[탄소중립! 세상이 숨쉬다 ⑯]강석태 KAIST 교수팀
탄소구조체와 자가발생 압력 활용해 기술 개발
메탄 분율 80%이상 황화수소 농도 87ppm 달성

강석태 KAIST 건설 및 환경공학과 교수 연구팀이 탄소기반 전도성 구조체를 이용해 바이오가스 생산기술과 발생압력으로 기체간 용해도 차를 활용해 메탄 분율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.[사진= 차세대 탄소자원화 연구단]
강석태 KAIST 건설 및 환경공학과 교수 연구팀이 탄소기반 전도성 구조체를 이용해 바이오가스 생산기술과 발생압력으로 기체간 용해도 차를 활용해 메탄 분율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.[사진= 차세대 탄소자원화 연구단]
지난해 대기중에 배출된 이산화탄소 양이 31.5Gt(기가톤)에 이른다. 대기중 이산화탄소 농도는 매년 증가해 2021년 현재 410ppm(parts per million)으로 측정된다. 때문에 동·식물 기반의 유기성 폐기물을 메탄과 같은 바이오가스로 전환하는 기술이 주목된다. 무엇보다 풍력, 태양광 같은 불균일성 신재생에너지의 단점을 보완하는 기저에너지로 부상하고 있다. 

하지만 유기성 폐기물의 바이오가스화는 산소가 없는 조건에서는 30일 이상의 긴 시간동안 느리게 진행된다. 또 생산된 바이오가스는 메탄이외에도 이산화탄소, 암모니아, 황화수소 등이 포함돼 있다. 즉 에너지로 활용하기 위해서는 고비용의 분리과정이 필요하다는 단점이 있다. 

그런 가운데 국내연구팀이 고속 바이오가스 생산 기술과 기체간 용해도 차를 이용해 메탄 분리율을 높일 수 있는 기술을 개발, 활용에도 속도를 낼 것으로 기대된다.

강석태 KAIST 건설 및 환경공학과 교수 연구팀이 탄소기반 전도성 구조체를 이용해 미생물간 전자전달과정을 촉진하는 고속 바이오가스 생산기술과 반응조 내 발생압력으로 기체간 용해도 차를 활용해 메탄 분율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.

가축분뇨나 음식물 쓰레기 같은 유기성 폐기물은 가수분해-산발효과정을 거쳐 유기산으로 전환되는데 메탄전환 미생물이 유기산을 메탄과 이산화탄소로 분해한다. 이 과정에서 에너지 전달은 용액 내 물질 전달을 통해 이뤄져 속도가 느리고 용액에 축적되는 유기산은 바이오가스 전환 시설의 문제점으로 알려져 왔다.

연구팀은 탄소나노튜브로 성형된 전도성 구조체를 바이오가스 전환 반응조에 투입해 미생물이 전도성 구조체 표면에 부착, 증식토록 했다. 이를 통해 분해과정에 발생한 전자 형태의 에너지가 전도성 구조체를 다른 미생물에 효과적으로 전달하도록 했다. 그 결과 바이오가스 발생속도가 32%증가해 반응조 1L당 하루 1.27L의 메탄을 생산했다.

또 바이오가스 배출 조절을 통해 반응조 압력을 3~5기압으로 상승시켰다. 이를 기반으로 메탄에 비해 헨리 상수가 큰 이산화탄소와 황화수소를 용해시켜 바이오가스내 분율을 높이는 운영법을 개발했다. 그 결과 5기압 자가 압력 조건에서 메탄분율 80% 이상, 황화수소 농도 87ppm을 달성했다. 연구팀은 분리 공정의 경제성을 향상시키는 기술도 개발, 미니파일롯 시설을 통해 검증 하고 있다.

강석태 교수팀은 유럽을 중심으로 진행중인 유기성 폐기물의 바이오가스 전환기술과 차별되는 고속, 고순도 바이오가스 생산 기술을 실증하는 연구를 지속하고 있다. 개발한 탄소구조체를 전기화학적 이산화탄소 전환 등에 응용하는 후속연구도 진행 중이다. 바이오에너지 시장은 신재생에너지 백서에 의하면 20년 300억 달러 25년 420억 달러 규모로 늘어나는 추세다. 미국, 독일, 중국, 영국 등 많은 나라에서 바이오에너지 발전량이 증가하고 있다.

연구팀 관계자는 "국내에서 연간 500만톤씩 배출되는 대표적인 유기성 폐기물인 음식물 쓰레기를 이번에 개발된 기술을 적용해 처리한다고 가정하면 기존 처리방법에 비해 약160만톤의 이산화탄소를 감축할 수 있을 것으로 기대된다"면서 "이번 성과로 생산된 바이오가스는 간편한 정제를 통해 LNG 라인에 공급되거나 화학반응을 통해 항공유, 디젤유 등 액체연료로 전환할 수 있을 것"이라고 말했다.
 
이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 '차세대 탄소자원화 연구단(단장 전기원 박사)의 지원을 받아 수행됐다. 다양한 연구결과는 현재까지 SCI급 논문 13편, 특허 6건을 출원·등록한 바 있다.

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