염소소독

염소는 물과 반응하여 하이포아염소산(차아염소산, HOCl)이 생성되는데 이 하이포아염소산이 산화제로서 살균 작용을 한다. 이를 이용하여 수돗물이나 수영장에서 세균을 죽이는데 사용되는데 이를 통칭하여 염소소독이라고 한다. 이러한 염소소독은 염소의 강력한 살균력에 기반하는 것으로 소화기 계통 전염 병원균에 유효하며 짧은 시간에 여과수의 세균을 빠르게 사멸 시 킬 수 있다. 또한 염소제는 소독효과가 완전하고 대량의 물에 대하여도 쉽게 소독할 수 있으며 잔류하는 이점이 있다.

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1894년에 출간된 논문에서 처음으로 염소를 물에 투입하여서 세균이 없는 상태로 유도 할 수 있음이 보고되었다. 그 후 1895년에 많은 관련 논문들이 나오기 시작하였다. 1893년과 1897년에 독일의 함부르그와 영국의 메이드스톤에서 처음르로 수 처리에 염소를 활용하려는 시도가 있었다. 1905년에는 염소처리를 수 처리 과정에 완전히 포함시키는 공정이 확립되었다. 미국에서는 1908년에 Boonton 저수지에 염소를 이용한 살균방법을 연속공정으로 적용하여서 상수를 공급하는 방법이 제시되었다. 1910년에 미국 육군 병원 학교에 교수로 재직하던 Carl Rogers Darnall 소령에 의하여 염소소독이 실증되었고 이는 현대의 상수처리의 기본이 되었다.

염소소독이 사용된 수영장 (출처: GettyimagesKorea)

염소를 물에 주입하면 다음과 같은 가수분해 반응이 일어나 차아염소산(HOCl)과 H+로 분해된다. (Cl₂ + H₂O ↔ HOCl + HCl). 차아염소산은 pH가 상승하면 다시 차아염소산 이온(OCl^-)과 H+로 분해된다. (HOCl ↔ H⁺ + OCl^-) 차아염소산 이온은 아래와 같이 추가로 분해되어서 활성산소(∙O^-)의 발생을 야기한다. (OCl^- → Cl∙ + ∙O^-) 위와 같은 이온화는 pH의 영향을 크게 받는데 pH 4에서는 HOCl로 존재하며, pH7에서는 OCl^-이 증가한다. 살균력은 HOCl이 OCl^- 보다 약 80배 이상 크다. 따라서 염소 살균의 살균력은 낮은 pH에서 강하게 된다. 차아염소산과 차아염소산 이온을 유리염소라 하며 수중에 잔류하는 차아염소산을 유리잔류염소라 한다. 그러므로 물을 염소소독 하는데 살균효과를 얻기 위하여 잔류염소가 어느 정도 남도록 염소를 주입해야 한다. 또한 암모니아를 포함하고 있는 물에 염소를 주입하면 염소와 암모니아 질소가 결합하여 클로라민이 생성되는데 이 클로라민을 결합 염소 또는 결합 잔류 염소라 한다. 클로라민은 차아염소산보다 살균력이 약하여 주입량이 많이 요구된다. 살균 기작은 Cl₂가 세포막을 통과하여 세포 내 효소를 파괴하고, HOCl, OCl^-, ∙O^- 등의 높은 산화력으로 세포막 파괴 및 단백질의 -SH기를 산화시켜서 사멸을 유도한다.

공공 수처리 장소에서는 가스 형태의 염소 가스가 사용된다. 하지만 이러한 가스 형태의 염소는 가정에서 사용하기에는 너무 위험하고 고가이다. 따라서 일반 가정에서는 액상 형태의 Sodium hypochlorite나 고형 형태의 Calcium hypochlorite가 활용된다.

염소소독이 일반화 된 수돗물 (출처: GettyimagesKorea)

염소소독은 강력한 산화력으로 살균하여서 전염성질환 예방하는 데 효과가 있었다. 하지만 수처리 대상 수원이 유기물로 심하게 오염된 경우에는 염소 처리는 문제점을 야기할 수 있다. 잔류 염소와 유기물이 결합하여 클로로포름(Chloroform)과 같은 트리할로메탄(THM, Trihalomethane)이 생성되게 되는데, 이는 발암성물질이다. 염소처리의 다른 문제점은 염소의 휘발성에 기인한 잔류 염소의 사라짐이다. 이는 염소 처리 농도를 산정할 때 고려해야 될 인자이다. 또한 염소는 냄새가 강하고 물 맛을 바꾸는 점에서 우려가 될 수 있으며 따라서 다양한 대체 소독 방법들이 강구되고 있다.

최윤이/고려대학교, 남인현/한국지질자원연구원

차선신/이화여자대학교