석유 대체할 탄소중립 연료, 폐목재로 만든다

목재, 식물자원의 버려지는 성분인 리그닌을 활용해 항공유, 선박 등의 내연기관에 직접 사용이 가능한 드롭인 연료 혹은 석유화학원료를 생산하는 기술이 탈탄산을 위한 핵심 기술로 각광받고 있다.

리그닌은 산소-탄소 결합을 통해 형성된 천연 방향족 고분자로 리그닌의 화학적 구조를 적절히 분해 및 변환하면 현재 석유계 연료로 사용 중인 방향족(톨루엔, 자일렌 등) 및 나프텐족 탄화수소(메틸시클로헥산 등)로 전환이 가능하다.

리그닌을 열분해해 액체화 한 후, 수첨탈산소 반응을 통해 리그닌 오일에 포함된 산소기 제거를 통해 고탄소 탄화수소 연료(탄소-수소로 결합된 화합물)로 전환하는 공정이 가장 효율적인 방법으로 제시되고 있다.

그러나 대부분의 연구가 실제 리그닌 오일이 아닌 모델 단량체를 사용하거나 연속화가 어려운 회분식 반응기에서 단위 공정별로 진행돼 스케일 업을 위한 실제 통합 공정 구현 및 파라미터 최적화 연구가 필요하다.

현재까지 복잡한 성분의 실제 리그닌 오일(단량체, 이량체, 올리고머 혼합물)을 연속 흐름 조건에서의 반응 동특성 및 기초 공정 조건에 대해 분석한 연구는 보고된 바는 없다.

목재 폐기물에서 나온 오일이 탄소중립 연료로 재탄생한다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 제정호 교수(부산대학교) 연구팀이 목재 폐기물의 주된 구성 성분인 리그닌에 열분해 및 수첨탈산소 업그레이딩 연속 공정을 적용해 항공연료 및 선박유로 직접 사용이 가능한 드롭인 연료를 생산하는 데 성공했다고 밝혔다.

목재, 초본 등 식물체의 20-40%를 차지하는 성분으로 방향족 단량체의 결합으로 구성된 복잡한 천연 고분자인 리그닌은 펄프를 생산하는 제지 공정 및 바이오에탄올 생산공정에서 부산물 및 폐기물로서 대량 배출된다.

리그닌은 산소-탄소 결합을 통해 형성된 천연 방향족 고분자로 화학적 구조를 적절히 분해 및 변환하면 현재 석유계 연료로 사용 중인 방향족(톨루엔, 자일렌 등) 및 나프텐족 탄화수소(메틸시클로헥산 등)로 전환이 가능해 탄소중립 원료로 많은 각광을 받고 있다.

그러나 현재까지 연구는 실제 리그닌 오일이 아닌 모델 분자를 사용하거나 회분식 반응기에서 단위 공정별로 1회씩 진행돼 복잡한 성분을 가진 리그닌의 특성을 반영하기 어려웠다.

이에 연구팀은 다양한 연구진과의 협업을 통해(서울시립대-리그닌 열분해 공정 최적화, KIST-고압 연속식 트리클 베드(Trickle bed) 반응기 설계), 회분식 반응기를 사용했던 기존의 반연속식 연구 방식에서 벗어나 고압 트리클 베드 반응기에서 연속적으로 수첨탈산소 반응을 진행해 리그닌을 탄화수소 연료로 전환하는 공정을 개발했다.

이를 위해 원료 전처리, 촉매 조성, 공간 속도, 온도 등 리그닌의 다양한 공정 조건을 스크리닝해 최적의 물성을 위한 조건을 선별했으며, 이 조건에 리그닌 열분해 및 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 사용 가능하며, 발열량 또한 >10,000 kcal/kg 정도로 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 중이다”라며, “버려지는 폐자원인 리그닌으로부터 항공유, 선박유를 생산함으로써 보다 지속가능한 탄소중립 연료 보급이 가능할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구 지원 사업으로 수행된 이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제학술지 '케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 2월 1일 게재됐다.