바닷물에는 여러 가지 이온이 녹아 있다. 바닷물이 짠 이유도 주로 '나트륨 이온(Na+)'의 맛을 느끼기 때문이다. 하지만 바닷물에서 염분을 제거할 수 있을까? 이것은 바닷물에서 이온을 제거한다는 뜻이다.
0. 목차
- 이온 교환막
- 이온 교환 수지
- 역삼투막
1. 이온 교환막
일반적으로 바닷물에서 이온을 제거하는 방법으로는, 바닷물을 열로 증발시켰다가 다시 식혀 담수로 만드는 방법이 알려져 있다. 또 약품을 가하는 방법도 있다. 하지만 물을 증발시키거나 약품을 가하지 않고 이온을 제거하는 방법도 있다. 바로 '이온 교환막(Ion-Exchanged Membrane)'을 이용하는 방법이다.
'이온 교환막'에는 '양이온 교환막(cation-exchange membrane)'과 '음이온 교환막(anion-exchange membrane)'이 있다. 둘 다 가느다란 구멍이 뚫린 막이다. 예컨대 '양이온 교환막'에서는 막이 음전하를 띠고 있다. 그러면 물에 녹아 있는 음이온은 음전하끼리 반발하기 때문에 막을 통과할 수 있다. 하지만 물에 녹아 있는 양이온은 막을 그대로 통과할 수 있다. 반대로 '음이온 교환막'에서는 양이온은 막을 통과할 수 없지만, 음이온은 막을 그대로 통과할 수 있다. '양이온 교환막'과 '음이온 교환막'에 통과시킴으로써, 바닷물에 들어 있는 나트륨 이온 등의 양이온과 염화 이온 등의 음이온을 제거할 수 있다.
1-1. '이온 교환막'의 이용
실제로 '사우디아라비아(Saudi Arabia)' 등에서는 바닷물에서 음료수를 뽑아내기 위해 '이온 교환막(Ion-Exchanged Membrane)'을 이용하고 있다. 또 소금을 정제하는 과정에도 '이온 교환막'이 이용된다. 소금을 정제할 때는 음료수와는 반대로 이온 교환막에 의해 생긴 진한 소금을 사용함으로써, 효율적으로 소금을 빼낼 수 있다.
2. 이온 교환 수지
'이온 교환막'보다 간편하게 이온을 제거할 수 있는 방법이 있다. 바로 '이온 교환 수지(ion exchange resin)'를 사용하는 방법이다. '이온 교환 수지'는 크게 '양이온 교환 수지(cation exchange resin)'와 '음이온 교환 수지(anion exchange resin)'로 나누어진다. 예컨대 '양이온 교환 수지'의 경우, 물에 녹아 있는 양이온(나트륨 이온)과 수지에 결합되어 있는 '수소 이온(H+)'이 교환됨으로써 물에 녹아 있는 이온을 제거할 수 있다. 한편, '음이온 교환 수지'의 경우에는 물에 녹아 있는 음이온인 '염화 이온'과 수지에 결합되어 있는 '수산화 이온(OH-)'이 교환됨으로써 물에 녹아 있는 이온을 제거할 수 있다.
'이온 교환 수지'는 주로 지름 1mm보다 작은 알갱이 모양이다. 하지만 그 밖에도 여러 가지 종류의 '이온 교환 수지'가 있다. 그 가운데 막 모양으로 된 것이 이미 소개한 '이온 교환막(ion exchange membrane)'이다. 이온이 교환된 '이온 교환 수지'는 교환 능력을 잃지만, 교환된 이온이 들어 있는 수용액에 담그면 교환 능력이 되살아난다.
2-1. '이온 교환 수지'의 이용
바닷물에서 염분을 제거하는 바닷물 담수화 이외의 용도로는, '탄산수소칼슘(KHCO)'을 '염화나트륨(NaCl)' 또는 '물(H2O)'로 교환함으로써 단물로 바꾸는 '센물의 단물화 처리'나 '순수의 제조', '금속 이온의 분리·회수' 등을 들 수 있다.
3. 역삼투막
'이온 교환 수지'나 '이온 교환막' 이외에도 근년에는 바닷물에서 음료수를 얻는 방법으로 '역삼투막'이 이용되는 경우도 있다. '역삼투막(reverse osmosis membrane)'은 간단히 말하면, 물만 통과하고 이온이나 염류 등의 불순물은 통과하지 않는 '막(membrane)'을 이용해, 이른바 '여과'시키는 방법이다. 일반적으로 염분이 많은 물과 적은 물을 구분하면, 그 삼투압의 차이에 의해 물은 염분이 적은 쪽에서 많은 쪽으로 흐른다. 역삼투압의 경우에는 염분이 많은 쪽에 압력을 가함으로써, 염분이 많은 쪽에서 적은 쪽으로 흐르게 한다. 그래서 '역삼투막'이라고 한다.
또 역삼투막의 구멍은 바이러스보다도 작기 때문에 병원균이나 바이러스를 제거할 수 있다. 그런데 사실 역삼투막의 구멍은 바닷물 속의 주요 이온인 나트륨 이온보다 크다. 그런데도 불구하고 나트륨 이온을 통과시키지 않는 이유는 무엇일까? 이에 대해, '구멍 속의 막 소재 분자와 물 분자가 수소 결합을 해서 실질적으로 구멍이 작아지는 경우'와 '이온이나 불순물을 전기적으로 배제하는 경우' 등을 생각할 수 있다.
3-1. '역삼투막'의 이용
현재 역삼투막의 막 구조는 높은 압력에도 견딜 수 있도록 개량이 이루어지고 있고, 여러 가지 종류가 개발되고 있다. 바닷물에서 음료수를 만드는 것 이외에도 '하수 처리', '가정용 정수기', '과즙이나 유제품·화학 약품의 농축' 등에도 '역삼투막'이 사용된다.