황록색 화학원소 '염소'는 어떻게 수영장을 깨끗하게 만들까

작성일 08-02

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 수영장. 게티이미지뱅크 제공
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 여름철 사람들은 더위를 피해 물놀이를 즐기기 위해 수영장을 찾아요. 그런데 사람의 몸에서 나오는 각질과 침, 땀 등이 수영장 물과 섞이면 세균이 번식할 수 있어요. 그래서 수영장 관리자들은 물속 세균을 줄이고 깨끗한 물을 유지하기 위해 소독제를 사용합니다.
 수영장 소독제의 주성분은 기체 상태일 때 황록색을 띠는 화학 원소인 ‘염소’입니다. 염소는 ‘원자가 전자’가 7개인 할로젠 원소예요. 물질을 이루는 가장 작은 단위인 원자는 중심에 원자핵이 있고 그 주위에 전자들이 궤도를 따라 움직여요. 이때 가장 바깥 궤도에 있는 전자 중 화학 반응에 참여하는 전자를 원자가 전자라고 합니다.
 수소와 헬륨을 제외한 원자는 가장 바깥 궤도의 전자가 8개일 때 안정한 상태예요. 따라서 염소 등 할로젠 원소들은 안정한 상태를 이루기 위해 다른 물질에서 전자 1개를 얻으려고 하는 성질이 있습니다.
 수영장 소독제 속 염소는 나트륨, 산소와 결합한 ‘차아염소산나트륨(NaClO)’의 형태입니다. 차아염소산나트륨이 수영장 물에 녹으면 나트륨은 분리되고 물속의 수소 이온과 결합해 ‘차아염소산(HClO)’이 돼요. 차아염소산은 전자를 얻기 위해 세균을 공격합니다. 이때 세균의 바깥을 둘러싸고 있는 세포막에 구멍이 뚫립니다.
 차아염소산은 뚫린 세포막을 통해 세균 안으로 들어가 단백질 구조를 변형시켜요. 단백질은 구조에 따라 고유한 기능을 수행합니다. 그런데 차아염소산이 전자를 빼앗아 단백질의 구조가 달라지면 단백질은 기능을 상실하게 됩니다. 이렇게 세포막과 단백질 등이 망가진 세균은 결국 죽게 되고, 수영장 물은 깨끗해집니다.
 수영장 물속 염소 농도는 1L당 0.4~1.0mg을 유지해야 해요. 기준보다 적게 넣으면 소독 효과가 부족하고 넘치면 피부에 자극을 줄 수 있기 때문입니다.
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 나뭇잎. 게티이미지뱅크 제공
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 ● 인공 나뭇잎, 염소로 성능 높이다
 인공 나뭇잎이란 햇빛을 흡수해 전기를 만들고 그 전기로 물을 분해해 수소와 산소를 만들어 내는 장치예요. 잎이 햇빛과 이산화탄소, 물을 흡수해 수소와 산소, 포도당 등을 만드는 광합성의 원리에서 영감을 받은 기술입니다. 
 인공 나뭇잎의 성능이 좋아진다면 사막이나 정글처럼 전기가 없는 곳에서 햇빛만으로 수소 연료를 만들 수 있어요. 수소 에너지는 자동차나 발전소를 움직이는 데 활용할 수 있지요. 또 생산 과정에서 지구 온난화를 일으키는 온실가스를 배출하지 않아요. 따라서 청정 에너지로 주목받고 있습니다.
 인공 나뭇잎을 실생활에 쓰려면 햇빛을 수소 연료로 전환하는 효율이 10%를 넘겨야 해요. 그런데 지금까지 개발된 인공 나뭇잎의 효율은 10%를 넘지 못했어요. 지난 5월 6일 이재성 울산과학기술원(UNIST) 교수 외 공동연구팀은 인공 나뭇잎의 효율을 11.2%까지 높이는 데 성공했다고 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 발표했습니다. 
 이는 지금까지 보고된 인공 나뭇잎 중 가장 높은 수준의 효율로 실생활에 쓸 수 있는 수준이라고 합니다.
 연구팀은 인공 나뭇잎에서 햇빛을 흡수하는 부위에 ‘페로브스카이트’라는 태양전지를 사용했어요. 페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 전기를 효과적으로 생산한다는 장점이 있어 최근 주목받는 재료예요. 다만 결정 구조에 작은 틈이 생기면 전자가 쉽게 새어 나가 전기가 잘 흐르지 않는다는 단점이 있습니다.
 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 페로브스카이트 결정 사이 틈에 염소 화합물을 넣어 채웠어요. 그 결과 염소 화합물을 넣기 전보다 햇빛을 받았을 때 전자가 더 잘 흐르고, 결정 구조도 더 튼튼해지는 것을 확인했습니다. 
 이 외에도 연구팀은 물이 수소와 산소로 잘 분해되도록 하기 위해 니켈과 철, 코발트를 섞은 니켈 화합물도 넣었어요. 니켈 화합물은 물을 빠르게 분해해 수소를 생산하는 속도를 높였습니다.
 연구팀이 외부 전기 없이 햇빛만으로 인공 나뭇잎의 성능을 실험한 결과, 140시간 동안 약 11.2%의 효율로 수소를 만들어 내는 데 성공했습니다. 이번에 연구팀이 만든 인공 나뭇잎의 면적은 16㎠예요. 연구팀은 “인공 나뭇잎의 면적을 더 넓히면 태양전지 패널처럼 에너지가 필요한 여러 분야에 활용할 수 있을 것”이라고 전망했습니다.
 ※관련기사 어린이과학동아 8월 1일, [미리보는 통합과학] 수영장을 깨끗하게! 염소의 원리  
 [전하연 기자 yeon@donga.com]
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