[TECH] 아르곤과 질소. 최적의 선택은?

아르곤과 질소는 비활성이라는 면에서는 매우 비슷하지만 경제 및 환경적 비용에 있어서는 크게 다르다.

아르곤, 비활성 기체
아르곤은 질소와 산소를 제외하면 대기 중에서 가장 흔한 기체다. 아르곤은 비활성 기체(헬륨과 같음)로 완전한 비활성이다. 아르곤은 다른 물질에 쉽게 반응하지 않는다. 예전에 화학시간에 배웠던 내용을 생각해보면 비활성 기체는 전자로 이루어진 외피가 있어서 화학 반응을 일으키지 않는다. 이러한 전자는 단단히 고정돼 다른 화합물과 공유되지 않는다. 그래서 아르곤은 와인 또는 민감한 화학물의 블랭킷(Blanket) 작업 시 매우 적합하지만 비용이 많이 드는 단점이 있다.

아르곤이 세 번째로 흔한 기체이긴 하지만 대기 중에 0.9%정도만 존재한다. 상업적으로는 산업용 공기 분리의 부산물로 이용 가능하다. 이것이 아르곤의 유일한 상업적 출처다. 대기 중에 소량만 존재하기 때문에 아르곤은 질소에 비해 몇 배는 비싸다.

질소, 비반응성 기체
반대로 질소는 비활성 기체가 아니다. 2개의 질소 원자는 질소 분자(N2)를 이루므로 아르곤과 같이 자유 전자는 없다.

거의 대부분의 사용 사례에서 비활성 기체와 동일한 속성을 갖는다. 질소는 대기 중의 79.1%를 차지하면서 반응성이 매우 낮다. 상대적으로 질소는 아르곤과 동일한 속성을 보이면서 그 비용은 훨씬 저렴하다. 질소는 아르곤보다 88배 더 풍부하게 존재한다.

질소 1파운드를 생산하는 데 필요한 에너지는 아르곤 1파운드를 생산하는 것보다 88배 적다. 아르곤 생산 및 배포 시에는 대량의 탄소 부산물이 생성된다. 질소를 사용하는 대부분의 현장에서는 흡착식 또는 Hollow Fiber멤브레인을 사용하는 것이 기존방식보다 질소생성비용이 훨씬 저렴하다. 현장에 있는 가스발생기을 통해, 용기에 담겨 있거나 액체 형태로 된 질소를 별도로 배송할 필요가 없으므로 CO2 배출량이 최소화된다.

아르곤 vs. 질소
아르곤의 장점 중 하나는 무겁다는 것이다. 아르곤의 밀도는 0.1lb/ft3이고, 질소는 0.07lb/ft3로, 아르곤이 질소에 비해 약 40% 더 무겁다.

아르곤은 액체 기둥 상단에 자리하여 즉시 공기에 확산되지 않는 경향이 있다. 블랭킷(Blanket) 작업의 경우 아르곤 블랭킷이 그대로 유지되는 시간을 확인하는 것은 간단한 작업이 아니다. 블랭킷 위에 있는 공기의 온도와 움직임에 따라 다르기 때문이다.

아르곤은 눈에 보이지 않아 사용자가 블랭킷을 다시 채워야 할 시기를 쉽게 판단할 수 없다. 이에 비해 질소는 비용이 저렴해 지속적인 공기 배기가 가능하기 때문에 사용한다.

아르곤이 질소보다 더 나은 경우는 두 가지다. 아크 용접 시에는 질소가 전기 아크에 반응한다. 창문 단열의 경우 아르곤이 질소보다 열 전도성이 낮다. 나머지 거의 대부분의 기체 사용 사례에서는 질소가 더 나은 선택이다.