매년 전 세계적으로 약 4,000억 컵의 커피가 소비되며, 이로 인해 약 1,800만 톤의 젖은 커피 찌꺼기가 생성됩니다. 이는 대략 기자 피라미드 3개와 맞먹는 무게입니다. 커피 찌꺼기의 대부분은 결국 매립지로 보내집니다. 그러나 이러한 고습도 유기 폐기물 자체는 연료로 전환될 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 높은 수분 함량은 항상 경제적 활용 과정에서 주요 기술적 장애물이었습니다.

한국지질자원연구원(KIGAM) 과학연구팀은 커피 찌꺼기를 수분 함량이 높은 상태에서 직접적이고 신속하게 고급 고체 바이오연료로 전환할 수 있는 '화염플라즈마 열분해(FPP)' 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. 전체 과정은 초기에는 약 90초밖에 걸리지 않습니다. 이 기술은 섭씨 800~900도 온도의 플라즈마 화염을 분사해 물을 순간적으로 증발시켜 입자 내부에 팝콘 같은 팽윤 효과를 만들어 커피 찌꺼기 구조를 빠르게 다공성 바이오 숯(바이오 숯)으로 바꾸는 기술이다.

과학 연구팀은 이 새로운 바이오 숯의 연료 성능은 무연탄과 비슷하면서도 기존 공정에서 시간과 에너지를 많이 소모하는 사전 건조 공정을 완전히 제거했다고 밝혔습니다. 더 중요한 것은 FPP 공정에서는 수분을 유리한 요소로 여기고 이를 증기 활성화제로 전환시켜 반응을 촉진하고 제품 품질을 향상시켜 원료의 높은 수분 함량을 유지하면서 급속 탄화 및 건조의 통합 처리를 달성한다는 것입니다.

해당 연구 논문은 케미컬 엔지니어링(Chemical Engineering) 저널에 게재되었습니다. 실험에 사용된 커피 찌꺼기의 수분 함량은 약 55%로 여전히 전형적인 고습 폐기물이다. 이 과정에서 연구원들은 액화석유가스(LPG)와 압축 공기의 연소로 생성된 화염 플라즈마를 사용하여 정상 압력 조건에서 젖은 커피 찌꺼기를 처리했습니다. 건조와 탄화를 완료하는 데 90초밖에 걸리지 않아 원료의 품질이 약 83.3% 감소하고, 느슨한 구조와 다공성 구조를 가진 바이오차 입자가 형성됐다.

테스트 결과에 따르면 바이오 숯의 저수준 발열량은 약 29MJ/kg입니다. 이는 연소된 연료 1kg당 29메가줄의 열 에너지를 방출할 수 있음을 의미합니다. 이에 비해 일반 목재의 발열량은 일반적으로 15~20 MJ/kg입니다. 바이오 숯의 고정 탄소 함량은 원래 15.6%에서 46.2%로 거의 3배 증가했습니다. 이는 재료의 더 많은 부분이 고에너지 탄소 구조로 전환되어 연소 효율과 내구성을 향상시키는 데 도움이 된다는 것을 의미합니다.

환경적 성능 측면에서 FPP 공정은 원료에서 황화합물을 완전히 제거하고, 산성비와 대기오염을 쉽게 일으킬 수 있는 황산화물의 배출을 원천적으로 방지합니다. 소재의 비표면적은 1.5㎡/g에 불과하던 것이 활성탄 수준에 가까운 115.4㎡/g으로 대폭 늘어났다. 연료 외에도 수질 정화, 공기 여과 및 산업 흡착과 같은 잠재적인 응용 분야도 있습니다. 동시에 이 공정에서는 연기와 타르가 거의 발생하지 않아 기존 바이오매스 전환 공정에서 흔히 발생하는 2차 오염 물질 배출을 크게 줄이는 데 도움이 됩니다.

속도는 이 기술의 또 다른 특징입니다. 열수 탄화 및 반탄화와 같은 전통적인 바이오매스 전환 방법은 일반적으로 30분에서 6시간 범위의 처리 시간이 필요합니다. KIGAM의 FPP 공정은 유사한 변환을 완료하는 데 약 90초밖에 걸리지 않으며 효율성은 기존 공정보다 최대 약 240배 빠릅니다. 이러한 초고속 처리 속도로 인해 대규모 폐자원 활용이 더욱 현실적이고 실현 가능해졌습니다.

이 시스템은 또한 기존 플라즈마 처리 기술에서 흔히 발생하는 "높은 전력 소비" 문제를 방지한다는 점도 주목할 가치가 있습니다. 연구팀은 에너지를 많이 소모하는 전기 플라즈마 장비를 사용하지 않고 LPG 연소와 압축 공기를 이용해 화염 플라즈마를 생성함으로써 전체 에너지 소비를 줄이면서도 신속한 변환을 완료하는 데 필요한 초고온을 제공했다. 이 설계는 공정의 경제성과 에너지 효율성을 더욱 향상시킵니다.

과학 연구팀은 이 기술의 가장 큰 장점은 "습식 재료를 용광로에 직접 공급한다"고 지적했는데, 이는 건조 과정을 완전히 없애고 전체 시스템의 에너지 소비와 운영 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 현재 연구 대상은 커피 찌꺼기에 초점을 맞추고 있지만 FPP 기술의 적용 범위는 이에 국한되지 않습니다. 앞으로는 음식물 쓰레기, 농업 잔재물, 슬러지 등 다양한 고습도 유기 폐기물로 확장되어 널리 적용 가능한 폐기물 에너지 솔루션이 될 수 있습니다.

논문의 제1저자인 박태준 박사(음역)는 “이 기술은 폐기물이 더 이상 처리해야 할 부담이 아닌 귀중한 에너지 자원으로 간주되도록 하는 새로운 패러다임을 제공한다”며 “우리는 이 공정을 보다 수분 함량이 높은 유기 폐기물 카테고리로 확대하고 산업 규모의 상업적 적용을 촉진하기 위해 공정을 지속적으로 최적화할 계획”이라고 말했다. 연구팀은 또한 FPP 시스템 장비가 상대적으로 소형이며 현장 처리 및 현장 에너지 공급을 달성하기 위해 현장의 '폐기물 에너지 통합' 시스템에 소스로 배치될 것으로 예상된다고 강조했습니다.

한국지질자원연구원이 EurekAlert 플랫폼을 통해 발표한 정보에 따르면, 이 기술의 추가 개발 방향은 다양한 폐기물 유형의 공정 안정성, 지속적인 운영 능력 및 매개변수 최적화에 중점을 둘 것입니다. 목표는 중장기적으로 도시 고형 폐기물 처리, 농업 폐기물 관리, 하수 처리장 등 다양한 시나리오에서 추진할 수 있는 모듈형 에너지 장치로 구축하여 더 깨끗하고 효율적인 재생 가능 고체 연료 시스템을 구축하기 위한 새로운 기술 경로를 제공하는 것입니다.