1. 개요
□ 연구목적
○ 물 부족 문제의 심각성을 인지하고 이를 해결하기 위한 방안을 모색하 여 가장 효과적인 방법을 찾음.
○ 발전기를 통해 전기에너지를 만들어 에너지 부족 문제를 해결할 수 있는 계기를 마련함.
○ 담수를 얻음과 동시에 에너지 발생을 목표로 일석이조의 효과를 만들 기 위해 이 프로젝트를 실행하게 됨.
□ 연구범위
○ 연구 분야 및 범위
- 물리 : 일과 에너지 - 역학적 에너지의 보존법칙( 물체에 작용하여 일을 하는 힘이 중력 따위와 같이 보존력일 때 물체의 역학적 에너지 가 일정하다고 하는 법칙. 예를 들면, 공기의 저항을 생각하지 않을 때 추의 운동 에너지는 가장 낮은 위치에서 최대가 되고 가장 높은 위치에서 최소가 되어 양쪽 에너지의 합은 일정하게 유지된 채 운동 이 계속된다.) (출처: 네이버 사전)
- 화학 : 삼투 또는 삼투현상이란, 묽은 용액과 진한 용액이 반투과성 막을 사이에 두고 있을 때, 농도가 더 진한 쪽으로 용매(일반적으로 물)가 이동하는 현상이다. 이때 발생하는 압력의 크기를 삼투압이라 고 한다. (출처: 위키백과)
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
○ 해수의 담수화란 생활용수나 공업용수로 직접 사용하기 힘든 바닷물 로부터 염분을 포함한 용해물질을 제거하여 순도 높은 음용수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 일련의 수 처리 과정을 말한다.
○ 역삼투법(Reverse Osmosis: RO)은 반투막(Semi-permeable Membrane)과 삼투압을 이용하여 해수에 용해되어 있는 용질을 제거 하여 순도가 높은 담수를 얻는 프로세스를 말하며, 현재 상용화된 해수담수화 설비에서 MSF 및 MED와 함께 가장 많이 적용되는 담수화 기술이다. 동일한 양의 저농도 용액과 고농도 용액을 반투막 (Semi-permeable Membrane)을 사이에 두면 시간이 지남에 따라 고 농도 용액의 양이 점점 증가하는 현상이 발생하고, 일정 시간이 지나 면 더 이상 고농도 용액의 양이 증가하지 않고 평형상태에 이르게 된다. 이를 삼투현상(Osmosis)이라고 하며, 평형상태에서의 고농도 용액과 저농도 용액의 수두 차를 삼투압(Osmotic Pressure)이라고 한다. 평형상태에서 고농도 용액 측에 삼투압 이상의 압력을 가하게 되면 고농도의 용액의 용매인 물은 막을 통과하여 저농도 용액 쪽으 로 이동하고, 용질은 막을 통과하지 못하게 되는데, 이를 역 삼투 현상(Reverse Osmosis)라고 한다. 이와 같이 반투막을 이용하여 가압 된 염수에서 용매인 물을 용질과 분리하는 프로세스를 역삼투법이라 고 한다.
□ 연구주제의 선정 ○ 에너지 부족
- 대부분의 학교 및 공공 기관들의 경우에, 에너지 사용에 대해 국가의 통제를 받기 때문에 특정 시간 외에는 자율적으로 사용하지 못한다.
그렇다면 '과연 우리나라는 얼마나 많은 양의 에너지를 소비하기에 이렇게 에너지 사용을 제한하는 상황을 초래하게 되었을까?'라는 궁 금증이 발생했다. 조사해 본 결과, '우리가 많은 양의 에너지를 소비하 는 것이 아니라 에너지 생산량이 소비량에 비해 부족하기 때문에 에너지 사용을 제한한다.'라는 것을 알게 되었다. 그리하여 '어떻게 하면 에너지를 생성에 기여할 수 있을까?'라고 생각했다.
○ 물 부족
- 도시 외곽으로 나가보면 종종 댐을 발견할 수 있는데 댐을 볼 때마다 물 부족의 심각성을 인식하게 되었다. 우리나라의 경우 여름철의 집중호우를 제외하고 극심한 가뭄 현상이 일반적이다. 하여 물 부족 현상을 해결할 수 있는 방법을 곰곰이 생각하다가 지구상에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 해수를 우리가 사용할 수 있는 담수로 바꾼다면 물 부족 문제를 해결하는 데 기여할 수 있다고 생각했다.
○ 주제 설정
- 위의 두 생각을 하나로 통합하여 '에너지와 담수를 동시에 얻는 일석 이조의 효과를 얻을 수는 없을까?'라는 생각에 도달하게 되었다.
것을 통해 대략적으로 측정
- 왼쪽에서 물레방아를 통과한 해수는 틀을 타고 내려와 반투막과 간이 정수기로 인해 여과되어 담수가 생성
□ 연구 활동 및 과정 ○ 가설 설정
- 역삼투압을 이용해 해수를 담수화하고, 그 과정에서 에너지가 발생할 것이라는 가설 설정
○ 실험 설계 - 틀 제작
- 에너지 발전 여부 확인 - 반투막 여부 확인
- 위의 두 실험과정을 통합하여 실험
○ 실험 과정
- 실험 1. 에너지 발전 확인하기 : 위치에너지의 원리를 이용해 수차를 만들어 물레방아를 돌림. 물레방아를 돌려서 얻은 에너지는 물의 세기에 따라 전구의 밝기와 전구가 깜빡거리는 정도의 수가 다름.
- 실험 1. 실험 결과
전구 1개 전구 2개
빛의 세기 밝음 약간 밝음
깜빡임의 정도 연속적으로 빠르게 불연속적으로 약간 느리게
전구 두 개 이상을 연결했을 시에는 전구에 빛이 들어오지 않음. 따라서 에너지의 양의 일상생활에서 사용하기에 부족함을 알 수 있음.
- 실험 2. 해수담수화 여부 확인하기 : 삼투압의 원리를 역이용하여 역 삼투압을 사용해 해수담수화를 시도함. 그러나 한 겹으로는 물이 새서 반투막을 여러 겹으로 겹치며 실험을 진행함.
- 반투막 실험의 실패 원인을 분석해 여러 겹으로 겹쳐진 반투막과 반투막 사이에 공기층이 생겨 그 틈으로 물이 샌다는 것을 확인함.
그래서 공기층을 없애기 위해 틀의 중간부에 얇은 아크릴을 부착하는
- 실험 2. 실험결과 : 공기층을 없애 물이 새는 것은 막기에 성공함.
그러나 역삼투압이 일어나기 위해 필요한 압력을 틀이 이기지 못함.
○ 시행착오 극복
- 틀을 직접 제작했으나 이론상 부적합하다는 조언 하에 틀의 도면을 다시 설계
- 실험 전에는 인위적으로 압력을 가하려 했으나, 에너지가 소모되므로 압력을 발생시킬 다른 방법을 모색
- 준비물 주문이 늦어서 실험이 지연됨
- 실적 있는 실험을 위해 전과 다르게 팀원들끼리 분업
- 해수담수화와 에너지 얻는 과정을 함께하려고 했으나 조언 하에 해수 담수화를 한 후에 에너지를 발생시키는 것으로 순서를 정함
○ 계획 수정
- 처음에 주제를 설정하고 실험 설계를 위해 역 삼투압이라는 방법에 대해 찾아보면서 'ㄷ 모양의 틀로만 역 삼투압을 설명한다.'라는 공통 점을 찾아냈다. 그래서 '왜 ㄷ 모양의 틀만 있는 걸까?' 라는 생각이 들어 또 다른 2개의 모형을 더 착안해보았다. 하지만 그 두 개의 모양 의 틀에 차이점이 크게 없다고 생각해 그 중 한 가지를 선택한 결과, ㅣ모양의 틀과 ㄷ 모양의 틀을 실험하게 되었다. 첫 번째로 ㅣ 모양을 실험하기 위해 물을 채우는 데 자꾸 공기가 차올라 반투막과 물이 접촉되지 않아 많은 사람들이 올려놓은 여러 자료에 왜 ㄷ 모양의 틀만 있는지 알게 되었다. 그래서 ㅣ 모양의 틀로는 실험이 불가능하 다고 판단하여 그 실험을 중단하고 ㄷ 모양의 틀로 실험을 다시 시작 하게 되었다. 또한 처음 보고서에 올렸듯이 틀에 소형 발전기를 설치 하려 했지만 시중에서 쉽게 구할 수 없어 대처 방안으로 물레방아를 설치하게 되었다.
○ 월별 연구 추진 실적
달 연구 추진 실적
5월 연구 자료 수집 6월 틀 제작
7월 틀 제작 8월 틀 제작
9월 에너지 발전 실험 10월 반투막 실험
11월 최종 보고서 작성
○ 외부 전문가 자문 내역
Q : 시중에서 반투막을 구하기 어렵던데 사용할 수 있는 반투막에는 무엇이 있을까요?
A : 시중에서 파는 웅0 코00 얼음 정수기를 분해하면 안에 반투막 필터가 있을 것이니 그것을 사용해서 실험을 해보면 좋을 것 같다.
Q : 저희가 하는 실험에 대한 조언을 하신다면?
A : 압력은 우리가 줄 수 있을 만큼의 양으로는 부족하고 대학이나 전문기관에서 실험을 해야 하는데 그 압력도 너무 높아서 아크릴 판이 압력을 이기지 못해 틀이 산산 조각날 수 있기 때문에 사실상 불가능한 실험이다. 압력을 주기 위해선 우선 전문 기관이나 대학에 연락을 해서 실험을 하는 것을 권장한다.
충분하지 않았다.
- 반투막과 물이 만나면 틀에 고정 시킬 수 없어 실험이 실패했다.
- 아크릴은 역 삼투압 실험을 하기 위한 틀로써 적합하지 않았다.
- 수차를 이용하면서 역 삼투압을 일어나게 하는 실험은 역 삼투압을 일어나게 하기 위한 압력을 줄 때에 걸림돌이 되었다.
○ 연구 과정 요약
- 틀을 제작하여 떨어지는 물을 이용해 에너지를 얻고 그 후 반투막을 이용한 해수담수 과정을 걸쳐 담수와 에너지를 동시에 얻는다.
○ 연구 결론 제시
- ㄷ자 틀에서의 실험은 반투막과 해수 담수화가 가능했지만 일자형
틀에서는 해수 담수화 실험은 역삼투압의 조건에 만족하지 못하여 불가했고 에너지 발전은 가능하였다.
□ 시사점
○ 연구활동을 통해 얻은 학습 효과
- 역삼투압이 일어날 조건으로 ㄷ자 모형만 사용되는 이유를 알게 됨.
○ 개선점
- 실험을 했었던 한 겹 단위의 반투막이 아닌 오직 실험용으로 제작된 두꺼운 반투막이 필요함.
- 플래밍의 오른손법칙과 페러데이 원리를 이용하여 직접 모터를 제작 해서 연구를 하고 싶음.
- 아크릴로 제작된 틀이 아닌 압력을 이길 수 있는 단단한 틀이 필요함.
- 역삼투압과 반투막에 대한 정보들을 다시 정리해서 실험하고 싶음.
- 새롭게 틀을 설계하고 싶음.
4. 홍보 및 사후 활용
○ 해수를 이용하여 수력 발전과 같은 방식으로 위치에너지를 활용하여 에너지를 생성함.
○ 지구의 99%가 해수인데 현재 상태에서는 그 물을 사용할 수 없지만 이 기술을 점차 발전시킨다면 엄청난 양의 물을 생활용수, 공업용수, 농업용수 등으로 활용할 수 있음.
