석탄

석탄(石炭, coal)은 셀롤로스와 리그닌을 주성분으로 한 수목이 두껍게 쌓여서 만들어진 층이 그 위의 압력으로 탄화되어 생성된 것이다. 탄화 정도에 따라 이탄, 토탄, 갈탄, 역청탄, 무연탄이 있다.

유럽에서는 11~12세기부터 사용되었지만, 문헌에 따르면, 중국에서는 기원전 4000년대부터 사용되었다. 그러나 인간이 석탄을 단지 보조적인 연료 이상의 것으로 이용하기까지에는 많은 시간이 걸렸다.

석탄의 역사

석탄의 산지는 세계 각지에 분포되어 있어, 석유처럼 편재되어 있지는 않다. 외국에서는 주로 고생대 석탄기부터 중생대에 이르는 각 지층 속에 포함되어 있다. 석탄은 2000년도 넘는 옛날 그리스·이탈리아·중국 등에서 쓰여지고 있었는데, 오늘날처럼 탄갱에서 대대적으로 파내게 된 것은 19세기 이후의 일이다. 석탄의 매장량은 석유에 비하여 매우 많다.

석탄의 이용

석탄은 탄소함유량이 대단히 많은 물질이다. 그 구조는 석유가 탄화수소의 혼합물인 데 반해 벤젠고리를 위주로 방향족 화합물이 몇 개씩 서로 메틸렌 결합이나 에테르 결합으로 연결된 복잡한 고분자의 혼합체이다. 그 최대의 용도는 화력발전이나 각종 보일러·난방용 등의 연료로 이용되고 있다. 그리고 강점결성의 무연탄으로써 코크스를 만들어 철의 정련에 사용하거나 탄소전극의 재료로서도 중요하다. 게다가 건류 공정을 통한 석탄가스·콜타르는 여러 가지 화학제품을 만들게 된다.

석탄의 건류

석탄은 산소를 차단한 채 1,000∼1,300℃의 고온으로 가열하면 열분해되어 석탄가스·가스경유·가스액·콜타르 등을 만들어 내고 나머지는 코크스가 된다. 이와 같이 고체로 된 유기물을 산소가 없는 상태에서 열분해하여 휘발분과 불휘발분으로 나누는 것을 건류라고 한다. 석탄의 건류는 1792년에 영국의 머독이 철로 된 레토르트를 사용하여 비로소 성공한 것인데, 초기에는 석탄에서 등화용 가스와 코크스를 제조할 목적으로 시작되었다. 그 뒤에 코크스로(爐)가 개량되어 콜타르 등의 부산물을 회수하게 되고 석탄가스도 등화용으로부터 도시의 연료용으로 이용되게 되었다. 오늘날에는 제철공장에서 주로 제철용 코크스를 만들기 위하여, 또 도시가스 고장이나 화학공장에서 석탄가스·콜타르를 제조하기 위하여 석탄을 고온건류하고 있다. 석탄은 건류에 의해 열분해를 받아 특히 가지부분과 가교부분이 분해되어 메탄이나 일산화탄소가 된다. 또 성분의 일부는 탈수소·환화·축합 등을 일으켜서 열적으로 안정된 방향족 화합물이 된다. 물론 열적으로 안정된 석탄의 구조 부분은 그대로 유지된다. 건류에 따라 생성되는 것은 석탄의 종류에 따라 차이가 있으나 대체적으로는 석탄가스 20%, 가스경유 1%, 가스액 1%, 콜타르 5%, 코크스 70%이다. ⑴ 석탄가스의 주성분은 수소와 메탄이며, 그 밖에도 일산화탄소를 포함하며 기체연료가 된다. ⑵ 가스경유는 벤젠·톨루엔과 같은 비교적 저비점인 방향족 탄화수소로 되어 있으며, 이 혼합물을 다시 정류·분리하여 화학원료로 한다. ⑶ 콜타르는 각종 방향족 화합물이 복잡하게 혼합된 것으로, 끈기가 있는 검은 기름이다. 이 콜타르는 염료·의약품·합성섬유·합성수지 등의 중요 원료가 된다. ⑷ 가스액은 암모니아를 포함한 수용액으로서, 이것을 황산으로 처리하면 황산암모늄이 되며 비료로 이용된다. ⑸ 코크스는 흑회색의 딱딱한 다공질 덩어리이며, 철광석을 환원시켜 선철을 만들 때의 중요한 원료이다. 그 밖에 주물용으로 사용되며, 또 수성가스 반응으로 수소를 발생시키거나 황산암모늄이나 카바이드의 제조에 쓰이는 등 공업적으로 매우 중요한 원료이다. 석탄을 500∼600℃의 비교적 낮은 온도에서 건류하는 방법을 저온건류라고 한다. 이 때 얻어지는 코크스는 반성(半成)코크스 또는 콜라이트라고 부르며 가정용 연료로 사용된다. 저온건류의 특징은 열분해가 다소 온화하기 때문에 생성되는 저온가스·저온타르도 고온건류에 의해 생성된 것과는 다르며, 포화된 쇄상 탄소화합물도 많다. 또 가스의 생성량이 적고 타르분이 많은 것도 특징이다.

콜타르의 이용

오늘날의 유기화학 산업을 발전시킨 기초를 이룬 것은 석탄을 원료로 하는 석탄화학공업이며, 독일을 중심으로 합성염료·의약품 등이 타르를 이용해서 만들어진 것이 그 시작이라고 할 수 있다. 석탄화학공업에는 석탄가스·가스액·콜타르·코크스 등 여러 종류의 것을 원료로 하는 것이 있는데, 현재 가장 큰 특징을 이루는 것은 300종 이상에 달하는 많은 방향족 화합물이 섞인 콜타르를 원료로 하는 분야이다.

콜타르의 분류

1856년에 퍼킨이 최초로 보랏빛의 합성염료를 만들어 내었는데, 그 원료가 되는 아닐린을 콜타르 속의 벤젠으로부터 얻게 됨으로써 콜타르의 분류는 합성염료 공업의 발흥과 함께 공업적으로 이루어지게 되었다. 분류 공정에는 일반적으로 석유 분류와 마찬가지로 대규모의 분류탑을 사용한다. 맨 먼저 180℃ 이하에서는 경유, 그 다음으로 180∼240℃에서 중유(中油), 240∼270℃에서는 중유(重油), 270∼360℃에서는 안트라센유가 증발하고, 마지막으로 남는 것이 피치이다.