^*탄화 수소 가스화 반응(Carbon hydrogasification): 탄소 원료를 분해해 가스 형태 탄화수소(탄소와 수소의 화합물로 석유, 천연가스 등이 탄화수소에 속한다)를 합성하는 반응. 탄화수소 합성뿐만 아니라 석탄과 바이오매스의 가스화, 배기가스 처리 등 탄소 관련 중요 산업에 널리 응용되고 있다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

탄소 수소화 가스화 반응(Carbon hydrogasification)1)은 탄화수소2) 합성, 석탄 및 바이오매스 가스화, 배기 가스 처리 등 탄소 관련 중요 산업에 널리 응용되고 있다. 다만, 탄소 수소화 가스화 반응은 탄소 관련 반응 중에서 가장 다루기 어려운 반응으로 실제 작동 온도(최소 450 ℃)에서 가장 느린 반응으로 탄소 산화 반응보다 1억 배 느리다. 이는 열역학적인 관점에서는 탄소 구조의 탄소-탄소 결합의 해리 과정이 매우 높은 에너지 장벽을 가지고 있어 이를 끊어 내기 위해서는 고온 활성화가 필요하나, 반응 평형의 관점에서는 탄소 수소 가스화 반응 자체는 발열 반응으로 저온이 유리하다는 상반된 경향에 기인한다. 따라서, 저온에서 우수한 반응 속도 및 선택성을 함께 보여줄 수 있는 탄화수소 제조방법에 대한 요구가 여전히 존재한다.

2. 연구내용

본 연구는 볼-밀링법3)의 기계화학적인 힘으로 탄화수소 제조 방법을 보고한 연구이다. 볼-밀링 용기에 금속 구슬(지르코늄 구슬)과 탄소 재료와 금속 촉매를 먼저 넣고 아르곤(Ar) 분위기에서 회전 시켜준다. 이 때, 탄소 재료들은 금속 촉매들과 반응하여 탄소-탄소 결합이 깨지고, 탄소-금속 결합이 형성 된다.

이후, 볼-밀링 용기에 수소 가스를 넣고 다시 회전을 시켜주면 탄소-금소 결합에서 탄소-수소 결합으로 반응하여, 탄화수소가 형성된다. 본 연구에서는 가장 기본 탄화수소인 메탄 가스가 높은 수득률로 얻었다. (그림1).

또한, 금속 촉매의 역할과 볼-밀링의 시스템의 역할을 정확히 연구하기 위해, 일반적인 열처리 공법, 금속 촉매 없는 볼-밀링 공법, 금속 촉매를 포함한 볼-밀링 공법으로 메탄 가스 수득률을 비교 하였다 (그림2). 이 때, 금속 촉매를 포함한 볼-밀링법이 낮은 온도에서 가장 좋은 수득률을 보여주었다. 또한, 금속 촉매를 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni)을 바꿔서 연구를 한 결과, 코발트가 가장 촉매 효율이 뛰어났다.

마지막으로, 본 연구는 대량 생산의 가능성 연구를 보여주기 위해, 15L의 비교적 큰 용량의 볼-밀링 용기를 사용하여 볼-밀링법 연구를 진행하였다. 이 때, 직접 나무 조각을 직접 태워 숯을 만들어 연구를 진행하였고, 전력 대비당 메탄 가스 생성량은 이전 작은 규모의 볼-밀링법과 비슷하였다 (그림 3).

3. 기대효과

본 연구의 볼 밀링 법을 통한 탄소 수소화 가스화 반응에서의 주요 생성 물질인 메탄 가스는 재생 바이오가스이며 미래 에너지원으로 꼽히고 있다.

그러나 현재 석탄과 같은 탄소 물질들을 분해하여 메탄을 비롯한 탄화수소를 만드는 공정은 대규모 설비 시스템과 최소 450℃ 이상의 높은 온도가 필요하다. 본 연구는 간소화 된 볼-밀링 공정으로 40℃의 낮은 온도로 메탄을 높은 수득률로 제조할 수 있어, 메탄가스가 필요한 현장에서 직접 생산할 수 있다는 장점이 있다. 이는, 저장이 어려운 메탄가스를 수요로 하는 곳 에서 필요할 때 생산 할 수 있어, 저장 및 운송 비용이 절감되어 경제적이다.

이는 미래 에너지 자원으로 꼽히는 메탄을 본 연구팀의 볼-밀링법을 통하여 제조한다면 기존의 대규모 공장을 대체 할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 탄소 수소화 가스화 반응(Carbon hydrogasification)

기존 공정에서 고온, 고압 조건에서 탄소 기반 물질을 분해하여 탄화수소, 이번 연구에서는 메탄(CH4)을 만드는 방법. 본 연구에서는 볼-밀링법을 통하여 저온, 저압에서 메탄을 제조함.

2. 탄화수소

탄화수소는 탄소와 수소로만 이루어진 물질로써, 원유에서 나오는 가솔린, 등유, 중유, 경유와 천연가스를 모두 포괄하는 화학공업에서 가장 중요한 물질이다. 

3. 볼-밀링법

기계화학적 방법으로 용기에 쇠구슬과 반응물질들을 같이 넣고 밀폐한 후, 빠른 회전으로 충격을 일으켜 생성물을 만드는 방법

[붙임] 그림설명

그림1. 볼-밀링 법을 통해 나온 생성물의 가스 크로마토그래피 그래프. 볼 밀링 공법으로 생산된 생성물의 순도(수율)를 알 수 있다. 메탄(CH4)의 비율이 99.78%로 높다.

그림2. 여러 조건에서의 탄화 수소 가스화 반응 비교 그래프. 볼 밀링의 기계화학적 에너지가 메탄 수율을 개선하는 데 큰 역할을 함을 알 수 있다.

그림3. 대규모 탄화 수소 가스화 반응 이미지. a, 나무 조각과 열처리를 통해 만든 숯 사진 b, 15 L 용량의 대규모 볼밀링 시스템 사진 c, 소규모와 대규모 반응의 생성량 비교표. 전력량 대비 메탄 생산량이 대규모 공정에서도 높음을 알 수 있다.