못 먹는 식물성 기름으로 차세대 바이오디젤 만든다

2018.12.30 13:01
이미지 확대하기코발트-몰리브덴 촉매의 탈산소 반응을 통한 차세대 바이오디젤 생산 개념도. -사진 제공 한국연구재단
코발트-몰리브덴 촉매의 탈산소 반응을 통한 차세대 바이오디젤 생산 개념도. -사진 제공 한국연구재단

자동차에 널리 쓰이는 경유를 식물을 이용해 보다 친환경적으로 생산하는 경제적인 방법이 국내에서 개발됐다. 


심재오 연세대 환경공학과 연구원과 노현석 교수, 고창현 전남대 교수팀은 식용할 수 없는 저급 유지를 이용해 기존 경유와 분자 구조가 같고 발열효율도 99% 이상 동일한 차세대 바이오디젤을 생산할 수 있는 새 촉매 기술을 개발해 국제학술지 ‘응용촉매B: 환경’ 30일자에 발표했다. 


식물을 전환해서 경유로 만든 바이오디젤은 점점 매장량이 줄어들고 있는 석유를 대체하기 위해 연구되고 있는 연료다. 바이오디젤 1000L를 이용하면 일반 디젤을 이용할 때에 비해 이산화탄소 배출량을 2.6t 줄일 수 있어 기후변화를 줄이는 데에도 도움이 된다. 이 때문에 국내에서는 ‘신재생에너지 공급의무화제도 및 연료 혼합의무화제도’에 따라 2018년부터 시판되는 경유에 바이오디젤을 3%씩 혼합하도록 하고 있다.


하지만 1세대로 분류되는 기존의 바이오디젤은 연료의 분자 구조에 산소가 많이 붙어 있는 등 기존 디젤과 완전히 동일하지 않고, 발열량도 낮아 효율이 떨어진다는 단점이 있었다. 이 때문에 바이오디젤 단독으로 사용할 수 없고, 오직 혼합해서만 사용할 수 있었다. 더구나 1세대 바이오디젤은 주로 식용 기름의 성분이기도 한 중성지방(지방산 세 개가 글리세롤과 결합한 형태)에 메탄올을 반응시켜 만들었는데, 이 때문에 식량을 연료로 사용한다는 비판도 있었다. 전환 과정에서 글리세롤이 부산물로 나오는 단점도 있었다.


노 교수팀은 새로운 촉매를 개발해 이 문제를 해결했다. 촉매는 자신은 화학 반응에 참여하지 않으면서 다른 물질의 화학 반응을 촉진하는 소재다. 연구팀은 먼저 직접 식용으로 쓸 수 없는 저급유지로 글리세롤이 결합하지 않은 지방산인 올레산(oleic acid)을 원료로 선택하고, 이를 바이오디젤로 전환시킬 촉매 재료를 찾았다. 코발트-몰리브덴이 이 과정에서 선정됐다. 이후 연구팀은 코발트와 몰리브덴의 비율을 바꿔가며 실험해 촉매의 반응을 가장 높일 수 있는 혼합비를 찾았다. 

 

이미지 확대하기졸-겔법(맨왼쪽)으로 제조한 코발트-몰리브덴 촉매가 올레익산을 가장 잘 전환했다. 산소 제거율도 높았다. 비표면적이 높고 코발트-몰리브데이트 입자가 가장 작은 게 원인으로 꼽힌다. 생성물도 발열량은 가장 높고 점도는 가장 낮아 기존 경유와 비슷했다. -사진 제공 한국연구재단
졸-겔법(맨왼쪽)으로 제조한 코발트-몰리브덴 촉매가 올레익산을 가장 잘 전환했다. 산소 제거율도 높았다. 비표면적이 높고 코발트-몰리브데이트 입자가 가장 작은 게 원인으로 꼽힌다. 생성물도 발열량은 가장 높고 점도는 가장 낮아 기존 경유와 비슷했다. -사진 제공 한국연구재단

연구팀은 마지막으로 이렇게 찾은 코발트-몰리브덴 촉매의 가공 방법들을 비교해, 촉매 표면에 산소가 비어 있는 구조를 만들 수 있는 방법(졸-겔법)이 가장 바이오디젤 전환 효율이 높다는 사실을 확인했다. 이 구조는 1세대 바이오디젤의 품질을 떨어뜨리던 분자구소 속 불필요한 산소 원자를 제거하는 효율이 69.6%로 가장 뛰어났다. 입자 크기도 작아 반응 면적을 늘리는 데에도 유리했고, 원료인 올레산을 바이오디젤로 전환시키는 비율도 88.9%로 가장 높았다. 


연구팀은 이 방법으로 완성한 차세대 바이오디젤의 성능을 시험해, 발열량이 기존 경유의 99.4%에 이르고 점도도 낮아, 품질 면에서도 일반 경유와 가장 비슷하다는 사실을 확인했다.


연구 공동 책임자인 노 교수는 “대형 화물차나 군용차량, 항공기 등 강한 출력이 필요해 전기모터 대신 디젤엔진을 써야만 하는 상황이 많다”며 “이런 상황에 적용할 수 있는 현실적 대안이 될 수 있을 것”이라고 말했다.


연구팀은 촉매 및 공정의 효율을 높이고, 대용량 촉매 제조 기술을 도입한 대규모 실증연구를 진행해, 기존 경유를 완전히 대체할 수 있도록 상용화에 도전할 계획이다.

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