| 바이오매스 폐기물의 자원화 이용 연구 성과 | ||
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폐기물 바이오매스는 환경 오염물질이자 재생 가능한 원료이기도 하다. 열분해는 폐기물 바이오매스를 자원화 활용하는 주요 기술이다. 무산소 조건에서 바이오매스의 열분해를 통해 재생 가능한 바이오 오일, 바이오 숯 및 부분 열분해 가스를 얻을 수 있다. 그러나, 현재 열분해 기술의 상업적 응용을 심각하게 방해하는 두 가지 주요 어려움이 존재한다. 하나는 열분해 바이오 오일이 불안정하여 노화 변질이 쉽게 발생하고 성분이 복잡하여 분리 추출이 어렵다. 다른 하나는 열분해 과정의 생성물 가치가 낮아 제품의 시장 경쟁력이 부족하다. 바이오매스 원료(농림 폐기물과 유기고체폐기물 등)의 열분해를 통해 얻은 바이오 오일은 재생 가능한 자원이다. 현재 바이오 오일의 촉매 추출과 분리를 통한 고부가가치 화학품 또는 고품질 연료를 얻기 위한 연구가 계속되고 있다. 그러나, 바이오 오일은 성분이 복잡하고 불안정적이며 일반적으로 수백 가지 유기화합물을 포함한다. 촉매 과정에서 일부 유기물질은 축합, 탈수, 건류 등 반응이 발생하여 촉매제가 효력이 없어지고 촉매 추출 과정이 지속되기 어렵다. 아울러, 상압 증류 또는 분자 증류와 같은 통상적인 분리 방법은 바이오 오일이 신속하게 건류되어 증류의 더 이상 진행을 방해한다. 연구진은 상압 증류 과정의 매개변수 제어를 통해 바이오 오일의 신속 건류를 달성함으로써 일종의 새로운 고체 연료(바이오 석탄, bio-coal로 명명)를 획득할 수 있음을 발견했다. 분석 결과, 다양한 바이오매스 원료(벼의 겉겨, 톱밥, 밀짚, 콩짚 등)에서 얻은 바이오 석탄의 발열량은 25-28MJ/kg이며 이는 상업용 석탄 발열량에 해당하다. 또한, 바이오 석탄은 성능이 안정적이고 황 함량이 낮으며 중금속을 함유하지 않아 친환경적이다. 모델 연구에 따르면, 중국의 바이오 석탄 생산 잠재력은 4.02억 톤 표준 석탄에 달할 수 있다. 해당 성과는 「Bio-coal: An renewable and massively producible fuel from lignocellulosic biomass」라는 제목으로 "Science Covans"에 게재되었다. 바이오 오일 외에, 열분해 과정에서 생성되는 고온 가스도 충분히 이용되지 않았다. 분석 결과에 의하면 열분해 가스에는 소분자 탄소 유기물질이 포함되어 있으며 또한 온도가 높기에 탄소나노재료를 제조하기 위한 잠재적인 전구체이다. 연구진은 열분해 조건을 최적화함으로써 열분해 가스의 냉각, 정화가 필요 없이 모델 바이오매스 원료(리그닌과 섬유소) 열분해 가스를 이용할 수 있을 뿐만 아니라 직접 폐기물 바이오매스(톱밥 및 밀짚) 열분해 가스를 이용하여 화학 증기 증착 방법을 통해 3D 그래핀(3DGF)을 제조할 수 있다. 또한, 열분해 증착 조건을 변경시킴으로써 탄소나노와이어를 얻을 수 있다. 이러한 고부가가치 탄소 재료는 오염물질 제거와 에너지 저장에서 우수한 성능을 나타낸다. 전통 그래핀 기상증착과 비교할 경우, 수명주기 평가(LCA) 결과, 바이오매스 열분해 가스를 이용하여 합성한 그래핀은 환경에 미치는 영향과 에너지 소비가 더 적었다. 해당 성과는 「Sustainable production of value-added carbon nanomaterials from biomass pyrolysis」라는 제목으로 "Nature Sustainability"에 온라인으로 게재되었다. 해당 성과는 폐기물 바이오매스 열분해 제품의 가치를 향상시킴으로써 열분해 기술의 상용화를 촉진하는 중요한 의미가 있다. 그림1. 바이오 석탄 제조 경로 및 제품 특성. a: 바이오매스 열분해를 이용한 바이오 석탄 제조의 기술 경로. b와 c: 바이오 석탄의 SEM 사진. d: 바이오 석탄의 열중량 분석. e: 서로 다른 바이오 석탄과 일부 상업용 석탄의 발열량 비교 그림2. 폐기물 바이오매스 열분해의 고부가가치 탄소나노물질 제조를 위한 개략도. 그림 3. (a) 폐기물 바이오매스의 열분해에 의해 제조 된 3D 그래핀의 라만 스펙트럼. (b) 3D 그래핀의 XPS 스펙트럼. c(섬유소)와 d (리그닌), 모델 바이오매스의 열분해 기상 생성물의 3D TGA-FTIR 스펙트럼 정보출처 : https://mp.weixin.qq.com/s/GlfEPi9RGnVtMl4rUksgOA |
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