커피 찌꺼기, 90초 만에 '고급 연료'로 탈바꿈 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 젖은 커피 찌꺼기를 건조 없이 90초 만에 ‘무연탄급 고급 연료’로 만드는 기술을 국내 연구팀이 개발했다.

전 세계적 커피 소비 증가로 연간 1000만톤 이상의 커피 찌꺼기가 발생하고 있다. 대부분 매립되거나 소각되며 온실가스 배출과 환경오염 문제를 불러온다. 수분 함량이 높은 유기성 폐기물은 건조 공정이 필요해 에너지 비용이 많이 들고 경제성이 낮았다. 효율적으로 자원화할 기술 개발이 요구됐다.

한국지질자원연구원(KIGAM, 원장 권이균) 자원활용연구본부 박태준 박사 연구팀은 갓테크와 공동으로 수분 약 55%를 함유한 젖은 커피 찌꺼기를 별도의 건조나 탈지(기름 제거) 과정 없이 단 90초 만에 고품위 바이오차(biochar, 농업용 기능성 숯)로 전환하는 ‘화염 플라즈마 열분해(Flame Plasma Pyrolysis, FPP)’ 기술을 개발했다.

이 기술은 LPG(액화석유가스)와 압축공기를 연소시켜 약 800~900℃의 대기압 화염 플라즈마를 생성하고 이를 이용해 고수분 바이오매스를 직접 처리하는 방식이다.

기존 열분해 공정에서는 수분 제거를 위한 사전 건조가 필수적이었다. 이 기술은 이러한 전처리 과정을 완전히 생략할 수 있다는 점에서 차별성을 지닌다.

플라즈마의 초고온 에너지로 인해 내부 수분이 순간적으로 기화하면서 입자 내부 압력이 급격히 상승하고 그 결과 ‘팝콘 효과(popcorn effect)’라 불리는 미세 폭발 현상이 발생한다. 이 과정에서 수분은 단순히 제거 대상에 그치지 않고 탄화 반응을 촉진하는 수증기 활성화제로 작용, 다공성 구조 형성과 반응 속도 향상에 영향을 준다.

연구팀이 최적 조건인 90초 처리 조건에서 수행한 실험 결과 원료(커피 찌꺼기 21.8MJ/kg) 대비 약 33% 향상된 29.0 MJ/kg 수준의 발열량을 확보해 일반 무연탄과 유사한 고품위 고체연료 특성을 나타냈다.

고정탄소 함량은 약 3배(15.6% → 46.2%) 증가하고, 황 성분은 완전히 제거돼 연소했을 때 황산화물(SOx)이 발생하지 않는 친환경적 특성을 보였다.

비표면적 역시 115.4m²/g까지 증가해 활성탄 전구체나 흡착 소재로의 추가 활용 가능성도 확인됐다. 기존 열분해 공정에서 문제가 됐던 연기나 타르 등 2차 오염물질의 발생도 거의 나타나지 않았다.

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

연구 성과(논문명: Rapid conversion of wet spent coffee grounds into high-calorific biochar via drying-free flame plasma pyrolysis for process intensification)는 화학공학 분야 국제학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ 에 실렸다.