화학자들에게 있어 연소는 산화라고 불리는 연료와 산소의 급속한 결합과정을 의미한다.
미국 원자력발전 역사상 최대 사고로 꼽히는 1979년 스리마일 원전 사고 당시 관리자들은 사고를 은폐하기 위해 “원자력발전소에 화재는 없었다. 다만 ‘급속한 산화’만 있었을 뿐이다”라고 둘러대기도 했다.
휘발유, LPG, 프로판가스 등의 휘발성 연료는 공기 중에서 연소시키면 밝은 불꽃을 일으킨다. 우리가 통상 말하는 불이 바로 이것이다. 하지만 이 연료들을 공기와 함께 급속하게 연소시키는 또 다른 방법도 있다.
자동차의 촉매변환장치는 이의 가장 좋은 예다. 대부분의 촉매변환장치는 내부에 벌집 모양의 세라믹 소재가 들어있다.
이 세라믹 소재에는 플래티늄, 팔라디움, 로듐 등과 같은 귀금속 성분이 미립자 형태로 함유돼 있는데, 변환장치 표면에 닿은 산소 분자(O2)들을 2개의 산소 원자(O)로 분리시키는 역할을 한다.
분자를 원자로 변환, 산소의 반응성을 높여 주는 것. 이렇게 하면 산소가 화염 속에 있을 때보다 훨씬 낮은 온도에서 연료와 함께 연소된다. 자동차 내부에서 이러한 기능은 불완전 연소된 연료를 연소시켜 대기오염을 줄여준다.
같은 원리로 촉매변환장치에 연료가 충분히 공급될 경우 활발한 연소가 일어나 세라믹은 빨갛게 달아오르게 된다. 이는 연료의 온도가 높지 않아도 나타나지만 그렇다고 불꽃은 일어나지 않는다.
토치를 활용, 세라믹에 프로판가스를 강제 투입하는 방식으로 이 무(無) 불꽃 연소반응을 직접 확인할 수 있다.
단 이 반응은 촉매의 온도가 수 백℃에 도달해야 발생하기 때문에 미리 세라믹을 가열해 놓아야 한다. 이번 실험에서는 불붙은 토치로 세라믹을 가열한 뒤 재빨리 토치를 껐다가 켜는 것을 반복해 불꽃을 없앴다.
실험 결과, 세라믹을 충분히 가열시키는데 꽤 오랜 시간이 걸렸다. 고속도로 주행에 비해 도심주행에서 유해 배기가스가 더 많이 발생하는 원인이 여기에 있다.
사실 값비싼 귀금속을 사용해야만 이런 효과를 얻을 수 있다는 사실은 자동차 제조업체들에게 큰 골칫거리다.
미국 포드자동차는 한때 안정적 공급원 확보를 위해 팔라듐 시장에 투자했다가 10억 달러의 손실을 본 적도 있다.
하지만 환경의 가치를 생각한다면 이 정도 손해는 감수하고도 남음이 있다는 점은 누구도 부인할 수 없을 것이다.
불꽃 없는 연소 반응
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캠핑용 히터에서 뜯어낸 플래티늄 소재의 이 세라믹 울은 프로판을 불꽃 없이 연소시킨다. 이 반응은 자동차 촉매변환장치의 원리와도 같다.
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