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생활이 현대화됨에 따라 필요한 물의 양은 급격히 증가했다. 기본적으로 하루에 마셔야하는 2L의 양을 포함해 음식을 만들거나 몸을 씻는데 상당한 양의 물이 사용되기 때문이다. 물론 이때 우리가 사용하는 물은 깨끗해야 하는데···

물은 인간이 농사를 짓고 한 곳에 머물러 살면서 더욱 중요해졌다. 깨끗한 물을 충분히 공급해주는 강이나 호수 또는 오아시스를 중심으로 고대의 마을과 도시가 발달한 것도 이러한 이유 때문이다. 서울의 젖줄이 한강이듯이 산업이 발달한 현대에도 이런 사실은 변하지 않았다.

그런데 지구상의 물은 여러 가지 이유로 더렵혀진다. 강바닥에서 광물질이 녹아 나오기도 하고, 동물의 배설물이나 죽은 생물에 의해서 오염되기도 한다. 녹조나 적조와 같은 생물종이 너무 과도하게 번성해 심각한 문제를 일으키는 것도 그 예다. 그러나 지구상의 물을 가장 심각하게 더럽히는 주범은 역시 가장 활발한 활동을 하고 있는 사람이다.

자연계는 더렵혀진 물을 스스로 정화하는 자연적인 방법을 갖고 있다. 인구가 많지 않았던 옛날에는 그런 자연적인 방법으로 깨끗한 물을 충분히 얻을 수 있었다. 하지만 지구상의 인구가 늘어나고 도시화가 급격히 진행되면서 물의 자연 정화능력은 한계에 부딪혔다. 따라서 이제는 화학적 원리를 이용한 인공적인 방법을 사용하지 않을 수 없게 됐다.

댜양한 능력 갖춘 재능꾼

우리 주변의 모든 물질은 그 크기가 1억분의 1cm에 불과한 원자들이 결합해 만들어진 분자로 구성돼 있다. 지금까지 알려진 분자의 종류는 수천만 종류에 이른다. 그 중에서 물은 한 개의 산소 원자 양쪽에 두 개의 수소 원자가 104.5。의 각도로 결합된 비교적 간단한 모양을 가진 H2O라는 분자다. 물분자는 곧은 모양이 아니고 구부러져 있다는 단순한 이유 때문에 물의 물리적, 화학적 성질이 매우 독특하다.

우선 물은 다른 물질과 비교할 때 밀도가 대단히 크고, 어는점과 끓는점도 매우 높은 편이다. 이런 성질은 물분자들이 서로 가깝게 뭉쳐있는 것을 아주 좋아하기 때문에 나타난다. 화학적으로는 물분자들 사이의 비교적 강한 수소결합 때문이라고 설명한다. 같은 이유 때문에 물은 열용량이 큰 분자로도 유명하다. 다시 말해서 다른 물질과 비교할 때 물의 온도를 변화시키기가 어렵다는 뜻도 되지만, 일정한 양의 물이 저장할 수 있는 열의 양이 매우 큰 편이라는 말이기도 하다. 그래서 뜨거운 물을 이용해 온돌방을 가열하기도 하고, 삶아낸 냉면 국수를 찬물로 식히기도 한다. 대형 공장에서 반응로를 가열하거나 냉각시키기 위해서 물을 많이 사용하는 것도 같은 이유다.

물은 다른 물질과 달리 액체에서 고체로 될 때 부피가 늘어나는 특징을 가진 것으로도 유명하다. 물이 얼면 고체의 물분자들은 수소결합에 의해 육각형 모양의 고리를 만들기 때문에 중간에 빈 공간이 많이 생긴다. 이에 비해 분자들이 마음대로 움직일 수 있는 액체의 물에서는 그런 모양이 제대로 유지되지 않기 때문에 빈 공간이 줄어든다. 고체 물분자가 액체 물분자보다 부피가 커지는 이유는 이 때문이다. 그래서 겨울에 수도관이 얼면 터져 버리는 불편함도 있지만, 얼음이 물보다 가볍기 때문에 강이나 호수가 위에서부터 얼어 물고기가 얼음에 갇히지 않고 안전하게 겨울을 날 수 있게 만들어준다.(그림1).

그러나 물의 특징 중에서 화학적으로 가장 중요한 것은 역시 다른 화학물질을 잘 녹이는 좋은 용매라는 사실이다. 소금과 같은 염(鹽)은 물론이고, 염산이나 수산화나트륨과 같이 강한 산이나 염기, 그리고 에틸 알코올이나 아세트산과 같이 극성을 가지고 있는 다양한 유기물질은 모두 물에 매우 잘 녹는다. 즉 우리 몸에서 일어나는 많은 화학작용은 물이 있기 때문에 가능한 일이다. 우리가 물을 꼭 마셔야 하고, 우리 생활과 산업에 많은 양의 물을 사용하는 가장 중요한 이유가 바로 물의 이런 특성 때문이다.

자체 정화의 메커니즘

사람은 물을 통해서 산소나 다른 영양분을 공급받지는 않기 때문에 마시는 물은 다른 화학물질이 섞여있지 않을수록 좋다. 다른 물질이 전혀 섞여있지 않은 깨끗한 물을 먹어야 한다는 얘기다. 하지만 아무리 깨끗한 물이라도 상온의 물 1L에는 약 20mg정도의 산소가 녹아있고, 이산화탄소와 질소를 비롯한 공기 중의 기체도 상당한 양이 녹아있다. 그뿐 아니라 흙에서 녹아 나오는 황산, 질산, 탄산 이온이나 칼슘, 마그네슘 이온 등의 미네랄 성분도 녹아있다.

자연적인 이유나 인간의 활동에 의해서 더렵혀진 물은 화학적으로 혼합물이라고 부른다. 물분자 이외에 다른 종류의 분자들이 섞여 있다는 뜻이다. 자연에서 더렵혀진 물은 대부분 자연적으로 정화된다. 강이나 호수에서 큰 먼지나 흙가루가 바닥으로 가라앉고, 유기물질은 공기 중의 산소에 의해서 산화돼 해가 없는 물과 이산화탄소로 바뀐다. 대부분의 정수장이나 폐수 처리장에서는 오염된 물 속의 유기물에 산소를 불어넣어서 산화시키는 방법을 쓰는 것도 같은 이유다.

오염된 물이 다른 강물이나 호수의 깨끗한 물과 합쳐지면서 묽어져서 오염도가 낮아지는 것이 대표적인 자연적 정수과정이다. 아무리 독성이 강한 물질이라고 하더라도 독성물질 1mL를 깨끗한 물을 이용해서 1L로 묽게 만드는 과정을 9번만 반복하면 ${10}^{27}$배가 묽혀지기 때문에 1L 속에 유해 분자가 하나도 들어있지 않은 깨끗한 물을 만들 수 있다. 오염된 물을 묽게 하는 방법은 실제 강이나 호수에서 일어나는 가장 흔한 정수 과정이다. 그러나 오염 물질의 양이 많아지고, 사용할 수 있는 깨끗한 물이 충분하지 않으면 이 방법은 쓸모 없게 된다.

자연 정수기 땅속

자연은 물을 깨끗하게 만드는 또다른 방법을 가지고 있다. 바로 지표에서 오염된 물이 땅 속으로 스며들면서 깨끗하게 되는 과정이다. 지표수가 흙 속으로 스며들면 우선 크기가 큰 먼지 입자들이 걸러지고, 깨끗한 모래층이나 석탄층을 느린 속도로 지나게 되면 물 속에 섞여있는 오염 물질들이 제거돼 깨끗한 지하수가 만들어진다. 물이 땅 속으로 스며들면서 크로마토그래피라고 하는 화학적 현상에 의해서 오염물의 분리가 일어나기 때문이다. 옛날에 사용하던 우물물이나 요즈음 펌프를 사용해서 퍼올리는 지하수는 모두 이런 자연적인 정수 과정으로 만들어진 깨끗한 물이다. 그러나 이런 방법으로 오염된 물이 정화되는 데에는 꽤 오랜 시간이 걸린다. 또 지형적인 이유 때문에 우리가 마음대로 사용할 수 있는 방법은 아니다.

결국 화학적으로 오염된 물을 정화하는 인공적인 방법이 필요해진다. 그 중 가장 대표적인 것이 물 속에 녹아있는 이온을 녹지 않는 것으로 만들어 분리해내는 것이다. 예를 들어 칼슘 이온이 많이 녹아있는 경우에는 인산 이온이나 탄산 이온을 넣어 물에 잘 녹지 않는 인산칼슘이나 탄산칼슘으로 만들어 쉽게 제거할 수 있다. 마그네슘 이온과 같은 경우에는 염기성 물질을 넣어 물에 녹지 않는 수산화마그네슘으로 분리시킨다.

열역학적인 비용을 지불해야

큰 공과 작은 공이 1백개씩 섞여 있는 경우에는 적당한 크기의 구멍이 뚫린 필터를 사용하면 간단하게 두 가지 공을 분리할 수 있다. 크기가 같더라도 무게가 서로 다른 공이 섞여 있다면 공이 담겨 있는 그릇을 잘 흔들어주면 무거운 공이 아래로 내려가서 쉽게 분리할 수 있다. 정수장에서 먼지나 흙가루를 가라앉히는 침전조가 바로 그런 방법을 이용하는 경우다. 크기와 무게도 같지만 색깔이 다른 경우에는 어쩔 수 없이 손으로 가려내야 하지만 공의 수가 그렇게 많지 않을 경우에는 어려운 일이 아니다.

그런데 공의 크기가 점점 작아지면 어떻게 될까. 그리고 공의 크기가 1억분의 1cm가 돼서 눈으로 볼 수도 없고, 손으로 만질 수도 없으면 어떻게 될까. 그런 경우에 필요한 것이 바로 화학적 지식이다.

분자들은 열역학적인 이유 때문에 가능하면 다른 종류의 분자들과 서로 섞여서 존재하는 것을 좋아한다. 서로 떨어져 있는 것보다 섞여 있을 경우가 엔트로피가 더 크기 때문이다. 그러므로 섞여 있는 물질을 서로 분리해내는 것은 열역학적인 입장에서 볼 때 자연적인 과정이 아니므로 일을 해줘야 한다. 그래서 오염된 물을 깨끗하게 만드는 데는 상당한 비용이 들어간다.

불순물 걸러내는 분자력

서로 다른 종류의 분자들이 가까워지면 서로 잡아당기거나 밀치는 경우가 있다. 고체의 표면에 물방울이 맺히는 것은 물분자와 고체 표면의 분자가 서로 약하게 잡아당기기 때문이다. 서로 잡아당기는 힘은 고체 표면의 분자의 종류에 따라서 상당히 다르다. 페인트를 칠한 매끄러운 표면이나 유리에는 물이 잘 묻지 않지만, 나무의 표면에는 물이 잘 묻게 되는 것이 바로 분자들 사이에 작용하는 힘의 차이 때문이다. 서로 잡아당기는 힘이 매우 큰 경우에는 화학 반응이 일어나서 새로운 종류의 분자가 만들어지기도 한다. 이처럼 분자들끼리 잡아당기는 힘이 서로 다른 점을 이용해서 혼합물을 분리하는 방법이 바로 크로마토그래피이다.

오염 물질만을 특별히 잘 잡아당기는 물질로 채워진 관에 오염된 물을 흘려 보내면 물이 빠져 나오는 속도가 오염 물질이 나오는 속도보다 빠르기 때문에 깨끗한 물을 분리해낼 수 있다. 흙이나 돌은 대부분 규산염으로 이루어져 있다. 전기적으로 양성과 음성 부분으로 나누어져 있는 극성 분자는 규산염에 약하게 달라붙은 성질을 가진다. 그래서 극성 분자가 혼합된 물이 모래층을 통과하도록 하면 모래에 잘 달라붙는 분자는 그 통과 속도가 느려져서 다른 물질과 분리된다.

최근에는 특정한 양이온이나 음이온을 잘 잡아당기는 화학물질을 고분자 수지에 부착시켜 만든 이온교환수지을 이용해서 깨끗한 물을 만들기도 한다. 흙 속에서 일어나는 정수 작용을 화학적 지식을 이요해서 더 효과적으로 일어나도록 만든 것이 바로 이온교환수지를 사용하는 정수기다.

이온교환수지 정수기는 수돗물에 들어있는 염소이온이나 칼슘, 마그네슘 이온들을 제거한다. 그런데 유기물질을 걸러내지 못하므로 대개 필터 앞에는 숯성분인 카본 필터를 놓아 유기물질을 거른다. 일정한 시간이 지나면 이온 흡착 능력이 떨어지므로 자주 갈아줘야 한다는 단점이 있다.

염소와 오존

수돗물처럼 마시기 위한 물은 화학물질은 물론이고 대장균과 같은 세균성 미생물도 함께 제거해야 한다. 물을 높은 온도로 끓이면 대부분의 미생물이 죽기 때문에 세균에 의한 질병을 염려할 필요가 없지만, 언제나 끓인 물을 마실 수 없기 때문에 안전한 수돗물을 만들기 위해서는 미생물을 제거하기 위한 소독 과정이 필수적이다. 물은 열용량이 커서 많은 양의 물을 끓이기 위해서는 상당한 비용이 필요하다. 따라서 값싼 화학적 방법이 주로 이용된다.

전세계적으로 가장 널리 이용되고 있는 수돗물의 살균제는 염소(${Cl}_{2}$)다. 옅은 녹색의 염소 기체를 물에 녹이면 하이포염소산(HOCl)이 생긴다. 이 물질은 미생물의 세포막을 쉽게 침투해 미생물을 죽이는 강력한 살균 작용을 나타낸다. 그러나 염소 기체는 독성이 매우 강해서 취급이 위험한 물질이기 때문에 수영장과 같은 곳에서는 고체 상태의 하이포아염소산 칼슘 또는 하이포아염소산 나트륨을 물에 녹여서 하이포염소산을 발생시키기도 한다.

염소를 이용한 소독법은 물 속에 페놀이나 메탄과 같은 오염 물질이 녹아 있는 경우에는 독성이 강한 페놀이나 삼염화메탄(${CHCl}_{3}$)과 같은 물질을 발생시키는 단점을 가지고 있다. 그래서 유럽을 비롯한 일부 지역에서는 염소 소독법 대신에 오존(${O}_{3}$)을 사용한 소독법을 사용하고 있다. 오존은 반응성이 매우 커 오랫동안 보관하거나 운반하기 어렵기 때문에 공기 중에 고압의 전류를 방전시켜 만들어 사용한다. 오존 소독법은 염소 소독법과는 달리 유해성 부산물을 만들지 않는 장점이 있다.

이렇듯 우리가 사용하는 물은 여러 가지 화학적 방법으로 깨끗해진다. 물론 인공적인 정수 방법이 효과적이기는 하지만 깨끗한 물을 만드는 데에 필요한 비용은 정수장에 공급되는 원수(原水)의 오염 정도가 심해질수록 급격하게 증가한다. 따라서 수질 오염을 감소시키는 노력이 현대 생활의 비용을 절감하고 환경을 보존하는 가장 좋은 방법이라는 것을 잊지 말아야 한다.

역삼투압 정수기

열열학적으로 분자들은 서로 섞여있어서 엔트로피가 큰 상태를 좋아한다. 따라서 물 분자만이 통과할 수 있는 반투과성막의 양편에 깨끗한 물과 오염된 물을 넣어두면 깨끗한 물이 오염된 물쪽으로 옮겨가는 현상이 나타난다. 바로 배추를 소금에 절일 때 사용되는 삼투현상이다.

삼투현상을 거꾸로 이용하면 오염된 물을 깨끗하게 만들 수 있다. 반투과성막에 의해서 생기는 삼투압보다 더 높은 입력으로 오염된 물을 눌러주면 오염된 쪽의 물분자가 깨끗한 쪽으로 빠져나가는 현상이 나타난다. 이것을 역삼투 방법이라고 한다. 오염 물질의 종류에 상관없이 사용할 수 있는 우수한 방법이기 때문에 가정용 정수기를 비롯해 바닷물을 민물로 만드는 데에도 많이 사용된다. 바닷물의 소금기를 제거하기 위해서는 1백기압 정도의 압력을 가해줘야 한다.

역삼투압 방법에 의해서는 유기물은 물론 이온까지 모두 걸러내므로 거의 순수한 물을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또 여기에 사용하는 반투과성막은 수명이 길어 자주 필터를 갈아야하는 번거로움도 피할 수 있다.