한외여과 (Ultrafiltration)

환경학
한 줄 정의: 정밀여과보다 작은 공극을 가진 막으로 콜로이드, 바이러스, 고분자 물질을 제거하는 막여과 기술로, MBR 등에 활용된다.

쉽게 풀면

정밀여과보다 더 촘촘한 막으로 세균이나 바이러스 같은 작은 물질까지 걸러내는 방법이다.

왜 중요한가

한외여과는 세균과 바이러스, 콜로이드를 물리적으로 제거하면서 비교적 낮은 압력으로 운전할 수 있어 소규모 정수장 자동화와 역삼투 전처리, 하수 재이용의 핵심 막여과 공정으로 채택됩니다. 병원체 제거 신뢰성 때문에 소독 의존도를 낮추는 정수 공정 설계 연구에서 자주 검토됩니다. 막 모듈 형태는 중공사형과 판형으로 나뉘며 중공사형이 단위 면적당 처리용량이 커 정수처리에 더 널리 쓰인다.

어떤 절차인가

한외여과(UF)는 압력 차를 구동력으로 삼아 물은 통과시키고 막의 공극보다 큰 물질은 걸러 내는 막 분리 공정입니다. 거름망처럼 크기로 걸러 낸다(체거름) 점이 핵심입니다.

  1. 원수를 막 모듈로 보냅니다. 막 형태는 중공사형, 판형, 관형 등이 있고 정수처리에서는 중공사형이 흔합니다.
  2. 압력(또는 흡입)을 걸어 투과수를 얻습니다. 투과하지 못한 물질은 막 표면에 쌓여 막 오염을 일으킵니다.
  3. 주기적으로 역세척하고 약품으로 세정해 투과 성능을 되살립니다.
  4. 운전 방식은 전량 여과(dead-end)와 일부를 막 표면을 따라 흘려 보내는 십자류(cross-flow)로 나눕니다.

언제 쓰고 무엇을 얻나

이웃한 막여과와 비교하면 한외여과의 자리가 보입니다(수치는 교재에서 흔히 쓰는 대략적인 범위이며 막마다 다릅니다).

공정걸러 내는 대상(대략)막의 크기(대략)
정밀여과(MF)현탁물, 큰 세균약 0.1~10 μm
한외여과(UF)콜로이드, 고분자, 바이러스 일부약 0.01~0.1 μm, 분획분자량 수 kDa~수백 kDa
나노여과(NF)2가 이온, 작은 유기물약 1 nm
역삼투(RO)염을 포함한 거의 모든 용질치밀막

(가상의 예, 계산은 프로그램으로 확인) 막 면적 12 m²짜리 모듈이 2시간에 480 L를 투과했다면 투과 플럭스는 480 ÷ 12 ÷ 2 = 20 L/m²·h(LMH)입니다. 원수 600 L를 넣었다면 회수율은 480/600 = 80%입니다. 어떤 고분자의 원수 농도가 50 mg/L, 투과수 농도가 2 mg/L이면 제거율은 1 − 2/50 = 96%입니다.

용존 이온과 저분자 물질은 대부분 통과하므로 경도·염분 제거에는 NF/RO가 필요합니다.

논문에는 이렇게 적는다

논문에서는 이렇게 쓰입니다

실제 논문에서

이 용어를 직접 쓴 국내 논문 문장을 아직 수집하지 못했습니다. 수집되는 대로 출처와 함께 싣겠습니다.

예시 문장

아래는 용어의 쓰임을 보여 주려고 만든 예시로, 실제 논문에서 가져온 문장이 아닙니다.

정수처리에 한외여과(UF) 막을 도입하여 응집침전 없이도 탁도와 바이러스를 동시에 제거하는 공정을 구현하였다.

한외여과를 이용한 전처리 단순화 및 병원체 제거 효과를 설명한 문장이다.

"막생물반응조에 한외여과막을 적용하여 콜로이드성 오염물질과 고분자 유기물의 제거 효율을 평가하였다."

한외여과가 정밀여과보다 더 작은 입자까지 제거할 수 있음을 실제 처리 공정에 적용한 예입니다.

조금 더 깊게 보면

용존 유기물과 저분자 물질은 통과하므로 맛·냄새나 소독부산물 전구물질 제거에는 효과가 제한적이며, 이를 위해서는 응집이나 활성탄과의 결합이 필요합니다. 막 오염이 정밀여과보다 빠르게 진행될 수 있어 세정 주기와 약품 사용량이 운영비의 큰 부분을 차지합니다.

막 손상 시 병원체가 누출되므로 압력 유지 시험 같은 완결성 감시가 없으면 제거 성능을 보증할 수 없습니다. 한외여과막은 바이러스나 콜로이드성 물질까지 걸러낼 수 있는 공극 크기를 가져 정밀여과보다 위생학적 안전성이 높으며, 정수처리에서는 소독과 병용해 미생물 이중 방어벽을 구성하는 목적으로도 활용됩니다.

압력 대신 중력이나 낮은 흡입압으로 운전하는 침지식 한외여과는 에너지 소비를 줄일 수 있어 최근 정수장에 도입이 늘고 있습니다. 막의 분자량컷오프 값은 제거 가능한 물질의 크기 범위를 나타내는 지표로, 목표 오염물질의 분자량에 맞춰 막 종류를 선정한다.

주의할 점

한외여과는 용존 이온이나 저분자 유기물은 제거하지 못하므로 이러한 항목 제거가 필요한 경우 역삼투 등 후속 공정이 필요하다.

한외여과는 용해된 이온성 물질은 제거하지 못하므로 경도나 염분 저감이 목적이라면 나노여과나 역삼투 같은 별도 공정이 필요하다. 막 세정에 사용하는 화학약품이 잔류하면 처리수 수질에 영향을 줄 수 있어 세정 후 충분한 헹굼 과정이 필요하다.

헷갈리기 쉬운 용어

한외여과는 막 공정의 한 칸이므로 이웃 공정과의 구분이 중요합니다.

용어핵심 차이
정밀여과더 큰 입자 대상, 바이러스 제거에는 한계
나노여과한외여과보다 작은 용질(2가 이온 등)까지 일부 제거
역삼투염 제거까지 가능, 더 높은 압력 필요
막여과위 공정을 모두 포함하는 상위 개념

참고 문헌

  1. Mulder, M. (1996). Basic Principles of Membrane Technology (2nd ed.). Kluwer Academic Publishers.
  2. Baker, R. W. (2012). Membrane Technology and Applications (3rd ed.). Wiley.
  3. Crittenden, J. C., Trussell, R. R., Hand, D. W., Howe, K. J., & Tchobanoglous, G. (2012). MWH's Water Treatment: Principles and Design (3rd ed.). Wiley.

표의 기준값은 위 문헌에 근거한 관례이며, 분야·학술지마다 다른 기준을 쓸 수 있습니다.

개념 계통

상위 개념

분야 전체 개념 지도 보기 →