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'''NH3
암모니아
Ammonia'''
||암모니아
Ammonia'''
| 분류 | 무기화합물 | 상온 상태 | 무색 기체 |
| 분자량 | 17.031 g/mol | 밀도 | 0.86 kg/m3 |
| 녹는점 |
195.42K -77.73°C / -107.914°F |
끓는점 |
239.81K -33.34°C / -28.012°F |
| CAS 등록번호: 7664-41-7 | |||
밀도는 끓는점에서 1.013 bar 기준입니다.
1. 개요
영어: Ammonia / Azane[1] / Hydrogen Nitride[2]
분자식: NH3
1개의 질소 원자와 3개의 수소 원자가 결합된 알칼리성의 화합물이다.
2. 역사
고대 이집트에서 염화암모늄이 태양신인 아문(Amon)의 사원 주변에서 많이 나와 이 가루를 '암몬의 소금'이라고 부른 데서 이름이 유래되었다.암모니아를 인공적으로 대량생산할 수 없던 시절에는 유기물 퇴비를 뿌렸다. 또한 일반적으로 농사를 지을 땅을 밭갈기라 하여 깊은 땅과 얕은 땅을 뒤섞어주는 노동을 봄철에 해야만 했다. 또한 지력회복을 위해 경작지를 놀려야 했고, 콩농사를 지어 땅에 질소를 붙들어야 했다. 휴경은 유럽의 중세 삼포제와 사회구조에도 큰 근간이 되었다. 이러한 형태의 농업은 개발도상국 시기 한국도 경험하였고, 제3세계에서도 현재진행형으로 이뤄지고 있다.
또한 암모니아의 인공적 생산을 위해선 유기물을 땅에 뿌린 뒤 이를 삭히고 땅의 표면을 긁어내는 작업을 했다. 임진왜란 시기 이순신 장군도 무역이 고립된 상태에서 화약을 얻기 위해 "흙에 사람의 오줌과 아궁이의 재를 버무려, 비를 맞지 않게 하고, 말린 말똥을 덮고, 불을 지펴 습하고 더운 김으로 흰 이끼를 만든 뒤, 최소 여섯 달을 삭힌다"는 노력을 하였다. 자세한 건 질산 칼륨 문서 참고.
1774년, 조지프 프리스틀리[3]라는 성직자가 이 기체를 따로 분리하는 데 성공하였고 암모니아의 존재를 널리 알리는 데에 큰 공헌을 했다.
1880년대부터 유럽 각국은 암모니아를 대량생산하기로 했으나, 석탄을 건류하는 과정에서 발생한 부산물로 얻어내는 까다로운 방법을 거쳐야 했다.
1902년, 독일의 오스트발트는 다가오는 1차 세계대전에서 영국이 해상봉쇄를 하면 독일이 승산이 없다고 판단, 암모니아 생산법을 발명한다. 바스프사에 특허를 판매하기로 하고, 카를 보슈[4] 박사에게 공업용 대량생산을 의뢰했는데, 불순물에 의한 잘못된 연구였음이 드러나자 특허를 철회한다.
1903년, 촉망받던 오스트발트가 불명예를 겪자, 독일 카를스루에 공과대학교(KIT)의 교직으로 있던 프리츠 하버에게 암모니아 생산 연구 과제가 돌아온다. 그는 질소와 수소가 직접 반응할 수 있으리라 믿고 촉매와 충분한 고온고압조건을 주어, 암모니아 합성 실험에 성공했다. 이로써 암모니아는 연 9천톤의 대량생산이 가능해졌고, 프리츠 하버는 1918년 노벨화학상을 받게 된다.
하지만 하버의 방법은 촉매로 희토류인 오스뮴 또는 우라늄이 필요하였다. 제1차 세계 대전이 끝나고, 바스프 사의 카를 보슈는 대량 생산을 위해 1918~1920년 무려 2만번의 실험을 통해 철-알루미늄-칼륨, 산화철-세륨-크로뮴 등으로 이뤄진 값싼 촉매들을 제시한다. 530℃의 온도와 약 200기압의 압력을 견디는 산업공정도 제시한다. 이로써 암모니아는 수십만톤의 값싼 대량생산이 가능해졌고, 카를 보슈는 1931년에 노벨화학상을 받는다.
이 이후의 생산 및 활용은 하단의 '산업적 이용' 목차에서 다루도록 한다.
3. 특징
3.1. 화학적 성질
- 이온 결합의 양이온으로 작용하면 ' 암모늄'이라는 이름으로 바뀐다. 대표적으로 염화암모늄과 질산암모늄이 있다.
- 암모니아는 수소 결합으로 물에 잘 녹는다.[5] 상온에서 30%, 물의 어는점에서 최대 45%까지 녹는 성질을 보인다. 물 뿐만 아니라 에탄올, 에테르에도 굉장히 잘 녹는다. 이런 암모니아의 성질을 이용해 암모니아의 유출 시 물에 용해시킬 수단을 강구하기도 한다.
- 암모니아 용액은 알칼리성을 띤다. 0.31%만 되어도 pH 11.5이며 이온화 상수는 1.77×10-5으로 대표적인 약염기 물질이다.[6]이해가 안 된다면 간단히, NH3가 물에 녹으면 강염기가 된다. 알칼리성인 물질은 단백질을 매우 잘 녹이거니와[7] 그 자체가 독극물이니 절대 마시거나 흡입하거나 하지 말자. 맨 피부에 닿아도 식성이 강해 피부 심부까지 독성이 미친다.
- 물보다 비열이 큰 몇 안되는 물질이다.
3.2. 생물학적 메커니즘
섭취한 단백질을 대사할 때 아미노기(NH2-)가 떨어져 나가고, 이건 그대로 암모니아가 된다. 하지만 이대로 나가면 큰일나니[8] 대부분의 동물들은 암모니아를 요소(포유류, 양서류 등)나 요산(조류, 석형류 등)으로 바꾸어 체외로 배출한다. 하지만 모든 암모니아가 요소로 바뀌지는 않으니 미량의 암모니아는 그대로 오줌으로 나온다. 게다가 요소가 세균에 의해 분해가 되어서 암모니아가 더욱 축적된다. 야외 화장실에서 코를 찌를 정도로 강렬한 찌린내가 나는 이유가 바로 이것이다.3.3. 악취
미량이라도 악취가 엄청 세다. 이런 냄새는 화장실에서도 확인할 수 있는데 모두 소변( 기사)과 대변에서 나온다. 20세기에 지은 공중화장실에 가면 제대로 맡을 수 있다. 그런데 이는 사실 대소변의 암모니아 냄새가 아니라 청소/소독제로 사용한 암모니아의 냄새이다. 20세기에는 염소 소독보다(소위 락스) 암모니아를 화장실 청소에 많이 이용했다.청소 후에 물을 뿌리면 냄새가 줄어드는데, 암모니아는 물에 매우 잘 녹는 기체이기 때문이다.[9] 물론 이 방법으로 암모니아를 없애려면 물이 흘러 나가는 곳이 있어야 한다. 물이 그대로 고여 있으면 물과 함께 암모니아가 증발하면서 다시 냄새가 난다. 암모니아 자체를 중화시키는 성질을 가진 유기산류 용액을 살포하면 일단 냄새는 없어지지만 이로 인해 2차적인 오염이 생기므로 좋은 방법은 아니다.
3.4. 독성
상술한 식품이나 오줌 정도야 농도가 매우 낮아 크게 상관 없지만, 암모니아 용액은 당연히 마시거나 피부에 닿아서도 안 되고, 심지어 기체를 흡입해도 치명적이다. 피부나 점막에 닿을 경우는 암모니아의 수용액 상태인 수산화암모늄이 비누화 반응으로 세포막을 녹여버리고,[10] 체액 안에서는 체액의 염기성화로 인해 효소 활성을 저해시켜 몸의 대사를 망가트려 버린다. 특히나 암모니아 농도가 높아질수록 TCA 회로의 중요 물질에 해당하는 케토글루타르산은 체내의 암모니아가 이온화된, 암모늄 이온과 반응해 글루탐산[11]으로 전환되는 역반응이 더 활발해지므로 우리 몸은 에너지를 생산하는데 있어 중요한 케토글루타르산이 없어지므로 점점 에너지 생산에 애로사항을 겪게 된다.[12]인체에 해로운데도 몸의 단백질 대사 산물로서 암모니아가 자연스럽게 생성된다. 설명이 되어 있지만 독성이 강하므로 사람의 경우에는 오줌에 들어 있는 요소의 형태로 바깥으로 배설한다. 단백질을 구성하는 아미노산에는 질소가 포함된 아미노기(-NH2)가 달려 있기 때문에 단백질 대사 작용의 노폐물로서 생성되는 거다. 아미노산을 에너지원으로 사용하기 위해 탈아미노화 반응, 새로운 종류의 아미노산을 만들어내기 위해 전이반응 등등을 거치면서 아미노기를 떼냈다가 붙였다가 하면서 암모니아가 나오게 되는데, 독성이 강해 이것을 어떻게 운반하는지도 중요하게 된다. 이것을 '오르니틴 회로'라고 하며 아미노산인 오르니틴과 결합해 시트룰린, 아르기닌으로 전환된뒤, 아르기나아제란 효소로 인해 오르니틴과 요소로 최종 산물이 되며, 이 요소는 신장으로 운반되어 배출이 된다.
염기성인 만큼(염기성 물질은 단백질을 손상시킨다.) 그대로 냄새를 맡으면 코 안의 점막이 손상되고 코피를 쏟을 수 있으니 냄새를 맡을 때는 손으로 부채질하여 맡아야한다. 당장 삭힌 홍어냄새만 맡아도 구린내보다는 독함 때문에 코가 와사비처럼 시큼하고 아플 정도다. 또한 실험 중 암모니아수가 담긴 병에 코를 대고 냄새를 맡았다가 기절하여 응급실에 실려간 사례도 있으니 주의하자.
위키백과에 따르면, 마실 때 입과 식도에 심각한 화상을 입어 사망할 수도 있으며, 흡입할 때 폐가 타는 듯한 느낌이 들고 심하게 머리가 아프며 후두염이나 후두암이 날 수 있다고 한다. 또한 피부에 접촉하면 3도 화상을 입고 염증을 일으키며 피부를 거쳐 암모니아를 흡입해도 피부염이 일어날 정도다.[13]
이 때문에 몇몇 나라에서는 암모니아 기체를 살상 무기 개발이나 사형 집행에 썼다고 하며 불쌍한 실험 대상은 고통 속에서 몸부림치며 숨져갔다. 오늘날, 대부분의 국가에서 사형 집행에 암모니아의 사용은 금지한다.[14]
질소화합물 중 많은 것이 그렇듯 잘못 관리하면 터진다. 위험도가 미쳐 돌아가는 아세틸렌, 수소보다는 낮지만, 연소하한계, 상한계, 위험도가 각각 15, 28, 0.86이라 갑자기 많은 양이 한 곳에 모이면 폭발할 수 있다. 이것이 암모니아를 쓴 냉장시스템이 정숙성이나 기타 여러 면에서 우수한데도 불구하고 프레온에 밀린 이유 중 하나다. 2012년에 난 냉동공장 폭발사고만 봐도 알 수 있다. 또한 2014년 2월 13일에는 경기도 남양주 도농동에 있는 빙그레 제2공장에서 배관의 암모니아가 폭발해 1.5톤의 암모니아가 유출되는 사고도 일어났다. 안타깝게도 직원 1명이 잔해 속에서 사망한 채로 발견되었고 일부 주민들도 눈에 통증을 호소, 병원치료도 받았다고. 제2공장에서 일해본 사람에 따르면 기계가 1979년산이라 낡고 단종모델이라서 직원들이 고생한다고 한다. 기사
심각한 간질환 중에 하나인 간경변이 간암에 따라오는 증상 중 하나로 간성뇌증이라는 게 있는데, 이는 간이 암모니아같은 독성물질들을 제대로 처리하지 못해서 혈중 암모니아 농도가 높아져서 치매와 비슷한 증상을 보이다가 의식을 잃고 혼수상태에 빠지는 증상이다. 그 와중에 암모니아 같은 독성물질들이 신체 전반에 영향을 끼쳐서 심각한 알코올 의존증과 상태가 나타나게 된다. 사실 고도의 알코올 중독 환자들 중에서도 간경화와 간암을 가지는 환자들이 많고, 거기에 암모니아가 혈중에 돌아다니는 간성뇌증까지 겹치면 의사들조차도 답이 없다.
인체에 극히 해롭기 때문에, 기내 암모니아 누출은 국제우주정거장에서 3대 비상상황 중 Toxic Atmosphere(독성대기상황)로 규정되어 있다.[15]
물에 잘 녹는다는 특성 때문에 관상어를 키우는 사람들이 물의 산성도와 함께 주의해야 하는 성분이기도 하다. 상기했듯 피부를 녹이기 때문에 물에 암모니아 함량이 높으면 물고기의 비늘과 지느러미가 녹으며 아가미가 벌어지는 이상현상을 보인다. 물을 갈아 주면 대부분 해결된다.
4. 생산
암모니아의 대량 생산은 앞서 말한 하버-보슈 방식으로 이루어진다. 수소와 질소를 고압에서 촉매를 써서 반응시켜 암모니아를 얻는 방식이다. 부산물로 이산화탄소가 생산되는데, 수소 1㎏당 이산화탄소는 10~14㎏가 발생하는 그레이 암모니아 방식이다. #암모니아의 생산원가에 가장 큰 요소는 수소 생산가격이다. 수소 문서에 정리되어 있듯, 중국의 석탄을 분해하여 생산하는 것이 가장 값싸고, 그 다음이 천연가스/LNG를 개질하여 생산이므로, 수소/암모니아/요소/요소수 가격은 화석연료 가격에 큰 영향을 받는다. 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방식은 비쌈에도 불구하고, 이러한 화석연료 의존을 벗어난 수소 생산을 위해 한국이 2020년대 연 수십만톤의 생산 공장을 짓고 있다. 재생에너지 가격이 $20/MWh 이면 암모니아 톤당 340달러 정도가 될 것이고 장기적으로 규모의 경제가 갖춰지면 250 달러선 정도로 내려갈 것이다.
그 외에 물의 전기분해와 하버-보슈법을 이용하지 않는 생산 방법들이 연구되고 있다. 그러나 문제는 상용화다. 아무리 좋은 기술이 나와도 상용화가 되지 않으면 말짱 도루묵이다.
- 2020년 12월 15일, 울산과학기술원 백종범 교수 팀은 쇠구슬들을 부딪치는 방법('볼 밀링 법')을 개발한다. 논문원문 소개기사
- 나노과학 분야 국제 학술지 '네이처 나노테크놀로지'에 게재되었다. 용기에 쇠구슬과 철가루를 넣고 회전시키면서 질소 기체와 수소 기체를 차례로 주입하는 방식으로, 빠르게 회전하는 쇠구슬에 부딪혀 활성화된 철가루 표면에서 질소 기체가 분해되고 여기에 수소가 달라붙어 암모니아가 만들어진다는 원리이다.[16]
- 기존 하버-보쉬 방법에 비해 45도(기존의 1/10) 1기압(기존의 1/200)에서 쉽게 생산할 수 있고, 82.5%의 수득률(기존은 25%)[17]을 보여, 경제성이 크게 증가한다는 점이 강점이다. 즉, 무려 100여년만에 보다 효율적인 암모니아 공정법이 개발된 것이다.
- 2021년 11월 9일, 광주과학기술원 주종훈 교수는 일산화질소를 암모니아로 바꾸는 법을 개발했다. 논문원문 소개기사
- 2022년 4월 14일, 울산과학기술원 이재성 교수 팀은 폐수 속 질산염을 광촉매를 이용해 암모니아로 바꾸는 법을 개발했다. #
5. 활용
5.1. 식용
홍어, 돔배기, 하우카르틀과 같이 죽은 지 오래 된(…) 연골어류[18]이거나 수르스트뢰밍암모니아가 유독해도 그 양이 공업용/실험용으로 정제한 것에 비해서는 극미량이니 저런 걸 먹는다고 몸에 무슨 문제가 생기지는 않는다. 그래도 인체 기준으로는 염기성이 상당히 센 음식들이니 너무 먹다가 혀나 구강 내부 살갗이 벗겨지는 일은 있다. 사람에 따라 위의 점막이 상하는 경우도 있다.
5.2. 비료
무엇보다 가장 중요한 용도는 기존 동물의 분뇨와 오줌 등 천연질소화합물에 의존하던 비료를, 질산암모늄 등 '질소 비료'와 ' 요소 비료' 등의 원료로, 싸게 대량생산 가능해졌다는 것. 단백질의 재료로 식물의 생장에 필요한 질소를 식물에게 공급한다.20세기 초 지구는 10~20억의 한계인구 포화점을 앞두고 끝없는 기근과 전쟁을 겪으리라는 맬서스 트랩의 비관론이 횡행했으나, 암모니아의 대량생산이 발명된 덕분에 120억까지 한계인구가 급격히 증가할 수 있게 된다. 이로서 지구 온난화 문제에 부딪힐 2020년대까지 한세기 가량 대성장의 시대를 맞을 수 있게 된다.
5.3. 화약
질소의 결합에너지가 커서 TNT를 비롯한 각종 폭약의 원료이기도 하여 매우 중요한 군수물자로 취급 받는다. 질소화합물인 각종 폭약의 원료로 암모니아의 대량생산은 폭약의 대량생산의 길을 열어 1-2차 대전 등에서 폭탄 등 화약무기로 많은 사람을 죽이기도 한 물질이다.5.4. 세제
극성분자이므로 여러 유기물들을 잘 녹여 각종 세척제나 용제로서도 널리 쓰인다.오줌의 암모니아 성분이 때를 제거하는 데 효과가 뛰어나기 때문에 고대 로마 일부 지역의 목욕탕에서는 이용자들이 이를 표백하기 위해 소변으로 닦았다. 기사. B.C. 50년 이베리아 반도의 켈트족도 오줌으로 입을 헹궈 치아 미백효과를 냈다. 기사
과거 양털로 옷감을 만드는 섬유업에 오줌이 요긴하게 쓰였다. 오줌에 포함된 암모니아 성분이 양털에 포함된 기름기를 빼주고 옷을 표백해주기 때문이다. 기사. 고대 로마의 황제 베스파시아누스는 이런 양모업자들한테 공중화장실에서 공짜 오줌을 모아 발효해 사용해 이윤을 낸다는 이유로 '오줌세'를 신설해 부과했다. 아들인 티투스가 이건 좀 아니지 않냐고 건의하자, 아들의 코에 은화 한 줌을 들이대며, "Percunia non olett(돈에는 냄새가 나지 않는다)"는 말로 무마했다는데 즉, "이거 오줌세로 거둔 세금인데, 오줌 냄새 안 나지 않냐?"라는 뜻. 그에 대한 티투스의 답변은 "그래도 오줌에서 그 돈이 나온다"라고 했다고 한다. 하여간 이 일로 구설수에 올랐고, 현대에도 이탈리아어로 '베스파시아노'는 일반적으로 공중화장실을 의미하는 단어다.
현대에도 양털 세척에 쓰긴 하지만, 오줌이 아닌 정제 암모니아를 쓰는데, 어쨌든 원리는 같다.
역사적으로도 암모니아를 세척에 사용한 예가 많이 기록되어 있다. 고대 로마에서는 썩은 오줌과 표백토라는 찰흙을 섞어 비누 대용으로 사용했다. 삼국지 위지동이전에는 오줌으로 손을 씻고, 빨래를 한다는 내용이 있다. 수서와 신당서에는 말갈이 오줌으로 세수를 하니 이적 중에 가장 더럽다고 깠다. 링크 양귀비는 피부 탄력을 위해 오줌 목욕을 애용했다고 한다. 기사
세탁을 하는 데에 이용하기도 했다. 고대 로마에서는 길거리에 오줌을 담는 그릇이 있었는데 그 오줌 그릇을 수거해 소변으로 빨래를 하는 업자들이 있었다. 기사. 규합총서에도 오줌으로 세탁했다는 기록이 있다.
사람 오줌 말고 낙타 오줌은 사막 유목민들에게 귀중한 샴푸였다고 한다. 인도에서는 소의 오줌으로 비누를 만든다. 비타민이 풍부해서 피부에 좋다고 한다.
5.5. 냉매
암모니아는 세계 최초의 기계식 냉장장치에 사용된 냉매이고 지금도 냉매로서 잘 사용되고 있다. 극성분자이므로 증발열이 크고 액화/증발점 온도도 적절해서[20], 염화 플루오린화 탄소 등 염소계 냉매가 발명되기 전에는 냉장고나 에어컨 등 냉동기의 냉매로 널리 쓰여왔다. 덕분에 인류를 폭염과 괴혈병에서 구해준 물질이기도 하다.다만 암모니아 자체가 유독하기도 하고, 폭발할 위험도 있기는 해서 2~3세대 냉매에 자리를 넘겨주기는 했다. 그럼에도 저런 문제점들은 관리만 잘 하면 상관없다보니 21세기 현대에도 대형냉동창고 등에는 여전히 가격이 싼 암모니아를 냉매로 사용하는 시설도 많다.[21]
냉매 문서를 보면 알겠지만, 암모니아 이후 발견, 발명된 2세대 냉매 CFC[22]는 오존층을 파괴했고, 2.5~3세대 냉매[23]는 강력한 온실가스가 되어 기후와 환경을 파괴하는데, 상기했듯이 암모니아는 냉매로서 온실효과를 거의 일으키지도 않으면서 매우 저렴한 편이라, 어쩌면 다시 이쪽을 사용하게 될 지도 모른다.
5.6. 수소의 운반 수단
석유 등 화석연료를 대체할 차세대 연료로서 가능성이 있다. 암모니아를 이용해서 수소를 더욱 효율적으로 활용하는 방안이 나오고 있다. 즉 액체 암모니아를 전기 에너지나 또는 이를 이용해 생산한 수소를 경제적으로 저장하고 장거리 운송할 수단으로 쓰는 것. 위에 설명했듯이 암모니아는 질소와 수소를 합성해서 제조하는데, 이를 역으로 분리해서 암모니아에서 수소를 제조할 수 있다. 예를 들어 에너지 자원이 싸고 풍부한 열대 사막 등에서 태양광으로 생산한 전기로 암모니아를 생산하고 이를 소비지까지 배로 운반해 다시 수소로 환원시켜 발전 등에 쓴다는 것. 또한 암모니아 자체를 굳이 수소로 변환없이 연료로 이용하는 내연기관이나 연료전지도 연구중이다.값싼 재생에너지로 수소를 만들어도 수소를 수송하거나 저장하는 것은 초저온이나 초고압이 필요해서 매우 비싸고 어렵다. 하지만 수소를 질소와 결합시켜 암모니아로 만들면 암모니아는 상온에서도 10기압 정도면 액화하고 잘 증발하지 않으므로 (증발열이 크다) 대량으로 액체상태로 경제적으로 장거리 수송하거나 장시간 보관하기 쉽다.
수소는 액화온도가 섭씨 약 -252.8도로 매우 낮아 장거리 수송하려면 초저온 초고압을 유지하는 비싸고 특별한 초저온 보온탱크와 초저온 냉각기 필요히고 또 초저온 액화에 많은 에너지가 소모되어 에너지 효율이 낮고 수송비가 매우 비싸다. 수소는 기체상태로 밀봉 보관하는 것도, 액화시켜서 보관하는 것도 어려워[24] 수송이 곤란하고, 산소와 폭발적으로 반응하는 물질이기에 보관 역시 위험하다.
하지만 암모니아는 액화에 드는 에너지가 적고 수송도 간편하고 저렴하다. 수소를 암모니아로 바꾸면 상대적으로 더 안전해지기에 수소를 그냥 옮기는 방식보다 더 많은 양의 수소를 저장해 장거리 운송할 수 있으며, 보관 및 운반에 필요한 인프라도 상대적으로 더 간단하며, 이미 산업현장에서 사용되고 있는 물질이기에 완전히 새 인프라를 개발해야 하는 수소와는 달리 기존의 인프라를 개량, 연장하는 선에서 끝난다. 즉 수소를 제조한 뒤 암모니아로 바꾸어서 운반하고, 다시 수소로 바꾸는 것이다. 즉 장거리 수소 운반의 방법으로 암모니아가 가장 경제적일 수 있다.
2016년, 현대미포조선은 세계 최초로 액화암모니아 운반선을 개발했으며, 2019년에는 미국선급협회의 인증을 받아, 국제 수주을 받고 있다.
2021년, 암모니아의 국제가격은 톤당 300달러 정도이고 에너지는 5.18 kWh/kg 이니 벙커C 유에 비하면 무게당 에너지는 절반 정도, 부피당으로는 1/3 정도로 불리하고 가격으로는 단위에너지당 5% 정도 비싼 정도이다. 부피당 에너지 효율이 낮아 수송이나 저장효율이 크게 떨어지는 점은 생산가격을 더욱 낮추어서 비싼 수송비를 커버하게 하는 수 밖에 없다. 생산비에 큰 비중을 차지하는 전기가격이 태양광 등으로 낮아지면 수송비를 포함해도 충분히 벙커C유보다 경제성이 높아질 수 있다.
2022년 10월, 한국에너지기술연구원에서 암모니아에서 수소를 기존(600~800℃)보다 훨씬 낮은 온도(100℃)로 뽑는 과정을 밝혀냈다. 다만 팔라듐이라는 귀금속이 사용된다. #
5.7. 교통 및 발전 분야의 연료
- 엔진은 이동 목적의 내연기관으로, 수백kW~수MW급 출력인 대형 모빌리티인 선박, 기관차, 비행기에 적용될 수 있다. 2019년부터 대한민국 조선3사( 한화오션, HD현대중공업, 삼성중공업)가 다수의 특허를 출원하고 있다. 해외에서도 독일의 만(MAN ES) 등 선박 회사들 중심으로 연구가 진행되나, 2021년부터 호주 포테스큐(Fortescue)가 수소 및 암모니아 분야에 진출하며 두각을 드러낸다.
- 터빈은 고정 목적의 내연기관으로, 수십~수백MW급 출력인 발전소를 만들 수 있다. 2016년부터 독일 지멘스, 2021년부터 일본 IHI와 미츠비시, 대한민국의 두산에너빌리티와 한국전력공사 등이 혼소 발전과 관련한 다수의 특허를 출원하고 있다. 2023년부터 SK가스도 연구한다.
- 연료전지로는 SOFC(고체산화물연료전지)가 있으며, 수백kW~수십MW급 출력으로, 이동 목적과 고정 목적 모두에 사용된다. 2020년부터 대한민국의 원익머트리얼즈와 에프씨아이(FCI, 사우디와 합작회사), 2021년부터 미국의 아모지(Amogy) 등이 다수의 특허를 출원하고 있다.
암모니아 연료는 탄소가 없기 때문에 연소과정에서 이산화탄소가 배출되지 않고 무해한 질소만 배출된다. 직접 연소시켜 내연기관을 가동하는 엔진/터빈도 개발중이다. 암모니아는 연소/점화가 어렵지만, 650도 이상의 온도로 압축 가열하면 연소시킬 수 있다. 암모니아를 먼저 엔진 실런더에 분사하고 소량의 석유나 LNG를 분사해 점화시켜 그 열로 다시 암모니아를 점화시키는 것. 다만 액체 암모니아는 같은 연료 부피 당 열량이 디젤 등 석유계 연료보다 1/3 정도 밖에 되지 않고 연소속도가 디젤보다 1/18 로 느려 디젤엔진과는 다른 특별한 설계가 필요하다.
다만 암모니아도 보일러나 내연기관 등에서 직접 고온에서 연소시키면 소량의 산화질소 등이 나올 수있는데 산화질소도 강력한 온실가스이므로 촉매나 요소수 처리 등으로 이의 저감을 위한 연구가 필요하다. 또 액체암모니아는 증발열이 커서 열을 흡수하므로 안정적으로 연소시키기 어렵고 연소속도도 느리다. LNG 등 다른 가스와 섞어서 태우는 혼소 등 여러 연구가 진행중이다.
하지만 냉동선의 냉매로 쓰이던 암모니아도 유독성 때문에 퇴출된 과거가 있어 자동차나 가정연료 등 일상적인 실용화는 아직 쉽지않다. 하지만 어느정도 대형설비를 갖춘 컨테이너 선박류의 연료나 주거지에서 먼 송전망급 대형 발전소에서 발전연료로 보급을 추진중이며, 안전관리자가 관리할 수 있는 제철소 시멘트 공장 등 에너지 다소비 대형공장 등에서 에너지원 또는 수소원으로 쓸 수 있다. 연료로서 무게나 부피 효율은 LNG 보다 다소 낮은 정도이다.
선박용 엔진의 사례 - 호주 포테스큐(Fortescue)
- 2021년 11월, 호주 포테스큐(Fortescue) 가 서호주 퍼스에서 '2대의 암모니아 4행정 엔진'을 개발중이며, 이를 기관차로도, 수소선박으로도 만들 계획임을 밝혔다. #
- 2022년 10월, 포테스큐가 독일 DB와 협력해 기관차를 만들기로 한다. #1, #2
- 2023년 7월, 포테스큐가 세계 최초로 암모니아 선박을 선보였다. 이용 2개의 4행정 엔진을 이용한 75m 길이 수소선박 'Green Pioneer'을 싱가포르에서 해상테스트를 선보였다. 이후 12월 싱가포르에서 두바이까지 항해에 성공하여 유엔기후변화협약 당사국총회에 전시했다. #
암모니아 연료전지의 사례 - 미국 아모지(Amogy)
- 2021년 6월, 대한민국 출신 MIT 동창 4명이 미국 뉴욕 브루클린에 아모지(Amogy)를 세우고, 특허를 내고 #, 시리즈-A 투자를 모집했다.
- 2022년 6월, 아모지가 암모니아 크래킹 과정을 1/100 부피로 줄여 연료전지와 일체화시킨 시스템으로 세계 최초로 암모니아로 100kW급 트랙터를 실증했다. 아모지는 향후 500kW급(화물트럭용), 5MW급(기관차용, 1천톤급 선박용) 시스템 제조계획을 밝혔다. # 이를 바탕으로 4600만 달러를 투자받았으며, 그 중 3000만 달러는 SK이노베이션이다. #
- 2022년 7월, 미국 상무부장관 돈 그레이브스가 아모지를 찾았으며, 미국 아마존, 사우디 아람코 등으로부터 투자금이 600억원을 돌파했다. #
- 2022년 9월, 선박물류회사들인 아몬마리타임(Amon Maritime)와 트라피구라(Trafigura)과 제휴했고, 영국 로이드선급(Lloyd's Register)으로부터 암모니아선박의 AIP 인증을 받았다.
- 2022년 11월, 역시 선박물류회사들인 사우던드발(Southern Devall), 야라(Yara)와 제휴했다.
- 2022년 12월, 연료전지회사 파워셀(PowerCell), 발라드(Ballard)와 제휴하여 미국 정부의 사업을 수주했다.
- 2023년 1월, 세계 최초 암모니아로 300kW급 트럭을 실증했다. #
- 2023년 3월, 아모지가 1억 3900만 달러 규모의 '시리즈B-1' 투자를 받았다. #
- 2023년 4-5월, 마르코폴로마린(Marco Polo Marine), 스칸시(Skansi), 심(SEAM), LSB인더스트리즈(LSB Industries) 등과 해상풍력 및 공급망 사업을 제휴한다.
- 2023년 8월, 투자금이 2억 2000만 달러를 돌파했으며, 5개 지역의 공장-사무실을 세웠고 사원은 180명을 넘었다. #
- 2023년 11월, 하이투젠(Hy2gen), 아제인(AZANE Fuel Solutions)과 공급망 사업을 제휴한다.
- 2023년 12월, SK이노베이션, 미쓰비시 그룹과 제휴하여 한국/일본에 사업을 열기로 한다.
- 2024년 1월, 인피니움(Infinium)과 제휴하여 e-fuel 분야 사업을 제휴한다.
- 2024년 3월, 그린십인베스트먼트(W-Industries), W인더스트리(W-Industries) 등과 시스템기술을 제휴한다.
- 2024년 4월, 이토추상사(Itochu)와 제휴하여 근해안 선박에 적용을 연구한다. #
5.8. 기타 용도
탄산 암모늄((NH4)2CO3)은 강렬한 자극성 냄새 때문에 기절한 사람을 정신차리게 하는 “스멜링 솔트”(smelling salt)로 사용된다. 기절하지 않은 사람도 각성을 위해 탄산 암모늄 냄새를 맡게 하는 경우가 있다(대개 권투 등 운동선수 경기 전 스멜링 솔트를 사용하는 LG트윈스 선수들). 물론 100% 탄산 암모늄은 자극이 너무 강하므로 물에 희석한 용액을 사용한다. 이는 옛 로마인들도 사용했을 정도로 오래 된 방법이다.6. 여담
- 태양계 가스행성인 목성, 토성, 천왕성의 대기성분이 황화 수소와 암모니아로 이루어져 있는데, 특히나 천왕성의 상층부 대기는 황화수소와 암모니아 구름이 뒤덮고 있어서 인간이 접근한다면 특유의 고약한 냄새에 절명할 수도 있다고 한다. 즉 행성 대기가 아주 지독한 똥 방귀인 것이다. 이 때문에 우주에서 계란썩은 냄새와 비슷한 악취가 매우 심한 행성으로 알려져 있다.
-
미생물을 이용해 암모늄을 분해하는 공정을 아나목스라고 부른다. - 드라마 종이의 집에서 박사가 폐차장에서 1992년형 세아트 이비자에서 습격원들의 흔적을 지우기 위해 암모니아를 차 시트에 비빔으로써 추후 과학수사대가 실마리를 찾는 것을 막는다. 최소한의 장비(마스크와 장갑, 머리 캡과 실험복)만 가지고 암모니아를 다루면서 다치지 않는거나 흔적이 하나도 남지 않는다는 것을 보아 극적인 연출을 위해 암모니아의 성능을 과장한 듯하다.
- 해수어항을 운영할 때 제일 거슬리는 물질인데, 해수어들은 암모니아로 인해 죽는 경우가 많기 때문이다.
- 베트남 전쟁 당시 미군은 XM-2/3라는 후각성 인간 탐지기를 만들어서 정글에 숨어 있는 베트콩을 찾아내는데 사용했다. 사람의 몸에서 나오는 땀과 소변의 암모니아 냄새를 감지하는 원리였다. XM-2의 경우 병사 1명이 등에 기기를 맨 뒤 탐지용 부품을 M-16에 부착해서 사용하고, XM-3는 XM-2의 강화/대형화 장비로 헬리콥터에 탑재해서 사용했다. 암모니아 냄새로 대상을 찾는다는 원리나 동작 자체에는 문제가 없었으나, 땀과 오줌이 베트콩 몸에서만 나는 게 아니다보니 민간인, 야생 동물은 물론 전우들까지 죄다 감지하는 장비가 되어버렸다. 거기다 이러한 장비의 존재를 알아챈 베트콩이 오줌을 섞은 진흙을 통에 담아 나무에 걸어두는 식으로 교란까지 시도했기 때문에 생각보다는 효력을 보이지 못했다. 게다가 XM-2는 독특한 작동음이 있어 적의 주의를 끌 수 있었고, 이런 위험을 뻔히 아는 사용자에게 심대한 짜증까지 유발하였다.
[1]
IUPAC 명명법
[2]
NH3의 체계적 명칭
[3]
산소를 최초로 원소로서 분리해내고 이를 바탕으로 '탈플로지스톤 공기'에 의한 연소 이론을 주장하였다. 라부아지에와 동시대인으로 화학의 여명기 인물 중 하나이다.
[4]
참고로
독일의 유명한 자동차 부품회사인
보쉬사의 창업자 로베르트 보쉬의 조카다.
[5]
물에 잘 녹는다 말하지만 엄밀히 따지면 암모늄 이온과 수산화 이온이 생기는 가수분해이기 때문에 일반적인 기체의 용해와는 다르다.
[6]
가끔 암모니아가 유독하다고 강염기인 줄 아는 사람이 있는데 아니다. pH는 수소이온농도의 음의 상용로그 값으로 표시한 것이다. 즉 1 올라갈 때마다 10배씩 증가한다. 참고로 pH 7의 양성자이온 농도는 1×10-7 M이다.
[7]
염기성과 산성 모두 살짝만 PH변화가 일어나도 치명적이다. 단순히 효소의 활성을 떠나 pH의 균형 변화는 곧 이온불균형을 뜻하며 신호전달체계가 마비된다.
[8]
연골어류처럼 아주 많은 물 속에 있는 경우면 그 정도 암모니아 배설로는 유독성을 못 느끼겠지만, 물 속에 살지 않는 경우라면 유독성이 100% 생긴다.
[9]
암모니아와
물 모두 극성 분자이기 때문이다.
[10]
비누화 반응은 염기 촉매하에서 에스터를 알코올과 카복시산의 음이온으로 나누는 반응인데, 지방은 지방산들이 알코올인 글리세롤에 결합한 에스터이다. 따라서 염기성인 암모니아 수용액에 닿으면 소수성에 속하는 지질 막이 염기로 인해 수용성으로 전환되면서 벌어지는 일이다. 즉, 세포를 외부와 분리하는 벽이 벽의 단단함을 약화시키는 물질의 첨가로 인해 순식간에 허물어진다고 생각하면 쉽다.
[11]
중추신경의
신경전달물질이며, 글루탐산 탈수 효소로 인해 암모늄과 케토글루타르산으로 전환된다.
[12]
이로 인해 초기엔 피로감을 느끼며, 시간이 지날수록 의식장애와 혼수상태를 유발한다.
[13]
다만
역도 선수의 경우는 시합 전에 암모니아 가스 미량을 흡입한다. 순간적으로 고도의 집중력을 끌어올려주기 때문이라고. 물론 어디까지나 '미량'이다. 화장실에서 똥오줌 싸면서 공부하면 잘한다는 속설도 암모니아 때문이라는 썰도 있다.
[14]
중국과
인도는 사형 집행에 암모니아를 쓴다고 한다. 다만, 죄인이 고통스럽지 않게 농도가 낮은 기체를 살포하여 천천히 죽인다.
[15]
다른 두 가지는 Fire (기내 화재), 그리고 Rapid Decompression (급속감압).
[16]
여담으로 방송에서 제작을 보여주는 화면을 잘 보면 '볼 밀 분쇄기'를 분당 400회전 30분 반복 10회로 설정하고 돌린다. 이렇게 하면 질소+산소+암모니아가스 혼합기체가 용기에 들어차게 되는데, 이건 수용성 기체를 거르는 기본기인 '물을 통과시키는' 것으로 해결가능. 염산과 반응시켜서 암모늄염으로 만들면 보관도 쉬워진다고.
유튜브 영상(5분20초까지 암모니아 관련)
[17]
수득률은 반응물에서 생성물을 얻는 효율로, 수득률이 높을수록 경제적이다.
[18]
대사 과정에서 나온 암모니아를 써서 만든
요소를 체내외의 삼투압 조절물질로 사용한다. 이들이 죽으면 세포 안에 가득한 요소가 미생물에 의해 분해되어 암모니아가 된다.
[19]
염화암모늄이라는 물질 자체는 기체가 아니고 증발되는 것도 아니니 코에 직접 넣어서 점막 위에서 녹이지 않는 이상은 냄새가 나지 않겠지만, 고체 암모늄염이 물에 녹으면 암모늄 이온이 해리되고 그 이온은 액성이나 평형상수에 따라서 얼마든지 암모니아가 될 수 있다.
그 사탕에서 은은하게 암모니아 향이 올라오는 이유. 고체 암모늄염이 모종의 이유들로 분해되어도 마찬가지.
[20]
1 기압에서 섭씨 영하 33도
[21]
물론 암모니아가 누출되서 벌어지는 사고도 아얘 없는것도 아니기에, 누출되도 큰 문제가 안되는 창고에 주로 사용한다.
[22]
CFC-11 등
[23]
HCFC계열: HCFC-22, HCFC-123 / HFC 계열: R410a, 134a
[24]
수소는 금속 봄베탱크에서도 새고 또 금속 탱크나 파이프 자체를 약화시키기도 한다.