청량한 ......
■ 해수 성분
자료 : 일본, 히로시마 대학교
□ 해수의 성질
. 태양계의 혹성 중 지구만 액체의 물이 존재하지만, 그 대부분은 바다에 있음
. 바다의 형성 과정에서 여러 가지 화학 성분이 녹아들어 무기 전해질의 수용액 형태로 됨
. 염분과 화학 조성
. 해수에는 염화 나트륨 등 여러가지 염류(무기 전해질)가 녹아 있음
. 해수중 염류의 농도를 염분이라 부르고, %나 천분율(‰·퍼밀)로 나타냄
. 해양수 평균 염류는 약 35‰( = 3.5%)임
즉, 해수 1 kg중에 약 35 g의 염류가 녹아 있음
. 해수의 주요성분
| 성분 | 농도（g/kg） | 중량비（％） |
| Cl- Na+ SO42- Mg2+ Ca2+ K+ HCO 3- Br- Sr2+ B3+ F- |
19.35 10.76 2.71 1.29 0.41 0.39 0.14 0.067 0.008 0.004 0.001 |
55.07 30.62 7.72 3.68 1.17 1.10 0.40 0.19 0.02 0.01 0.01 |
| 合計 | 99.99 |
. 해수중의 주요 화학 성분의 조성은 시간적으로도 거의 정상 상태에 있음
. 약 46 억년 전 지구탄생 뒤 해수의 형성과 함께
. 원시 대기로부터 녹아 들거나 고체 지구로부터 녹아 들어 온 해수의 화학성분 조성은
. 생명이 탄생한 약 38억 년전까지 현재의 해수 조성에 가깝게 되어 있어
. 적어도 6억년 정도 전부터 현재까지 해수 주요 화학성분 조성은 거의 변화하고 있지 않다고 추정됨
. 해수의 염류 측정하는 방법
. 대표적으로 해수중 염소 이온 농도를 이용하는 방법이 있는데, 이는 해수의 주요 화학성분 존재비가
일정하므로 염소 이온이 전체의 약 55%를 차지하고 있는 것을 이용한 것임
. 염류를 각각 직접 측정하는 대신, 적정(滴定)에 의해 염소 이온 농도를 측정하는 것임
. 염소량을 천분율(‰)로 나타내고, 측정된 염소량 Cl로부터 아래의 예에서 처럼 염류 농도 S를 역산함
S(‰) = α * Cl（‰）
. 최근에는, 해수의 전기 전도도로부터 염류 농도를 구하는 방법이 이용되고 있음
■ 해수 성분
□ 해수 중에 용해된 원소
자료,; 중국 http://chem188.cn
해수에 용해된 각종 염류는 지구 생성기원이나, 해양의 형성과정 등의 복잡한 과정을 거쳐 생긴 것이다. 이는 지각 암석의 풍화나 화산의 분출물 등으로 여겨지며, 지구 전체로는 매년 5.5 * 10^15 g 규모의 염류가 하천에서 해양으로 유입된다. 지구상의 모든 원소가 포함되어야겠지만, 분석의 한계로 인하여 일부만 게재한다.
(주) ① 指氧化水体中的无机形态。
② 浓度对于化合的氮，元素也以氮气形式存在。
③ 浓度受到大气中含铅汽油燃烧影响。
■ 해수의 조성과 화학적 평형
海水の組成と化学平衡. 海洋科学(1969), 중에서 발췌 理学博士 角皆静男（Shizuo TSUNOGAI） 北海道大学名誉教授
□ 해양 성분의 화학평형 (海水成分의 化学平衡)
해양을 한 개의 화학계로서 생각할 때, 해양의 온도는 열대의＋30 ℃에서부터 극지방 해수의 -2 ℃까지며, 제일 높은 염류 농도는 홍해의 40‰(=4%)가 되며, 압력이 높은 곳은 해구바닥의 1.100 기압까지 이를 만큼 변동 폭이 크다. 그러나 대부분의 해수는 주성분의 조성비가 일정하고, 온도는 0~5 ℃, 염류 농도는 33~37‰의 범위 내이기 때문에, 평균적 해양 모델을 생각하는 것은 불가능하지 않다.
바다는 최근 10^7 ~ 10^8년 (1억년) 이내에 크게 바뀌었다고 하는 증거는 없다. 또 심해수의 순환 시간도 수천 년 이내로 보고 있기 때문에, 지질학적 시간의 스케일에서 보면 바다는 잘 교반 되어 있다고 말할 수 있다. 즉, 바다는 거의 화학적 평형에 도달하여 있다고 해도 좋다. 이러한 해수에서의 각종 반응의 평형 정수 연구결과를 토대로 해수에 존재하는 화학물질의 종류들을 열거 한다.
물리화학적 정수에 의해서 이러한 성분의 해양에 있어서의 반응성을 논하는 것도 불가능하지 않지만, 실측치를 이용하는 것도 유효하다. 여기에는 생물 활동의 영향을 나타내는 생체로의 농축 계수와 해양에서의 평균 체류 시간이 있다. 해수에 존재하는 어느 성분의 평균 체류 시간 T는 다음과 같이 정의된다.
T＝Q / (dQ/dt)
Q는 어느 성분의 해수 중에 존재하는 총량, dQ/dt는 단위시간에 바다로 들어오는 양 또는 바다로부터 나가는 양이다. 해저에 퇴적하는 속도로부터 평균 체류 시간을 구했다. 평균 체류 시간 중 높은 Na 경우 3×10^9년(30억 년) 이라고 하는 의미는 바다의 성분이 해양이 생기고 나서 몇 번이나 넣고 빠지며 바뀌었는지를 나타내고 있다. 이 숫자의 대소는 용존상태, 반응성 등의 의미를 나타낸다. 예를 들어, U와 Th는 Actinium series 원소로서, 지각에서의 존재 정도나 크기가 다르지 않지만, T는 5×10^6년(5백만 년)과 350년이다. 이 차이는 U가 해수 중에서 안정한 이온을 만들고 있음을 상기시키는 것이다. 실제, UO2(CO3)3 +4 의 착이온으로 존재한다고 생각되고 있다. 이와 같이, 용존 형태로부터 평균 체류 시간이나 평균 농도를 추정하거나 그 역을 추정할 수도 있다.
□ 해수 주요성분의 조성 (염류 농도 35 ‰의 해수, 단위 g/kg）
Dittmar (1884, 영국) 최근 확인자료
Cl 19.354 19.353 (= 1.9353 %)
Na 10.702 10.766 (= 1.0766 %)
SO4 2.691 2.708
Mg 1.310 1.293
Ca 0.419 0.413
K 0.387 0.403
CO3 0.145 0.142 Br 0.0659 0.0674
(합계) (35.0599) (35.1454) (= 3.5145%)
□ 해수 중의 화학원소 (35 ‰，20℃의 海水）
(참고) 아래, 해수 중 농도는 2006년 개정된 자료임.
평균 체류시간은 입자형태로 해양에 들어가 연안에 퇴적 한 것까지 포함됨.
농도(mg/l) 주된 용존형태 평균 체류기간 (년)H － He 6.9 x 10^-6 (He, g) 2 x 10^7 (2천만년)
Li 0.18 Li+ 6 x 10^7
Be 2.5 x 10^-7 Be(OH) +? 9 x 10^2
B 4.5 B(OH)3, B(OH)4- 4 x 10^9
C 28 HCO3-, CO3--, CO2 1 x 10^9 (10억년)N 13 (N2, g) 6 x 10^9O 4.8 (O2, g) 1 x 10^6
F 1.4 F-, MgF+ 2 x 10^7
Ne 1.4 x 10^-4 (Ne, g) 2 x 10^10
Na 11,000 Na+ 3 x 10^9 (30억년)
Mg 1,300 Mg++ 6 x 10^8
Al 3.0 x 10^-5 Al(OH)4- 3
Si 2.0 Si(OH)4 7 x 10^4
P 0.050 HPO4--, PO43-, H2PO4- 4 x 10^5
S 930 SO4--, NaSO4- 2 x 10^10
Cl 20,000 Cl- 2 x 10^12
Ar 0.5 (Ar, g) 1 x 10^11
K 410 K+ 2 x 10^8
Ca 420 Ca++ 1 x 10^8
Sc 9 x 10^-7 Sc(OH)3 4 x 10^2
Ti 7.2 x 10^-6 Ti(OH)4? 2 x 10^1
V 0.0019 H2VO4-, HVO4-- 2 x 10^5
Cr 2.4 x 10^-4 Cr(OH)3, CrO4-- 3 x 10^4
Mn 1.9 x 10^-5 Mn++, Mn(OH)3, 4 2 x 10^2
Fe 2.2 x 10^-5 Fe(OH)2+, Fe(OH)4- 4
Co 1.2 x 10^-6 Co++, CoCO3? 4 x 10^2
Ni 5.6 x 10^4 Ni++, NiCO3? 8 x 10^4
Cu 2.2 x 10^4 Cu++, CuCO3, CuOH+ 4 x 10^4
Zn 5.0 x 10^4 Zn++, ZnCO3, ZnOH+ 7 x 10^4
Ga 1.3 x 10^-6 Ga(OH)4- 8 x 10^2
Ge 7.3 x 10^-6 GeO(OH)3- 5 x 10^4
As 1.1 x 10^-3 HAsO4--, H2AsO4- 6 x 10^6
Se 1.6 x 10^-4 SeO4-- 3 x 10^7
Br 68 Br- 3 x 10^11
Kr 2.9 x 10^-4 (Kr, g) －
Rb 0.11 Rb+ 9 x 10^6
Sr 8.0 Sr++ 2 x 10^8
Y 2.4 x 10^-5 (OH)? 7 x 10^3
Zr 1.8 x 10^-3 (OH)? 1 x 10^3
Nb 3.2 x 10-7 2 x 10^2
Mo 0.010 MoO4-- 7 x 10^7
Ru <5 x 10^-9 <5 x 10^4
Rh 9.3 x 10^-8 5 x 10^6
Pd 5.9 x 10^-8 1 x 10^6
Ag 4.3 x 10^-6 AgCl2- 5 x 10^5
Cd 1.1 x 10^-4 CdCl2? 1 x 10^7
In 9.2 x 10^-9 8 x 10^2
Sn 9.5 x 10^-7 SnO(OH)3-? 5 x 10^3
Sb 2.2 x 10^-4 Sb(OH)6-? 1 x 10^7
Te 9.0 x 10^-8 HTeO3- 9 x 10^4
I 0.053 IO3-, I- 1 x 10^9
Xe 5.0 x 10^-5 －
Cs 2.9 x 10^-4 Cs+ 1 x 10^6
Ba 0.018 Ba++ 4 x 10^5
La 6.2 x 10^-6 Me3+?, Me(OH)++? 2 x 10^3
Ce 7.0 x 10^-7 (이하 Lu까지) 1 x 10^2
Pr 8.5 x 10^-7 1 x 10^3
Nd 4.0 x 10^-6 1 x 10^3
Sm 9.2 x 10^-7 2 x 10^3
Eu 2.5 x 10^-7 2 x 10^3
Gd 1.2 x 10^-6 2 x 10^3
Tb 3.2 x 10^-7 4 x 10^3
Dy 1.8 x 10^-6 4 x 10^3
Ho 5.3 x 10^-7 4 x 10^3
Er 1.4 x 10^-6 5 x 10^3
Tm 2.7 x 10^-7 5 x 10^3
Yb 1.8 x 10^-6 6 x 10^3
Lu 3.0 x 10^-7 6 x 10^3
Hf 3.6 x 10^-8 1 x 10^2
Ta 2.4 x 10^-8 1 x 10^2
W 1.0 x 10^-5 WO4-- 7 x 10^4
Re 7.1 x 10^-6 ReO4- 7 x 10^7
Os 8.6 x 10^-9 2 x 10^5
Ir 1.3 x 10^-10 4 x 10^5
Pt 4.5 x 10^-8 1 x 10^5
Au 1.6 x 10^-8 AuCl2+ 4 x 10^4
Hg 1.0 x 10^-7 HgCl4--，HgCl2? 1 x 10^4
Tl 1.2 x 10^-5 Tl+? 1 x 10^5
Pb 2.1 x 10^-6 Pb++, PbCO3? 1 x 10^5
Bi 4.2 x 10^-8 BiO+? 3 x 10^3
Ra 1.0 x 10^-10 Ra++ －Th 1.9 x 10^-8 (OH)? 2 x 10^1
U 0.0033 UO2(CO3)34- 1 x 10^7
□ 해수의 이온농도 PH
해수의 PH는 표면수의 경우 PH8.2 전후며, 중층이나 심층수는 낮지만 PH7.6 이상이다. 이와 같이 변동이 작은 것은 해수에 녹아 있는 탄산염과 붕산염(탄산염의 5 % 이하)의 완충 작용에 의한다. 탄산 물질은 다음과 같게 해리한다.
CO2(기체) ＝ CO2(용액)， CO2(용액) ＋H2O ＝ H2CO3 K0， H2CO3 ＝ HCO3-＋ H+ K１， HCO3- ＝ CO3＝＋H+ K2．
평형정수인 K1, K2 는 해수에서는 90% 이상이 HCO3-로서 존재하고 있다. 또, 햇빛이 들어오는 층 안으로 광합성이 행해지면 CO2가 소비되어 pH가 올라가고, 유기물의 분해가 일어나는 층에서는 pH가 내려간다.
이처럼 pH를 제어하는 것은 탄산물질처럼 보이지만, 위 공식에서의 6가지 성분이 존재하기 때문에 탄산 물질의 총량 외에 알칼리도(금속 양이온의 총량과 강전해질 음이온 총량과의 차이)를 밝혀주지 않으면 pH는 정해지지 않는다. 해양의 역사를 통해 알칼리도가 탄산물질에 의해서 제어되어 왔다고 하는 생각에는 의문이 있다. 그렇다면, pH를 결정하는 요인은 따로 있게 된다.
□ 이온교환 평형 (양이온과 규산염과의 평형)
탄산염에 의한 완충 작용이 있다고 해도, 그 200배의 강전해질이 존재하는 가운데는 별로 문제가 되지 않는다. 현재의 pH, 해수 조성이 안정화 되고 있는 것은 해수와 퇴적물과의 상호작용에 의한 것은 아닐까 생각한다. 하천수와 빗물이라든지 등의 강전해질의 양으로 조성을 주어 규산염(특히 점토 광물)과의 이온 교환 평형 상태를 생각하면, 대체로 현재의 해양의 조성이 된다고 본다.
점토 광물에 의한 평형계 실험으로부터 주요 성분의 조성비를 구해도, 해수의 값과 별로 다르지 않음이 확인된 바 있다. 이와 같이 평형정수를 기초로 해서 계산으로 구한 해수 조성은 실측의 것에 비교하면 별로 다르지 않고, 해수 조성을 양이온과 규산염과의 평형으로서 기술하는 것도 불가능하지 않다.
□ 착염의 형성
해수는 강전해질의 상당히 진한용액(이온 강도 = 0.722 M)이므로, 희박용액에서는 문제가 되지 않는 착체(錯体) 또는 이온대(対)를 형성하고 있다. 이온대를 형성하고 있는 주요 성분의 비율을 계산해 보면, 아래 표와 같이 Mg의 13%, SO4 절반, CO3 대부분이 이온으로서의 역할을 못 할 것으로 여겨진다.
알칼리 및 알칼리토금속 이외의 양이온은 해수의 pH 조건에서는 OH- 기가 배위결합 되기 쉬우며, 다른 방법은 Cl-, F- 등이 배위결합 할 수도 있다. 어느 것으로 되기 쉬울지는 착체의 안정도 정수로부터 판단될 수 있고, Cl-, OH-가 한 개 배위결합 한 것의 안정도 상수를 각각 KCl, KOH라고 한다면,
KCl＝ [MCl] / [M][Cl], KOH ＝ [MOH] / [M][OH] (電荷생략)
∴ [MCl] / [MOH] = KCl / KOH・[Cl] / [OH-] ＝ 10^5.4 × KCl / KOH
이 식은 2 개의 안정도정수(安定度定数)의 비, KCl / KOH 가 10^-5.4 보다 더 크면 Cl-가 더 배위결합이 가능한 것이 된다. 그 예로서는 Ag, Hg, Cd, Pb, Au 등이 있다. 마찬가지로, F-쪽이 OH-보다 배위결합이 가능한 조건은 KF / KOH가 10^-1.5 보다 더 큰 것이다. 해수에서는 Mg가 10^-0.8로 그 가능성이 있다. 이 관계를 평균 체류시간과 비교해 보면 흥미롭다. OH- 기의 배위결합이 가능한 것의 평균 체류시간은 10^3 ~ 10^4 년 이내이다. 한편, Cl- 착체(錯体)의 경우는 10^5 년 이상이다.
. 주요성분의 존재상태 (%)
유리(遊離)이온 이온대(対)를 이루는 상대 이온
SO4 HCO3 CO3
Ca 91 8 1 0.2
Mg 87 11 1 0.3
Na 99 1.2 0.1 －
K 99 1 － －
유리(遊離)이온 이온대(対)를 이루는 상대 이온
Ca Mg Na K
SO4 54 3 21.5 21 0.5
HCO3 69 4 19 8 －
CO3 9 7 67 17 －
□ 산화환원 평형
보통 해수에는 산소가 녹아있다. 이에 따라 해수의 산화환원 전위가 결정된다. 환경의 전위를 pE = - log [e-]로 정의하고 다음 식에서 pE = 12.5로 제시한 연구보고가 있다.
1/2 O2 (g) + 2 H+ + 2 e- = H2O log K = 41.55 Kcal / mol
여기서 산소분압 0.21 기압, pH = 8.1을 대입하면 된다. 산소 농도가 40 % 감소한다면 pE는 0.1 정도 내려갈 것이므로 산소가 존재하는 한 pE는 일정한 것으로 간주해도 좋다.
이 때, 할로겐의 염소나 브롬은 Cl-, Br-이 안정한 화학형태이기는 하지만 요오드는 다음 식처럼
IO3- + 6 H+ + 6 e- = I- + 3 H2O log K = 110.1
[IO3-] / [I-] = 3 × 10^13이 되어, IO3- 쪽이 안정적인 것으로 알려졌다. 기타 Mn (IV), As (V), Sb (V), Se (VI), Mo (VI), Cr (VI) 등에서도 카쯔코(カツコ ?) 내 숫자의 산화 수를 가지는 것이 안정하다. 하지만 실제 해양에서는 원자가가 다른 것들이 공존한다. 요오드의 경우에는 I-가 있는 것으로 알려지고 있다. 최근 I-는 표면수, 특히 열대해역 표면수에서 농도가 높다는 것이 발견되고 있다. 그 원인으로 생체 내에서 NO3-가 환원될 때는 IO3-도 환원된다는 것이 밝혀졌다. 이처럼 해수의 pE는 전체로 보면, 산소에 달려 있으나, pE의 낮은 미시적인 환원 환경이 존재하는 것도 고려할 필요가 있다.
무산소 해수는 유기물이 존재하는 해수가 가라앉으면 발생한다. 산소가 소모되면 NO3-의 환원이 일어난다. 이 때 pE은 -7.6이다. 이어 SO4- - 의 환원 (평형 pE =-23.8), CO3- - 의 환원 (평형 pE =-37.6)이 일어난다. 바닷물에는 다량의 SO4- - 가 존재하기 때문에 H2S가 자주 발생하지만, 미시적인 환경에 불과하고, CO3- - 의 환원은 퇴적물에서 정도이다.
□ 용해(溶解) 평형
해수의 주요 성분에서 용해도가 문제가 되는 것은 Ca의 경우이다. 표면 해수는 CaCO3 가 과포화 상태로 알려져 있다. 해수에 녹아있는 이온의 활동도적(活動度積, IAP)과 용해적(溶解積, Ks)의 관계에서, 500 m 부근까지는 IAP가 더 크지만(과포화), 그 이하에서는 pH가 낮아 IAP가 작아지고 압력 효과로 Ks가 커지게 되어 CaCO3는 미포화 상태로 된다. 그런데 실제로 무기물질에서 CaCO3가 침전하는 것은 특별한 장소를 제외하고 볼 수 없다. CaCO3가 녹아나더라도 3.000 m 이하나 되야 한다. 그것은 해저 퇴적물의 CaCO3 함량이 3,000 m ~ 5,000 m 사이에서 급변하며, 실험에서도 해수에 잠긴 CaCO3 고형물은 3,700 m 경계에서나 녹아난다. 이렇게 용해평형에 따라 녹거나 침전하거나 하지 않는다는 것은, 또 다른 평형 이유 때문이거나 아니면 활성화 에너지가 불충분 하기 때문인지도 모른다.
한편, 미량 원소에 대하여는 그 자체의 용해도 이외에 주성분과 固溶体를 만드는 것인지 여부가 문제가 된다. 예로 CaCO3 (아라고나이토) 중에 있는 SrCO3를 살펴보자.
.고용체(固溶体)를 만드는 경우
[SrCO3] / [CaCO3] = k[Sr++] / [Ca++],
k = (KCaCO3 / KSrCO3) (RCaCO3 / RSrCO3) (RSr++ / R Ca++ )
이 성립된다. K는 분배정수로서, 이것을 알면 고상 (탄산염) 중의 Sr 농도를 알게 된다. 순수한 탄산염의 용해적(溶解積)에서 KCaCO3 / KSrCO3 = 11 RSr++ / RCa++ = ca 1 인 것으로 알려져 있다. 그러므로 Ca과 Sr의 고상에서의 활량계수(活量係数)가 같다면, Sr은 탄산염 중에서 10 배 농축 되어야 한다. 실제로도 온도 등의 조건에 따르기도 하지만, KCaCO3 / KSrCO3 = ca 1 / 10에서 거의 농축되지 않는 것 같다. 미량 성분의 경우 활량계수(活量係数)의 측정은 쉽지 않으나, 경험적으로 한 자리 수 이상 틀리지는 않을 것으로 본다.
조금 미량의 것들에 대한 예로서 납을 살펴보자. Pb의 안정적인 고상(固相)은 PbO2이다. 이 포화 용액 중의 Pb++ 농도는
PbO2 ＋ 4 H+＋ 2e- ＝ Pb++ ＋ 2 H2O log K＝49.2
여기에서 [Pb++] = 4 × 10^-8 mol / L가 된다. 이 때 PbOH+도 생성하여, [PbOH+] = 1.6 x 10^-8 mol / L가 된다. 심층수의 Pb 농도는 1.5 × 10^-10 mol / L이므로, 미포화로 보인다. 그런데 표면 해수의 방사성의 210 Pb를 측정한 연구에서, Pb는 10^-4 cm / sec의 속도로 해수 아래로 하강하고 있음이 발견된다. 이것은 Pb가 입자의 형태로 해저에 가라앉아가고 있음을 보여주고 있는 것이다. 만약 PbO2가 결정형의 유사한 MnO2와 固溶体를 만들고 있다면, 지각물질 중의 Mn / Pb의 몰비는 2 × 10^2이므로, PbO2와 MnO2의 활량계수(活量係数)가 같다면, Pb++ 농도는 2 × 10^-10 mol/L로 되어 실측 치에 근접하게 된다.
결론은 해양에서의 Pb 거동은 MnO2와 함께 행동하는 PbO2 형태의 것에 좌우된다는 것이다. 이것은 Pb와 Mn의 평균 체류 시간이 거의 같고, 모두 비교적 짧다는 것을 보아도 이해될 수 있다.
■ 인공 해수 만드는 법
일본, 愛媛大学農学部, 分子細胞生物学 WEB
. 인공 해수에는 여러가지 처방이 있지만,
. 구하기 쉬운 염류를 이용하여 인공 해수 만드는 방법을 소개함
. 이 인공 해수에 의해 어류 등을 사육할 수 있다고 함
□ 조성 해수 1 kg을 만드는데 이용하는 염류의 양
|
염화 나트륨(식염) Sodium chloride NaCl 28.5g
황산마그네슘 7수 염 Magnesium sulfate MgSO4 7H2O 6.82g 염화 마그네슘 6수 염 Magnesium chloride MgCl2 6H2O 5.16g 염화 칼슘 2수 염 Calcium chloride CaCl2 2H2O 1.47g 염화 칼륨 Potassium chloride KCl 0.725g 염화 strontium 6수 염 Strontium chloride SrCl2 6H2O 0.024g 브롬화 나트륨 Sodium bromide NaBr 0.084g 붕산 Boric acid H3BO3 0.0273g 불화 나트륨 Sodium fluoride NaF 2.87 mg 요드화 칼륨 Potassium iodide KI 0.079 mg |
□ 중간 약품의 준비
A 주요성분 혼합
1L용 22L용
. NaCl 26.5g 583g
. MgSO4 7H2O 6.82g 149g
분말로 비닐 봉투 등에 밀봉하여 건조한 일정온도의 장소에 보관함
B 주요성분 혼합 (수용액)
. KCl 160g
. NaBr 18.5g
. H3BO3 5.7g
. NaHCO3 44g
. Na2CO3 *
. NaF 0.63g **
. KI 0.014g
* pH조정을 위해 더할 수 있음
** KF등의 다른 수용성 불화물로 대체 가능(NaF는 규제로 입수 곤란할 수 있음)
C 2가 이온 혼합(수용액)
. MgCl2 6H2O 568g
. CaCl2 2H2O 162g
. SrCl2 6H2O 2.34g
㈜ 이 혼합물은 염화 마그네슘에 소량 포함되는 황산이온으로 인하여 황산칼슘(석고： CaSO4)이
침전을 일으키지만, 이것도 해수 성분 조성안에 포함되어 있으므로 사용 직전에 잘 흔들어 섞어
사용할 것
□ 인공 해수의 조제와 관리
. 사용 약품
염화 나트륨(식염), 염화칼륨, 염화마그네슘, 염화칼슘, 중탄산나트륨 등은 10－20 kg 포장의
식품첨가물 용을 이용함
. 식염은 전매품인 20 kg 정제염이 좋고, 나머지는 시약용 또는 식품첨가물용을 이용
. 붕산이나 요오드화 칼륨은 약방의 것이라도 좋으며, 염화 strontium, 수용성 불화물(NaF나 KF)이
입수가 곤란한 때는 생략해도 무방함
. 불화칼륨은 옥도정기의 성분이며, 그것을 이용하는 것도 가능함 (농도를 조사할 필요가 있음)
□ 조제 비율과 조제법
. A의 혼합물 22리터 분을 폴리 탱크 등에 넣어
. 수도물 18리터를 더해 녹인 후 (온탕에서도 좋음, 다만 60도 이하)
. 수 시간 방치해 완전하게 용해한 후, 액체의 온도가 실온(40도 이하)으로 내린 것을 확인함
. 다음에 실온에서 C 를 200 ml, 그 다음 B를 100 ml 더해 잘 섞어 녹인 후
. 22리터까지 수도물을 더하면 완성 됨(폴리탱크 입구 근처에 22리터 되는 점을 미리 표시)
. 이 해수안에 곧 물고기 등이나 조개 말미잘 등의 생물을 넣어도 크게 문제 없음
별도로 탈 염소의 필요는 없음
. 해수 pH는 8 정도이지만 8. 5이상이 되면 칼슘이나 마그네슘 염이 침전 하므로 주의가 필요함
□ 인공 해수 22리터 조제시 준비
. A 혼합물 22리터용 1봉
. C 2 가 이온 혼합물 200 ml
. B 주요 성분 혼합물 100 ml
주의： A가 용해하고 나서 C를 넣고, 다음 B를 넣음
이 때 B와 C가 직접 섞이면 즉시 격렬하게 침전 하므로 주의가 필요함
. 장기 사육의 경우 pH가 내려 가는 경우가 많으므로 pH조정을 위해 추가로 인공 해수 20리터 당
10－40 g의 탄산수소나트륨을 넣을 경우도 있음
. 일본 저자는 이 해수로 말미잘, 불가사리, 해삼이 5년, 아이나메(쥐노래미), 메발(볼락) 등이 1년
이상, 쿠사(연어)가 2년 이상, 큐우센(용치놀래기, 농어과)이 2년 이상 등의 생육을 경험 했다고 함
. 이러한 수명은 해수 문제보다 먹이의 문제 쪽이 큰 것 같다고 함
. 아메후라시에 대해서는 수 밀리 치어로부터 사육했을 경우, 해조류 먹이로 본래 수명인 1년을 채우
고 산란 할 때까지 성장했음
. 조개나 성게 등도 이 해수 중에서 성장시키는 것이 가능하며, 전복이나 소라의 새끼(치패 0. 5－
1 cm)를 5 cm정도까지 키울 수 있고, 수명은 2－3년이었다고 함
. 쿠사후그(쫄복)는 수온 변화에 강하고, 본 인공 해수중에서 온도 컨트롤 없이 수조로(겨울철 10도,
여름 30도) 5 mm 정도의 치어가 2년에 10 cm정도까지 성장하여 살았음
. 크로다이(감성돔) 4 cm 정도 치어가 1년에 17 cm의 크로다이로 성장하였으며, 먹이는 냉동 생크릴
이 좋은 것 같았음. 하오코제(미역치)도 이것으로 키울 수 있다고 함
. 말미잘과 해삼이 6년 이상의 기록을 갱신중이며,
. 인공 해수의 교환은 2주간 ~1개월이지만, 2년 이상 교환하지 않아도 괜찮을 수도 있음
교환이 빈번히 하지 않는 경우는 증발에 의한 농축을 무시할 수 없기 때문에 줄어 든 만큼만 수도물
을 보충함
■ 해수 중 주요 무기질 및 특성
일본, ウィキペディア（Wikipedia）
□ 나트륨 (Na)
. 특징
. 상온, 상압에서 결정 구조는 BCC 구조(체심입방구조) . 융점 98℃, 비점은 833℃, 비중이 0.97 . 매우 반응성의 높은 금속으로, 공기중에서 용이하게 산화됨 . 물과 격렬하게 반응하고, 산, 알칼리에도 반응 . 이온화 하면, 원자가가 하나인 양이온이 되기 쉽고, 불꽃 반응으로 황색을 나타냄 이 성질을 이용한 조명기구가 나트륨 램프임 . 열전도율이 좋기 때문에, 고속 증식로의 냉각재로서 이용되기도 함 취급이 어렵기 때문에 아주 고도 기술로 이용이 가능함
. 인체에 있어서는 중요한 전해질의 하나이며, 그 대부분이 세포 외액에 분포하고 있음 농도는 135~145 mmol/l 정도로 유지되고 있어 세포외액의 양이온 대부분을 차지함 때문에 나트륨 과잉 섭취는 농도 유지를 위한 수분 저장으로 인해 고혈압의 큰 원인이 됨
. 용도
. 금속 단체로서의 이용은 고속 증식로의 냉각재나 . 고성능 자동차 엔진 배기 밸브에 봉입해 열전도 향상에 이용함 . NaS 전지(음극 나트륨, 양극 유황, 대형의 비상용 전원등)
. 나트륨 화합물
|
. 산화물
중조 NaHCO3 탄산소다 Na2CO3 과탄산나트륨 Na2CO4 Na2S2O4, Na2SO3 NaHSO3 망초 Na2SO4 하이포 Na2S2O3 초산나트륨 NaNO3 NaNO2 |
. 할로겐화물
NaF, NaI 식염 NaCl, NaBr . 산화물·수산화물 Na2O 과산화 나트륨 Na2O2 가성소다 NaOH |
. 기타 무기염
NaHS · 규산나트륨 Na2SiO3 붕산 나트륨 Na3BO3 수소화붕소 나트륨 NaBH4 청산 나트륨 NaCN 시안산나트륨 NaOCN NaH, Na2S, Na3PO4 Na[AuCl4] |
□ 칼륨 (K)
. 은백색의 금속. 결정구조 체심입방구조(BCC). 비중 0.86
. 융점 63.7℃, 비점 774℃
. 반응성은 나트륨보다 강하고 물, 할로겐 원소와 격렬하게 반응함
. 칼륨은 인체에 필수 전해질이며, 칼륨 이온으로서 약 200 g 정도 존재함
주로 세포내에 분포하며, 세포외액으로의 농도는 3.5~4.5 mmol/l정도로 매우 낮게 유지됨
근육이나 신경세포는 이온 채널을 통해
세포 안에서 밖으로 농도 구배 방향으로 이동(방출)시키는 전위차(활동 전위)를 일으킴(탈분극)
경구 섭취되는 경우 흡수는 완만하며, 전신 세포로 신속하게 받아들여짐
과잉분은 신장으로 K+조절 기능에 의해 배설되어, 체외 농도는 항상 저레벨로 유지됨
하루 소요량은 1~2 g/일로 추정 됨, 정상 섭취량은 3500 mg/일로 권고 (일본 후생성)
. 심장 심실내의 활동 전위에 동기 해 심박의 조절을 하는데, 정맥주사등에 의해 혈액 중 농도가
과잉 되면 치사적인 부정맥을 일으킴 (심장정지의 목적으로 사용되기도 함)
. 칼륨 화합물
| . 초산·황산·탄산염 질산칼륨 KNO3, KNO2 아황산 칼륨 K2SO3 K2SO4 탄산칼륨 K2CO3 탄산수소칼륨 KHCO3 과탄산칼륨 K2CO4 |
. 할로겐 화물 KF, KHF2 염화 칼륨 KCl 차아염소산 칼륨 KClO 아염소산 칼륨 KClO2 염소산 칼륨 KClO3 산화제. 성냥.화약에 사용 브롬화 칼륨 KBr 취소산칼륨 KBrO3 요오드화 칼륨 KI |
. 산화물·수산화물 과산화 칼륨 K2O2 산화 칼륨 K2O 수산화 칼륨 KOH, KH . 기타 황화 칼륨 K2S KHS 셀렌화 칼륨 K2Se 테룰화 칼륨 K2Te 과망간산칼륨 KMnO4 |
□ 마그네슘 (Mg)
. 성질
. 비중 1.74, 융점 650℃, 비점 1107℃
. 주로 해수 중에 녹아 있는 염화 마그네슘을 전해하여 얻음
. 매우 가벼운 경합금의 재료로서 중요
. 산화, 화원이 쉬움
. 이산화탄소의 환원 CO2 + 2Mg -- 2MgO C . 물의 환원 H2O + Mg -- MgO + H2
. 마그네슘은 다양한 착염 염기성염등의 화합물을 형성함
. 비료 원료로는 주로 황산마그네슘으로서 시작됨
. MgSO4, MgCl2, MgO, MgCO3, MgB2 등
. 생태계
. 마그네슘은 식물의 광합성 색소인 클로로필의 구성 성분이므로
. 마그네슘의 결핍은 식물 생육감퇴, 수확량 감량으로 연결됨
때문에 비료로서 마그네슘 화합물이 이용되기도 함
. 인체에서는 리보솜의 구조 유지나 단백질의 합성, 그 외 에너지 대사에 관한 생체 기능에
필수적인 원소이므로
마그네슘의 결핍은 허혈성 심질환 등의 원인의 하나로 여겨짐
. 생체내에서 마그네슘은 주로 뼈의 표면 근처에 마그네슘 이온으로서 보존되어 대사가 부족했을 경우
에는 칼슘 이온과 겨체되어 마그네슘이 체내에 보충됨
. 마그네슘의 생체내 영양소나 약리적인 기능에 대해서는 광범위한 연구를 하고 있지만,
아직 그 중요한 면에 관해서 명확지 못한 점이 많은 실정임
. 최근 미네랄 성분의 하나로서 보충제나 청량 음료수 등에 많이 첨가됨
. 마그네슘은 동식물에 대해서 독성의 강한 원소가 아니기 때문에, 식물 비료로서 과잉 사용을 특히
경계할 필요는 없지만, 동물이 직접 음식으로부터 섭취하는 경우에는 다른 무기물(인이나 칼슘)과의
밸런스를 적절히 하지 않으면 요로 결석등의 원인이 될 수 있음
. 인체 섭취
. 마그네슘을 과잉에 섭취하면, 설사를 일으킴
. 이를 이용하여 구연산 마그네슘 등은 대장 검사 때의 설사약으로서 사용됨
. 최근의 다이어트 붐으로 간수를 과잉 섭취하여 사망한 사례도 있으므로 과잉 섭취는 조심해야 함
. 화합물
| 황산마그네슘 MgSO4 염화 마그네슘 MgCl2 산화 마그네슘 MgO - 마그네시아 탄산마그네슘 MgCO3 2 붕소화 마그네슘 MgB2 |
마그네슘 합금 황화 마그네슘 MgS 수산화마그네슘 Mg[OH]2 질화 마그네슘 Mg3N2 불화 마그네슘 MgF2 |
첨정석 과염소산 마그네슘 수소화 마그네슘 MgH2 |
□ 칼슘 (Ca)
. 은백색의 금속, 결정구조는 면심입방구조(FCC)
. 비중은 1.55, 융점 839℃, 비점 1494℃
. 상온에서 산소나 할로겐 원소와 반응
. 상온에서 물, 알코올과도 완만하게 반응
. 사람의 필수원소로 생체내에는 약 1 kg 정도 존재함
. 뇌의 활동을 재촉하는 기능이 있고, 뼈의 주성분이기도 함
. 하루 필요량은 약 500 mg/day이며, 마그네슘도 동시에 섭취하지 않으면 의미가 없다고 여겨짐
. 석회(산화칼슘)는 고대부터 건축자재로서 모르타르 제조에 이용
. 뼈의 주성분이며, 인체 필수 원소로서 음식을 통해서 섭취됨
. 혈액중의 칼슘 농도가 저하하면 뼈의 칼슘이 녹아 나와 건강한 사람에서는 항상 거의 일정한
수준으로 유지되고 있음
. 때문에 만일 칼슘이 부족하면 불안 해지는 등 의 증상이 오지만, 그 전에 중증의 골다공증이 오게 됨
. 공업용도로서는 높은 화학반응성을 이용하여 강철의 물성 향상용으로 (탈인이나 탈유황 용) 이용
납이나 알루미늄, 토륨, 우라늄, 사마리움의 정련에도 사용됨
. 칼슘 화합물
| . 유산염, 탄산염 황산칼슘（CaSO4）석고 탄화 칼슘（CaC2） 칼슘카바이드 탄산칼슘（CaCO3)석회석 |
. 할로겐 화물 형석(CaF2) 불화 칼슘（CaF2） 염화 칼슘(CaCl2) 차아염소산 칼슘(Ca[ClO]2)표백분 |
. 산소, 수소계 산화칼슘（CaO)생석회 수산화 칼슘（Ca(OH) 2)소석회 . 기타 인산 칼슘（Ca3(PO4) 2 인화 칼슘(Ca3P2) . 유기염 초산칼슘（Ca(CH3COO) 2 |
□ 탄소 (C)
. 다양한 형상을 취할 수 있어 1000만종을 넘는 화합물이 알려져 있음
. 모든 생물의 구성 재료며, 인체의 건조 중량의 2/3는 탄소
단백질, 지방질, 탄수화물에 포함되는 원자 과반수가 탄소
광합성이나 호흡 등 생명 활동 전반에 중요한 역할을 하며
. 석유·석탄·천연가스등의 에너지·원료, 이산화탄소나 메탄 등
인간의 활동과 밀접하게 관련되는 원소임
. 지구상에서 약 90%가 지각안에 존재 하는데 그 가운데
탄소입자· 석유· 석탄· 천연가스가 3/4이상을 차지하고
1/4은 탄산염의 암석 (석회암, 고 회암, 결정질석회암 등)임
. 나머지 10%는 해양에 용해된 탄산, 육지생물 구성요소, 대기권 이산화탄소, 바다생물 순으로 많음
. 탄소는 지각, 해양, 생물권, 대기권을 순환하고 있으며
연간 이동량은 약 2000억 톤으로 추측
. 탄소는 4개의 공유결합을 취할 수 있어 결합 상태에 따라 여러종류의 화합물을 형성함
. 탄소끼리 sp2 혼성 궤도를 형성해, 정육각형의 평면구조를 취하면 graphite가 되고,
sp3 혼성 궤도를 형성해 3 차원 결정구조를 취하면 다이아몬드가 됨
전자는 전기 전도성이 높고 부드러우나, 후자는 절연체로 높은 강도의 완전히 다른 성질을 가짐
. 불완전 연소에 의해서 생기는 숯 등은 이들 2개의 구조가 혼재한 amorphous 상태인 것이 많으며,
나노튜브 등의 더욱 복잡한 형상이 다수 발견되어 응용되고 잇음
. 탄소화합물
. 탄소는 다양한 화합물을 만들 수 있기 때문에
지금까지 보고된 것이 1000만 종을 훨씬 넘고 있음
. 이산화탄소나 일산화탄소, 탄산, 카바이드 등을 제외한, 탄소 화합물 들은 유기 화합물(유기물)로
불리는데, 생명 활동에서 생산되는 것 외에도, 유기 화학에 의해서 인공적으로도 많은 물질이 만들어
지고 있음
. 무기 화합물로서 일반적인 이산화탄소(CO2)는 대기중에 다량 있으면서 광합성이나 호흡 등 생명 활동과 밀접한 관련을 가짐
또, 탄산염으로서 방해석등의 광물중에도 분포하고 있음
. 금속에서 탄소는 카바이드(carbide, C-)나 아세틸리드(C22-)의 형태로 화합물을 만듬
. 무쇠나 강철에서 처럼 금속 중의 탄소량은 경도등의 특성에 큰 영향을 줌
또, 탄화 규소(SiC) 등 몇 개의 탄소화합물은 격자모양의 결정 구조를 가져, 다이아몬드와 닮은
성질을 가지기도 함
. 탄산, 과탄산
옥소산의 명칭 화학식 옥소산염 명칭 비 고
탄산 H2CO3 탄산염 유리산은 단리(単離)할수 없음
(carbonic acid) ( - carbonate ) 염은 안정
과탄산 H2CO4 과탄산염 유리산은 단리(単離)할수 없음
(peroxomono carbonic acid) ( - peroxomono cabonite ) 염은 안정
□ 붕소 (B)
. 환원제로서 수소화 붕소 나트륨이나 하이드로 붕소화는 현재에도 유기 합성에 많이 이용됨
. 유기 붕소화합물은 스즈키·미야우라 커플링에 의해서 여러 용도로 변환이 가능하기 때문에, 복잡한
화합물의 선구체로서 이용됨
. 생물에서는 식물의 필수 원소 중 하나며, 98%는 세포벽에 존재하고
세포벽 합성, 세포막의 완전성 유지, 당의 막수송, 핵산 합성, 효소의 조효소 등에 관계하는 것으로
예상되고 있으나, 아직 해명되지는 않음 (쿄토 대학 농학부 식물 영양학 연구실)
. 붕산염 광물
자료 Daum 백과사전
| 광물명 화학식 |
색 | 광 택 | 모스 경도 |
비 중 | 결정계 공간군 |
비 고 |
| 루드뷔자이트 Mg2Fe+3BO5 |
암녹색, 칠흑색 |
견사광택 | 5 | 3.6~4.7 (파이) |
사방정계 | |
| 방붕석 Mg3B7O13CI |
무색, 백색 | 유리광택 | 7~71/2 | 2.9~3.0 | 사방정계 | 강한압전기 초전기 |
| 붕사 Na2B4O7·10H2O |
무색,백색,회색,청색 녹색 | 유리광택, 수지광택 |
2~21/2 | 1.7 | 단사정계 C2/c |
연약,반자성 달콤,짭짤함 |
| 서섹사이트 MnBO2(OH) |
백색,담황색 | 견사광택,무염,토상광택 | 3~31/2 | 2.6~3.3 (서섹) |
사방정계 | |
| 울렉사이트 NaCaB5O9·8H2O |
무색,백색 | 유리광택, 견사,새틴광택 |
21/2 | 2.0 | 삼사정계 | |
| 이요아이트 Ca2B6O11·13H2O |
무색,부분탈수 후 백색 | 유리광택 | 2 | 1.7 | 단사정계 | |
| 커나이트 Na2B4O7·4H2O |
무색 | 유리광택 | 21/2 | 1.9 | 단사정계 P2/c |
|
| 콜레마나이트 Ca2B6O11·5H2O |
무색,백색, 황색, 회색 | 유리광택, 금강광택 |
41/2 | 2.4 | 단사정계 P2/m |
|
| 틴캘코나이트 Na2B4O5(OH)4·3H2O |
천연-백색 인조-무색 |
유리광택 | 1.9 | 육방정계 R32 |
||
| 프라이스아이트 Ca4B10O19·7H2O |
백색 | 토상광택 | 3~31/2 | 2.4 | 삼사정계 |
. 울렉사이트[ulexite]
. 건조지대에서 발견, 퇴적물과 화산쇄설성암으로부터 순환수에 의해 붕소가 용탈된 것
. 미국 네바다, 캘리포니아, 칠레, 캐나다의 매리타임 주
. 염수성 늪에서 전형적으로 산출됨
. 붕사 [硼砂, borax]
. 천연붕사(tincal)라고도 함
. 연하고 가벼운 무색의 결정성 물질
. 붕사는 유리의 성분, 요업에서는 도자기에 바르는 유약,
금속 산화물의 슬래그를 제거하는 용매, 용접(鎔接) 또는 납땜할 때 사용되는 융제(融劑),
비료첨가제, 비누보조제, 소독제, 구강세정액, 수질연화제 등 여러 분야에 사용
. 옛날에는 카슈미르나 티베트에 있는 염수호(鹽水湖)에서 얻어 정제되었음
. 상업적으로는 콜레마나이트·커나이트·틴캘코나이트에서 얻거나 붕사광을 물에 녹여
진흙을 걸러내고 용액을 증발시켜 얻음
. 기본원료 변천사 ; 1930년대 콜레마나이트, 커나이트, 붕사광
. 상업용 붕소 전세계 공급량의 약 50％ 정도가 남부 캘리포니아에서 생산됨
즉 설즈 호수의 붕사 지층과 간수, 크래머 근처의 많은 양의 커나이트와 붕사 광상 존재
데스밸리의 콜레마나이트 광상에 매장되어 있음
이것은 온천이나 염수호, 플라야에서 물이 증발되어 형성된 것임
. 커나이트[kernite]
. 라소라이트(rasorite)라고도 함
. 이 광물은 두께가 종종 60~90㎝나 되는 매우 큰 결정을 이룸
. 미국 캘리포니아, 아르헨티나, 다른 붕산염광물과 함께 셰일 내에 끼여 맥(脈), 괴상(塊狀),
또는 결정으로 산출됨
. 콜레마나이트[colemanite]
. 전형적으로 제3기 퇴적층 내에서 무색의 빛나는 결정 및 괴상으로 산출
. 주산지는 미국 캘리포니아의 크라머 지역, 데스 밸리, 다거트 지역
. 인요아이트[inyoite]
. 구조는 칼슘과 히드록시기-수소 결합으로 연결된 2개의 BO2(OH)2 4면체와 하나의 BO2OH 3각형
으로 구성되어 있음
. 인요아이트는 부분적인 탈수작용에 의해 메이어호프라이트와 콜레마나이트로 변질됨
. 미국 데스밸리에서 산출, 캐나다 뉴브런즈윅 주의 힐스버러, 카자흐스탄에서도 발견
. 틴캘코나이트[tincalconite]
. Jewelers' borax라고도 함
. 미국 남부 캘리포니아 주의 붕사 광상에서 흔함
□ 완충제 (緩衝劑, buffer solution)
. 산이나 염기 또는 염(鹽)이 들어 있어 수소 이온 농도를 일정하게 유지시키는 용액
. 이온은 하나 이상의 전자를 잃거나 얻는 원자 또는 분자인데,
일반적으로 사용하는 완충제는 아세트산(CH3COOH)과 아세트산나트륨 용액임
수용액에서 아세트산나트륨은 나트륨 이온(Na＋)과 아세트산 이온(CH3COO－)으로
완전히 해리되며, 완충용액의 수소 이온 농도는
[H+ ] = Ka * [CH3COOH] / [CH3COO－]
Ka는 아세트산 이온화 상수, 각 괄호는 각 물질의 농도
. 완충 용액의 수소 이온 농도는 용액 속에 존재하는 아세트산과 아세트산 이온(또는 아세트산나트륨)
의 상대적인 양에 따라 달라지며, 이것을 완충비라고 함
. 산이나 염기를 넣으면 아세트산과 아세트산 이온의 농도가 변하나 가한 물질의 농도가 개개의 완충
성분의 농도와 비교하여 작은 경우에는 산이나 염기를 넣은 후 변한 수소 이온 농도(pH)는 원래의
농도와 거의 같음
. pH가 다른 완충용액은 완충비를 변화시키고, 적당한 고유 산성도를 가진 산을 선택하여 만듬
. 완충용액에는 보통 인산·시트르산·붕산 또는 이들의 염이 사용됨
. 대부분 화학반응은 산과 염기에 의해 속도가 빨라지기 때문에, 많은 화학적·생물학적 실험에서
완충 용액을 사용하여 용액 내의 산성도 또는 알칼리도의 특정 수치를 일정하게 유지시켜야 함
대부분의 생화학적 반응은 고유의 pH 값에서만 일어나며, 그 pH는 체내에 존재하는 천연 완충제에
의해 유지됨
■ 규소(Si; Silicon)의 중요성
"해양화학의 관점에서 본 규소(silicon)의 중요성"
角皆静男（北海道大学名誉教授） 6,600 만년 전 지구는 중생대에서 신생대로 들어간다. 곧, 대기 중 이산화탄소 농도가 내려가고 저온화되며, 육지에서는 벼과 식물, 바다에서는 규조류(珪藻類)가 만연하게 된다. 이들 두 가지 모두 규산염이 몸을 지탱하는 이른바 골격의 역할을 담당하고 있다.
왜 한랭화(寒冷化) 되면서 규산염의 껍질을 가지는 식물들이 주역이 된 것일까? 수온이 떨어지면서 용해도가 작은 규산이 더 용해되기 어렵게 되면서 공급량이 감소했음에도 불구하고 왜 그랬을까? 역으로, 자신의 몸체가 녹아나기 어렵게 되었기 때문일까? 또한, 모든 생물에게 있어서 규소가 필요하지 않다는 것은 반대로 규소가 필요한 역할을 크게 하고 있다는 것은 아닐까? 이러한 것에 대한 답을 얻기 위해서 해양의 규소와 관련한 여러 가지 정보들을 알아 본다.
. 규소 화학과 지구화학
규소(silicon)는 주기율표에서 탄소의 아래 제 4 족 제 3주기에 위치하고 있으며, 탄소처럼 통상 원자가(原子価) 4가(価)로서 결합하고, 다수의 커다란 입체적 화합물(결정)을 만든다. 특히 산소를 사이에 두고 연결되는 규산염이 가장 많고, 알루미늄 산화물이 더해진 알루미노-규산염(Alumino-silicate)이 암석을 구성한다. 물에 대한 규산염의 용해도는 작다. 게다가, 저온의 지표에서는 반응속도가 느려서 용해평형(溶解平衡)에 도달하기 어렵다. 다만, 용해도의 온도 의존성이 크다. 0 ℃에서 3 mg/kg, 25 ℃에서 12 mg/kg 이다.
그러나 정확한 용해도를 찾기란 어렵고, 결정(結晶)형태에 따라서도 다르다. 예를 들면 수정(水晶)은 용해도가 작지만 오팔은 크다. 즉, 규조류의 유해나 화산재는 쉽게 녹지만, 심성암(深成岩)은 용해되기 어렵다. 용해(풍화의) 될 때나 용해된 규산이 지하에서 냉각되면 점토광물이 될 수 있다. 규소는 지각질량의 1/4을 차지하고, 산소 다음으로 많다. 해수 중에서 저 농도인 이유는 용해도와 용해속도 때문이기는 하지만, 식물이 섭취하는 탓도 있다. 하천 등에서 해양으로 공급된 토사는 대부분 그대로 쌓여 버리지만, 일단 녹은 것은 식물로 섭취되어 입자로 되며, 해저 등에서 재생하거나 다시 사용된다. 이것이 거듭되기 때문에 해양에서의 평균 체류 시간은 철 등보다 훨씬 길고, 구리와 같은 천이 금속에 버금간다.
. 해양에서의 규소와 철의 유사점과 상이한 점
유사점으로는, 지각에서의 존재도가 크고, 용해도가 적다는 것과, 해양으로의 공급원이 거의 같고, 생물체에 매우 인연이 깊은 것 등을 들 수 있다. 반면 차이점은, 지표의 조건에서 철은 산화 수를 변화시키지만, 규소는 바뀌지 않는다, 그 결과 철은 효소로서 중요한 역할을 한다. 생물이 필요로 하는 철분의 양은 극히 적다. 철은 혼합입자(混晶)나 흡착까지를 고려하면 용해도 이상 존재하는 경우가 많지만, 규산은 용해도 이하가 된다. 따라서 깊은 물 속(심해저)에서는, 철은 시간이 지나면서 농도가 감소하고, 규소는 농도가 증가한다. 따라서 먼 바다 심층수는 상승한 직후는 철이 부족하여 식물이 증식하지 못하며, 연해안 근처에서 상승한 심층수는 혼입되면 규조(珪藻)가 증식된다.
. 해수 유동(流動)의 추적 인자로서의 용존(溶存) 규산
태평양 심층수는 대서양 심층수에 비해 질산염과 인산염의 농도는 2 배인데 비해, 규산염은 6 배에 달한다. 이것은 규산염의 재생이 질산염과 인산염 보다 더 깊은 곳인, 심해저에서 이루어지기 때문이다. 해수의 규산 농도와 용존산소 농도에 대해 그린 Si - O 도표를 사용해 보면, 해저와 접촉하고 있던 물인 중간 심층수의 움직임을 알 수 있다. 예를 들면, 북태평양으로 흘러 온 태평양 심층수는, 덴노우미야마 북쪽에서 동부 북태평양으로 흘러 들고, 중간 위도의 저층에서는 동쪽에서 서쪽으로 흐른다.
. 해수 중의 규소와 생태계에 관한 두 가지의 가설
(규소 가설 하나는)
. 모든 환경 조건이 식물 플랑크톤의 생육에 적합한 경우, 규조(珪藻)가 가장 강하게 먼저 증식한다. . 그러나, 규조 만 번식한다면 바닷물의 용존 규산이 먼저 고갈하기 때문에, 농도가 어느 한계 이하로 되면 규산염 껍질이 없는 다른 생물 군인 편모조류(藻類)나 과편모 조류가 규조류를 대체 하게 된다.
(또 다른 가설 하나는)
. 생물학의 범주로서, 이러한 1차 생산자의 교대가 고차원 생물, 생태계에 영향을 준다는 것이다.
일반적으로 규조류는 크기 때문에 대형의 동물 플랑크톤에서 대형의 경골어류(硬骨魚類)에 이르는 신생대, 즉 현재 우세한 먹이사슬을 만든다. 반면 소형의 편모 조류에서는 소형의 동물 플랑크톤에서 해파리에 이르는 고시대(古時代)의 먹이사슬을 만든다. 그래서 현재 문제가 되고 있는 것은, 유독적조(有毒赤潮), 김, 해파리, 석회조류(磯焼け, 石灰藻）등 후자에 속하는 생물의 증감에 있다.
인간 활동에 의해 인 및 질소 화합물은 증가하지만, 용존 규산은 특별한 경우를 제외하고는 증가하지 않는다. 그래서, 인간 활동에 의해 후자의 계열 생물이 늘었다 (김은 줄었음). 이것이 이른바 환경 문제가 되고 있는 것이다. 물론 생물은 오랜 진화의 역사가 새겨져 있으며, 전성기(春のブルーム ?)가 끝나고 나서 규소를 첨가하더라도 쉽게 규조류는 늘지 않을 것이며, 어떤 생물 종에 변화가 있다고 하는 생물학의 해답은 이것만으로는 나오지 않을 것이다.
. 규소 대비 영양염(栄養塩) 비율의 배양실험 결과의 고려사항
생체의 연조직(軟組織)에 들어가는 인이나 질소에 비해, 규소는 경조직(硬組織)에 들어가기 때문에 용해되기 어렵다. 즉 입자상태로서의 체류시간이 길다. 입자의 인이나 질소에 비해 규소의 비율은 시간에 따라 증가한다. 따라서, 표층수에서 제거된다. (실제로 해수 표층수 중에서 감소함) 규소 대비 타 영양염의 비율은 동화(同化)시의 규소 대비 영양염 비율보다 크다.
■ 해양심층수
□ 해양심층수 시장
““마시는 바닷물” 시장 불 붙다 (부산.일보 2008.2.)”, 중에서
. 해양심층수 특성
. 햇빛이 도달하지 않는 수심 200m 이하에서 연중 2~3℃의 저온상태를 유지,
깨끗하고 미네랄이 풍부함
. 대장균 등 세균과 유해 유기물, 오염원이 도달하지 않는 깊은 수심에서 순환
. 깨끗한 수질을 유지하고 있어 먹는 물 시장에서 상당한 경쟁력
. 광합성 조류의 성장에 필요한 질소 규소 인산염 등의 무기 영양염류가 풍부해
기능성 식품과 의약품 개발, 해조류의 양식 등에도 이용 가능성 있음
. 저온성 . 부영양성 . 청정성 . 미네랄 특성 . 숙성성
. 미네랄 성분에서는 소금, 희소 금속, 신 에너지원 등을 추출할 수 있으며,
. 2℃ 이하의 저온 상태인 특성을 이용해 냉방 냉장 에너지원으로 연구 중
. 동해안 해양심층수의 성분 특성
. 미네랄 성분이 풍부함
일본의 심층수에 비해 칼슘 8배, 스트론튬 3배, 망간 170배, 아연 75배, 철 8배
특히 칼슘과 마그네슘의 함량이 인체의 이상적인 비율인 2대 1에 근접한 3300
㎎/l과 1300㎎/l이나, 일본의 심층수는 414㎎/l, 1320㎎/l로 분석되고 있음
. 파생제품 개발: 소금, 간수, 이온음료, 주류(소주 맥주), 전통식품(김치 젓갈 등),
화장품, 비누 등
(미국)
. 하와이 주립 자연에너지연구소가 주축
. 해양온도 차 발전, 농업, 양식어업에서 연구와 상용화 추진
. 1981년 처음으로 583~6000m 깊이의 해양심층수 취수
. 현재 9개 취수관을 운영, 수심 600~700m의 심층수 9만㎥/일까지 생산
. 터널 방식의 취수 시설이 가동하면 수심 914m의 심층수를 15만㎥/일 추가생산 (2001.9. 완공)
. 입주한 26개 기업이 생수, 수산양식, 유용물질 생산, 건강식품 등을 사업화
(일본)
. 1976년부터 연구를 시작
. 1989년 처음으로 고치현 무로토시에 육상형 취수 장비를 설치하고
실험시설인 해양심층수연구소를 개설
. 이 연구소의 취수 장치는 수심 320m에서 하루 460㎥의 심층수 취수용량
. 고치현은 심층수 연구소 920t, 아쿠아팜 4000t의 일일 취수량을 확보
. 토야마현 5400t, 오키나와현 1만3200t, 시즈오카현 4000t, 가나가와현 1000t,
홋카이도 58t 등, 추가 건설 중이거나 계획 중인 곳 24개소
(대만)
. 해양심층수 음료시장: 9억 대만달러(26억4000만 원, 2006년)
. 현재 음료 13종, 화장품 3종이 개발돼 시판 중임
□ 해양심층수 비교
구 분 일본 고치현 미국 하와이 한국 동해안
심 층 표 층 심 층 표 층 심 층 표 층
수온 ℃ 8.1~9.8 16.1~24.9 8.2~10.7 24.3~28.0 0.2 14.5~23.1
PH PH 7.8~7.9 8.1~8.3 7.5~7.6 8.1~8.4 7.2~7.9 8.1~8.2
염분 % 3.4.~3.44 3.37~3.48 3.44~3.43 3.43~3.51 3.37~3.39 3.25~3.30
용존산소 mg/l 4.1~4.8 6.4~9.5 1.2~1.5 6.9~7.3 9.1~9.5 7.8~8.9
질산염 ㎍/l 12.1~26.0 0.0~5.4 39.0~40.9 0.2~0.4 3.6~13.3 0.1~1.4
인산염 ㎍/l 1.1~2.0 0.0~0.5 2.9~3.2 0.1~0.2 1.7~4.3 nd~0.7
규산염 ㎍/l 33.9~56.8 1.6~10.1 74.6~79.2 2.6~3.6 72.1~108.0 15.3~28.9
엽록소 mg/l 0.034~0.0376 0.158~0.159
(취수 수심) M 320 600 1032
(주) 해양수산부 자료, 2000
□ 해양심층수 관련 의문점
(네티즌 의견에서)
. 해양심층수: 학문적으로는 수심 3,000m 이하에서 2000년 이상 숙성된 물을 말함
. 인체에 필수적인 미네랄과 마그네슘이 풍부한 것으로 알려져 있음
. 해양수심: 동해: 최대4,049m(평균1,543m),
남해: 최대228m(평균110m), 서해: 최대103m(평균44m)
. 상업용 해양심층수 취수지점(국내규정): 기준200m+변동150m (=350m 이하)
. 2000년 이상 숙성된 물은 해저의 심해를 흐르는 심층수만 가능하나,
이 순환 길에 한국을 지나가지 않고, 한국은 수 백 년 주기의 해저류 만 있음
. 해양심층수의 미네랄 존재는 전혀 가공하지 않은 상태에서만 적용되며
일단, 가공되면 장점은 없어지게 됨(정량적인 미네랄 첨가물이 되어 신뢰성 감소)
. 해양심층수로 만든 음용수의 경우
. 증류설비를 통과시켜 만든 해양심층수와, 민물을 증류시킨 증류수와의 차이는?
. 분류시킨 미량 미네랄 무기물질 들의 처리방법은? (Na, Mg, Ca, Cl 기타…)
. 무기질을 전부 빼 버린다면 결국 증류수 ? ↔ 일부분만 넣는다면(재 투입) 무기질 조제 증류수?
. 그런데도, 왜 미네랄이 풍부한 해양심층수라고 선전할까?
□ 지자체의 사업추진 현황
(2007.05. 기사 중에서). 고성군
작년(2006) 대교그룹이 100억원, 일본의 키비(KIBI)시스템이 20억원, 강원도와 고성군이 각각 40억원 등 모두 200억원을 공동 투자해 ㈜강원심층수를 설립했다. 강원심층수는 내년(2008)까지 해양심층수 개발을 위한 탈염시설, 심층수를 활용한 스파와 워터파크, 치료기능이 혼합된 테라소피아 등을 조성할 계획이다. 이미 2005년 11월에는 송지호 인근에 국책연구기관인 해양심층수연구센터가 문을 열었고, 화장품.두부.간장 등 심층수를 이용한 시제품도 개발한 상태이다. 고성군은 3만여 평의 해양심층수 전용 농공단지 조성에도 나서고 있다.
. 양양군
작년(2005)에 ㈜블루오션월드(최근 워터비스로 개명)와 해양심층수 바이오산업 개발을 위한 투자협약을 체결해 미네랄 워터, 화장품, 생활용품 등을 생산하는 사업을 벌이고 있다. 군인공제회도 200억 원을 투자할 계획이다. 워터비스는 하루 3000여 톤의 심층수를 끌어 올릴 수 있는 규모의 해양심층수 공장 건립을 현남면 원포리에 추진하고 있다. 해상 취수관 및 정제 플랜트 설치 공사를 진행하고 있으며 올(2007) 하반기부터 제품을 생산할 계획이다.
. 강릉시
지난(2006) 1월 한국수자원공사와 300억 원의 사업비를 들여 하루 4000톤 이상의 해양심층수 취수시설을 연안에 건립하는 내용의 심층수 공동개발을 위한 협약을 체결했다. 강릉시가 설립한 강릉 해양바이오진흥원도 심층수 자원을 이용한 기능성 식품 및 의약품 원료 소재 상용화 기술 개발에 나서 원천.기반기술을 개발했다. 또 앞으로 2년 동안 해양심층수 자원의 생리 기능성 검증 등 상용화 기술개발에 주력할 계획이다.
. 속초시
지난(2006) 1월 한국해양연구원에 해양심층수 자원화 사업 기본계획 수립 용역을 의뢰해 완료 단계에 와 있다. 속초시는 외옹치 인근이 수심이 완만해 공사가 수월하고 인근지역과 연계한 관광상품 개발이 용이해 입지가 유리한 것으로 나타났다고 밝혔다. 기본계획 수립 용역이 완료되면 해양심층수를 이용한 수산물 보세창고 등을 유치하고 인근 횟집단지에 해양수를 공급할 계획이다. 또 속초해수욕장을 건강.미용.해양요법시설을 갖춘 4계절 테마 관광지로 만드는 구상도 내놓고 있다.
. 경북의 울릉군과 영덕군에서도 해양심층수 개발 사업이 진행되고 있다.
울릉도에서는 울릉미네랄㈜이 수심 650m에서 취수한 해양 심층수를 이용한 혼합음료를 국내 처음 시판을 선언했고, 영덕군도 이미 관련 용역을 마치고 제3섹터 방식의 개발사업으로 추진을 계획 중이다. 경북도도 울진에 해양과학연구단지를 조성하면서 해양심층수 개발 타당성 조사와 기본계획 수립에 나서고 있다.
□
해양심층수 취수 공정
““마시는 바닷물” 시장 불 붙다 (부산.일보 2008.2.)”, 중에서
해양심층수 개발은 저비용 고효율을 거둘 수 있는 취수기술이 무엇보다 중요하다. 개발 방식으로 취수지 거리에 따라 육상형과 해상형 시스템 두 가지로 구분된다. 육상형은 현재 대부분의 국내 업체들이 사용하는 방법이다. 취수원이 해안선에서 약 5㎞ 이내에 있는 경우에 적용되며, 해저에 관을 설치하여 취수 한다. 취수원이 5㎞ 보다 멀리 위치하는 경우에 적용되는 해상형은 부이형 시스템과 해역 비옥화 플랜트로 나누어진다. 부이형은 라이저(riser)라는 수직의 관을 해수면의 부이에 매달아 해양심층수를 끌어 올리고, 취수 된 물을 운반선박에 실어서 육상 플랜트로 이동한다. 해역 비옥화 플랜트는 영양염이 풍부한 해양심층수를 라이저를 통하여 해수면 부근의 어장에 뿌리는 방법이다.
취수는 청정성과 저온성을 보존하기 위해서 고밀도 폴리에틸렌 관이 사용된다. 이 관은 온도 전이도가 낮기 때문에 저온의 특성이 그대로 유지될 수 있으며, 물속에서 부식되지 않아 청정성을 그대로 보존할 수 있다. 비중이 1보다 작기 때문에 물에서 뜨고 강도가 약해 일본에서는 철선으로 보강하기도 한다.
. 취수 한 물의 가공 공정
취수된 심층수는 필터를 통한 이물질 제거와 역삼투압 설비(RO)나 전기투석기 등을 이용한 탈염 처리와 용존물질 추출 및 농축, 미네랄의 첨가 등 다양한 공정을 통해 먹는 샘물, 2차 생산을 위한 원자재, 연구용 재료로 제품화된다.
□ 해양 심층수법 시행, 생수업계 시장선점 경쟁
‘해양 심층수의 개발 및 관리에 관한 법률' 2007년 국회 통과, 2008.4일부터 시행
산업연관분석을 통해 해양심층수 산업의 국내시장 규모를 추정한 결과, 2010년까지 5700억 원으로 성장하고 생산 유발효과 1조556억 원, 부가가치 유발효과 4379억 원, 고용 창출효과 9311명 등의 경제적인 파급효과가 있을 것으로 분석됐다. (유승훈 호서대 해외개발학과 교수)
이 같은 경제효과에 따라 지난해 기준 3500억 원 규모로 추산되는 먹는 샘물 시장은 법이 시행되기도 전에 관련 업계의 마케팅 열기로 달아오르고 있다. 한 정수기 업체의 분석에 따르면 우리나라의 1인당 연간 페트병 생수 소비량이 3.8ℓ로 서유럽 북미 등 해외국가에 비해 현저하게 낮을 뿐 아니라 아시아 평균인 6ℓ의 절반에도 못 미치는 것으로 조사됐다. 이처럼 가뜩이나 성장 가능성이 큰 시장에 새로운 동력이 생긴 것이다.
해양심층수 혼합음료인 ‘울릉 미네워터’를 출시한 CJ제일제당은 이달부터 본격적으로 마케팅에서 나서 올해 50억 원의 매출을 올린다는 계획이다. 롯데칠성음료도 이미 해양심층수 전문업체인 (주)워터비스와 손잡고 개발한 ‘블루마린’을 오는 3월부터 출시한다.
코카콜라보틀링을 인수해 음료시장에 진출한 LG생활건강도 해양심층수 시장 진출을 공식화하고 있다. 동원F&B는 최근 강원도 강릉시와 투자협약을 체결하고 해양심층수 취수시설을 설계 중이며, 2009년 하반기부터 본격적으로 제품을 출시한다는 계획이다.
□ 파생 제품 개발 전문업체 주도
해양심층수 시장은 대기업들이 주축인 먹는 샘물 시장과는 달리 파생제품과 서비스업은 전문 업체들이 주도할 것으로 보인다.
강원도 고성군에서 이달 취수관 공사에 들어가 오는 9월부터 본격적으로 가동에 들어가는 (주)강원해양심층수는 소금, 간수, 이온음료, 주류(소주 맥주), 전통 식품(김치 젓갈 등), 화장품, 비누 등의 파생제품 개발을 추진하고 있다. 이 회사는 프랑스의 부르타뉴 지방에서 유래한 것으로 알려진 해수욕 요양시설인 타라소테라피 브랜드 ‘타라소피아’를 운영할 계획이다.
지난 2005년 한국해양연구원의 창업기업으로 출발한 (주)워터비스는 이미 다양한 제품 개발에 나서고 있다. 강원도 양양군에서 하루 2500t 규모를 취수 할 예정인 이 회사는 지난해 9월 해양심층수 화장품인 ‘이아트리(iatry)’를 개발한 데 이어 10월에는 ‘해양심층수 미네랄워터’를 출시했다. 또 지난해 11월부터는 심층수 분수인 ‘아쿠아 터미널’을 운영하고 있다. 이 회사는 하이트 맥주, 진로와 투자 협약을 체결해 주류 원료 공급을 위한 시장도 이미 확보했다.
울릉도에서 국내 최초로 해양심층수를 취수해 상품화하고 있는 울릉미네랄(주)도 자체 브랜드 생수인 ‘U650’뿐 아니라 해양심층수 소금, 아토피 피부용 세안 목욕 보습제를 제조해 판매에 나서고 있다.
■ 해저 용출수
““마시는 바닷물” 시장 불 붙다 (부산.일보 2008.2.)”, 중에서
. 해저용출수(Submarine Groundwater Discharge)는 연안의 얕은 대수층에서 순수한 담수가 해양으로 유입되는 경우와 지층으로 스며든 해수가 정화작용을 거쳐 다시 해양으로 분출되는 경우까지 포함됨. 일반적으로는 수백 만 년 전 지질시대에 지표로 스며든 빗물이 오랜 시간 동안 단층의 틈을 비집고 흐르다 바다 밑의 불투수층 아래 고여 있는 담수를 말함
. 용출수는 각 지층을 통과하면서 자연정화가 이루어져 아주 깨끗할 뿐 아니라 저온 안정성을 유지하며,
각종 미네랄이 지구상에 존재하는 어떤 수자원보다 풍부하여 청정 식수 가능성이 높은 것으로 보고 있음
. 해저 지하수의 유출량
. 지표면을 통한 담수 유출량의 10%에 달한다고 보고됨 (가렐스와 매킨지, 1967)
. 전문가들은 대체로 강 유출량의 6% 수준인 것으로 전망하고 있음
. 국내 해저용출수 발견 가능지역 보고
. 관측위성(Landsat 5TM, NOAA 위성)을 통한 해수온도 분석과 동해 연안 일대의
기상관측소 및 자동 기상관측소의 기온 자료 등을 토대로 한 조사
. 해저용출수가 존재할 가능성이 높은 지역 (64개소)
강원도 강릉시(8) 경북 울진군(14) 울산(7) 부산(8) 김해(2)
. 해저용출수 개발과 이용은 선진국에서도 초기 수준
. 부산시는 해양과학기술(MT)도시 사업의 일환으로 해저용출수 개발을 추진
. 2008~2013년까지 약 100억 원이 투입될 예정
. 연간 약 4억t의 물을 사용, 주 취수원인 낙동강 유역의 오염에 대비
. 탄성파 탐사를 통해 부산지역의 해저용출수 분출 현상과 유사한 징후 목격됨
. 해저용출수의 위치 추적
첨단 장비에 의한 데이터보다 지역 주민들의 경험과 목격담이 시발점이 된다. 지역 주민들이 주변 해역의 수온이나 이상 현상을 가장 잘 확인할 수 있기 때문이다. 용출수의 낮은 온도와 담수 성질 때문에 인근 바닷물의 어자원 분포와 미세한 차이가 있을 수 있다. 또 용출 지역에서의 김 발생 현상 등도 주요한 징후로 손꼽힌다.
각종 첨단 측정 장비는 용출수 존재 여부를 판단하기 위해 필수적으로 사용된다. 방사성 동위원소 측정기는 라돈과 라듐을 이용해 담수의 유출 여부와 발생 연대를 추적할 수 있다. 이밖에 위치 및 수심측량의 자료처리에 이용되는 위치추적(내비게이션) 프로그램, 조사 선박의 정확한 위치정보를 얻기 위해 사용하는 위성항법 측위시스템(DGPS), 해저의 지층 분석을 위한 고주파 단성파 탐사기, 해저면탐사기, 다중빔 음향측심기 등의 최첨단 탐사장비가 동원된다.
. 해외 개발동향
이미 전 세계적으로 45개가 넘는 곳에서 해저용출수가 개발 중에 있다. 미국의 동부 연안에 절반이 넘는 25곳이 집중되고 있으며, 일본 이탈리아 남태평양 아프리카 캘리포니아 알라스카에서도 발견됐다.
특히 극심한 가뭄 등으로 물 부족 현상이 갈수록 심해지고 있는 중국도 최근 해저용출수를 취수하는 데 성공했다. 동중국해 성쓰섬 북쪽 15㎞ 지점의 바다 밑에 대한 탐사와 연구 끝에 해저 담수자원을 개발한 것이다. 지난해 5월 4일 시작해 6일 만에 직경 133㎜ 깊이 213.30m, 암층 깊이 12.30m에 이르는 우물을 팠고 6월 3일에는 네 번째 대수층까지 개발 작업을 모두 끝낸 상태다. 중국 지질과학원 수문지질.환경지질연구소 관계자는 “두 번째 대수층까지에서 얻은 담수가 중국 해상 음용수 기준에 만족해 사용가치가 매우 높다”고 밝혔다.
■ 해수 담수화
““마시는 바닷물” 시장 불 붙다 (부산.일보 2008.2.)”, 중에서
. 지구상에 존재하는 물의 양은 약 14억㎦로 추정
. 이는 지구 전체를 2.7㎞로 덮을 수 있는 엄청난 양
. 이 가운데 담수의 양은 약 3500만㎦로 전체의 2.5%
. 실제 인간이 사용할 수 있는 담수호나 하천의 물은 약 9만㎦(0.26%)에 불과함
. 2003년 UN 수자원 개발 보고서 에서,
. 지구의 1인당 담수 공급량이 앞으로 20년 안에 3분의 1로 줄고
. 2050년까지 많게는 60개국 70억 명이 물 부족을 겪을 것이라며 경고
. 20세기 세계 인구는 두 배로 늘어난 반면, 물 사용량은 6배나 증가
. 2030년까지 식량 수요가 55% 증가함에 따라 물 수요는 더욱 급상승 예상
. 물 빈곤 지수(WPI): 한국 62.4, 조사 대상국 147개국 중 43위
. 영국의 생태환경 및 수문학 센터(CEI):
1인당 수자원량, 수자원 접근율, 사회경제요소, 물이용량, 환경 등을 종합평가
. 국내 물 부족량 전망: 2011년 약 32억㎥, 2020년에는 약 45억 56억㎥로 증가
. 해수담수화 설비 중동지역 건설
. 일반적으로 담수 플랜트(공장)는 하루 최소 20MIGD 이상을 생산
. MIGD(Million Imperial Gallon per Day, 1일 생산 담수량으로 1MIGD는 4,546t
. 현재 전세계 120개국, 1만1000개의 담수화 시설이 생산하는 물은 하루 2500만t
. 두산중공업 세계 담수 플랜트의 약 40%를 공급
. 2006년까지 5년간 세계 담수 플랜트 수요는 3884MIGD,
2011년까지 5년간 5016MIGD의 신규 수요가 발생할 것으로 예측 (두산 전망)
. 해수의 담수화 기술
. 다단증발방식(MSF, Multi-Stage Flash):
. 발전소 배열, 보일러로 가열한 해수를 이용
. 압력이 다른 여러 단계 방을 통과시킬 때 생기는 수증기를 응축시켜 담수화
. 대용량의 생활용수나 농업용수 생산에 적합
. 다중효과증류방식(MED, Multi-Effect Distillation)
. MSF와 같이 발전소의 배열, 보일러를 이용
. 다수 튜브 안에 증기를 통과시키고, 튜브표면에 해수를 뿌려 증발 수증기 응축
. 역삼투압방식(RO, Reverse Osmosis)
. 생활용수, 농업용수, 산업용수 생산에 적합
. 해수에 압력을 가해 반투막(Membrane)을 통과시켜 담수를 생산
. 열처리 방식(Thermal)인 MSF나 MED에 비해 에너지 소비가 적어 경제성 높음
. 기타: MSF 또는 MED에 RO를 조합한 하이브리드 방식이 있음
. 생활용수 분담율
. 담수화 설비는 주로 중동과 북아프리카 지역 국가들에 집중: 전체수요의 약50%
. 미국의 해수 담수화 설비는 700만t/일 용량, 전체 생활용수의 7.7% (2000년)
. 스페인 21.5%(280만t), 싱가포르 38.1%(50만t), 네덜란드 5%(25만t), 일본 3.7%(145만t)
. 국내: 독도 등 전국의 도서 지역 72곳에 RO방식의 담수화 시설이 설치됨
(약 1만7천 명의 식수 확보 수단)
. 5만㎥의 담수화 설비를 가동할 경우
. 일반 정수시설과 비교할 때 운영비 면에서는 2~3배,
. 총 생산단가 면에서는 1.1~1.5배 비쌈 (건교부는 해수담수화 기본조사, 2005)
. 담수화 설비의 부품 국산화율은 50% 수준
■ 해양심층수의 화학적 특성海洋深層水の化学的特性 角皆静男 □ 화학 해양학에서 본 심층수의 정의
수산 관계자들은 200~300 m 이하를 심층수라고 하지만, 해양 학자들은 바다를 수직으로 3개 층으로 나누어 수심 약 1,000 m 이하의 물을 심층수라고 한다. 또는 태평양에서는 산소가 극소량인 층 이하의 태평양 심층수를 심층수라고 한다. 그것은 그 수심까지는 온도적층(温度躍層, 엄밀하게는 밀도 적층이라고 해야 함)라고 하는 온도가 급격히 큰 구배로 떨어지는 (밀도가 급격히 올라감) 수심이 존재하고 심층수로 구별이 가능하기 때문이다.
이 온도적층(温度躍層)은 바람이나 계절적 냉각에 의해서 섞어지는 표층(혼합층)이나 중층의 두 가지와는 구분된다. 중층에서는 고위도지역 (심층수가 안 되는 태평양의 경우는 북부북태평양과 남극해)에서 잠입하여 횡방향에서 등밀도면(等密度面)을 따라 흘러 들어 (등밀도(等密度)란 등고선과 같은 의미로 등밀도면을 따라 흐르는 여분의 에너지를 사용하지 않고서 이뤄짐) 흐름이 탁월하다. 물론 중층에서도 상하 방향의 혼합 (수직 확산)이 없는 것은 아니다. 그러므로 중층수의 나이, 잠입된 이후 경과된 시간 (방사성 탄소 등 추정)은 깊을수록 오래된 것이 보통이다. 또한 30 ° N 이북의 북태평양에서 남쪽으로 갈수록 등밀도 양상이 깊기 때문에 북쪽에서 된 중층수는 남쪽으로 흐름에 따라 깊이 들어가게 된다.
한편, 북태평양 심층수는 북대서양 및 남극해에 발원을 두고, 남태평양의 남서 단(端)에서 북상하여 북태평양 서부의 아래쪽으로 들어오며 이동확산을 함에 따라 상승하는 물이 된다. 따라서 방사선 탄소연대는 깊어지면 질수록 최근의 물이며, 해저근처의 1500년에서 수심 2000m 근처에서는 2000년으로 증가 하게 된다. 더욱 이렇게 얕아질수록 년령이 젊은 중층수와 수직혼합의 영향을 받아 연령이 젊어지지만 수심 1000m 근처까지는 그 혼합비는 그리 크지는 않다. 또한 표층수의 탄소는 대기의 탄소에 비해 해면에서의 이산화탄소 교환이 늦어짐에 따라 400년 정도 오래된 값을 갖게 되므로, 잠수한 후 경과시간을 따지려면 이 값을 빼지 않으면 안 된다.
심층수의 화학적 특성은 이런 연유로 인해서 태평양과 대서양 등 위치에 따라 다르고, 같은 장소라고 하더라도 깊이에 따라 다르다. 그래서 북태평양 지역에 대한 해양 연구학자들은 태평양의 심층수를 심층수라고 부르고, 깊이로 볼 때는 용존산소극소층(溶存酸素極小層) 이하의 깊이로 보는 것이 보통이다. 용존산소극소층이란 온도적층(温度躍層)의 하단과 거의 수심이 일치하고, 시간에 따라서 감소하는 용존산소 농도가 증가 되려면, 얕아질수록 함유 산소를 소모하는 유기 탄소의 공급량도 많아지기 때문에 젊은 중층수가 상당히 큰 부분을 점유하지 않으면 안되기 때문이다. 따라서 북태평양에서 심층수의 상한선은 북부북태평양 (53 ° N 이북)의 수심 150 m 정도에서 남쪽으로 갈수록 점차 깊어지고, 30 ° N 부근에는 1000 m가 넘고, 다시 적도 부근의 500 m 정도에서 남쪽으로 가며 얕아진다. 이 심층수의 화학적 특성을 상층부의 표층수와 중층수에 대해, 또는 대서양 등 다른 해역의 해수와 비교해서 하는 말이다.
□ 심층수 중의 화학성분 분류
육상의 물 (강물이나 일반 호수)과 해수 (특히 심층수)의 화학 조성을 비교하면 아래와 같은 2가지 현격한 차이가 있다.
첫째, 염화나트륨 (소금)으로 대표되는 강전해질의 염류가 매우 높은 농도로 존재한다. 화학적으로 말하면 0.6 몰 용액 또는 3.5 %의 농도 (이 염류를 육지를 포함한 전체 지구를 빈틈없이 깐다면 1 평방 미터 당 85 톤이 된다)의 수용액으로서, 소위 짠 물로 되어 있다. 그러나 염화마그네슘과 같은 식염 이외의 염류도 포함되어 있기 때문에 물을 증발시킨 상태에서는 쓴 맛이 되고, 요리(식용)에는 사용하기 어렵다. 또한, 수중에서 이러한 염류는 양이온과 음이온으로 뿔뿔이 되어 있으므로 양측이 대면한 염으로서 존재하는 것은 아니다.
둘째, 암석 중에 주성분으로서의 철이나 알루미늄 등은 매우 낮은 농도 이다. 이것은 해수의 수분을 모두 증발시켜 얻은 염류에서 볼 때도 마찬가지이다. 그 원인은 이들이 물 속에서 안정적인 이온을 만들지 않아 용해되지 않기 때문이다. 육상의 수중에서도 용해의 어려운 점은 동일하며 특수한 경우를 제외하고는 고농도가 되는 것이 아니지만, 비교적 최근 녹거나 (예를 들면, 철 및 망간은 환원 환경에서 녹기 쉽다, 또는 암석의 화학풍화에서 용해된다.), 미세 입자로 존재하며, 해수보다 고농도가 되는 것이 보통이다. 한편, 하천에서 바다에 들어간 미세입자 (현탁입자(懸濁粒子)라고 하지만 현탁입자란 본래는 콜로이드 입자인 것이다. 그러나, 4000 m의 수심을 가진 해양의 경우 진정한 콜로이드 입자보다 큰 모든 입자를 현탁입자라고 부르는 것이 일반적이고 세스톤이라고도 한다. 진정한 콜로이드 입자인 점토입자 등은 음의 전하를 가지고 있고, 육상의 수중에서 서로의 전기적 반발력으로 떠 있다.)는 해수의 강전해질(強電解質) 이온에 의해 전하가 중화되어 응집되고, 제거되는 것이다 (이 문제를 응석(凝析)이라고 하고, 유기물 입자가 수화하여 보호 콜로이드를 만들어 이 물이 다량의 염을 첨가하면 벗겨져 굳는 염석(塩析)과는 별개이다.) 또한 심층수는 잠수되어 천 년 정도 지났기 때문에 그 사이에 위에서 내려 온 입자표면에 흡착되는 등의 농도를 감소시키는 요인도 있다. 표층에서는 생물이 만드는 입자에 들어가게 되어, 그대로 바다에서 제거되는 경우도 있다.
마지막으로, 표층수 중에서 생물이 만드는 입자로 들어가게 되어, 그 입자와 함께 침강하고 심층 또는 해저에서 분해되고 다시 해수로 돌아오는 성분도 있다. 소위 영양염(栄養塩)이라는 성분이 그것이다. 그래서 이 3 가지를 바탕으로 해수 성분을 주성분 형(型), 영양염 형(型), 철.알루미늄 형(型)으로 분류하여 그 특징에 대해 설명하고, 심층수의 화학적 성질들을 기술한다.
□ 주성분 형(主成分 型) 성분
어떤 성분이 해수 중에서 높은 농도가 된다는 것은 그 성분이 해수에서 그리 많이 제거되지 않기 때문이다. 해수 중의 존재량을 단위시간 당 공급량 또는 제거량으로 나눈 수치를 평균체류시간이라고 하는데 이 주성분형의 성분은 평균체류시간이 매우 긴 것이(백만 년 이상) 특징이다. 또한 표층에서 입자로서 들어온 것이 해저 등에서 분해하여 된 영양염 형(栄養塩 型) 성분도 평균체류시간이 길기는 하지만 주성분 형 성분만큼 길지는 않다.
주성분 형 성분(보존성분(保存成分)이라고도 함)의 수직분포는 소위 염분 (S라는 기호를 사용하고, 밀도처럼 단위가 없다. 즉, 농도의 단위를 갖지 않는다. 또, 분(分)은 비율을 나타내는 의미가 포함되어 있기 때문에 이것을 염분 농도라고 하는 것은 좀 이상함)과 동일하다. 그 이유는 해수는 천년 정도에 세계해역을 일주 하기 때문에 평균체류시간 백만 년 이란 바다로 들어가서 나갈 때까지 천 회를 맴돈다는 계산이다. 이러한 주성분 형으로 분류되는 성분의 농도는 평균치에 이 염분 비율을 곱해주면 된다.
이러한 주성분 형 성분의 농도는 해수가 증발하거나 해빙(海氷)이 생길 때 빠져나온 염수가 늘어나면 높아 지며, 강물이나 빗물이 더해지거나 해빙(海氷)이 녹아 내릴 때는 낮아진다. 하구 지역과 얼음이 녹아 내리고 있는 지역, 또는 염분이 40을 넘는 극단적으로 증발이 심한 홍해를 제외한 그 외 바다의 염분은 표층에서 32에서 35 사이에서 10% 정도, 심층수에서 34.8을 중심으로 1% 정도의 변동폭을 벗어나지 않는다. 태평양 심층수의 염분은 34.7 이하로서 대서양 심층수 보다 약간 작은 편이다. 어쨌든, 심층수 중에서는 이 주성분 형 성분의 농도가 일정하다고 해도 실질적으로 차이가 없다. 또한 공급원이 극히 한정된 성분의 경우에는 그 공급원 부근에서 고농도로 될 수 있다. 예를 들면, 해저의 열수(熱水) 분출구 근처의 유황 (황산 이온) 등이다.
주성분 형에 속하는 성분으로는 농도가 높은 순서로, 염소 (Cl), 나트륨 (Na), 마그네슘 (Mg), 유황 (S), 칼슘 (Ca), 칼륨 (K)이 있고 이 6가지 성분은 해수 중의 총 용존 성분량의 99%를 넘는다. 이러한 농도 비율, 즉 조성은 변화하지 않는다. 단, Ca만이 영양염 형(栄養塩 型)의 성격을 가지면서 오래된 태평양 심층수에서 1% 정도 높다. 이것은 석회 껍질인 CaCO3가 심층수에서 녹아, 시간이 지남에 따라 쌓여왔기 때문이다.
해양에의 공급량이 적기 때문에 낮은 농도 (관점에 따라서는 고농도, 또는 중간 농도)지만, 이러한 주성분 형에 속하는 성분으로서는 알칼리금속인 리튬 (Li), 루비듐 (Rb) 세슘 (Cs), 알칼리토류 금속의 스트론튬 (Sr), 할로겐 불소 (F), 브롬 (Br), 20% 정도 영양염 형(程度栄養塩 型)인 요오드 (I)가 있다. 90% 이상이 탄산수소 이온의 형태로 존재하는 탄소 (C)도 10% 정도가 영양염 형(栄養塩 型)이다, 그러나 대부분은 주성분 형이다. 또한 유황 (SO4 2)과 같이 산소산(酸素酸) 이온이나 우라늄 [UO2 (CO3)3 4]과 같이 안정적인 착이온 형태로 존재하는 것이, 붕소 (B), 크롬 (Cr), 몰리브덴 (Mo) 텅스텐 (W), 바나듐 (V), 레늄 (Re), 탈륨 (Tl), 우라늄 (U)이다. 비소 (As)와 안티몬 (Sb)은 영양염 형과 중간의 위치를 하고 있다. 용존가스인 원소형태의 질소 (N2), 불활성가스 아르곤 (Ar), 네온 (Ne), 크립톤 (Kr), 헬륨 (He), 크세논 (Xe)도 이러한 중간 정도로 들어갈 수 있다.
□ 영양염 형(栄養塩 型) 성분
영양염 형(栄養塩 型) 성분은 표층(表層)에서 생물이 만드는 유기물 입자에 포함되어 입자로 되어 침전된 것으로서, 심층(深層) 또는 그 과정에서 재생되는 것이다. 따라서 표층에서는 농도가 낮고, 심층에서는 고농도가 된다. 이와 같이 해수 중에 형태를 바꿔가며 빙빙 돌고 있어 (윤회), 평균 체류시간이 주성분형 정도로 길지 않은 것은 일부가 아직 미분해 상태로 퇴적물에 포함되어 있기 때문이다. 영양염 형(栄養塩 型) 성분은 인산염 질산염 형 성분과 용존 규산 형 성분으로 나눌 수 있다.
. 인산염. 질산염 형(型) 성분
이것은 인(HPO4)과 질산 이온(NO3) 외에 이들과 대칭 관계에 있는 용존산소(O2)와 카드뮴(Cd)이 있다. 탄산(炭酸)처럼 주성분 형에 속해 있어도, 어느 한 특정 부분이 이 형(型)에 속하는 성분도 있다. pH도 변동하는 부분은 용존산소와 비슷한 수직분포가 된다.
이러한 형(型)의 성분은 심층수(해수) 중에서 농도 변화가 비례 관계에 있다. 그 비율은 이것을 처음 발표했던 Redfield, Ketchum and Richards (1963) 논문 저자의 머리 글자를 따서 RKR 비율, 또는 그냥 레드필드 비율이라고도 한다. 현재 사용되고 있는 레드필드 비율은 초기 값보다는 조금 다르다. 특히 심층수에서는 다르다. 그 이유는 광합성으로 생성된 유기물은 처음에는 간단한 탄수화물이었더라도 점차 복잡한 탄화수소적인 단백질이나 지방으로 되고, 출입하는 산소 비율이 크게 되기 때문이다. 또한 핵산 형태로 존재하는 인산은 분해되기 쉽다는 것도 있다. 현재 사용되는 심층수 중에서의 유기물 분해시의 레드필드 비율 (Anderson and Sarmiento 1994)은 원자 비율로 다음과 같다.
P : N : C : O = 1 : 15 : 117 : 350
위의 성분 중 어느 하나의 변화량을 안다면 이 비율에 따라 이 형(型)에 속하는 다른 성분의 변화량을 알 수 있다. 또한 실험으로 얻은 침전입자 시료의 분석치 등을 기초로 유기물의 생성분해에 따른 영향을 모든 성분에 대해 예측할 수 있다.
이 유기물의 분해에 의해 가장 크게 변질된 물, 즉 가장 다량으로 영양염(栄養塩)을 포함한 물이 태평양의 산소극소층 물인 것이다. 이 물은 인을 3 mol/kg 정도 포함하기 때문에, 이 물 1 m3을 퍼 올려 전체를 유기물로 바꾼다면 유기탄소 함량이 4 g 정도 된다. 유기물 양으로 치면 그의 약 2 배로서, 유기물을 10 % 포함한 생물체가 될 수 있었다고 친다면 그 양은 80 g이 된다.
해수 중에서의 거동이 인과 거의 유사한 것이 카드뮴이다. 유기물의 인 (카드뮴도 마찬가지)이 분해되면 다시 해수로 돌아가버리고, 유공충(有孔虫) 등이 만드는 탄산칼슘의 결정 격자에 포함된 카드뮴은 퇴적물 중에 남게 된다. 따라서 이러한 카드뮴을 측정한다면 유공충(有孔虫)이 서식하는 환경의 인의 농도를 알 수 있게 된다. 이리하여 빙하시대 바다의 영양염(栄養塩) 농도, 즉 생물의 생산을 파악하는 일이 시도되고 있다.
. 용존 규산염형(硅酸鹽 型) 성분
인이나 질소는 생물체의 연약한 부위인 근육 부분에 들어가는 반면 실리콘은 탄산 칼슘과 함께 생물체의 경질 부위인 껍질로 들어간다. 그래서 표층에서 생긴 생물체가 물 속에 있을 때 녹아서 나오는 비율은 적고, 주로 해저에서 녹는다. 태평양에서는 저층에 심층수가 흘러 들면서 처음 추가되고 나서 점차 부상하기 때문에, 심층수 중에서 인 정도로는 수직적인 농도 변화가 없게 된다. 그래도 용존 규산 극대층(인 보다는 작고, 깊은 곳에 있다)이 있는 것은 약간의 해수 중에서도 녹는다는 사실과, 얕은 바다 해저에서 녹은 것이 수평혼합 하여 균일화 되었기 때문이다. 그러나 가장 두드러진 특징은 태평양과 대서양의 차이이다. 북태평양 심층수는 인이나 질산이 북대서양 심층수의 2 배 정도의 농도지만, 규산의 농도는 7 배 정도로 높다.
이것은 저층을 흐르면서 점차로 추가되고 있기 때문이다. 이 태평양 심층수가 올라오며 만드는 북태평양 생태계는 매우 특이하다. 게다가, 이것은 서북부 북태평양에서 주목할 만하다. 왜냐하면, 북태평양 동부에서는 서북쪽에서 올라 온 해수가 중층수로 되어 흐르며 부상하기 때문에 그 동안 인이나 질산이 부가되지만, 규산은 별로 추가되지 않기 때문이다. 즉 동부 북태평양 해수의 영양염은 고농이지만, 규산의 비율은 낮아지고 있다.
신생대에 들어가면서 해수 중의 용존 규산은 방산충(放散虫)에서 주로 규조류(珪藻類)가 사용하는데로 바뀐다. 수온도 떨어지고 규조류을 출발점으로 하는 먹이사슬이 우선되었다. 그런데 규조류만이 번식되면서 서북부 북태평양에서 조차 규산이 먼저 고갈 된다. 이것은 서북부 북태평양에 출현하는 초봄의 식물 플랑크톤블룸의 중요한 열쇠를 쥐고있는 것이 규산이라는 것을 의미한다. ,
재미있는 것은 규산 용해도가 온도 의존성이 매우 크다는 것이다. 규산의 용해도를 정확하게 결정하는 것은 어렵지만 화학편람에 의하면 0 °C에서 3 mg/L, 25 °C에서 12 mg/L 이다. 온도상승으로 이처럼 급격히 용해도가 증가하는 화학물질은 드물다. 따라서 열대지역에서는 규산이 녹아 버려 색 바랜 점토로 된다. 온대지방에서는 표면에서 일단 녹은 규산이 지하의 낮은 온도인 곳에서 다시 재침적 되기도 하고, 새로운 점토 광물인 백토(陶土)를 만들기도 한다. .
북쪽 지방에서는 규산이 거의 녹지 않는다. 일본 아리아케우미(有明海)의 김(海苔) 문제도 예년에 없는 고온 다우(多雨) 였기 때문에 다량의 규산이 육지에서 흘러 들어 김(海苔)으로 가는 인이나 질소 등의 영양염(栄養塩)이 부족했기 때문이라고 생각한다. 또한 규산은 빙기(氷期) – 간빙기(間氷期) 주기와 바다 생물 생산 관계의 문제에서도 중요한 역할을 하고 있다고 생각할 수 있다.
이처럼 해저에 녹아 들어 회류하는 용존 규산 형(型) 성분에는 그밖에도 게르마늄 (Ge), 바륨 (Ba), 라듐 (Ra), 아연 (Zn), 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 은 (Ag ), 수은 (Hg) 등이 있다. 특히 바륨 및 라듐은 규산과 비슷한 행동을 한다. 바꿔서 말하자면 농도가 높은 심층수에서 거의 포함되지 않은 표층수까지 큰 변동이 있기는 하지만, 어느 해역에서 이들 3 성분의 농도를 한 번 재 본다면 이 가운데 1 성분만의 측정 값을 얻더라도 다른 2 성분의 농도가 추정될 수 있다는 것이다.
상기의 전이금속에 속하는 성분은 표층에서는 농도가 낮고 심층에서는 농도가 높은 점이 공통점이지만, 성분마다 해저에서의 재생 정도가 다르기 때문에 이것이 평균 체류시간에 반영되고, 해수 농도 / 평균 지각(地殻)조성 비율이 동일하다는 의미는 아니다. 단, 아래의 철 알루미늄 형 성분에 비하면 그 비율은 훨씬 크다. 또한 구리처럼 깊이에 대해 직선에 가까운 정비례로 농도가 증가하는 성분도 있다. 이것은 구리가 표층뿐만 아니라 중심층 수중에서도 제거되거나 재생됨을 보여주고 있다. 화학성분은 아니지만, 탄산칼슘이 표층에서 생성되고 해저에서 녹기 때문에 알칼리도(度)의 분포도 규소에 비슷하게 분포하게 된다. 물론 그 대부분은 보존성분 형(保存成分型)이므로 2 meq/kg을 초과한 부분만 용존 규산염 형이다.
□ 철. 알루미늄 형 성분
이러한 형(型)은 위의 해수 중 농도 / 평균 지각(地殻) 조성 비율이 작은, 즉 해양에서의 평균 체류시간이 매우 짧은 성분이다. 주성분 형 성분과 같은 안정된 용존 이온 형은 존재하지 않지만, 해수를 여과하면 여지(濾紙)의 망을 빠져나가는 부분이 많다. 그래서 이들은 해수 중에서 용존상태로 있다고 보는 연구자도 있다. 암석에서 미량 성분인 금속 성분에서는 그만큼 순전한 고상(固相)을 생각한다면 해수 중에서의 존재량은 용해도 이하로 보는 것이 자명하다. 그러나 그 중에서 주성분인 철, 알루미늄 (점토 광물), 망간 등과의 혼합결정(混晶 또는 共晶)을 이루고 있다면 용해도 이상이 된다. 또한 이러한 것에 대한 방사성 동위원소의 분포를 분석하여 보면 입자로서 행동하고 있다. 이 사실을 바탕으로 나는 이러한 형(型)의 성분은 해수 중에 진정한 용질 (溶質, 용매에 녹인 것)로서가 아니라, 콜로이드 입자 혹은 고분자 물질에 포함되어 존재하고 있다고 생각 있다.
이들은 수직 분포 형태에서 철 형(型)과 알루미늄 형(型)으로 더욱 세분화 할 수 있다.
. 철 형(型) 성분
철 형 성분은 표층보다 심층에서 농도가 증가하는 그룹이다. 이것은 유기물과의 착체(錯体)를 만들고있기 때문으로 보인다. 물론, EDTA 착체(錯体)로 대표되는 안정적 착체(錯体)가 아닌, 유기물과 여지(濾紙) 눈에서 빠질 정도의 친화성이 있다 할 정도인지도 모른다. 또는 수산화물 등의 무기적(無機的) 콜로이드 입자인지도 모른다.
이러한 형(型)에 속하는 성분은 철 (Fe) 외에도, 베릴륨 (Be), 티타늄 (Ti), 지르코늄 (Zr) 스칸듐 (Sc), 이트륨 (Y), 란탄족의 란탄 (La) 이하 15 개 원소, 토륨 (Th) 등이 있다.
철은 표층 해수 중에는 거의 없고, 깊어질수록 증가하여, 심층수 중에서 0.03 g/L 정도의 농도가 된다. 즉, 인 및 질소 등의 영양염(栄養塩)과 거의 동일한 수직 분포의 형태를 하고 있다. 반면 철은 +2와 +3가 사이에서 산화 상태를 비교적 쉽게 바꿀 수 있기 때문에 생물에서는 매우 중요한 성분의 하나가 되고 있다. 따라서 필요로 하는 철분의 양은 무시할 수 있다. 그러나 철은 해수 중에서는 매우 없어지기 쉽고 저농도 이므로 표층으로 오르는 심층수 중에서 광합성을 하는 경우 영양염 보다 철이 먼저 없어져 버린다. 실제로 세계 해양의 곳곳에는 영양염은 남아 있지만 철이 없기 때문에 생물 생산이 억제되는 곳이 있다.
그래서 바다의 생물 생산량을 올리고, 그것에 의해 대기 중의 이산화탄소를 줄이기 위해 바다에 철을 뿌리는 실험을 하고 있다. 이것이 효과적 일까? 또한 지구에 추위가 오고 대기의 이산화탄소도 적었던 빙하 시대의 출현 원인으로 건조한 대륙에서 철을 포함한 다량의 토양 입자가 바다로 공수되었기 때문이라고 알려지고 있는데, 이것이 진실일까? 모두 만약 철분이 증가하지 않았다면 그 물의 영양염은 어떻게 되었는가를 안다면 해결 된다. 철은 육지에서는 주성분이므로 하천이나 대기로부터 항상 공급되고 있다.
따라서 그 표면수가 표면에 오랫동안 머물러 있으면 곧 그 영양염(栄養塩)은 생물 생산에 사용되어 버린다. (아열대 지역의 표면수가 그렇다). 그래서 철(鉄)을 살포하기 위해서는 수직혼합이나 새로이 형성되는 중간 심층수에 의해 하층으로 들어오는 영양염이 감소하면 효과가 있다는 것이다. 그 양은 해수가 함유한 Preformed P 또는 Preformed N (해수 중에 존재하는 영양염 양에서 산소 소비로 재생된 부분을 뺀 것)의 감소량과 같게 된다. 북태평양에서는 심층수가 밀어 올려지고, 고위도 지역의 겨울에 심층수가 만들어질 때 대부분 생물 생산이 되지 않음을 고려하면, Preformed P의 감소는 쉽지 않으리라는 생각이다.
. 알루미늄 형(型) 성분
알루미늄 형 성분은 표층에서 농도가 높다. 이것은 알루미늄 (Al)은 물론, 망간 (Mn), 코발트 (Co), 주석 (Sn), 납 (Pb) 등이 포함된다. 또한, 납은 환경 오염으로 인해 일시적인 것일지 모르나, 너무 농도가 낮고 부정확하여 향후 정확한 측정이 될 경우, 철 형과 알루미늄 형 간에 교체되는 성분이 있을지도 모른다. 백금족의 6가지 원소들처럼 여전히 분류할 수 없는 것도 있다.
□ 심층수 중의 용존(溶存) 유기탄소
해양 생물은 여러 가지 유기물을 만들고 있으며, 또한 육상이나 대기권에서도 유기물이 바다로 들어온다. 단지, 그 대부분은 바다 표층에 추가되는 것이기 때문에 중간 심층수에서 다른 유기 화합물로 변화하는 것이 있다 해도, 혹은 해저 가까이에 약간 높아진다고 해도, 그 모든 유기물 농도는 표층에서 높고 심층에서는 낮은 것이 보통이다.
한편, 심층의 용존(溶存) 유기물의 방사성 탄소 연대는 수 천 년에 달하는 것으로 알려져 있다. 반대로 말하면 연간 심층수로 들어가는 유기물 양은 그 존재 량의 수천 분의 1이라는 것이 된다. 즉, 만약 3000 m의 심층수 기둥에 평균 50 gC/L의 용존 유기탄소가 존재하고 그 평균 연령이 3000 년이었다고 하면, 갱신된 용존 유기탄소는 50 mgC/m2/yr 밖에 안 된다. 만일 표층에서 아래쪽으로 빠져가는 유기탄소 (용존 되거나, 입자 형태로 된)가 5 gC/m2/yr 였다고 하면, 그의 99%는 심층수에는 용해되어 들어오지 않고 분해되어 가는 것이다.(일부는 퇴적(堆積)). 따라서 화학 물질의 운동이라는 면에서 본다면, 용존 유기탄소는 연관성이 없는 존재라고 할 수 있다.
이러한 점은 또한 여지(濾紙) 망을 빠져 나온 용존 유기탄소라 하더라도 표층의 것과 심층의 것과는 다르다는 것을 의미한다. 왜냐하면 표층수에는 심층수의 2-3 배 이상의 유기탄소가 존재하고 그것이 수 천 년의 수명을 지니는데, 출입 밸런스가 맞지 않기 때문이다. 그래서 표층수에 과잉으로 존재하는 수명이 짧고, 반응성이 높은 유기물을 용존 형태라고 말하기 보다는, 콜로이드 입자와 같은 입자 형태라고 생각된다. 왜냐하면, 박테리아 등이 그런 희박 용액의 유기물을 분해하여 살아가는 것은 어렵기 때문이다.
□ 평균 체류 시간
평균 체류시간은 바다에 추가되는 성분(원자)이 평균 어느 정도 남아있는가? 라는 숫자이다. 이것은 정상 상태라면 해양에 존재하는 전량을 연간 들어오는 량과 나가는 량으로 나누면 얻을 수 있다. 그러나 바다는 비이커에서 처럼 교반 할 수가 없고, 공간적으로 (지리적으로, 수직적으로도) 불균일 하다. 생물이 있으며, 침강 도중의 입자가 있고, 모두가 동일한 화학 형태로서 존재하는 것이 아니다. 또한 심층수가 대부분을 차지하지만, 연안 지역이 큰 영향을 주는 경우가 많다. 그 외에도 복잡한 실제 바다에는 여러 가지 문제가 있다. 그래서 角皆(1985)는 다음과 같은 개념에서 평균 체류시간을 설명했다. 이것은 이해를 돕기 위해, 바다 속에 있는 화학 성분을 지구상에 사는 인간을 비유한 것인데, 편의상 문명국가, 재해국가, 미개국가라고 이름 붙였다.
. 문명국가
문명이 발달한 나라에서는 모든 인간이 하늘이 준 수명을 마치면 모두 동일한 정도의 나이에 죽는다. 즉, 사는 사람의 평균 연령은 죽은 사람의 평균 수명의 거의 반이 된다. 이것은 방사선으로 치자면, 선(線) 모두가 거의 같은 거리를 이동하여 소멸한다. 바다의 경우 예를 들면 해수에 균일하게 녹아있는 234 U 방사선 방사능 붕괴감쇄에서 생성되는 230 Th (반감기 75,000 년)이 깊이에 비례하며 거의 선형적으로 증가하고 있다. 이것은 이러한 형(型)에서 제거됨을 보여주는 것이다. 철 알루미늄 형(型) 성분의 대다수가 이 메커니즘, 즉 문명국 형(型)으로서 제거된다고 본다.
. 재해의 국가
전쟁 등의 재해가 많고 거기에 사는 국민이 마구잡이 무작위적으로 죽어 나가는 경우이다. 이 경우 살아 가는 사람의 평균 연령과 죽는 사람의 평균 수명은 동일 하게 된다. 그리고 그 연령 분포는 햇수와 함께 기하 급수적인 감소 곡선이 된다. 이것은 방사선으로 말하자면 선(線)으로 일단 충돌하면 소멸한다. 이 1 차 반응적인 제거는 화학자들에게는 생각하기 쉬운 것으로, Craig et al (1973)은 해양에서 Th 동위 원소나 210 Pb를 제거시키는 방법으로, 재해 국가 형 제거의 Scavenging Model을 제시했다. 그러나 이것은 잘못되었다. 그래서 해양에서 3H (반감기 12.5 년)나, 비활성 기체의 인공 방사성 동위 원소를 제외하면, 이러한 형(型)으로 제거되는 성분을 찾아낸다는 것은 곤란할 것이다.
. 미개 국가
평균 수명이 짧았던 에도(江戸)시대에서도 꽤 장수하는 사람이 있었다. 이것은 유아 사망률이 높기 때문에 평균 수명을 단축하게 되는 것인데, 이 시기를 지나 전염병 등이 없으면 천수를 완수 할 수 있었기 때문이다. 바다의 경우 얕은 해안 지역은 육지에서 유입 물질이 있고 활발한 생물 생산이 있으며, 외양(外洋)으로의 물질 이동을 크게 방해하고 있다. 그러나 여기를 통과하는 물질은 넓고 깊은 외양(外洋)에서 천천히 제거된다. 실제 바다에서 많은 화학 성분의 제거는 이 형(型)에 가장 가까운 것이라고 생각된다.