Drinking WATERDrinking WATER

2004. 112004. 11

이영식이영식

WaterWater

Water, HWater, H22OO 지구상에 약 지구상에 약 1.4 1.4 x x

10102121 L L StructureStructure

굽은 구조굽은 구조 PolarityPolarity

극성 공유결합극성 공유결합 극성 분자 극성 분자

aq = aqueousaq = aqueous

much more water is "in storage" at any one time much more water is "in storage" at any one time than is actually moving through the water cyclethan is actually moving through the water cycle

By storage, we mean water that is locked up in its By storage, we mean water that is locked up in its present state for a relatively long period of time. present state for a relatively long period of time.

PrecipitationPrecipitation (( 강수강수 ) is water released from clouds in ) is water released from clouds in the form of rain, freezing rain, sleet, snow, or hail.the form of rain, freezing rain, sleet, snow, or hail.

비가 가장 큰 부분을 차지비가 가장 큰 부분을 차지 대기 중 수분을 지상으로 가져오는 과정 대기 중 수분을 지상으로 가져오는 과정

하와이 주 하와이 주 Kauai Mt. Waialeale (11700 mm)Kauai Mt. Waialeale (11700 mm) 칠레 칠레 (1959(1959 년년 ) 14) 14 년간 가뭄 끝에 년간 가뭄 끝에 0.8 mm0.8 mm

지역별 강우량지역별 강우량

Aquifers – water trapped in sand & gravel below surfaceAquifers – water trapped in sand & gravel below surface The top of the surface where ground water occurs is called The top of the surface where ground water occurs is called

the water table.the water table.

Pumping wellPumping well The pumping of wells can have a great deal of The pumping of wells can have a great deal of

influence on water levels below ground, influence on water levels below ground, especially in the vicinity of the well especially in the vicinity of the well

"cone of depression" around the well. "cone of depression" around the well.

the primary pathway the primary pathway from the liquid state back into the water from the liquid state back into the water

cycle as atmospheric water vaporcycle as atmospheric water vapor Condensation ↔ EvaporationCondensation ↔ Evaporation

moisture in the atm. via evaporationmoisture in the atm. via evaporation 90% at the oceans, seas, lakes, and 90% at the oceans, seas, lakes, and

rivers ofrivers of 10% by plant transpiration10% by plant transpiration

CondensationCondensation

Condensation is the process by which water vapor Condensation is the process by which water vapor in the air is changed into liquid water. in the air is changed into liquid water.

crucial to the water cycle because it is responsible crucial to the water cycle because it is responsible for the formation of clouds. for the formation of clouds.

These clouds may produce precipitation, which is These clouds may produce precipitation, which is the primary route for water to return to the Earth's the primary route for water to return to the Earth's surface within the water cycle.surface within the water cycle.

Water and civilizationWater and civilization

Physical Properties of Physical Properties of WaterWater

밀도 밀도 Density of WaterDensity of Water 1 ml of water weighs 1.000 gram at 41 ml of water weighs 1.000 gram at 4°C°C

Freezing Point & Melting PointFreezing Point & Melting Point 두 개의 상두 개의 상 ((phase)phase) 가 공존하는 온도가 공존하는 온도

수소 결합수소 결합 Water clusterWater cluster 클러스터 클러스터 – – 단일 분자와 단일 분자와 bulkbulk 의 중간 상태의 중간 상태

Hydrogen bonds in water

Property of the water solid Property of the water solid - Ice- Ice

특별한 고체 특별한 고체 - - 얼음얼음 less dense as a solidless dense as a solid 육각수 구조가 고체로육각수 구조가 고체로

IceIce

Water SolutionWater Solution

용매용매 , , SolventSolvent A substance in which another substance is A substance in which another substance is

dissolveddissolved

용질용질 , , SoluteSolute A substance which is dissolved A substance which is dissolved

용액용액 , , SolutionSolution 용매 용매 + + 용질용질

Water as a SolventWater as a Solvent

Likes Dissolve LikesLikes Dissolve Likes

SolubilitySolubility 온도의 함수온도의 함수

Saturated SolutionSaturated Solution 더 이상 용해되지 않는 농도의 용액더 이상 용해되지 않는 농도의 용액

Water is an universal solventWater is an universal solvent 물을 저장하는 용기를 소량 녹인다물을 저장하는 용기를 소량 녹인다

NaCl 의 용해

Hydration of ions

Evidence for ionsEvidence for ions

NaClNaCl 순수한 소금 결정은 전기를 통하지 않는다순수한 소금 결정은 전기를 통하지 않는다 소금물 용액은 전기를 통한다소금물 용액은 전기를 통한다 녹은 소금은 전기를 통한다녹은 소금은 전기를 통한다

이온결합 결정이온결합 결정 부서질 때 일정한 면을 가지고 부서진다부서질 때 일정한 면을 가지고 부서진다 이온 결합이란 이온들이 많이 모여있는 것을 이온 결합이란 이온들이 많이 모여있는 것을

설명하는 개념설명하는 개념

Polyatomic ionPolyatomic ion

다원자 이온다원자 이온 두 개 이상의 원자나 원소로 이루어진 이온두 개 이상의 원자나 원소로 이루어진 이온 예예

sulfate ion : SOsulfate ion : SO442-2-

Table 5.3Table 5.3

물에 잘 녹는 이온결합성 물질물에 잘 녹는 이온결합성 물질 모든 모든 Na, K, NHNa, K, NH44+ + 이온들은 녹는다이온들은 녹는다 Nitrate(NONitrate(NO33

--)) 는 녹는다는 녹는다 대부분의 대부분의 chloridechloride (( 예외 예외 AgCl, HgAgCl, Hg22ClCl22, PbCl, PbCl22))

대부분의 대부분의 sulfate (sulfate ( 예외 예외 SrSOSrSO44, BaSO, BaSO44, PbSO, PbSO44))

Conductivity and Conductivity and HydrationHydration

전기전도도는 용액에 녹은 이온의 움직임전기전도도는 용액에 녹은 이온의 움직임 이온의 직경이 작을수록 같은 전기장 안에서 더 잘 이온의 직경이 작을수록 같은 전기장 안에서 더 잘

움직일 것 같은데움직일 것 같은데 , , 실험 결과는 그와 다르다실험 결과는 그와 다르다 . . 이온들의 수화 때문이온들의 수화 때문

Hydrated ionsHydrated ions 수화 수화 (hydration) (hydration) 정도는 단위 면적당 전하량에 정도는 단위 면적당 전하량에

의해서 결정된다의해서 결정된다 . . 같은 양의 전하를 제일 좁은 면적에 분산시킨 같은 양의 전하를 제일 좁은 면적에 분산시킨

이온이 단위 면적당 전하량이 커서 더 많은 물 이온이 단위 면적당 전하량이 커서 더 많은 물 분자들을 끌어당긴다분자들을 끌어당긴다 ..

전기전도도전기전도도

a measure of the ability of water to a measure of the ability of water to conduct an electrical current. conduct an electrical current.

highly dependent on the amount of highly dependent on the amount of dissolved solids (such as salt) in the dissolved solids (such as salt) in the water. water.

Pure water will have a very low Pure water will have a very low specific conductance, and sea water specific conductance, and sea water will have a high specific will have a high specific conductance. conductance.

DO (dissolved oxygen)DO (dissolved oxygen)

A small amount of oxygen (up to about 10 A small amount of oxygen (up to about 10 ppm), is actually dissolved in water. ppm), is actually dissolved in water.

This dissolved oxygen is breathed by fish This dissolved oxygen is breathed by fish and zooplankton and is needed by them to and zooplankton and is needed by them to survivesurvive

Bacteria in water can consume DO as Bacteria in water can consume DO as organic matter decaysorganic matter decays

Rapidly moving water contains much DO Rapidly moving water contains much DO such as in a mountain stream or large river, such as in a mountain stream or large river,

while stagnant water contains little DO while stagnant water contains little DO

excess organic material in our lakes excess organic material in our lakes and rivers can cause an oxygen-and rivers can cause an oxygen-deficient situation to occur. deficient situation to occur.

Aquatic life can have a hard time in Aquatic life can have a hard time in stagnant water that has a lot of stagnant water that has a lot of rotting, organic material in it, rotting, organic material in it, especially in summer, when especially in summer, when dissolved-oxygen levels are at a dissolved-oxygen levels are at a seasonal lowseasonal low

ConcentrationConcentration

Molarity Molarity 몰농도 몰농도 ((M)M) (moles of solute) / (liter of solution)(moles of solute) / (liter of solution)

Molality Molality 몰랄 농도 몰랄 농도 ((m)m) (moles of solute) / (kg of solvent)(moles of solute) / (kg of solvent)

Weight/weight% (w/w%)Weight/weight% (w/w%) (g of solute) / (g of solution) x 100(g of solute) / (g of solution) x 100

part per million (ppm)part per million (ppm) (g of solute) / (g of solution) x 10(g of solute) / (g of solution) x 1066

Hydrogen BondingHydrogen Bonding

수소결합수소결합 음전하를 띄는 원자와 수소 사이에서 일어난다 음전하를 띄는 원자와 수소 사이에서 일어난다 수소와 산소수소와 산소 , , 수소와 질소수소와 질소 , , 수소와 불소수소와 불소

HH22O, O, 암모니아암모니아 , , HF HF 등도 수소 결합을 하고 등도 수소 결합을 하고 비정상적인 높은 끓는 점을 가지고 있다비정상적인 높은 끓는 점을 가지고 있다 . .

수 소 결 합 은 단 백 질 이 나 핵 산 과 같 은 수 소 결 합 은 단 백 질 이 나 핵 산 과 같 은 생물학적 분자의 모양과 성질을 만드는데 생물학적 분자의 모양과 성질을 만드는데 중요하다중요하다 . .

수소 결합과 얼음의 밀도수소 결합과 얼음의 밀도

수소결합은 왜 얼음의 밀도가 액체 물의 수소결합은 왜 얼음의 밀도가 액체 물의 밀도보다 가벼운지를 설명한다밀도보다 가벼운지를 설명한다

얼음결정은 물의 수소 결합이 형성되어 얼음결정은 물의 수소 결합이 형성되어 있는 상태에서 빈 공간을 가진 채로 배열있는 상태에서 빈 공간을 가진 채로 배열 액 체 상 태 에 서 물 분 자 들 이 자 유 롭 게 액 체 상 태 에 서 물 분 자 들 이 자 유 롭 게

움 직 이 면 서 빈 공 간 으 로 들 어 올 수 있 는 움 직 이 면 서 빈 공 간 으 로 들 어 올 수 있 는 것보다 더 엉성한 구조 형성것보다 더 엉성한 구조 형성

상대적으로 얼음이 물보다 낮은 밀도 상대적으로 얼음이 물보다 낮은 밀도

Physical Properties of Physical Properties of WaterWater

VaporizationVaporization

Boiling PointBoiling Point 물의 증기압이 물 주위의 대기압력과 같아지는 물의 증기압이 물 주위의 대기압력과 같아지는

온도온도

승화 승화 SublimationSublimation 고체가 직접 기체로 변화고체가 직접 기체로 변화

Thermal Properties of Thermal Properties of WaterWater

열용량 열용량 Heat Capacity Heat Capacity 일정한 양의 물질 온도를 일정한 양의 물질 온도를 1 1 Celsius (or 1 Kelvin) Celsius (or 1 Kelvin)

올리는데 필요한 열량을 올리는데 필요한 열량을 JJ 로 나타낸 것로 나타낸 것 비열 비열 Specific Heat Specific Heat

어떤 물질 어떤 물질 1 1 gg 의 온도를 의 온도를 1 1 Celsius (or 1 Kelvin) Celsius (or 1 Kelvin) 올리는데 필요한 열량을 올리는데 필요한 열량을 JJ 로 나타낸 것로 나타낸 것

몰 열용량 몰 열용량 Molar Heat Capacity Molar Heat Capacity 어떤 물질 어떤 물질 1 1 몰의 온도를 몰의 온도를 1 1 Celsius (or 1 Kelvin) Celsius (or 1 Kelvin)

올리는데 필요한 열량을 올리는데 필요한 열량을 JJ 로 나타낸 것로 나타낸 것

Phase DiagramPhase Diagram

물질의 상전이도물질의 상전이도 ((phase diagram)phase diagram) 물질의 온도를 일정하게 하고 압력을 변화시키면 물질의 온도를 일정하게 하고 압력을 변화시키면

어떤 특정한 압력에서 물질의 두 상 사이의 전이어떤 특정한 압력에서 물질의 두 상 사이의 전이((phase transition)phase transition) 가 일어나게 된다가 일어나게 된다 . . 이 과정을 이 과정을 많은 다른 온도에서 되풀이하면 평형곡선이 많은 다른 온도에서 되풀이하면 평형곡선이 완성된다완성된다 . .

상전이도의 구성상전이도의 구성 가로축에 온도가로축에 온도 , , 세로축에 압력을 표시하고 주어진 세로축에 압력을 표시하고 주어진

온도와 압력에서 가장 안정된 상을 표시한다온도와 압력에서 가장 안정된 상을 표시한다 .. 고체고체 -- 액체액체 , , 액체액체 -- 기체기체 , , 고체고체 -- 기체 평형곡선기체 평형곡선

Water Phase DiagramWater Phase Diagram

Triple point and critical Triple point and critical pointpoint

삼중점삼중점 ((triple point)triple point) 물질의 고유한 온도와 압력에서는 세 가지 상이 모두 공존할 수 물질의 고유한 온도와 압력에서는 세 가지 상이 모두 공존할 수

있는 상태있는 상태 상전이도에서는 하나의 점으로 표시된다상전이도에서는 하나의 점으로 표시된다 . .

기체기체 -- 액체 공존 곡선은 삼중점의 위쪽으로 뻗어간다액체 공존 곡선은 삼중점의 위쪽으로 뻗어간다 . . 무한정 뻗어가는 것은 아니며 임계점무한정 뻗어가는 것은 아니며 임계점 ((critical point)critical point) 까지까지 액체와 기체를 분리하는 분리면액체와 기체를 분리하는 분리면 ((meniscus)meniscus) 만 일 이 물 질 을 밀 폐 된 용 기 에 넣 어 서 서 히 가 열 한 다 면 만 일 이 물 질 을 밀 폐 된 용 기 에 넣 어 서 서 히 가 열 한 다 면

임계점에서 분리면이 사라지는 것이 관찰된다임계점에서 분리면이 사라지는 것이 관찰된다 .. 초임계유체 초임계유체 ((supercritical fluid)supercritical fluid)

이런 임계점을 지난 상태이런 임계점을 지난 상태 기체나 액체를 어우르는 뜻으로 유체라고 부른다기체나 액체를 어우르는 뜻으로 유체라고 부른다 ..

동결 건조동결 건조 Lyophilization Lyophilization 또는 또는 freeze dryingfreeze drying

많은 물질들은 안정적인 저장과 수송을 위해 건조 시 많은 물질들은 안정적인 저장과 수송을 위해 건조 시 잔여 수분이 잔여 수분이 2 w/w%2 w/w% 이하로 유지되어야 한다이하로 유지되어야 한다 . .

방법방법 물질을 동결시키고물질을 동결시키고 물의 물의 33 중점 이하로 중점 이하로 water vaporwater vapor 의 부분 압력을 의 부분 압력을

낮추고낮추고 열에너지로 얼음을 직접 증기로 만드는 승화에 의해 열에너지로 얼음을 직접 증기로 만드는 승화에 의해

얻어진다얻어진다 승화된 얼음 결정체들은 공간을 남기기 때문에승화된 얼음 결정체들은 공간을 남기기 때문에 , ,

건조된 물질은 무수히 많은 틈을 포함하고 건조된 물질은 무수히 많은 틈을 포함하고 있어서있어서 , , 수분 흡수가 용이해 재수화 수분 흡수가 용이해 재수화 (re-(re-hydration) hydration) 시 완전하게 시 완전하게 re-solutionre-solution 된다된다 ..

동결 건조의 장단점동결 건조의 장단점 장점장점

열에 민감한 물질의 손상을 최소화하면서 열에 민감한 물질의 손상을 최소화하면서 비활성화비활성화

수분의 침투가 용이하고 부스러지기 쉬운 구조 수분의 침투가 용이하고 부스러지기 쉬운 구조 형성형성

정밀하고 깨끗한 충진 가능정밀하고 깨끗한 충진 가능 빠르고 완벽한 재수화빠르고 완벽한 재수화 (Re-hydration) (Re-hydration) 가능가능

단점단점 장비가 비싸다장비가 비싸다 (( 다른 건조 방법에 비해 다른 건조 방법에 비해 33 배 배

이상이상 )) 높은 에너지 비용높은 에너지 비용 (( 다른 건조 방법에 비해 다른 건조 방법에 비해 2-32-3

배 이상배 이상 )) 긴 공정시간긴 공정시간 (( 보통 보통 2424 시간 이상의 시간 이상의

건조사이클건조사이클 ))

Water HardnessWater Hardness

물의 경도물의 경도 센물 센물 (hard water)(hard water)

칼슘 이온칼슘 이온 (( 또는 마그네슘이나 철또는 마그네슘이나 철 ) ) 이 녹아 있는 물이 녹아 있는 물 보통 보통 1 L 1 L 물에 녹아있는 물에 녹아있는 CaCOCaCO33 의 무게를 의 무게를 ppmppm 으로 표시 으로 표시

단물 단물 (soft water)(soft water) 금속 이온이 적게 녹아 있는 물금속 이온이 적게 녹아 있는 물

센물의 특징센물의 특징 비누가 풀리지 않는다비누가 풀리지 않는다 욕조 둘레욕조 둘레 , , 난방 및 급수 파이프 내부난방 및 급수 파이프 내부 , , 컵이나 주전자에 침전물 형성컵이나 주전자에 침전물 형성 식수로는 적당량의 금속이온이 필요식수로는 적당량의 금속이온이 필요 배관 손상 배관 손상 – – 공업용수로는 적당치 않음공업용수로는 적당치 않음

EDTA titrationEDTA titration EthylenediaminetetraacetatEthylenediaminetetraacetat

ee Ipolyprotic acid containingIpolyprotic acid containing

four carboxylic acid groups four carboxylic acid groups (acidic hydrogens are red)(acidic hydrogens are red)

two amine groups with lone two amine groups with lone pair electrons (green dots). pair electrons (green dots). 

EDTA is synthesized on an EDTA is synthesized on an industrial scale industrial scale from ethylenediamine, from ethylenediamine,

formaldehyde, and a source of formaldehyde, and a source of cyanide (HCN or NaCN).   cyanide (HCN or NaCN).  

On a worldwide basis over On a worldwide basis over 100,000 metric tons are 100,000 metric tons are produced annually.  produced annually. 

Metal chelate complexMetal chelate complex

Ca-EDTA ComplexCa-EDTA Complex

US Water hardnessUS Water hardness

Water SofteningWater Softening

+2

•단물화 (Water Softening) 방법•증류 , distillation

•이온교환 , ion exchange

•역삼투 , Reverse Osmosis

Soap and micelleSoap and micelle Fatty acid (carboxylic acid Fatty acid (carboxylic acid

group)COOHgroup)COOH

saponification with NaOH or KOH saponification with NaOH or KOH RCOORCOO--NaNa++ or RCOO or RCOO -- K K ++

Micelle and soapMicelle and soap

극성극성 -- 비극성 용해비극성 용해

Ion exchangeIon exchange ZeoliteZeolite

Clay like mineral Clay like mineral (Al, Si, O)(Al, Si, O)

3 dimensional 3 dimensional structure bearing structure bearing many ionsmany ions

NaNa++ charge balance charge balance 22 가 이온이 가 이온이 NaNa++ 와 와 교환됨교환됨

사용후 사용후 NaCl NaCl 용액으로 재생 가능용액으로 재생 가능

osmosisosmosis movement of a solvent movement of a solvent through a semipermeable membran (through a semipermeable membran ( 반투막반투막 )) into a solution of higher solute concentrationinto a solution of higher solute concentration to equalize the concentrations of solute on the to equalize the concentrations of solute on the

two sides of the membranetwo sides of the membrane

Macromolecule is uncharged Macromolecule can not pass through the membrane

Solvent flows from right to left, diluting the macromolecular sol’n

As the dilution takes place, the solutionn vol. increases and the level in the capillary rises

Osmotic PressureOsmotic Pressure

Jacobus H. van 't Hoff Jacobus H. van 't Hoff (1852-1911) Nobel Prize (1852-1911) Nobel Prize

19011901

Van’t Hoff CoefficientVan’t Hoff Coefficient

MembraneMembrane A "membrane" can be defined as a phase which A "membrane" can be defined as a phase which

acts as a barrier to flow of molecular or ionic acts as a barrier to flow of molecular or ionic species between other phases that it separates.species between other phases that it separates.

The membrane phase is usually heterogeneous.The membrane phase is usually heterogeneous. a dry solida dry solid a solvent-swollen gela solvent-swollen gel a liquid that is immobilizeda liquid that is immobilized

To be used as a separation device, a membrane To be used as a separation device, a membrane must transport some molecules faster than must transport some molecules faster than others. others. high permeability for some species and low permeability high permeability for some species and low permeability

for othersfor others that is it must be highly perm-selective. that is it must be highly perm-selective.

Different Types of Ultrafiltration

classified by the size of solutes being separated The difference between them are dominated by differences

in membranes used Lonsdale, J. Memb. Sci. 10 81 (1982))

Membrane #1Membrane #1

Made by spreading a thin layer of organic solutionn on water, glass, or an inert support

Porosity : about 80%

Average pore size : 0.1 ㎛ ~ 1.0 ㎛

Membrane #2Membrane #2

Made by drawing Made by drawing warm, nonporous warm, nonporous films of polymers films of polymers like PP.like PP.

Porosity : 35%Porosity : 35% Thickness : 0.003 Thickness : 0.003

cmcm

Membrane #3Membrane #3 Made by exposing Made by exposing

non-porose pores non-porose pores films of mica or films of mica or polycarbonate to α polycarbonate to α radiation.radiation.

Then etched away Then etched away with HF acid with HF acid solutionnsolutionn

Lowest porosity : Lowest porosity : ~3% ~3%

Membrane geometryMembrane geometry Flat sheetFlat sheet

consists of alternate consists of alternate layers of membrane, layers of membrane, Support screen, and Support screen, and distribution chambers distribution chambers for feed and permeatefor feed and permeate

Shell and tubeShell and tube The feed stream enters The feed stream enters

the lumen of the tubes, the lumen of the tubes, the permeate passes the permeate passes through the walls, and through the walls, and the retentate passes the retentate passes out other end of the out other end of the tubestubes

Spiral wandSpiral wand Like a huge envelop

made of membrane and containing a feed spacers

Hard to clean Hollow Fiber

중공사막 The fibers are typically

0.01 cm on diameter while the tubes are

around 1 cm diameter

Hepatic RegenerationHepatic Regeneration Hepatic failureHepatic failure

accumulation of both water-accumulation of both water-soluble and poorly water-soluble and poorly water-soluble toxins in blood; soluble toxins in blood;

the latter being strongly the latter being strongly bound onto albumin, the bound onto albumin, the major transport protein in major transport protein in blood. blood.

The Prometheus System The Prometheus System separates removal of poorly separates removal of poorly water-soluble (albumin-water-soluble (albumin-bound) and water-soluble bound) and water-soluble toxins into two modulestoxins into two modules an upstream so-called an upstream so-called

fractionated plasma fractionated plasma separation and adsorption separation and adsorption (FPSA) circuit for poorly water-(FPSA) circuit for poorly water-soluble toxins (in yellow)soluble toxins (in yellow)

a downstream high-flux a downstream high-flux hemodialysis for water-soluble hemodialysis for water-soluble toxins (in blue).toxins (in blue).

ReferencesReferences

http://ga.water.usgs.gov/edu/mwaterhttp://ga.water.usgs.gov/edu/mwater.html.html

http://magma.nationalgeographic.cohttp://magma.nationalgeographic.com/ngm/0209/feature1/index.htmlm/ngm/0209/feature1/index.html National geographic “water”National geographic “water”