세계적인 에너지 수요의 증가는 통제할 수 없는 환경 오염을 야기하고 있다. 화석 연료에 대한 수요와 그로 인한 탄소 배출이 지구 온난화와 기후 변화로 이어진 것이다. 핵에너지는 청정 에너지를 생산하는 대체 자원이지만 핵연료 채굴은 유해한 화학물질과 관련이 있다. 반면에 막 분리 과정을 통해 바닷물에서 중요 광물을 채굴하는 것은 효율적이며 친환경적이 다. 분리와 흡착을 통해 해수로부터 주요 광물을 채굴하는 것은 또 다른 효율적인 과정이다. 희토류 원소에서 악티늄족을 회 수하는 것은 매우 어렵고 고비용의 과정이다. 압력 기반 막 분리 과정은 친환경적일 뿐만 아니라 경제적으로 실현가능한 과 정이기도 하다. 본 리뷰에서 다루는 막 공정에는 폴리에테르 설폰, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리아미독신 및 하이브리드 막 이 있다. 또한 흡착 공정의 경우, 주로 아미독심 종류의 흡착제가 논의될 것이다.

기후 변화는 비정상적인 날씨 패턴을 야기하며 연간 강수량에 지대한 영향을 미친다. 이와 더불어 산업화의 가속화는 에너지 수요를 증가시키며 석유화학 산업폐수의 누수와 유조선의 유출을 초래함으로써 수질 오염을 악화시킨다. 이러한 부정적인 여건 속에서 정수를 효율적으로 추출해내는 해결책을 강구하는 것이 요구된다. 기름/물 분리를 위해 화학적 침전 및 흡착에 의한 분리 등과 같은 방식을 운용할 수 있지만 분리막 기술이 비용 및 에너지 측면에서 더 효율적이다. 분리막의 양친성은 전기 전도성과 친수성이 뛰어난 MXene이라는 2차원소재를 도입하여 향상시킬 수 있다. 본 총설에서는 향상된 분 리막 성능의 사례를 크게 순수 MXene이 적용된 사례와 변형된 MXene이 적용된 사례로 나누어진 목차로 전개할 것이다. 복합 분리막을 제조하기 위해 다양한 고분자가 사용되었으며 각 사례에서 MXene은 특정 용도에 적합한 특성을 더욱 강화시켜 주었다.

지구 온난화 이슈에서 가장 고질적인 문제 중 하나는 온실가스의 배출이다. 다양한 온실 가스 중 가장 높은 비중을 차지하는 이산화탄소(CO2)는 이를 분리하기 위해 연구자들이 지속적으로 연구를 진행해오고 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 이산화탄소 기체를 분리하기 위해 poly(vinyl alcohol) (PVA) 기반 공중합체를 제조하여 기체 분리막에 활용했다. 공중합체는 자유 라디칼 중합법을 활용했으며, 곁사슬을 위한 단량체로 아크릴산(acrylic acid)를 사용하여 PVA-g-PAA (VAA) 그래프트 공중합체를 제조했다. 본 공중합체를 이산화탄소 기체분리막에 적용한 사례는 최초이며, 폴리설폰 지지체에 복합막 형태로 제조했다. 공중합체 합성 결과는 FT-IR을 통해, 합성한 공중합체 의 거동은 TEM과 DSC, TGA를 통해 분석하였다. AA 그래프팅을 통해 공중합체는 나노 구조를 형성하며, PVA의 결정화도를 급격하게 감소시켜 이산화탄소의 용해도를 증가시켰고, 이는 이산화탄소 기체 분리 성능을 향상시켰다. 이를 통해 이산화탄소 분리막 분야에 용액-확산 및 그래프팅 방법이라는 새로운 접근법을 제시하였다.

현재 바이오 분야에서 분리에 대한 수요가 급증함에 따라, 투과율 및 결합능 측면에서 높은 성능을 띠는 막크로 마토그래피가 수지 크로마토그래피의 대체 분리 공정으로 부상하고 있다. 실증을 기반으로 하여 막 소재가 결정되는 기존 분 리막 공정과 달리, 막크로마토그래피의 경우 분리하고자 하는 목표 물질에 적합한 분리 메커니즘 이해 그리고 이를 기반한 공정 설계가 필요하다. 본 논문에서는 생특이성을 활용하여 선택적으로 거대 분자를 포집하는 친화성 작용, 전하를 활용하여 생분자와 결합하는 이온 교환 작용 그리고 소수성을 활용하여 생분자와 결합하는 소수성 작용과 같은 막크로마토그래피 주요 분리 메커니즘들에 대해 다루고자 한다. 또한 본 논문에서는 단계적 측면에서 또는 소재 측면에 막크로마토그래피 기술 설계 시 고려해야할 변인들에 대해서 다루고자 한다.

막 분리 운전방식에 따른 음폐수 소화가스의 도시가스용 바이오메탄 생산연구를 상업용 시설을 대상으로 수행하였다. 연구결과 바이오메탄의 순도는 4SBR과 3SDR 모두 98.9%를 달성할 수 있었다. 소화가스 내 메탄 회수율은 4SBR 88.1%, 3SDR 79.4%이었고, 처리 소화가스량 대비 바이오메탄 생산율도 4SBR이 53.5%로 3SDR의 49.4%보다 높았다. 그러나 막 분리시설에 공급되는 가스 중 반송 가스의 비율은 4SBR이 56.5%로 3SDR 보다 두 배가량 컸으며, 이로 인해 최대 처리량에 있어서는 3SDR이 양호한 결과를 보였다. 따라서 소화가스 200 Nm3/day 이하는 4SBR, 240 Nm3/day 이상에서는 3SDR이 경제성이 좋은 것으로 판단되었다. 공정 운전변수들의 평균값 대비 운전 값들의 상대편차는 전반적으로 4SBR이 컸으며, 또한 주 운전조절 수단인 바이오메탄 인출압력 대비 주요 지표들의 상관관계에 있어서는 3SDR가 보다 직접적인 관계를 보여주었다.