수산화기 자연 발생시켜 대기오염 정화 OH 생성 메커니즘

2023년 4월 대기 중의 물방울과 지구 전기장이 반응하면 유익한 수산화기가 자연스럽게 발생해 공기 오염물질을 정화한다는 연구가 처음 나왔다. 수산화기(OH-)는 공기오염물질을 분해하고 제거하는 기능이 있어서 공기 중에 있는 대부분의 오염물질을 살균하고 소독한다.

오염물질 흡수하는 수산화기

대기오염이 심한 곳에 살면 치매 발생도 늘어난다는 보고가 나왔다. 이미 오염된 공기를 어떻게 정화할 수 있을까. 수산화기는 오염물질의 흡수원으로 활용된다. 그렇기에 대기 오염을 개선하기 위해 우선 수산화기의 근원을 이해하는 연구가 필요하다.

수소 원자 1개와 원소 원자 1개가 결합한 것을 앞머리 글을 따고 한자 터 기(基)를 붙여서 수산기, 수산화기(OH, Hydroxide group)라고 한다. 영어로 적을 때 산소를 먼저 표기하고 발음할 때는 수소를 먼저 읽는다. 서양학자들이 먼저 그렇게 정했다.

수산화기는 이온 상태의 물질이며 매우 활발한 반응을 일으키며 산화력이 매우 높다. 특히 대기중 유독가스인 이산화황과 산화질소, 탄화수소 등 유해한 화학물질을 제거하는 데 도움이 된다.

공기 중에 있는 물방울과 주변 공기 사이에 자연적으로 존재하는 강한 전기장이 OH를 자발적으로 생성한다. 이 현상은 미국 어바인 캘리포니아대(UC Irvine, UCI)의 화학과 세르게이 니즈코로도프 교수팀(Sergey Nizkorodov)이 처음 확인했다.

지금까지 수산화기는 햇빛의 광화학 반응이나 금속 촉매의 산화 환원 반응을 통해 발생하는 것으로 알려졌다. 그러나 알려진 것과 달리 이 두 가지 요인이 없어도 수산화기가 자발적으로 생성될 수 있다는 사실이 이번에 처음 밝혀졌다.

Scientists discover a way Earth’s atmosphere cleans itself

미국 어바인 캘리포니아 연구팀

니즈코로도프 교수는 수산화기(OH)는 공기 중의 순수한 물 자체에서 물방울 표면의 특수한 자연조건에 의해 자발적으로 생성되는 것을 확인했다.

전기장(Electric Field)은 지구에 자연적으로 존재한다. 지구가 전기적으로 전하(양전하/ 음전하)를 띄고 있기 때문이다. 전기를 띤 입자를 운반하는 우주광선이 지구에 내리기 때문에 공기가 이온화될 때 지구가 전기장을 띤다.

연구팀은 공기와 물 표면이 있는 조건과 공기없이 물만 있는 조건 등 다양한 조건에서 수산화기 농도를 측정했다. 그리고 형광 프로브(Probe) 분자물질을 이용해서 어둠 속에서 수산화기 생성을 추적했다.

형광 프로브는 특정한 이온이나 물질을 인지했을 때 빛 신호를 통해 인지 여부를 보여주는 광 감응제이다. 연구팀은 어둠 속에서도 공기 중 물방울과 주변 공기 표면에 존재하는 강한 전기장이 수산화기를 자발적으로 생성하는 것을 목격했다.

빛이 없어도 수산화기는 충분히 생성됐고 빛이 없을 때 오히려 수산화기가 더 빠른 속도로 생성됐다. 니즈코로도프 교수에 따르면 이번 발견으로 인간이 배출하는 오염물질이나 온실 가스 등이 대기 중에서 어떻게 자연 정화되는지 원리를 볼 수 있었다.

니즈코로도프 교수는 이를 바탕으로 대기오염 발생을 예측하는 모델을 새롭게 구축할 구상을 하고 있다. 또한 이렇게 자연 발생하는 수산화기의 생성 메커니즘이 실제로 세계 곳곳에서 역할을 하는지 확인하는 연구를 할 계획이라고 덧붙였다.

교수팀은 이같이 관찰하고 확인한 연구결과를 미국국립과학원회보(PNAS)에 2023년 4월 3일(현지시간) 게재했다. (참조 UCI)