“커피찌꺼기 고급 연료로 전환”···KIGAM, 세계 최초 기술 개발

화염플라즈마 공정 처리 과정. [사진=한국지질자원연구원]

[이뉴스투데이 노태하 기자] 한국지질자원연구원(KIGAM)이 젖은 커피찌꺼기를 별도 건조 과정 없이 단 90초 만에 무연탄 수준의 고급 연료로 바꾸는 기술을 세계 최초로 개발했다.

한국지질자원연구원(KIGAM·원장 권이균) 자원활용연구본부 박태준 박사 연구팀은 ㈜갓테크와 공동으로 수분 약 55%를 함유한 커피찌꺼기를 고품위 바이오차(biochar)로 전환하는 ‘화염 플라즈마 열분해(Flame Plasma Pyrolysis·FPP)’ 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

최근 전 세계 커피 소비 증가로 연간 1000만톤 이상의 커피찌꺼기가 발생하고 있지만 대부분 매립·소각되며 온실가스와 환경오염 문제를 유발하고 있다. 특히 고수분 유기성 폐기물은 건조 공정에 많은 에너지가 필요해 경제성이 낮다는 한계가 있었다.

이번 기술은 LPG와 압축공기를 연소해 약 800~900℃의 대기압 화염 플라즈마를 생성한 뒤 이를 활용해 고수분 바이오매스를 직접 처리하는 방식이다.

기존 열분해 공정과 달리 사전 건조나 탈지(기름 제거) 과정 없이 처리할 수 있다는 점이 핵심 특징이다.

연구팀은 플라즈마 초고온 에너지로 내부 수분이 순간적으로 기화하며 입자 내부 압력이 급격히 상승하고 이 과정에서 발생하는 ‘팝콘 효과(popcorn effect)’가 탄화 반응을 촉진한다고 설명했다.

실험 결과 90초 처리 조건에서 커피찌꺼기의 발열량은 원료 대비 약 33% 증가한 29.0MJ/kg 수준을 기록해 일반 무연탄과 유사한 고체연료 특성을 나타냈다.

또 고정탄소 함량은 약 3배 증가했고 황 성분은 완전히 제거돼 연소 과정에서 황산화물(SOx)이 발생하지 않는 친환경 특성을 확보했다.

비표면적 역시 115.4㎡/g까지 증가해 활성탄 전구체와 흡착 소재로 활용 가능성도 확인됐다. 연구팀은 기존 열분해 공정에서 문제가 됐던 연기와 타르 등 2차 오염물질 발생도 거의 나타나지 않았다고 설명했다.

공정 효율성도 크게 개선됐다. 연구팀에 따르면 기존 수열탄화 공정(1~6시간) 대비 최소 40배에서 최대 240배, 토레팩션 공정(30분 이상) 대비 약 20배 이상 처리 시간을 단축할 수 있다.

전기 기반 플라즈마 장치보다 에너지 소비도 낮아 경제성과 친환경성을 동시에 확보했다는 평가다.

박태준 박사는 “이번에 개발한 기술은 폐기물을 단순 처리 대상이 아닌 고부가가치 에너지 자원으로 전환하는 새로운 기술적 패러다임을 제시한 것이다”고 밝히며 “향후 다양한 고수분 유기성 폐기물로 적용 범위를 확대하고 공정 최적화와 실증 연구를 통해 산업 현장에 적용 가능한 상용화 기술로 발전시켜 나가겠다”고 말했다.

이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’에 게재됐다. 연구팀은 향후 음식물 쓰레기와 슬러지 등 다양한 고수분 유기성 폐기물로 적용 범위를 확대할 수 있어 산업적 파급효과도 클 것으로 기대하고 있다.