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美 연구팀 "유전·가스전 누출 메탄가스, 친환경적으로 메탄올로 전환 가능"
(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 물에 담긴 다공성 유리병 안에서 작은 번개(플라스마 방전)를 일으켜 메탄(CH₄)을 고온·고압 없이 유용한 연료이자 산업 화학물질인 메탄올(CH₃OH)로 바꾸는 기술이 개발됐다.
[EPA=연합뉴스]
미국 노스웨스턴대 데인 스웨어러 교수팀은 16일 미국화학회지(JACS)에서 메탄을 메탄올로 바꾸는 현재의 고온·고압 공정을 거치지 않고 유리관 속 작은 번개를 이용해 메탄을 단 한 단계 만에 메탄올로 전환하는 데 성공했다고 밝혔다.
스웨어러 교수는 "유전 등에서 나오는 메탄은 현재 태워 없애는데, 이는 온실가스 배출 문제가 있다"며 "이 기술을 활용해 소형 반응기를 만들면 누출되는 메탄을 현장에서 메탄올로 바꿀 수 있을 것"이라고 말했다.
메탄올은 플라스틱, 페인트, 접착제 등의 원료로 널리 쓰이는 산업용 화학물질이며, 최근에는 휘발유나 디젤보다 황 배출과 미세한 입자상 오염이 적어 선박과 산업용 보일러의 차세대 연료로도 주목받고 있다.
현재 메탄올은 메탄을 800℃ 이상의 고온에서 수증기와 반응시켜 일산화탄소와 수소로 분해한 뒤 이를 200~300기압의 고압에서 결합시키는 방법으로 생산된다.
이 공정은 안정적이지만 막대한 에너지가 필요하고 전 세계적으로 매년 수백만톤의 이산화탄소를 배출하는 문제를 안고 있다. 매우 안정적인 분자인 메탄을 분해하고 다시 결합시키는 과정 자체에 많은 열이 필요하기 때문이다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 고전압 전기 펄스로 상온과 대기압에 가까운 조건에서 작동하는 저온 플라스마를 만들고 이를 이용해 메탄을 분해하고 메탄올을 합성하는 방법을 개발했다.
플라스마는 빠르게 움직이는 고에너지 전자와 이온으로 이뤄진 물질 상태로, 저온 플라스마는 기체 자체 온도는 높지 않지만 전자만 선택적으로 수만℃까지 가열할 수 있다.
스웨어러 교수는 "반응기 내부에 전위가 높은 고전압 전기 펄스를 흘려주면 작은 번개가 형성된다"며 "이를 이용해 반응기 내부 시스템 전체를 극단적인 온도로 가열하지 않고도 메탄의 강한 탄소-수소 결합을 끊을 수 있다"고 설명했다.
연구팀은 산화구리 촉매로 코팅한 다공성 유리관으로 '플라스마 버블 반응기'를 만들어 물속에 담근 다음, 내부에 메탄가스를 흘려보내면서 고전압 전기 펄스를 가해 저온 플라스마가 생성되게 했다.
그 결과, 메탄은 메틸 라디칼(CH₃·)과 수소 라디칼(H·)로, 물은 수산화 라디칼(OH·)과 수소 라디칼(H·)로 분해됐고, 이어 메틸 라디칼과 수산화 라디칼이 결합하면서 메탄올이 만들어졌다.
연구팀은 생성된 메탄올은 즉시 주변 물에 녹아들었다며 이런 빠른 용해 과정이 반응을 적절한 시점에 멈추게 해 메탄올이 다시 이산화탄소로 분해되는 것을 막았다고 설명했다.
연구팀은 또 비활성 기체인 아르곤을 첨가해 플라스마 내부 전자밀도를 높이고 원하지 않는 부산물을 줄였다. 그 결과 액체 생성물 중 메탄올 비율은 96.8%에 달했으며, 기체와 액체를 모두 포함한 전체 생성물 중 메탄올 비율은 57%를 기록했다. 또 메탄올 외에도 플라스틱 원료인 에틸렌과 수소, 소량의 프로판도 생성됐다.
연구팀은 앞으로 메탄올 생산 효율을 더 높이고 생성된 메탄올을 더 효율적으로 분리·회수하는 방법을 개발할 계획이라며 이 기술을 대규모 공장은 물론 소형 분산형 설비에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다.
◆ 출처 : JACS, Dayne Swearer et al., 'Direct partial oxidation of methane at plasma-catalyst-liquid interfaces',
scitech@yna.co.kr
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