수질오염의 BOD 와 COD
COD는 화학적 산소요구량(Chemical Oxygen Demand) 이라 부르는 것으로, ‘산화제(산화시키는 힘이 매우 강한 화학약품)가 수중의 유기물을 산화·분해했을 때, 소비된 산화제의 량’을 말하는 것이다. 따라서, COD값이 크다는 것은 수중에 유기물질이 많다는 것을 말하며, 수질오염이 매우 심하다고 하는 것을 의미한다.
일반적으로 BOD 값이 큰 물일 때에는 COD 값도 클 때가 많으며, 정화처리한 물은 BOD값이나 COD값도 원수에 비해서 작아지기 때문에 정화효과의 판정에는 지장이 없다고들 한다.
COD의 측정에 있어서는 많은 시간이나 숙련된 조작도, 그리고 특별한 측정기기도 필요로 하지 않기 때문에 간단한 수질검사의 방법으로서 널리 이용되고 있다. 중고등학교 등의 화학반 학생들이 정기적인 측정을 하는데도 있다.
이와 같이 BOD와 COD는 측정대상이 조금 다르기 때문에 이 양자를 꼼꼼하게 잘 검토해 보면, 수질오염의 특징을 보다 정확하게 파악 할 수 있을 것이라고 본다.
물과 기름을 혼합시키는 작용(界面活性劑)
뚜껑이 있는 투명한 용기에 물을 넣어 아무런 기름이나 서너 방울을 떨어트리고 뚜껑을 닫은 후 심하게 흔들어 보면 하얗게 탁해지는 현상을 볼 수 있을 것이다.
보기에는 우유와 같이 되기 때문에 ‘유화(乳化)되었다’고 하며, ‘유탁액(乳濁液 : emulsion)’이라고 부른다. 이것을 확대해보면 물 속에 작은 구슬 같은 것이 무수히 떠 있는 것을 볼 수 있다. 이를 얼마동안 방치해두면 또다시 물과 기름으로 분리해 버린다.
여기에다 주방에서 사용하는 세척용 세제를 한 방울 떨어트리고, 흔들어 보면 역시 ‘유탁액’이 된다. 그리고 시간이 지나도 이번에는 물과 기름이 분리되지 않는다. 언제까지나 유탁액 그대로 있는 것이다. 그럼 왜, 세제는 안정하게 유화한 상태를 유지할 수 있는 것일까? 그것은 세제의 분자구조에 비밀이 있다.
세제에는 여러 가지의 종류가 있지만 그 중에서도 옛날부터 우리 인류가 사용해오던 비누(이것도 몇 종류나 있지만 그 중의 하나)를 예로 들어 그 구조를 그림으로 표시하면 다음과 같다.
CH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCH₂ㅡCHㅡC〓O
＼OㅡOㅡNa
A의 부분은 C(탄소 원자)와 H(수소원자)가 결합하고있는 것 같은 물질에는 등유라든지 납(臘)과 같은 것이 있다. 이것들은 기름에 속하는 종류다. 다시 말해서, A의 부분은 기름과 사이가 좋은 것이다. A에 비해서 B부분은 수분을 끌어당길 수가 있어 물과 사이가 좋아지는 것이다. 따라서, 하나의 비누분자 속에는 정반대의 성질을 갖고 있는 2개의 원자단이 있는 것이다.
그래서, 흔들었을 때에 생기는 기름의 구슬표면에 많은(한 방울만 떨어트려도 비누분자의 수는 헤아릴 수 없을 만큼 많다) 비누분자가 A쪽으로 기름을 붙이고, B쪽을 밖으로 쫓아 기름의 구슬전체의 주위를 둘러싸기 때문에, 기름의 입자는 표면이 친수성의 원자단으로 둘러 쌓여 물과는 사이가 좋은 구슬로 변신하게되어 언제까지나 안정된 상태로 떠 있게 된다. 이와 같이 물과 기름을 사이좋게 해주는 성질을 갖고있는 것을 계면활성제라고 한다.
물과 기름이 접촉하는 계면에 그것이 달라붙게 되므로써 활성화하여 기름과 물을 결합시키는 역할을 한다는 의미다. 그 중에서 물과 기름의 사이를 좋게 해주는 성질이 강한 것을 세정제로 사용하는데 이것이 세제다.
의류를 더럽게 하는 것은 대게는 유성(油性)이다. 의류의 때를 세제분자가 둘러싸고, 세탁기의 도움(또는 손으로 비벼서)을 받아 더러운 것을 의류로부터 떼어내어 물 속으로 분산시킨다.
약한 것은 유화제라고 부른다. 마요네즈(mayonnaise)를 만들 때, 식초와 기름 그리고 달걀의 노른자를 사용한다. 이때의 노른자는 식초와 기름을 잘 섞이게 하는(사이좋게) 유화제인 것이다. 우유도 Kasein이라고 하는 단백질이 유화제의 역할을 하기 때문에 물에 기름(지방) 구슬이 안정하게 떠있는 것이다.
비누와 합성세제와 의 관계
우리들 주위에서 더러운 것을 세척하는 목적으로 사용되는 대표적인 것이 비누와 합성세제다.
비누와 합성세제의 공통점은 양쪽 모두가 계면활성제의 작용이 있으며, 더러운 것을 세척하는 역할을 한다. 비누나 합성세제는 양쪽 모두 하나의 분자 속에 친수기(親水基)라는 물에 친숙해지기 쉬운 부분과 친유기(親油基)라고 하는 기름에 친숙하기 쉬운 부분을 갖고 있다. 이러한 성질이 물과 기름과 같이 잘 섞이지 않는 것을 섞이게 하여 더러운 것을 제거하는 역할을 하는 것이다.
그러나, 자세히 보면 비누와 합성세제와는 몇 가지 다른 점이 있다. 비누의 친수기는 카르복시기 이며, 친유기는 알길l기이다. 합성세제는 친수기와 친유기의 차이에 의해서 몇 가지 종류로 나눠지며, 많은 종류가 있다. 합성세제의 주된 종류에는, 고급알코올계, 알길벤젠계, αㅡ오레핀계 등이 있다.
비누와 비슷한 것에는 4,000년 전 이상의 Mesopotamia 등으로 알려져 있으며, 최초에는 약으로 사용된 듯하다. 고대 로마시대에는 신에게 제물로 바치는 양을 불로 구울 때 생기는 지방이 연료인 나무가 타서 생긴 재와 혼합되면서 자연적으로 비누가 생성되었다. 이것이 손에 묻은 때를 씻겨주는 것을 보고 의류의 때를 제거하는 데에도 이용되기 시작했다.
합성세제는 비누이상으로 때를 잘 씻겨주고, 경수(硬水) 중에서도‘비누찌꺼기’가 생기지 않는 장점이 있어 근대적 화학공업으로 제조하게된 것이며, 사용 목적이나 용도에 따라서 새로운 것이 개발되고 있다.
비누는 칼슘이나 마그네슘이 많은 경도가 높은 물에서는 물에 녹지 않는 칼슘비누가 된다. 따라서, 칼슘비누에 피부의 때라든지 의류에 묻은 때(지방질)가 부착하면 ‘비누찌꺼기’ 를 형성하게 되는 것이다.
이렇게 형성된‘비누찌꺼기’는 의류에 달라붙어 의류를 노랗게 하거나, 냄새의 원인이 되거나, 또는 배수관에 부착한다.
또한 비누로 몸을 씻고 난 뒤의 깔끔한 느낌은 피부에 붙어있던 지방질(때) 즉, ‘비누찌꺼기’가 깨끗이 씻겨져 내려간 정도에 따라서 상쾌한 느낌이 다르게 되는 것이다. 비누는 물에 녹으면 약 알칼리성을 띤다.
합성세제는 종류가 많기 때문에 물에 녹으면 약산성이 되는 것, 중성이 되는 것, 약알칼리성이 되는 것 등의 여러 가지가 있다.
머리의 피부나 몸의 피부는 약산성이기 때문에 원래의 피부에 가까운 상태까지 때를 씻어내기 위해서 사용하는 샴푸나 전신세정제(body soap)에는 약 산성이나, 중성의 합성세제를 사용하는 경우가 많다.
비누는 살균력이 강하다
우리들은 어릴 때부터 밖에서 놀다가 집에 돌아오면 부모에게 “손과 입안을 깨끗하게 씻고 오너라”라는 말을 자주 듣는다. 이것은 손에 묻어있는 세균이 입이나, 코 속에 들어가는 것을 방지하기 위해서인데, 손에 묻은 세균이 입이나 코를 통해 인체로 들어가면 그것이 원인이 되어 큰 병이 될 수 있기 때문이다.
비누로 손을 깨끗이 씻으면 손에 묻은 세균의 90%는 제거된다고 한다. 그러나 이것으로는 불충분하기 때문에 ‘소독’을 해야할 필요성이 있을 때도 있다.
예를 들면, 수술을 할 때에는 역성(逆性)비누라는 특수한 비누를 쓰는 경우도 있다. 이 역성비누는 일명 양성비누라고도 하며, 살균, 소독작용이 강해 주로 의료계에서 소독, 살균, 방부제로서 널리 이용되고 있다.
우리가 일상생활에서 손이나, 얼굴을 씻는데 사용하고 있는 비누(화장비누)는 물에 녹았을 때에 계면활성제부분이 음이온(anion계면활성제)이 되어 이 anion계면활성제의 활약에 의해서 때가 제거되는 것이다. 그러나, 역성비누는 물에 녹았을 때에 화장비누와는 달리 그 반대의 양이온(cation계면활성제)이 된다. 이에 따라 ‘역성비누’, ‘양성비누’라는 이름이 붙은 것이다.
‘비누이면서, 소독도 할 수 있어 일석이조’라고 생각할 수 있을지 모르지만, 비누라고 하는 이름은 붙어있어도 일반적인 비누와 같이 더러운 때를 씻어내는 힘은 약한 것이다. 그리고 대량의 때가 묻어있는 경우에는 역성비누의 살균력은 현저하게 약해진다. 즉, 오물에 닿은 직후에 살균효과를 기대하고 역성비누로 손을 씻는다고 하더라도 그 효과는 기대할 수 없다는 이야기다.
그러므로, 우선 화장비누로 깨끗하게 씻고 나서 역성비누로 다시 깨끗하게 씻는 것이 만전을 기하는 것이라고 하겠다.
시판하는 제품은 약 10%소독용액으로 되어있으며, 일반적으로는 0.5∼1.0%로 희석하여 사용하게 되어있는 것이 많다. 살균효과는 대장균, 녹농균, 황색포도상구균, 티푸스(typhoid)균 등의 병원균으로부터 검은 곰팡이 등의 곰팡이까지 이른다.
피부의 세정에서는 0.5%에서 30초 이상, 의료용구의 소독에서는 0.1%에서 30분 이상이라고 하는 조건에서 사용된다.
역성비누의 살균력은 어떻게 해서 발휘되는 것일까? 아직 상세한 것은 밝혀지지 않았으나, 다음과 같이 2가지로 설명할 수 있다.
첫째, minus의 전기를 띠고 있는 세균의 표면에 양이온인 역성비누가 집합해 오므로써, 세균의 주된 성분인 단백질을 변성시켜 사멸케 한다.
둘째, 세균의 가장 바깥쪽을 둘러쌓고 있는 세포막(細胞膜)에 역성비누가 작용하여 작은 구멍을 뚫어, 그 구멍으로부터 세균의 체내성분이 몸밖으로 세어 나와 사멸한다는 것이다. 이와 같이 역성비누는 살균력이 강하다.
무기인(無機燐) 세제(洗劑)로 가는 길
’80년경부터 유기인(有機燐)세제에서 무기인세제로 급격한 전환이 시작되었다. 그 무렵까지는 분말로 되어있던 의료용 합성세제에는 인산염(유기 인산염)이 약 15%가량 포함되어 있었다. 현재 시판되고 있는 의료용 합성세제에는 거의가 무기인 세제다.
인산염은 세제의 주성분인 계면활성제의 작용을 도와주며, 세정능을 충분히 발휘 할 수 있는 효과가 있다. 그러기 때문에 '55년경부터 의료용 합성세제에는 세정능 증강제로서 인산염이 포함되게 되었다.
세제의 주성분인 계면활성제는 칼슘이나 마그네슘이 많은 물(경도가 높은 물)에서는 세정능을 충분히 발휘할 수가 없는 약점이 있어 이를 방지하기 위해 인산 염이 배합되기 시작한 것이다. 인산염이 문제가 된 것은 세탁 폐수 중에 포함된 인산염이 수중식물 등의 영양분이 되어 부영양화 원인중의 하나가 된 것이 문제가 되었던 것이다. 부영양화(영양분이 풍부한 상태)는 세계곳곳의 호수와 내해에서 식물의 이상성장으로 큰 문제가 되기 시작했다.
수중에 인(P)이나 질소(N)등의 영양염이 증가하면 수중의 플랑크톤이 증식하게 된다. 영양염이 더 많이 증가하게되면 플랑크톤이 이상발생을 하여 적조(赤潮)등의 현상이 나타나게 된다. 인이나 질소 등은 인체의 구성성분으로서도 중요하며, 자연계에도 널리 분포하고 있다.
그러나, 과도의 부영양화는 방지할 필요가 있으며, '80년에 들어 하수도나, 호수에 유입되는 유입수 가운데 인의 10∼20%는 세제중의 인산염이라고 하여 세제의 무인화(無燐化)를 권장하는 한편, 각국마다 부영양화 방지에 관한 법적 규제가 시작되었다.
인산염에 대신하는 세정능력 증강제가 검토되어 왔으며, 세제에는 zeolite(aluminosilicate)가 배합되었다. 이렇게하여 ’75년경에는 액체의 무인세제(無燐洗劑), ’80년경에는 분말의 무인세제가 시판되기 시작했다.
zeolite는 자연계에 존재하고있는 광물성분과 같은 구조를 갖고 있다. 세탁폐수 중에 포함된 상태로 호수나 내해로 흘러 들어간다고 하더라도 자연의 균형을 깨트리거나 부영양화의 요인이 되거나할 우려는 없다.
zeolite는 세정의 방해가 되는 칼슘, 마그네슘이 많은 물 속에서도 이들을 빨리 잡고 세제의 세정효과를 충분히 발휘한다.
합성세제는 유해한가?
합성세제의 유해여부에 대한 논의는 지금까지 여러 가지로 문제가 되어왔었다.
첫째, 인체에 대한 유해 문제다. 인체에 대한 유해성에 있어서는 실수로 입을 통해서 섭취했을 때의 급성독성과, 장기적으로 섭취했을 때의 만성독성에 대해서 조사하는 것이다.
합성세제의 급성독성의 경우에 있어서는 식염, 알코올과 같은 정도이며, 사실상 무해하다고 분류하고 있다. 만성독성에 있어서도 많은 연구기관 등에서 조사와 실험을 되풀이하였다. 그 결과, 일상생활의 사용에 있어서 안전성은 충분히 충족시키고 있다.
또한 임신을 하고 있는 임산부의 몸에서 태아에게 미치는 영향에서는 최기형성(催奇形性)이 문제가 되었다. 그러나, 많은 나라나 행정기관에서는 많은 연구실험을 실시한 결과 합성세제에 있어서 최기형성(催奇形性)이 없다고 하였다.
둘째, 피부에의 자극성문제다. 합성세제는 더러운 것을 세척하는 힘이 강하기 때문에 손이나 몸의 피지(皮脂)를 지나치게 용해하여 제거해버리기 때문에 피부손상의 원인으로 문제가 된 적이 있다. 실제로 피부 손상문제를 조사해본 결과, 합성세제와 비누에 있어서는 같은 정도의 영향을 받고 있다는 것을 알게 되었다.
그래서 최근에는 손이 트는 것을 방지하기 위한 성분을 배합하는 등 피부보호에도 각별한 신경을 쓰는 합성세제도 시판되고 있다.
셋째, 환경문제다. '68년경까지의 의류용 합성세제의 주성분은 생분해가 잘되지 않는 형태의 합성세제인 관계로 하천 등에 잔류하여 발포(發泡)등 수질오염 원인이 되어 문제가 되었다. ’65년(한국은 ’75년 후반)대에는 생분해되기 쉬운 세제로의 전환이 진행되어 지금은 생분해되기 쉬운 합성세제의 시대가 되었다.
합성세제에 배합하고 있던 인산염이 호수나 내해로 들어가 부영양화의 원인(인산 염은 비료의 3대 성분중의 하나이기 때문에)이 된 때도 있다. 그러나, 현재 사용하고 있는 합성세제는 인을 포함하지 않는 무인세제이기 때문에 환경에 대한 영향은 없다. 그러나, 과다사용은 자원의 낭비일 뿐만 아니라 환경에도 악영향을 미치게 되는 것이다.
합성세제는 화학물질이다. 물질의 유해여부는 그 물질의 사용목적, 용도, 양, 사용방법에서 종합적으로 판단하는 것이 바람직하다.
현재로서는 우리들의 일상생활에서 사용하는 데에는 합성세제의 해가 없다고 하는 것이 명백하게 나타나 있지만 보다 더 좋은 제품개발에 노력이 추진되고 있다.
☞ 다음호에 계속
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