반투막을 사이에 둔 농도 차이에 의해 발생하는 삼투압의 원리를 열역학적 평형 관점에서 설명해 주세요.

Question

반투막을 사이에 둔 농도 차이에 의해 발생하는 삼투압의 원리를 열역학적 평형 관점에서 설명하고, 이를 역이용하여 바닷물을 담수화하는 '역삼투법'의 장치 원리와 이때 가해야 하는 압력의 조건은 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

삼투압은 열역학적 평형의 관점에서 이해할 수 있습니다. 반투막을 사이에 두고 한쪽에는 순수한 물, 다른 쪽에는 염분이 녹아 있는 물이 있을 때, 물 분자의 화학 퍼텐셜은 두 용액에서 서로 다릅니다. 염분이 녹아 있는 쪽은 용질의 존재로 인해 물의 화학 퍼텐셜이 낮아지므로, 평형을 이루기 위해 물은 자연스럽게 순수한 물 쪽에서 염수 쪽으로 이동합니다. 이 이동을 막기 위해서는 외부에서 압력을 가해 두 쪽의 화학 퍼텐셜을 같게 만들어야 하는데, 그 압력이 바로 삼투압입니다. 따라서 삼투압은 농도 차이에 의해 발생하는 화학 퍼텐셜 차이를 상쇄하는 압력이라고 할 수 있습니다.

역삼투법은 이 원리를 거꾸로 이용하는 기술입니다. 바닷물 쪽에 삼투압보다 큰 압력을 가하면, 자연스러운 흐름과 반대로 물이 염수에서 순수한 물 쪽으로 이동하게 됩니다. 반투막은 소금 이온은 통과시키지 않고 물만 통과시키므로, 결과적으로 바닷물에서 담수가 분리됩니다. 이 과정에서 중요한 조건은 가해지는 압력이 반드시 바닷물의 삼투압보다 커야 한다는 점입니다. 바닷물의 삼투압은 대략 25~30기압 정도이므로, 실제 역삼투 담수화 장치에서는 이를 초과하는 수십 기압의 압력을 가해 담수를 얻습니다.

즉, 삼투압은 열역학적 평형을 이루려는 자연스러운 현상이고, 역삼투법은 그 평형을 인위적으로 뒤집어 담수를 생산하는 기술이라고 정리할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

반투막을 사이에 둔 삼투 현상은 용매의 화학 퍼텐셜 차이가 사라지는 방향으로 진행되는 열역학적 평형 과정인데요, 용질은 반투막을 통과하지 못하고, 용매만 통과할 수 있습니다. 즉 순수한 물과 용액을 비교했을 때 용질이 녹아 있는 쪽에서는 물 분자의 무질서도가 증가하지만 물의 화학 퍼텐셜은 더 낮아집니다. 따라서 물은 화학 퍼텐셜이 높은 쪽인 순수한 물에서 용질이 있는 낮은 쪽으로 이동하려고 합니다. 이 이동을 삼투압이라고 하는데요, 따라서 시간이 지나면 용액 쪽의 액면이 상승하고 압력이 증가하는데, 어느 순간에는 더 이상 물이 이동하지 않는 상태에 도달하며 이 상태가 바로 열역학적 평형입니다. 이때 용액 쪽은 이미 낮은 화학 퍼텐셜을 가지므로, 이를 맞추기 위해 외부에서 압력이 작용해야 하는데, 이때 평형을 만들기 위해 필요한 압력이 바로 삼투압입니다. 즉, 농도가 높을수록 더 큰 압력이 필요하게 됩니다.

이 원리를 반대로 이용한 것이 말씀해주신 역삼투법인데요, 원래 바닷물과 같은 고농도 용액에 대해 자연 상태에서는 물이 바닷물 쪽으로 들어가려 하지만, 외부에서 삼투압보다 더 큰 압력을 가하면 흐름 방향이 반대로 바뀝니다. 즉, 물이 바닷물 쪽에서 반투막을 통과하여 순수한 물 쪽으로 이동하게 되며, 해수를 담수로 만드는 기본 원리입니다. 장치적으로 보면, 고압 펌프로 바닷물에 압력을 가하게 되면 반투막을 통해 물 분자만 통과시키며, 염류의 이동은 차단됩니다. 결과적으로 한쪽에서는 염분이 제거된 담수가 생성되고, 다른 쪽에는 더 농축된 염수가 남게 되는 것입니다. 감사합니다.