고농도 과산화 수소
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1. 개요
고농도 과산화 수소는 85% 이상의 과산화 수소 수용액을 의미하며, 강력한 산화력과 부식성을 가진다. 불안정하여 산소를 방출하며, 가연물과 혼합 시 발화할 수 있다. 위험물 제6류(산화성 액체) 및 극물로 지정되어 있으며, 추진제, 로켓 엔진 산화제 등으로 사용된다. 제2차 세계 대전 중 독일에서 발터 기관, 로켓 엔진 등에 사용되었으며, 미국, 영국, 러시아 등에서도 로켓, 어뢰, 잠수함 등에 활용되었다. 고농도 과산화 수소는 촉매에 의해 분해되어 폭발 사고를 일으킬 수 있으며, 취급 시 특별한 주의와 안전 장비가 필요하다.
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- 과산화 수소 - 과탄산소다
과탄산소다는 1899년 러시아 화학자에 의해 제조된 무색 수용성 고체로, 산화제, 표백제 등으로 사용되며, 물에 녹으면 과산화 수소 등으로 분해되고, 산업적으로 탄산 소듐과 과산화 수소의 반응을 통해 생산된다. - 로켓 추진제 - 로켓캔디
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| 고농도 과산화 수소 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 화학식 | H2O2 |
| 분자량 | 34.0147 g/mol |
| 밀도 | 1.465 g/cm3 (액체) |
| 녹는점 | -11 °C (262 K; 12 °F) |
| 끓는점 | 141 °C (414 K; 286 °F) |
| 설명 | |
| 정의 | 질량 기준으로 70% 이상의 농도를 가진 과산화수소 수용액 |
| 용도 | 로켓 추진제 산업용 산화제 |
| 안전 | |
| 위험성 | 부식성, 산화성 |
| 주의사항 | 피부, 눈, 호흡기에 자극을 줄 수 있음. 화재 및 폭발 위험이 있음. |
| 관련 화합물 | |
| 관련 화합물 | 과산화수소 |
2. 성질
과산화 수소는 불안정하여 산소를 방출하기 쉬우며, 강력한 산화력을 가진 하이드록시 라디칼을 생성한다.[15] 강한 부식성을 가지며, 고농도의 과산화 수소가 피부에 닿으면 통증을 동반하는 백반이 생긴다.[15] 가연물과 혼합되면 과산화물을 생성하여 발화할 수 있고, 물에 녹으면 분해될 때까지 수생 생물에 대해 약간의 독성을 가진다.[15]
과산화 수소는 농도가 높을수록 안정적이다. 예를 들어, 98% 과산화 수소는 70% 과산화 수소보다 더 안정적이다.[3] 과산화 수소의 부피는 어는 과정에서 농도에 따라 다르게 변화한다. 농도가 낮을수록(45% 이하) 냉동 시 팽창하는 반면, 농도가 높을수록(65% 이상) 수축한다.[2]
2. 1. 화학적 성질
과산화 수소는 매우 높은 농도(약 70% 이상)에서 추진체로 가장 잘 작동한다. 약 67% 이상의 농도에서는 과산화 수소 분해열이 표준 압력에서 모든 액체를 완전히 기화시킬 만큼 충분히 커진다.[1] 이는 안전 및 활용의 전환점인데, 이 양 이상의 농도에서는 액체를 모두 가열된 가스로 변환할 수 있기 때문이다(농도가 높을수록 결과 가스가 더 뜨겁다).[1]일반적인 추진체 등급 농도는 70~98%이며, 일반적인 등급은 70, 85, 90, 98%이다.[1]
과산화 수소의 부피 변화는 동결로 인해 농도에 따라 달라진다. 농도가 낮을수록(45% 이하) 냉동 시 팽창하는 반면, 농도가 높을수록(65% 이상) 수축한다.[2]
과산화 수소는 과산화물 함량이 높을수록 더 안정적이다. 예를 들어, 98% 과산화 수소는 70% 과산화 수소보다 더 안정적이다. 물은 오염 물질 역할을 하며, 물 농도가 높을수록 과산화 수소는 덜 안정적이다. 과산화 수소의 저장성은 유체가 접촉하는 재료의 표면 대 부피 비율에 따라 달라진다. 저장성을 높이려면 이 비율을 최소화해야 한다.[3]
과산화 수소는 불안정하여 산소를 방출하기 쉬우며, 매우 강력한 산화력을 가진 하이드록시 라디칼을 생성하기 쉽다. 과산화 수소는 활성 산소의 일종이지만, 프리 라디칼은 아니다.
강한 부식성을 가지며, 고농도의 물질이 피부에 닿으면 통증을 동반하는 백반이 생긴다. 또한, 가연물과 혼합되면 과산화물을 생성하여 발화할 수 있다. 물에 녹으면, 분해될 때까지 수생 생물에 대해 약간의 독성을 가진다.[15]
과산화 수소는 소방청 제2조 제7항 및 별표 제1 제6류 2호에 따라 위험물 제6류 (산화성 액체)로 지정되어 있다.
또한, 중량%로 6%를 초과하는 농도의 수용액은 화학물질관리법에 의해 사고대비물질로 지정되어 있다.
3. 역사
1930년경부터 독일의 헬무트 발터가 고농도 과산화 수소 분해로 산소를 발생시켜 내연 기관을 작동시키는 발터 기관을 연구했다.[16] 제2차 세계 대전 중 독일은 U보트 XVIIB형에 발터 기관을 적용했고, 종전 후 영국, 소련 등에서 관련 연구를 진행했으나, 미국 해군에서 함선 탑재 가능한 원자력 기관 개발에 성공하면서 잠수함 동력원으로는 실용화되지 못했다.[16] 일본 역시 제2차 세계 대전 중 독일로부터 기술 제공을 받아 발터 기관을 연구했으나, 실용화 전에 종전을 맞이했다.[16]
대한민국에서는 2018년 10월 28일 우리새 2호 발사에 고농도 과산화 수소를 산화제로 사용했다.[5]
4. 활용
과산화 수소는 다양한 분야에서 활용되고 있다.
- '''일반적 용도'''
약국에서 판매되는 3% 농도의 과산화 수소는 베타딘처럼 일반 상처 소독에 사용되며, 표백제로도 널리 사용된다.
- '''특수 용도'''
고농도 과산화 수소(HTP, High-test peroxide)는 85% 이상의 농도를 가지며, 주로 군사적 목적으로 사용된다.[1] HTP는 단일 추진제 또는 이중 추진제로 사용될 수 있다.[4][5]
과거에는 군사용 외에도 다양한 실험에 사용되었다. 1930년경부터 독일의 헬무트 발터에 의해 고농도 과산화 수소의 분해로 산소를 발생시켜 내연 기관을 작동시키는 발터 기관이 개발되었다. 각국에서 개발이 진행되었고, 제2차 세계 대전 중에는 독일에서 U보트 XVIIB형이 건조되었으며, 종전 후 전승국이 그 성과를 가져갔다. 영국에서는 익스플로러급 잠수함, 소련에서는 S-99가 건조되어 시험되었지만, 모두 성과가 좋지 않았고, 사고를 일으키거나, 미국 해군에서 함선에 탑재 가능한 원자력 기관의 개발과 성공이 앞서면서 발터 기관은 더 이상 주목받지 못하고 잠수함의 수중 동력원으로는 실용화되지 못했다. 또한 어뢰의 동력원으로도 사용되었으며, 해상자위대의 72식 어뢰나 영국의 21인치 마크 12 어뢰, 소련의 65형 어뢰에서 사용되었다.
그 외에도 로켓 비행기인 메서슈미트 Me163의 엔진인 HWK 109-509나 추수이의 특려 2호 원동기, 바서팔, 분룡, Hs 293 유도탄, 벨 로켓 벨트, X-1, X-15, 블랙 애로우의 추진제로 사용되었고, 자기 부상식 철도의 코메트의 1975년 속도 시험(401.3km/h)에서도 사용되었다. 그 외에 V2 로켓, 바이킹, 레드스톤, 소유즈 로켓에서 터보 펌프의 구동 가스 발생에도 사용되었고, 영국의 암스트롱 시들리 스텐터, 암스트롱 시들리 베타, 브리스톨 시들리 감마, 브리스톨 시들리 BS.605, 데 하빌랜드 스펙터 등의 로켓 엔진에서도 산화제로 사용되었다.
군용기 외에는, 수상 속도 기록 갱신을 목표로 한 로켓 추진형 파워보트 "디스커버리 II"[16], 2014년 11월 9일에 시속 333km를 기록한 프랑수아 기시(Francois Gissy)가 조종한 로켓 추진 자전거 "Kamikaze V"[17](기시는, 2018년 5월 5일에 과산화수소 엔진을 사용한 세발 자전거의 시험 중에 사고사했다[18])의 추진제로도 사용되고 있다.
4. 1. 일반적 용도
약국에서 판매되는 소독용 과산화 수소는 3% 농도로, 베타딘처럼 일반 상처 소독에 사용된다. 표백제로도 널리 사용된다.4. 2. 특수 용도
고농도 과산화 수소(HTP, High-test peroxide)는 85% 이상의 농도를 가지며, 미사일 연료, 어뢰 추진제, 로켓 엔진 산화제 등으로 사용된다.[1] HTP는 단일 추진제 또는 이중 추진제로 사용될 수 있다.[4][5]과거 독일은 HTP를 메서슈미트 Me163의 HWK 509A 로켓 엔진과 Type XVII 잠수함 등에 활용했다.[6] 일본에서도 제2차 세계 대전 중 독일로부터 기술 제공을 받아 발터 기관을 연구했지만, 실용화되지는 못했다.
미국은 X-15 프로그램, Bell Rocket Belt 등에 HTP를 사용했다.
영국 해군은 HMS Explorer, HMS Excalibur 잠수함에서 HTP를 시험했다. 그러나 HMS Sidon 잠수함 사고 이후 HTP를 어뢰 연료로 사용하는 실험은 중단되었다.
러시아는 HTP 어뢰를 개발했으나, K-141 쿠르스크 잠수함 침몰 사고 이후 사용이 중단되었다.[6]
영국은 Black Arrow 로켓, 블루 스틸 미사일에 HTP를 사용했다. Black Arrow 로켓은 HTP와 케로신 연료를 사용했다. 블루 스틸 미사일은 85% 농도의 HTP를 사용했다.
소유즈 로켓은 터보펌프 구동에 82% 농도의 HTP를 사용한다.
블루 플레임 로켓 추진 차량은 HTP와 액화 천연 가스를 사용하여 1970년 10월 23일에 622.407mph의 세계 육상 속도 기록을 달성했다.
현재 Blue Origin, Armadillo Aerospace 등 민간 로켓 회사와 일부 아마추어 그룹에서 HTP를 사용하고 있다.[7][8]
5. 구매 및 안전
고농도 추진제 등급 과산화 수소는 솔베이 인터록스, 페록시켐, 에보닉 등 대형 상업 회사에서 주로 제조하며, 자격을 갖춘 구매자에게만 판매된다.[9] 일반인은 70% 이하 농도의 과산화 수소를 구매하여 농축할 수 있지만, 증류는 매우 위험하다. 과산화물 증기는 점화되지 않지만 방출된 산소는 접촉 물질을 점화시킬 수 있으며, 특정 온도와 압력 조건에서 폭발할 수 있다. 이러한 위험은 진공 증류로 완화되지만 완전히 제거되지는 않는다. 과산화 수소 농축을 위한 다른 방법으로는 스파징 및 분별 결정이 있다.
미국 국토안보부는 35% 이상 농도의 과산화 수소를 관심 화학 물질 목록에 포함시켰다.[14]
5. 1. 안전
고농도 과산화 수소(HTP) 취급에는 특별한 주의와 장비가 필요하다. 철과 구리는 과산화 수소와 반응하지 않는 것으로 알려져 있지만, 사용된 과산화 수소의 등급에 따라 반응이 수 초 또는 수 분 동안 지연될 수 있다.[1]소량의 과산화 수소 유출은 해당 구역을 물로 범람시켜 쉽게 처리할 수 있다. 이는 반응 중인 과산화 수소를 냉각하고 희석시킨다. 따라서 과산화 수소를 취급하는 장소에는 비상 샤워 시설과 호스, 안전 담당자가 배치되는 경우가 많다.[1]
피부 접촉 시 피부 아래에 산소가 생성되어 즉시 하얗게 변색된다. 수 초 내에 씻어내지 않으면 심각한 화상을 입을 수 있다. 눈에 접촉하면 실명을 유발할 수 있으므로 눈 보호 장비를 일반적으로 사용한다.[1]
쿠르스크 잠수함 침몰 사고는 어뢰에 들어있던 고농도 과산화수소(HTP)가 어뢰 연료와 우발적으로 반응하여 발생했다.[1]
과산화 수소는 위험물 제6류 (산화성 액체)로 지정되어 있다.[15] 또한, 중량%로 6%를 초과하는 농도의 수용액은 독물 및 극물 취급 규제법에 의해 극물로 지정되어 있다.
6. 사고
1980년 3월 18일, 소련의 플레세츠크 우주 기지에서 보스토크 2M 로켓 폭발 사고가 발생하여 48명이 사망했다.[19] 이 사고는 터보펌프 구동용 과산화 수소를 충전하던 중 발생했는데, 스테인리스 필터 납땜에 순수 주석 대신 납이 함유된 전자 부품용 납땜을 사용한 것이 원인이었다. 납 자체는 과산화 수소 분해 촉매 작용이 없지만, 납의 산화물은 강력한 촉매로 작용한다.[19]
2000년 8월 12일에는 바렌츠해에서 쿠르스크가 침몰했다.[20][21][22] 이 사고는 65형 어뢰의 추진제인 과산화 수소가 불완전한 용접 부위에서 새어 나와 폭발하면서 어뢰 탄두가 유폭된 것이 원인이었다.[20][21][22]
영국 해군의 잠수함 침몰 사고 역시 HTP 어뢰가 원인으로 추정된다. (어떤 잠수함인지 명시되어 있지 않아 원문 그대로 유지)
참조
[1]
웹사이트
MIL-PRF-16005F Performance Specification: Propellant, Hydrogen Peroxide
https://www.hydrogen[...]
2016-11-12
[2]
웹사이트
Fire, Explosion, Compatibility and Safety Hazards of Hydrogen Peroxide
https://ntrs.nasa.go[...]
NASA
[3]
간행물
Long Term Storability of Hydrogen Peroxide
General Kinetics Inc
[4]
웹사이트
Green Hydrogen Peroxide (H2O2) Monopropellant with Advanced Catalyst Beds
https://www.esa.int/[...]
ESA
2018-07-25
[5]
웹사이트
Development of a Low Thrust Bipropellant Thruster Based on Green Propellants
https://www.esa.int/[...]
ESA
2018-07-25
[6]
웹사이트
A Brief History of Concentrated Hydrogen Peroxide Uses
https://www.hydrogen[...]
2016-11-12
[7]
웹사이트
Polish civil rockets' development overview
https://www.research[...]
2021
[8]
웹사이트
Nucleus: A Very Different Way to Launch into Space
https://www.nammo.co[...]
2022-02-06
[9]
웹사이트
One Equity Partners Completes Acquisition of PeroxyChem
https://www.peroxych[...]
2016-11-12
[10]
웹사이트
X-L Space System
https://www.xlspace.[...]
2016-11-12
[11]
웹사이트
Space Technologies
https://ilot.lukasie[...]
[12]
웹사이트
85% - 98% Hydrogen Peroxide - HTP - Jakusz
https://jakusz-space[...]
2021-07-06
[13]
웹사이트
90% - 98% Hydrogen Peroxide - HTP + HTP Production Plants – WEPA-Technologies
https://www.wepa-tec[...]
2023-07-14
[14]
학술지
Appendix to Chemical Facility Anti-Terrorism Standards; Final Rule
https://www.dhs.gov/[...]
2016-11-12
[15]
PDF
過酸化水素35%水溶液 MSDS
http://www.mgc.co.jp[...]
[16]
문서
1980년 11월 13일에 타호호에서 시험 주행 중에 플로트가 파도의 충격에 견디지 못하고 파손되어 수면에 부딪혀 운전사 리 테일러가 사망했습니다.
http://www.thunderbo[...]
[17]
뉴스
Video: Swiss daredevil pilots rocket-powered bike to over 200mph
https://road.cc/cont[...]
2023-12-14
[18]
뉴스
Fatal accident of François Gissy, rocket writer
https://newsbeezer.c[...]
[19]
서적
Rockets and People: Creating a rocket industry
http://www.nasa.gov/[...]
Government Printing Office
2006-06-01
[20]
문서
A Mystery In The Deep.
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2011-12-07
[21]
문서
The Kursk's Loss Offers Lessons.
U.S. Naval Institute Proceedings
2011-12-07
[22]
뉴스
The Loss of the HMS Sidon
http://submarinesaus[...]
Submarines Association Australia
2010-09-02
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