Tech Trend - 전기 탈이온 방식의 정수시스템
기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
기술개요
세계 역사에서 음용수에 대한 관심은 고대부터 시작되었는데, 당시 수도관인 ‘연관’을 통한 물의 부적합함을 알게되어 물을 여과하거나 끓여먹는 작업이 이루어졌다고 한다.
우리나라에 이러한 목적의 정수기가 도입된 것은, 1948년 6·25 직전 미국에서 개발된 정수기를 미군이 사용한 것이 기록상 최초의 정수기로 알려져 있다.
산업사회가 고도로 진행되면서 환경의 파괴와 수자원의 오염, 물 부족 현상의 정도는 날로 심각해져 가고 있는데, 특히 맑은 물에 대한 욕구와 물 부족에 대한 인식이 증가되고 안전한 음용수의 확보에 대한 문제가 두드러짐에 따라 이를 해결하기 위한 방안의 하나로 수질을 정화시키는 기술이 주목받기 시작하였다.
근대화 이후 화학공정의 발달로 오염물질을 물에서 분리·제거할 수 있는 ‘막’(Membrane)의 개발이 활발해지고 실용화되었으며 이후 각 종 세라믹, 고분자 합성막, 기능막, 전기투석, 이온교환법 등이 개발되기 시작하였다.
최근에는 에너지 절약 및 위생 관련분야의 새로운 응용 등으로 확대됨에 따라 다양한 소재와 시스템 개발분야로 발전되고 있다.
정수기술에는 상하수도를 처리하거나 공업용수 처리, 해수를 담수화 하는 등의 산업용과 개개의 가정에 공급하는 물을 정수처리하는 가정용으로 나누어진다.
가정용은 여기서 크게 두가지 Type으로 구분된다. 하나는 집 전체를 정수처리하는 POE(Point of Entry) Type이며, 나머지 하나는 소비자가 사용할 때마다 정수처리되는 POU(Point of Use) Type이다.
이는 국가, 지역, 건물 또는 주거환경 특징에 따라 선택성을 가진다. 해외와 달리 우리나라는 비교적 POE Type 보단 POU Type의 정수기를 많이 사용하고 있다고 할 수 있다.
POU Type 정수기에는 여러가지의 필터들이 적용되어 있는데, 각각의 특성에 따라 제거하는 물질과 효율, 소요되는 에너지 등이 다르다.
특히 중요한 것은 각 필터마다 정수되는 속도가 다르다는 것이다. 이는 정수기를 구성하는 데 있어 정수성능과 구조를 결정해주기 때문에 매우 중요한 인자가 된다.
표 1 필터타입별 제거물질 및 정수속도
국내 정수기 시장에서 지난 20년간 적용되어온 핵심필터 기술은 Ultrafiltration(UF)과 Reverse Osmosis(RO)로 양분된다.
표 1 에서 알 수 있듯이 RO는 제거할 수 있는 물질의 종류가 많고 정수성능이 높은 장점을 가지고 있으나 상대적으로 정수속도가 느리기 때문에 저수탱크가 필요한 단점이 있다. 반면 UF는 정수속도가 빨라 저수탱크가 필요없는 장점이 있으나 이온성 물질은 제거하지 못해 상대적으로 정수성능이 낮은 단점을 가지고 있다.
정수성능에 따라서 핵심필터 타입을 선택할 수는 있으나, 두가지 필터 각각의 단점을 극복하기에는 그 한계가 있기에 선택에 있어 자유롭지 않은 것이 현실이다. 이에 수년간 이들 기술간에는 우위성 및 제거성능 등에 대한 논란의 이슈가 지속되고 있다.
표 2 RO Type 별 특징
표 2 에서 볼 수 있듯이 RO를 이용하여 여러 형태의 정수기를 개발하고 있으나 단순한 형태로서의 구분이 아니라 이들간에는 바로 효율성의 차이가 있다.
Total Dissolved Solids(TDS) 제거율은 다른 필터에 비해 매우 우수하지만 에너지 절감 및 물부족 환경에 대한 관심이 두드러지게 나타나는 현실에 있어서 상대적으로 낮은 Efficiency는 현재의 기술의 한계를 보여준다.
필자가 소개하고자 하는 기술은 이와 같은 RO의 Efficiency 한계를 극복하면서도 Storage가 없는 UF의 장점을 가지고 RO와 같은 우수한 제거성능을 보이는 신 개념의 전기 탈이온 정수기술로서, 막을 이용한 여과방식의 정수가 아닌 이온교환방식의 신소재 멤브레인과 전기적인 힘을 이용하여 물속의 이온을 제거하는 정수기술이라 할 수 있다.
그림 1 전기 탈이온 정수기술의 원리
시스템 원리를 간략히 설명하면, 물속의 이온상태의 중금속 및 오염물질들은 신소재 멤브레인 표면에서 이온교환방식으로 제거되며, 높은 정수속도와 제거성능을 확보하기 위해 정수시 전기적인 힘을 걸어준다.
여과방식의 정수시스템이 아니기 때문에 별도의 가압이 필요 없으며, 이온교환방식이기 때문에 정수와 동시에 생활용수(버려지는 물)가 발생되지 않는다.
즉, 물을 짜내지 않고 물 속의 이온들을 잡아서 제거하기 때문에 정수유량이 풍부하며, 전기적인 힘으로 제거속도를 보완하기 때문에 정수성능이 RO급으로 우수하다.
하여 본 정수기술은 RO의 우수한 정수성능을 유지하면서 한계인 Efficiency를 극복할 수 있는 장점을 가지고 있으며 UF의 풍부한 유량을 확보할 수 있으면서 낮은 제거성능을 극복할 수 있는 장점 또한 가지고 있다.
그림 2 TDS 조절기능과 중금속 제거성능
그림 2 는 중금속 이온은 100% 제거하면서도 일부 TDS는 남겨두는 기능을 보여주고 있다. TDS 조절이 가능하다. 즉, 물맛을 나타내는 성분은 조절하면서 몸에 유해한 중금속이온은 제거할 수 있기에 보다 차별화된 정수수를 제공할 수 있다.
이는 한 단계 더 진보한 기술이며 물맛과 안전을 모두 확보할 수 있기에 기존 정수필터와 차별된다. 또한 기술의 한계로 인한 소비자의 선택에 있어 한정적이었던 기존 시장에서 그 선택의 폭을 넓힐 수 있기에 그 의미 역시 크다.
이를 가능하게 한 것은 바로 전기적인 힘 조절에 있다. 동일한 힘이 주어졌을 때 이온의 크기와 종류에 따라 상호작용에서의 힘이 다르게 적용되는 원리를 응용한 것이다.
표 3 정수 필터 시스템 특징 비교
표 3 의 비교에서 알 수 있듯이 전기 탈이온 정수기술은 높은 제거성능과 높은 효율(고 회수율), TDS 제거율 조절기능을 가지면서도 Tank Less구조가 가능한, 이로써 기존 RO와 UF의 장점을 모두 가지고 있는 혁신적인 기술임을 확인할 수 있다.
국내외 기술동향
(1) 해외 기술동향
세계적으로 물 부족과 수질악화 문제가 심화되면서 물에 대한 관심이 날로 높아지고 있다.
지구온난화와 급격한 인구증가로 물부족 문제가 가속화되고 있으며 UN은 세계 물부족 인구가 현재 10억명에서 2025년에는 30억명, 2050년에는 50억명에 이를 것이라고 전망(UN, 「UN World Water Report」)하였다.
또한 선진국의 물 인프라 노후화와 개도국 산업화 진전으로 인한 수질악화가 심각해지고 있으며, 특히 세계 대도시의 물 인프라 노후화는 심각한 상황으로, 수도관 부식에 의한 중금속 오염 등의 손해규모가 대도시 평균 2,000만 달러를 상회(Booz Allen Hamilton, 「Lights! Water! Motion!」, 2007 Spring)할 것으로 추정하고 있다.
뿐만 아니라, 중국, 브라질과 동유럽 국가들의 산업화에 따른 생활하수, 산업폐수의 증가로 수질악화가 급격하게 진전되고 있는 것이 사실이다.
따라서 이를 해결하기 위한 기술들과 수처리 설비, 기기분야가 활발하게 개발이 되고 있으며, 최근 제조업 영역에서도 이와 같은 부문을 주력산업으로 판단, 관련역량 및 기술확보를 위해 박차를 가하고 있다. 최근에는 나노필터링(Nanofiltration), 생체막(Bio-membrane) 등 BT, NT를 이용한 저비용 수처리 기술 및 고효율 저전력 전기 탈이온 소재기술 등이 발전하고 있으며, 이러한 기술들을 보유하고 있는 업체를 인수, 합병함으로써 신규 기술시장에 진입을 꾀하고 있다.
전기 탈이온기술은 기존의 이온교환수지법의 대체공정으로서 초 순수의 제조나 저농도의 유입수내의 이온성 물질의 제거를 위한 공정으로서 각광을 받는 기술이며, 그 시초는 1950년대 Walter의 연구개발팀(Walters et al., 1955)에 의해서 개발되었다.
기존의 전기투석 공정에서는 이온성물질의 100% 제거는 불가능하며 전력소모가 급격하게 증가됨을 인지하였기에 이후 이온교환수지를 전기투석에 충진함으로써 낮은 농도의 유입수에 대해서 100% 가까운 제거효율을 가지는 새로운 시스템을 개발하였으나 높은 운전비용과 복잡한 운전기술이라는 점이 활용도를 저해하였다.
최근 환경오염 문제에 대한 관심이 증가하고 에너지 절감 및 자원절약의 필요성이 대두됨에 따라 운전효율과 제거성능에 대한 관심이 증가하게 되었고, 다국적 선진기업들이 전기 탈이온 기술에 대한 우선적인 우위를 점하기 위해서 특허를 비롯한 공정기술 개발에 열을 올리고 있으며, 그 결과 현재 전기 탈이온 기술에 대한 연구는 학술적인 연구보다는 적용성연구가 특허를 중심으로 활발히 진행되고 있으며 기존보다 저렴한 운전비용과 전력조건, 새로운 이온교환 소재 및 효율적 구조 구현 등을 목표로 연구개발에 매진하고 있다.
(2) 국내 기술동향
대부분 적용되고 있는 정수기술들은 흡착/여과 기술과 이온교환기술로 크게 구분되며, 여과기술에는 Pore Size에 따라 MF(Micro-Filtration), NF(Nano-filtration), RO(Reverse Osmosis) 필터들이 있으나 각각 필터에 따라 제거할 수 있는 물질들의 한계가 있다.
특히 제거율이 가장 우수한 RO의 경우에는 정수와 동시에 버려지는 생활용수가 있어 정수효율(회수율)이 낮은 편이며, 직수로의 구현이 쉽지않은 단점이 있다.
이에 전기적인 힘으로 이온을 이동, 분리하여 이온교환을 통해 제거하는 기술들의 개발이 활발히 진행되고 있으며, EDI(Electro Deionization), ED(Electro Dialysis) 및 Carbon 전극을 이용한 CDI(Capacitive Deionization), New Electro Deionization(당사 적용기술)들이 여기에 해당된다.
아직까지는 다양한 산업 및 제품적용에 있어 어려운 부분이 있지만 최근들어 이들을 구성하는 소재의 특성이나 효율, 성능향상 뿐만 아니라 생산조건과 조립성, 운전조건을 보다 실용적이고 상용화시키기 위해 연구단체 및 학교, 관련 기술업체 등에서는 연구개발에 더욱 박차를 가하고 있다.
향후 전망
산업화가 가속되고 환경오염이 심각해 질수록 안전한 물은 인류의 삶에 직결될 수 있는 매우 중요한 자원이다. 때문에 정수기술은 점점 더 핵심이 될 것이며 이에 따라 물 산업의 중요도 및 관심도 역시 전 세계적으로 급격히 증가할 것이라 판단된다.
단순히 물만 걸르기 위한 기술로는 부족하다. 몸에 좋고 안전할 뿐만 아니라 물소비량 및 에너지가 적게 소요되면서도 설치 및 운전이 간단하여 여러 산업 및 제품, 시장에 적용되기에 어려움이 없는 기술로 보다 발전될 수 있도록 꾸준한 기술개발이 필요하다.
안전한 물을 생산할 수 있는 기술, 걸러주는 물질을 선택할 수 있는 기술, 회수율이나 제거성능을 높일 수 있는 정수기술의 개발과 더불어 그 적용성을 확대, 강화시키기 위한 기술개발이 더욱 활발해진다면 향후 전 세계적으로 기술 및 시장확대가 가능할 수 있으리라 본다.