KAIST 권태혁 교수, 박태형 박사과정생

차세대 대체에너지로 주목받는 불타는 얼음 '천연가스 하이드레이트'가 점토질 퇴적토에서 다량으로 생성되는 원리가 처음으로 밝혀졌다.

권태혁 한국과학기술원(KAIST) 건설 및 환경공학과 교수 연구팀은 실험적으로 점토 표면과 비슷한 크기의 전기장 104V/m(미터당 전압)이 하이드레이트 생성을 촉진한다는 것을 규명했다고 5일 밝혔다.친환경 에너지로 분류되는 천연가스 하이드레이트는 심해저에 묻혀 있는 결정 형태의 에너지원으로 메탄이 주성분이다. 결정 속에 가스가 채워져 있으나 대기 중에서 물과 가스로 분리되며 불이 붙을 수 있어 '불타는 얼음'으로 불리기도 함다.

기존 하이드레이트는 작은 공극과 점토 내 높은 이온 때문에 점토질 퇴적토에서는 생성이 어렵다는 것이 일반적인 이론이 존재했다. 그럼에도 최근 해저 점토질 퇴적층에서 다량의 하이드레이트가 발견돼 원인을 규명하기 위한 연구가 진행됐다.

점토광물 표면은 음전하를 띈다. 이 전하들이 점토표면에 흡착된 물 분자에 전기적 힘을 가해 분극화하며, 점토 표면의 음전하를 상쇄하고자 주변에 다수 양이온들이 존재한다.결국 일반 조건에서 물 분자와 분극화된 조건과 물 분자들의 하이드레이트 결정 생성 양상을 비교하는 것이 연구의 핵심이다. 그러나 점토 주변에 자연적으로 존재하는 양이온들 탓에 실험 연구를 진행할 수 없었다.

연구팀은 물에 전기장을 가해 점토 표면과 같이 물 분자들의 분극화를 구현했다. 이후 물 분자들의 가스 하이드레이트 결정 생성 속도를 측정했다. 그 결과 점토 표면과 비슷한 크기의 전기장 104V/m을 물에 적용했을 때 가스 하이드레이트 결정핵 생성 속도가 약 6배 이상 빨라지는 것을 확인했다.

연구팀은 전기장이 하이드레이트 생성을 촉진함을 실험적으로 규명하는데 성공했다. 점토광물의 존재가 하이드레이트 생성을 방해하는 것이 아니라 특정 조건에서는 오히려 하이드레이트 생성을 촉진한다는 것을 밝혔다.

권 교수는 "이번 연구를 통해 점토질 퇴적토에서 가스 하이드레이트가 많이 발견되는 이유에 대해 이해할 수 있게 됐다"며 "멀지 않은 미래에 인류는 가스 하이드레이트를 에너지 자원으로 생산하고 소비할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 박태형 박사과정이 1저자로 참여했으며, 지난 2일 환경 분야 국제 학술지 환경과학과 기술(Environmental Science & Technology) 온라인 판에 실렸다.

가스 하이드레이트 생성 촉진(왼쪽)과 억제 반응

somangchoi@