메마른 사막에 물을 전달해 주는 고흡수성 고분자

 

안녕하세요, 가을장마가 여전히 이어지고 있는 9월 초입니다. 장마철, 내리는 비에 습한 기분이 들면 제습제를 사용하기도 하는데요. 여러 종류의 제습제 중에서, 물을 머금으면 부풀어 오르는 제습제를 사용해본 적이 있으신가요? 이 제습제는 바로 ‘고흡수성 고분자’를 사용한 제품인데요. 

오늘은, 물을 머금는 고흡수성 고분자를 소개해드리려고 합니다. 우리가 익히 아는 기저귀에 쓰일 뿐만 아니라, 메마른 땅에 물을 전달하는 데에도 사용된다고 하니, 오늘의 이야기도 한 번 들어보실까요?

 

 

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고흡수성 고분자, 넌 누구니?

   

 

고흡수성 고분자는 1974년 미국에서 분말 형태로 처음 개발됐는데요. 상업적으로 사용된 건 1980년대 초부터였습니다. 그 이전에는 고흡수성 고분자가 독성을 갖는지 의구심이 있었기 때문이죠. 고흡수성 고분자가 독성이 적다는 것이 검증되고, 이를 이용한 일회용 기저귀에 대해 소비자들이 긍정적인 반응을 보이면서 일상생활에 유용한 소재로 응용되기 시작했답니다.

기저귀와 위생용품은 대표적으로 고흡수성 고분자를 사용하는 일상용품인데요. 이외에도 아이스팩, 원예용 토양 등으로도 사용되고 있습니다. 식품 포장재료로서, 고기를 포장할 때 아래에 끼워 넣어 수분이나 혈액을 흡수하기도 하고요. 광케이블에 수분이 닿아 손상되는 걸 방지하기 위해 전선 바깥 부분에 고흡수성 고분자를 코팅하기도 합니다.

 

 

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고흡수성 고분자의 구조

  

 

고흡수성 고분자(Super Absorbent Polymer, SAP)는 물을 흡수하는 기능이 있는 고분자입니다. 물을 흡수하는 부분인 수용성 사슬 고분자(chain polymer) 사이사이를 가교 결합(bridge)이 묶어주는 3차원 구조를 갖고 있는 물질인데요. 자신의 부피보다 최대 1,000배까지 물을 흡수할 수 있답니다.

고흡수성 고분자는 아크릴산과 수산화나트륨을 혼합해 만들 수 있는데요. 전분 분자와 아크릴로니트릴이 중합된 합성 고분자인 폴리아크릴산나트륨이 대표적인 고흡수성 고분자입니다. 보통, 분말 형태로 실생활에서 많이 사용되고 있죠.

 

 

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물먹는 고분자, 그 원리는?

   

 

그렇다면 고흡수성 고분자는 어떻게 1,000배의 부피에 달하는 물을 흡수할 수 있을까요? 비밀은 두 가지인데요. 첫 번째는 삼차원 그물망 구조이고, 두 번째는 여러 개의 친수성 치환기 덕분입니다.

우선, 고흡수성 고분자가 물을 흡수할 수 있는 이유는 고흡수성 고분자의 구조에 있습니다. 고흡수성 고분자에 한 번 물이 흡착되면, 다시 도망갈 수가 없답니다. 그 이유는 복잡한 3차원 구조 속에서 물 분자가 삼차원 그물망 구조에 갇혀버리기 때문입니다.

그렇다면 어떻게, 고흡수성 고분자가 그 많은 양의 물을 흡수할 수 있을까요? 결정적인 요소는 바로, 수용성 사슬 고분자에서 나오는 전해질입니다. 물을 머금으며 고흡수성 고분자에서 나트륨이 떨어져 나오면서, 분자의 일부분이 마이너스 전하(-)를 갖게 되는데요. 같은 전하를 띈 사슬들이 서로 반발 작용을 일으켜 멀어지게 된답니다. 이 멀어진 공간에 또 다른 물 분자가 들어오고, 공간은 자꾸 멀어지고, 물이 흡수되길 반복하면서 자기자신보다 최대 1000배나 많은 물을 흡수할 수 있게 되는 거죠.

 

 

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메마른 땅을 적시는 고흡수성 고분자의 잠재력

   

 

고흡수성 고분자의 쓰임새에 대해 앞부분에서 알아봤는데요. 고흡수성 고분자는 사막의 녹지화 사업에도 큰 도움이 될 수 있다고 합니다. 고흡수성 고분자를 사막에 나무와 함께 묻으면 물이 나무뿌리 근처에 조금 더 오래 머물러있기 때문에 식물에 물을 주는 간격을 늘릴 수 있답니다.

농업에서 물을 적게 사용하는데도 고흡수성 고분자가 한 역할을 할 수 있는데요. 고흡수성 고분자를 사용해 배추를 길렀을 때, 물 사용량을 4분의 1만큼이나 줄일 수 있었고 배추 생산량 또한 2~3배 늘릴 수 있었다는 연구결과도 있습니다. 


오늘은 기저귀 등으로 우리 일상에서 친숙하게 사용되는 고흡수성 고분자에 대해 알아보았습니다. 기후변화로 인해 가뭄이 큰 환경문제로 떠오르고 있는 요즘, 고흡수성 고분자를 활용해 대응할 수 있지 않을까요? 우리의 삶을 편리하게 하는 고분자의 매력, 앞으로도 하나씩 소개해드리도록 하겠습니다!

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종합 케미칼 & 에너지 리더,

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