구성물은 그림에서 보듯이 해수 저장 용기와 이를 지지할 수 있는 철재 스탠드로 몸체를 구성하며, 하부는 담수화된 물이 저장 될 수 있도록 실리 콘 튜빙이 연결된 삼각플라스크와 압력을 줄 수 있는 수동 압력 펌프로 구성 되어 있다. 그리고 해수 저장 용기 하부에는 이 키트의 가장 주요한 재료인 멤브레인 필터가 부착되어 있다. 이 밖에 구성물로는 담수화된 해 수의 염도를 측정하기 위하여 염도 측정기가 있다.
해수담수화 키트
1. 원리
지구상에 존재하는 물의 양에 있어서 절대 다수는 해수가 차지하고 있으나 인간의 생활용수나 산업 용수로 이용하기에는 염도가 너무 높기 때문에 사용하기에 적합하지 않다. 담수의 부족현상과 고갈현 상 등의 문제점을 해결하기 위해서는 해수를 담수로 전환시켜 이를 이용해야 할 필요성이 있다. 담수 화란 미네랄 성분을 제거하는 탈염화와 이온을 제거하는 탈이온화를 종합한 것으로서 탈염 담수화로 일컫기도 한다. 일반적으로 해수담수화 방법에는 특수한 막을 이용하는 역삼투법 및 증발법 등이 이 용되고 있다. 증발법이란 기원전 4세기부터 알려져 온 기술 중의 하나로서 가장 역사가 오래된 만큼 현재까지 널리 사용되고 있으며, 원리는 해수에 열을 가할 때 증발에 의해 얻어진 수증기를 이용하는 것이다. 이 외에도 최근에는 멤브레인 막을 이용한 역삼투법이 널리 각광받고 있으며, 이들의 원리는 반투과의 성질을 이용하여 어떤 물질을 성질이 다른 물질과 분리 혹은 전달하는 것으로 정의되고 있 다(그림 2). 즉, 반투막 사이에 농도가 높은 용액과 낮은 용액이 존재할 때, 물은 농도가 높은 용액으로 이동하여 용액의 농도가 평형을 이루려고 하는데, 이를 삼투현상이라 하며, 이때의 압력차를 삼투압이 라고 한다. 만일 삼투압 이상의 높은 압력을 농도가 높은 용액에 가한다면, 물은 반대로 농도가 높은 용액에서 낮은 용액으로 이동하게 된다.
묽은 용액과 진한 용액이 반투 막을 경계로 구분되어 있다.
삼투압 현상이 일어나며 묽은 용액에서 진한 용액 쪽으로 용 액이 이동한다.
진한 용액 쪽에서 삼투압보다 높은 압력으로 누르면 삼투압과 반대로 진한 용액의 묽은 용액 쪽으로 이동한다. 이것이 역삼투 압이다.
그림 2. 역삼투압의 원리
2. 재료
2.1 아크릴이 키트 제작에 있어 재료는 투명한 아크릴 판을 이용한다. 일반적으로 아크릴의 특성은 크게 7가지 로 나뉠 수 있다. 첫째, 투명성이 높아 자연계에서 일어나는 물 정화 능력을 눈으로 직접 확인할 수 있다. 둘째, 색조의 종류가 풍부하여 디자인 면에서 다양한 시각적 효과를 누릴 수 있다. 셋째, 아크릴 수지는 판 상품, 성형재료 모두 열가소성이며, 각종의 성형이 되고 거의 모든 형상의 성형물이 얻어지 고 성형에 따라 변색이 일어나지 않는다. 넷째, 비중은 1.19이고 무기 유리의 약 1/2이며 강함은 무기 강화 유리에 필적하고 특히 뜨거운 것에 서는 무기강화유리보다 격단과 충격에 대해 강하다. 다섯째, 절단, 절삭, 천공, 조각, 연마 등의 기계가공이 가능하며 접착, 도장, 인쇄, 염색, 등의 각종 가공을 쉽 게 할 수 있다. 여섯째, 인체에 유해한 독성 물질을 가지고 있지 않으므로, 식기, 의치, 치과용 충전재, 의안, 의골 등에 널리 이용되고 있다. 마지막으로 아크릴 수지의 최대 특징은 옥외의 자연환경에 대하 여 대단히 저항성이 높다.
2.2 멤브레인
대표적인 합성막으로 분리대상 입자의 크기에 따라 분리 크기가 큰 것부터 정밀여과막, 한외여과막, 역삼투막의 3종류로 분류할 수 있다. 특히 역삼투막은 반투막의 한 종류로서 구멍의 크기는 수 Å정도 로 알려져 있다. 이러한 반투막의 분리 크기와 비교하여 보면 분리대상으로 하고 있는 물 분자의 크 기는 2Å 정도이고, 식염이온의 크기는 4Å정도로 알려져 있다. 또한 역삼투막을 수처리에 사용할 경우 제거 대상물질은 부유물질, 대장균, 세균, 바이러스, 일반유기물, 취기물질, 농약성분 및 무기성이온 등 이며, 담수화에서는 수만 ppm(mg/l)의 고농도에서 수천 ppm(mg/l)의 저 농도까지 넓은 범위의 염분 제거에 사용될 수 있다.
3. 교육내용
지구상에는 다양한 형태의 물이 분포하고 있으며, 이들 물을 100%로 보았을 때, 해수는 97.2%, 빙하 는 2.15%, 지하수는 0.62% 강과 호수는 0.03% 그리고 대기 중의 수증기는 0.001%를 차지하고 있다.
이와 같이 물은 대부분이 해수로 이루어져 있기 때문에 이를 적극적으로 활용할 수 있는 방법을 고안 할 필요성이 있다. 따라서 휴대용 해수담수화키트를 제작하여 직접적으로 사용할 수 없는 막대한 양 의 해수를 담수로 정화함으로써 물 부족 시 이에 대한 대처 방안을 강구할 수 있다.
4. 간이 해수담수화 키트 제작
설명 제작과정
①원통 모양의 아크릴을 길게 절 단하여 몸체를 만들어 하부에 멤 브레인 필터를 끼운 후 고정용 아 크릴 판을 부착시키고 상부에 접 착할 압력 차단 아크릴 판을 준비 한다.
②①에서 제작된 원통의 해수저장 용기를 고정시킬 수 있는 실험용 스탠드를 준비한다.
③해수가 흘러나올 실험용 호수관 과 압력게이지가 부착된 펌프를 준비한다.
④담수화된 해수를 저장하기 위해 입구에 두 개의 구멍이 난 삼각플 라스크를 준비한다.
⑤조립순서는 ①에서 제작된 해수 저장 용기를 실험용 스탠드에 고 정시키고 용기 하단부에 ③에서 준비한 실험용 호수관과 압력펌프 삼각 플라스크에 연결한 후 해수 저장 용기 상부에 해수를 주입하 고 ①에서 준비한 압력 차단 아크 릴 판을 부착하여 고정시켜준다.
⑥압력펌프를 이용하여 해수저장 용기에 압력을 가하고 해수를 멤 브레인 필터에 통과 시켜 삼각플 라스크로 담수화 되는 과정을 관 찰한다.
5. 활용방안
일반적으로 멤브레인 필터는 다양한 종류가 존재하며, 각 종류에 따라 특징이 다르다. 또한 역삼투법 에 사용되는 필터는 부유물질, 대장균, 세균, 바이러스, 일반유기물, 취기물질, 농약성분 및 무기성이온 등과 같은 물질들도 제거할 수 있기 때문에 해수담수화 뿐만 아니라 다양한 용도로 활용할 수 있는 방안들을 모색할 수 있다.