천연가스의 주성분 메탄가스(CH4)에 대한 상식

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영일만 앞바다에 원유와 천연가스(석유·가스)가 대량 매장된 것으로 추정된다는 뉴스가 2024년 6월 초 발표되면서 한국인은 산유국이 될지 모른다는 큰 기대를 하게 되었다. 가정에서 사용하는 도시가스가 바로 천연가스이다. 천연가스(natural gas)를 고압 처리하여 액체상태로 만든 것을 액화천연가스(liquified natural gas) 즉 LNG라 한다.

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우리는 파이프를 따라 상수도처럼 공급되는 도시가스를 편리하게 사용한다. 연료가 되는 메탄이 지하에 풍부하게 매장되어 있다는 것은 인류에게 경제적으로 얼마나 다행한 일인지 모른다. 그러나 이 기체는 이산화탄소와 함께 온실가스의 하나로 작용하기도 한다.

 

 

 

 

포항 앞바다 38~100km 떨어진 해역에 원유와 메탄이 대량 저장되어 있다고 한다. 원유 1배럴은 약 159리터(1,000리터 = 6.29배럴)이고, 무게는 약 0.136톤이다. 이곳에 매장된 석유연료는 원유와 가스의 비율이 약 1 : 3(원유 약 30%, 천연가스 75~80%)으로 존재할 것이라고 추정되고 있다.(영상 조선일보)

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메탄의 중요 성질

지구가 처음 탄생했을 때 대기의 성분은 이산화탄소, 질소, 암모니아, 메탄 등이었다. 수억 년이 지나 생명체가 태어나고 광합성 작용을 하게 되면서 이산화탄소는 줄어들고 산소가 많아지게 되었다.

 

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지하에서 산출되는 천연가스에는 몇 가지 기체가 혼합되어 있으며, 그중 97%가 메탄(methane 미테인)이라 불리는 것이다. 메탄은 냄새가 없고 눈에 보이지도 않으며, 휘발유 냄새가 약간 난다. 메탄은 탄화수소(hydrocarbon)라 불리는 유기화합물 무리 중에 가장 단순한 분자구조(CH4)를 가진 물질이다. 탄화수소란 탄소와 수소가 결합한 모든 화합물을 총칭한다.

 

 

 

 

탄소(C)는 핵 둘레에 14개의 전자를 가졌고, 제일 바깥 전자껍질에 4개의 전자(청색)가 돌고 있다. 이 4개의 전자는 수소 원자(H)의 전자(적색) 4개와 각각 결합하여 그림과 같은 구조를 가진 메탄이 된다. 메탄은 유기화합물이라 불리는 물질 중에 가장 단순한 분자인 동시에 자연계에 양적으로 풍부하게 존재하는 유기물질이다.

 

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탄소와 수소는 다양한 형태로 화합하는데, CnH2n+2라는 공식으로 화합물을 잘 만들고 있다. 즉 n이 1일 때는 메탄(CH4), n이 2일 때는 에탄(C2H6), n이 3일 때는 프로판(C3H8), 4일 때는 부탄(C4H10), 5일 때는 프로판(C5H12), ..... 50일 때는 pentacontane(C50H102)이 된다. 이 공식에 맞게 만들어진 탄화수소를 총칭하여 알칸족(alkane)이라 한다.

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지하(또는 해저)에 매장된 메탄은 고압의 영향으로 메탄 클라스레이트(methane clathrate), 메탄 하이드레이트, 하이드로메탄, 가스하이드레이트 등으로 불리는 훨씬 복잡한 분자(CH4·5.75H2O)가 되어 얼음 같은 모습(얼음 메탄)으로 존재한다. 그러나 메탄 얼음이 지상으로 올라와 상온상압 조건이 되면 기체 메탄이 된다.

 

 

 

 

해저에 매장된 얼음 메탄의 분자구조와 불타는 모습을 보여준다. 메탄이 지하에 막대한 양 매몰되어 있는 이유는 대략 이렇게 설명되고 있다. 고대에 바다에 살던 미생물과 기타 생물의 사체(유기물)가 수억 년 동안 해저에 쌓여 두꺼운 퇴적층을 이루었다. 지각 변화가 일어났을 때 퇴적층은 지하에 묻히게 되었고, 퇴적층의 성분이었던 유기물은 고온과 고압의 영향을 받아 원유와 메탄으로 변했다.

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인류는 화력발전소의 연료로, 공장과 가정의 연료로 메탄을 편리하게 사용한다. 석탄을 태우면 검은 연기가 나고 다량의 재가 남지만, 천연가스(메탄)가 연소하면 검은 연기나 재가 남지 않는다. 메탄가스를 태우면 산소와 결합(연소)하여 이산화탄소와 물로 변화한다.

 

CH4 + O2 → CO2 + H2O + 에너지

(메탄 1kg이 연소하면 약 55메가주울(Mj)의 열이 발생한다. 물 10리터를 0℃에서 100℃로 높이는데 약 4.2Mj의 열량이 필요하다.)

 

 

메탄은 어디에서 대량 발생하는가?

대기 중에 존재하는 메탄의 양은 0.00019% 정도로 매우 적지만 기상에 미치는 영향은 무시하지 못한다. 그 이유는 태양열을 잘 흡수하여 온실가스 효과를 심하게 나타내기 때문이다. 온실가스의 주범으로 인정되는 이산화탄소와 비교할 때, 같은 양일 때 이산화탄소보다 온실효과가 80배 정도 강력하다고 한다.

 

 

 

 

과거에는 메탄이 기온 변화에 영향을 주지 않았다. 즉 해저에 매장된 메탄의 일부가 바다로 누출되더라도, 메탄은 해수에 녹아버리고 대기 중으로 거의 나오지 않았다. 그러나 지금은 대량의 메탄이 여기저기서 누출되고 있다. 지상의 유전, 바다의 시추선을 비롯하여 메탄을 저장하고 운반하는 과정에, 메탄을 공급하는 파이프라인에서 온갖 이유로 가스가 새고 있다.

 

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과학자들은 2008년 경에 사람이 살지 않는 시베리아와 캐나다 일부 지역의 지하에서 메탄이 스며나오는 것을 알게 되었다. 이곳에서 누출되는 메탄은 바로 대기 중으로 들어간다.

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동식물의 사체가 부패하면 거기서 대량의 메탄가스가 발생한다. 그 이유는 미생물(주로 핵이 없는 원핵박테리아, 메탄세균)이 사체의 유기물을 분해하는 과정에 메탄 가스가 나오기 때문이다. 시궁창에서 기포가 솟아나고, 때때로 하수도관이 폭발하는 것은 메탄가스가 발생한 증거이다.

 

 

 

 

최근에는 기온이 높아지면서 남북극의 추운 동토지대까지 따뜻해져, 그 밑바닥에 쌓인 퇴적물(토탄)에서 과거보다 훨씬 많은 메탄이 발생하고 있다. 사진은 2017년 9월, 알래스카의 얼어붙은 에시에(Esieh) 호수의 얼음구멍으로 분출하는 메탄가스에 불을 붙이자 폭발하듯이 연소하는 모습이다.

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반추동물에서 나오는 메탄가스

메탄가스와 온실효과를 소개하는 기사에는 소와 같은 반추동물이 배출하는 막대한 양의 메탄가스 이야기가 종종 나온다. 반추동물은 입으로 먹은 식물의 잎(사료)을 반추위(反芻胃)에서 장시간 소화시킨다. 반추위에는 메탄 박테리아(메탄균 metanogen)라 불리는 원핵미생물이 증식하면서 섬유질을 분해하여 그들의 생존에 필요한 영양(메탄)을 얻는다. 한편 소는 소화하기 어려운 섬유소가 당분으로 분해되므로 서로는 공생 관계가 된다.

 

 

 

 

메탄을 생산하는 균(메타노젠)은 현재까지 50여 종 알려져 있다. 메탄균은 섬유소가 분해될 때 발생하는 이산화탄소에 수소를 결합하여 그들의 생존에 필요한 메탄을 합성한다. CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

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메탄균에 의해 섬유소가 분해되는 동안 소는 수시로 트림을 한다. 이때 대량의 메탄가스가 입을 통해 대기 중으로 나간다. 또한 소의 배설물에도 이들 미생물이 살면서 분해를 계속한다. 그 결과 소 1마리가 하루에 배출하는 메탄의 양은 약 250리터라고 한다. 현재 세계적으로 사육되는 약 10억만 마리의 소에서 나오는 메탄의 양은 전체 누출 메탄의 4분의 1이나 된다고 알려져 있다.

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소, 닭, 돼지 등의 가축을 사육하면 거름이 대량 생겨난다. 이 거름에도 메탄균이 증식하여 메탄가스를 발생시킨다. 동식물의 배설물이 썩을 때는 부패 박테리아와 함께 메탄균이 함께 분해작용을 한다. 이때 메탄균의 분해작용은 산소가 공급되지 않는 조건(혐기성 조건)에서 이루어진다. 즉 메탄세균은 혐기성 박테리아 무리에 속한다.

 

 

과학자들은 메탄을 잘 이용한다. 메탄을 정제하여 액화시킨 액화메탄은 액화산소와 함께 로켓의 연료로 쓴다. 수소 연료 시대가 오면서 세계는 대량의 수소를 생산하게 되었다. 어디서 어떻게 그 막대한 양의 수소를 생산할까? 오늘날 대량 소비되는 산업용 수소의 대부분은 메탄에 물을 결합시켜 얻고 있다.

 

CH4 + H2O → CO + 3H2

CO + H2O → CO2 + H2

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메탄으로부터 수소를 생산할 때는 700~1,100℃의 고열과 촉매제로 니켈이 필요하다. 이렇게 생산한 수소는 원유의 정제, 수소 자동차 연료, 비료가 되는 암모니아 생산 등에 이용된다.

 

 

 

 

유럽우주국은 지구감시위성(TROPONI)을 통해 메탄을 심하게 누출하는 곳을 조사하고 있다. 영상은 2019-2020년 사이에 누출이 심했던 곳을 나타낸다. 황색 점은 누출 지역이고, 청색선은 누출이 심한 파이프라인의 위치이다.

 

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우리나라도 산유국이 되고, 천연가스와 석유화학 기술 선진국이 되기를 희망하면서 메탄의 과학적 성질에 대해 기본적인 내용을 일부 소개했다. - YS

 

 

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