다시 뛰는 공정도시 서울!

문서번호 전략연구과-3795 결재일자 2021. 6. 3. 공개여부 부분공개(5) 방침번호 시 민 전략연구과장 미래전략연구센터장 나일호 김상은 06/03 차동훈 “아리수는 오늘도 당신의 삶 과 함께 합니다!” 수처리용 세라믹 분리막의 적용 현황 2021. 6. 서울물연구원 (전략연구과) 목 차 1. 개요 1 2. 세라믹 분리막 2 3. 국내외 운용사례 4 4. 관련 기업현황 5 5. 보고자 검토의견 6 수처리용 세라믹 분리막의 적용 현황 Ⅰ 개 요 ？？ 세라믹의 개념 및 활용 ○ 세라믹 개념 - 세라믹 소재는 실리콘(Si), 알루미늄(AI), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등과 같은 금속원소가 산소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 질화물로 이루어짐 - 세라믹 소재를 열을 가하여 강도가 생기도록 한 것이 세라믹 제품 - 열처리로 형성된 결정질들이 모여 3차원적 망구조를 형성한 고체물질 ○ 활용 - 에너지, 전자, 바이오등 여러 분야에 사용 - 휴대폰 부품의 80%, 연료전지의 90%, 각종 센서류의 70%이상이 세라믹소재로 구성되어 있음 ？？ 세라믹 분리막의 역사 ○ 세라믹 분리막은 1950년대에 개발이 시작 ○ 1990년경부터 일본에서 정밀여과·한외여과용 세라믹 분리막이 개발되어 식품·바이오 산업에서 화학·기계분야 등으로 적용 확대 ○ LG화학에서는 전기차용 2차 전지용으로 개발 - 폴리프로필렌(유기막)에 세라믹입자와 고분자 바인더를 코팅한 세라믹코팅 분리막을 사용 ○ 최근에는 세공경이 보다 작은 나노필터막이나 분자분리가 가능한 제올라이트 막이 개발되고 있으며 산업용 규격에 적용 검토 중 ※ 제올라이트(zeolite): 천연 및 합성 규산염 광물질로서 0.3~1nm정도의 크기를 가지는 공동(tunnel)이 규칙적으로 배열되어 있음 Ⅱ 세라믹 분리막 ？？ 분리막의 분류 ○ (재질) 유기막(고분자막), 금속막, 무기막(세라믹), ○ (구조) 세공막, 미세공막, 비세공막 ○ (분리성능) 정밀여과막, 한외여과막, 나노여과막, 역삼투막 ○ (모듈형태) 나권형, 중공사형, 평판형, 모노리스형, 관상형 ？？ 분리막의 기공크기에 따른 분류 ○ 정밀여과(MF), 한외여과(UF), 나노여과(NF), 역삼투여과(RO) ○ MF·UF는 주로 상/하수처리 및 담수와 하수 재이용의 전처리에 사용 ○ NF·RO는 주로 담수와 하수 재이용 처리 부분에 사용 구 분 공 경 특 징 정밀여과 (Micro Filtration) 100~10,000㎚ ？ 탁도를 조절하고, 각종 박테리아, 콜로이드를 제거 한외여과 (Ultra Filtration) 10~100㎚ ？ 고분자량의 유기물이나 각종 바이러스를 제거 나노여과 (Nano Filtration) 1~10㎚ ？ 각종 다가 이온과 저분자량의 유기물을 제거 역삼투필터 (Reverse Osmosis) 1㎚ 이하 ？ 일가 이온들을 제거 ？？ 세라믹 분리막의 구조 ？ 단면은 크게 기층, 중간층, 분리층의 세가지 층으로 구분 ？ 기층은 막의 뼈대로 통수능 확보, 중간층은 분리층과 기층을 연결, 분리층은 공극이 균일하게 분포 ？ 모듈에는 공기가 주입되는 상부, 원수유입 및 역세척수 배출되는 하부, 여과수 유출 및 역세척수가 유입되는 여과수 배관 있음 ？？ 세라믹 분리막의 장·단점 장점 단점 ？고온 안정성: 열처리에 의한 파울링 제거 ？높은 내부식성: 화학적 안정성 우수 ？분리막 장기간 사용가능(수명 20년) ？고분자 분리막보다 유리한 형상 배열 - 튜브, 다중채널, 허니컴, 모노리스 제조 ？높은 기계적 강도로 고압 조업 가능 ？미생물 및 세균의 오염 방지 가능 ？친환경소재: 열적 안정성이 높아 재생이 가능 ？제조가격 고가: 고분자 분리막에 비해 5배이상 ？취성이 높아 깨지기 쉬움: 균열없는 기공구조 제어 필요. 분리막 두께, 미세구조 재현성 보완 ？모듈작업 시 배관 및 밀봉이 어려움: 고온에서 열팽창률 차이로 균열 발생 ？？ 세라믹 분리막의 모듈형태 모노리스 타입 엘레멘트 타입 판형 타입 0.1um Al2O3 다른 기공크기와 물질 0.1um 이상 SiC, Al2O3 0.1um 미만 ZrO2, TiO2 다른 기공크기와 물질 0.1um 이상 SiC, Al2O3 0.1um 미만 ZrO2, TiO2 15 또는 25 m2/모듈 30m2/모듈 이하 2m2/모듈 이하 주로 MF 중심으로 활용 MF, UF, NF 중심으로 다양하게 활용 폐수처리를 위한 소형 수처리 시스템에 사용 Ⅲ 국내외 운용 사례 ？？ 거제 연촌 정수장 ○ ’13. 2월 세라믹 막여과와 고도처리 혼합 정수처리시스템 도입 - 공정 : 전오존 ⇒ 혼화지 ⇒ 세라믹 막여과 ⇒ 활성탄흡착 ⇒ 소독 ○ 역세정: 12회/일(일반역세 11회, 유지세정 1회) ○ 막모듈 280개(4계열), 유속운전 2.5㎥/㎡/day ○ 처리용량: 16,000㎥/day ○ 사업비용: 205억원 ？？ 싱가포르(Choa Chu Kang Waterworks) ○ ’19년 8월 서비스 개시 ○ 모래여과 시설의 반을 세라믹 분리막으로 변경(180,000㎥/일) ○ 오존처리시설과 생물학적 활성탄 처리 공정 함께 사용 ○ 시설개량에 총 3년간 1억 6200만 싱가포르 달러(원화1345.5억) 프로젝트 ？？ 일본 사례 ○ 탈수막 모듈 및 시스템 기술력을 확보하여 상용급 플랜트를 개발하여 수출 ○ 1985년부터 시작되어 1996년에 정수장에 처음 설치 ○ 일본 내 87개 정수장에 적용 중(2014년 기준)으로 총 406,600㎥/일의 처리용량으로 운영(현재 160개 이상) < 일본 세라믹 멤브레인 적용 정수장 > ？？ 네덜란드(AndijkⅢ WTP) ○ 0.1㎛의 기공크기의 세라믹 필터 사용 ○ UV처리, 생물학적 활성탄 처리 공정 함께 사용으로 에너지 저감 ○ 120,000㎥/day 처리용량 ？？ 스위스(Sonnenberg WTP) ○ 응집제 사용 없는 정수 처리시설 ○ 0.1㎛의 기공크기의 세라믹 필터를 사용 ○ 오존처리시설과 세라믹 멤브레인 공정 함께 사용 ○ 12,000㎥/day 처리용량 Choa Chu Kang Waterworks(싱가포르) AndijkⅢ WTP(네델란드) Sonnenberg WTP (스위스) Ⅵ 관련 기업 현황 ？？ Metawater ○ 일본의 세라믹 분리막 제조회사로 세라믹 막여과기술과 오존 처리기술을 활용하여 상수처리와 하수처리 고도화 기술 추진 ○ 1990년대 기하학적 접촉면적이 0.5m2인 멀티 채널 형상의 1세대 분리막, 2000년에는 15m2 의 2세대 분리막, 2005년 이후에는 25m2 의 3세대 분리막 기술 개발 ？？ Liqtech ○ 덴마크 회사로 기존의 SiC DPF 필터 소재를 수처리 분야로 특화시켜 발전 ○ LiqTech사의 분리막은 구형의 다수 채널을 가지고 있는 압출 필터로서 지지체, 중간층, 분리막 층의 3중 구조를 가지고 있음 ？？ Veolia ○ 수처리 분야의 다국적 기업으로 1986년 미국에서 설립된 세라믹 수처리 분리막 회사 CeraMem사를 통합 운영 ○ 전체 분리막 모듈의 크기는 직경 142mm, 길이 864mm 이며 막면적은 10.7m2이며 허니컴 구조로 높은 유량의 흐름이 가능 ？？ 생고뱅(Saint-Gobain) ○ 1665년 설립된 프랑스의 유리제조 국영기업으로 시작 ○ 재결정 탄화규소를 이용하여 탄화규소 세라믹 필터를 생산하여 재활용 용수 및 전처리용으로 활용 Ⅴ 보고자 검토 의견 ○ 세라믹 분리막은 고분자 분리막보다 내구성이 뛰어나 수명이 길고(20년) 유지관리에 용이할 것으로 판단되는 친환경적인 미래기술 ○ 일본, 유럽 등은 수처리용 세라믹 분리막이 상용화되어 활용되고 있지만 국내의 경우 활용사례가 적고 체계적이고 다양한 연구가 진행되지 않은 상태에서 선진국과의 기술격차가 비교적 큰편 ○ 세라믹 분리막은 클리닝이 용이한 특성 등 많은 장점이 있지만 나노기공 제어기술, 다층구조의 코팅기술, 세라믹스 입자의 분극기술 등 해결해야 할 다양한 요소기술이 개발되어야 함 ○ 서울시와 같은 대규모 정수장에 세라믹 분리막 기술을 적용하기 위해서는 높은 유속에도 견딜 수 있는 소재, 낮은 에너지 소비, 4차 산업 기술과 융합을 통해 효율성을 높일 수 있는 미래형 기술의 개발이 필요함. 끝.

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전략연구과-3795

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