▲ 연구성과 도표(그림=한국연구재단)  © 특허뉴스

목재 폐기물에서 나온 오일이 탄소중립 연료로 재탄생한다. 한국연구재단(이사장 이광복)은 부산대 제정호 교수 연구팀이 목재 폐기물의 주된 구성 성분인 리그닌에 열분해 및 수첨탈산소(수소를 첨가해 촉매 상에서 바이오매스 유래 분자들에 포함된 산소를 물의 형태로 제거하는 반응) 업그레이딩 연속 공정을 적용해 항공연료 및 선박유로 직접 사용이 가능하고 있는 그대로 즉시 사용할 수 있는 드롭인 연료를 생산하는 데 성공했다고 밝혔다. 

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 반응기(1회씩 반응을 시키는 반응기로 원료 및 촉매를 한 번에 투입하여 반응시킨 후 반응이 완료되면 배출하는 형식으로 조작되는 반응기) 에서 단위 공정별로 1회씩 진행되어 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. 

또한 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 게재되었다.