는 일반여과(Filteration) 뿐만 아니라 액체에 용해된 용존물질이나 혼합기체의 분리까지도 가능한 여과재로 선택적 투과성을 가지고 있다. 
   o 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

  o 1748년 Jean Nollet에 의한 삼투현상에 관한 실험 이래로 1829년 Tomas Graham의 고체물질 속에서의 기체와 액체의 확산연구를 통하여 최초로 막을 이용한 물질분리가 시작되었다.

  o 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.

  o 1800년 중반 T. Graham에 의하여 기체 분리막의 용해, 확산모델이 제시된 이래로 기체 분리막에 대한 연구는 조금씩 발전하였으나 오랫동안 실용화되지 못하였다.

  o 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.

  o 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, 기능성분리막)

  

contents_img 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.

 

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 (4", 8" 그리고 16" RO Membrane 및 tubular Membrane(우))


contents_img 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

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

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

섬 유

우주탐사용 제품에서부터 개인용 의류, 등산용품 등

 

contents_img 막의 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

 

 

 


contents_img 모듈 형태별 특징

 

1) 나권형(Spriral-wound Type) 모듈
    (1) 구  조
     o 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
     o 막과 막의 표면사이에 Polypropylene 재질의 메쉬 스페이서를 삽입하여 와류를 증대시켜 물질전달 촉진시키고 농도 분극 감소시킨다.
     o 공급수가 각각의 모듈을 지나는 동안 분극 현상이 점차 증가로 압력이 저하되면서 구동력 감소 원인이 된다
    (2) 작용 원리
       o 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.
       o 공급수가 각각의 모듈을 지나는 동안 분극 현상이 점처로 증가하고 압력저하를 가져와 분리 구동력을 감소시키 는 원인이 된다.
       o 실제 공정에서 사용하는 경우에는 모듈을 압력베셀에 2~6개를 직렬로 연결하여 사용한다.
       o 모듈은 보통 1m 정도의 길이에 8Inch. 4inch 등이 직경을 가지며 통상 직경으로 8inch, 4inch 막이라 호칭 한다.

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2) 중공사(Hollow Fiber)형 모듈)  
    1) 구 조 
      o 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 
      o 중공사 모듈이 투과 방식은 막 내측에 유입하는 내압식과 막 이측에서 원수를 유입하는 외압식이 있다.
      o 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.
      o 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.
      o 소규모의 RO장치에서는 관형의 외압형 모듈을 사용하는 것이 가장 바람직하며 대행화 할수록 단위용적당 투과량이 큰 중공사형을 사용하는 것이 바람직하다고 사료 된다

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(중공사막 MF 멤브레인) 

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

 

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(중공사형 UF 멤브레인) 

 

   3) 관상(Tubular)형 모듈

 

   4) 평판(Plate & Frame)형 모듈

 

   5) 모노리스(Monolith)형 모듈

 

contents_img  막의 설질(구조)별 특징 등

 

다음페이지에 계속 됩니다. 

 

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Technical Photos
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