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점토질 퇴적토에서 천연가스 하이드레이트가 생성되는 원리 밝혀
점토 광물의 표면 전하로 인한 물 분자의 분극을 구현해 기존 이론으로는 설명하지 못했던 점토질 퇴적토에서의 생성 현상 설명해
[448호] 2018년 05월 15일 (화) 곽지호 기자 jim9611@kaist.ac.kr

  건설및환경공학과 권태혁 교수 연구팀이 점토질 퇴적토에서 천연가스 하이드레이트(Hydrate)가 생성되는 원리를 밝혀냈다. 이번 연구는 지난 2월 3일 <인바이러멘탈 사이언스&테크놀로지(Environmental Science&Technology)>에 게재됐다.

점토질에서는 생성 어렵다고 알려져
  천연가스 하이드레이트는 그 매장량이 막대해 차세대 대체 에너지로 주목받고 있다. 천연가스 하이드레이트는 주로 해저 퇴적토나 영구 동토층에서 발견되며, 이를 시추해 자원으로 사용하기 위한 연구가 현재 활발히 진행되고 있다. 천연가스 하이드레이트는 물 분자 사이의 수소결합으로 이루어진 결정 내부에 주로 메테인(CH4) 분자가 갇혀 있는 구조로, 퇴적된 유기 탄소화합물이 메탄 등의 탄화수소 형태로 변환된 후 천부(Sub-bottom)의 해저 퇴적층에 공급됨으로써 생성된다. 따라서, 천연가스 하이드레이트는 입자의 크기가 커 입자 사이의 공극*이 큰 사토질 퇴적층에서 주로 생성될 것이라는 이론이 일반적이었다. 하지만 최근 해저 점토질 퇴적층에서 천연가스 하이드레이트가 다량 발견되었고, 진흙으로 이루어져 공극이 작은 점토질 퇴적층에서 메탄 하이드레이트가 생성되는 원리를 설명할 이론이 필요했다.

전기장으로 결정의 생성 속도 촉진해
  점토 광물의 표면은 음전하를 띠며, 이는 광물 표면에 흡착된 물 분자들을 분극**화시키는 역할을 한다. 하지만 점토 광물에는 이러한 음전하를 상쇄하기 위한 소듐(Na), 칼슘(Ca) 등 여러 양이온이 많아, 점토 광물을 직접 사용해 실험을 진행하면 이러한 양이온들의 영향으로 정확한 현상 규명이 어려웠다.
  연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 탈이온수에 전기장을 가해 물 분자들의 분극화를 이루어냄으로써 점토 표면의 전하를 구현했다. 또한, 8.5℃ 이하의 온도에서 3MPa 이상의 압력이 가해졌을 때 가스 하이드레이트가 생성된다는 조건을 맞추기 위해, 압력을 가한 후 온도를 1℃로 내리며 하이드레이트 결정이 생성되는 시간을 측정하였다. 그 결과, 전기장을 가하지 않은 물에서는 하이드레이트 결정이 생성되는 데에 약 13시간이 걸렸지만, 점토 표면과 비슷한 크기인 10kV/m의 전기장을 가한 물에서는 하이드레이트 결정이 생성되는 데에 약 2시간밖에 걸리지 않았다. 연구팀은 결정 생성 시간이 감소한 원인이 전기장으로 인해 물 분자가 분극화되어 분자 간 수소 결합이 약해지고 내부에너지가 감소하기 때문이라는 사실을 밝혔다. 또한, 물 분자들이 강하게 분극 되었을 때 기체상의 가스 분자들의 용해가 억제됨을 발견하였다. 즉, 점토 광물이 하이드레이트 생성을 방해하는 것이 아니라, 특정 환경에서는 오히려 점토 광물이 하이드레이트의 생성을 촉진함을 밝힘으로써 점토질 환경에서 가스 하이드레이트가 생성되는 현상을 설명한 것이다.

  이번 연구는 점토 광물이 하이드레이트 생성을 촉진한다는 사실을 실험적으로 규명하고, 점토질 퇴적층에서 하이드레이트가 존재하는 원리를 밝혔다는 의의가 있다. 권 교수는 “분광 기법과 분자동역학 모델링 기법 등을 활용한다면 점토 광물 표면에 있는 물 분자들이 가지는 활성도를 확인 가능할 것”이라며 “추후 연구를 통해 점토질 퇴적층에 생성된 메탄 하이드레이트에서 메탄가스를 효율적으로 생산하는 방안을 찾겠다”고 밝혔다.

공극*
토양 입자 사이의 틈. 토양 입자의 크기와 구조에 따라 공극이 달라진다.

분극**
외부 전기장으로 인하여 음전하, 양전하를 띠는 물 분자 내의 수소 이온과 산소 이온이 정렬되는 현상.

 

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