메테인

3. 반응

메테인의 주요 화학 반응에는 연소 반응, 수증기 개질 반응을 통한 합성 가스 생성, 할로젠화 반응이 있다. 일반적으로 메테인 반응은 제어하기 어렵다. 메테인의 부분적 산화를 통해 메탄올을 얻는 것은 어렵다. 효소인 메탄 모노옥시게네이스는 메탄올을 생성하지만 산업 규모의 반응에는 사용할 수 없다.^[19] 일부 촉매 시스템이 개발되었지만, 상당한 단점을 가지고 있다.^[20] 한 무리의 세균은 산소가 없는 상태에서 아질산염을 산화제로 사용하여 메탄 산화를 촉매하는데, 이를 메탄의 혐기성 산화라고 한다.^[21]

3. 1. 연소 반응

3. 2. 할로젠화 반응

3. 3. 선택적 산화

3. 4. 산-염기 반응

4. 생성

메테인은 천연 가스의 주성분으로, 천연 가스전에서 추출하거나 탄층 가스 추출을 통해 얻는다. 얕은 지층에서는 유기물이 썩으면서 생성되기도 한다.

산업적으로는 일산화 탄소와 수소를 반응시켜 메테인을 대량 생산할 수 있다. 실험실에서는 다음과 같은 방법으로 메테인을 생성할 수 있다.

• 탄화 알루미늄에 물을 반응시킨다.

• 아세트산염을 강염기와 함께 가열하여 탈탄산시킨다.

• 메탄균에 의한 혐기 발효로 바이오가스를 만든다.

4. 1. 자연적 생성

4. 2. 인위적 생성

• 탄화 알루미늄에 실온에서 물을 반응시켜 가수 분해한다.

• 아세트산염을 강염기 존재 하에 강열하여 탈탄산시킨다.

• 메탄균에 의한 혐기 발효를 통해 바이오가스를 제조한다.

5. 용도

메테인은 냉장 액체(액화 천연 가스, LNG) 형태로 운송될 수 있다. 냉장 액체 용기에서 누출된 가스는 처음에는 차가운 가스의 밀도가 높아 공기보다 무겁지만, 주변 온도에서는 공기보다 가볍다. 가스 파이프라인은 메테인이 주성분인 대량의 천연 가스를 유통한다.

냉매로서 메테인은 ASHRAE 지정 R-50이다.

유전이나 가스전에서 채굴되어 에너지원으로 유용한 천연 가스의 주성분이 메탄이다. 20세기 말 이후 대체 에너지로서 바이오 가스나 메탄 하이드레이트가 신에너지로서 주목받고 있다.

5. 1. 연료

5. 2. 화학 원료

6. 환경에 미치는 영향

해저 대부분은 산소가 소모되어 무산소 상태가 되는데, 이는 산소가 호기성 미생물에 의해 퇴적물의 처음 몇 센티미터 내에서 제거되기 때문이다. 산소가 풍부한 해저 아래에서는 메탄 생성균이 메탄을 생성하며, 이 메탄은 다른 유기체에 의해 사용되거나 가스 하이드레이트에 갇힌다.^[42] 메탄을 에너지로 사용하는 이러한 다른 유기체들은 메탄 영양균(메탄 섭취)으로 알려져 있으며, 깊은 곳에서 생성된 메탄이 해수면에 도달하지 못하는 주된 이유이다.^[42] 고세균과 박테리아의 컨소시엄이 메탄의 혐기성 산화(AOM)를 통해 메탄을 산화시키는 것으로 밝혀졌다. 이를 담당하는 유기체는 혐기성 메탄 영양균 고세균 (ANME)과 황산염 환원 미생물(SRB)이다.^[54]

메테인은 "대기 질을 저하시키고 인간의 건강, 농작물 수확량, 생태계 생산성에 부정적인 영향을 미칩니다".^[82]

메테인은 인화성이 매우 높으며 공기와 혼합되어 폭발성 혼합물을 형성할 수 있다. 메탄 가스 폭발은 많은 치명적인 광산 재해의 원인이 된다.^[83] 2010년 4월 5일 웨스트버지니아에서 29명의 사망자를 낸 Upper Big Branch 석탄 광산 재해도 메탄 가스 폭발이 원인이었다.^[84] 천연 가스 사고 방출 또한 과거 사고 방출로 인해 제트 화재 재해가 발생했기 때문에 안전 공학 분야에서 주요 관심사였다.^[85][86]

2015-2016년 캘리포니아주 알리소 캐년의 메탄 가스 누출은 미국 역사상 환경에 가장 큰 영향을 미친 사건으로 여겨졌으며,^[87][88][89] 딥워터 호라이즌이 멕시코 만에서 유출한 것보다 환경에 더 큰 피해를 입힌 것으로 묘사되었다.^[90]

2023년 5월 ''가디언''은 투르크메니스탄을 메탄 ''초과 배출''로 세계 최악의 국가로 지목하는 보고서를 발표했다. Kayrros 연구원이 수집한 데이터에 따르면 투르크메니스탄의 두 개의 대규모 화석 연료 매장지에서 2022년 한 해 동안 260만 톤과 180만 미터톤의 메탄이 누출되어 CO₂ 환산 3억 6,600만 톤에 해당하는 양의 이산화 탄소가 대기 중으로 방출되었으며, 이는 영국의 연간 CO₂ 배출량을 초과한다.^[91]

메탄은 또한 산소 농도가 변위로 인해 약 16% 이하로 감소하면 질식 물질이 된다. 대부분의 사람들은 21%에서 16%로의 산소 감소를 아무런 영향 없이 견딜 수 있다. 질식 위험이 심각해지는 메탄의 농도는 가연성 또는 폭발성 혼합물의 5~15% 농도보다 훨씬 높다. 메탄 배출 가스는 매립지 근처의 건물 내부로 침투하여 거주자를 상당한 수준의 메탄에 노출시킬 수 있다.

2012년 NASA 웹사이트는 바다가 북극 메탄의 잠재적인 중요한 원천이라고 말했지만,^[59] 최근 연구에서는 메탄 수준의 증가가 인간 활동에 의해 발생한다고 연관 짓는다.^[11] 메탄 배출량 증가에 대한 또 다른 설명은 대기에서 메탄을 제거하는 화학 반응의 속도가 느려진 것일 수 있다.^[67]

2021년에 시작된 [https://www.globalmethanepledge.org/ Global Methane Pledge]에 100개 이상의 국가가 서명하여 2030년까지 메탄 배출량을 30% 줄이겠다고 약속했다.^[68] 이는 2050년까지 전 세계적으로 0.2˚C의 온난화를 피할 수 있지만, 이 목표를 달성하기 위해 더 높은 약속을 요구하는 목소리가 있었다.^[69] 국제 에너지 기구의 2022년 보고서는 "메탄 감축을 위한 가장 비용 효율적인 기회는 에너지 부문, 특히 석유 및 가스 운영에 있다"고 명시하고 있다.^[70]

화산 가스인 메탄은 세계 최대의 화산대인 일본 열도 및 인근 해역에서 끊임없이 대량으로 방출되고 있으며, 기온이 상승하면 해저나 영구 동토 속의 메테인 하이드레이트가 방출될 수도 있다는 우려가 있어, 일본은 적극적으로 메탄 및 메탄 하이드레이트를 개발하여 연소해야 한다는 의견도 있다.

러시아 등에서는 오래전부터 천연 가스로서 활발하게 가스전 개발이 이루어져 왔다. 가스는 가스전에서 소비지로 파이프라인 수송되지만, 시설의 노후화로 인해 가스가 대기 중으로 대량 누출되는 것으로 보인다. 러시아는 누출량을 2019년 기준으로 연간 400만 톤으로 추정하고 있지만, 국제 에너지 기구에서는 2020년에 1400만 톤 가까이 누출된 것으로 추정하고 있다. 2021년에는 타타르스탄 공화국에서 시간당 400톤에 달하는 메탄 가스가 파이프라인에서 누출된 것이 인공 위성 데이터를 통해 확인되었다.^[139]

소 등 초식 동물의 트림에는 메탄이 포함되어 있으며, 그 분뇨에서도 메탄이 발생하기 때문에, 소가 늘어나면 메탄 가스도 증가하여 온실 효과를 부추긴다는 설이 퍼져, 대량의 쇠고기를 사용·폐기하는 햄버거 판매 기업이 비난받는 사태도 발생했다. 인구의 10배 이상에 달하는 가축을 사육하는 낙농 국가인 뉴질랜드에서는 양이나 소의 트림을 억제하는 온난화 대책을 추진하려 했지만, 농민들의 반대에 부딪혔다.^[140] 축산은 메탄 가스의 21%(트림 16%, 분뇨 5%)를 배출한다고 알려져 있다.^[141] 일본의 농업·식품산업 기술 종합 연구 기구는 소의 위에서 소의 에너지원인 프로피온산을 많이 생성하여 메탄 발생량을 억제하는 세균을 발견하고, 이 균을 늘리는 사료나 보충제화를 연구하고 있다.^[142] 가축 배설물에서 발생하는 메탄은 대기 중에 방출되면 온실 기체이지만, 한편 발생한 메탄을 회수하여 연료나 발전에 이용하면 탄소 중립적인 바이오가스 에너지, 바이오매스 자원이 된다.^{[143][144][145]}

산소가 부족한 담수 상태의 논에서는 기온이 높은 날이 계속되면 토양의 환원이 진행되어 메탄 생성균이 활성화되어 유기물을 분해하면서 메탄 가스가 발생한다. 이 현상을 '와키'라고 부른다. 이것은 논농사 문화가 발달한 동아시아를 중심으로 한 세계적인 문제이며,^[146] 2020년의 프로젝트 드로우다운^[147]에서도 기후 변화에 대해 세계 규모로 실시해야 할 100가지 항목(식량 생산뿐만 아니라 에너지, 건설, 운송 등 모든 분야 포함)의 대책 과제 중 우선순위 28위로 꼽힌다.^[148] 일본의 벼농사로 인한 메탄 배출량은 2008-2009년에 이산화 탄소 환산량으로 연간 약 557만 톤으로 추정되었다.^[149] 이는 2023년까지 알려진 세계 최대의 천연 메탄 가스 누출(13만 톤)^[150]의 1.5배^[151]에 달하는 양이다. 557만 톤을 당시 국내 쌀 생산량 813만 톤^[152]으로 나누면, 1만 톤당 쌀 생산에 따른 메탄의 이산화 탄소 환산 배출량은 6851톤에 달한다.

발생한 토양 속의 메탄은 벼의 뿌리에서 흡수되어 벼의 줄기를 통해 대기 중으로 배출된다. 또한, 이 현상은 논벼의 뿌리 성장을 방해하기 때문에, '와키'를 억제하기 위해 예전부터 논의 물을 빼고 토양에 산소를 공급하는 중건조라는 작업이 이루어진다. 이 중건조는 관행적으로는 줄기 수가 유효 줄기 수의 8~9할에 도달했을 때 1주~10일 정도 실시되지만, 그 기간을 1주일 정도 앞당겨 중건조 기간을 길게 함으로써 메탄 발생을 억제할 수 있다. 실험에서는 1주일 정도 연장했을 때 메탄 발생을 30% 줄일 수 있었다. 그러나, 중건조를 길게 하면 수확량이 3% 정도 감소했지만, 한편 등숙 보합(전체 낟알 수에 대한 등숙된 낟알 수의 비율^[153])은 향상되어 쌀의 품질은 향상되었다.^[154][138]

6. 1. 온실 효과

6. 2. 대기 중 메테인 농도 증가

6. 3. 메탄 하이드레이트

7. 한국의 메테인 관련 현황 및 정책

Methane|메테인^영어 관련 현황 및 정책은 대한민국에서 아직 구체적으로 발표되거나 확립되지 않았다.

7. 1. 탄소 중립 메탄 (합성 메탄)

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