생체막은 많은 생물학적인 과정에서 중요한 역할을 차지한다. 막의 주된 성분은 지질과 단백질이고, 막의 기본적인 구조는 2개의 지질분자가 소수성기를 안쪽으로 서로 마주보며 이차원으로 배열된 Bilayer구조이다. 막의 두께는 약 50A 전후로 지구상에 존재하는 막중에서 가장 얇은 막이라 할 수 있다. 막의기능성은 근본적으로 이 Bilayer구조특성에서 나온다고 할 수 있다. 생체막의 대표적인 물질로 Lecithin은 Phosphatidyl Choline을 친수성기로, 2개의 긴 알킬체인이 소수성영역으로 된 양친매성 화합물이다.

무기막은 고분자 계통의 유기막과는 달리 200$\circ$C 이상의 고온에서도 높은 기체 투과도와 구조적 안정성을 보인다. 따라서 무기막을 고온의 촉매 반응에 이용하면 생성물 중 일부를 선택적으로 분리시키므로써 열역학적으로 예측할 수 있는 값 이상의 높은 전환율을 얻을 수 있으며, 또한 반응물 중 일부를 막을 통해 주입하면 반응의 정도를 조절함으로써 원하는 생성물의 수율을 높일 수 있게 된다. 그러나, 현재 실험실에서 많이 연구되고 있는 다공성 유리 또는 다공성 알루미나와 같은 무기막들은 기체 투과도는 높은 반면에 기체 분리가 Knudsen diffusion에 의해 이루어지기 때문에 분리선택도가 낮은 단점이 있다.

Slip-casting 법으로 제조한 튜브형 다공성 $Al_2O_3$ 담체에 boehmite 입자를 단층 및 다층 졸-겔 침지코팅법과 본 실험실에서 개발한 새로운 가압 졸-겔 코팅법을 이용하여 알루미나 복합막을 제조하였다. 종래의 Yoldas법을 보완한 새로운 졸 제조방법에 의하여 입자크기가 작고 안정한 boehmite 졸을 제조 하였으며 졸의 제조조건에 따른 입자크기 변화와 열처리에 따른 겔의 상전이 및 비표면적 변화, 그리고 pH와 aging에 따른 안정성등을 규명하였다. 졸의 농도와 코팅시간 및 코팅 방법에 따른 코팅특성 등을 비교, 분석하여 복합막 제조에 최적인 코팅용 졸을 이용함으로써 담체 튜브내에 균열이 없고 재현성 있는 복합분리막을 제조할 수 있었다.

극미세입자 졸의 코팅시 가장 문제시되는 균열 발생과 재현성 문제를 해결하기 위하여 다양한 졸-겔 코팅법을 시도하였으나 그중 본 연구에서 개발된 가압 졸-겔 코팅법이 최적이었음을 알 수 있었다. 복합분리막에서의 담체상의 박막 코팅과 기공 내부 코팅 정도 및 균열 발생 유무를 일차적으로 SEM 에 의하여 규명하였으며 분리막 튜브 전체에 대한 균열 존재 여부 및 미세구조 특성등은 복합분리막내에서의 N$_2$ 기체투과율 데이타로부터 기체투과 모델을 이용하여 평가 분석하였다.

막 반응기(membrane reactor)는 365 nm 의 파장을 갖는 UV를 담체튜브 및 코팅막에 조사시켜 막 표면에서 유기물의 산화반응이 일어날수 있도록 고안하였으며 일차적으로 formic acid의 산화효율을 측정하였다. 코팅된 담체는 코팅하지 않은 담체에 비해 flux가 상당히 저하하는 반면에 formic acid의 산화효율은 이에 비례하여 증가하였다. 또한 본 실험의 결과로부터 수처리공정에서 문제시되는 난분해성 유기물질의 산화분해처리에 대한 광촉매 막의 응용성을 제시하고자 한다.

막분리 공정의 응용범위 및 시장규모가 증가함에 따라 최근 기능성 분리막의 개발에 대한 많은 연구가 시도되고 있으나 아직까지도 매우 한정된 범위의 유기질 분리막만이 실용화되고 있을 뿐이다. 막분리 공정의 응용성은 분리막의 특성에 의하여 좌우될수 있는데 현재 주로 사용되고 있는 유기질막은 열적, 기계적, 화학 및 생화학적 안정성이 낮고 세척에 의한 재생성이 용이하지 않기 때문에 차후이들을 대체하여 모든 조업조건하에서 효율적으로 장기간 사용될 수 있는 세라믹막의 개발이 요구되고 있는 실정이다. 특히 2000년도 초반부터는 종래의 유기질막으로서는 기대할 수 없는 고기능성을 부여할 수 있는 세라믹막의 공업적 수요가 급증하여 분리막 공정에서 상당한 비중을 점유하게 될 것으로 예상되고 있으나 현재 전 세계적으로 세라믹막의 제조 및 응용에 대한 기초 및 기술이 확립되어 있지 않아서 공업적인 실용화가 이루어지지 못하고 있다.

기체 분리시 분리막에 의한 공정의 최대 결점인 낮은 투과 속도를 개선하기 위해서 초박막화 기술의 도입이 절대적으로 요구되며 동시에 고선택성을 지닌 분리막의 제조가 수반되어야 한다. 따라서 기계적 강도를 유지하기 위한 다공성 지지막의 표면위에 분리하고자 하는 대상 물질에 대해 선택성이 우수한 소재로 매우 얇고 치밀한 활성층을 형성시킴으로써 분리 기능성이 매우 우수한 분리막을 제조할 수 있다. 이러한 관점에서 치밀한 초박막 활성층을 형성시키는 제조기술을 확보하고자 플라즈마 증합법을 도입하여 통상의 코팅 방법의 한계점을 극복하였다.

고분자막을 이용한 분리공정에서 본질적으로 요구되는 성능은 우수한 선택도와 투과속도인데, 이러한 특성들은 막의 화학구조 및 막의 두께 등에 의하여 영향을 받는다. 따라서 선택투과기체와 친화성이 좋은 물질을 박막화하여 제조한다면 분리막으로 우수한 성능을 지닐 수 있을 것이다.

Synthetic membrane processes are being increasingly integrated into existing reaction, isolation, and recovery schemes for the production of valuable biological molecules. In many cases they are replacing traditional unit processes. The properties of membrane systems which are most often exploited for both upstream and downstream processing are their permselectivity, high surface area per unit volume, and their potential for controlling the level of contact and/or mixing between two separate phases. Advances in both membrane materials and module design and operation have led to better control of concentration polarization and membrane fouling. After presenting some recent advances in membrane materials and fluid mechanics, we demonstrate how membranes have been integrated into cellular and enzymatic reaction schemes. This is followed by a review of established and emerging membrane separation processes. Several examples are used to emphasize the synergism between biological processes and synthetic membranes.

Synthetic membrane processes are widely used in many industrial applications for concentrating and fractionating various components in solutions and suspensions. Advantages for using these processes include no phase change, direct separation without the use of additives, exploitation of large property differences.

혼합물 중의 특정 분자와 선택적, 가역적으로 반응하는 운반체를 이용한 촉진 수송법은 분리막의 투과도와 선택도를 동서에 증가시킬 수 있는 한 방법으로 많은 연구가 진행되어 왔다. 촉진수송의 개념은 처음 액막에서 발견되었으나 근래에는 고체막에서도 가능하다는 보고들이 있다. 액막의 경우는 이 현상을 설명하는 모델들이 다수 보고되었으나 운반체가 고정되어 있는 고체막에 대한 보고는 아직 초보적인 단계이다.

분리막법이 기체 분리에 응용된후 에너지 소비의 절감, 열안전성 등과 같은 장점들로 인해 수소회수 및 $H_2/CO_2$의 비율조정, $CH_4/CO_2$ 분리, $O_2/N_2$의 분리 등에 이용되고 있다. 이러한 분리막의 특성은 투과도와 선택투과도에 의해 결정되어지는데, 이들은 서로 상반된 경향을 나타낸다. 즉 투과도가 높으면 선택투과도는 낮아지고, 선택투과도가 높으면 투과도는 감소하게 된다. 그러나 이러한 두가지 특성 모두를 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 그 연구방향은 새로운 고분자의 합성 및 고분자의 개질, 복합재료의 개발, 액정, 촉진수송법 등으로 나눠질 수 있다. 이중 촉진수송이란 특정한 기체와 가역적 친화력 또는 흡착력을 갖는 운반체를 액체나 고체막에 분산시켜 원하는 특정 기체만을 선택택으로 수송하는 것을 말한다.

고내열 및 고내화학적 특성을 갖는 미세다공성 고분자막의 개발을 위한 기초연구가 수행되었다. 본 연구에서는 고분자막 제조기법의 첨단기술로 등장한 열유도상 분리공정(Thermally Induced Phase Separation, 이하 TIPS)이 도입되었다. TIPS 공정은 고분자를 고분자의 용융점을 상회하는 온도에서 매우 미세하게 분산시킬 수 있는 희석제를 고분자와 함께 melt-blending하여 균일한 single phase의 용액을 만들고 이를 적당한 막의 형태로 성형한 후, 가해진 열을 제거하여 냉각시킴에 따라 polymer-rich phase 와 polymer-poor phase 로 구성되는 two phase system으로 상분리를 일으키는 방법이다. 이때 polymer-poor phase를 차지하는 희석제를 제거함에 따라 고분자 matrix 내에는 void volume이 형성되고, 그 결과 고분자 matrix 전체적으로 다공성이 부여되어 고분자막으로서의 기본적인 기능을 갖추게 된다.

촉매막반응기란 반응기와 분리막이 동시에 하나의 과정으로 결합된 unit로, 촉매막반응기를 사용할 경우 가역 반응에서 막을 통한 생성물의 선택적 제거는 화학 평형이동을 유발시켜 열역학적으로 얻을수 있는 평형 전환율보다 높은 전환유을 얻을 수 있다. 본 연구는 이러한 촉매막반응기의 성능에 대한 실험적 연구로, 산 촉매하에서 일어나는 MTBE 분해반응을 12-텅스토인산 촉매상에서 수행하였다.

최근들어 많은 연구자들에 의해서 고분자 재료를 이용하여 약물의 방출속도를 조절하며 이를 통해서 장기간에 걸쳐 치료 유효농도이상의 혈중농도를 유지 함으로써 치료효과를 극대화 하려는 연구가 진행되고 있다. 특히 고분자 재료를 이용한 macromolecular drug의 방출조절에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. Macromolercular drug은 인슐린, 알부민등의 단밸질과 유로키나제등의 효소와 같이 약효는 매우 높으나 적절한 투여 수단이 발견되지 않아 투여가 매우 번거로운 단점을 가지고 있다. 이와같은 macromolecular drug의 대부분은 구강을 통해서 투여하는 것은 거의 불가능하며 체내 반감기도 매우 짧아서 절절한 투여방법의 개선이 필요하다. 따라서 본 연구실에서는 macromolecular drug의 투여방법을 개선하고자 다공성 고분자막을 이용하였으며 생체 환경의 변화에 대해서 투과속도가 변화하는 자극감응성 고분자 막을 개발하고저 기질로 사용한 고분자 막의 표면에 기능성 모노머를 그라프트 반응을 통해서 도입하고 이의 이용 가능성을 확인하였다.

Polymer containing monomers with pendant phospholipid polar group, 2-(metha-cryloyoxy) ethyl-2-(trimethylammonium) ethyl phosphate(MTP) were synthesized and blood compatibility of the copolymers was evaluated. Good permeability of biocomponents of molecular weight below 10$^4$ through cellulosic membrane coated with the copolymer of 2-(methacryloyoxy) ethyl-2-(tri-methylammonium)ethyl phosphate, butylmethacrylate(BMA), and glycidyl methacrylate(GMA) was observed, (Fig.1).

본 연구에서는 기체분리용 고분자 분리막을 박막화하기 위하여 기체의 선택도와 투과도가 서로 상이한 celluloseacetate(CA), polyvinylchloride(PVC) 및 polystyrene(PS) 등의 고분자용액을 사용하여 수면전개법에 수면 전개기구와 박막의 구조적 특성을 연구하였고, 또한 기체 분리막으로서의 이 수면전개막을 개발하기 위하여 CA, PVC, PS 단일 적층막, CA-PVC 복합적 층막, PVC/PS 혼합적층막의 형태로 제막하여 기체분리효과를 검토하였다.

In this study characteristics of dynamic filters utilizing Taylor vortices were investigated both experimentally and theoretically. With fine silica slurry of 4.0 $\mu$m in average size experiments were conducted in Taylor vortices generated between the rotating inner cylinder consisting of microfiltration membrane of 1.2 $\mu$m in average pore size and the stationary outer cylinder. The diameter of the inner cylinder was 5.2 cm. Four outer cylinders having different diameters were manufactured and therefore four types of dynamic filters having the different ratio of the annular gap to the inner cylinder radius, i.e. 0.17, 0.33, 0.54, 0.65, were used as the experimental apparatus, as shown in Fig. 1.

본 연구에서는 산/염기 수용액의 탈수분리에 이미 complex site를 가진 막을 투과증발에 응용하는 것이 아니라, 공급액으로 사용되는 산/염기와 complex를 형성할수 있는 작용기를 가진 막을 그들 수용액의 탈수분리에 응용함으로써 형성된 complex site로 분리성능의 향상을 도모하였다. 또한, 분리대상물내의 한성분이 couter ion으로 작용하는 점을 이용하여 long-term stability의 문제도 해결하고자 하였다.

분리막을 이용한 물질의 분리는 최근 들어 많은 연구가 수행되어 일부 실용화 되고 있으나, 최근에 관심을 끌고 있는 Pervaporation 분리법에 의한 유기물의 분리는 여러가지 이유에서 아직 큰 성과를 올리지 못하고 있다고 생각된다. 그러나, 이 방법만이 갖는 잇점 때문에 국내.외에서 다방면으로 활발히 연구가 진행되고 있다. 한편 Pervaporation 분리법의 분리기구를 규명하는데는 많은 어려움이 있으므로 아직까지 명확히 밝혀지지 않고 있으나 언제인가는 밝혀져야 할 과제라고 생각된다. 따라서 본 연구에서는 투과현상을 좀 더 구체적으로 파악하므로써 분리기구를 해석하는 데 다소나마 기여하기 위하여 물 선택성 막은 Carboxy-methylcellulose(CMC) 막을 제작하여 알코올류, DMF, DMAc, Dioxane등의 유기 수용액의 분리실험을 하였으며, 투과 증기의 조성을 짧은 시간 간격으로 측정하므로써 분리특성과 아울러 투과현상을 파악하였다.

고분자막을 이용한 분리기술은 에너지 절약과 높은 효율성으로 인해 현재 광범위하게 연구되어 지고 있다. CO$_2$와 CH$_4$를 주성분으로 하는 natural gas 분리나 수소회수, $H_2/CO_2$ 분리등의 실제 분리목적을 수행하기 위해서는 동시에 투과도와 선택도가 높은 막의 개발이 필요한데, 이러한 두가지 분리막 특성을 향상시키기 위해 새로운 고분자 재질의 개발이나 박막화등을 시도하여 왔다.

당사에서는 대호저수지의 Brackish Water를 R.O 설비로 탈염하여 complex에 필요한 각정 공업용수 및 생활용수로 공급하고 있다. 설비의 용량은 처리수 기준 70,000 m$^3$/DAY 이며, 현재 일 30,000 ~ 35,000$m^3$ 정도를 생산하고 있다. R.O 설비에는 약 90억원이 투입되었고, 일본의 Toray Engineering Co.에서 설계 공급하였으며, Toray사의 SU-700 Series인 PA Spiral Wound Membrane이 장착되어 있다.

환경오염이 심각해 질수록 수자원에 대하여, 생산공정에서 발생되는 폐수를 환경오염 기준치 이내로 처리후 단순 방류하는 소극적인 방법에서 보다 효과적이며 경제적인 처리 방법으로 개선하는 적극적인 인식의 전환을 요청받게 된다. 이것은 생산성에 직결되는 중요한 문제이며 기업의 경쟁력을 강화하는 조건이라 아니 할 수 없다. 더욱이 정부에서는 수자원의 고갈로 상수도 과다 수요업체를 대상으로 하는 오,폐수의 중수도화 정책을 시행할 예정이며, 세금및 상수도료 감면 혜택등으로 실질적인 상수도 절감을 유도하고 있으며, 금년 12월 부터 시행키로 발표된 바 있어, 이와 관련되는 기술의 관심이 그 어느때 보다 높아 지고 있다. 오,폐수 재사용의 기술은, 분류 처리 기술과 고도 처리 기술, 난분해성 폐수의 처리 기술로 크게 나누어 지는데, 당사가 반도체 도금 공장인 A 산업체에 적용한 분리막에 의한 난분해성 유기 용제 폐수의 처리 공법에 대한 연구 개발 실례를 소개하고자 한다.

침출수를 처리하는 방법은 여러가지가 있으나 주로 생물학적 처리방법과 물리화학적 처리 방법으로 구분할수 있다. 특히 침출수는 매립물의 종류에 따라 침출수 수질이 상당히 차이가 나는데 도시쓰레기 매립에 의한 일반폐기물 침출수는 그 처리 및 관리가 용이하나 특정 폐기물 침출수는 염의 농도가 높고 중금속을 다량 함유하고 있어 1차 처리후에도 방류가 곤란하다. 이 경우는 특정 폐기물 매립지인 H매립장의 침출수에 대하여 Pilot Test를 통한 적정 Process 경제성을 검토한 것이다.

본 연구의 목적은 국내 섬유산업에서 문제시되는 염색폐수처리에 막분리공정의 적용가능성과 문제점을 실험실규모와 pilot 규모의 실험을 통하여 규명하는 것이다. 염색폐수는 섬유의 가공공정에 따라 염료, 분산제, 정염제, 반응제 등 다양한 유기물질과 무기염을 함유하며 온도가 10-90$\circ$C로 높은 것이 특징이다. 본 연구에서는 2종류의 Nanofiltration: NF40, XU45; 두종류의 복합막; BW30, SW30HR; 2종류의 Cellulose Acetate 비대칭막의 평막 Sample을 사용하여 합성염색폐수의 배제율과 압력변화에 따른 투과수에 미치는 영향을 조사하였다. 실제 혼합염색폐수의 처리는 2개의 2.5"$\times$ 40" Nanofiltration 모듈을 장착한 Pilot 장치를 염색단지 종합처리장에 설치하여 3개월에 걸쳐 시행하였다. 현재까지 얻어진 실험결과에 의하면 전처리공정의 효율롸를 통해 부유물질에 의한 Fouling을 최소화하고 폐수의 성분분석과 사용된 막의 표면분석을 통한 체계적인 조사가 필요하다. 염색폐수처리에 막분리공정이 기존처리방법과 비교하여 경제성을 가지려면 효율적인 막세척방법을 개발하여 투과율의 감소를 최소화시켜야 한다.