짧은 광 펄스로 바이오매스에서 수소와 숯 생성

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-01-28 13:31:03
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- 단 몇 밀리초 동안 지속되는 5번의 빛으로 그들은 반응실을 500도 이상으로 가열
- 바나나 껍질을 섭씨 105도에서 24시간 동안 건조, 미세한 분말로 가공
- 건조된 바이오매스 1kg에서 약 100리터의 수소와 330g의 바이오 숯을 생산
- 현재 약 28%의 전기 효율

짧은 빛 펄스로 바나나 껍질에서 수소와 바이오 숯 생산 
짧은 빛의 펄스는 바이오매스를 활용 가능한 가스와 바이오 숯으로 분해


빠르고 에너지 절약:
짧은 광 펄스의 도움으로 과학자들은 바이오매스를 에너지적으로 사용 가능한 구성 요소로 분할했다. 단 몇 밀리초 동안 지속되는 5번의 빛으로 그들은 반응실을 500도 이상으로 가열할 수 있었고 따라서 무엇보다도 말린 바나나 껍질에서 수소와 바이오 숯을 생산할 수 있었다. 이 프로세스는 아마도 산업용 애플리케이션에도 적합할 것이다. 

▲ 변형하기 전에 바나나 껍질을 말려서 고운 가루로 갈아야 한다. © ChiccoDodiFC / 게티 이미지

 


에너지 전환 과정에서 인류는 현재 지속 가능하고 신뢰할 수 있는 에너지원을 찾고 있다.
이에 대한 뜨거운 후보는 바이오매스를 활용하여 얻은 수소다. 식물 재료의 CO2 저장 효과로 인해 중성 온실 가스 균형에서도 수소를 생산할 수 있다. 현재 바이오매스를 사용 가능한 에너지로 전환하는 다양한 접근 방식이 있다. 바이오매스는 주로 가스화 또는 열분해를 통해 이용된다. 가스화와 달리 산화제의 첨가가 필요 없는 열분해 공정에는 소요 시간에 따라 구별되는 3가지 유형이 있다.


빠른 열분해로 알려진 것에서 바이오매스는 약 섭씨 600도에서 수소, 메탄, 일산화탄소 및 기타 탄화수소의 혼합물인 바이오 숯과 합성 가스로 전환된다. 빠른 열분해를 사용하면 변환 프로세스에 몇 초 밖에 걸리지 않으며 일반적으로 고온뿐만 아니라 고압을 생성할 수 있는 특수 반응기 챔버가 필요하다.

▲ 건조되고 분할된 바이오매스가 크세논 램프의 충격을 받으면 합성 가스와 바이오 숯이 생성된다. © EPFL


반응 스타터로서의 크세논 램프

로잔에 있는 Swiss Federal Institute of Technology EPFL의 Wanderson Oliveira Silva가 이끄는 팀은 최근 높은 반응 압력 없이 빠른 열분해를 수행할 수 있는 방법을 개발했다.
연구팀은 일반적으로 인쇄 전자 제품의 경화 공정에 사용되는 크세논 램프를 사용한다.

과학자들은 바나나 껍질을 섭씨 105도에서 24시간 동안 건조시킨 후 미세한 분말로 가공한 시험 물질로 바나나 껍질을 사용했다. 그런 다음 이를 작은 강철 반응 챔버에 2mg 및 10mg으로 나누어 넣었다. 마지막으로 챔버의 공기는 아르곤으로 바뀌었고 연구원들은 건조된 바나나 껍질 분말에 크세논 램프의 5개의 광 펄스를 쏘았다. 각 펄스는 거의 15ms(밀리초) 동안 지속됐다.

▲ 천연 바이오매스 폐기물의 열분해를 위해 설계된 플래시 광 조사 시스템의 개략도와 총 14.5ms 동안 13마이크로초 플래시로 구성된 575V 플래시 샷의 플래시 전력 프로파일. (출처:관련논문 Banana split: biomass splitting with flash light irradiation)

12초~500℃

커패시터는 펄스 사이에 3초 동안 충전되기 때문에 전체 열분해 프로세스는 궁극적으로 12초가 걸린다. 이 시간 동안 크세논 램프는 반응 챔버를 적절하게 가열한다. "12초 후에 강철은 섭씨 500도의 시뮬레이션 온도에 도달하지만 실험 온도는 아마도 더 높을 것이다. 이것은 주로 수소와 일산화탄소 가스를 생성한다”고 연구원들은 말했다.

이 과정의 결과는 합성 가스와 숯이 된 식물 재료의 잔류 유기 성분이다.
"우리는 건조된 바이오매스 1kg에서 약 100리터의 수소와 330g의 바이오 숯을 생산할 수 있다"고 EPFL의 공동 저자인 Bhawna Nagar가 설명했다. 과학자들에 따르면 두 최종 제품 모두 쉽게 재활용할 수 있다. 예를 들어 합성 가스, 특히 수소는 친환경 동력으로 사용될 수 있으며 바이오 숯은 비료나 전극 생산에 사용될 수 있다.
▲ (a) 바나나 껍질 분말 및 각각의 (b), (c) 및 (d) 575V 펄스 및 5회 플래시 샷에서 플래시 광 열분해에서 생성된 바이오 숯의 주사 전자 현미경 이미지. (출처: 관련논문 Banana split: biomass splitting with flash light irradiation)

“표면적에 의해서만 제한됨”

연구원들의 계산에 따르면, 변환에 의해 소비되는 빛 에너지를 뺀 후에 궁극적으로 건조된 바이오매스 킬로그램당 4메가줄의 사용 가능한 에너지가 증가한다. “그러나 이 과정은 섬광을 생성하는 시스템에 의해 제한된다. 이것은 현재 약 28%의 전기 효율을 가지고 있다”고 과학자들은 말했다. 이것은 또한 그에 따라 전체 프로세스의 비용-편익 비율을 감소시킨다.

그럼에도 불구하고 과학자들은 그들의 방법의 장점을 강조한다.
"우리의 접근 방식은 광열 변환을 수행하기 위해 촉매가 필요하지 않지만 정상 압력의 강철 반응기에서 수행할 수 있다. 불활성 대기에서 바이오매스의 전환은 표면의 크기에 의해서만 제한된다. 현재 우리는 제곱센티미터 범위에 있지만 산업 응용을 위해 확장될 수 있다.”
(Chemical Science, 2022; doi: 10.1039/d1sc06322g)
출처: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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