투과증발법은 공비혼합물 등의 분리하기 어려운 액체혼합물을 효과적으로 분리하기 위한 분리법으로 각광을 받아오고 있는 막분리공정 중의 하나이다. 수용액의 탈수에 초점을 맞추어서 발전을 거듭해온 투과 증발막의 개발은 에탄을 탈수막과 이소프로판을 탈수막의 상용화에 성공하였으며, 현재 여러 분야에서 응용이 되고 있는 공정이다. 특히 최근에 와서 석유화학공정과 휘발성유기화합물의 분리에 유용한 효과적인 막재료와 공정의 개발이 이루어지고 있다. 투과증발분리막과 공정의 발전과 그 응용분야에 관하여 서술하여 보고자 한다.

자동차 배출가스로 인한 대기 오염을 줄일 수 있는 자동차 연료용 고순도 에탄올 농축을 의한 투과증발 pilot test가 발효에탄올 시작 공장에서 PVA 복합막을 이용하여 수행되었다. 약 95% 에탄올 농도를 갖는 에탄올/물 공비혼합물을 탈수, 농축하여 99% 이상의 연료용 고순도 에탄올을 얻는 투과증발 공정에서는 막의 내열 온도 범위 내에서 공급액의 가열 온도를 높일수록 농축 성능이 우수하였으며 투과액의 응축 온도는 경제성을 고려하여 결정해야 하며 0℃가 최적임을 알 수 있었다. 발효에탄올 농축을 위한 투과증발 성능은 합성에탄올 농축과 같은 결과를 보임으로써 투과증발 시스템 성능은 에탄올에 포함된 미량의 성분과는 무관한 결과를 보였으며, 투과증발 pilot test 결과 및 에너지 수지 관계를 이용하여 시스템에 소비되는 에너지의 대부분을 차지하는 투과액의 기화에 필요한 에너지는 공급액의 현열에 의해 공급됨을 확인하였다.

유기물 탈수 공정에 적용되는 투과증발 시스템을 설계하기 위한 투과증발 시스템 모사기가 개발되었다. 모사기는 시스템 모델링 및 수치 해석 알고리즘과 관련된 simulation engine과 모사기를 Windows 환경에서 쉽게 사용할 수 있도록 한 Graphical User Interface(GUI)로 구성되었다. 모사기 구조 및 사용 방법 등을 실규모 에탄올 탈수 공정 모사를 통하여 구체적으로 설명하였으며, 모사 결과를 실제 에탄올 탈수 Pilot test에 의한 실험 결과와 비교함으로써 모사기 성능이 우수함을 입증하였다.

글루탈알데히드와 황산을 이용하여 가교된 키토산 복합막을 제조하였다. 제조된 복합막은 글루탈알데히드와 황산용액을 이용하여 표면말을 선택적으로 가교하엿다. 제조된 키토산 막에서의 키토산과 아세트산간의 착체형성의 영향을 관찰하기 위하여 수산화나트륨으로 중화하여 성능을 비교하였다. 황산으로 표면을 가교한 경우 코팅된 활성층의 투과증발에 대한 영향을 관찰하였다. 글루탈알데히드로 가교된 키토산복합막은 지지체의 종류를 변화시키면서 투과증발성능을 비교하였다. 지지체의 순수투과성능이 증가할수록 투과유량은 비슷한 값들을 유지하였으며, 선택도는 증가하다가 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 수산화나트륨으로 키토산을 중화시킨 경우에는 선택도는 감소하였고 투과유량은 유지되는 경향을 나타내었다. 황산을 이용하여 표면을 이온가교시킨 경우 키토산 복합막은 활성충우ㅏ 두께가 증가할수록 가교시간이 증가하여야 최적의 가교조건을 나타내었다.

물/에탄올 수용액에 대한 투과증발특성을 개선하기 위하여 키토산을 이용하여 키토산/폴리비닐알콜 블렌드, 인산화 키토산 복합막을 제조하였다. 키토산과 폴리비닐알콜은 조성을 변화시키면서 블렌드를 얻을 수 있었으며, 글루탈알데히드를 이용하여 가교 방법과 조건을 변화시켜서 가교된 키토산/폴리비닐알콜 복합막을 제조하였다. 가교 농도와 가교 시간이 증가할수록 선택도는 증가하였으며 투과유량은 감소하였다. 글루탈알데히드를 가교제로서 키토산용액에 직접 첨가한 경우가 표면만을 가교한 경우보다 우수한 투과증발 성능을 나타내었다. 또한 인산화반응을 통하여 반응시간에 따라서 인산화도가 조절된 인산화 키토산을 얻었으며 이를 이용하여 인산화키토산 복합막을 제조하였다. 반응시간이 증가할수록 인함량이 증가하였으며 더불어 인산기의 도입에 따른 친수성의 증가로 선택도의 증가가 나타났다.

정유산업 방출폐수를 재처리하여 양질의 공업용수로 활용하고자 역삼투막 및 공정으로 구성된 재활용 system을 고안하여 현장 pilot 실험을 수행하였다. 생산공정 운전상황에 따라 불규칙적으로 변하는 폐수 특성에도 불구하고 역삼투막의 경우 10~15kg/cm2 의 운전압력 범위내에서 96~99%정도의 비교적 높은 염배제율을 보였으며 본 실험을 통하여 얻은 재생수의 경우 냉각탑 공급용수로써의 충분한 가능성을 보여 주었다. 그러나 본 연구에서 제안 사용된 여과형 전처리 공정만으로는 충분한 처리효율을 기대하기 어려웠으며, 이는 각 여과공정법 처리수의 수질분석 결과 및 NaOH를 이용한 역삼투막 세정 결과로부터 쉽게 확인되었다.

미국 캘리포니아주 Orange County에 위치한 Water Factory 21(WF-21)은 생물학적 처리공정을 거친 도시하수를 재생하여, 이 재생수를 지하수지층으로 유입되는 해수의 침투를 막기 위한 Reinjection System에 이용하고 있다. 장치 구성 공정은 Lime처리, Air Stripping, 사여과, 활성탄처리, 역삼투막 및 염소처리 등으로 이루어지며, 이에 대한 각 처리공정의 효율성에 대하여 실험을 실시하였다. 3년간의 장기간에 걸친 실험결과로부터, 도시하수에 대한 RO Membrane 처리수는 음료 수질 기준에 적합한 고수질의 물을 생성할 수 있음을 입증했다. Pilot Plant 실험에선 Lime Clarifier만으로 전처리를 실시하여 성공적인 결과를 얻었으며, 또한 저압 (250 psi)이 적용된 새로운 Membrane을 사용하여 에너지 절약을 통한 비용 절감 효과에 대한 실험도 상당한 가능성을 보여주었다.