쇠구슬 굴려 암모니아 생산.. 100년 만의 혁신

고가설비 없이 저온·저압에서 현장 생산 가능

볼 밀링법을 통한 암모니아 생성 과정 모식도

[아시아경제 황준호 기자] 작은 쇠구슬을 굴려 암모니아를 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 기존 암모니아 생산법보다 저렴한 비용으로 많은 암모니아를 생산할 수 있고, 암모니아 생산에 따른 이산화탄소의 배출도 줄일 수 있어 상용화가 기대되는 기술이다.

백종범 울산과학기술원 에너지화학공학과 교수의 연구팀은 작은 쇠구슬들이 부딪히는 물리적인 힘으로 기계 화학적 반응을 일으키는 볼 밀링법(Ball-milling)으로 암모니아를 합성하는 기술을 개발했다고 15일 밝혔다. 관련 연구 성과는 국제 학술지인 네이처 나노테크놀로지에 14일 실렸다.

볼 밀링법을 통한 암모니아 생성과 이를 고체형태 염으로 수득하는 과정

연구팀이 개발한 암모니아 생산법은 용기에 쇠구슬과 철가루를 넣고 회전시키면서 질소 기체와 수소 기체를 차례로 주입하면 빠르게 회전하는 쇠구슬에 부딪혀 활성화된 철가루 표면에서 질소 기체가 분해되고 여기에 수소가 달라붙어 암모니아를 생성되는 방식이다.

연구팀은 이 방식을 이용해 45도와 1바(bar, 압력의 단위)의 저온·저압 조건에서 82.5%의 높은 수득률로 암모니아를 생산했다고 밝혔다. 수득률은 반응물에서 생성물을 얻는 효율을 말한다. 높을수록 경제적이다. 기존 암모니아 생산 공정인 하버-보슈법과 비교해도 200분의 1 수준의 압력과 10분의 1 수준의 온도에서 3배가량 높은 수득률을 보인 것으로 나타났다. 하버-보슈법으로 암모니아를 생산하면 450도와 200바에서 약 25%의 수득률로 암모니아를 얻을 수 있다.

암모니아 생산에 사용된 쇠구슬(볼 밀링) 장비

암모니아는 비료, 폭발물, 플라스틱, 의약 등의 제조에 사용되는 세계 10대 화학 물질 중 하나다. 전 세계에서 매년 약 1억4000만t의 암모니아가 생산되는데, 최근에는 수소 연료의 저장체로서 큰 주목을 받고 있어 수요가 더 늘어날 것으로 전망된다.

백종범 교수는 "100여 년 된 암모니아 생산 공정(하버-보슈법)의 각종 단점을 보완하는 간단한 암모니아 생산 방식을 개발했다"이라며 "암모니아를 고온·고압 설비와 이산화탄소 배출 없이 각종 산업 현장에서 생산할 수 있어 저장·운송에 쓰이는 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것"이라고 말했다.

백종범 교수(사진 중앙) 연구팀

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr