김각균 서울대 치의학대학원 구강미생물학교실 교수

전기분해수(Electrolyzed Water) 1.

전기분해수를 위생이나 소독을 목적으로, 또는 액체 제제에 의한 멸균법에 이용하는 방법은 최근 개발되어 발전하고 있는 새로운 기술로써, 그 기본적인 작용은 물의 전기분해-수돗물에 낮은 농도의 염 성분(0.1~ 0.5% NaCl이나 KCl) 또는 전기전도성이 있는 물질을 넣고 전기분해 기구를 통과시키는 것-에 기반을 두고 있다.

전기분해수 발생장치는 음극과 양극이 이온-통과 막으로 분리되어 있는 전기분해 cell 혹은 chamber로 이루어진다. 전극에 전압이 가해지면 물 이온들은 각각의 전하에 따라 분리되어 음극에서는 환원 혹은 알칼리(pH 9~13) 용액이(catholyte라고 부름), 양극에서는 산화 혹은 산성(pH 2.3~4) 용액이(anolyte라고 부름) 만들어지며, 두 용액은 막에 의해 서로 섞이지 않게 된다. Anolyte는 산화환원전위(redox potential)가 ~1,100mV에 달하는 높은 산화능력을 지니고 있으며, 고도의 항균작용을 나타낸다. 항균효과는 본질적으로 가용 염소(available chlorine)의 개념으로 설명하며, 그 중에서도 주로 차아염소산(hypochlorous acid[HOCl])의 생성에 기인한다.

1. 전기분해수 항균효과의 원리

전기분해수 항균효과의 주된 활성 성분인 차아염소산은 할로겐 및 할로겐-방출 소독제 그룹에 속한다. 할로겐은 물리적으로 각각 다르지만 화학적 반응성에서는 유사점을 나타내는 원소들의 집단이다. 여기에는 불소(F2), 염소(Cl2), 브롬(Br2) 및 요오드(I2)가 포함된다. 화학적으로 이들은 고도의 전자음성도(electronegativity)를 나타내며 강한 산화 물질로써 F2 > Cl2 > Br2 > I2의 순서로 높은 반응성을 나타낸다. 실온 및 대기압에서 요오드는 고체이며 브롬은 액체, 불소와 염소는 기체의 물리적 성상을 나타낸다.

염소, 요오드 및 브롬은 소독제와 방부제로 광범위하게 이용되고 있다. 염소(Cl: 원자량, 35.45)는 강하고 자극적인 냄새를 지닌 황록색 기체이다. 자연 상태에서 염소는 나트륨(NaCl 또는 보통 소금), 칼슘 및 칼륨의 염으로써 환원된 형태로 존재한다. 방부 및 소독을 위한 사용 목적에서 “염소(chlorine)"라 함은 물에 용존하는 활성 또는 “산화(oxidized)" 염소 화합물을 의미한다.

여기에는 Cl2(원소상태의 염소), OCl-(차아염소산 이온, hypochlorite ion) 및 HOCl(차아염소산[hypochlorous acid])이 포함된다. 수용액 내 “염소(또는 가용 유리 염소[free available chlorine])”의 항균활성은 Cl2, OCl- 및 HOCl의 조합에 의해 나타나는 활성이지만 그 중에서 차아염소산이 주된 역할을 한다. 염소이온(Cl-)은 활성이 없다. 가용 염소의 항균 활성은 농도, 온도 및 pH에 따라 달라진다. 다른 살-생물제제(biocides)와 마찬가지로 그 효능은 온도와 농도가 증가함에 따라 커진다. 또한 높은 pH에서는 HOCl의 분해가 증가하여  OCl-이 더 많이 생성되고 항균 효능은 떨어지게 된다. 활성을 위한 적정 pH는 4에서 7사이이며, 이 조건에서는 HOCl이 가장 주된 성분이 된다. 철과 구리 이온 같은 환원 물질은 가용 염소를 감소시키는 분해 촉매제로 작용한다. 단백질, 기타 유기물질 및 자외선의 존재 하에서도 이같은 활성 저하가 관찰된다.

전기분해수가 나오기 전에는 염소 가스, 차아염소산염(hypochlorite) 및 chloramine이 가장 중요한 염소원이었다. 염소 가스는 압축된 호박색 액체로써 공급되는데 대기압 및 실온에서 개봉하면 신속하게 기체상태로 변하게 된다. 매우 자극적이고 부식성이 강하고 3.5ppm의 낮은 농도에서도 냄새가 감지되며 1,000ppm에서는 치명적인 효과를 낸다. 물에 직접 첨가하여 HOCl을 형성할 수 있으며 안전성 위험 때문에 훈증제 가스로는 거의 사용하지 않는다. 차아염소산염(hypochlorite)은 가장 광범위하게 이용되고 있는 염소원으로써 분말과 액체 제제로 이용된다. 분말 또는 정제(tablets) 차아염소산은 삼나트륨인산염(trisodium phosphate)과 혼합된 나트륨 및 칼륨 염의 형태로 조성되어 있다. 칼슘 차아염소산〔Ca(OCl)2〕은 건조한 백색 고체로써 분말 또는 정제 형태로 사용되며 표면에, 또는 수용액에 직접 첨가하여, 사용할 수 있다. 액체 형태로는 나트륨 또는 칼륨 차아염소산 용액이 있으며 일반적으로 1에서 15%의 가용 염소를 함유하고 있다. 나트륨 차아염소산(sodium hypochlorite; NaOCl) 용액은 농도에 따라 무색투명에서부터 옅은 황색 사이의 빛깔을 띠고 있으며 독특한 염소 냄새를 지니고 있다. 가정용 표백제가 여기에 속하는데, 농도가 보통 ~5%이며 제품 안정제가 포함되어 있다. 차아염소산(HOCl) 보다는 약하지만 다양한 chloramines(액체와 분말)도 항균 활성을 지니고 있다.

가용 염소의 개념은 특히 물 소독에 폭넓게 이용되어 왔다. 예전에 광범위하게 유행되었던 콜레라와 장티프스 같은 수인성 전염병이 방지된 것은 사실상 식수 염소화 때문이다. 식수는 일반적으로 원소상태 염소나 칼슘 차아염소산을 첨가함으로써 보통 리터당 0.5~1mg의 가용 염소 농도를 포함하게 된다. Chloramines는 염소 방출이 느리고 오염물 존재 하에서 큰 활성을 나타내기 때문에 차아염소산염의 대안으로 권장되어 왔다. 차아염소산염은 세탁시 표백제로도 이용되며, 그 외 수영장 및 목욕탕, 그리고 폐수처리에 적용되는데, 이 경우 모두 리터당 1~3mg라는 높은 가용 염소 농도로 사용된다.

미생물 제어 이외에도 염소와 chloramines는 황화물 냄새를 중화하는데 쓸모가 있다. 또한 염소는 물 공급 시스템과 파이프 작업의 세정에도 널리 이용되고 있다. 차아염소산염, 특히 액체 나트륨 차아염소산 또는 “표백” 용액은 가정, 병원 및 음식을 다루는 기관과 기타 산업 환경에서 고형물 표면 소독에 흔히 이용되며, 직접 적용(스프레이와 닦아내기)이나 간접 증기법이 이용된다. 또한 음식에 직접 적용하는 것은 Salmonella와 Listeria를 비롯하여 병원균 오염의 위험도를 감소시키는데 효과적인 것으로 나타났다. 염소는 과거에는 상처와 점막 소독약으로써 이용되어 왔으며 칼슘 차아염소산 분말, chloramine T 및 Dakin"s 용액이 포함된다.

염소원의 적용 시에는 소독 후 잔여 염소를 제거해야 할 필요가 있다; 그 한 예는 증기를 생산하기 위해 물을 이용하는 경우이며, 이럴 때 염소의 존재는 스테인리스 강철과 그 외의 금속에 부식을 초래하기 때문에, 활성 탄소, sodium metabisulfite, sodium bisulfite, sulfur dioxide 등의 중화제로 잔여 염소를 제거해야 한다.
 
염소(가용 염소로써)는 농도와 적용 조절에 따라 서로 유사한 항균 프로필을 나타내는 할로겐들 중의 하나로, 이미 광범위-스펙트럼 살균제로써 잘 확립되어 있다. 증식형(vegetative) 박테리아는 매우 낮은 농도의 염소(0.1~0.3 mg/L, 30초 이내)에 대해 항상 민감하지만 mycobacteria, 진균, protozoan cysts, 해조류(algae), 바이러스 및 박테리아 아포는 현저한 내성을 나타낸다. 염소는 또한 pseudomonas와 Legionella 같은 병원균을 제어하기 위한 목적으로 급수 시스템에서 바이오필름 제거 및 소독용으로 흔히 이용되어왔다. 오물로 오염되어 있는 경우에도 염소는 피막이 있는 바이러스와 피막이 없는 바이러스 모두에 효과적이다. Chloramines를 비롯한 N-chloro 화합물은 차아염소산염보다는 덜 효과적인 것으로 보이지만, 산성 조건 및 유기 오염물질의 존재 하에서 큰 활성을 나타낸다. 2.5% 또는 리터당 25,000mg의 가용 염소 농도에서 나트륨 차아염소산 용액은 프리온에 대하여 효과를 나타내는 것으로 관찰되었다.