반투막을 사이에 두고 발생하는 자연적인 삼투압 현상의 원리는 무엇인가요?

Question

바닷물에서 순수한 식수를 얻어내는 해수 담수화 플랜트는 역삼투압 방식을 사용합니다. 반투막을 사이에 두고 발생하는 자연적인 삼투압 현상의 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

삼투 현상은 반투막을 사이에 두고 농도가 낮은 쪽의 물 분자가 높은 쪽으로 스스로 이동하는 현상입니다. 반투막은 미세한 구멍을 가져 크기가 작은 용매인 물 분자는 자유롭게 통과시키지만, 덩치가 큰 소금 이온 같은 용질은 통과시키지 못합니다. 자연계는 농도 차이를 줄여 평형을 유지하려는 성질이 있어, 상대적으로 이동이 자유로운 물 분자가 직접 고농도 쪽으로 이동해 소금물을 묽게 만듦으로써 양쪽의 농도 평형을 맞추려 합니다.

물이 고농도 쪽으로 계속 이동하면, 고농도 영역의 수면이 높아지면서 압력이 발생하고, 수면이 높아지면서 누르는 힘이 점차 강해져 결국 물 분자의 추가적인 유입을 막게 되는데, 이렇게 자연적인 물의 이동을 멈추게 하는 데 필요한 압력을 삼투압이라고 부릅니다.

해수 담수화의 역삼투 방식은 이를 거꾸로 이용합니다. 바닷물 쪽에 자연적인 삼투압보다 훨씬 강한 인공 압력을 가하면, 역으로 물 분자만 반투막을 빠져나가게 되어 소금기가 제거된 순수한 식수를 얻을 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 삼투압은 반투막을 사이에 두고 농도가 다른 두 용액이 있을 때, 용매가 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동하려는 현상입니다. 반투막을 사이에 두고 한쪽에는 순수한 물, 다른 쪽에는 소금물이 있는 상황에서 반투막은 물 분자는 통과시키지만 소금 이온과 같은 용질은 통과시키기 어렵다고 가정합니다. 그러면 물 분자는 양쪽을 자유롭게 오갈 수 있지만 소금 이온은 이동할 수 없는데요, 이때 물 분자는 결과적으로 순수한 물 쪽에서 소금물 쪽으로 이동하는 순이동이 발생합니다. 결과적으로 소금물 쪽의 물 높이가 점점 높아집니다. 이때 중요한 점은 물이 소금이 있는 곳으로 가고 싶어 한다는 목적론적인 현상은 아니라는 것인데요, 물 분자는 양쪽에서 무작위로 움직이고 있지만, 반투막을 통과할 수 있는 물 분자의 수와 용질의 존재에 따른 화학적 퍼텐셜 차이 때문에 결과적으로 물이 묽은 용액 쪽에서 진한 용액 쪽으로 이동하는 것입니다. 물이 이동하면 소금물 쪽에 물이 쌓이면서 수면이 높아지고, 그 결과 수압이 증가하는데요,이 수압이 물의 추가 이동을 방해할 정도가 되면 더 이상 순수한 물이 소금물 쪽으로 이동하지 않게 됩니다. 이때 형성된 압력 차이가 삼투압입니다. 즉, 삼투압은 간단히 말하면 삼투에 의해 용매가 이동하는 것을 막기 위해 진한 용액 쪽에 가해야 하는 최소 압력으로 정의할 수 있습니다. 반대로 역삼투압에서는 이 원리를 거꾸로 이용하는데요, 해수와 같은 고농도 용액 쪽에 삼투압보다 큰 압력을 가하면 물이 자연적인 삼투 방향과 반대로 이동하게 됩니다. 즉, 해수 쪽에서 물 분자만 반투막을 통과하여 담수 쪽으로 이동하고, 소금 이온은 막에 의해 대부분 차단되면서 바닷물로부터 순수한 물을 얻을 수 있는 것입니다. 감사합니다.