최근에는 환경과 에너지 분야에서 광촉매가 주목받고 있는데요, 광촉매는 빛을 받으면 촉매 작용을 하는 물질입니다.

해가 뜹니다. 그럼 빛이 들어오겠죠? 자, 여기 광촉매가 있습니다. 얘가 빛을 받게 됩니다. 그러면 물을 광분해해서 수소와 산소를 만들 수 있기 때문에 에너지 문제를 해결하는 방법이 될 수 있습니다. 그리고 표면에서 물이나 산소와 반응해서 활성 산소를 만듭니다.

활성산소는 산소가 포함된 화학적으로 매우 반응성이 강한 분자나 이온을 의미합니다. 그래서 활성산소는 반응성이 커서 유해 물질을 분해할 수 있습니다. 여기 까지가 교과서에 있는 내용이고 아주 조금 자세히 보자면

빛이 광촉매에 흡수되면 광촉매 내부에서 전자와 정공이 생성됩니다. 빛이 촉매에 흡수되면 전자가 전도대로 이동하고 정공을 가전자대에 남게 됩니다. 이 전자와 정공은 매우 반응성이 높아 주변의 물질과 반응을 일으켜 화학 반응을 촉진합니다.

광촉매는 주로 이산화티타늄을 이용합니다. 이산화티타늄은 공기 중의 유해물질(이산화질소NO2)을 분해하고 물 속의 오염 물질을 제거하는 데 사용됩니다. 공기청정기나 수처리 시스템에서 자주 사용되고 있죠.

하지만 몇 가지 한계도 존재하는데요, 대표적으로 밴드갭이 크다는 점에서 자외선만을 활성화할 수 있어서 이를 해결하기 위해 연구가 진행되고 있다고 합니다. 여기서 밴드갭은 고체 물질에서 전자가 이동할 수 있는 에너지 범위를 설명하는 개념입니다. 아까 말한 전도대와 가전자대라는 두 영역으로 나누어 지는 것입니다. 그러니까 밴드갭이 크다는 뜻은 전도대와 가전자대의 사이가 멀다는 뜻이죠.

이상으로 발표를 마치겠습니다.

-삼투압은 용액의 농도 차로 인해 용매가 반투과성 막을 통과하여 농도가 높은 쪽으로 이동하려는 경향을 가진 현상이다

이때 용매가 이동하려는 힘에 저항하기 위해 외부에서 가해져야 하는 최소한의 압력을 삼투압(π)이라고 정의함

이는 용질 입자들이 용매의 자유로운 이동을 방해하기 때문에 생기는 용질의 수적 효과 중 하나이다.

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삼투압은 반트호프의 식으로 표현, 이는 이상용액을 전제로 한 식

> π = CRT

π: 삼투압

C: 용액의 몰농도

R: 기체상수

T: 절대온도

이 식은 삼투압이 용질의 농도에 비례, 온도가 높아질수록 증가한다는 것을 보여줌

특히 전해질 용액의 경우에는 반트호프 인자(i)를 곱해 <π = iCRT>로 보정하여 사용한다

이는 해수와 같은 이온성 용액에서의 삼투압을 정밀하게 계산할 때 중요!!

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-역삼투압의 원리

삼투 현상과 반대로 작용하는 역삼투압은 고농도 용액 쪽에 삼투압보다 큰 외압을 가해 용매가 낮은 농도 방향으로 이동하도록 유도하는 인위적인 과정

이 과정에서는 삼투 평형 상태를 역전, 고농도 용액에서 순수한 용매를 역방향으로 이동시킴. 이는 비자발적인 과정으로, 외부 에너지 공급이 반드시 필요

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-기술 소개-

해수 담수화 기술 – 역삼투압 시스템

이러한 역삼투압 원리를 실제 산업적 규모로 적용한 것이 바로 RO 시스템이다

전 세계 담수화 시설 중 약 70% 이상이 RO 시스템을 채택하고 있을 정도로 가장 보편적이고 효과적인 기술입니다.

이 기술에서 핵심 역할을 하는 것은 고분자 재질의 반투과성 멤브레인

대표적으로는 폴리아미드(=아마이드 결합을 포함하는 고분자 화합물!, 나일론이 대표적인 예시)계 고분자로 이루어진 나노 여과막이 사용되며, 이 막은 물 분자는 투과시키고, 이온 크기의 염류, 중금속 이온, 바이러스, 박테리아 등의 큰 입자나 전하를 띤 물질은 차단한드

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-작동 과정

1. 전처리 과정

바닷물에는 다양한 입자성 물질, 유기물, 미세조류 등이 포함되어 있으므로, 이를 모래 여과기, 활성탄 필터, 정밀 여과막등을 이용해 먼저 제거

이 과정은 막 오염(fouling)을 예방하고 시스템의 안정성을 유지하는 데 매우 중요!

2. 고압 펌프 압축 단계

바닷물은 약 60~80기압의 고압으로 압축되어 반투과성 멤브레인으멤브레인ㅎㅏㄴ다

이는 일반적인 해수의 삼투압보다 훨씬 높은 압력

3. 멤브레인 투과

RO 멤브레인은 나노 단위의 미세구조를 가지며, 물 분자는 통과시키지만 대부분의 이온 및 유기물은 투과하지 못하ㄷ 게 되ㅁ

이 과정에서 염류 제거율은 99% 이상에 달한다

4. 담수 수집 및 농축수 처리

멤브레인을 통과한 순수한 물은 담수 저장조에 모이고, 염류가 농축된 농축수(ex-브라인, brine)는 재방류되거나 농도 조절 후 폐기된다

일부 시스템에서는 에너지 회수 장치(ERD)를 통해 농축수의 압력을 다시 활용하여 에너지 효율을 향상시키기도 함

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-기술적 장단점 분석-

장점

염 제거 효율이 매우 높음 (99% 이상)

연속 처리 가능하며 자동화 시스템과 연동 가능

약품 사용이 적어 상대적으로 친환경적

다양한 수질의 해수에 적용 가능

단점

고압 작동에 따른 에너지 소비가 큼 (전체 운용 비용의 약 40% 이상)

멤브레인 오염 문제가 발생할 수 있발생->정기적인 역세척 및 교체 필요

농축수 배출 시 해양 생태계에 미치는 영향 우려

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+추가) -응용 및 실제 사사-

RO 기술은 특히 사막 기후 지역, 강수량이 적은 국가, 지하수 고갈 지역에서 중요한 대안으로 주목받는다

사우디아라비아, 이스라엘, 아랍에미리트 등은 해수 담수화 설비를 국가 전략 인프라로 적극 구축 주이며, 싱가포르의 NEWater 프로젝트에서는 역삼투압과 정밀여과, 자외선 소독 기술을 결합하여 재활용수와 해수 담수화를 병행병행하 있다

또한 최근에는 재생에너지(태양광, 풍력)와 연계한 RO 시스템 개발, 고성능 멤브레인 소재 연구, 인공지능 기반 운용 최적화 등 에너지 절약형, 스마트 담수화 기술로의 발전이 활발히 이루지고 있드

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안녕하세요 금속결합과 금속3D프린팅에 대해 발표할 7반 15번 이근영입니다.

1.

자 여기 금과 구리와 철이 있습니다 이 친구들의 공통점이 무엇일까요?

2.

네, 바로 금속결합을하는 것 입니다.

이미 교과서에서 배워서 잘 알고있을텐데요,

3.

금속 결합이란 금속 원자들이 서로 전자를 공유하며 형성되는 결합입니다.

전자가 자유롭게 이동하며 전자구름을 형성하고 이 구름 덕분에 금속 원자들이 서로를 더 강하게 끌어당겨 단단하고 유연한 구조를 갖게 됩니다.

4.

그렇다면 금속결합을 하는 이 철, 금, 구리와 공유결합을하는 다이아몬드의 차이점은 무엇일까요?

5.

금속결합은 연성과 전성와 전기전도성이 있는데 반해 다이아몬드는 늘어나지도 않고 전기가 잘 통하지도않습니다.

6.

금속결합을 하는 물질, 즉 금속들에게는 여러 특징이 있는데요, 먼저 연성과 전성이 있어 외부힘에도 쉽게 부셔지지 않습니다.

이런 성질을 띄는 이유는 금속원자들이 규칙적 배열을 하고있어 힘이 가해져도 금속 이온들이 유연하게 이동하면서 전자구름이 유지되기 때문입니다.

그리고 전기 전도성을 갖고있는데요, 외부에서 전기가 들어오면 전자가 이동하면서 전류를 형성해서입니다. 금속은 금속만의 광택을 띄는데요, 다이아처럼 빤짝거리는게 아니라 약간 오묘하게 아 지금 빛이 반사되네? 싶은광택을 띄는데 그 이유는 자유전자들의 빛 에너지를 흡수하고 반사시키기 때문입니다.

7.

이제 금속3D프린터에 대해 말씀드리겠습니다.

8.

금속 3D프린터는 금속가루을 고출력 레이저나 전자빔으로 녹여 층층이 쌓는 방식을 주로 사용합니다.

저는 대표적으로 쓰이는 방식 3개를 소개하려합니다. 먼저 선택적 레이저 응용 방식이 있는데요, 레이저빔이 금속 가루를 녹여 단단한 금속 구조를 만들어 층층이 쌓는 방법입니다.

10에서 60마이크로미터의 금속가루를 얇게 도포시키고 레이저를 쏘는 것을 반복하여 쌓으면 빈틈없는 밀도의금속 구조를 갖을 수 있어 정밀한 부품이 요구되는 항공우주나 자동차, 의료용 금속 부품제작에 많이 사용됩니다.

대신 비싸고 에너지도 많이 들어요.

9.

직접 금속 레이저 소결 방법은 금속가루를 완전 녹이는게 아니라 살짝 지져서 붙이는 것입니다.

용융시키는 것이 아니기 때문에 빈틈이 생길수 있습니다.

금속합금이나 복잡한 소재 조합하는데에 자주 쓰입니다.

10.

전자빔 용융은 레이저가 아니라 전자빔을 이용해서 금속 가루를 녹이는 것입니다.

전자빔은 공기에서 흩어지기 때문에 진공상태에서 작업을 하는데 덕분에 금속이 산화되지않고 결정 성장도 안정적으로 진행됩니다.

대신 금속 전도성이 있는 물질에서만 사용이 가능합니다.

금속 3D프린터의 종류 중 하나인데 재료에 전도성이 있어야한다는 조건이 왜 붙을까요?

11.

어짜피 금속은 금속결합으로 인해서 모두 전기 전도성을 갖는데 말이죠.

12.

근데 아닙니다.

13.

금속이라고 해서 늘 전기전도성이 높음을 의미하는 것이 아닙니다.

전기전도성이 거의 없는 금속도 있습니다.

예를 들어 비스무트나 망가니즈, 티타늄, 지르코늄이 있습니다.

티타늄은 전자 이동성이 낮고 그 외의 금속들은 자유전자수가 낮은 경우에 매우 낮은 전기전도성을 띄게 됩니다.

이 친구들이 전기전도성이 낮은 이유가 대게 자유전자가 적어서이죠?

때문에 전기전도성이 낮은 친구들은 전성와 연성도 낮습니다.

제가 비스무트 결정실험을 하고 쪼개기위해서 던져보았었는데요, 아주 잘 부셔졌었습니다.

하지만 광택은 전자의 수보다는 전자의 구조와 결정 구조가 더 중요하기 때문에 전기전도성이 낮다고해서 광택을띄지 않는것은 아닙니다.

여기 비스무트를 보면 알 수 있습니다.

14.

감사합니다.

발표 순서는 화학 평형과 르 샤틀리에 원리의 정의를  파악하고 조건별 적용되는 예시들과 실생활 활용을 알아본 후 발표를 마치겠습니다

먼저 화학 평형이란, 정반응과 역반응의 속도가 같아진 상태로, 겉보기에는 반응이 멈춘 것처럼 보이지만, 실제로는 동적으로 반응이 진행 중입니다.

예를 들어, 이러한 반응의 평형 상태가 있다면 이때 농도, 온도, 압력 등이 변하게되면 르 샤틀리에 원리에 의해 평형은 변화를 줄이려는 방향으로 이동하게 됩니다.

여기서 르 샤틀르에 원리란, 평형 상태에 있는 반응에 온도, 농도, 압력의 변화를 주면, 가능한 이 변화의 효과를 줄이는 방향으로 이동하는 원리입니다.

쉽게 말하면, 방해를 받으면 그걸 되돌리려는 성질입니다. 마치 사람이 밀리면 다시 중심을 잡으려는 것처럼, 반응도 중심을 되찾기 위해 움직입니다.

다음으로 농도, 압력, 온도 변화의 각 조건별로 어떻게 적용되는지 예시를 들어 알아보겠습니다.

먼저 농도 변화에서는 만약 이런 반응 상태에서 H2를 더 넣는다면 르 샤틀르에 원리로 평행이 오른쪽으로 이동해서 HI를 더 생성하게 됩니다.

다음 압력 변화에서는 이런 반응 상태라면 여기서 압력이 높아지면 기체 분자 수가 적은 쪽 즉, 오른쪽으로 평형이 이동합니다.

그리고 온도 변화에서는 발열 반응 상태에서 온도가 증가하게되면 역반응 방향으로 평형이 이동합니다.

반대로 흡열 반응에서 온도가 증가한다면 정반응으로 평형이 이동합니다.

마지막으로 실생활에서의 활용으로는 호흡 조절과 혈액 평형을 알아보았습니다. 혈액 속에서 이런 반응이 일어나는데 이때 CO2가 증가하면, H+ 농도가 증가하고 혈액이 산성화 됩니다. 그래서 이에 따라 르 샤틀리에 원리에 의해, 반응은 pH를 높이기 위해 역반응 쪽으로 평형이 이동합니다.

이상으로 발표를 마치겠습니다. 감사합니다.