일상생활에서는 '메탄'이라고 많이 쓰지만 학문 분야에서는 영어식 발음인 '메테인'이라는 명칭을 사용하는 경우가 더 많다.
가장 간단한 탄소 화합물로, 탄소 하나에 수소 4개가 붙어있다. 분자량은 16이다. 녹는점은 -183 ℃, 끓는점은 -162℃로 상온에서 기체이다.
자연적으로는 유기물이 물속에서 부패 발효할 때 생기므로 늪지대의 바닥 등에서 발생한다. 석탄층에서 생성된 메탄가스는 석탄광산 갱내에서 공기와 섞여 폭발을 일으킬 때도 있다.
메탄은 천연가스나 석탄가스의 주성분을 이룬다. 메탄 분자 하나를 태우면 이산화탄소 한 분자와 물 두 분자가 생성된다. 반응식은 'CH4 + 2O2 → CO2+ 2H2O'이다.
토성의 달 타이탄에는 액체 메탄의 바다가 있다. 해왕성 천왕성 등 태양계 행성이나 태양계 외의 성운 등에서도 비교적 쉽게 발견되는 우주의 대표적인 유기화합물이다.
유기물이 하수구 등에서 썩으면 메탄가스가 발생해 보글보글 거품이 일고 쓰레기 매립장 같은 데는 긴 파이프를 땅에 박으면 메탄가스가 나오고 불을 붙이면 잘 탄다.
연료로 쓰기 좋은데 상온에서 기체 상태라 운반이나 보관이 번거로운 문제가 있다. 보통 냉각시켜 액화천연가스(LNG) 형태나 압축해서 압축천연가스(CNG) 형태로 운반/저장한다.
이산화탄소와 함께 지구 대기온도를 높이는 대표적인 온실가스 가운데 하나다. 대기중에서 비교적 빨리 분해되므로 이산화탄소에 비해 짧은 기간 동안만 효과가 있지만, 온실효과 자체는 훨씬 강력하다. 100년에 걸친 효과는 이산화탄소의 25배, 20년에 걸친 효과는 무려 72배이다.
초식동물의 소화과정에서 많이 생성된다. 소의 트림에서 나오는 메탄이 대기로 나오는 전체 메탄의 16%를 차지한다.
소 한마리가 하루에 배출하는 메탄은 250리터 정도이지만, 지구엔 15억마리가 넘는 소가 사육된다.
가축 사육과 간접적으로나마 연관된 모든 활동에서 나오는 메탄이 적게 잡아도 전체 온실가스 배출량의 51%라는 연구결과가 있을 정도다.
소의 트림은 잡을 수 없더라도 가축분뇨를 혐기성발효로 분해해 메탄가스를 추출하고 이를 수소로 만드는 공정을 도입해야 한다는 주장이 나오는 이유다.
메탄을 분해해서 만든 수소는 일산화탄소나 이산화탄소 배출이 없기 때문에 고분자 연료전지, 오일 정제, 암모니아 또는 메탄올 생산 등에 다양하게 사용될 수 있다.
최근의 연구는 기존의 수증기 개질 공정 대신 촉매를 사용하여 메탄을 직접 분해해 원소 형태의 탄소와 고순도 수소를 얻는 방안에 초점이 맞추어지고 있다.
메탄으로 수소를 만드는 공정 중에서는 수증기 메탄 개질(SMR, steam methane reforming) 공정이 가장 효율이 높아 현재 상용화되어있다.
이 공정은 메탄과 물을 수소와 탄소산화물로 촉매 전환하는 것으로, 수소 1kg을 만들 때 13.7kg의 이산화탄소가 배출된다. 이로 인해 여전히 온실가스 발생이 불가피하다는 단점이 있다.
반면 메탄의 열 분해(TCD, thermo-catalytic decomposition) 기술은 온실가스 배출 없이 수소를 생산할 수 있는 친환경 공정으로 주목받는다.
TCD 공정의 메탄 분해 반응식은 'CH4 → 2H2 + C(s)'로 이산화탄소 배출이 없어 현존하는 수소 생산 공정 중에서 가장 친환경적인 기술로 주목된다. 동시에 부산물로 생산되는 고체 탄소를 다른 산업에 응용할 수 있어 수소 생산 비용을 절감할 수 있다.
TCD 공정의 산업화가 성공적으로 수행된다면 녹색 수소 에너지를 공급하게 될 것으로 기대된다.
수소와 함께 생성되는 탄소는 전기 전자재료, 타이어 첨가제, 잉크, 이차전지 음극재료, 건축용 구조재료, 토양개량제 등의 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.
남준기 기자 namu@naeil.com
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