분리막 기술은 에너지 효율성과 연속공정 구성의 이점을 지니고 있으나, 소재 자체의 열역학적 선택도 한계로 인 해 유사 물질 간의 정밀 분리에 제약이 있다. 본 총설에서는 entrainer-assisted membrane separation (EMS) 전략을 통해 크기 공비(size-azeotrope) 난제를 공정 기반으로 극복하는 방안을 고찰한다. Ni/Na, Li/Na 등 혼합계 및 이온교환계에서의 실제 적 용 사례를 중심으로 EMS 전략의 작동 원리, 공정 설계의 유연성, 소재 재사용성과 확장 가능성을 정리하였으며, 향후 기술 적용을 위한 과제와 소재–공정 통합 설계 방향을 제안하였다.

본 연구에서는 Na2SO4 폐수 처리를 위한 바이폴라막 전기투석(bipolar membrane electrodialysis, BPED)에 적용하 기 위한 sulfonated poly(phenylence oxide) (SPPO) 기반 강화 양이온교환막(cation-exchange membrane, CEM)을 제조하고 그 성능을 평가하였다. 특히, 다양한 open area, opening size, 두께를 가지는 직조형 지지체를 사용하여, 지지체가 강화막의 물리 적 및 전기화학적 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 실험 결과, open area와 opening size가 증가할수록 이오노머의 충진율 이 증가하고 이온 전도 경로가 개선되어 막의 전기적 저항이 감소하고 함수율은 증가하는 경향성을 나타내었다. 한편, OH- 이온은 함수율이 높은 조건에서 막을 통해 더 쉽게 투과하였으며, SO4 2‒ 이온은 지지체의 특성과는 상관없이 전반적으로 낮 은 투과도를 나타내었다. 또한 제조막의 특성과 산/알칼리 조건에서의 내화학성을 종합적으로 고려한 결과, polypropylene (PP)이 가장 적합한 보강재 소재로 판단되었으며, 이를 활용하여 제조한 강화막은 상용막 대비 우수한 인장강도와 구조적 안 정성을 나타내었다. 개발된 강화 CEM을 BPED에 적용한 결과, 상용막 대비 막을 통한 SO4 2‒ 누출이 현저히 억제되어 산/염 기 순도, 전류 효율, 및 에너지 효율이 향상됨을 확인할 수 있었다.

막 분리 기술은 이산화탄소(CO2) 포집을 위한 가장 효과적인 기술 중 하나로, 운영이 간단하고 화학적 배출이 없 다는 장점이 있다. 수증기와 같은 불순물은 고분자 막의 성능에 큰 영향을 미친다. 다양한 산업 분야의 배가스 농도에 따라, PDMS/PSF 중공사막을 이용한 가스 분리 실험이 수행되었다. PDMS/PSF 막에서의 습도의 영향을 확인하기 위해, 상대습도 0%와 96% 조건에서 CO2 농도를 달리하며 실험을 진행하였으며, 공급 유량은 300 ccm, 온도는 50°C로 유지하였다. 실험 결 과, 수증기는 막의 CO2 투과도는 다소 감소시키는 반면, CO2/N2 선택도는 소폭 증가시키는 것으로 나타났다. 이러한 선택도 향상은 CO2의 흡착 증가에 기인한 것으로 해석된다. 50°C에서 20 d간의 연속 실험 후, 막의 CO2 투과도는 소폭 감소하였으나, CO2/N2 선택도는 증가하였다. 이 결과는 PDMS 코팅된 PSF 막이 가혹한 조건에서도 안정적인 성능을 유지함을 보여준다.

산업의 고도화와 정밀함이 진행됨에 따라 공정과 부품의 수분 제어 기술의 중요도가 높아지고 있다. 이에 낮은 운영, 설치비용, 항상성 유지, 신뢰성이 확보된 고효율 제습 기술의 개발이 요구된다. 멤브레인 콘덴서는 고효율의 제습기술 로 주목받고 있으며, 무기막을 활용할 경우 가혹한 환경에 적용시킬 수 있을 것으로 기대된다. 소수성 미세다공성 물질인 실 리카라이트-1 (silicalite-1)과 친수성 메조다공성 물질인 γ-알루미나를 이용하여 재료물질의 기공 크기에 따른 멤브레인 콘덴 서의 성능을 비교하였다. 수열합성 및 이차성장을 통해 실리카라이트-1/α-알루미나 멤브레인 콘덴서을 제조하였으며, 보헤마 이트 졸 기법(boehmite sol-gel method)으로 합성한 후 실란코팅을 통해 소수성 개질된 γ-알루미나/α-알루미나 멤브레인 콘 덴서를 제조하였다. 수분 응축 실험을 진행한 결과, 실리카라이트-1/α-알루미나 멤브레인 콘덴서는 36.5%의 수분 제거율을 보였으며, γ-알루미나/α-알루미나 멤브레인 콘덴서는 51.4%의 수분 제거율을 보였다. 이는 메조 기공을 갖는 기공구조가 제 습성능에 영향을 미치는 중요한 요소임을 시사하며, γ-알루미나가 경제적 이점을 제공할 뿐만 아니라 우수한 성능을 나타내 어 산업용 제습 응용 분야를 위한 멤브레인 콘덴서에 적합한 물질로 보인다.

Membrane-Aerated Biofilm Reactor(MABR)는 하수처리 공정의 에너지 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있다. 기존 활성슬러지 공정의 기포형 산기 시스템은 산소전달효율(OTE)이 낮고 전체 에너지 소비의 80%까지 차지하는 등 에너지 비효율성을 내포하고 있다. 반면 MABR은 기체 투과성 막(membrane)을 통해 생물막으로 산소를 직접 공급함으로써, 이론적으로 100%까지 OTE 달성이 가능하다. 본 논문은 MABR의 산소전달 메커니즘과 구조적 특징을 정리하고, OTE, 산소전달속도(OTR), 폭기 효율(AE) 등의 에너지 효율 지표를 중심으로 파일럿 및 실규모 적용 사례 11건을 분석하였다. 분석 결과, AE는 기존 활성슬러지 공정 대비 약 4-5배 향상된 수치이다. 그러나 OTE와 OTR 간의 상충관계, 공정 규모, 기질 농도 등 다양한 운영 변수에 따라 성능이 상이하게 나타났으며, 현장 적용에서는 이론적 효율을 하회하는 사례도 확인되었다. 이러한 한계를 극복하기 위한 기술적 접근으로는 간헐 공기 공급, 주기적 환기, 막 소재 개선, 막 이완 제어 등이 시도되고 있다. 동시에, 실증 연구들 간 실험 조건 및 효율 지표 산정 기준의 상이함은 결과 해석의 일관성을 저해하는 요인으로 지적된다. 따라서 본 연구는 향후 MABR 기술의 실용화를 위해 에너지 효율 평가 기준의 표준화와 대규모 현장 검증의 필요성을 강조한다.

본 연구에서는 높은 이산화탄소 투과성과 선택성을 가지는 미세다공성 고분자 PIM-1을 합성하고, 나노미터 수준 에서 두께를 정밀하게 조절할 수 있는 water casting 기법을 적용하여 박막복합막을 제조하였다. 제조된 분리막의 성능을 평 가하기 위해 FTIR-ATR, BET, GPC, XRD, TEM-EDS 등의 분석을 수행하였으며, 기체 투과 시험을 통해 CO2/N2 선택성과 투과도를 측정하였다. 연구 결과, 본 연구에서 제조된 박막복합막은 2700 GPU 이상의 CO2 투과도와 약 25의 CO2/N2 선택도 를 나타내며, 기존의 PIM-1 기반 분리막보다 우수한 성능을 보였다. 이를 통해 water casting 기법을 이용한 PIM-1 기반 분리 막이 경제적이고 효율적인 이산화탄소 분리 기술로 활용될 가능성을 제시하였다.

최근 신체 움직임, 심장 박동 감지 및 신체 감각 등과 같은 유연한 생체 전자 장치에 대한 연구가 급격히 성장하 고 있다. 압전 센서는 신체 움직임에 의해 생성된 압력을 전기 신호로 효율적으로 변환하기 때문에 인기 있는 웨어러블 장치 로, 자가 동력 웨어러블 장치의 대체 재생 가능한 에너지원 중 하나이다. 폴리(불화비닐리덴)(poly(vinylidene fluoride), PVDF)는 높은 기계적 강도와 쉬운 가공성 및 저렴한 재료를 가진 우수한 압전 폴리머이다. PVDF에 존재하는 5개의 결정상 중 β상이 가장 높은 쌍극자 모멘트를 가진 가장 큰 극성 구조이다. 전기 방사는 β상 배향을 유도하여 가장 높은 압전 특성 을 유도한다. 비-PVDF 고분자 멤브레인은 압전 특성은 PVDF 멤브레인에 비해 상대적으로 낮지만 높은 고분자 사슬의 유연 성, 낮은 결정성 및 높은 기공률을 가진다. 이로 인해 비 PVDF 멤브레인은 우수한 기계적 유연성과 여과 효율을 보인다. 이 리뷰에서는 생체 전기 적용을 위해 PVDF 및 nonPVDF 유형의 멤브레인이 모두 논의된다.

청정에너지는 원유 사용으로 인한 이산화탄소 배출로 환경오염이 계속 증가하는 이 시기에 필요한 에너지이다. 리튬 이온 배터리는 훌륭한 대안 중 하나이지만 막대한 수요로 인해 오염은 물론 비용이 증가한다. 배터리에서 사용한 리튬 을 재활용하는 것이 상기 문제를 해결하는 가장 좋은 방법이다. 정전 용량 탈이온화 공정(capacitive deionization, CDI)에서 는, 셀을 통과하는 전해질에 존재하는 양이온과 음이온이 전극 물질로 전환되고 전극의 극성이 반대가 됨으로써 탈착된다. 전 극의 특성을 개선하는 것이 리튬 이온 회수를 향상시키는 데 있어 핵심이다. 주요 문제는 리튬 이온의 낮은 탈삽입과 선택성 이다. 망간 산화물과 같은 전이 금속 산화물이 탄소 나노튜브로 코팅될 경우, 리튬 회수 성능이 향상된다. 본 리뷰 논문에서 는 폴리머 기반 전극과 복합 전극에 의한 리튬 회수에 대해 설명하며, 최근 전극 소재의 발전이 CDI 성능 향상에 어떻게 기 여하는지에 대해 초점을 맞춘다. 이러한 발전이 리튬 회수 효율 개선에 어떻게 기여하는지 설명하며, 기존 문헌을 보완하고 확장하는 관점을 제시한다.

토양 오염 정화 방법 중 토양 세척은 널리 활용되는 정화 방법으로, 고농도 중금속 및 일부 유기오염물질을 단기 간에 효과적으로 제거할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 중금속, 계면활성제, 염류 및 잔류성 유기오염물질이 혼합된 세척수 의 처리는 여전히 큰 과제로 남아 있다. 이러한 문제에 대응하기 위해 분리막 기반 기술이 유망한 대안으로 주목받고 있다. 본 총설에서는 이러한 기술을 압력 구동형, 삼투압 구동형, 열 구동형, 전기화학 구동형으로 구분하여 최근의 연구 동향을 종 합적으로 정리하였다. 또한, 막 오염과 에너지 소비 등의 주요 기술적 문제를 평가하고, 하이브리드 시스템 통합 및 자원회수 기반의 지속가능한 처리 전략을 포함한 향후 발전 방향을 제안하였다.

티오에테르를 기반으로 한 고분자 막은 이온 교환 및 나노 여과에서 중요한 분리 과정의 한 종류를 나타낸다. 막 을 통한 이온의 선택적 투과는 연료 전지, 전기투석, 역전기투석 등 다양한 응용 분야에서 활용되고 있습니다. 티오에테르 변 형은 막의 안정성, 기능 및 상호 작용에 미치는 영향으로 주목받고 있다. 나피온과 같은 양이온 교환 막은 인기 있는 상업적 옵션이지만 비용은 여전히 상당한 제약으로 남아 있다. 반면, 설폰화 폴리(아릴렌 티오에테르 설폰)(SPTES)와 같은 공중합체 는 경제적으로 실용적이며 연료 전지의 핵심 요구 사항인 설폰화 정도를 쉽게 제어할 수 있다. 탈염은 염분은 거부되고 압력 은 구동력이기 때문에 막 분리 공정이 활용되는 또 다른 분야이다. 이 리뷰에서는 위에서 언급한 발전 사항에 대해 논의한다.

‘랩 온 중공 섬유 막(lab-on-hollow fiber membrane, HFM)’ 플랫폼은 다기능성과 신속한 분석 기능을 통합한 새 로운 3D 미세유체 접근 방식을 구현하여 생물학적 분석에서 혁신적인 잠재력을 입증한다. 3D HFM은 비색 정량화를 통해 다양한 생체 분자의 샘플 크기 체질(sieving)과 감지를 통합할 수 있다. 샘플 크기 체질은 그라디언트 방식으로 크기가 제공되 는 HFM의 미세한 기공을 활용하였으며, 기공의 그라디언트 크기와 높은 친수성 플럭스가 미세유체 소자 기판으로 사용되었 다. 3D HFM은 표적 단백질에 대한 접착력이 높고 나노 캐비티 종횡비가 현저히 높아 검출에 필요한 시간이 단축되었다. 이 전 2D HFM 장치와 비교했을 때 3D HFM 미세유체 소자는 다양한 감지 능력과 향상된 감도로 균일한 색상 표현 능력을 보 여주었다. 현장 검사(POCT)와 통합된 3D HFM 장치의 이러한 기능은 더욱 높은 민감도의 분석을 가능하게 한다.

분리막 기반 이산화탄소(CO2) 포집 기술은 에너지 효율이 높고, 공정이 단순하며 모듈화가 가능하다는 장점으로 인해 다양한 산업 공정에서 주목받고 있는 차세대 탄소 저감 기술이다. 본 논문에서는 발전소, 시멘트 생산, 철강 제조, 바이 오가스 업그레이딩 등 주요 산업 공정에서의 CO2 포집 기술을 중심으로, 관련 분리막 소재, 공정 구성 방식을 포함한 실제 산업 응용 사례를 체계적으로 정리하였다. 특히 산업별 배출가스 조성, 운전 조건, 적용된 분리막의 특성과 성능을 비교⋅분 석하고, 시뮬레이션 연구 및 파일럿 규모의 실증 데이터를 바탕으로 분리막 공정의 성능과 한계를 다각적으로 평가하였다. 또 한 각 산업에서의 공정 조건에 따른 분리 전략과 적용 가능성을 제시함으로써, 분리막 기반 CO2 포집 기술의 현재 기술 수준 과 더불어 향후 상용화를 위한 과제 및 공정 최적화 방향에 대한 실용적 시사점을 도출하였다.

후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후 3.3 × 1016 Bq의 세슘(Cs)이 환경에 노출되면서, 수원으로부터 방사성 세슘 (Cs)을 제거하는 것에 대한 관심이 증대되었다. 지속 가능한 개발과 환경 안전 측면에서 오염된 환경을 복원하는 것은 매우 중요한 이슈이다. 유해 오염물질을 효과적으로 제거하기 위해 분리막 기반의 분리/정제 기술은 매우 각광받는 기술 중 하나 이다. 특히 막 흡착(membrane adsorber) 기술은 흡착과 막 분리를 결합할 수 있는 기술로 수용액에서 오염물질을 제거하는 데 매우 유용한 기술이다. 특히 전기방사 분리막은 높은 기공률, 다양한 고분자 활용가능 그리고 다양한 응용 분야 등의 특징 으로 지난 수십 년 동안 많은 연구가 수행되어 왔다. 본 리뷰 논문은 오염된 물에서 세슘을 제거하기 위한 프러시안 블루 (Prussian blue)가 포함된 전기방사 기반 막 흡착 소재 제조에 대한 다양한 기술을 리뷰하였다.