"커피찌꺼기 그냥 버리지 마세요" 90초만 지나면 '고급 연료' 재탄생[과학을읽다]

지질자원연, 세계 첫 '화염 플라즈마 열분해' 기술 개발…황 성분 제거·처리속도 최대 240배 향상

게티이미지

버려지는 젖은 커피찌꺼기를 별도 건조 과정 없이 단 90초 만에 무연탄 수준의 고급 연료로 바꾸는 기술이 국내에서 개발됐다. 음식물 쓰레기나 슬러지 같은 고수분 유기성 폐기물 처리에도 적용 가능해 탄소중립형 폐자원 활용 기술로 주목된다.

한국지질자원연구원(KIGAM)은 박태준 자원활용연구본부 책임연구원 연구팀이 ㈜갓테크와 공동으로 수분 약 55%를 함유한 커피찌꺼기를 건조나 탈지 과정 없이 고품위 바이오차(Biochar)로 전환하는 '화염 플라즈마 열분해(Flame Plasma Pyrolysis·FPP)' 기술을 세계 최초로 개발했다고 20일 밝혔다.

화염플라즈마 공정 처리 과정. 연구팀 제공

이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 게재됐다.

기존 고수분 유기성 폐기물 열분해 공정은 수분 제거를 위한 사전 건조 과정이 필수여서 에너지 비용과 공정 복잡성이 크다는 한계가 있었다.

커피찌꺼기 활용 바이오차 제조를 위한 기존·신규 공정 비교도(기존 공정 Vs. 화염플라즈마 공정). 연구팀 제공

연구팀은 LPG(액화석유가스)와 압축공기를 연소시켜 약 800~900도의 대기압 화염 플라즈마를 생성한 뒤, 이를 이용해 젖은 커피찌꺼기를 직접 처리하는 방식을 개발했다. 초고온 환경에서 내부 수분이 순간적으로 기화되며 발생하는 '팝콘 효과(popcorn effect)'를 활용해 탄화 반응을 빠르게 유도하는 원리다.

특히 이 과정에서 수분은 단순 제거 대상이 아니라 반응을 촉진하는 수증기 활성화제로 작용해 다공성 구조 형성과 반응 속도 향상에도 기여했다고 연구팀은 설명했다.

실험 결과 연구팀은 90초 처리만으로 기존 커피찌꺼기(21.8MJ/kg)보다 약 33% 높은 29.0MJ/kg 수준의 발열량을 확보했다. 이는 일반 무연탄과 유사한 수준의 고체연료 특성이다.

박태준 책임연구원. KIGAM 제공

고정탄소 함량은 기존 대비 약 3배 증가했고, 황 성분은 완전히 제거돼 연소 과정에서 황산화물(SOx)이 발생하지 않는 친환경 특성도 확인됐다. 비표면적 역시 크게 증가해 향후 활성탄 전구체나 흡착 소재로의 활용 가능성도 제시됐다.

연구팀에 따르면 이번 기술은 기존 수열탄화 공정보다 최대 240배, 반탄화(토레팩션) 공정보다 약 20배 이상 처리 시간을 단축할 수 있다. 또 전기 기반 플라즈마 장치보다 에너지 소비를 줄일 수 있어 경제성과 친환경성을 동시에 확보했다는 평가다.

박태준 책임연구원은 "폐기물을 단순 처리 대상이 아닌 고부가가치 에너지 자원으로 전환하는 새로운 기술적 패러다임을 제시한 것"이라며 "향후 음식물 쓰레기나 슬러지 등 다양한 고수분 유기성 폐기물로 적용 범위를 확대하고 실증 연구를 통해 상용화 기술로 발전시켜 나가겠다"고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr