질소는 지구상 모든 생명체의 필수 요소이다.

질소는 장점이 많은 원소이지만, 그에 따른 단점과 한계도 존재한다.

1부에서 살펴본 질소의 다양한 장점과 현재 활용 사례에 이어, 이번 2부에서는 질소의 단점과 이를 극복하기 위한 혁신적인 연구 및 기술, 그리고 질소의 미래 활용 방안에 대해 다뤄보겠다. 질소의 단점으로는 먼저,질소 산화물의 환경 문제이다.

질소 산화물(NOx)은 대기 오염의 주요 원인 중 하나이다. 자동차 배기가스와 공장 배출물에서 발생하는 질소 산화물은 대기 중에서 오존을 생성하여 스모그를 유발하고, 산성비의 원인이 된다. 이는 식물, 토양, 수질, 건축물 등에 심각한 피해를 준다. 예를 들어, 2019년 기준으로 전 세계적으로 약 1,100만 톤의 질소 산화물이 배출되었다. 과도한 질소 비료 사용 또한 문제가 심각하다. 농업에서 질소 비료의 과도한 사용은 토양과 수질 오염을 초래한다. 질소 비료가 토양에 과다하게 축적되면, 이는 지하수로 유출되어 질산염 오염을 일으킨다. 이는 인간의 건강에도 악영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 미국의 미시시피 강 유역에서 발생한 질산염 오염은 ‘죽음의 구역(Dead Zone)’을 형성하여 해양 생태계에 큰 피해를 주었다.

다음으로 온실가스 배출이다. 질소 기반 화합물의 사용은 온실가스 배출로 이어질 수 있다. 특히, 농업에서 사용되는 질소 비료는 이산화탄소(CO2)와 함께 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O) 같은 온실가스를 배출하여 지구 온난화를 가속화한다. 아산화질소는 이산화탄소보다 300배 강력한 온실가스로, 지구 온난화에 큰 영향을 미친다.

이를 해결하기 위한 혁신적인 연구와 기술로는 질소 고정 기술의 발전이 있다.

구체적으로 크리스퍼(CRISPR) 유전자 편집 기술을 통해 질소 고정 능력을 갖춘 작물을 개발하는 연구가 진행 중이다. 이 기술이 상용화되면, 화학 비료 사용량을 최대 30%까지 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 지속 가능한 농업을 위해 질소 비료의 효율성을 높이는 연구로서 코팅 비료(slow-release fertilizers)가 있다. 이는 질소가 천천히 방출되도록 하여 환경 오염을 줄이고 작물의 질소 흡수율을 높인다. 또한, 미생물을 활용한 비료는 질소 고정과 동시에 작물의 성장을 촉진하는 역할을 한다. 한 연구에 따르면, 코팅 비료는 기존 비료 대비 질소 사용 효율을 20% 향상시킬 수 있다. 또한, 대기 오염 저감 기술로는 질소 산화물 배출을 줄이기 위한 다양한 기술이 개발되고 있다.

자동차와 공장의 배기가스 처리 시스템에 촉매 변환 장치(SCR)를 설치하여 질소 산화물을 무해한 질소와 산소로 분해하는 기술이 대표적이다. 또한, 친환경 연료의 개발과 사용이 장려되면서 질소 산화물 배출을 줄이는 방향으로 나아가고 있다. 예를 들어, 유로 6 기준을 충족하는 차량은 질소 산화물 배출을 기존 대비 67% 감소시킨다.

 

 

질소의 미래 활용 방안과 기대효과는 다음과 같다.

첫째로, 지속 가능한 농업이다. 앞으로 질소 비료의 효율성을 극대화하고 환경 오염을 최소화하는 기술이 더욱 발전할 것이다. 생물학적 질소 고정 기술과 미생물 비료의 활용은 농업 생산성을 높이고, 화학 비료 사용을 줄이는 데 기여할 것이다. 이를 통해 지속 가능한 농업을 실현할 수 있을 것이다. 예를 들어, 연구에 따르면, 생물학적 질소 고정 기술을 적용한 작물은 기존 작물 대비 수확량이 15% 증가할 수 있다. 둘째로, 녹색 에너지와 질소 역할이다. 질소는 신재생 에너지 생산에서도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 예를 들어, 암모니아를 연료로 사용하는 연료 전지는 친환경적인 에너지원으로 주목받고 있다. 암모니아는 탄소를 포함하지 않아 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않으며, 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 효율적인 에너지원으로 활용될 수 있다. 일본의 그린 암모니아 프로젝트는 2025년까지 암모니아 연료 전지 발전소를 상용화할 계획이다.

미국의 환경 보호국(EPA)은 2030년까지 질소 산화물 배출을 50% 줄이는 목표를 세우고 있어 대기 오염을 줄이기 위한 친환경 연료 개발 등 질소 관련 기술은 앞으로도 중요한 연구 주제가 될 것이다. 또한, 우주 탐사에서도 중요한 자원으로 활용될 수 있다. 예를 들어, 화성 탐사에서는 질소를 이용한 생명 유지 시스템, 연료 생산, 식물 재배 등이 가능하다. 질소는 생명체의 필수 요소이므로, 우주 탐사에서의 활용 가능성이 크다. NASA의 아르테미스 프로그램에서는 달 기지 건설에 질소 기반 생명 유지 시스템을 도입할 계획이다.

기타 생명공학 분야에서의 유전자 편집, 단백질 합성, 약물 개발 등에서 질소 화합물의 활용이 확대될 것이다. 특히, 암모니아를 기반으로 한 신약 개발, 질소를 이용한 조직 보존 기술 등이 주목받고 있다. 최근 연구에 따르면, 암모니아 기반 항암제는 기존 항암제 대비 효과를 25% 향상시킬 수 있다.

질소는 우리의 일상과 미래에 중요한 영향을 미치는 원소이다. 질소의 장점과 현재 활용 방안을 통해 우리는 질소의 가치를 더욱 인식하게 되었다. 그러나 질소의 단점과 한계를 극복하기 위해 혁신적인 연구와 기술 개발이 필요하고 적극적으로 개발 중이다. 질소의 지속 가능한 활용을 통해 환경 보호와 경제 성장을 동시에 실현할 수 있을 것이다.

질소의 미래는 밝다. 우리는 질소의 가능성을 최대한 활용하여 지구 생태계를 더 나은 세상으로 만들어 나가야 한다.

질소가 우리의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 수 있도록 지속적인 관심과 연구가 필요하다.

베에프코리아(주)와 산업 현장에서의 10년 경험을 바탕으로 한 칼럼이 도움이 되기를 바란다.

질소의 미래와 가능성에 대해 더 깊이 알아보고, 더 나은 환경을 위한 질소 활용 방안을 모색하는 계기가 되었기를 바란다.

 

 

 

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