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신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2018(29)-제3장 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술-수질정화용 환경소재기술(3)-최재우(한국과학기술연구원) - 수처리 소재, 공정 단순·경제성 必
  • 기사등록 2020-09-09 15:25:56
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재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 10번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘국민생활문제 해결용 소재’다. 재난재해 방지를 위한 소재기술, 청정한 대기를 위한 소재기술, 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술, 생활안전을 위한 소재기술 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2018’을 연재한다.

수처리 소재, 공정 단순·경제성 必


■ 산업 및 시장 국내 동향


1) 시장규모 및 전망


용수공급과 하폐수 처리를 포함한 물산업은 매년 4.2%씩 성장하는 추세다. 현재 7,100억 달러로 추정되는 세계 물시장 규모는 2020년에는 8,300억 달러 이상의 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다. 국내 물 시장 중 상수, 하수, 폐수 처리시장은 수자원의 고갈과 수질오염이 심각해지면서, 향후 빠르게 성장할 것으로 전망되어 국내시장도 2020년 200조원 규모를 넘어설 것으로 추정된다. 수처리 관련 소재 시장에는 광촉매, 나노다공성 분리막, 나노흡착제 등이 포함되며, 나노관련 환경시장은 나노관련 수처리시장에 공기 정화(air filtration), 환경센서 시장 등이 포함된다. 나노관련 수처리 및 환경시장은 나노관련 기술개발과 함께 연평균 25% 이상의 빠른 성장률을 나타낼 것으로 전망되고 있다.


하천 및 하수처리수에 녹아있는 환경호르몬 및 약물질과 같은 신종 미량유해물질 처리와 관련된 흡착 소재 시장의 성장률은 연 6%이며, 국내 시장규모는 약 1,000억원으로 추정되고 있다. 즉 개발된 흡착제에 대한 수요처가 충분한 만큼 제품을 적정금액으로 양산할 수 있는 기술이 요구된다. 특히 하폐수 내에서 회수 가능한 유가자원 처리 기술에 대한 시장이 확대될 것으로 예상되는 바, 관련 연구에 대한 투자가 집중적으로 이루어져야 할 것이다.


2) 기업 현황


최근 국내 대기업들이 정수 및 하폐수처리 시장에 적용할 분리막 소재 분야에 집중하여 해당 시장의 규모를 키우고 있다. 다우(DOW)와 도레이(Toray) 등이 전 세계 시장의 60% 이상 차지하고 있는 역삼투막 시장에 LG화학이 가세하였으며, 롯데케미칼, 효성, 코오롱인더스트리 등이 분리막 개발에 박차를 가하고 있다. 세계적으로 역삼투막 시장의 성장률이 20%에 육박하기 때문이다. 여기에 정부에서도 ‘물 산업 클러스터’ 조성과 관련하여 지원을 하는 등 물 산업 강국으로의 육성전략을 제시한 상황이다. 또한, 다양한 환경소재 및 공정기술을 바탕으로 중소·중견기업의 활동 역시 활발하다. (주)水엔지니어링은 하·폐수처리시설에서 유기물, 질소, 인 등을 제거하기 위한 공정의 최적화와 ICA(Instrumentation control automation)기술을 실용화 하였으며, (주)바이오엔텍은 순수하게 미생물을 이용해 오·폐수를 처리하는 기술인 바이오비드(Biobead)를 개발하여 유기성 오염물질과 부유물질을 효과적으로 처리할 수 있는 소재를 시판하기도 하였다. ㈜ 바투환경기술은 퓨리픽스(Purifics)사(社)에서 광촉매 기술을 도입하여 현장에 적용하기 위한 연구를 진행 중이며, 이를 화학공단의 난분해성 폐수에 적용하여 상용화 가능성을 확보하기도 하였다. ㈜삼성엔지니어링은 저분자 유기물을 처리하기 위한 고형 AOP 촉매를 개발하여 반도체 재이용수를 초순수 수준의 원수로 이용할 수 있는 기술을 확보한 바 있다.



수생태 유해성·인체 위해성 정밀 검증 수반

無배출형·高회수성 나노환경소재 개발 절실



■ 산업 및 시장 해외 동향


1) 시장규모 및 전망


환경기술의 선진국이라 할 수 있는 미국, 일본, 영국의 환경시장 규모는 다음과 같다. 1900년대 후반 200억 달러 규모에 불과했던 미국의 환경산업은 2000년대 후반 3,000억 달러 이상으로 확대되었으며, 이는 미국 전체 GDP의 3%에 육박하는 수치이다. 시장 내 10만여 개 이상의 민간 기업과 공공기관에서는 160만 명 이상의 인력을 고용하고 있다. 일본은 40조 이상의 환경시장 및 100만 명 이상 고용의 환경 수처리 시장을 보유하고 있다. 일본 환경성에서는 2025년에는 시장 규모가 현재의 10배 이상으로 커질 것이라고 예측하고 있다. 한편 영국은 총 250억 파운드 이상의 환경산업 매출을 기록하고 있으며, 17,000개 이상의 환경기업에서 40만 명의 인원을 고용하고 있다.


2012년 런던 협약으로 폐기물의 해양투기가 금지된 관계로 기존 하폐수처리장에서 슬러지를 발생시키는 다수의 기술에 대한 대체 기술들이 발생할 것으로 기대되며, 그 가운데 환경소재 분야가 집중 조명될 것으로 예상된다. 또한, 친환경 수처리 소재를 기반으로 경제성 확보에도 다양한 연구 시도가 이루어질 것이다. 난분해성 유기물이나 약물질과 같은 미량유해물질에 대한 흡착·촉매 소재 개발도 확대될 것으로 추정된다.


2) 기업 현황


전 세계 물산업은 주로 자국 내 시장을 중심으로 성장세를 나타내고 있다. 수질 복원 및 수자원 공급을 기준으로 전 세계 시장 1위 기업은 프랑스의 베올리아(Veolia)다. 베올리아는 상수와 하수를 포함하여 140억톤이 넘는 물을 1억 명 이상에게 공급하고 있다. 그 외에도 다수의 기업들이 글로벌 물산업 시장에 도전하고 있으나, 자국시장을 보호하는 정책으로 인해 시장 진출에 어려움을 겪고 있다.


프랑스 베올리아(Veolia)사는 세라믹 분리막을 포함한 다양한 종류의 분리막 제조 기술을 보유하고 이를 적용할 수 있는 수처리 시스템 설치와 운전에 대한 풍부한 경험을 갖고 있다. 같은 국가의 생고뱅(Saint-Gobain)사는 탄화규소 재질의 환경소재 합성 기술을 보유하고 있기도 하다. 일본의 노리타케(Noritake)사는 세라믹 분리막 관련 기술을 보유하고 있으며, NGK사는 알루미나 분리막 시스템 이용 수처리 기술을 갖고 있다.


■ 미래의 연구방향


자외선이나 태양을 이용하는 반도체 촉매 기술은 많은 양의 소독제나 화학약품을 첨가하는 단계가 필요 없다는 장점이 있다. 더불어 살충제, 제초제 등의 농약과 난분해성 유기화합물, 바이러스, 대장균 등의 병원성 물질들을 분해할 수 있다. 그러나 촉매를 이용한 수처리 공정의 현장 적용성 확보 기술 개발이 이루어져야만 가능한 이야기이다. 현장 적용성을 확보하기 위해서는 적은 광조사에도 효율 높은 촉매를 개발하고, 반응 후의 촉매 분리·회수 과정을 통해 경제성을 향상시킬 수 있는 기술(고정화 등)도 개발해야 한다. 또한, 하폐수 성상에 따른 다양한 범위의 pH에서 안정적으로 운전하는 방법 등 넓은 범위에서의 연구가 추가로 이루어져야 할 것이다.


수처리용 흡착소재가 환경처리설비에 대대적으로 적용되기 위해서는 넘어야 할 관문들이 산재해 있다. 최근까지 집중 연구되어온 소재의 고효율화를 기반으로, 높은 흡착성능을 가지면서도 반대로 손쉽게 탈착 가능해야 한다. 오염물질을 흡착한 소재도 하나의 오염물이기 때문에, 자원으로 회수하여 재이용할 수 있는 오염물질이라면 탈착을 통해 유가자원 회수가 가능할 것이기 때문이다. 이처럼 수처리 흡착소재의 재이용성까지 고려하여 경제성을 극대화할 수 있는 방향으로의 연구가 추진되어야 한다. 상기 언급한 촉매와 더불어 개발되는 흡착소재는 환경으로 유출될 경우를 고려하여 수생태 유해성 및 인체 위해성에 대한 정밀한 검증이 함께 수반되어야 할 것이다.


수처리용 소재가 나아가야 할 방향을 가장 잘 보여주는 것이 바로 ‘라이프 스트로우(Life straw)’이다. 라이프 스트로우는 물이 오염된 지역, 전쟁지역, 고립된 마을, 식수원이 절대적으로 부족한 지역에서 활용할 수 있는 빨대 형태의 수질 정화 용품이다. 빨대를 사용할 물이 얼마나 오염되었느냐에 따라 제품의 형태와 가격이 다양하다. 이처럼 수처리용 소재는 화학적 처리나 생물학적 처리와는 달리 이동 가능한 형태로 전환이 가능하고 손쉽게 물과 접촉시킬 수 있다는 장점들을 극대화하여, 전체적인 수처리 공정을 단순화 시키고 경제성을 확보하는 것을 목표로 상용화 기술 개발에 매진해야 할 것이다.


■ 정책 제언


1) 2차 오염이 발생하지 않는 무배출 및 회수 용이한 환경소재 기술 연구 필요


나노입자 기반의 광촉매 및 흡착제의 경우 환경 오염물질 처리 후 회수의 문제가 큰 이슈로 부각되고 있다. CNT 등 나노물질의 인체 및 생태계 안정성에 대한 문제가 제기된 후 나노물질의 위해성을 원천적으로 해결하기 위해서는 외부 수환경으로의 배출을 완벽히 차단할 수 있는 무배출형 또는 회수성이 높은 나노환경소재의 개발이 절실히 필요하다. 현재 환경소재로 사용되는 있는 나노소재는 기존에 상용화가 되어있는 나노분말 또는 나노기공체 기반의 소재에 국한되어 있다. 따라서 나노 기반의 환경소재 무배출과 관련된 연구와 이를 효과적으로 적용할 수 있는 공정 개발에 투자가 집중되어야 할 것이다. 또한, 무배출형이나 회수성이 높은 나노환경소재기술의 사용목적과 용도에 맞는 새로운 나노구조체를 개발하는 것도 중요하다.


2) 수처리용 환경소재의 생태학적 안전성 독성 평가 연구


각 분야에서의 사용량이 급격하게 증가하고 있는 화학물질을 모두 관리하기 어렵고, 알려지지 않은 화학물질이 배출되었을 경우에는 이를 추적하기가 용이하지 않다. 또한, 여러 종류의 화학물질들이 상호 작용하여 발생되는 독성을 예측하기 어렵다. 때문에 하천 및 하폐수 방류수에 대한 수질 규제 기준이 개별 화학물질의 농도 중심에서 하천의 생태학적 안전성을 고려한 통합독성평가로 전환되고 있다. 일부 환경 선진국들에서는 1970년대 후반부터 생태독성 관리 제도를 도입하여 방류수의 규제에 사용해 오고 있다. 생태독성시험을 통해 방류수의 생물학적 영향을 직접적으로 평가할 수 있을 뿐만 아니라 물질 사이의 상호작용과 이에 대한 생물 이용성과 같이 기존의 배출허용기준으로 평가할 수 없었던 전체적인 환경 영향을 평가할 수 있다. 국내에서도 2010년대 접어들어 물벼룩(Daphnia magna)을 이용한 생태독성시험을 배출허용기준으로 도입하여 시행 중이며, 이에 대한 기준을 단계적으로 강화시키고 있다.


수처리 기술로 나노 소재를 도입할 경우, 흡착제 및 촉매로 사용되는 나노 물질이 처리수로 유출될 가능성이 존재한다. 최근에 발표된 연구 결과들에 따르면, 동일한 물질이라 하더라도 그 입자 크기가 나노 정도로 작아질 경우 상대적으로 높은 생태독성을 나타낸다. 따라서 나노 소재를 수처리 기술에 적용하기 위해서는 흡착 및 촉매 소재로부터 나노 물질의 유출될 가능성 연구와 유출된 나노 물질에 대한 생태독성 연구가 우선적으로 수행되어야 할 것이며, 이에 대한 환경 기준치 도입도 필요할 것이다.



▲ <그림 3-3-3-23>세계 물시장 규모 및 국내 시장 규모


▲ <표 3-3-3-4>물산업 국내시장 규모 및 전망(단위 : 백만 달러)


▲ <그림 3-3-3-24>세계 이온교환 및 흡착제 시장 규모 변화 및 예측


▲ <표 3-3-3-5>주요 물기업의 세계시장 실적 현황(단위 : 백만)


▲ <표 3-3-3-5>흡착·촉매·분리막 기술-국내 선도기업


▲ <표 3-3-3-6>흡착·촉매·분리막 기술-해외 선도기업


▲ <그림 3-3-3-25-1>라이프스트로우 이용 모습 및 수질오염별 적합 제품군


▲ <표 3-3-3-7>생태독성 배출허용기준


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