| 탄화수소 - 알케인 | |
| <colcolor=#000><colbgcolor=#ffee88>탄소 개수 | 1 • 2 • 3 • 4 • 5 • 6 • 7 • 8 • 9 • 10 • 11 • 12 • 13 • 14 • 15 • 16 • 17 • 18 • 19 • 20 |
||<-4><tablealign=center><tablewidth=720><bgcolor=#ffffff,#1c1d1f>
'''CH4
메테인
Methane'''
||메테인
Methane'''
| 분류 | 유기화합물 | 상온 상태 | 무색 기체 |
| 분자량 | 16.043g/mol | 밀도 | 0.657kg/m3 |
| 녹는점 |
90.7K −182.5°C / −296.4°F |
끓는점 |
111.65K −161.50°C / −258.70°F |
| CAS 등록번호: 74-82-8 | |||
1. 개요
상온, 대기압 하에서 기체인 무색무취의 알케인이다. 메탄은 독일식 발음을,[1] 메테인은 영어 발음을 한글 표기한 것이며 2000년대 이후 공식화되었다. 일상생활에서는 여전히 '메탄' 쪽이 사용되지만, 교육이나 학문 분야에서는 영어식 발음인 '메테인'이라는 명칭을 사용하는 경우가 더 많다. 메테인에서 수소 하나가 빠진 것이 바로 메틸기(-CH3)이다.2. 화학적 특징
화학식은 CH4. 탄소 하나와 수소 4개가 결합해 가장 간단한 형태의 탄소 화합물이다. 탄소가 겨우 하나라는 간단함 때문에 이성질체가 없으며 탄소 간 결합이 존재하지 않는 유일한 탄화수소이다.[2] 그렇기 때문에 태우면 그을음이 발생되지 않는 연료 중 하나이다. 분자량은 16. 녹는점은 -182 ℃, 끓는점은 -164~-160 °C.분자 구조는 정사면체형으로, 네 꼭짓점에 수소, 무게중심에 탄소가 위치해있고 H-C-H 결합각은 109.5도[3]이다.
지구 상에서 가장 풍부한 유기화합물로서, 천연가스의 주성분이다. 대량의 메테인이 메탄 하이드레이트 형태로 바닷속과 지구 지각에 숨어 있다. 지구뿐만 아니라 토성의 위성인 타이탄은 액체 메테인의 바다가 있을 정도로 메테인이 풍부하고, 역시 액체 및 고체 메테인 바다를 갖고 있을 것으로 추정되는 해왕성, 천왕성 등 태양계 행성이나 다른 태양계 외의 행성, 성운 등에서도 비교적 쉽게 발견되는 등 우주의 대표적인 유기화합물.
| CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) |
흔히 방귀에 함유되어 있다는 등의 사실이 알려져있어 마치 방귀냄새의 원인이 메테인이라는 잘못된 지식을 갖고 있는 사람들이 꽤 있으나, 메테인은 아무 냄새가 없다.[4]. 진짜 방귀냄새를 나게 하는 주범은 황화 수소, 인돌과 스카톨 등의 성분. 무색무취의 폭발물이라는 점이 위험할 수 있으므로 휴대용 연료 등으로 공급되는 메테인은 새어나갈 때 조기에 인지하고 대처하기 쉽도록 일부러 냄새나는 부취제[5]를 섞는다. 독성은 없지만 폭발 위험이 있고 농도가 높으면 질식의 우려가 있으니 주의하자.
3. 산업적 이용
3.1. 생산/생성
자연에서 메테인은 주로 미생물의 분해/ 발효로 생성된다. 유기물이 하수구 등에서 썩으면 메테인가스가 발생해 보글보글 거품이 일고 쓰레기 매립장 같은 데는 긴 파이프를 땅에 박으면 메테인가스가 나오고 불을 붙이면 잘 탄다. 극단적인 생존주의 주거지나 시골에서는 분뇨로 메테인을 만들어 가스레인지에 쓰기도 한다. 가스압을 조절할 방법이 없어 화력이 약한 데다 불씨가 필요한 흠이 있다고 한다. 과거 서울 지역 쓰레기를 버리던 난지도 매립장이 사용 중이던 시절, 그 동네에서 쓸만한 쓰레기를 주워 팔아서 살던 사람들은 땅속에 파이프를 박아서서 쓰레기가 썩으며 나오는 메테인을 모아 난방과 취사에 사용하기도 하였다. 현재 도시에서 나고 자란 사람들은 거의 들어본 적이 없겠지만, 과거 재래식 화장실에서 볼일을 보고 담배꽁초를 던졌다가 분뇨에서 생성한 메테인가스가 폭발하는 일이 가끔 있었다. 시골에서 재래식 화장실을 이용한다면 절대로 담배불을 붙이거나 꽁초를 버려서는 안된다! #1 #2초식동물의 소화과정에서 많이 생성된다. 이유는 소화관에 서식하는 메테인세균이 대사과정에서 부산물로 메테인을 생산하기 때문이다. 농담처럼 들리겠지만, 소의 트림에서 나오는 메테인이 대기로 나오는 전체 메테인의 16%을 차지한다.[6] 소 한마리가 하루에 배출하는 메테인은 250L이지만, 지구엔 15억 마리가 넘는 소가 있으므로 소로 인해 하루에 수천억 리터의 메테인이 배출되는 셈. 가축의 메테인 배출량이 어마어마할 정도로 커서, 가축 사육과 간접적으로나마 연관된 모든 활동에서 나오는 메테인이 적게 잡아도 전체 온실가스 배출량의 51%라는 연구결과가 있을 정도. 또한 큰 문제는 아니지만 야생동물이 배출하는 메테인도 무시할 수 없다. 예로 코끼리는 1마리가 하루에 무려 2,000L라는 경이로운 배출량을 자랑한다. 이로 인해 사람이 육식을 하기 위해 기르는 가축이 사람이 사용하는 화석연료보다도 지구온난화에 지대한 영향을 끼친다는 의견이 있다. 아예 공룡과 매머드가 멸종되자 내뿜던 메테인이 감소하면서 지구가 추워졌다는 말도 있다. 현재 코끼리만 해도 하루에 엄청난 가스를 방출하는데 공룡이면 어마어마하다.[7]
실제로 소를 키우는 축산농가에서는 소의 배에 과도한 메테인 가스 축적으로 인해 발생하는 소화 장애로, 궁극적으로 사망에 이를 수 있기 때문에 소의 복부에 침을 놓고 새어나오는 메테인 가스를 태워서(...) 소를 치료하는 방법이 있다. 이 치료 방법은 메테인을 방출하여 젖소를 돕고, 가스를 태우는 과정에서 나오는 화염은 수의사가 젖소에 남아 있는 가스를 측정하는 데 도움이 된다고 한다. #
연료부족, 매연, 가난에 시달리는 사람들을 위해 가정에서 분뇨+음식물쓰레기로 메테인을 만드는 방법도 있다. 작은 건 20리터짜리 정수기 물통과 타이어, PVC로 만들 수 있다.(영어 자막) 200리터짜리로 만들어 탈황장치(활성탄+톱밥)까지 추가하기도 한다.(한국어) 유튜브에 찾아보면 이렇게 모은 가스로 크고 작은 발전기와 오토바이까지 돌리는 사람들도 있다.
3.2. 포집/운반
매장량도 많고 하니 연료로 쓰기 좋은데, 상온, 대기압 하에서 기체 상태라 운반이나 보관이 번거로운 문제가 있다. 흔히 냉각시켜 액화천연가스(LNG) 형태나 압축해서 압축천연가스(CNG) 형태로 운반/저장한다.천연가스의 주성분이며, 부피 기준으로 87% 정도를 차지한다. 미생물 발효로 만들 수도 있지만, 대개는 그냥 자연에서 캔다. 천연가스 유전의 채굴량이 가장 많고, 그 밖에 석탄층에서도 뽑아낸다. 석탄 채굴할 때 일어나는 갱도 폭발 사고는 거의 석탄층에 끼어있는 메테인 때문이다.
인류가 고기를 먹고 사는 한 축산업의 부산물로 나오는 저 어마어마한 배출량 때문에, 축사를 개량해 포집하는 연구든 배설물을 활용해 발효시키든 이 가스를 대기 중에 그대로 방출하지 않고 활용하려는 연구는 계속되고 있다. 유럽 일부 시설에서는 보조금을 받아 상용화하기도 했다. 사람이 뀌는 방귀는 어쩔 수 없지만 어마어마하게 많은 사람이 내놓는 배설물 역시 이 가스의 재료가 될 수 있기 때문에 연구 대상.
3.3. 활용
로켓 엔진 연료로의 사용이 연구 중이다. 기존의 액체수소보다 다루기도 쉽고 가격도 경제적이고 비중이 높아 로켓 크기도 작아진다. 케로신(등유)보다는 비추력이 크고 깨끗하다. 스페이스X에서 연구 및 개발 중인 랩터 엔진, 블루 오리진과 ULA가 개발 중인 BE-4 엔진 등.잊을 만할 때쯤이면 가정에서 나오는 메테인을 모아 연료로 쓰는 기술이 획기적이고 새로운 친환경기술인 것처럼 인터넷 등지에 반복적으로 소개되기도 한다. 하지만 널리 안 쓰이는 건 다 이유가 있다. 얼핏 듣기엔 킹왕짱 같지만 여러 조건을 맞추기가 까다롭다. 대충 정리해보면 다음과 같다.
- 혐기발효를 위한 밀폐를 유지하기가 어렵다. 잘 만들기도 어렵고, 아무리 잘 만들어도 시간이 지나면 결국 어딘가 새기 마련이다.
- 새어나간 가스는 악취 문제뿐만 아니라 질식사고나 폭발사고를 일으킬 수 있다.[8]
- 겨울만 되면 발효가 매우 더디거나 아예 멈춘다. 그래서 별도의 난방이나 단열 대책이 필요하다.
- 최적의 조건에서도 발효가 오래(30일) 걸리며, 투입량과 같은 양의 소화액이 발생하므로 매일 평균 투입량의 30배 이상을 수용할 발효통이 필요하다
- 발효를 시켜도 폐기물 전체의 양은 줄어들지 않으므로 소화액을 액비로 살포할 수 없는 지역이라면 얄짤없이 하수처리시설 등을 이용해야 한다.
- 가스생성량과 화력이 제3세계면 모를까 선진국 일반 가정집에서 쓰기엔 영 부족하다.
- 투입물을 좀 가린다. 분뇨만 쓰면 효율이 낮아 각종 유기물을 같이 넣어야 하는데, 가스 만들겠다고 음식물쓰레기를 일부러 만들 수도 없는 노릇이니까. 대단한 장애는 아니지만, 투입물에 항균물질이나 소금기가 있어도 발효에 지장이 생긴다. 반대로 발효가 너무 빨리 되어도 유기산이 과량 생성되니 산도가 높아져 가스 생성에 영향을 준다.
3.4. 지구 온난화 측면
온실가스 중의 하나로서, 대기중에서 차츰 반응하여 분해되므로 이산화 탄소에 비해 짧은 기간 동안만 효과가 있지만, 온실효과 자체는 훨씬 강력하다. 100년에 걸친 효과는 이산화 탄소의 25배, 20년에 걸친 효과는 무려 72배이다. 1990년대까지 '불타는 얼음'이라면서 차세대 에너지로 소개되던 메탄 하이드레이트가 순식간에 묻히게 된것도 이 메테인의 파괴적인 온실효과 때문이다.
2021년 9월 18일, 미국과 유럽연합이 "국제메테인협약"(Global Methane Pledge)을 발족했다. 2030년까지 2020년 대비 최소 30%를 배출을 감축하자는 서약이다. 유엔환경계획 산하에 국제메테인배출관측소(IMEO)를 설립하고, 글로벌 메테인 이니셔티브와 기후·청정대기연합(CCAC)을 만들 계획이다. # 대한민국은 2021년 11월 유엔기후변화협약 당사국총회에 맞춰 가입했다. #
2022년 2월 9일, 국제공동조사단의 조사결과 미국, 러시아, 투르크메니스탄의 정유시설이 내뿜는 메테인이 세계 메테인 누출의 12%나 차지한다고 밝혀졌다. 정유시설의 탄소 포집은 커녕 메테인 포집만 잘 해도 지구 온난화를 저렴하게 달성 가능하다는 평. #
2022년 5월 27일, 2021년의 메테인 배출량이 역대 최고치를 찍었다. 주된 이유는 중국이 다시 석탄발전을 한 것. 중국은 105개국이 참여한 국제메테인협약에도 참여하지 않는다. #
2022년 6월, "퍼머 컬처"(Permanent + agriculture, 지속가능한 농업)의 방식으로 가축분뇨 기반 퇴비에서 음식물쓰레기 기반 퇴비로 전환하자는 운동이 생겨났다. 가축분뇨 기반 퇴비는 지구 온난화에 해로운 메테인과 아산화질소가 생겨나기 때문. #
4. 여담
원시 지구 대기에 존재했던 분자라서 무기물로 보는 경우가 있다.
[1]
독일어 Methan,
일본어 メタン
[2]
실험식이 CH4인 유일한 탄화수소, 수소 4개와 결합한 탄소가 있는 유일한 탄화수소이기도 하며, 수소 원자의 비중이 가장 높은 탄화수소이기도 하다.
[3]
[math(\displaystyle -i \operatorname{Log}\left(\frac{1 - \sqrt{8}}{3}\right){\rm rad} \approx 109.5\degree)] (단,
[math(i = sqrt{-1})], [math(\rm Log)]는
복소로그함수)
[4]
거기다 인간은 방귀에 메테인이 아예 포함되지 않는 경우도 많다. 메테인이 방귀의 주성분을 차지하는 건 소와 양과 같은 초식동물들에만 해당한다.
[5]
고급 식재료인
트러플이 막상 넣어보면 호불호가 갈리는 이유이기도 하다. 트러플의 향이 이 부취제랑 비슷한 성분이기 때문.
[6]
소와 같은 반추동물은 메테인 배출량이 상대적으로 많다.
[7]
기사에 의하면 초식공룡들은 우리가 현재 배출하는 총 메테인보다 많은 양을 배출했다 한다.
[8]
위에서 설명하였듯이 메테인 자체는 무취이다. 그러나 혐기성 세균의 대사에서 발생하는
황화 수소 등이 악취를 유발한다. 계란 썩는 냄새, 방귀 냄새 등의 원인이 황화수소이다.