비반응성 기체
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1. 개요
비활성 기체는 화학 반응성이 낮아 다양한 산업 분야에서 활용되는 기체로, 주로 공기 분별 증류를 통해 얻으며, 헬륨은 천연 가스에서 분리한다. 이러한 비활성 기체는 식품 포장, 문화재 보존, 용접, 선박, 항공기, 다이빙 등에서 원치 않는 화학 반응을 방지하거나 특수한 환경을 조성하는 데 사용된다.
불활성 기체는 주로 공기 분별 증류를 통해 얻으며, 헬륨은 이 원소가 풍부한 몇몇 천연 가스 공급원으로부터 분리한다.[5] 헬륨은 극저온 증류 또는 막 분리를 통해서 얻어진다.[6] 정제된 비활성 기체는 현장의 특수 발생기에 의해 생성되기도 한다.
비활성 기체는 반응성이 낮아 여러 분야에서 활용된다. 화학 반응을 막고, 식품과 문화재를 보존하며, 용접, 선박, 항공기, 수중 다이빙 등에서 쓰인다.
2. 제법
2만 톤 이상의 유조선의 경우, 연도 가스를 불활성 가스로 사용하거나 등유를 전용 불활성 가스 발생 장치에서 연소시켜 고품질의 불활성 가스를 생성하여 사용한다. 불활성 가스 시스템은 보일러 배기를 공급원으로 하기 때문에, 보일러 버너에서 연료와 공기의 비율을 적절하게 조절하는 것이 중요하다. 공기가 너무 많으면 배기 가스의 산소 함유율이 5%를 넘고, 연료가 너무 많으면 위험한 탄화수소 가스가 연소되지 않고 남게 된다. 연도 가스는 정화탑을 통해 정화되고 냉각된다. 각종 안전 장치를 통해 과압, 탄화수소 가스의 기관실 역류, 산소 함유율이 너무 높은 불활성 가스 공급 등을 방지한다. 가스 탱커나 제품 운반선에서는 연도 가스 시스템을 사용할 수 없고(산소 함유율이 1% 이하여야 하므로), 저산소 불활성 가스 발생 장치를 사용한다. 저산소 불활성 가스 발생 장치는 연소실과 팬을 갖춘 정화 장치와 가스를 냉각하는 냉동 장치로 구성되어 있다. 또한 건조 장치를 이에 연결하여 데크에 불활성 가스를 공급하기 전에 수분을 제거한다.
2. 1. 공기 분별 증류
단일 원소로 이루어진 비활성 기체는 일반적으로 공기를 압축하여 액화하고 적절한 증기압에서 증발시켜 나오는 기체를 모으는 것으로 얻을 수 있다.[5]
2. 2. 천연 가스 분리
특정 천연 가스 공급원에서 헬륨을 분리한다.[5] 헬륨은 극저온 증류 또는 막 분리를 통해서 얻어진다.[6]
2. 3. 막 분리
질소를 기본으로 하는 불활성 가스는 케미컬 탱커나 더 작은 압축기를 갖춘 제품 운반선에서 질소만을 투과하는 막을 사용하여 제조된다.[6]
2. 4. 특수 발생기
특수 응용 분야를 위해 정제된 비활성 기체를 현장에서 생성하기도 한다.[5] 이러한 발생기는 화학 탱커와 제품 운반선(소형 선박)에 종종 사용되며, 실험실용 탁상형 특수 발생기도 사용할 수 있다.[6]
3. 활용
3. 1. 화학 반응 방지
화학 산업에서 비반응성 기체는 화재 및 폭발 위험을 최소화하고, 원치 않는 반응을 방지하기 위해 사용된다.[7] 화학 제조 공장 및 정유 공장에서는 반응을 비활성 기체 하에서 수행하거나, 이송 라인 및 용기를 비활성 기체로 퍼지하여 화재 및 폭발을 방지한다.[8] 실험실에서는 화학자들이 무(無)공기 기술을 사용하여 공기 민감 화합물을 비활성 기체 하에서 다룬다.
3. 2. 식품 포장 및 보존
비활성 기체는 산소 기체를 제거하여 식품 포장에 사용된다. 이는 박테리아의 성장을 막고,[7] 산소에 의한 화학적 산화를 방지한다. 예를 들어 식용유의 산패(산화로 인한)가 있다. 비활성 기체는 벤조산 나트륨(항균제) 또는 BHT(산화 방지제)과 같은 활성 방부제와 대조적으로 수동적 방부제로 사용된다.[7]
식품 포장에서, 특히 질소는 유통 과정 중 부패를 방지하기 위해 사용된다. 질소 분자는 비활성이므로 식품 내에서 어떠한 반응도 일으키지 않으며, 맛이나 냄새를 변화시키지 않고, 인체 내에서도 화학 반응을 일으키지 않는다.
미각과 후각이 뇌에 신호로 지각되려면 해당 물질이 화학 반응을 일으켜야 하는데, 비활성 기체는 반응성이 낮아 맛과 냄새를 변화시키지 않는다. 따라서 비활성 기체는 수동적인 방부제로 사용된다. 반면, 능동적인 방부제는 세균 등과 생화학적 반응을 일으키기 때문에 맛과 냄새를 변화시킬 수 있으며, 방부제 자체가 인간의 미각 및 후각 기구에 반응하기도 한다.
3. 3. 문화재 보존
역사적 문서는 열화를 방지하기 위해 비활성 기체 하에 보관될 수 있다. 예를 들어, 미국 헌법 원본 문서는 가습된 아르곤에 보관된다. 헬륨이 이전에 사용되었지만, 아르곤보다 케이스 밖으로 더 빨리 확산되기 때문에 덜 적합했다.[8]
3. 4. 용접
아크 용접은 대기 중에서 실시하면 용융 금속에 질소가 녹아 들어가 응고 시 기포를 형성하는 문제가 있다. 이 때문에 아크 용접에서는 아르곤이나 이산화 탄소를 주성분으로 하는 쉴드 가스라는 일종의 비활성 기체를 사용한다.[10]
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에서는 비활성 기체를 사용하여 텅스텐이 오염되는 것을 방지한다. 또한 아크에서 생성된 유동 금속을 공기 중의 반응성 가스로부터 보호하여 응고된 용접 풀에 기공이 생기는 것을 막아준다. 비활성 기체는 가스 금속 아크 용접(GMAW)에서 비철 금속 용접에도 사용된다.[10]
일반적으로 비활성 기체로 간주되지 않지만, 일부 사용에서 발생할 수 있는 모든 상황에서 비활성 기체처럼 작용하는 일부 가스는 비활성 기체의 대체물로 사용될 수 있다. 이는 적절한 유사 비활성 기체를 저렴하고 흔하게 구할 수 있을 때 유용하다. 예를 들어, 이산화 탄소는 아크 용접으로 생성된 용접 풀에 반응하지 않기 때문에 가스 혼합물에 GMAW에 사용되기도 한다. 하지만 아크에는 반응한다. 아르곤과 같은 비활성 기체에 이산화 탄소를 더 많이 첨가할수록 침투력이 증가한다. 이산화 탄소의 양은 GMAW에서 사용할 전달 방식에 따라 결정되는 경우가 많다. 가장 일반적인 방식은 스프레이 아크 전달이며, 스프레이 아크 전달에 가장 일반적으로 사용되는 가스 혼합물은 90% 아르곤과 10% 이산화 탄소이다.[10]
3. 5. 선박
유조선에서는 탱크 내의 석유가 대기에 닿지 않도록 불활성 가스를 사용하여 폭발을 방지하고 있다. 탱크 내 기체 부분의 산소 함유율을 8% 미만으로 유지하면, 석유가 기화하여 탄화수소 가스가 되어도 점화되지 않는다.[9] 특히 하역 시와 공선 상태로 산유지로 회항할 때에는 탄화수소의 기화가 많아져 불활성 가스가 중요해진다.[9] 또한, 탱크 내 휘발성 가스를 일반 공기와 교체할 때 (및 그 반대의 경우)에도 불활성 가스가 필요한데, 이는 공기와 탄화수소 가스를 직접 섞으면 폭발하기 쉽기 때문이다.[9] 가스 탱커의 탱크 내에 불활성 가스를 넣는 일은 없지만, 그 주변의 틈새는 불활성 가스로 채운다.[9]
3. 6. 항공기
여객기 및 군용기에 탑재된 비활성 기체는 연료 탱크를 부동태화하기 위해 생성된다. 더운 날씨에는 연료 탱크 내의 연료 증기가 산화될 경우 가연성 또는 폭발성 혼합물을 형성하여 치명적인 결과를 초래할 수 있다.[1] 일반적으로 '''공기 분리 모듈'''(ASM)이 비활성 기체를 생성하는 데 사용된다.[1] ASM에는 선택적으로 투과성이 있는 막이 포함되어 있다.[1] 이들은 가스 터빈 엔진의 압축기 단계에서 추출된 압축 공기를 공급받는다.[1] 압력은 질소에 비해 ASM을 통한 산소의 투과성이 증가하여 공기에서 산소를 분리한다.[1] 연료 탱크 부동태화의 경우 모든 산소를 제거할 필요는 없지만, 희석 가연성 한계 및 희석 폭발 한계 미만으로 유지할 만큼 충분히 제거해야 한다.[1] 공기 중 산소 농도가 21%인 것과 대조적으로, 부동태화된 연료 탱크의 공극 내에서는 비행 중에 10%에서 12%가 일반적이다.[1]
3. 7. 다이빙
수중 다이빙에서 불활성 기체는 대사적으로 활성이 없고, 기체 혼합물을 희석하는 호흡 혼합물의 구성 요소이다. 불활성 기체는 다이버에게 영향을 미칠 수 있지만, 이는 주로 감압병의 거품으로 인한 조직 손상과 같은 물리적 효과로 여겨진다. 상업 다이빙용 호흡 기체에 사용되는 가장 일반적인 불활성 기체는 헬륨이다.[1]
참조
[1]
간행물
inert gas
[2]
웹사이트
Carbon Dioxide 101 {{!}} netl.doe.gov
https://netl.doe.gov[...]
2024-09-09
[3]
웹사이트
Argon - Element information, properties and uses {{!}} Periodic Table
https://www.rsc.org/[...]
2024-04-07
[4]
서적
The Sterling Dictionary of Physics
Sterling
[5]
웹사이트
Qatargas - Operations
https://web.archive.[...]
2018-08-31
[6]
웹사이트
SEPURAN® Noble for helium recovery - SEPURAN® - Efficient gas separation
https://web.archive.[...]
2018-08-31
[7]
서적
Polypropylene: The Definitive User's Guide and Databook
Plastics Design Library
[8]
웹사이트
Charters of Freedom Re-encasement Project
https://www.archives[...]
National Archives
2012-02-11
[9]
서적
Tanker yes Familiarization
Ashford Overload Services
[10]
서적
Corrosion: Understanding the Basics
ASM International
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