(사이언스 레터)바닷물에서 식수를 어떻게 얻을까

인공섬으로 세계의 주목을 받고 있는 두바이의 담수화 설비가 한국의 기술력으로 이루어졌다고 한다. 참 기분 좋은 일이다. 이 설비는 전력 수요가 많은 여름철에 발전소를 돌리면서 나오는 열을 이용해 바닷물을 증류하고, 겨울철에는 역삼투 방식으로 담수를 만들고 있다. 그 원리를 알아보자.

짠 바닷물에서 필요한 식수와 용수를 얻기 위해서는 바닷물에 포함된 염분과 그 밖의 이온을 제거하여야 한다. 그러기 위해서는 크게 두 가지 방법이 사용되는데 하나는 열을 이용하여 바닷물을 증발시킨 후 수증기를 다시 물로 만드는 증류법과 역삼투압 방법이 있다. 증류법은 실험실에서 순수한 물, 즉 증류수를 만들 때에도 이용하는데 비용이 많이 드는 단점이 있다.

역삼투압 방식은 미국 해군에서 개발되었다고 알려져 있는데 역삼투압 방식을 이해하기 위해서는 우선 삼투현상을 이해하여야 한다. 막 중에는 반투막이라 하여 용질 분자는 통과시키지 않고 용매 분자만을 선택적으로 통과시키는 성질을 가진 막이 있다. 만약 농도가 작은 용액과 농도가 큰 용액을 섞으면 당연히 농도가 큰 용액 속에 있는 용질 입자가 퍼져서 두 용액은 농도가 같아지는데 이를 확산이라 한다. 지난번 글에서 열역학 제2법칙에 대해 이야기한 적이 있는데 확산 현상은 열역학 제2법칙에 따른 현상이다. 즉 농도가 각각 다른 두 용액이 구분되는 것보다는 서로 섞여 농도가 같아져 엔트로피가 커지는 방향으로 진행되는 것이다.

하지만 농도가 다른 두 용액 사이에 반투막을 두면 어떻게 될까? 반투막은 앞에서 말한 바와 같이 용질 입자는 통과되지 않으므로 확산이 일어나지 못한다. 하지만 이 경우에도 열역학 제2법칙이 작용하여 용질은 통과하지 못하지만 물과 같은 용매가 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 이동하여 농도가 같아지려는 방향으로 진행이 되는 것이다. 이처럼 반투막을 사이에 두고 농도가 다른 두 용액이 있을 때 농도가 묽은 쪽에서 농도가 진한 쪽으로 용매의 이동이 일어나는데 이런 현상을 삼투 현상이라 한다. 김장할 때 배추를 소금으로 절이는데 이는 배추 속에 포함된 물이 삼투현상에 의해 밖으로 빠져 나오게 하기 위해서이다. 삼투현상이 일어날 때 이러한 용매의 이동을 막는데 필요한 압력을 삼투압이라 하며 농도가 클수록 삼투압이 크다. 이때 농도가 높은 쪽에 삼투압보다 큰 압력으로 누르면 용매인 물은 오히려 농도가 높은 쪽에서 농도가 낮은 방향으로 이동하는데 이를 역삼투라고 한다.

염분이 들어 있는 바닷물이 나타내는 삼투압은 약 24.8기압이다. 특수한 반투막을 사이에 두고 순수한 물과 바닷물을 넣으면 순수한 물이 바닷물 쪽으로 가는 삼투가 일어나지만 바닷물 쪽에 24.8기압보다 더 큰 압력을 가하면, 바닷물 속의 물만 반투막을 통하여 순수한 물 쪽으로 흘러나오게 된다. 이때 바닷물 속의 염분은 반투막에 의해 통과가 되지 않으므로 식수나 용수로 사용할 수 있는 것이다. 요즈음은 역삼투압을 100기압까지 높여서 다량의 순수한 물을 얻고 있다.

차정록(차선생 과학아카데미 원장)

■ 심층 면접 관련 질문

1. 삼투압을 이용하여 고분자 화합물의 분자량을 구하는 방법을 설명하라.

2. 묽은 용액의 총괄성을 설명하고 그 예를 들어보라.

3. 삼투현상을 열역학 제 2법칙과 관련하여 말해보라.