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- 열분해를 통한 바이오차 전환… 적정 온도·비율이 핵심
- 매립 폐기물 줄이고 천연 모래 자원 보호하는 순환경제
- 전문가들: 커피 바이오차 콘크리트가 동결, 습기, 기계적 마모 등 실제 기후 및 물리적 환경에서 얼마나 지속 가능한지 장기적인 추적이 필요하다고 지적

호주 연구진, '커피 찌꺼기 바이오차'로 콘크리트 압축강도 29.3% 향상… 모래 대체 가능성 열어 

▲ 콘크리트는 많은 양의 모래를 사용한다. 탄화된 커피 찌꺼기는 적절한 혼합물에서 미세 모래의 최대 15%까지 부피 기준으로 대체할 수 있으며, 실험실 테스트 결과 콘크리트의 내압성도 향상시키는 것으로 나타났다. pixabay

 

매일 전 세계에서 소비되는 수백만 잔의 커피에서 발생하는 습한 커피 찌꺼기는 대부분 매립지로 향한다. 유기성 폐기물인 커피 찌꺼기는 매립지에서 부패하며 온실가스를 배출하는 주요 원인이 된다. 동시에 건설 업계는 콘크리트 제조에 필요한 막대한 양의 모래 부족 현상으로 몸살을 앓고 있다.

이 두 가지 환경·산업적 과제를 동시에 해결할 수 있는 혁신적인 방안이 제시됐다. 미처리 상태의 커피 찌꺼기는 유기 물질이 침출되어 시멘트의 굳어짐을 방해하지만, 산소 없이 열처리 과정을 거치면 강력한 친환경 건설 자재로 탈바꿈한다.

▲ 연구 개요도 (출처:Transforming spent coffee grounds into a valuable resource for the enhancement of concrete strength / Journal of Cleaner Production / Date: 20 September 2023)

열분해를 통한 바이오차 전환… 적정 온도·비율이 핵심

호주 멜버른 RMIT 대학교(RMIT University)의 라지브 로이찬드(Rajeev Roychand) 박사 연구진은 사용한 커피 찌꺼기를 세라믹 및 콘크리트 혼합물의 미세 모래 대체재로 활용하는 연구를 진행했다.

▲ 볶지 않은 커피콩, 볶은 커피콩, 사용한 커피 찌꺼기, 그리고 이들을 이용해 만든 바이오차 샘플. 커피 찌꺼기는 탄화 과정을 거쳐야만 콘크리트 첨가제로 활용될 수 있다. © Carelle Mulawa-Richards / RMIT University

 

연구진은 지역 카페에서 수거한 커피 찌꺼기를 60°C에서 48시간 동안 건조한 후, 산소를 차단한 상태에서 각각 350°C와 500°C로 열처리하여 '바이오차(Biochar, 탄소 함량이 높은 유기 물질)'를 제조했다. 이후 이 바이오차를 콘크리트 혼합에 쓰이는 미세 모래 부피의 5%, 10%, 15%, 20% 비율로 각각 대체해 실험을 진행했다.

실험 결과, 350°C에서 제조한 커피 바이오차로 미세 모래의 15%를 대체했을 때 콘크리트의 압축강도가 일반 콘크리트 대비 29.3% 증가하는 최적의 성과를 거두었다. 반면 500°C에서 처리한 바이오차는 그에 미치지 못했으며, 미처리 커피 찌꺼기를 그대로 넣었을 경우에는 오히려 콘크리트의 강도가 저하되었다. 미세 구조 및 화학 분석에 따르면 적절한 열처리가 커피 찌꺼기 구조를 변화시켜 시멘트 매트릭스 결합력을 높인 것으로 나타났다.

매립 폐기물 줄이고 천연 모래 자원 보호하는 순환경제

이번 연구는 귀중한 천연자원인 모래 소비를 줄이는 동시에 폐기물을 자원화하는 순환경제(Circular Economy) 모델의 가능성을 보여준다.
RMIT 대학교의 지 리(Jie Li) 교수는 "순환경제 접근 방식을 통해 유기성 폐기물의 매립지 유입을 막는 동시에 모래와 같은 천연자원을 효과적으로 보호할 수 있다"고 설명했다. 연구진은 15% 대체 비율이 '전체 콘크리트 양'이 아닌 '미세 모래 부피' 기준임을 강조하며, 에너지 소비가 큰 시멘트 자체를 대체한 것은 아니라고 덧붙였다.

보도블록 현장 적용 시도… 실전 보급을 위한 넘어야 할 산

연구실 내 성과를 바탕으로 2024년부터는 실제 실외 현장 검증이 시작되었다. 호주 빅토리아주 기스본(Gisborne)과 파켄험(Pakenham) 지역 보도블록 시공에 커피 바이오차가 도입됐다. 파켄험 시공 사례에서는 5톤의 커피 찌꺼기를 2톤의 바이오차로 전환하여 30m³ 규모의 보도블록 콘크리트에 적용, 3톤 이상의 모래를 절약하는 성과를 얻었다.

그러나 현장 적용에서의 한계도 명확히 드러났다. 기스본 현장 테스트에서는 공급망 제약으로 인해 350°C 저에너지 공정을 적용하지 못했고, 그 결과 현장 콘크리트의 강도는 실험실과 같은 30% 상승 대신 일반 콘크리트와 유사한 수준에 그쳤다.

전문가들은 커피 바이오차 콘크리트가 동결, 습기, 기계적 마모 등 실제 기후 및 물리적 환경에서 얼마나 지속 가능한지 장기적인 추적이 필요하다고 지적한다. 또한 탄소 배출 저감효과를 객관적으로 입증하기 위해서는 바이오차 제조 및 운송 과정 전반에 대한 에너지·탄소 발자국 평가가 선행되어야 할 과제로 남아있다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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