삼투, 역삼투, 해수 담수화

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삼투와 반투성막

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지렁이를 바닷물 속에 넣으면 어떻게 될까?

바닷물의 염분 농도는 지렁이의 체내 염분 농도보다 높다. 그러므로 지렁이 몸속의 수분이 피부를 통과하여 해수 속으로 빠져나가기 때문에 지렁이는 탈수 상태가 되어 생존하지 못하게 된다.

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해수 속의 소금 성분은 지렁이 몸속으로 들어가지(삼투滲透 osmosis) 못하는가? 불가능하다. 그 이유는 소금의 분자가 물 분자보다 크기 때문에 지렁이의 세포막에 있는 미세한 구멍을 통과하지 못하기 때문이다.

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배추를 소금물에 넣으면 왜 절여지나?

배추를 구성하는 세포 내부의 염분 농도가 소금물보다 농도가 낮다. 그러므로 해수 속의 지렁이와 마찬가지로, 배추 세포 속의 물이 세포막을 뚫고 소금물 쪽으로 빠져나가게 되어 배추는 절여지게 된다. 이런 현상이 나타나는 이유는 세포막이 물 분자는 통과시키고 소금 분자는 지나가지 못하는 반투성막(半透性膜 semipermeable membrane)이기 때문이다.

 

 

온수 목욕탕에 오래 들어가 있으면 손바닥 피부가 쭈글쭈글해진다. 그 이유는 무엇일까?

손가락 세포 속의 염분 농도가 목욕탕 물보다 높기 때문에, 목욕탕의 물이 세포막을 통해 세포 내부로 스며들게 된다. 따라서 손가락 특히 표면이 매끈한 손바닥의 세포들이 팽창해짐에 따라 피부의 표면적이 확대되어 쪼글쪼글해진다.

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반투성막의 성질

세포막은 반투성막(반투막) 구조로 되어 있다. 반투막에는 0.01μm 정도 크기의 작은 구멍이 가득 뚫려 있다. 이 작은 구멍으로 물 분자는 통과하지만, 소금 분자는 크기 때문에 지나가지 못한다.

 

 

 

 

위 그림의 비커를 보자. 중간에 구멍이 뚫린 반투성막(반투막)이 가로막고 있고, 좌우 양쪽에는 농도가 다른 소금물이 담겨 있다. 왼쪽의 소금물은 소금 농도가 낮고 오른쪽은 높다. 그러면 확산 현상에 의해 왼쪽의 물 분자는 반투막 구멍을 지나 오른쪽으로 들어갈 수 있다. 그러나 오른쪽의 소금 분자는 입자가 커서 반투성막을 지나가지 못한다. 이런 상태로 시간이 지나면 왼쪽의 물이 반투막을 지나 오른쪽으로 들어가므로 오른쪽 비커처럼 수면이 높아진다.

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위의 그림에서, 왼쪽의 물(용매)은 소금 분자(용질)가 소량이므로 저장액(低張液 hypotonic)이라 말하고, 소금 농도가 높은 오른쪽 용액은 고장액(高張液 hypertonic)이라 한다. 반투막을 사이에 두고 물 분자가 저장액에서 고장액으로 확산되어 가는 현상을 삼투(滲透 osmosis)라 하고, 삼투 현상이 일어나게 하는 물리적 힘을 삼투압(滲透壓)이라 한다. 반투성막을 영어로는 semipermeable membrane이라 한다.

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그리고, 위 그림의 오른쪽 비커에 담긴 용액은 삼투압에 의해 수위가 높아지다가 일정한 수위가 되면 더 이상 변하지 않는다. 이것은 좌우의 소금 분자 농도가 같아졌기 때문이다. 이런 상태의 용액을 등장액(等張液 isotonic)이라 한다.

 

 

삼투압과 팽압

위 그림처럼 삼투 현상이 진행되면, 수위가 높은 오른쪽의 용액이 중간의 반투막에 압력을 가한다. 이것이 팽압(膨壓 turgor pressure)이다.

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바닷물을 억지로 많이 마시면 어떤 현상이 나타나는가?

해수의 염분은 체액의 염분 농도보다 3배 이상 높은 고장액이다. 그러므로 고장액이 위장에 들어오면 위장 벽의 세포에서 수분이 위장으로 빠져나가 심한 탈수 현상이 일어난다. 그러나 설탕이 녹은 고장액을 마신다면 이상이 없다. 그 이유는 설탕 분자들이 위에서 금방 소화 흡수되므로 탈수 현상이 일어나지 않는다.

 

 

식물의 뿌리는 흙 속의 물을 어떻게 흡수하는가?

뿌리(특히 뿌리털)의 세포액은 흙 속의 수분에 비해 고장액이다. 그러므로 흙 속의 물 분자가 뿌리털 세포의 세포막(반투막)을 통해 삼투되어 세포 속으로 들어갈 수 있다. 그러나 만일 염분 농도가 높은 토양이라면, 뿌리 세포의 수분이 세포막 밖으로 삼투되어 나가는 현상(쪼그라짐)이 일어날 것이고, 그 결과 세포막과 세포벽이 분리되는 원형질분리 현상이 일어나게 된다.

 

 

 

 

흙 입자 사이의 수분이 뿌리털 세포(root hair)의 세포막을 통해 뿌리의 물관 속으로 들어가게 된다. 식물의 가느다란 뿌리털은 자체가 하나의 세포이다.

 

 

역삼투 현상과 반투성막을 이용한 해수 담수화

중동의 여러 나라에서는 바닷물에서 대규모로 담수만 뽑아내어 식수나 용수로 사용한다. 담수화 시설에서는 반투성막을 이용하여 물만 뽑아내는데, 아래 그림에서 그 원리를 생각해보자.

 

 

 

 

그림에서, 왼쪽 탱크에는 바닷물이 가득하다. 반투성막이 있으면 물 분자만 반투막의 구멍을 빠져나가 오른쪽 탱크로 들어갈 수 있다. 그런데 이런 삼투현상이 자연적으로 일어나게 하려면 담수 생산에 너무 많은 시간이 걸릴 것이다. 그러나 왼쪽 탱크의 물에 고압을 작용하면 물 분자가 압력의 정도에 따라 더 빨리 통과하여 오른쪽 탱크를 담수로 채우게 된다. 이처럼 염분이 고농도인 곳에서 물 분자만 빠져나가는 것을 역삼투(逆滲透 reverse osmosis)라 한다. applied pressure: 가압(加壓), salt water: 해수, fresh water: 담수, pure water: 순수한 물, water flow: 물의 이동

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규모가 큰 해수 담수화 시설에서는 해수 탱크에 고압을 작용하는 데 막대한 에너지가 필요하다. 중동의 나라에서는 여기에 소모되는 많은 전력을 태양광발전소 또는 원자력발전소로부터 주로 공급받는다. 효율이 좋은 담수화 시설은 중요한 첨단기술 분야이기도 하다.

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대규모 시설에서는 막대한 양의 인공 반투성막이 필요하다. 오늘날의 표면화학공학 기술은 여러 가지 인공 반투성막을 만들고 있으며, 이런 제품을 폴리머막(polymeric membrane)이라 한다.

 

 

 

 

이른 아침 풀잎을 보면 많은 물방울이 덮여 있는 것을 수시로 볼 수 있다. 뿌리에서 물관을 따라 올라오는 물의 압력(뿌리압)에 의해 잎세포 내부의 수분이 세포막(반투성막)을 역삼투하여 나타나는 현상이다.

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모든 살아있는 세포의 세포막은 신비스럽게도 반투성막이다. 최초의 원시 생명체일 때 준비된 이 막을 통해 수분과 영양분이 세포와 몸 전체에 적절히 삼투되기 때문에 지구상의 생명은 영속될 수 있는 것이다. - YS

 

 

 

심해에 사는 신종 유령상어 발견