국내 연구진이 목재 폐기물에서 나온 오일을 탄소중립 연료로 활용할 방법을 찾았다.
한국연구재단은 제정호 부산대 교수 연구진이 목재 폐기물의 주된 구성 성분인 ‘리그닌’에 열분해와 수소를 첨가하고 산소를 물의 형태로 제거하는 연속 공정을 적용해 항공연료나 선박유로 직접 사용이 가능한 연료를 생산하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.
리그닌은 목재나 초본 같은 식물체의 20~40%를 차지하는 성분으로 화학 분자 속에 벤젠 고리를 가진 ‘방향족’ 단량체의 결합으로 구성된 복잡한 천연 고분자다. 주로 펄프를 생산하는 제지 공정이나 바이오에탄올 생산공정에서 부산물 또는 폐기물 형태로 대량 배출된다. 리그닌은 화학적 구조를 적절히 분해하거나 변환하면 현재 석유계 연료로 사용하고 있는 톨루엔, 자일렌과 같은 방향족이나 나프텐족 탄화수소로 전환이 가능해 탄소중립 연료로 각광받고 있다.
그러나 현재까지의 연구는 실제 리그닌 오일이 아닌 모델 분자를 사용하거나 ‘회분식 반응기’에서 단위 공정별로 1회씩 진행돼 복잡한 성분을 가진 리그닌의 특성을 반영하기 어려웠다.
이에 연구진은 서울시립대와 한국과학기술연구원(KIST)과의 협업을 통해 기존의 반연속식 연구 방식에서 벗어나 고압 트리클 베드 반응기에서 연속적으로 수소를 첨가해 물의 형태로 산소를 제거하는 ‘수첨탈산소’ 반응을 진행해 리그닌을 탄화수소 연료로 전환하는 공정을 개발했다. 고압 연속식 트리클 베드 반응기는 기체와 액체 두 가지 상의 반응물이 고체 촉매가 충진된 반응기에 주입되어 삼상에서 반응이 일어나는 반응기를 말한다.
이를 위해 원료 전처리, 촉매 조성, 공간 속도, 온도와 같은 리그닌의 다양한 공정 조건을 스크리닝해 최적의 물성을 위한 조건을 선별했다. 이 조건에 리그닌 열분해와 수첨탈산소 업그레이딩 연속 공정을 적용해 실제 석유계 연료와 유사한 물성의 항공유급 방향족 탄화수소를 직접적으로 생산할 수 있었다. 모의 증류 결과 항공유는 60%, 디젤유는 40%까지 사용할 수 있으며, 발열량 또한 기존 석유계 연료에 근접한 것으로 나타났다.
제정호 교수는 이번 연구 결과에 대해 “현재 기술의 상용화를 위해 장시간 연속 운전이 가능하도록 공정 안정성을 향상시키는 연구를 진행 중”이라며 “버려지는 폐자원인 리그닌으로부터 항공유, 선박유를 생산해 보다 지속 가능한 탄소중립 연료 보급이 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 “케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)”에 1일 게재됐다.
참고 자료
Chemical Engineering Journal(2024), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.148328
