일본제철·고에너지가속기연구기구, 수소환원 철 화학 변화 3차원 가시화 성공

일본제철과 고에너지가속기연구기구(KEK)가 수소환원 중 철광석 내의 화학 상태 변화를 3차원으로 가시화하는 프로젝트에 성공했다고 밝혔다.
마이니치신문에 따르면 일본제철과 KEK는 18일 수소환원에 따라 철광석 내 철의 화학 상태가 어떻게 변화하는지 관찰하는 3차원 가시화 프로젝트를 성공했다고 발표했다.

KEK측은 “철광석의 수소 환원 메커니즘 관찰에 한 발짝 더 다가선 성과로, 제철의 탈탄소화를 위한 핵심 기술 중 하나인 수소를 이용한 직접 환원철(DRI) 제조 기술 개발 가속화에 기여할 것으로 기대된다”라고 전했다.

KEK는 물질구조과학연구소(이바라키현 쓰쿠바시)에 있는 방사광 X선 현미경을 활용해 이번 프로젝트를 완수한 것으로 알려졌다. 입경 수십 마이크로미터의 미세 철광석을 사용했으며, 철분의 화학적 상태가 수소 환원에 따라 어떻게 변화하는지를 50나노미터 고분해능으로 관찰했다.
매체 측의 보도에 따르면 이 관측이 성공한 것은 세계 최초다.

수소환원 중 철광석 내부 상태 변화는 극히 미미하기 때문에 그동안 관찰이 어려워 연구에 많은 어려움이 있었다.

일본제철과 KEK는 이번에 관측된 데이터에 열역학 계산을 적용한 분석도 진행했다. 그 결과 환원 온도가 973켈빈(섭씨 약 700도)과 1173켈빈(섭씨 약 900도)에서는 반응 형태가 크게 다르다는 점을 밝혀냈다.

973켈빈에서는 수소 가스 농도 구배에 따라 환원 반응이 진행되는 반면, 1173켈빈에서는 결정 정합성으로 환원 반응이 진행되는 것으로 나타났다.
마이니치는 “이 연구 결과는 수소 환원 효율이 우수한 철광석 원료의 새로운 선정 기준을 마련하는 데 도움이 될 전망”이라며 “DRI 제조 플랜트에서 수소 환원 조건 최적화와 가동 안정화로 이어질 가능성도 있다”라고 보도했다.

한편, 이번 연구 결과는 전문 학술지 ‘Acta Materialia’ 온라인판에 지난 9월 13일 게재됐다.


이용수 글로벌이코노믹 기자 piscrait@g-enews.com