1.서 론

급속한 경제 발전과 함께 여러 산업분야에서 초순수 사용이 증가하고 있다. 국내에서는 90년 대 말 이후부터 화력, 원자력 발전소, 석유화학공 장, 제약회사, 반도체 분야 등 많은 분야에서 초 순수가 사용되고 있다(Lee, 1996). 초순수는 저 항값이 18.5 MΩ·cm 이상, 수질 항목을 ppb 단 위로 나타낸 고순도 물이라 할 수 있다. 초순수를 제조하기 위해서는 수중에 존재하는 전해질, 유기 물, 무기물, 미생물 및 부유성 고형물질 등 수 많 은 성분들을 이온교환, 역삼투(reverse osmosis, RO), 한외여과 등다양한 방법으로 제거해야 한 다. 초순수는 전처리 공정, 1차 순수 처리 공정, 2 차 순수 처리 공정 등 많은 공정을 거쳐 생산된다. 초순수 요구 수질이 점차적으로 증가함에 따라 초 순수 공정을 구성하는 각각의 공정에 대한 기술의 발전 및 한계를 극복하는 것이 중요하다. 전처리 공정은 응집, 침전, 여과, 흡착 등이 적용되는 공 정으로 1차 순수 처리 전에 없어서는 안 되는 공 정이다. 국내에서는 특별한 경우를 제외하고 대부 분 Media-Filter를 사용하고 있다(Lee, 1996). 1차 순수 처리 공정은 2차 순수 처리 공정 이전에

순수를 제외한 물질들을 99.0 ~ 99.9% 제거하 는 중요한 공정이다. 1차 순수 처리 공정은 2차 순수 처리 공정의 전단에 위치하여 전체적인 초 순수 공정의 대부분을 차지한다. 1차 순수 처리 공정의 주목적은 탈염 및 유기물 제거로 이온교 환, 자외선 산화 장치, 생물학적 처리, 역삼투 공 정 등 다양한 단위 공정들이 결합되어 있다. 이 중, 역삼투 공정은 탈염뿐 아니라 유기물을 제거 하는 기능도 가지고 있다(Lee, 1996). 일반적으 로 해수담수화에서의 역삼투 공정의 역할은 탈 염에 초점을 맞추고 있지만, 초순수 제조에서는 이온교환 등 탈염에 특화된 공정들이 존재하고 있기 때문에, 역삼투 공정은 탈염뿐 아니라 저농 도 유기물 제거에도 초점을 맞춰야 한다. 따라 서, 막 제조사들은 초순수 공정에 사용될 수 있 는 역삼투막 제품 사양에 저분자 유기물 중 하나 인 IPA(Isopropyl Alcohol) 제거율을 함께 나타 내고 있다. 그러나, 제조사가 제공하고 있는 IPA 제거율은 고농도 조건(1,000 ppm)에서의 실험 결과이므로, 1 ppm 미만의 저농도 유기물을 제 거해야 하는 초순수 제조 공정에서 적용 가능한 데이터가 아닐 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 막 제조사에서 IPA 제거율을 제공하는 역삼투 막 모듈(이후 초순수용 역삼투막이라고 표기)을 3개 선정하고 1 ppm 미만의 저농도 조건에서의 제거율을 평가하고자 한다. 저농도에서의 IPA 제거율(실험 결과)과 고농도에서의 IPA 제거율 (제조사 제공 데이터)을 비교하여, 향후 초순수 제조공정 설계 시에 막 제조사에서 제공하는 유 기물 데이터의 신뢰성을 검증하는 데 활용하고 자 한다. 또한, 생산수 유속(플럭스), 회수율 및 crossflow 등의 인자가 IPA 제거율에 미치는 영 향을 분석하여 초순수 제조 공정 내 역삼투 공정 의 저분자 저농도 유기물 제거율 향상 방안을 제 시하는 것이 본 연구의 목적이다.

2.실험 방법

2.1.실험재료

실험용 초순수 제조를 위한 원수는 수돗물이 고, 전처리, 역삼투, 이온교환 공정으로 구성된 실험실용 초순수 제조 장치를 이용하였다(공정 구성도는 Fig. 1 참조). 전처리는 탁도 제거를 위한 MF(Media-Filter), 유기물 제거를 위한 활성탄(Activity carbon)으로 구성된다. 전처리 이후에는 탈염 및 미립자 제거를 위한 1차/2차 RO 공정, 이온 제거에 특화된 이온교환수지를 이용한 1차/2차 Polisher를 거쳐 저항값이 10 MΩ·cm 수준인 실험용 초순수를 생산하였다.

실험용 초순수에 IPA를 주입하여 저분자 유 기물이 저농도(1 ppm 미만)로 함유된 공정 원수 를 제조하였다. IPA는 저분자 유기물로 초순수 용 역삼투 공정의 유기물 제거율 측정 시 주로 사용된다. Table 1에 IPA의 물리, 화학적 특성 을 명시하였다.

공정 원수 및 생산수에 함유된 IPA의 농도는 TOC(Total Organic Carbon)로 분석하였다. 본 연구에서는 T&C Technical 사의 ACCURA- R이라는 연속식 미량 TOC 분석 장치를 사 용하였다(Table 2 참조). 본 장치의 측정 범위는 1 ppm 미만으로 초순수 제조공정에서의 유기물 분석에 주로 활용된다.

2.2.역삼투 공정

상업용 4인치 역삼투막 모듈을 테스트할 수 있는 실험실용 장치를 이용해, 초순수용 역삼투 막의 IPA 제거율을 분석하였다. 실험에 사용된 초순수용 역삼투막의 특성은 Table 3과 같다. 테스트 시 생산수 유량은 0.2-0.4 m³/h, 농축 수 유량 1 m³/h, 원수 수온은 22-23 °C, IPA 농 도는 700 ppb (as TOC) 미만으로 조절하여 각 초순수용 역삼투막의 IPA 제거율을 분석하였다.

3.연구결과 및 토의

3.1.초순수용 역삼투막의 IPA 제거율 평가

초순수용 역삼투막의 IPA 제거율을 평가하기 위해 1 ppm(as TOC) 미만의 IPA를 주입한 실 험실용 초순수(저항값 10 MΩ·cm 수준)를 대 상으로 실험을 실시하였다. Fig. 3, 4, 5는 각각 Table 3에 제시된 RO-A, RO-B, RO-C 막의 IPA 제거율을 플럭스 변동에 따라서 나타낸 것 이다(세부적인 실험 조건은 Table 4 참조).

Fig. 3, 4, 5에 따르면, 세 막 모두 플럭스 가 상승할수록 제거율이 향상되는 경향을 보이 고 있다. 이는 역삼투막을 투과하는 물과 IPA 의 물질전달 속도 차이로 일어나는 현상이다. 물 에 비해 분자량이 큰 IPA는 역삼투막을 투과하 는 속도가 물보다 낮다. 플럭스 상승 시 IPA 제 거율이 높아진다는 의미는 플럭스가 높아지더라 도 IPA의 투과속도는 플럭스 상승률만큼 높아지 지 않는다는 뜻이다. 이러한 경향은 역삼투막의 이온 제거율에서 나타나는 현상(즉, 플럭스 상승 시 이온제거율이 상승함)과 동일하다.

Fig. 3, 4, 5에서 원 모양으로 나타낸 데이터 는 막 제조사에서 제시한 고농도(1,000 ppm)에 서의 IPA 제거율을 나타내는데, 본 연구에서 얻 은 저농도에서의 IPA 제거율 대비 약 0.3-0.5% 정도 높은 것을 알 수 있다. 제조사 데이터가 제 거율을 다소 과대평가하는 경향이 있긴 하지만, 초순수 공정 설계 시 크게 영향을 줄만한 차이 는 아니라고 판단된다. 한 가지 흥미로운 사실은 역삼투막의 이온 제거율은 원수 내 이온 농도가 증가하면 하락하는 데 비해(이온의 막투과 속도 가 확산으로 인해 증가하여 역삼투 투과수의 이 온농도가 증가함), IPA의 경우에는 그런 경향을 보이지 않았다는 것이다. 또한, Table 4에서 나 타난 바와 같이 crossflow rate와 회수율도 제 조사 제시 조건과 본 연구 실험 조건이 다른 데 도 불구하고, IPA 제거율의 차이가 없었다. 원 수 농도, crossflow rate, 회수율과 같은 인자 들은 역삼투막에 의한 이온 제거율에 큰 영향을 주는 인자들이다. 이들 인자가 저분자 유기물인 IPA 제거율에 어떤 영향을 주는 지 자세히 알아 보기 위해 다양한 저농도 조건(3.2절 참조), 회 수율 및 crossflow rate 조건 (3.3절 참조)에서 IPA 제거율을 평가하였다.

3.2.원수 내 IPA 농도의 영향

Fig. 6은 농도 변화에 따른 IPA 제거율을 나 타낸 것이다. 역삼투막으로는 RO-A 막이 선택 되었고 운전조건은 생산수 유량 0.3 m³/h (플럭 스 38 LMH), 농축수 유량 1 m³/h이었다. 300 ppb (as TOC) 미만의 농도 범위에서는 농도가 증가할수록 IPA 제거율이 증가하는 경향을 보 였고, 그 이상의 범위에서는 농도 변화에 따른 제거율 변화가 크게 나타나지 않는 경향을 보였 다. Fig. 6에서 최저 농도는 50.6 ppb인데, 이는 IPA가 주입되지 않은 상태에서 측정된 TOC 농 도이다. 즉, 이때의 제거율인 85.8%는 IPA의 제 거율이 아닌 불순물의 제거율을 의미한다. 원수 내 IPA의 비중이 높아질수록 TOC 제거율이 증 가한다는 의미는 IPA의 제거율이 불순물 제거율 보다 높다는 것이다. 불순물의 비중이 10% 미만 으로 낮아지는 500 ppb 이상의 농도에서는 농 도 증가에 따른 TOC 제거율의 변화가 미미하였 는데, 이는 IPA 제거율이 농도 변화에 큰 영향을 받지 않는다는 것으로 해석될 수 있다. 이 결과 는 1,000 ppm의 고농도에서 실험된 IPA 제거 율과 1 ppm 미만의 저농도에서 실험된 IPA 제 거율이 큰 차이를 보이지 않는다는 3.1절의 분석 결과를 논리적으로 뒷받침한다.

3.3.회수율 및 crossflow의 영향

Fig. 7은 회수율 및 crossflow rate에 따른 IPA 제거율을 나타낸 것이다. 역삼투막으로는 RO-A가 사용되었고, 생산수 유량 0.3 m³/h (플럭스 38 LMH)으로 고정하고, crossflow rate를 각각 0.5, 0.75, 1 m³/h (회수율 37.5, 28.6, 23.1%)로 변경하였다. 원수 압력은 13- 13.4 bar로 유입되었다. 생산수 회수율(=생산수 량/원수량)은 IPA의 농축 비율에 영향을 준다. 회수율이 높을수록 농축율이 높아지기 때문에, 높은 농도의 IPA가 역삼투막에 유입된다고 보면 된다. Crossflow는 IPA의 막표면 농도에 영향 을 준다. Crossflow가 높아지면 역확산 경향이 커지기 때문에, 막표면 농도가 감소한다. 즉, 회 수율 및 crossflow는 막모듈 내부의 농도에 영 향을 준다고 볼 수 있다. 3.1절과 3.2절에서 이 미 확인되었듯이 농도가 IPA 제거율에 미치는 영향은 거의 없다. 따라서, 회수율 및 crossflow 가 IPA 제거율에 미치는 영향도 거의 없을 것으 로 예측할 수 있으며, Fig. 7은 그러한 결과를 보여주고 있다. 이 결과는 회수율 및 crossflow rate가 다른 막 제조사 운전 조건에서 얻어진 IPA 제거율과 본 연구에서 얻어진 IPA 제거율 이 큰 차이를 보이지 않았다는 3.1절의 분석 결 과를 논리적으로 뒷받침한다.

4.결 론

본 연구는 막 제조사가 제시한 초순수용 역삼 투막의 저분자 유기물 제거율이 실제 초순수 공 정에서는 존재할 수 없는 고농도(1,000 ppm) 조 건에서 테스트되었다는 모순으로부터 출발되었 다. 그러나, 아이러니컬하게도 본 연구를 통해 도출된 결론은 고농도 조건에서 테스트된 저분 자 유기물(IPA)의 제거율이 저농도 조건(1 ppm 미만)에서의 제거율과 큰 차이를 보이지 않기 때 문에, 제조사가 제시하는 데이터를 신뢰할 수 있 다는 것이다. 역삼투막에 의한 IPA 제거율은 플 럭스가 증가할수록 증가한다는 점에서는 이온 제거율과 동일한 경향을 보이지만, 농도, 회수 율, crossflow rate의 변화에는 거의 영향을 받 지 않는다는 점에서는 이온 제거율과 전혀 다른 경향을 보인다. 따라서, 초순수 제조 시스템 내 단위 공정으로서 저분자 유기물의 효율적인 제 거를 위해 역삼투 공정을 설계할 때는, 회수율이 나 crossflow rate에는 크게 구애받지 않고 플 럭스를 최대한 높여서 설계하는 것이 유리함을 알 수 있다. 비록 플럭스를 높일 시에 파울링에 대한 우려가 있을 수 있으나, 초순수 제조 시스 템 내에서 역삼투 공정의 원수의 수질 관리가 엄 격하게 되고 있음을 고려하면 시도해볼 만한 방 법이라 생각될 수 있다. 물론, 막 제조사의 데이 터를 참고하여(본 연구를 통해 고농도 조건에서 테스트된 제조사의 데이터가 저농도에서도 적용 가능하다는 사실을 알았기 때문에), IPA 제거율 이 높은 역삼투막을 선택하는 것이 가장 바람직 한 방법이다.