저는 위스콘신 북부에서 자라며
자연스럽게 미시시피 강과 유대를 맺었습니다.
어릴 적,
제 자매와 저는 누가 더 빠르게
미시시피 강의 철자를 말할 수 있는지 겨루곤 했습니다.
초등학교 때는
초기에 미시시피 강을 탐험했던 사람들과 그들의 업적에 대해 배울 수 있었습니다.
자크 마르케트와 루이 졸리에가 어떻게 오대호와 미시시피 강과
그 지류를 이용해 미국 중서부를 발견하고
멕시코 만으로 통하는 무역로를 지도로 그렸는지 배웠습니다.
대학원 시절엔,
미시시피 강을
미네소타 대학의 연구실 창밖으로
내다보는 행운을 누렸습니다.
대학원에서는 5년간 미시시피 강에 대해 배웠습니다.
미시시피 강의 변덕스러운 기질과
어디쯤에서 갑자기 강둑을 넘어 범람하는지
물이 넘쳐 흐르고 얼마 지나지 않아
말라붙은 강가가 보인다는 사실도 깨달았습니다.
오늘날 저는 물리 유기화학자로서
제가 배운 것을 바탕으로
인간의 활동이 야기할 수 있는 과도한 소금으로부터
미시시피와 같은 강을 보호하는데 열중하고 있습니다.
아시다시피
소금이 강의 담수를 오염시킬 수 있기 때문입니다.
강의 담수는 염분농도가 겨우 0.05%입니다.
이 정도 염도는 마시기에 안전합니다.
하지만 지구상의 물 대부분은 바다에 저장되어 있고,
바닷물의 염분 농도는 3%를 넘습니다.
바닷물을 마시게 되면 금새 메스꺼움을 느낄 수 있죠.
만약 우리가 지구에 있는 바닷물과
강물의 총량을 비교하기 위해
지구의 모든 바닷물을
올림픽 경기장 크기의 수영장에 담았다고 가정하면
강물은 겨우 1갤런(3.8 리터) 짜리 물병에 들어갈 정도입니다.
강물이 얼마나 소중한 자원인지 알 수 있습니다.
하지만 우리는 강물을 소중한 자원으로 취급하고 있나요,
아니면 문 앞에 놓고 신발을 터는데 사용하는
오래된 깔개처럼 소홀히 다루고 있을까요?
강을 그런 낡은 깔개처럼 다루면 심각한 결과를 초래하게 됩니다.
한번 보겠습니다.
아주 조금밖에 안 되는 소금이 어떤 영향을 미칠 수 있는지 보겠습니다.
찻숟가락 하나 분량의 소금을
올림픽 수영장 크기에 해당하는 바닷물에 넣어도
그 염도는 크게 달라지지 않습니다.
하지만 같은 양의 소금을
3.8리터 크기 물병에 담긴 강물에 넣으면
순식간에 염도가 너무 높아져 마실 수 없게 됩니다.
여기서 핵심은
강물은 바닷물에 비교해 부피가 너무 작기 때문에
인간의 활동에 특히 취약하므로
강물을 보호해야 한다는 것입니다.
최근 저는 전 세계 강의 상태를 확인하기 위해
문헌을 조사했습니다.
물이 부족하고 산업 발전에 치중하는 지역일수록
강이 병들어 있으리라 충분히 예상할 수 있었습니다.
예상대로 중국 북부와 인도의 상태가 나빴습니다.
하지만 저를 놀라게 한 것은 2018년의 글이었는데,
미국 전역에서 표본으로 추출되었다는
232개 하천 시료 채취 지역에 대한 내용이었습니다.
그 지역 가운데
37%의 장소에서 염분 농도가 증가하고 있었습니다.
더 놀라운 점은
가장 높은 염도 상승을 보인 지역이
미 동부였던 반면에
기후가 건조한 남서부에서는 그렇지 않았다는 사실입니다.
저자는 동부에서 염도가 높아진 이유가
제설작업을 하는 데 소금을 사용하기 때문이라고 상정합니다.
염분 상승의 다른 이유로
공업 폐수의 염분이 섞여들었을 가능성도 있습니다.
여기서 볼 수 있듯 인간의 활동은 강의 담수를
바닷물처럼 바꿀 수 있습니다.
너무 늦기 전에 조치를 취해야 합니다.
이에 제안하고자 합니다.
우리는 3단계의 하천 보호 메커니즘을 취할 수 있습니다.
공업 용수 사용자가 이 보호 메커니즘을 실천한다면,
강을 훨씬 더 안전하게 지킬 수 있습니다.
이 메커니즘의 첫 단계는
물 재순환과 재사용 작업을 도입해
강에서 물을 적게 추출하는 것입니다.
두 번째 단계는
염분이 있는 공업 폐수에서 소금을 추출해서
복원한 다음, 다른 용도로 재사용하는 것입니다.
세 번째로, 소금 소비자들을 변화시켜야 합니다.
지금처럼 광산에서 소금을 얻는 대신
앞에서 재활용된 소금을 사용하게 하는 겁니다.
이 3단계의 보호 메커니즘은 이미 시행되고 있습니다.
중국 북부와 인도에서 오염된 강을 복원하기 위해
이 방법을 도입했습니다.
하지만 제가 제안하고자 하는 바는
이 방법을 사용해 우리 강을 보호하자는 겁니다.
강을 복원시킬 필요가 없도록 말이죠.
좋은 소식은 우리에게 그런 기술이 있다는 겁니다.
바로 막을 가지고 있습니다.
물과 소금을 분리하는 막입니다.
막은 이미 수 년간 사용되어 왔으며,
입자의 크기나 물질의 전하에 따라 여과하는
폴리머 소재의 거름막입니다.
소금과 물을 분리하는데 사용하는 막은
일반적으로 전하를 사용합니다.
이 막은 음전하를 띄면서,
소금에 녹아있는
음전하 염화 이온을 밀어냅니다.
앞서 말했듯 막은 이미 수년간 사용되었으며
지금도 분당 2,500만 갤런(약 9,500만 리터)의 물을 정수하고 있습니다.
실제로는 그보다 많습니다.
하지만 더 많은 일을 할 수 있습니다.
이 막은 역삼투의 원칙을 따릅니다.
삼투 현상은 우리의 몸에도 일어나는 자연스러운 과정으로,
사람의 세포가 작동하는 방식이기도 합니다.
삼투 현상은 서로 다른 염도를
두 단계로 각각 다른 공간에 나누는 것입니다.
하나는 낮은 염도이고
다른 하나는 높은 염도입니다.
그리고 반투막이 두 공간을 나눕니다.
자연스러운 삼투 과정에서
액체가 반투막을 통과하여
염도가 낮은 곳에서
염도가 높은 곳으로
양쪽의 염도가 일치할 때까지 이동합니다.
다음으로 역삼투는 삼투가 반대로 진행되는 자연 과정입니다.
삼투를 반대로 진행시키기 위해
염도가 높은 쪽에 압력을 가해
액체가 반대 방향으로 옮겨가게 하는 것입니다.
따라서 염도가 높은 부분의 염도는 더욱 올라가고
밀도도 높아지며
염도가 낮은 부분은 염도가 없는 물로 정수됩니다.
역삼투를 공업 폐수에 사용하면
공업 폐수를 최대 95%까지 순수한 물로 바꿀 수 있습니다.
오직 5%만의 농축된 소금 혼합물만 제외하고 말이죠.
하지만 이 5%의 농축된 소금 혼합물은
폐기물이 아닙니다.
과학자들은 특정한 염분만 통과할 수 있고
다른 물질은 통과할 수 없게 변형시킨
막을 만들었습니다.
이 막은
일반적으로 나노여과 막이라 부르는데
이것을 사용하면 5%의 농축된 염분 용액이
정제된 염분 용액으로 바뀝니다.
즉, 역삼투와 나노여과 막을 사용해서
공업 폐수 전체를 물과 소금이라는
자원으로 바꿀 수 있다는 뜻입니다.
이를 통해,
하천 보호 메커니즘 1단계와 2단계의 토대를 세울 수 있습니다.
이러한 방법을 제가 공업용수 사용자 몇 분에게 소개했을 때,
일반적인 반응은 다음 같았습니다.
“좋아요, 그런데 누가 내 소금을 가져다 씁니까?”
따라서 세 번째 단계가 무척 중요합니다.
광산에서 나온 암염을 사용하는 소비자들이
재활용 소금을 사용하도록 변화시켜야 합니다.
그럼 누가 이 소금을 사용할까요?
2018년,
저는 미국에서 사용된 소금의 43%가
제설 목적의 소금으로 쓰였다는 사실을 알게 되었습니다.
39%는 화학 산업에서 사용했습니다.
이 두 부문에서의 사용내역을 한 번 볼까요.
저는 놀랐습니다.
2018년과 2019년 겨울,
무려 백만 톤의 소금이
펜실베이니아주의 도로에 사용되었더군요.
소금 백만 톤은
엠파이어 스테이트 빌딩의 2/3를 채우기 충분한 양입니다.
지상에서 채굴한 소금 백만 톤을
도로에 뿌리고
그 소금은 다시 환경과 강으로 씻겨 나갑니다.
따라서 저의 제안은
적어도 공업 폐수에서 추출한 소금을 사용하여
폐수가 강으로 흘러 들어가는 것을 방지하고
대신 도로를 제설하는데 사용하자는 것입니다.
그러면 최소한 봄에 소금 섞인 빙판이 녹기 시작해서
염분 높은 물이 도로에서 강으로 흘러 들어갈 때
최소한 강은 그 염분에 저항하기 위해
좀 더 나은 상태를 유지할 수 있을 것입니다.
화학자로서
제가 더 흥분되는 것은
화학 산업계에 소금 순환의 개념을 소개할 기회 때문입니다.
클로르 알칼리 산업이 여기에 완벽하게 들어맞습니다.
클로르 알칼리 산업은 에폭시의 원료이며,
우레탄과 용제를 비롯해
우리가 일상에서 사용하는 많은 다양한 제품에 들어갑니다.
그리고 클로르 알칼리 산업은 염화나트륨을 핵심 재료로 사용합니다.
따라서 이 아이디어는
우선, 이 과정에 적용되는 선형 경제를 살펴봅시다.
생산업체가 광산에서 소금을 구매하면,
소금은 클로르 알칼리 공정을 거쳐
기초 화학물질이 됩니다.
그리고 기초 화학물질은 다른 새로운 상품이나
더 기능적인 제품이 됩니다.
그러나 이 전환 과정에서
종종 부산물로 소금이 다시 나오고
이 소금은 공업 폐수에 섞여 들어갑니다.
따라서 핵심은 우리가 순환성을 도입함으로써
물과 소금을 공업 폐수와 공장에서
재활용할 수 있고
그것을 클로르 알칼리 공정 착수에 다시 보낼 수 있다는 것입니다.
순환하는 소금이죠.
이게 얼마나 큰 효과를 낼까요?
한 가지 예를 들어보겠습니다.
전 세계에서 생산하는 프로필렌 옥사이드의 50%는
클로르 알칼리 공정을 거쳐 생산됩니다.
연간 총 5백만 톤의 프로필렌 옥사이드가
전 세계적으로 생산되는 것이죠.
땅에서 채굴한 5백만 톤의 소금이
클로르 알칼리 공정을 거쳐 프로필렌 옥사이드가 되고,
그 과정에서,
5백만 톤의 소금이 폐수로 들어갑니다.
소금 5백만 톤은
엠파이어 스테이트 빌딩 세 채를 채울 수 있는 양입니다.
이 양은 연간 기준입니다.
따라서 소금 순환이 과도한 염분 배출되는 것으로부터
우리의 강을 지키는 장벽이 될 수 있음을 알 수 있습니다.
아마 의문이 드실 수 있을 겁니다.
“글쎄, 막이 나온지 몇 년이나 됐다는데,
어째서 사람들은 폐수 재사용을 시행하지 않는 거죠?”
글쎄요, 중요한 것은,
폐수 재사용을 시행하려면 비용이 든다는 점이고,
다음으로,
이런 지역에서는 물의 가치가 경시되기 때문입니다.
너무 늦을 때까지요.
사람들이 담수를 지속적으로 사용할 수 있게 계획하지 않으면
심각한 결과를 초래할 것입니다.
세계에서 가장 거대한 화학 제조업체 중 하나가
작년 2억 8천만 달러의 손해를 봤습니다.
독일에서 라인 강의 수위가 낮아졌기 때문인데요.
남아프리카 공화국 케이프타운의 주민들은,
매년 수원을 마르게하는 가뭄을 겪으며
화장실 물도 내리지 말라는 요청을 받았습니다.
여기 볼 수 있듯이
막을 이용한 해결책이 있습니다.
깨끗한 물을 제공할 수 있고
순수한 소금을 제공할 수 있습니다.
막으로 물과 소금을 재활용하여
다음 세대가 살아갈 수 있도록 우리의 강을 보호합시다.
감사합니다.
(박수)