<이웃집과학자>는 이번에 필진을 새로 모집했습니다. 전문가들 뿐만 아니라 비전문가들에게도 문호를 개방했는데요. 과학 자체를 좋아하고 자신이 관심 있는 분야에 대해 글을 작성해 <이웃집과학자> 이웃님들과 공유하고 싶어하는 학생들이 많았기 때문입니다. 다들 실력과 열정을 겸비한 멋진 분들인데요. 이런 점 감안해 학생들의 콘텐츠는 너그럽게 봐주시면 좋을 것 같습니다. -편집자 주

 

최근 집에서 '심슨 가족, 더 무비'라는 영화를 봤습니다. 이 영화는 심슨 가족 시리즈가 다 그렇듯이 사람들의 어리석음을 심슨 가족의 일상을 통해 풍자하는 형식이었는데요. 

 

이번에 다룬 내용은 환경오염에 관한 것이었습니다. 점점 오염되는 스프링필드 호수와 그 심각성을 잘 인식하지 못하는 사람들의 태도로 인해 스프링필드는 위기에 처했는데요(영화 스포 조심).

 

심슨 가족의 노력 덕분에 위기에서 벗어나게 되지만 안타깝게도 스프링필드 호수는 오염된 채 남았습니다. 짧은 영화로는 오염된 스프링필드 호수를 정화시키는 내용까지 담아내기 힘들었던 것(혹은 옴니버스식 만화라 다음 화에서는 해결되어 있을 거라서) 같은데요. 그래도 스프링필드 주민들은 앞으로 호수에 함부로 쓰레기를 버리지 않을 것 같습니다. 그리고 이 영화를 본 사람들 중에는 수질 오염에 관한 메시지를 얻어가는 사람들도 있겠지요.

 

멸망 직전의 상황에 놓였던 스프링필드를 반면교사 삼아 수질오염을 해결할 수 있는 방법에 대해 한 번 생각해 봅시다.

 

수질 오염에 영향을 끼치는 요인에는 생활하수, 산업 폐수, 축산 폐수, 농약, 비료 등이 있습니다. 이 중 가장 큰 오염원은 생활하수인데요. 생활하수는 대체로 설거지나 세탁, 목욕을 할 때 쓰는 비누나 세제로 인한 물과 화장실 하수 등입니다.

 

이 생활하수는 다양한 방식으로 수질에 악영향을 끼치는데요. 그 중 계면활성제(친수성 부분과 소수성 부분이 공존하는 화합물로 특성을 활용해 비누 등에 쓰이는 화합물)의 농도가 1ppm 이상인 경우 물 위에 피막이 형성돼 햇빛과 산소를 차단한다고 합니다. 햇빛이 차단되면 빛을 이용해 광합성 하는 생명체들이 죽게 되고, 이를 분해하기 위해서는 산소가 필요한 상황이 되죠.

 

그러나 계면활성제 때문에 이미 산소는 부족해진 상태이고, 사체를 분해하기 위한 산소도 함께 소진되면서 산소를 기반으로 살아가는 수중 생태계에 악영향을 끼치게 됩니다. 광합성으로 살아가는 생명체들, 즉 몇몇 수중 생물의 먹이들이 살아남지 못한 것도 수중 생태계에는 큰 타격을 주겠지요.

 

또, 어떤 합성세제에는 오염을 제거하고 재오염을 방지하며 분말형 세제에서는 굳어서 뭉치는 것을 막는 역할을 하는 인산나트륨이 들어있는 경우가 있습니다. 합성세제 계열에서는 가장 효율적인 성능을 가진 물질이지요.

 

그러나 인산염에는 수질 부영양화라는 심각한 문제가 있습니다. 인이나 질소 등은 생명체가 살아가는 데 필수적으로 필요한 영양분입니다. 합성세제가 포함된 가정 하수와 농장에서 나온 비료가 섞인 폐수, 공장 폐수 등이 하천에 유입되면 물에 인, 질소 등의 성분이 많아집니다. 이 영양분을 다량 섭취한 플랑크톤은 개체수가 폭발적으로 늘어나게 됩니다. 이들은 물 위를 덮어 햇빛과 산소를 차단하게 됩니다(녹조).

 

햇빛과 산소가 차단되면 수중 생태계가 타격받고, 이로 인해 생긴 사체들은 산소가 부족한 상태에서 분해되기 때문에 분해 과정에서 악취가 많이 발생하죠. 이는 주변 생활환경에도 악영향을 끼칩니다. 또한 물 안에 제대로 분해되지 못하고 있는 사체들이 증가하는 상황 역시 수질에 악영향을 끼칠 것입니다.

 

한편, 표백제나 섬유유연제 등 역시 인을 표함하거나 계면활성제를 포함하는데요. 환경과 인체에 나쁜 영향을 끼치는 주된 요인입니다.

 

이런 문제를 해결하며, 동시에 건강까지 챙기기 위한 노력으로 합성세제나 섬유 유연제 대신 좀 더 친환경적인 다른 물질을 사용해서 세탁을 하려는 사람들이 점점 많이 생기고 있는데요. 

 

이러한 세탁 방법들과 그 과학적 원리를 알아보고 이를 바탕으로 새로운 세탁 용품 대체 물질들에 대해 한 번 생각해 봅시다.

 

첫 번째 방법입니다. 흰 옷의 경우 표백제 대신 시중에 판매하는 과탄산소다를 이용하여 옷을 표백하는 것입니다.

 

이 방법의 원리를 알기 위해서는 먼저 표백의 원리에 대해 알아야겠죠? 표백제는 산화표백과 환원 표백으로 나뉘는데요. 산화표백은 옷에 묻은 유기화합물의 분자 구조를 파괴하는 형태로 표백합니다.

 

색을 가진 거대분자 유기화합물은 이중결합이 있는 긴 탄소사슬을 가지고 있는데요. 이 탄소사슬의 이중결합을 이루고 있는 전자들은 이중결합을 하는 위치에만 있지 않고 긴 결합사슬을 따라 움직입니다.

 

움직이는 과정에서 전자는 빛을 흡수하게 되고, 11개 이상의 이중결합을 가지고 있는 경우 흡수하는 빛의 파장이 가시광선 영역 안으로 들어오게 됩니다. 그렇게 되면 유기분자는 흡수한 빛의 보색(빨간색을 흡수했다면 초록색)을 띠게 됩니다. 그러나 이 이중결합이 산화나 환원으로 인해 중간에서 끊기면 흡수하는 빛 에너지의 파장이 달라져 더 이상 색이 보이지 않게 됩니다.

 

염료를 산화시켜 옷을 표백하는 산화표백제는 염소계와 산소계로 나뉘는데요. 염소계는 차아염소산 나트륨을 주로 사용하는데, 표백제를 물에 녹였을 때 발생하는 차아염소산이 산소를 발생시켜 표백 작용을 하는 원리입니다.

 

산소계는 과탄산소다를 주요 원료로 사용합니다. 과탄산소다가 물에 녹을 때 발생하는 활성산소가 표백작용을 합니다. 환원 표백은 아황산수소 나트륨을 주로 사용하는데요. 물에 녹으면 발생하는 이산화황 기체가 때를 환원시키면서 표백을 하는 원리입니다.

 

그렇다면 과탄산소다의 표백 원리에 대해 알아볼까요? 과탄산소다는 물에 녹으면 과산화수소와 탄산나트륨으로 분해됩니다.

 

2 Na2CO3 · 3 H2O2 → 2 Na2CO3 + 3 H2O2

 

이 과정에서 활성산소가 발생하고, 앞에서 설명한 산소계 표백제와 같은 원리로 옷을 하얗게 표백하는 것입니다. 색이 있는 옷에는 사용하기 어렵지만 탈색되도 괜찮은 속옷이나 빠질 색이 없는 흰 옷에는 쉽게 사용할 수 있을 것 같습니다.

 

또한 구연산과 베이킹소다를 활용해서 표백을 하는 방법도 있는데요. 대부분의 경우 쉽게 구할 수 있는 레몬이나 오렌지, 귤 껍질 등을 사용하는 것 같습니다. 이들이 만나면 중화반응으로 인해 거품이 발생하는데요. 이때 발생하는 초음파가 공동현상(cavitation)을 일으키면서 묵은 때를 지운다고 합니다.

 

종파인 음파의 특성상 초음파가 발생하면 주변의 매질은 수축과 팽창을 반복하게 되는데, 음파가 용액 내부에서 발생한 경우 팽창기에는 압력이 낮아져서 용액 내에 미세한 거품이 생깁니다. 거품은 수축과 팽창을 거듭하며 점점 커지게 되는데요. 용액의 표면장력이 더 이상 거품의 크기를 감당할 수 없게 되면 거품이 터지면서 충격파가 생기고, 이 힘으로 인해 섬유에 찌든 때가 떨어져나간다고 합니다. 이 원리는 안경점에 가면 볼 수 있는 안경 초음파 세척기에도 그대로 적용됩니다.

 

찌든 때를 벗기는 데 거품으로 인해 생긴 초음파가 사용된다면 비슷하게 거품이 발생하는 반응을 이용해 옷을 표백할 수 있을 것입니다. 옷 세척 후에는 옷에 세제가 남아 있을 가능성이 크기 때문에 여기에 과산화수소와 아이오딘화칼륨을 넣어주면 아이오딘화칼륨의 촉매 작용으로 과산화수소가 분해되고, 옷에 남은 세제가 거품을 발생시키면서 구연산을 사용한 표백과 비슷한 효과를 낼 수 있을 것도 같네요(시도해 볼 가치는 있을 것 같습니다).

 

두 번째 방법은 섬유유연제 대신 식초를 사용하는 것입니다.

 

이 방법의 원리를 알아보기 위해서도 역시 섬유유연제가 옷에 작용하는 원리에 대해 알아야 할 것입니다. 섬유유연제를 사용하는 이유는 섬유, 특히 합성섬유를 빨 때는 정전기가 많이 생기는데요. 이것은 섬유가 - 전하로 대전되기 때문입니다.

 

그래서 + 전하를 띠는 섬유유연제를 사용해 합성섬유의 - 전하를 다시 중화시켜 정전기가 일어나지 않도록 합니다. 한편 식초는 산성이므로 용액 안에 H+ 이온이 많이 포함되어 있습니다. 이것 역시 + 전하를 띠는 경우라고 말할 수 있겠지요. 식초가 산성이기 때문에 섬유유연제의 대체제가 될 수 있다면 (옷이 타는 것을 감안하지 않는다면) 염산이나 질산(황산은 물에 넣으면 열이 매우 많이 발생하기 때문에 사용자가 위험해 질 것 같습니다.) 혹은 조금 안전하게 아세트산을 활용하는 것도 도움이 될 것 같네요.

 

세 번째 방법은 거품을 행구는 데 쓰는 물의 양을 줄이기 위해 세탁 도중 물에 소금을 타서 거품양을 줄이는 것입니다. 세탁 도중에 거품이 나오는 이유는 세탁에 사용하는 세제나 비누의 구조 때문인데요. 이들의 구조는 아래와 같습니다.

 

이 구조는 친수성 부분(머리의 인산기)와 소수성 부분(꼬리의 탄소 사슬)로 이루어져 있는데요. 이런 구조 덕분에 아래 그림처럼 소수성 부분이 물로는 빠지지 않는 때에 붙어 친수성 부분은 바깥으로, 소수성 부분은 안쪽으로 모이는 마이셀 구조를 형성하며 때를 벗겨내게 됩니다.

 

그 외에도 비누로 옷이나 손 등을 세게 문지르면 거의 무극성 분자들인 질소와 산소로 이루어진 공기를 소수성 부분이 둘러싸게 되어 비누거품이 생기기도 합니다.

 

그러나 비누거품은 옷을 깨끗하게 하는 데는 큰 영향을 끼치지 않습니다. 그래서 이 거품을 최소화하는 방법을 찾아야 하는데요. 이 방법을 찾기 위해 비누가 잘 안 풀리는 것으로 알려져 있는 경수의 특징을 찾아보았습니다.

 

연수와 경수를 나누는 기준은 칼슘 이온과 마그네슘 이온의 함량입니다. 이 두 이온이 270ppm 이상 있으면 경수, 60ppm 이하로 있으면 연수라고 하네요. 이 두 이온은 비누의 소수성 부분이 있는 카르복실기(-COOH)와 잘 결합합니다. 그래서 물 안에 칼슘 혹은 마그네슘 이온이 있으면 비누의 소수성 부분이 옷의 때 혹은 공기와 결합하는 작용이 방해되게 되지요.

 

옛날에 연수를 사용하는 세탁기인지 가습기인지에 대한 광고를 들었던 적이 있는 것으로 기억하는데 만약 그게 세탁기에 대한 광고였다면 그 세탁기는 더 적은 양의 세제로 효율적인 세탁을 할 수 있었을 것 같네요.

 

19세기 산업혁명 이래 인류는 자연의 자정능력을 뛰어넘는 양의 오염물질들을 생산하기 시작했습니다. 그 결과, 미세먼지, 지구온난화, 적조와 녹조 현상 등의 다양한 환경오염문제가 인류를 포함한 수많은 생명체들의 생명을 위협하게 되었습니다.

 

하지만 현실적으로 지금의 생활수준을 산업혁명 이전으로 되돌려 더 이상의 환경오염을 막는 것은 거의 불가능에 가깝습니다. 그렇기 때문에 환경에 부담을 덜 주는 물질들을 활용하고, 이를 체계적으로 개발하여 후 세대에게 더 깨끗한 지구를 물려주는 일이 우리 세대의 중요한 과제가 될 것입니다.

깨끗한 지구와 개인의 건강을 위해서라도 이번 기사에서 소개한 친환경 세탁 꿀팁들을 한 번 실천해 보는 것은 어떨까요?

 

 

<외부 필진 콘텐츠는 이웃집과학자 공식 입장과 다를 수 있습니다>

 

서울대학교 응용생물화학부 18학번 강지희(rkdwlgml0306@naver.com)

이웃집 필진