볼-밀링법을 사용해 숮으로 천연가스의 주성분 메탄 생성

저온에서 생성 가능

직접 생산이 가능해 저장 및 운송 비용 절감

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 2022년 3월 14일, 울산과학기술원 에너지화학공학과 백종범 교수팀은 나무를 직접 태워 얻은 숮을 볼-밀링법을 사용해서 탄화수소인 메탄을 생산하는 기술을 개발했다. 

볼-밀링법은 이미 작은 금속 구슬이 들어간 용기 안에 합성 재료들과 촉매를 넣은 뒤 용기를 회전시켜 합성하는 방식이다. 볼-밀링법을 사용한 메탄을 생산하는 과정은 다음과 같다. 우선 볼-밀링 용기에 지르코늄(Zr) 구슬, 숯으로부터 얻은 탄소, 그리고 금속 촉매를 넣은 뒤 회전시켜준다. 탄소와 금속 촉매와 서로 반응해 탄소 간의 결합이 끊어지고 탄소-금속 결합이 형성된다. 이때, 용기 안에 수소가스를 넣고 다시 회전을 시키면 탄소-금속 결합에서 탄소-수소 결합으로 바뀌고 메탄가스가 생성된다.

연구진은 메탄가스 수득률을 연구하기 위해 기존에 사용하던 열처리 공법, 금속 촉매 없는 볼-밀링법, 그리고 금속 촉매 있는 볼-밀링법을 서로 비교했다. 그 결과 금속 촉매를 사용한 볼-밀링법이 섭씨 40도의 저온에서 제일 높은 수율(99.8%)이 나왔다. 그리고 금속 촉매로 코발트, 니켈, 철, 모두 실험한 결과 코발트가 촉매 효율이 제일 높았다. 기존 열처리 공법은 섭씨 600도 이상의 고온에서 80%인 수득률이 나왔다.

2020년 12월 15일, 울산과학기술원 백종범 교수팀이 볼-밀링법을 사용해 암모니아를 제조한 적이 있다. 용기에 쇠구슬과 철가루를 넣고 회전시키면서 질소 기체와 수소 기체를 주입하는데, 철가루에 의해 질소 기체가 분해되면서 수소가 달라붙고 암모니아를 생성했다. 

탄소 물질들을 분해하여 탄화수소를 제작하는 데 있어 대규모 설비 시스템과 섭씨 450도 이상의 고온이 필요했지만 볼-밀링법 공정을 통해 저온에서 메탄을 효율적으로 제조하는 것이 가능하며 메탄가스가 필요한 현장에서 직접 생산이 가능하다는 장점도 있다. 직접 생산으로 저장 및 운송 비용이 절감으로 경제적인 측면에서도 훌륭하다. 

연구의 제1 저자인 울산과학기술원 에너지화학공학과 Gao-Feng Han 중국 지린대학교 교수는 “탄화수소 가스화 반응은 탄소 관련 반응 중에서 가장 다루기 어려운 반응으로 고온 대규모 공정이 필요하고 높은 수율을 갖기 힘들었는데, 이를 간소화된 볼-밀링 공정으로 해결했다”라고 말했다. 

이번 연구는 화학분야 저명 국제학술지인 Angewandte Chemie International Edition에 게재되었다.