[쿠키과학] ‘젖은 커피찌꺼기’ 90초 만에 무연탄급 연료로… KIGAM, 초고속 플라즈마 개발

젖은 커피찌꺼기를 단 90초 만에 무연탄급 고체연료로 바꾸는 초고속 폐자원 전환 기술이 등장했다.

한국지질자원연구원(KIGAM) 자원활용연구본부 박태준 박사팀은 ㈜갓테크와 공동으로 수분 함량 약 55%의 커피찌꺼기를 별도 건조나 탈지 과정 없이 고품위 바이오차로 바꾸는 ‘화염 플라즈마 열분해(FPP)’ 기술을 세계 최초로 개발했다.

이 기술은 건조공정 없이 고수분 유기성 폐기물을 바로 연료화할 수 있어 탄소중립형 에너지 기술로 주목받고 있다.

세계 커피 소비량이 급증하면서 해마다 1000만 톤 이상의 커피찌꺼기가 발생한다.

하지만 대부분 매립하거나 소각해 온실가스와 환경오염 문제를 유발하고 있다.

특히 음식물 쓰레기나 슬러지 같은 고수분 유기성 폐기물은 재활용 전 건조 과정이 필수로, 여기에 많은 에너지와 비용이 들어 경제성이 낮다.

연구팀은 초고온 플라즈마를 이용해 이 한계를 극복했다.

연구팀은 액화석유가스(LPG)와 압축공기를 연소시켜 약 800~900℃의 대기압 화염 플라즈마를 만들고, 이를 젖은 커피찌꺼기에 조사했다.

커피 찌꺼지는 초고온 에너지가 닿자 내부 수분이 순간적으로 증발하면서 내부 압력이 급격히 상승, 팝콘이 터지듯 미세 폭발이 연쇄적으로 발생했다.

이 같은 팝콘 효과는 내부에서 빠져나온 수증기가 탄화 반응을 촉진하는 역할까지 수행하면서 바이오차 내부에 미세한 구멍을 만들고, 이 과정이 반응 속도를 끌어올려 연료 품질도 높였기 때문이다.

실험 결과 연구팀이 90초 동안 플라즈마 처리를 진행한 결과물은 발열량이 29.0MJ/kg까지 상승, 원료 상태보다 33% 증가한 수치를 기록했다.

이는 일반 무연탄과 유사한 수준의 화력이다.

아울러 연료 품질을 좌우하는 고정탄소 함량도 기존 15.6%에서 46.2%로 3배 가까이 상승했다.

반면 황 성분은 완전히 제거돼 연소 과정에서 황산화물(SOx)을 배출하지 않는 친환경 특성을 보였다.

아울러 바이오차 표면 구조 변화도 확인됐다.

특히 표면적이 115.4㎡/g까지 증가해 환경오염물질을 흡착하는 활성탄 소재나 산업용 흡착제로 활용 가능성도 제기됐다.

이는 기존 열분해 공정에서 자주 발생하던 연기와 타르 등 2차 오염물질도 거의 발생하지 않았다.

이런 가운데 공정 속도는 기존 기술과 비교해 압도적으로 빨랐다.

고온·고압 물속에서 폐기물을 장시간 처리하는 수열탄화 공정은 보통 1~6시간이 걸리지만, 이번 기술은 최대 1/240 수준으로 시간을 줄였다.

또 건조 폐기물을 저온에서 굽는 토레팩션 공정보다 20배 이상 빨랐다.

특히 이 기술은 젖은 폐기물을 그대로 투입할 수 있어 건조 설비 자체가 필요 없다는 점이 핵심 경쟁력으로 꼽힌다.
연구팀은 전기 기반 플라즈마 장치보다 에너지 소비도 낮아 상용화 가능성이 높을 것으로 전망했다.

박 박사는 “이 기술은 폐기물을 단순 처리 대상이 아닌 고부가가치 에너지 자원으로 전환하는 새로운 방식”이라며 “향후 음식물 쓰레기와 슬러지 등 다양한 고수분 유기성 폐기물로 적용 범위를 확대하고 산업 현장 실증 연구도 추진할 계획”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐다.
(논문명: Rapid conversion of wet spent coffee grounds into high-calorific biochar via drying-free flame plasma pyrolysis for process intensification)

이재형 기자 jh@kukinews.com