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개발의 필연적인 산물인 동시에 '지구온난화의 원흉'이산화탄소. 이를 적게 발생시키는 방법과 함께, 생성된 이산화탄소를 효과적으로 처리하는 고정화기술에 관심이 모아지고 있다.

이산화탄소 일명 탄산가스는 탄소와 수소를 가지고 있는 화합물(탄화수소)이 산화될 때 필연적으로 생성되는 가스다. 그러므로 소규모는 우리 인간들의 코로부터, 크게는 석탄이나 기름을 사용하는 발전소나 공장의 굴뚝으로 부터 나오는 배기가스 속에는 많은 양의 이산화탄소가 포함돼 있다. 가정의 부엌 그리고 도로위에서 달리고 있는 모든 자동차의 배기가스에서 나온다.

탄산가스에 대해 지금까지 우리는 큰 관심을 갖고 살지 않았다. 근래에 와서 외국에서 탄산가스가 '지구온난화의 원흉'이라는 점이 확인되면서 큰 관심을 끌게 됐다.

왜 탄산가스가 지구온난화의 주범인지를 간단히 설명해보자. 산업혁명 이후에 공업발달과 인구증가가 급속히 이루어졌다. 이때 생성된 ${CO}_{2}$는 대기권에서 탄산가스층을 형성한다. 이 탄산가스는 태양에서 출발한 광선이 지구표면에서 다시 방사하여 우주공간으로 되돌아 갈 때, 열을 우주로 발산시키지 못하게 하고 열을 흡수하기 때문에 탄산가스를 지구의 온난화의 원흉이라 부른다. 또한 염화불화탄소(CFC)가 지구상공의 오존층을 파괴하여 더 많은 양의 태양광선이 지구로 들어오는 것도 지구온난화의 한 원인이다.

탄산가스 발생에 의한 지구온난화 문제뿐만 아니라, 그 연료에 포함돼 있는 미량원소, 즉 질소 및 황이 산화돼 산화유황 및 산화질소로 변하고 이 물질이 공기중에서 빛의 존재하에 물과 반응해 황산과 질산이 되고, 이것이 비와 함께 다시 지구로 떨어지는 산성비 문제, 아열대지방의 사막화, 그리고 이상기온 등 우리들에게 한꺼번에 닥친 여러 문제들이 우리들의 장래를 불안하게 하고 있다. 여러 문제 가운데 가장 큰 비중을 차지하고 있는 탄산가스의 처리에 대해 기술하고자 한다.

대기중에 7백억t

산업혁명 이전의 이산화탄소의 농도는 2백 80ppm이었던 것이 1959년대 말에는 3백15ppm이었고, 1990년에는 3백53ppm으로 증가했다. 미국 과학 아카데미의 예측에 따르면 이러한 속도로 이산화탄소의 농도가 증가하면 2030년에는 대기중의 이산화탄소 농도가 5백60ppm 정도로 산업혁명 이전 농도의 두배가 된다. 그 결과 지구의 온도가 평균 3±1.5℃ 상승한다고 한다. 극지방에서 는 14℃가 상승할지도 모른다고 예측한다.

그러면 대기권에 어느 정도 이산화탄소가 존재하고 있을까. 그 양을 탄소로 환산하면 약 7백억t이다. 인간이 만들어 내는 탄산가스는 탄소 기준 연간 약 50억t(탄산가스로 환산하여 약 2백억t)으로 생각된다.
 

탄산가스를 가장 많이 배출하는 나라들은 선진공업국들이다. (표1)에서 보는 바와같이 미국이 전세계의 23.8%, 옛 소련이 17.0% 그리고 일본이 4.8%, 서독이 3.3% 배출하고 있다. 미국과 일본의 이산화탄소 발생원을 보면 (표2)와 같다.
 

어떻게 처리할 것인가

그러면 이렇게 많이 발생되는 이산화탄소를 어떻게 해야 할 것인가. 가장 좋은 방법은 이산화탄소를 발생시키지 않으면 가장 좋겠지만 그것은 불가능하고, 적게 생산되는 공정을 개발하는 것이 필연적이라 할 것이다. 다음으로 대두되는 문제는 배출되는 이산화탄소를 어떻게 처리할 것인가 하는 점이다.

■ 생물학적 고정/탄소동화작용

여러분은 나무가 탄산가스를 흡수하여 탄소동화작용을 통해 필요한 양분을 만들고, 산소를 내어 놓는다는 사실을 국민학교 교과과정부터 배워 잘 알고 있으리라 생각한다(광합성). 조물주가 마련해 준 이 오묘한 방법은 우리 인간이 아무리 노력해도 그 비밀의 일부분 밖에 알지 못한다.

${CO}_{2}$ + ${H}_{2}$O ⇄ (빛) 탄수화물 + ${O}_{2}$

선진 외국에서는 조류(藻類) 및 세균을 이용한 탄산가스 고정화 기술을 개발중이나 아직 미미한 단계다. 열대 우림은 아시아 아프리카 그리고 중남미의 세지역에 분포한다. 1978년 세계의 산림면적은 약 25억㏊로 1년에 약 2천만㏊가 감소하고 있다. 이런 열대림은 그 성장과정에서 ${CO}_{2}$고정이 활발하다. 만약 연 2천만㏊의 열대림이 태워진다면(아마존강 유역에서 개발 및 농토화를 위해 실제로 시행되고 있음) 60억t이라는 막대한 ${CO}_{2}$가 방출된다. 어린 수목은 1㏊당 1년에 10t정도 성장이 현기술로 가능하다. 이 10t의 유목이 연 약 15t의 ${CO}_{2}$를 흡수한다. 만약 성장이 순조로우면 10t의 유목이 가지는 ${CO}_{2}$ 적산량은 3백t에 달하리라고 생각한다. 따라서 식목의 중요성을 잘 인식하여 푸른 지구를 만드는 것이 우리의 생명을 연장시키는 한 방법이 될 것이다.

■ 물리적 고정/바다 속 압력을 이용

탄산가스는 열역학적으로 아주 안정한 화합물중의 하나이므로 자연적인 광합성에 의한 방법 외에 이를 반응시키기 위하여 불안정한 화합물로 만드는데는 많은 에너지가 필요하다. 그러면 탄산가스의 물리적 성질을 이용하여 제거하는 방법도 가능하리라 생각된다.

즉 ${CO}_{2}$의 비점 및 융점이 각각 -78.48℃ (1기압) 및 -56.6℃(5.2기압), 그리고 삼중점이 31℃이므로 융점과 삼중점 사이에서 압력을 가해 액화시키면 가능하다. 예를 들면 실온에서 75기압을 가한다든지 또는 -12℃~-23℃에서 16~24기압을 가하면 탄산가스는 액화된다. 이것을 더 가압하여 고체로 만든 것이 우리가 냉매제로 쓰는 드라이아이스다.

그러나 여러분이 잘 아는 바와 같이 고체 드라이아이스는 대기중에서 기화하여 다시 가스 상태의 ${CO}_{2}$로 되돌아가므로, 소용이 없다. 고체 또는 액체 상태를 유지할 수 있는 고정압력을 만들어야 한다. 이것이 해저를 이용하는 방법이다. 수심이 10m 내려갈수록 1기압이 올라가므로 수심 5백m(50기압 10℃)이하에서는 탄산가스를 액체 상태로 유지가 가능할 것이다. 한가지 문제점은 이 액화탄산가스가 조류를 따라 이동하고, 해수의 탄산가스 용해도가 높아지면 해저의 해초 및 산호초의 성장에 영향을 주기 때문에 해저 생태계에 변화가 일어나 이 방법도 여러 가지 문제점이 야기되고 있다.

■ 화학적 고정/다양한 방법 시도

${CO}_{2}$를 인공적인 방법을 통해 화학제품으로 만드는 ${CO}_{2}$ 고정화 기술은 유효물질이 부가적으로 생성되므로 일석이조의 효과를 기대하는 첨단기술이다.

가장 잘 알려진 방법이 메탄올 합성이다. 1980년 미국의 할더 톱소에사는 고압(1백20기압)에서 동-아연 촉매를 사용해 메탄올을 합성하는 방법을 개발해 현재 공업화를 시도 중이며, 최근 일본 MITI사는 ${CO}_{2}$를 저온 저압에서 수소와 반응시켜 메탄올로 전환하는 촉매개발을 착수했다. 그러나 이 경우 싼 수소 공급과 고성능 촉매를 개발해야 하는 등의 문제점을 가지고 있다.

다음으로는 전기환원을 이용하는 방법이다. 전극으로부터 전자를 ${CO}_{2}$로 보내어 전기 화학적으로 ${CO}_{2}$를 환원시킨후 CO 식초산 메탄 및 에틸렌 등 다양한 화학제품으로 전환시키고자 하는 것이다. 이 경우 전극의 재질 및 촉매의 종류에 따라 조금씩 공정이 달라진다.

천연 광합성 작용을 모방한 방법도 있다. 천연 광합성 작용시 물 대신 유기화합물이나 무기화합물을 사용해 인공적으로 광합성을 일으켜 초산 등을 합성하는 방법. 이 방법 또한 아직 우수한 촉매를 개발하지 못하고 있다.

세계적으로 걸음마단계

이산화탄소(${CO}_{2}$)는 안전한 화합물이고 또 전환에 에너지가 다량 필요하므로 지금까지 그렇게 연구의 대상이 되지 않았다. 때문에 세계적으로 거의 기술개발 초기 단계라 말할 수 있다. 그러나 ${CO}_{2}$문제의 중요성을 감안 하면 효과적인 기술을 중점적으로 조기에 확립하지 않으면 안될 것이다.

세계적으로 가장 활발히 연구하는 나라는 일본이다. 지구환경산업기술 연구기구를 만들어 1990년부터 10년 계획으로 국가가 중심이 돼 여러 협력기업과 같이 프로젝트를 수행하고 있다.

생물학적 고정화팀은 도쿄 대학 과학기술 센터와 함께 △ 광합성 미생물 탐사 및 육종 △ 유기물질 생산 △ 배양장치 및 태양광 집광 요소 기술개발을 하고 있다. 화학적 ${CO}_{2}$ 고정화팀은 일본 화학기술연구소, 자원환경기술 총합연구소, 오사카 공업기술시험소와 같이 △ ${CO}_{2}$ 분리막 및 촉매 개발 △ 수소발생 방법 등을 연구대상으로 삼고 있다 △ 화학적 고정에서 큰 문제점은 전술한 바와 같이 어떻게 값싼 수소를 만드느냐와 안정한 ${CO}_{2}$를 활성화시키는 촉매의 개발이 관건이다.

미국에서는 국가가 주도해 일을 추진하고 있지 않지만, 여러 대학과 기업에서 다양하게 연구를 하고 있다. 미국 정부에서도 중요성을 감안하여 화석에너지 사용을 줄이고 태양광이나 바이오매스 등 대체에너지 개발을 위한 다양한 정책을 제안하고 있다.

우리나라도 ${CO}_{2}$고정화기술개발은 아주 초보 단계다. 다행히 금년부터 국가의 G7과제에 포함되어 1차적으로 ${CO}_{2}$의 분리 및 화학적 고정연구를 시작하고 있다.

우리들이 지구환경문제에 대해 무관심한 사이에 이 지구는 환경오염으로 서서히 병들어 가고 있다. 선진국들은 자기들이 이 지구를 병들게 한 주범들이면서도 책임을 회피하고 자기들의 물건 팔기에 급급하고 있으며, 후진국들은 가난을 벗어보겠다고 환경문제는 아랑곳하지 않고 공장 세우기만 혈안이 돼 있다.

탄산가스가 많이 발생되는 현 공정을 짧은 기간에 적게 발생되는 공정으로 전환시키는 것은 쉬운 문제가 아니다. 따라서 생산된 탄산가스를 생물적인 그리고 화학적인 방법을 통하여 저탄소화합물로 고정화시키는 방법을 시급히 개발해야 한다.