메탄올

메탄올(methanol, methyl alcohol, 甲醇)은 화학식 CH₃OH, 메틸 알코올이라고 부르며 나무로부터 많이 얻어진다고 하여 목정(wood spirit) 이라고도 한다. 1661년에 보일(Robert Boyle)에 의해 회양목의 증류 과정에서 최초로 분리되었다. MeOH로 쓰기도 하며, 알코올 중에서 가장 간단한 구조로 되어 있다. 물보다 가볍고, 무색의 가연성이 있는 극성을 띠는 액체이며, 맛과 냄새는 술의 주성분인 에탄올과 비슷하다. 메탄올은 극성 분자이고, 수소 결합을 한다.

메탄올은 혐기성 생물의 대사 과정에서 자연적으로 만들어지기도 한다. 조금 마시면 눈이 멀고, 많이 마시면 사망에 이르는 경우도 있다. 부동액, 연료 등으로 쓰이며 다양한 화학 반응에서 용매 또는 주요한 출발 물질로 사용된다.

구조 및 특성

메탄올 구조

메탄올 수소결합

메탄올은 구조적으로 메틸기와 하이드록실기가 공유 결합한 형태를 가지고 있다. 하이드록실기의 산소는 결합한 탄소와 수소보다 전기음성도가 강하여 전자를 산소 쪽으로 당기는 성질을 나타낸다. 이에 따라 메탄올의 탄소와 수소는 부분 양성 전하(partial positive charge)를 띠며, 산소는 부분 음성 전하를 띠게 된다. 이러한 이유로 메탄올은 극성을 가지며, 극성을 나타내는 척도인 쌍극자 모멘트 값이 1.70이고 물(1.8546)보다는 극성이 약하나 에탄올(1.69)보다는 약간 강한 극성을 나타낸다. 메탄올의 산소는 주위에 있는 메탄올 하이드록실기의 수소와 수소 결합을 한다.

제법

높은 온도와 압력에서 일산화 탄소 또는 이산화 탄소와 수소 기체를 출발 물질로 사용하고 구리와 산화 아연 같은 촉매를 이용한 반응으로부터 얻을 수 있다.

CO(g) + 2H₂(g) --> CH₃OH(g)

생물자원(biomass)이나 나무, 천연가스, 도시의 쓰레기 더미 등으로부터 얻는 방법도 있다. 메테인을 이용한 메탄올 제조 방법도 많이 연구되고 있으며, 메테인 일산소화효소(methane monooxygenase)에 의해 메테인이 산화되면 메탄올을 얻을 수 있는데, 생성된 메탄올이 계속 산화된다는 문제점이 있다.

혈구염색과 메탄올

혈구들을 살아 있는 상태로 유지하기 위해서 혈구 관찰 시 슬라이드 글라스에 메틸알코올을 가하는데, 이것을 고정이라고 하며, 특히 백혈구의 고정에 용이하다.

메탄올과 에탄올의 차이 및 구별법

메탄올과 에탄올은 성상이나 냄새는 매우 유사한 성질을 가지고 있지만, 많은 차이점도 있다. 에탄올은 메탄올보다 탄소가 하나 더 많은 알코올이며, 메탄올은 연소 시 밝은 흰색을 나타내지만 에탄올은 밝은 파란색을 띤다. 에탄올은 주류의 원료로 사용되나 메탄올은 소량이라도 섭취할 경우 실명을 초래할 수 있는 매우 위험한 알코올이다. 수산화 소듐과 아이오딘을 사용하는 아이오도폼 반응을 이용하면 에탄올은 반응하여 노란색 고체인 아이오도폼을 생성하지만, 메탄올은 반응하지 않는다. 이러한 차이를 이용하여 유사한 두 알코올을 쉽게 구별할 수 있다.

생산량 및 경제 가치

전 세계적으로 약 90여 개의 메탄올 생산 공장에서 연간 1380억 리터를 생산한다. 2015년에 전 세계 수요는 약 870억 리터인 것으로 보고되었으며, 수요의 약 40%는 신생 에너지 분야에 있다. 매일 약 2억 8400만 리터가 화학 원료나 운송 연료로 사용되고 있다. 2016년 2월부터 2017년 2월까지 1년 사이에 메탄올 가격은 180%가 올라 1톤당 USD 500에 거래되었다. 가격 상승의 주된 요인은 천연가스 등 원료의 가격 상승과 공급의 제한, 메탄올의 올레핀화를 위한 시설 등 중국과 미국의 수요 상승을 들 수 있다. 메탄올 산업의 경제적 가치를 살펴보면 연간 약 550억 달러의 경제 활동을 창출하고 9만여 개 이상의 일자리를 창출한다.

용도

화학 반응에서 중요한 용매 또는 반응 출발 물질로 흔히 사용된다. 공업용으로 중요한 폼알데하이드, 아세트산, 프로필렌, 프로페인 가스 대체용 다이메틸 에터(DME) 등의 생산에 사용된다. 환경 오염을 고려한 자동차 연료의 첨가제로 사용되는 메틸 삼차 뷰틸 에터(MTBE) 제조 시에도 사용된다. 전력 수요가 많은 여름에 백업 발전기의 연료로도 사용된다.

해양연료

최근 국제 해사 기구(International Maritime Organization)는 대형 선박에 대한 항해 중 연료 배기물(산화 황, 산화 질소 등)에 의한 오염 규제를 강화했고, 이러한 규제에 따르기 위하여 메탄올 연료 사용이 급증하고 있다.

자동차 연료

중국이나 인도에서는 환경, 경제, 에너지 자급자족 등을 고려하여 연료로써 메탄올과 휘발유를 혼합해서 사용하는 것을 장려하고 있다. 특히 중국에서는 메탄올이 총 운송 연료 사용량의 7%를 차지하고 있으며, 차들이 순수 메탄올(M100)이나 메탄올 85%와 휘발유 15%(M85) 등의 높은 비율의 메탄올 사용이 가능하도록 개조되었다. 사고 시 안전을 고려하여 경주용 자동차 연료로 사용되기도 한다.

연료 전지

메탄올은 다른 액체보다 상온에서 이상적인 수소 운반체 역할을 하고 있으며, 이러한 특성을 이용한 것 중의 하나가 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell; DFMC)이며 물과 메탄올의 전기 화학 반응으로부터 발생하는 수소를 이용해서 전기를 만든다. 2017년 초에는 메탄올 배터리를 이용한 유람선(MS Innogy)이 독일에서 처음으로 운항하였다.

바이오디젤

바이오디젤 연료 생산 시 에스터 교환 반응에서 메탄올은 트라이글리세라이드와 반응하여 지방산 알킬 에스터(바이오디젤 연료)로 전환하는데 사용된다.

폐수 처리

메탄올은 폐수 처리 시설에서 배출되는 폐수를 감소시키는 데 중요한 역할을 한다. 탈질화 반응(denitrification) 과정을 통해 폐수 처리 시설은 과량의 질산염을 질소로 변환하여 대기로 방출하게 된다. 이에 따라 조류가 자라는 것을 방지하고 산소와 햇빛이 표면 아래의 해양 생물에 도달할 수 있도록 도와준다. 메탄올은 탈질화 반응에 가장 많이 사용되는 유기 화합물로써 해로운 질산염을 분해하는 혐기성 박테리아의 활동을 촉진한다.

독성

메탄올을 10 mL 정도 섭취할 경우 알코올 탈수소효소에 의해 폼알데하이드로 대사된 후 알데하이드 탈수소효소에 의해 폼산으로 대사되고 궁극적으로 시신경을 손상해 영구 실명, 혼수상태, 죽음에 이를 수 있다. 이런 메탄올의 독성을 이용하는 한 예로 공업용 에탄올 제조 시 에탄올이 술을 만드는 데 오용되지 않게 하려고 메탄올을 첨가제로 사용한다.

메탄올 연료 자동차

이미 2018년 중국 산시성(陝西省) 시안(西安)에서는 지리자동차가 개발한 메탄올 연료 택시가 첫 출항을 했다.

롤란드 굼페르트가 개발한 메탄올 연료전지 하이브리드 슈퍼카 나탈리

메틸알코올을 연료로 사용하는 알코올 자동차의 한 종류이다. 메탄올은 천연가스·석유 등에서 제조되는 메틸알코올인데 이것을 연료로 하여 달리는 자동차이다. 메탄올을 가솔린에 3% 정도 섞은 저농도혼합, 85% 섞은 고농도혼합, 100% 메탄올을 이용하는 3종류의 방법이 있다. 저농도혼합의 경우라면 현재의 자동차에도 사용할 수 있어 미국·독일을 비롯하여 많은 나라에서 실용화되고 있다. 메탄올은 가솔린·경유에 비해 매우 저공해 연료이기 때문에 석유 대체에너지로서 기대된다.

중국의 지리자동차가 메탄올로 주행하는 친환경차 개발을 위해 기업들과 정부에 러브콜을 보냈다. 리슈푸 지리차 회장은 2021년 6월 13일 중국 충칭에서 열린 '2021 중국 자동차 충칭 포럼'에서 "지리차는 앞으로도 메탄올을 연료로 한 친환경차를 지속 개발할 계획"이라며 "중국 자동차 산업의 변화와 업그레이드 및 고품질 개발을 위해 업계 파트너와 협력할 의향이 있다"고 밝혔다. 또 "메탄올은 이산화탄소를 녹색 에너지로 개발하는 경로이자 가장 단순한 산소 함유 탄소화합물로 친환경적"이라며 "휘발유나 경유보다 분해 속도도 훨씬 빠르다"고 메탄올 자동차의 이점을 강조했다. 메탄올은 석탄, 석유, 천연가스로부터 만들어지는 연료다. 이는 이상폭발을 일으키지 않는 정도를 나타내는 옥탄가가 화석연료 수준으로 높은 게 특징으로, 탄소 배출량도 휘발유 대비 17배, 경유 대비 22배나 낮아 친환경적이다.

실제 중국은 2019년 메탄올 자동차의 상용화 및 보급을 위한 가이드라인을 마련하고, 중국 산시(山西)·산시(陕西)·구이저우(贵州)·간쑤(甘肃) 지역에서 메탄올 자동차(M100)의 운행을 시작하는 등 적극적인 정책을 펼치고 있다. 지리차는 2005년 중국 최초로 메탄올을 연료로 한 친환경 자동차를 개발한 중국 1위 완성차 제조사다. 2015년에는 아이슬란드의 메탄올 생산업체인 카본 리사이클링 인터내셔널에 4550만달러(약 508억원)를 투자한 바 있으며, 메탄올 세단과 트럭도 개발 중이다.

아우디스포츠의 최고 책임자였던 롤란드 굼페르트(Roland Gumpert)가 개발한 메탄올 연료전지 하이브리드 슈퍼카 나탈리(Nathalie)의 양산 모델이 2020년 5월 중순에 공식 발표되고, 생산에 들어갔다. 나탈리는 2018년 콘셉트카로 첫 선을 보인 모델로, 굼페르트가 딸의 이름에서 따왔다. 굼페르트는 충전 시간이 오래 걸리는 전기차의 단점을 보완하면서, 저장이나 관리가 쉬운 메탄올을 연료로 한다

나탈리는 아우디 콰트로의 스타일링을 모티브로 하고 있으며, 배터리 전기차와 연료전지 전기차의 장점을 조합한 하이브리드 슈퍼카다. 두 가지 에너지 시스템을 채용해 각 차륜에 하나씩, 플로어 아래에 있는 배터리로부터 네 기의 모터에 전기를 공급한다. 보닛 후드 아래에 메탄올 연료전지 시스템을 조합한 하이브리드 구조다. 통상적인 수소저장탱크 대신 65리터 메탄올탱크가 있는 메탄올 개질기에서 수소를 공급하고 배터리를 충전하는 점이 다르다. 현재 공개된 직렬 버전은 15kW 메탄올 연료전지를 갖추고 있으며, 메탄올 파워셀로 구성된 전체 시스템의 에너지 용량은 190kWh에 이른다. 메탄올 개질기는 일반적인 메탄올 연료를 공기로 방출되는 이산화탄소와 연료전지로 공급되는 수소로 분리할 수 있는 장치이다. 메탄올은 가솔린보다 저렴하고 지속적으로 공급받을 수 있다. 아이들링이나 가속, 제동 시에 자체 충전이 되고, 120km/h 속도로 821km, 에코모드로는 1,199km를 주행할 수 있다. 성능은 최고출력 536마력, 최대토크 989NM을 발휘하며 100km까지 가속 성능은 2.5초, 최고속도는 306km/h에 달한다. 차량 가격은 40만7,000유로로 한화 5억4,900만 원에 이른다. 2021년 상반기부터 출시된다.

참고자료

• 〈메탄올〉, 《화학백과》
• 〈메탄올〉, 《위키백과》
• 〈메탄올자동차〉, 《두산백과》
• 양태훈 기자, 〈"메탄올車 포기 못해"...리 슈푸 지리차 회장 강조한 이유는〉, 《디일렉》, 2021-06-14
• 편집부, 〈메탄올 연료전지 스포츠카 ‘나탈리’ 2021년 출시 예정〉, 《월간수소경제》, 2020-05-21

같이 보기

• 알코올
• 에탄올

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