[과학향기 for kids] 똥으로 만든 콘크리트, 더 튼튼하다? : KISTI의 과학향기

도로, 다리, 아파트처럼 우리 주변의 건물과 구조물은 대부분 콘크리트로 만들어져 있어요. 콘크리트는 모래, 자갈, 물, 그리고 시멘트를 섞어 만드는데요, 시멘트는 석회석이라는 돌을 아주 높은 온도로 가열해서 만드는 건축 재료예요.

그런데 시멘트를 만들 때 이산화탄소가 엄청나게 배출돼요. 전 세계 이산화탄소 배출량의 5~8%가 여기서 나올 정도죠. 그래서 과학자들은 시멘트를 조금이라도 대신할 친환경 재료를 오랫동안 찾아왔어요. 그런데 최근, 정말 기발한 후보가 등장했답니다. 바로 대변이에요!

사진 1. 전 세계 이산화탄소 배출량의 5~8%가 시멘트를 만드는 과정에서 배출된다. ⓒShutterstock

똥으로 콘크리트를 만든다고?

물론 대변을 그대로 콘크리트에 섞는 건 아니에요. 우리가 화장실에서 누는 대변은 대변 처리 시설에 모이는데요, 여기서 대변을 정화하고 나면 진흙처럼 걸쭉한 찌꺼기가 남아요.

인도 연구팀은 이 대변 찌꺼기를 바짝 말린 뒤, 산소가 차단된 특수 가열로에서 350~450℃의 높은 온도로 2시간 동안 가열했어요. 이렇게 하면 안에 있던 성분들이 날아가고 까만 가루만 남아요. 이 가루를 ‘바이오차’라고 해요. 숯과 비슷하지만 훨씬 더 고운 가루죠.

사진 2. 대변 찌꺼기로 만든 바이오차(a). 이를 체로 걸러 더 고운 가루로 만들었다(b). ⓒScientific Reports

연구팀은 이 바이오차 가루를 시멘트 무게의 5%, 10%, 15%씩 시멘트 대신 넣어 여러 종류의 콘크리트를 만들었어요. 그리고 28일, 56일, 91일이 지났을 때 각각 얼마나 단단해지는지 측정했답니다. 과연 이 ‘대변 콘크리트’의 결과는 어땠을까요?

똥을 조금만 넣으면 오히려 더 강해진다?

바이오차를 10% 넣은 콘크리트는 91일이 지나자 위에서 누르는 힘을 버티는 강도가 일반 콘크리트보다 21% 높아졌어요. 구부러지는 힘을 버티는 강도는 무려 42%나 높아졌답니다.

사진 3. 바이오차를 넣은 콘크리트. 이 콘크리트는 위에서 누르는 힘을 버티는 강도, 구부러지는 힘을 버티는 강도가 일반 콘크리트보다 높았다. ⓒScientific Reports

그렇다면 대변으로 만든 가루가 어떻게 콘크리트를 더 강하게 만드는 걸까요? 비밀은 바이오차의 특이한 구조에 있어요. 바이오차 표면을 전자현미경으로 들여다보면, 아주 작은 구멍이 빽빽하게 뚫려 있는 스펀지 같은 모양이에요. 이 구멍들이 물을 잔뜩 머금었다가 콘크리트가 굳는 동안 서서히 내보내 주는 거예요. 이 덕분에 시멘트 내부에서 화학반응이 더 오랫동안 활발하게 일어나 콘크리트가 점점 더 단단해진답니다.

사진 4. 전자현미경으로 본 바이오차의 모습. 구멍이 많아서 물을 머금었다가 콘크리트가 굳는 동안 서서히 내보내 콘크리트를 더 튼튼하게 만들어 준다. ⓒScientific Reports

또 바이오차에 풍부한 실리카 성분이 시멘트가 굳으면서 생기는 물질과 반응해 콘크리트를 더욱 단단하게 만들어 주는 물질을 추가로 만들어내요. 작은 바이오차 입자들이 콘크리트 내부 빈틈을 꼼꼼히 채워주는 효과도 있어서, 전체적으로 더 촘촘하고 강한 구조가 만들어지는 거랍니다.

단, 바이오차를 15%까지 넣으면 오히려 강도가 떨어졌어요. 너무 많이 넣으면 바이오차 입자끼리 뭉치면서 콘크리트 내부에 빈 공간과 균열이 생겨 오히려 약해지기 때문이에요. 연구팀은 전자현미경으로 이 차이를 직접 눈으로 확인했답니다.

두 가지 환경 문제를 한 번에 해결!

이 연구가 특히 주목받는 이유는 환경 문제 두 가지를 한꺼번에 해결할 수 있기 때문이에요. 시멘트 일부를 대변 바이오차로 대체하면 이산화탄소 배출을 줄일 수 있고, 처리하기 곤란한 분뇨 폐기물도 유용하게 활용할 수 있거든요. 게다가 연구팀은 바이오차를 넣을수록 콘크리트 속 수은, 아연, 망간 같은 유해 중금속의 농도가 크게 줄어드는 것도 확인했어요. 바이오차가 이 물질들을 콘크리트 내부에 단단히 가두는 역할을 하기 때문이에요. 자칫 환경을 오염시킬 수 있는 중금속이 건물 재료 속에 안전하게 갇히는 셈이죠.

물론 이 기술이 실제 건설 현장에서 쓰이려면 혹독한 추위에 얼었다 녹았다를 반복하는 환경이나 바닷가의 짠 환경 등 더 다양한 조건에서 안전성을 확인하는 추가 연구가 필요해요. 그래도 우리가 매일 화장실에서 만들어내는 것이 언젠가 우리가 사는 건물의 재료가 될 수 있다니, 쓸모없다고 여겼던 것이 뜻밖의 보물이 되는 날이 머지않은 것 같네요.

※ 교과서 연계 - 이번 과학향기 에피소드는 어떤 교과 단원과 관련돼 있을까?

3학년 1학기 과학 - 물질의 성질
3학년 2학기 과학 - 물질의 상태

글: 오혜진 동아에스앤씨 기자 / 일러스트: 감쵸 작가

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