수처리분리막의시장전망 차봉준 지성대 김정훈 * 웅진케미칼 ( 주 ) 기술연구소, * 한국화학연구원환경자원센터 Membrane Market for Water Treatment Bong Jun Cha, Sung Dae Chi, and Jeong-Hoon Kim* Woongjin Chemical Co. Ltd., R&D Center *Korea Research Institute of Chemical Technology, Environment Resource Center, Korea Abstract: 최근전세계적으로미래성장동력중의하나로물산업이부상하고있다. 본논문에서는물산업의규모와전망을파악하였고물산업의핵심소재인역삼투막, 나노여과막, 한외여과막, 정밀여과막및 MBR 용분리막에이르기까지다양한분리막의시장규모및향후전망을살펴보았다. Keywords: membrane, market, water, treatment 1. 서론 1) 물의중요성이널리인식되면서관련물산업이새로운성장동력으로부각되고있다. 물은인류생존에필수적인것으로서충분한물의공급이없는상황은상상할수가없다. 물은또한경제적번영을위한필수조건이기도하다. 물산업의성장배경은전문가들견해에따라다를수있으나크게네가지로구분해볼수있다. 첫째는폭발적인인구증가이다. 현재도시화와생활수준향상등으로물에대한수요는급상승하고있으며향후인류에필요한식량을공급하기위해서도더많은물이필요한실정이다. 둘째는깨끗하고안전한음용수를공급하고생활하수, 산업폐수등을처리하기위한인프라가심각히노후화되고있다는사실이다. 통상관망과배수처리시스템의유효기간은약 60 80년정도이며대부분의국가에서많은양의음용수가누수로손실되고있는상황이다. 셋째는수질에대한엄격한규제이다. 박테리아, 중금속이나물속에존재하는미량의유해물질등 주저자 (E-mail: bjchans@wjchemical.co.kr) 이음용수를오염시키고있으며개발도상국이나산업화된국가에서새롭게발생하는질산암모늄과같은유해물질에대한기술적해결방안이필요하다. 마지막으로기후변화이다. 지역마다차이가있으나사막화가갈수록심해지고이에따른수자원고갈과무분별한수자원개발등이더욱심화될것으로예상된다. 이러한상황은오히려물산업을새로운성장동력으로볼수있는기회가될수있으며현재국내대기업을포함하여선진국주요기업들이속속물산업에진출하고있다. 이에본논문은물산업의개괄적인구성과시장규모, 그리고물산업의핵심인막분리시장규모및전망에대해살펴보고자한다. 2. 물산업의시장규모와전망물산업은크게물공급과관련된관망 / 운영, 정수, 하폐수등의수처리, 수처리용케미칼및관련서비스를공급하는민간서비스, 그리고생수 / 식량등크게네가지로구분할수있다. 이를망라한물산업세계규모는 2007년기준연간 500조원규모로파악되고있으며이중대부분이음용수공 2 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011
수처리분리막의시장전망 Figure 1. 수처리시스템시장규모. 급과폐수처리와관련되있으며생수시장도 2007 년 90조원규모로지속적으로성장하고있는추세이다. 먼저관망 / 운영부분을살펴보면전세계적으로매년약 65조원규모가급수관을확장하고유지하는데투입되고있으며운영비도연간 100 조원규모에이르고있다. 특히하수관망부분의성장세가두드러지는데 07년기준으로약 75조원규모에서 2016년약 140조원규모로성장할것으로예상된다. 이러한증가는급속한인구증가에원인이있다. 수처리부분을보면하수처리부분이약 130조원규모로가장큰시장을형성하고있으며 2016 년약 240조원규모로확대될것으로예상된다. 이중분리막을이용한하폐수처리시스템은시장규모면에서약 4조원규모이나성장률면에서약 20% 로가장높다. 정수부분의경우충분하고도양질의식수를공급하기위해오존, 자외선처리같은다양한기술들이사용되고있다. 하수처리와마찬가지로막여과기반의정수처리가 20% 의가장높은성장률을기록하고있으며오존, 자외선처리부분도꾸준한성장세를이어가고있다. 마지막으로해수담수시스템부분의경우 07년기준시장규모는약 12조원규모로추정되며이중운영부분이절반이상을차지하고있다. 특히막여과중심의해수담수성장률은약 8% 로종래의증발법시장성장률을초과하고있으며향후분리막기반의해수담수시장이더욱확대될것으로예측된다 [1]. 한편, 수처리용케미칼, 산업 / 가정설비, 계측및관련서비스를제공하는민간서비스시장은총약 65조원규모이며특히중국을중심으로한아시아의성장세가두드러진다. 마지막으로식량 / 생수부분인데농업부분은전세계물사용량의약 70% 에해당할만큼가장큰사용처이며농경지의약 18% 가아시아에위치해있다. 농업부분시장은문헌마다차이가있으며약 9조원에서 30조원규모로추정되며연평균성장률은약 10% 이다. 생수시장의경우세계시장은 07년기준으로 91조원규모이며 5 20% 의성장률을보이고있다. 생수는현재수돗물보다비싸지만수돗물에대한신뢰성문제로생수시장규모는꾸준히성장할것으로보인다 [2]. 3. 멤브레인시장규모 [3] 물의수요 / 공급의불균형과물가격의꾸준한상승등으로인해물의중요성은점차중요해지고있다. 또한글로벌경제위기와물부족심화로인해물은더이상저가상품이아니라의미있는재화로서간주되고있다. 더군다나물의효율적공급과관리, 엄격한수질규제에대응하기위한기술적대안이더욱중요해지고있으며분리막을이용한수처리기술은가장혁신적인대안으로부상하고있다. 멤브레인은원수내의다양한물질을제거하기위한반투과성막으로기공크기에따라네가지로분류된다. 역삼투막 (reverse osmosis) 이 KIC News, Volume 14, No. 6, 2011 3
라불리는 RO막은물속의용질이나이온을제거하기위한목적으로 0.2 내지 0.5 nm에해당하는입자를제거하기위해주로사용된다. 주용도는반도체공정의초순수, 해수담수등이다. 이보다기공크기가큰나노여과막 (nanofilteration) 은 0.5 내지 1 nm의작은유기물이나다가이온과같은물질을제거하기위한것으로 RO막보다낮은압력에서운전하는것이특징이다. 한편, 한외여과막 (ultrafiltration) 은 0.001 내지 0.1 마이크론에해당하는부유성입자를제거하는것으로바이러스나단백질을제거, 농축하는데사용된다. 마지막으로기공크기가가장큰정밀여과막 (microfiltration) 은 0.1 내지 10 마이크론의기공크기를갖는여과막으로박테리아제거나폐수처리, 식음료청징공정등에사용된다. 3.1. 역삼투막시장규모및전망 RO막은해수속의염분을제거하기위한목적으로개발된것이지만초순순의제조, 과즙과화학약품의농축정제, 하수, 배수의재이용등폭넓게사용되고있다. 근래들어수자원이부족한지역에서 RO플랜트의설치가계속되고있으며이에의해역삼투막의수요도급증할것으로예상된다. RO막은나권형과중공사형이있으며나권형은국제표준화되어있고 8인치모듈이표준형으로가장많이사용되고있다. 중공사형의경우 2001년 Dupont 사가이분야사업을철수하였고현재 Toyobo만이사업을전개하고있다. 역삼투막분야는세계적수요증가로인해설비투자에의한생산력향상과기술개발경쟁이활발해지고있는추세이다. 세계시장규모를보면 2006년 5,650억원규모에서 2016년약 1조 7천억규모로추정되며연평균성장률은 12% 이다. 역삼투막을제조하는회사는세계적으로제한되어있으며미국의경우 Dow chemical, 일본의경우 Toray, Nittodenko, Toyobo 사등이세계시장을점유하고있다. 세계 1위의다우사는중동, 호주의해수담수화와동구유럽의산업용일반순수시장에서크게시장을확대하였고 2위의니또덴 Figure 2. 세계역삼투막시장성장추이. Table 1. 역삼투막제조사별시장점유율제조사점유율 (%) Dow chemical 37.6 Nittodenko/hydranautics 28.6 Toray 13.5 Woongjin chemical 6.0 Koch membrane systems 5.7 Toyobo 5.3 기타 3.3 코사는산업용수처리부분과해수담수화실적을강화하였다. 점유율현황을보면미국의다우사가약 38% 를차지하고있으며그다음으로니또덴코사와도레이, 한국의웅진케미칼순이다. 3.2. 나노여과막시장규모및전망나노여과막은공경과여과대상이 RO막과 UF 막의중간에위치하고있는분리막으로서구조, 제법, 사용법등이 RO막과유사한특징을가지고있다. 그러나 RO막과의차이점은조작압력이낮고이온투과성이높다는것이다. 통상 NF막은 90% 이상의염제거율을가진다. 나노여과막 (NF) 은저압에서투과성이높은 RO막이라불려지고있으며규격도 RO 모듈과동일하게 8인치와 4인치형태로판매되고있다. 막모듈또한 RO막모듈과동일한나권형이대부분이다. NF막은주로 UF 막, RO막및활성탄소등의흡착소재와조합하여사용된다. NF막시장규모는 RO막시장의수 % 4 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011
수처리분리막의시장전망 Table 2. 나노여과막제조사별시장점유율 제조사 점유율 (%) Dow chemical 40.0 Nittodenko/hydranautics 32.0 Koch membrane systems 16.0 기타 12.0 Figure 3. 세계나노여과막시장성장추이. 대로추정되는데이는대체기술이다양하게존재하고 RO막의응용분야와다소중복되기때문이다. 시장동향을보면경수와염분농도가높은북미와유럽등이주요시장을형성하고있으며 RO 막과구분이되는틈새시장위주로전개될가능성이높다. 나노여과막시장규모를보면 06년기준약 2,400억원이며 3.3% 의연평균성장율을나타내 2017년약 3,000억원규모의시장을형성할것으로예측된다. 나노여과막을제조하는회사는대개역삼투막을제조하는회사와동일하다. 따라서점유율면에서도 RO막의점유율과유사한특징이있다. 최근나노여과막이주로사용되는분야는정수장과같은고도처리분야로해외의경우 MF막과 UF막으로제거할수없는트리할로메탄과같은환경호르몬유해물질, 색소성분, 기타미량유해물질등을제거하는데사용된다. 또한나노여과막은 2가이온은제거하지만 1가이온은투과하기쉬운특징이있는데이것을이용하여망간이나칼슘을농축하는데사용되기도한다. 한편, 북미나유럽처럼비교적물이경수인경우경도를제거하여연수로만들목적으로나노여과막이사용되며기타해수담수용전처리나염분농도가높은호수나하천, 공장배수중의 COD나 BOD를감소시키거나중금속을제거하는분야에서도나노여과막이사용되고있다. 가격동향을보면선진국중심으로주로사용되고있으며제조사도한정되어있기때문에 RO막만큼급격한경쟁은보이지않을것으로예상되나안정적인가격을형성하고있는것이특징이다. 3.3. 한외여과막 / 정밀여과막시장규모및전망한외여과막및정밀여과막은다공질막으로서나노여과막및역삼투막에비해저압으로운전되기때문에저압용멤브레인으로일컬어지기도하며압력구동에의해분리가이루어지지만기공크기가서로다르다. MF막과 UF막은제품에따라여과대상물사이즈가중복되는경우도있지만일반적으로는 MF막보다 UF막의경우가기공이더작다. 통상 MF막 /UF막은 MBR ( 막분리활성오니법 ) 막및세라믹막도대상으로포함하고있지만이장에서는제외하기로한다. 시장상황을보면수질및수처리기술의차이에서일본에서는 MF 막이폭넓게사용되고있고, 유럽과북미에서는 UF막이주류이다. 이것은각나라막메이커의특색으로서나타나고있는데일본계막메이커의대다수는 MF막을중심으로전개하고있고유럽 / 미국막메이커의대다수는 UF막에비중을두고있다. 특히일본, 북미, 유럽에서는크립스토포리디움대책등수도수질향상및환경규제강화에따른하수및폐수처리분야에서 MF/UF막사용량이증가하고있다. 또한중동, 호주, 싱가포르등의물부족지역에서해수담수화전처리필터로서, 또한하폐수재이용분야에서도도입이진전되고있다. BRIGCs 및그주변국에서는경제발전에따른산업용수사용량증가및인구증가, 도시화에동반하는음료수제조량의증가때문에막수요가급증하고있다. 이러한세계적인물수요증가에따라 MF막 /UF막시장은성장이지속되고있으며참여메이커또한전세계적으로증가함에따라가격경쟁이치열해지고있다. MF/UF분야세계점유율 1위에오른제조사는 KIC News, Volume 14, No. 6, 2011 5
Table 3. 한외여과막 / 정밀여과막제조사별시장점유율 제조사점유율 (%) (a) GE/Zenon 30.6 Siemens 14.1 Asahi kasei/pall 11.8 Kubota 7.6 Mistsubishi 5.9 Norit 4.1 기타 25.9 막제조사들로판단된다. 최근에는중국, 한국, 싱가포르와같은후발아시아계막제조사가그존재를드러내고있으며도레이, 다이센멤브레인시스템등쿠라레가 MF/UF막으로 100억원이상의실적을갖고있다. (b) Figure 4. (a) 세계한외여과막시장성장추이, (b) 세계정밀여과막시장성장추이. M&A로물사업을본격전개하는 GE그룹이다. 2006년에막메이커인 Zenon사를합병하여 MF막 /UF막시장에세계적인점유율을보유하게되었다. GE사는북미, 유럽, 아시아시장에서상당히높은점유율을갖고있으며자국내에서는정수, 하수및 MBR분야에서실적을크게신장시키고있다. 다음으로는 GE와마찬가지로 M&A로물사업을활발히전개하는독일의 Siemens그룹이다. 2004년에 Veolia에서 US Filter사 ( 미국 ) 를매수하여사업을확대시켰으며각그룹회사의본거점이다국적으로연결되어있어세계적인점유율을차지하고있다. 최근에는중국및싱가포르와같은아시아에서대두하는것이눈에띈다. 한편아사히카세히및판매제휴사인 Pall사 ( 미국 ) 의경우정수장용도로는미국시장 1위를점유하고있으며기타에포함되는막제조사는세계적으로도상당히많이존재하며그대부분은일본, 유럽, 미국계 3.4. MBR (Membrane bioreactor) 시장규모및전망 MBR은오수중에산소를공급하여미생물을활성화시켜활독물질의분해를촉진하는활성오니법과 MF막과 UF막분리법을조합시킨수처리시스템으로분리막활성오니법이라고도한다. MBR 은최초침전지혹은최종침전지가불필요하고공간과유지가용이하며추가오니가발생하지않아수처리후의수질이고도화되는특징이있다. MBR에사용되는막은중공사막과평막이있으며형태로는침지형과조외형이있다. 시장동향을보면 MBR등장초기에는정화조에서의도입이중심이었지만 1998년영국하수처리장에도입을시작으로오늘날전세계하수처리장에급속히보급되기시작하였다. 하수처리장규모확대와설치증가에따라 MBR시장은더욱증가할것으로예상된다. 일본의경우 2005년처음도입되었고 2008년 12월현재 9개의하수처리장에서 MBR이가동되고있다. 최근에는북미, 유럽, 중국, 중동등에서수요가급증하고있고각국고유의막제조사간의경쟁이활성화되고있다. MBR시장규모를보면 2006년기준으로 2000억원규모이며연평균 13% 의성장률을보이고있다. 6 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011
수처리분리막의시장전망 Table 4. MBR용분리막제조사별시장점유율현황 제조사 점유율 (%) GE/Zenon 43.4 Kubota 24.5 Mistsubishi 15.8 Siemens 7.2 기타 25.9 Figure 5. MBR 용분리막시장성장추이. MBR 용분리막제조사의시장점유율을보면미국의 GE 사가세계 1 위이며다음으로일본의 Kubota, Mistsubishi, Siemens 순이다. GE 의경우보강재위에코팅한중공사막이며 2 위 Kubota 의경우평막형의 MBR 을전개하여높은실적을확보하고있다. 4. 맺음말 전세계적으로물부족위기와물의중요성이더욱강조되는분위기하에서물산업의핵심소재로서분리막시장은연평균 10% 내외의성장률을가진매우매력적인시장으로향후에도지속적성장이예상된다. 국내의경우도물산업육성정책과같은정부의강력한물산업육성의지와세계적인분리막시장의확대에힘입어분리막에대한관심은급격히증가하고있다. 그럼에도불구하고국내의경우물산업의핵심소재인분리막, 관련소재개발에대한원천기술확보및관련연구인력은 여전히부족하다고판단되며이에선진국과의격차가여전히좁혀지지않고있는상황이다. 특히분리막의경우기존의수처리소재는강도가미흡하고장기간운전시발생되는막오염 (Membrane fouling) 및이로인한물리화학적세정으로막의수명이점차짧아지거나낮은공극률로인해고유량 / 저에너지운전이불가능하다는단점이있다. 따라서이러한문제점을기존소재의제조공법개선을통한성능강화와새로운원천소재를활용한경제성있는제조기술확보등을통해조기에해결한다면국내에서도세계적인분리막제조사와대등한막메이커출현이가능하리라판단된다. 참고문헌 1. Global Water Intelligence: Global Water Market (2008). 2. World Water Council: World Water Vision. Making Water Everybody s Business (2000). 3. 고기능성분리막의시장동향예측 (2009). KIC News, Volume 14, No. 6, 2011 7
차봉준 1988 1992 한양대학교화학공학과학사 1992 1994 서울대학교화학공학과석사 2001 2005 서울대학교화공생명공학부박사 1994 1999 대림산업대덕연구소주임연구원 2006 현재웅진케미칼 ( 주 ) 기술연구소연구위원 지성대 1977 1981 고려대학교화학과학사 1983 1985 고려대학교화학과석사 1988 1992 고려대학교화학과박사 1992 1997 제일합섬 ( 주 ), ( 주 ) 새한책임연구원 2000 2006 코오롱 ( 주 ) 수석연구원 2006 현재웅진케미칼 ( 주 ) 기술연구소장 김정훈 1984 한양대학교공업화학학사 1986 한양대학교공업화학석사 1999 한국과학기술원화학박사 2000 2001 Univ. of Waterloo 박사후과정 1987 현재한국화학연구원환경자원연구센터책임연구원 2005 현재한국공업화학회산학협력이사, 한국막학회조직이사 8 공업화학전망, 제 14 권제 6 호, 2011