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• 지질자원연구원, 세계 최초로 '폐기물을 에너지 자원으로 전환 기술' 개발

  송고일 : 2026-05-21
  
  

  화염 플라즈마 공정 처리 과정/한국지질자원연구원 제공

  [투데이에너지 신영균 기자] 한국지질자원연구원이 세계 최초로 음식 폐기물을 고부가가치 에너지 자원으로 전환하는 기술을 개발해 주목받고 있다. 이 기술은 경제성과 친환경성이 우수해 향후 산업 현장 등에서 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

  이를 구체적으로 살펴보면 현재 전 세계적으로 연간 1,000만톤 이상 커피 찌꺼기가 발생하고 있다. 이는 대부분 매립되거나 소각되며 온실가스 배출과 환경오염 문제를 유발하고 있다. 특히 수분 함량이 높은 유기성 폐기물은 건조 공정이 필요해 에너지 비용이 크게 발생하는 등 경제성이 낮아 이를 처리하는 문제가 사회적 관심사로 대두되고 있다.

  이러한 상황에서 한국지질자원연구원(KIGAM)은 이를 효율적으로 자원화할 수 있는 기술을 개발했다. KIGAM 자원활용연구본부 박태준 박사 연구팀은 ㈜갓테크와 공동으로 수분 약 55%를 함유한 젖은 커피 찌꺼기를 별도 건조나 기름 제거인 탈지 과정 없이 단 90초 만에 고품위 바이오차(biochar)로 전환하는 ‘화염 플라즈마 열분해(Flame Plasma Pyrolysis, FPP)’ 기술을 세계 최초로 개발했다.

  이 기술은 LPG와 압축공기를 연소시켜 약 800~900℃ 대기압 화염 플라즈마를 생성하고 이를 이용해 고수분 바이오매스를 직접 처리하는 방식이다. 기존 열분해 공정에서는 수분 제거를 위한 사전 건조가 필수적이나 이 기술은 이러한 전처리 과정을 완전히 생략할 수 있다는 점에서 차별성을 지닌다.

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

  연구팀이 최적 조건인 90초 처리 조건에서 수행한 실험 결과 커피 찌꺼기 21.8MJ/kg 원료 대비 약 33% 향상된 29.0 MJ/kg 수준의 발열량을 확보해 일반 무연탄과 유사한 고품위 고체연료 특성을 나타냈다. 또한 고정탄소 함량은 15.6%에서 46.2%로 약 3배 증가하고 황 성분은 완전히 제거돼 연소 시 황산화물(SOx)이 발생하지 않는 친환경적 특성을 보였다. 비표면적 역시 115.4 m²/g까지 증가해 활성탄 전구체나 흡착 소재로 추가 활용 가능성도 확인됐다. 기존 열분해 공정에서 문제가 됐던 연기나 타르 등 2차 오염물질 발생도 거의 나타나지 않았다.

  이 기술은 공정 효율 측면에서도 큰 장점을 보이고 있다. 기존 1시간에서 6시간이 소요되는 수열탄화 공정 대비 최소 40배에서 최대 240배, 30분 이상 소요되는 토레팩션 공정 대비 약 20배 이상 처리 시간을 단축할 수 있다. 또한 전기 기반 플라즈마 장치 대비 에너지 소비를 줄일 수 있어 경제성과 친환경성을 동시에 확보했다. 무엇보다 고수분 원료를 그대로 활용할 수 있어 건조에 필요한 에너지 비용과 공정 복잡성을 획기적으로 낮춘 것이 핵심 성과로 평가된다.

  박태준 한국지질자원연구원 자원활용연구본부 박사/한국지질자원연구원 제공

  박태준 박사는 “이번에 개발한 기술은 폐기물을 단순 처리 대상이 아닌 고부가가치 에너지 자원으로 전환하는 새로운 기술적 패러다임을 제시한 것”이라며 “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 세계적 권위 학술지인 'Chemical Engineering Journal(Elsevier, IF 13.2, 화학공학 분야 3위/83개 저널'에 게재됐다. 이 기술은 공정 단순성과 초고속 처리 특성을 바탕으로 향후 분산형·현장형(on-site) 폐자원 에너지화 설비로 적용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 특히 커피 찌꺼기뿐만 아니라 음식물 쓰레기, 슬러지 등 다양한 고수분 유기성 폐기물로 적용 범위를 확대할 수 있어 산업적 파급 효과도 클 것으로 전망된다.

  한편 한국지질자원연구원은 폐자원 자원화 및 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술 개발을 지속적으로 추진 중이다. 향후 관련 기술의 현장 실증과 산업 적용 확대를 통해 친환경 자원순환 체계 구축에 기여한다는 계획이다.

  ■ 용어 설명

  수열탄화 공정(Hydrothermal Carbonization, HTC) = 고온·고압의 물속에서 젖은 폐기물을 고압솥처럼 찌듯이 가열해 바이오차인 숯 형태로 만드는 기술

  토레팩션 공정(Torrefaction, 반탄화) = 산소가 없는 상태에서 건조된 폐기물을 200~300도 열로 가볍게 구워내 고체 연료의 가치를 높이는 기술

  출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)