<사진. Manuel Martinez Escandell, Francisco Rodriguez Reinoso 및 Joaquin Silvestre Albero
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>
새로운 연료개발에 도움을 줄 인공 메탄 하이드레이트
인공적으로 메탄 하이드레이트(methane hydrate)를 제조할 수 있는 새로운 기술이 스페인 알리칸테대학(University of Alicante) 무기화학과 연구팀(The Laboratory of Advanced Materials)에 의해 개발되었다. 본 연구결과는 Nature Communications ("Methane hydrate formation in confined nanospace can surpass nature")지에 게재되었다.
본 연구는 스페인 알리칸테대학(University of Alicante)의 Joaquin Silvestre Albero, Francisco Rodriguez Reinoso 및 Manuel Martinez Escandell이 이끌고 Mirian E. Casco가 수행하였다. 본 연구를 통해 실험실에서 인공적으로 메탄 하이드레이트를 제조하는 것이 가능함이 밝혀졌다. 심지어 활성탄을 나노반응기(nanoreactor)로 활용하여 그 과정을 더욱 개선시켰다. 본 연구의 핵심 중 하나는, 과학자들이 자연상태에서는 생성에 많은 시간이 필요한 메탄 하이드레이트를 단 수 분 만에 제조할 수 있도록 공정을 단축시킬 수 있었다는 점으로, 기술의 적용성이 더욱 향상되었다는 점이다.
알리칸테대학은 고성능 활성탄의 합성과 설계에 대해 지난 30년간 연구를 수행하여왔다. 수석 연구원인 Joaquin Silvestre에 따르면, 이런 물질은 대기 및 산업용 수로에 존재하는 오염분자를 제거하는 것뿐만 아니라 기체 저장 시스템으로서도 사용할 수 있다고 한다.
본 연구결과는 자연에서 형성되는 구조에 대한 인공합성 프로세스에 대한 이해를 도와주며, 석유및 디젤 대신에 천연가스를 차량에 사용하는 것과 현재 -162ºC로 액화된 상태로 장거리 이송하는 방식에 새로운 변화를 일으킬 수 있다.
석탄의 공동 혹은 공극 내부에 메탄 하이드레이트를 인공적으로 합성시키는 것의 이점도 있다. 메탄 하이드레이트는 자연상태의 형성조건보다 완화된 30기압 및 2ºC 조건에서 미리 습윤된 상태의 활성탄에서 만들어진다.
일단 합성 및 분석이 알리칸테대학에서 시행된 후에, 영국 옥스포드대학 Rutherford Appleton Laboratory에서 중성자 산란(neutron scattering)과, 스페인 바르셀로나의 ALBA 싱크로트론(synchrotron)을 이용해 최종 연구를 마무리하였다. 본 연구는 제한된 공간에서 메탄 하이드레이트의 형성이 가능하다는 실험적 증거를 처음으로 제시하였으며, 화학양론적으로 자연상태의 경우와 유사하면서도, 역학적으로는 더 유리하다는 것도 밝혀냈다.
본 연구에는 일본 Katsumi Kaneko 및 ITQ-CSIC(Instituto de Tecnologia Quimica of Valencia)의 Fernando Rey도 참여하였다. 또한 현재 미국 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 멤버이자 이전에 옥스포드의 중성자 가속기를 담당하던 Timmy Ramirez도 참여하였다.
과학적 배경
클라스레이트(clathrate)라고도 알려진 가스 하이드레이트는 케이지(cage)와 유사한 결정성 구조로, 특정 성질을 가지는 분자를 중앙에 두고 다른 분자들이 둘러싼 형태이다. 일단 물 분자로 케이지가 형성되면 중간의 공간에 메탄이 위치하게 되며, 이를 메탄 하이드레이트라고 부른다. 메탄 하이드레이트는 매우 특수한 물리적, 화학적 및 지리학적 조건에서 형성되며, 오직 해저 혹은 드물게 시베리아와 같은 영구동토층의 추운 지역 토양하부에서 발견되기도 한다. 이런 해양 하이드레이트를 형성하는 메탄의 기원은, 열, 미생물 및 박테리아에 의한 유기물질의 분해에 의한 것이다. 결과적으로 메탄 하이드레이트는 대륙붕 대략 300~500m 지하에 매장되어 있다. 유기물질이 매립되기 쉽고 적절한 압력과 온도가 형성되기 유리하다. 메탄 하이드레이트는 지구의 가장 큰 천연가스 저장고이기도 하다. 현재 지구상에 존재하는 석유, 천연가스 및 석탄과 같은 모든 화석연료보다 2배 정도가 대륙 근처에 매장된 것으로 알려져 있다. 2013년 일본에서 해양 침적물을 감압하여 메탄을 추출하려는 첫 탐사가 진행되었으며, 2018년 상용화가 가능할 것으로 기대되고 있다.
하이드레이트의 조성은 (CH4)4(H2O)23 혹은 5.75몰의 물에 1몰의 메탄으로 구성되며, 13.4 wt%의 메탄이 포함되어 있다. 액화천연가스 대비 높은 하이드레이트의 높은 에너지 밀도 및 안정성(-2ºC vs -162ºC)은, 메탄 하이드레이트가 대량으로 메탄을 장거리 운송하기 위한 미래 해법을 제공해 줄 수 있음을 의미하는 것이다.
■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr