한외여과 (Ultrafiltration)
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.
- 원수를 막 모듈로 보냅니다. 막 형태는 중공사형, 판형, 관형 등이 있고 정수처리에서는 중공사형이 흔합니다.
- 압력(또는 흡입)을 걸어 투과수를 얻습니다. 투과하지 못한 물질은 막 표면에 쌓여 막 오염을 일으킵니다.
- 주기적으로 역세척하고 약품으로 세정해 투과 성능을 되살립니다.
- 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).
| 공정 | 걸러 내는 대상(대략) | 막의 크기(대략) |
|---|---|---|
| 정밀여과(MF) | 현탁물, 큰 세균 | 약 0.1~10 μm |
| 한외여과(UF) | 콜로이드, 고분자, 바이러스 일부 | 약 0.01~0.1 μm, 분획분자량 수 kDa~수백 kDa |
| 나노여과(NF) | 2가 이온, 작은 유기물 | 약 1 nm |
| 역삼투(RO) | 염을 포함한 거의 모든 용질 | 치밀막 |
(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
- 막 재질(PVDF, PES 등), 공칭 공극 크기 또는 분획분자량(MWCO), 막 면적과 모듈 형태를 적습니다.
- 운전 방식(전량/십자류, 정압/정유량), 막간 압력차(TMP), 플럭스(LMH), 회수율을 적습니다.
- 제거율은
R = 1 − Cp/Cf처럼 정의를 밝히고 대상 물질과 농도 단위를 적습니다. - 세정(역세척, 화학세정) 주기와 조건, 막 파손 감시 방법(압력 유지 시험 등)을 적습니다.
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.
한외여과를 이용한 전처리 단순화 및 병원체 제거 효과를 설명한 문장이다.
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.
| 용어 | 핵심 차이 |
|---|---|
| 정밀여과 | 더 큰 입자 대상, 바이러스 제거에는 한계 |
| 나노여과 | 한외여과보다 작은 용질(2가 이온 등)까지 일부 제거 |
| 역삼투 | 염 제거까지 가능, 더 높은 압력 필요 |
| 막여과 | 위 공정을 모두 포함하는 상위 개념 |
참고 문헌
- Mulder, M. (1996). Basic Principles of Membrane Technology (2nd ed.). Kluwer Academic Publishers.
- Baker, R. W. (2012). Membrane Technology and Applications (3rd ed.). Wiley.
- 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.