메테인
1. 개요
상온, 대기압 하에서 기체인 무색무취의 알케인이다. '''메탄'''은 독일식발음이고[1], '''메테인'''은 영어 발음을 한국화한 피진이며 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. 상세
화학식은 CH4. 탄소 하나와 수소 4개가 결합해 가장 간단한 형태의 탄소 화합물이다. 탄소가 겨우 하나라는 간단함 때문에 이성질체가 없다. 분자량은 16. 녹는점은 -182 ℃, 끓는점은 -164~-160 °C.
지구 상에서 가장 풍부한 유기 화합물로서, 천연가스의 주성분이다. 지구뿐만 아니라 토성의 달 타이탄(위성)은 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.
자연에서 메테인은 주로 미생물의 분해/발효로 생성된다. 유기물이 하수구 등에서 썩으면 메탄가스가 발생해 보글보글 거품이 일고 쓰레기 매립장 같은 데는 긴 파이프를 땅에 박으면 메탄가스가 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 메탄가스가 폭발하는 일이 가끔 있었다. 시골에서 재래식 화장실을 이용한다면 절대로 담배불을 붙이거나 꽁초를 버려서는 안된다! #1 #2
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. 또한 최근에는 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.
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.
태우면 일산화탄소 및 수소의 방출 등 여러 단계의 화학 반응을 거치면서 물과 이산화탄소로 바뀌며 1몰(단위)(mol)당 891 kJ의 열량을 낸다.
메테인 자체는 냄새가 없으나, 부패 등으로 생성된 경우는 황화수소 등 다른 성분이 섞여서 냄새가 난다. 즉, 방귀가 냄새나는 원인도 메테인 때문은 아니다. 무색무취의 폭발물이라는 점이 위험할 수 있으므로 휴대용 연료 등으로 공급되는 메테인은 새어나갈 때 조기에 인지하고 대처하기 쉽도록 일부러 냄새나는 부취제를 섞는다. 독성은 없지만 폭발 위험이 있고 농도가 높으면 질식의 우려가 있으니 주의하자.
온실가스 중의 하나로서, 대기중에서 차츰 반응하여 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. 이유는 소화 박테리아 중 부산물로 메테인을 생산하기 때문. 농담처럼 들리겠지만, 소의 트림에서 나오는 메테인이 대기로 나오는 전체 메테인의 16%을 차지한다.[2] 소 한마리가 하루에 배출하는 메테인은 250 L이지만, 지구엔 15억(!) 마리가 넘는 소가 있기 때문. 가축과 관련한 방출량은 뜻밖에 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 2000리터(!)라는 경이로운 배출량을 자랑한다.
아예 공룡과 메머드가 멸종되자 내뿜던 메테인이 감소하면서 지구가 추워졌다는 말도 있다. 현재 코끼리만 해도 하루에 엄청난 가스를 방출하는데 공룡이면...[3]
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 발전기(!)와 오토바이(!)까지 돌리는 양반들도 있다.
그래서인지 잊을 만할 때쯤이면 획기적이고 새로운 친환경기술인 것처럼 인터넷 등지에 반복적으로 소개되기도 한다. 하지만 널리 안 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.[4]
- 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.
하지만, 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 방구는 어쩔 수 없지만 어마어마하게 많은 사람이 내놓는 배설물 역시 이 가스의 재료가 될 수 있기 때문에 연구 대상.
얼마나 있는지는 몰라도, 대량의 메테인이 메탄 하이드레이트 형태로 바닷속과 지구 지각에 숨어 있다.
[1] 독일어 Methan, 일본어 メタン[2] 소와 같은 반추동물은 메테인 배출량이 상대적으로 많다.[3] 기사에 의하면 초식공룡들은 우리가 현재 배출하는 총 메테인보다 많은 양을 배출했다 한다.[4] 위에서 설명하였듯이 메테인 자체는 무취이다. 그러나 혐기성 세균의 대사에서 발생하는 황화수소 등이 악취를 유발한다. 계란 썩는 냄새, 방귀 냄새 등의 원인이 황화수소이다.