전자레인지로 석탄 분말을 흑연으로…

땅속에 묻힌 고대 식물이 장기간에 걸쳐 지열과 지압을 받아 변질된 석탄은 오랫동안 중요한 연료로 전 세계 산업을 지탱해왔다. 하지만 최근에는 신재생에너지로 전환이 진행되면서 석탄 가치는 하락하고 있다. 미국 와이오밍대학 연구팀은 일반 전자레인지를 이용해 석탄을 더 가치가 높은 흑연으로 변환하는 방법을 개발했다.

흑연은 석탄 주요 구성물이기도 한 탄소로 이뤄진 원소 광물이며 산업용 윤활유와 원자로 감속재 등에 이용되고 있다. 또 흑연 원자 1개분 단일층으로 된 그래핀은 열 전도성 등이 뛰어난 다양한 특성을 갖고 있어 여러 용도로 응용이 기대되는 소재다.

이전부터 석탄을 흑연으로 변환하는 방법에 대해선 연구가 진행되고 있으며 변환은 고온, 산소를 빼앗는 성질을 가진 환원성 가스에 채워진 환원, 촉매, 마이크로웨이브 방사선이라는 요소가 필요하다는 게 명시되어 있었다.

와이오밍대학 연구팀은 일반 가정용 전자레인지에서 이런 요소를 충족시킬 수 있다고 보고 화학적 전처리를 하지 않은 석탄 분말을 전자레인지를 이용해 흑연으로 변환하는 방법을 고안했다.

먼저 연구팀은 구리를 시트 모양으로 얇게 펴 구리막을 포크 모양으로 절단하고 그 위에 분말 석탄을 태웠다. 이어 구리막과 석탄 분말을 아르곤과 수소 혼합 가스로 환원 과정을 거치고 유리 용기에 넣어 밀봉해 가정용 전자레인지에서 가열했다.

전자레인지에서 가열을 시작해 마이크로파가 방출되면 유리용기 안에서 불꽃이 발생해 석탄을 다결정 흑연으로 변환하는데 충분한 고온이 생성되고 석탄은 흑연으로 변환된다고 한다. 연구팀은 이 작업을 하면 마이크로파 방사선에 의해 불꽃이 유발되고 몇 초 안에 1,800도 이상 초고온이 발생한다고 설명했다.

실험에선 마이크로파 조사 시간은 3∼45분 폭을 취해 변환 효율을 조사했다. 그 결과 최적의 마이크로파 조사 시간은 15분이었다고 한다. 전자레인지를 이용해 석탄을 흑연으로 변환하는 방법은 비용 대비 효과가 높다. 연구팀은 이 기술을 개선하고 확장하면 더 높은 품질로 흑연을 다량 제조할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.