단 몇 밀리초만에 수소와 바이오차 추출성공
건조된 바나나껍질 가루에서 몇초내에 '수소'와 고체탄소인 '바이오차'(biocha)를 추출하는 새로운 방식의 바이오매스 광열분해법이 개발됐다.
스위스 로잔연방공과대학(EPFL)의 휴버트 지로 기초과학대학원 교수 연구팀은 새로운 광열분해법을 이용해 바이오매스에서 합성가스뿐 아니라 재활용이 가능한 바이오차를 생산하는데 성공했다고 25일(현지시간) 발표했다.
곡물이나 식물, 음식물쓰레기 등 바이오매스는 바이오에너지로 전환되는 과정에서 대기중 이산화탄소를 흡수해 탄소를 저장한 바이오차같은 부산물로 배출한다. 이 때문에 바이오매스를 활용하는 방법은 친환경 에너지 생산뿐 아니라 탄소저감 방법으로 꼽히고 있다.
바이오매스를 바이오에너지로 전환하는 방법은 '가스화와 열분해' 두가지가 있다. 가스화는 고체 또는 액체 바이오매스를 약 1000°C에서 가스와 고체화합물로 변환시키는 방법이다. 여기서 생산된 가스는 '합성가스' 고체화합물은 '바이오차'라고 부른다. 합성가스는 수소와 메탄, 일산화탄소 및 기타 탄화수소 혼합물이다. 이 가스는 전력을 생산하는 바이오연료로 사용된다. 부산물인 바이오차는 농업에 활용할 수 있지만 대체로 탄소폐기물로 취급받는다.
열분해 방식은 400~800°C 사이의 비교적 낮은 온도와 최대 5바(bar)의 압력으로 가열된다는 점을 제외하고는 가스화와 유사하다. 열분해는 저속 열분해, 급속 열분해 그리고 플래시(flash) 열분해 등 3가지 유형이 있는데, 저속과 급속은 시간이 오래 걸리고 바이오차 부산물이 많이 생긴다. 반면 플래시 열분해는 600°C에서 이뤄지며, 짧은 시간 안에 가장 많은 합성가스를 생성한다. 단점은 고온과 고압을 처리할 수 있는 특수한 반응기가 필요하다는 점이다.
연구진은 많은 양의 합성가스와 재활용 가능한 바이오차를 생산하기 위해 플래시 광열분해에 크세논램프(인쇄된 전자장치의 금속잉크를 경화하는 데 사용하는 고압램프)를 놓는 방식을 활용했다. 연구팀은 이미 지난 몇년동안 이 방식을 나노입자 합성 등 다른 용도에도 사용해왔다.
크세논램프의 백색플래시 라이트는 광열 화학반응을 촉진하는 짧은 펄스뿐만 아니라 고출력 에너지원을 제공한다. 램프로 강력한 플래시 라이트 샷이 생성되면 바이오매스는 이를 흡수해 합성가스와 바이오차로 전환한다.
이 플래시 기술은 바나나껍질, 옥수수껍질, 오렌지껍질, 커피박, 코코넛껍질 등 다양한 바이오매스 원료에 사용됐다. 연구팀은 먼저 원료를 105°C에서 24시간 건조한 후 가루로 갈아서 체에 거른 다음, 그 분말을 스테인리스강 반응기에 넣고 크세논램프를 작동시켰다. 전체 변환과정은 단 몇 밀리초 안에 끝난다.
연구진은 "건조 바이오매스 1kg당 약 100리터의 수소와 330g의 바이오차를 생성할 수 있다"면서 "이는 건조 바나나껍질 무게의 33%에 달한다"고 설명했다. 이 방법은 건조 바이오매스 1kg당 4.09MJ의 에너지를 산출했다.
이 방식에서 주목받는 부분은 최종생산물인 수소와 고체탄소 바이오차 모두 가치가 있어서다. 수소는 녹색연료로 사용할 수 있고, 탄소 바이오차는 비료로 사용하거나 전도성 전극을 제조하는데 사용할 수 있다.
이 연구는 '케미컬사이언스'(Chemical Science) 학술지에 게재됐다.
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