[신기술 소개] 재생 가능한 green gasoline

재생 가능한 green gasoline

Virent Energy Systems Inc.에서는 원유로부터 정제된 무연 가솔린과 같은 화학 조성을 나타 내는 가솔린 연료를 재생이 가능한 biomass로부터 생산해내는 기술을 개발하였다. 이 기술은

“green gasoline”으로 명명되었으며, 5년 이내 에탄올보다 더 낮은 비용으로 상업화될 것으로 기 대되고 있다.

바이오 연료 합성은 그림에서 보는 것과 같이 biomass의 cellulose를 당으로 분해시키고, zeolite (ZSM‐5)와 반응하면서 벤젠 고리를 갖는 방향족 물질로 전환시킨 후, 이를 이용하여 가솔린을 생성해 내는 것이다. 바이오 연료는 기존 원유로부터 가솔린을 정제하는 기술과 비슷한 촉매 공 정을 거쳐 생성되기 때문에 기존 석유 연료와 매우 비슷한 특징을 가진다. 그러나 중요한 차이점 은 석유 정제 공정에서는 기본적으로 단순한 구조(에틸렌)에서 복잡한 구조의 분자를 형성하지 만 바이오 매스는 복잡한 분자구조(glucose)에서 출발하여 단순한 구조의 분자를 형성한다는 것 이다.

바이오 매스를 이용한 연료 생산에 있어 중요한 세가지 공정에는 촉매를 이용한 액화 공정, 열 분해 공정, 가스화 공정이 있다. 열분해와 가스화 공정은 바이오 매스의 lignin 성분을 분해하는 기술로 lignin은 화학적 또는 낮은 온도에서의 생물학적 분해가 어려워 green gasoline뿐 아니라 lignocellulosic ethanol 생산도 어렵게 한다.

George Huber는 ‘One‐step process’로 촉매 열분해를 이용하여 cellulose를 가솔린의 방향족 물 질로 전환하는 기술을 개발하였다. 이 공정은 석유 산업에서의 유동층 촉매 cracker기술과 비슷한 장비에서 시행된다. Cellulose를 당으로 변환시켜 zeolite 촉매와 쉽게 반응하도록 하며 이를 통하 여 방향족 물질로 전환시킨 후, CO2와 물을 첨가하여 가솔린을 생성해내는 기술이다. James Dumesic은 촉매를 이용하여 바이오 매스의 과당을 액체연료로 사용이 가능한 2,5-dimethylfuran 을 생산해냈다. 2,5‐dimethylfuran은 에탄올보다 더 높은 에너지 밀도를 발생시킨다. Conrad Zhang는 lignin을 포함하지 않는 cotton 또는 조류에서부터 ‘clean cellulose’을 이용하여 이동 수단 연료로 사용 가능한 hydroxymethylfurfural을 생산하는 기술을 개발하였다.

출처: Technology News–February 27, 2008 조 영 민 (경희대)

프로젯 저팬, 방사선기술 활용 은나노입자 부착 항균섬유 상품화

섬유재료 개발 회사인 프로젯 저팬(http://projetjapan.co.jp/)은 오사카(大阪) 대학 대학원과의 산학연계를 통해 항균⋅방취 가공 섬유의 상품화를 추진하고 있다. 가타오카 다케(片岡 嵩) 사장 은 ‘방사선 조사에 의한 안정성 높은 본격적인 항균섬유 제품은 처음’이라며, ‘유아, 노인 대상 용 품 및 병원 업무용, 애완동물용 분야 등 폭넓은 분야에서 항균섬유의 용도를 개발하고 상품화를 진행할 예정’이라고 하였다.

오사카 대학 연구팀이 개발한 방사 조사에 의한 나노 입자제조 기술을 응용하였는데, 구체적으 로는 한 변이 10 m인 입방체 수조 1통 분량의 물에 항균효과가 강하고 식품 첨가물이나 정수기 에도 사용되는 안전한 은 1 g을 넣은 수용액에 섬유소재를 담근다. 이것에 감마선 또는 전자선을 조사하면 은 이온의 환원 반응이 진행하여 섬유표면에 은 나노입자가 부착된다. 은 이온이 각종 박테리아 세포에 강하게 흡착하여 박테리아의 세포효소를 블록킹하여 사멸시키는 것이다.

이 기술은 천연이나 합성 섬유소재 등 거의 모든 섬유소재에 적용할 수 있다. 방사선 기술은 의료기구의 멸균 또는 발아를 방지한 감자 등에 응용되고 있는 사례는 있었지만, 이러한 응용은 거의 없었다. 오사카 대학과 협력을 통해 방사선 기술을 활용하여 저렴하고 간단한 방법으로 항 균섬유를 양산화할 수 있을 것으로 기대된다. 항균방취효과에 대해서는 사단법인 섬유평가기술협 의회의 인정 기준을 만족하였다.

출처: 후지산케이 2008.04.29 (http://www.business-i.jp) 소 대 섭 (KISTI)

원심력을 이용한 고효율 후막 열전소자 제작

산업기술총합연구소(AIST)의 키네무치 요시아키(杵鞭義明) 등은 신토(新東) 공업(주)와 신토 (新東) V Cerax (주)와의 공동연구를 통해 원심력에 의한 균일가압을 이용한 신공정인 원심가압 용융법(遠心加壓溶融法)을 개발하여 비스무스-텔루륨계 고성능 열전후막을 제작하는데 성공하였 다(Figure 1). 이 공정을 통해 단결정에 가까운 구조의 두꺼운 막을 얻었으며, 열전특성은 실용화 수준의 성능을 나타냈다. 열전후막을 이용한 열전발전 소자는 공냉(空冷) 핀으로도 작용하여 자 연냉각에서도 발전에 충분한 온도 차이를 확보할 수 있고, 또 곡면형상의 배기관 등에도 사용할 수 있는 특징을 갖는다. 이번의 원심가압용융법은 단결정에 가까운 열전후막을 얻을 수 있을 뿐 만 아니라, 종래의 열전후막 제작법보다 제조 공정을 대폭 단순화함으로써 재료의 수율을 크게 개선할 수 있다.

원심가압용융법은 미리 구가공(溝加工)을 한 거푸집(절연산화물 기판)에 일정량의 원료분말을

충진(充塡)한 후, 뚜껑을 씌워 폐쇄 공간을 만든다. 이 기판에 두께 방향의 원심력을 가하면서 원 료를 용융⋅응고시켜 열전후막을 얻는 방법이다(Figure 2). 밀도가 100%에 가까운 막을 얻을 수 있다. 도금법과 비교하여 공정이 간단하며, 상당히 두꺼운 막의 제작도 가능하다. 이의 결과는 열 전발전 소자의 고출력화, 저비용화, 소형화를 앞당길 것으로 기대된다.

Figure 1. 기판(좌)과 기판 상에 형성된 두께 200 μm의 열전후막(우)

Figure 2. 원심력에 의한 폐쇄공간에 비접속 가압을 통해 고성능 열전후막 제작

출처: AIST 2008.3.10 (http://www.aist.go.jp) 소 대 섭 (KISTI)

수소 차단성이 뛰어난 점토막 플라스틱 복합재료 개발

일본 산업기술종합연구소(Advanced Industrial Science and Technology, AIST)는 탄소섬유강 화플라스틱(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)의 탄소섬유에 점토막을 넣고, 가열 및 가열 후 샌드위치 성형방법을 이용하여 수소 차단성이 뛰어난 점토막 플라스틱 복합재료를 개발하였 다. CFRP의 탄소섬유를 세 장씩 쌓고, 그 사이에 점토막을 넣고 가열, 가압하여 두께 1 mm 판 형태의 시험체를 만들었으며 7기압의 수소를 이용한 가스크로마토그래피법에 의해 측정된 시험 체의 수소 차단성은 기존에 보고된 재료와 비교하여 100배 이상으로 나타났다. 이 결과는 길이 5 m, 직경 1 m, 압력 50기압의 수소탱크에서의 가스 누출량이 연간 0.01%에 해당하는 차단성이다.

복합재료의 표면을 관찰해 보면, CFRP에 포함된 에폭시 수지가 CFRP 표면 틈을 파고 들어 기 계적으로 단단한 결합을 하고 있는 형태로 점토막층과 CFRP층이 잘 접착되어 있다. 재료의 내 구성 시험을 10000회 반복해서 실시하거나, -196도의 저온에서 100회 실시한 결과, 수소 차단성은 거의 감소되지 않았다. 이 결과는 극저온 및 고압력에 사용되는 수소탱크의 재료로서 사용 가능 하다는 것을 나타낸다. 따라서 개발된 복합재료는 저장용기의 경량화가 요구되는 자동차용 수소 탱크 및 연료전지용기, 액체수소 저장 설비 등에 적용 가능하다.

출처: KISTI

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포름산에 의한 상온 수소 생성

독일 라이브니쯔 촉매 연구소의 연구진은 기타 수소 생성 시스템에서 일반적으로 적용되는 고 온 개질 프로세스(high-temperature reforming process) 없이도 포름산(formic acid)에서 수소를 조절된 방식으로 추출하는데 성공하였다.

수소에 의해 동력을 공급하는 연료 전지는 수증기만을 생성하기 때문에 가장 청정한 에너지 자원이다. 하지만 수소를 운송하거나 저장하는 것이 아직까진 실용적이지 못하며, 현재 사용되고 있는 저장 시스템은 덩치가 크고, 고가이며 복잡한 단점을 갖고 있다.

따라서 필요에 따라 수소를 공급할 수 있는 수소 생산 물질을 연료 전지에 직접 조합하는 것 이 보다 이상적일 수 있다. 메탄과 메탄올을 제외한 바이오매스 및 바이오에탄올 같은 재생 자원 은 이러한 기술에 있어 가장 촉망되는 재료들이다. 실제로 옥수수 에탄올과 물을 적절히 조합하 여 수소를 생산한 사례가 있었지만 가장 큰 단점은 이러한 재료의 변환이 섭씨 200도 이상에서 만 작동한다는 것인데, 이 온도에선 생성된 에너지의 상당 부분이 소모되는 단점을 갖고 있다. 뿐 만 아니라 바이오매스에서 수소를 분리하는 효율은 25% 정도로 매우 낮았었다.

이를 극복하기 위해 독일 연구진은 필요할 때 수소를 공급할 수 있는 프로세스를 개발하였는 데, 아민(예를 들면, 디메틸헥실아민(N,N-dimethylhexylamine))과 촉매(루세늄 포스핀 착물 (ruthenium phosphine complex [RuCl2(PPH3)2]))가 있을 경우, 포름산은 상온에서 선택적으로 이산화탄소와 수소로 변환된다. 활성화된 숯 필터는 수소 기체를 충분히 정제하여 연료 전지에 사용된다. 수소 저장을 위한 포름산의 이용을 통해 기존에 구축된 수소/산소 연료 전지 기술의 장점이 액체 연료 시스템과 결합될 수 있다. 포름산은 비독성이며 저장이 용이하다. 포름산은 이 산화탄소와 바이오매스로 유도된 수소로부터 촉매적으로 생성되기 때문에 전체 사이클에서 원리 상으로 이산화탄소가 중성을 이루게 된다.

출처: Angewandte Chemie International Edition 2008, 47, No. 21, 3962 김 상 범 (경기대)

탄소 나노튜브와 전기화학을 이용한 매운맛의 정량분석

옥스포드대 연구진은 다중벽 탄소 나노튜브에 기초한 전극과 전기화학분석 기술인 흡수 벗김 전류전압법을 이용하여 5종의 상용 소스가 갖는 매운맛을 측정하였는데, 실제로 고추의 매운 성 분인 캡사이시노이드(capsaicinoids)의 농도를 측정한 것이다. 일반적으로 매운맛은 과실 내 조직 에서 생합성되고 축적되는 알칼로이드 화합물인 캡사이시노이드에 기인하며, 양 및 질적 다양성 으로 인하여 제품마다 매운맛의 정도가 달리 나타나게 된다.

흡수 벗김 전압전류법은 상당히 간단하기 때문에 매력적인 검출 기술인데, 캡사이시노이드는 동일한 전기화학 감응을 갖기 때문에 매운맛에 대한 정보를 얻어낼 수 있게 된다. 다중벽 탄소 나노튜브는 대면적을 제공하여 캡사이신의 흡착을 돕게 되는데, 이는 흑연 표면과 유사한 구조적 으로 완벽한 형태를 갖고 있다. 한편 검출하기 전에 흡착과정이 선행되면 전기화학 감응이 크게 나타나게 되는데, 흡수 벗김 전압전류법으로 얻어진 캡사이시노이드의 농도는 스코빌 등급으로 변환될 수도 있다.

HPLC를 이용하여 분석을 수행할 수도 있지만, 모든 캡사이시노이드 성분의 분리가 필요하며, 또한 HPLC는 고가이고 장비의 덩치가 크다는 단점을 안고 있다.

따라서, 흡수 벗김 전압전류법은 식품 산업에서 품질 관리도구로서의 잠재성을 갖고 있으며, 휴 대용 전자 제품의 크기 수준과도 조화되어 스코빌 등급을 현장에서 바로 얻어낼 수도 있을 것으 로 예상된다.

출처: Analyst, 2008.

김 상 범 (경기대)