KISTI의 과학향기

지구 표면을 70% 이상 덮고 있는 성분이자 인간 몸무게의 약 70%를 차지하고 있는 성분, 바로 ‘물’이다. 물은 인체를 구성하는 요소일 뿐만 아니라 생물체가 생명을 유지하기 위해 꼭 필요한 성분이다. 때문에 인류는 언제나 깨끗한 물을 얻기 위해 노력해 왔다.

음용수(飮用水)를 얻기 위한 방법은 다양하다. 일례로 우물 파서 지하수를 얻는 방법이 있다. 하지만 이 방법은 산업화 이후 점차 공장폐수, 생활하수 등에 오염되면서 더 이상 안전한 물이라는 확신이 줄고 있다. 물을 끓여 마시는 방법은 중금속이나 합성세제까지 제거할 수 없다는 단점이 있다. 과학기술과 화학 공정의 발달로 물에서 오염물질을 분리?제거할 수 있는 막(membrane)이 개발되고, 정수기가 등장하면서 부터는 가정이나 사무실에서 간편하게 물을 정수해 먹고 있다.

정수기는 말 그대로 물을 깨끗하게 거르는 기구다. 간단한 재료로 미니 정수기를 만들어 정수의 원리를 알아보자.

[교과과정]
초등 3-2 혼합물의 분리
초등 4-1 모습을 바꾸는 물
초등 6-1 생태계와 환경

[학습주제]
혼합물의 정의 이해하기
혼합물 분리하는 방법 찾아보기
정수기의 원리 이해하기

<실험 방법 및 원리>


<실험동영상>



<실험 주의 사항>
* 송곳으로 컵에 구멍을 뚫을 때 손을 다치지 않도록 주의하세요.
* 거름종이가 컵에 완전히 밀착되지 않는 경우, 물에 섞인 숯가루가 제대로 걸러지지 않을 수 있습니다.
* 미니 정수기로 걸러낸 물을 절대 마시지 마세요.

실험에 사용된 미니 정수기는 일반 정수기와 달리 오염된 지표수가 깨끗한 지하수로 정화되는 과정을 보여주는 장치다. 흙탕물을 미니 정수기에 부으면 자갈과 모래층, 숯층, 거름종이층을 차례로 통과하며 정화된다. 이 과정을 좀 더 자세히 살펴보면 흙탕물이 각 층을 지나는 시간이 점점 길어지는 것을 알 수 있다. 자갈과 모래층을 금방 빠져나갔다면, 그 다음 숯층은 좀 더 오래 머물고, 거름종이를 통과해 최종 플라스틱 컵에 담기는 시간은 가장 오래 걸린다. 이는 층별로 마련된 구성물질간의 틈이 점점 촘촘해지기 때문이다.

자갈과 모래층에서는 이들의 틈을 미처 통과하지 못한 크기가 큰 흙 알갱이들이 걸러진다. 자갈-모래층을 통과한 미세한 오염 물질은 다공성 물질인 숯층을 통과하며 흡착된다. 숯가루가 섞인 물은 촘촘한 거름종이를 지나며 다시 깨끗하게 걸러진다. 이 과정을 반복할수록 물은 더욱 깨끗해진다.

정화에 사용된 숯은 대게 공기의 공급을 차단하고 고온에서 나무를 가열해 탄화시켜 만든다. 때문에 숯의 주성분은 70~90%가 탄소의 결정체다. 숯은 연료로 많이 사용되지만, 더러운 것을 제거하고 깨끗하게 정화하는 데에도 많이 사용된다. 숯을 수돗물에 넣으면 염소 같은 유독물질을 분해해 줘 깨끗한 물로 정화시키는 기능이 있다. 또한 악취를 흡착해 제거하는 능력도 탁월해 탈취제로도 많이 사용된다.

? 지표수가 정화되는 과정
미니 정수기에 부은 흙탕물은 여러 개의 층을 차례로 통과하며 깨끗하게 걸러졌다. 이는 지하수가 자연적으로 정화되는 과정과 비슷하다. 지표에서 오염돼 땅 속으로 스며든 물은 지표 부근의 흙층을 먼저 통과한다. 고운 흙 알갱이 사이의 촘촘한 틈새를 통과하며 비교적 크기가 큰 먼지 입자들이 걸러지고, 깨끗한 모래층이나 석탄층을 천천히 지나는 과정에서 물속에 섞인 각종 오염 물질이 분리?제거된 뒤 깨끗한 지하수로 돌아간다.

강이나 호수처럼 산소와 접할 수 있는 물의 유기 물질이 산화되는 과정 역시 자연 정화에 속한다. 또 오염된 물이 자연의 깨끗한 물과 합쳐지면 묽어지며 오염도가 내려가기도 한다. 단, 이런 과정에는 매우 오랜 시간이 필요하다.

시중에 판매되는 정수기는 대부분 화학적으로 물질을 분리하는 전기 장치와 미세한 알갱이를 걸러내는 필터로 구성돼 있다. 대부분의 물은 인간이 마시기 위해 정화 과정을 거치지만 의학, 약리학, 화학, 산업 등의 목적으로도 정수되고 있다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트