깨끗한 물

Clean Water

필자가 어릴 적 우리 집에서는 물을 끓여 마셨다. 필자의 어머니께서는 동네 약수터에서 떠온 생수를 주전자에 담고, 보리차 티백을 넣어서 구수하게 끓이셨다. 얼추 식으면 지금은 보기 어려운 손잡이 부분이 움푹 들어가 있는 오렌지 주스 유리병에 담아두셨다. 보리차가 유리병 안에서 마저 식으면서 병 안에 음압이 걸리다 보면, 어느 순간 쇠로 된 뚜껑에서 ‘퐁’ 하는 소리가 나면서 압력이 맞춰졌던 기억이 난다. 요즘은 집집마다 정수기를 설치해 뜨거운 물이든 차가운 물이든 버튼만 누르면 온도도 양도 알아서 나오는 게 익숙한 세상이 되었다. 하지만 지금도 어디선가 보리차가 끓으면서 나는 구수한 향이 코 끝에 감돌면 어린 시절이 떠오르곤 한다.

물 안에는 무엇이 있을까

보리차를 끓이면 맛도 좋지만 물을 좀 더 안전하게 만들 수 있다. 예컨대 수돗물을 소독하는 과정에서 살균 목적으로 들어가는 염소는 상온에서 기체 상태이므로, 온도를 높여서 물을 끓이면 쉽게 날아간다. 반대로 물에 세균이 남아있는 경우에도, 대부분의 세균은 열에 약하기 때문에 상압에서 물이 끓는 온도인 섭씨 100도에서 오래 버티지 못하고 사멸한다. 물을 끓이면 염소와 같은 휘발성 물질은 날려 보내고 세균처럼 고온에서 독성을 잃는 물질은 죽일 수 있지만, 날아가지 않고 남아있는 물질들은 없앨 수 없다. 물 속에 모래가 있는데 끓이면 모래가 없어지나? 바닷물을 끓인다고 소금 맛이 없어지는 것은 아니지 않은가?

바닷물이 마르면 하얀 결정들이 생기는 것에서 알 수 있듯이, 바닷물에는 나트륨(Na+), 염소(Cl-)와 같은 이온들이 많이 녹아 있다. 두 개의 수소 원자가 산소 원자를 가운데 놓고 연결되어 있는 구조로 이루어진 물 분자는 전하를 띠고 있는 이온들을 잘 감싸서 녹아들어갈 수 있도록 해준다.

물이 지구상에 워낙 흔하다 보니 물이 얼마나 특이한 액체인지 실감하는 경우가 드물지만, 이 또한 물이 지니고 있는 성질 중 하나이다. 이온이 녹아 있는 상태에서 물을 끓이면 액체 상태의 물 분자들이 서로를 잡고 있는 수소 결합을 끊고 날아갈 수 있는 정도의 충분한 열에너지를 받았으므로 기체 상태의 수증기로 바뀐다. 분자와 분자 사이에 일어나는 수소 결합은 분자 내 전자 구름이 한쪽으로 몰려서 부분적으로 양전하를 가지고 있는 부분(물 분자에서는 수소 원자 쪽)과 음전하를 띠는 부분(산소 원자 쪽)이 서로 잡아당기는 힘이다.

반면 염화 나트륨(NaCl)이 날아가려면 물 분자에 비해 개수도 훨씬 적은데, 먼저 이온 주위를 둘러싸고 있는 물 분자들을 제친 다음 온전히 전하를 띠는 Na+ 및 Cl-들이 잡아당기는 정전기적 인력을 끊어내야 하지만, 그런 일은 보통 일어나지 않는다. 따라서 이온이 되었든 진흙이 되었든 미세플라스틱이 되었든, 녹아 있든 섞여 있든 휘발하지 않는 성분들은 물을 끓여서는 제거할 수 없다.

증류

문제의 핵심은 물을 끓여서 끓는점에 도달하면 물이 수증기로 변화하는, 액체에서 기체로의 상전이가 일어나지 물 안에 있는 다른 물질들이 기화되지 않는다는 것이다. 그럼 생각을 뒤집어서, 물이 끓어서 날아가는 수증기에는 휘발하지 않는 성분들은 없을 테니까 수증기를 모아서 식히면 깨끗한 물을 얻을 수 있지 않을까 하는 생각을 해볼 수 있다. 이 과정이 증류이다. 옛날 연금술사들이 나오는 그림을 보면 현자의 돌을 만들겠다고 플라스크에 실린더 같은 걸 연결한 다음 플라스크를 가열하면서 실린더 끝에서 나오는 액체를 모으는 것을 볼 수 있다. 물과 같은 액체가 기체로 바뀌고 실린더를 지나가면서 식어 다시 액화되도록 유도하는 것이다. 물론 현자의 돌이 생기지는 않았겠지만 포도주 같은 걸 넣고 증류해 보았더니 도수가 올라간 액체가 얻어졌을 테고, 이게 바로 술의 “정수”라 생각해서 “spirit”이라 불렀을 법하다. 보통 포도주는 

조금이지만 맛을 내는 중요한 성분들이 15% 정도의 에틸 알코올과 85% 가량의 물에 녹아 있다. 끓이면 끓는점이 더 낮은 에틸 알코올이 먼저 날아가므로 증류를 통해 모은 액체는 알코올 농도가 높아진다. 실린더의 높이를 길게 만들수록 물은 날아가다가 다시 액체로 변해서 내려가기 때문에 알코올을 더 순수하게 뽑아낼 수 있지만, 물이 5% 섞인 알코올은 끓는점이 더 이상 나누어지지 않기 때문에 증류를 통해 얻을 수 있는 도수는 95%가 최고이다. 의료용 알코올의 농도가 95%인 이유이자, 100% 순수한 알코올을 만들려면 다른 방법이 필요한 이유이며, 99% 공업용 에틸 알코올은 증류가 아닌 다른 공정으로 만들어지다 보니 물 말고 다른 것들이 섞여 있어서 마시면 안 되는 이유이기도 하다. 

물을 수증기로 바꾸는 데는 1몰당 40.67 kJ이라는 큰 에너지가 필요하다. 그럼에도 불구하고 물을 증류해서 순수한 물을 얻어야 하는 이유는 무엇일까? 우리나라는 강, 호수와 같은 담수원에서 오는 물을 정수해서 쓰는데, 부유물을 여러 단계를 거쳐 침전시킨 다음 모래와 자갈층을 통과시켜 미세한 입자를 걸러내고 소독하여 상수도로 보낸다. 그러나 중동처럼 사막에 위치한 국가들은 바다를 접하고 있기 때문에 담수가 절대적으로 부족한 반면 석유 자원이 있으므로 에너지는 상대적으로 풍족한 환경에 있다. 너무 짜서 마실 수도 없고 식물에 물을 줄 수도 없는 바닷물을 담수화하여 사람과 동식물에 필요한 물을 얻을 수만 있다면, 증류해서라도 얻는 것이 필요한 입장인 셈이다. 극도로 정제된 초순수를 요구하는 반도체 공정까지 가지 않더라도, 공장에서도 물의 이온 농도가 충분히 낮은 순수한 물을 써야 하는 경우가 많다. 과학에서도 마찬가지로, 예전에 과학 실험을 해 보신 분들은 실험 과정에서 “이차 증류수”(즉 두 번 증류해서 더 순수한 물)를 써 본 기억들이 있을 성싶다. 

분리막 공정  

20세기 중반에 멤브레인이 출현하면서 현대 담수화 공정의 주류는 분리막으로 넘어갔다. 예전에는 물통을 배달받아 뒤집어 꽂으면 물이 나오는 물건을 정수기라 불렀다면, 지금처럼 수돗물이 필터를 네 개씩 통과해서 나오는 정수기가 보급될 정도로 발전할 수 있었던 이유도 분리막 덕분이라고 감히 말할 수 있다. 당연히, 담수 및 정수 공정에 쓰이는 분리막도 거의 모두가 고분자로 만들어진다. 

“막”이라 하면 얇은 무언가가 공간을 나누고 있는 모습을 상상하게 된다. 세포는 지질 이중층으로 구성된 세포막을 기준으로 세포 안과 밖을 구별한다. 세포 안에 있는 물질들의 조성과 농도는 세포 밖과 다르고, 세포는 물질들이 막을 투과하는 정도를 적절히 조절해서 생명 활동을 이어나간다. 분리막도 마찬가지다. 원하는 물질은 지나가되 원하지 않는 물질은 걸러낼 수 있는 막이 우리가 원하는 분리막이 된다. 담수화 입장에서는 물 분자는 지나가지만 Na+나 Cl- 같은 이온은 지나갈 수 없는 막을 만들어야 하는 것이다. 생각해 보면 엄청나게 어려운 문제다. 이온들이 비록 물 분자들에 감싸여 있기는 하지만, 그렇다고 해서 물 분자보다 엄청 큰 것도 아닌데 어떻게 가려낼 수 있을 것인가?

역삼투압 막

고분자를 적당한 용매에 녹여서 끈적이는 용액을 만들었다고 상상하자. 용매는 물과 섞이지만, 고분자는 물에 녹지 않고 굳으면 딱딱해진다고 하자. 이 용액을 유리판 위에 펼쳐놓은 다음 물에 통째로 담그면, 물과 처음으로 접하는 용액의 표면에서부터 고분자가 굳기 시작한다. 용액 표면에는 고분자도 있고 용매도 있기 때문에, 고분자가 있는 부분은 빠르게 굳으면서 용매를 뱉어내고 용매가 있는 부분은 물과 용매가 섞이면서 마치 손가락을 찔러 넣는 것처럼 물이 안으로 침투해 들어간다. 물이 시간을 들여 안으로 들어가는 동안 고분자들은 자기들끼리 뭉치기 때문에, 나중에 물을 빼고 나서 보면 표면에는 작은 구멍들이 많이 나 있지만 내부로 들어갈수록 커다란 구멍들로 합쳐지는, 두께 방향으로 비대칭적인 다공성 막이 만들어진다. 분리막 관점에서 구멍이 클수록 물질은 빠르게 지나가지만 물질의 분리 성능은 떨어지는데, 표면에 빽빽하게 분포하는 작은 구멍들이 분리 성능을 담당하고 내부의 스펀지 구조가 속도를 받쳐주는 비대칭 구조를 저절로 얻을 수 있게 된다. 가공성이 출중한 고분자로 만드는 것이니만큼 평평한 판 모양뿐만 아니라 마치 쿠킹호일처럼 롤로 뽑아낼 수도 있고, 가운데가 비어 있는 원통 모양으로도 만들 수 있다. 이 방법을 쓰면 표면의 구멍 크기가 40nm 정도 되는 수준까지 만들 수 있고, 정수 공정에서는 이를 한외 여과(ultrafiltration, UF)막이라 한다. 구멍 크기를 키워서 1000nm보다 큰 것들을 거르게 되면 정밀 여과(microfiltration, MF)막이 된다. 집에서 쓰는 MF 또는 UF 필터 통을 열어보면 원통 모양 분리막이 들어있을 확률이 높다. 

전기가 연결되어 있지 않은데 특히 MF 앞단에 필터가 더 연결되어 있다면 아마 활성탄으로 채워져 있거나, 이온 교환 수지가 들어 있을 것으로 생각한다. 활성탄의 높은 단위 표면적을 이용해서 물질을 흡착함으로써 불순물을 제거하거나, 이온 교환 수지를 써서 중금속 이온을 잡으려는 용도다. 물론 흡착도 효과적인 정제 수단이지만, 크기에 따라 물질을 걸러내는 체 역할을 수행할 수는 없다. 체로서 기능하기 위해서는 막 전체에 의도하지 않은 빈틈이 없어서 물질이 새지 않아야 한다. 고분자가 막 분야에서(다른 소재 분야와 마찬가지로) 특별한 위치를 점유하는 이유다. 무기질 다공성 입자를 만드는 방법들은 잘 알려져 있지만, 롤투롤로 뽑아낼 수 있는 막으로 가공하는 것은 전혀 다른 문제이기 때문이다. 

UF 막은 물을 틀면 수압으로 인해 물이 흘러나올 수 있을 정도로 저항이 낮고, 미세플라스틱을 비롯해서 박테리아나 웬만한 바이러스는 다 거를 수 있을 만큼 촘촘하다. 그러나 물 속에서 이온을 골라내기에 40nm의 공간은 너무나도 넓다. 물도 쉽사리 통과하지는 못하겠지만 이온은 확실히 지나갈 수 없을 정도로 조밀한 표면층이 필요하다. 

과학자들이 개발한 방법은 UF 막 표면에 고분자 층을 하나 입히는 것이다. 단백질을 만들 때처럼 아민(-NH2)과 카르복실산(-COOH)이 만나 이루는 아미드 결합을 보통 이용한다. 먼저 아민기가 2개 달린 분자를 물에 녹이고, 여기에 MF 막을 담가둔다. 한편에는 카르복실산(정확히는 반응성이 높은 -COCl 형태)이 3개 달린 분자를 물과 섞이지 않는 유기 용매에 녹여 용액을 만들어 둔다. 물이 안에 차 있는 채로 MF 막을 꺼낸 다음, 표면의 물기만 없애고 카르복실산 용액을 막 위에 부으면 물과 유기 용매 사이의 섞이지 않는 계면에서 아민과 카르복실산이 만나 반응이 일어난다. 

분자당 카르복실산을 2개 쓰면 과학 실험에서 흔히 해보는 나일론 실 뽑는 것과 마찬가지로 선형 고분자가 만들어지겠지만, 분자당 카르복실산이 3개이기 때문에 중간중간 가지가 자라나면서 조밀한 그물상 구조가 만들어진다. 카르복실산은 물에 녹일 수 없지만 아민은 유기 용매에 녹일 수 있으므로 아민이 유기 용매층으로 확산해 올라가면서 반응이 계속되다가, 고분자 층이 두꺼워져서 더 이상 아민이 투과할 수 없게 되면 신기하게도 알아서 반응을 멈춘다. 보통 20–60nm 수준의 매우 얇은 두께가 얻어지며, 분자 구조를 잘 고르면 물도 통과하기 어려운 정도로 1nm도 안 되는 틈 말고는 거의 빈 공간이 없는 빽빽한 층이 지지체에 해당하는 아래 MF 막에 딱 붙어있게끔 만들 수 있다.

이 층에 대고 소금물을 압력을 가해서 밀어내면, 물은 간신히 고분자 층을 통과한 다음 MF 층을 빠르게 지나가지만 Na+와 Cl- 등은 거의 대다수가 튕겨나간다. 따라서 막 통과 전후의 소금 농도를 비교해 보면 통과한 후의 물이 훨씬 낮기 때문에 농도 차에 의한 삼투압이 발생하며, 이는 물의 이동과 반대 방향의 힘을 작용한다. 

즉 막을 투과하여 물을 정제하는 과정은 삼투압에 반하는 과정이므로 역삼투압(reverse osmosis, RO)막으로 부르는 것이다. 막을 조밀하게 만들면 증류 저리가라 할 수준의 순수한 물을 얻을 수 있으면서도 물을 끓이는 것보다는 에너지를 적게 소모하기 때문에 경제적이고 탄소 배출량을 줄이는 데도 효과적이므로, 담수화 플랜트를 비롯해 순수 제조 공정에서 널리 쓰이고 있다. 요즘은 실험실에서도 “증류수” 대신 RO막으로 정수된 “탈이온화수”를 더 많이 쓴다. 막을 만들어 파는 회사 입장에서도 막은 소모품이어서 좋은 장사다. 일정 시간이 지나면 막히고 유속이 떨어지기 시작해서 교체해야 하므로 한번 공장을 지으면 계속 사다 써야 하기 때문이다. 마찬가지로 정수기 역시 필터를 주기적으로 교체하지 않으면 성능이 떨어지기 마련이다.

미래의 정수기술

RO는 분명 획기적인 기술이지만, 우리의 욕심은 끝이 없다. 해수 담수화의 최근 화두 중 하나는 분리 성능을 유지하면서 어떻게 하면 막에 걸리는 저항을 낮추어서 순수한 물을 더욱 빨리 뽑아낼 수 있을지에 있다. 

가정에서 전기를 쓰는 정수기의 경우 물을 가열하기 위해서도 있지만 RO막을 구동하기 위한 압력을 걸기 위해 펌프를 돌리는 경우가 많은데, 막의 저항이 낮아지면 전기를 그만큼 덜 써도 되기 때문에 경제성 향상과 탄소 발자국 저감을 동시에 노릴 수 있다. 아예 담수화 공정에 재생 에너지를 물려서 탄소 중립을 꾀하는 시도도 늘어나고 있으며, RO 뿐만 아니라 태양열을 이용한 증류법도 연구되고 있는 중이다.  

다른 한편으로 RO막을 투과하지 않은 물을 어떻게 처리할지에 대한 이슈가 불거지고 있다. 정제된 물이 이온을 포함하지 않는 만큼 반대쪽에는 이온 농도가 계속 올라가는데, 어느 이상 이온이 농축되면 막을 구동할 수 없기 때문에 그 물은 버린다. RO를 구동하는 정수기 중에 배수관이 노출된 형태를 보면 물을 배출할 때 배수관에서도 물이 흘러나오는 것을 볼 수 있다. 가정용 정수기 수준을 

넘어서서 도시 전체의 담수를 공급하는 플랜트쯤 되면 버리는 물의 양이 무시할 수 없는 수준이기 때문에, 배수관 주변의 이온 농도가 바다 다른 곳에 비해 유의미하게 올라가는 지경이 된다. 궁극적으로는 담수화해서 쓴 물도 다시 바다로 흘러가므로 전체적으로는 이온 농도가 유지되겠지만, 이처럼 국소적으로 높은 이온 농도가 해양 생태계에 미치는 영향 또한 앞으로는 생각해 보아야 할 일이 아닌가 싶다. RO와 반대로 삼투압 방향을 따라 물을 이동시키는 정삼투압(forward osmosis, FO) 공정, FO 공정을 RO와 융합하여 이온을 버리지 않고 물을 계속 빼낼 수 있는 공정 등 과학기술자들은 오늘도 열심히 연구 중에 있다. 

예로부터 좋은 물은 먹을 갈고 칼을 갈고 술을 빚고 몸을 담그는 데 중요하다 했다. 과일에 나노코팅을 입혀서 오래 보관할 수 있는 기술을 개발한 필자의 후배 교수님은 물이 좋은 곳을 찾아 제주도에 공장을 차렸다. “좋은 물”이 무엇인지는 경우에 따라 다르겠지만, 물을 깨끗하게 만드는 기술은 그 모든 것의 밑바탕이자 바다에서 우주선까지 우리 삶을 지탱하는 토대다. 우리는 물 없이 살아갈 수 없기 때문이다.