커피박과 낙엽송 목분을 이용한 펠릿 제조 및 이에 대한 상용화 검토

본 연구에서 공시재료로 사용된 커피박은 (주)한 국 네슬레(충북 청주시)와 충북대학교 인근 커피전문 점에서 무상으로 공급받은 것으로 펠릿의 원료로 사 용하기에 앞서 실험실에서 24시간 동안 상온에서 그 리고 60°C로 조절된 오븐에서 2시간 동안 건조를 실 시하였다. 이를 성분 및 원소분석에 이용하였으며, 펠릿 제조를 위한 원료는 (주)한국 네슬레에서 공급 받은 커피박을 사용하였다. 또한 커피 생두는 시중에 서 판매되고 있는 것을 구입하여 화학적 조성의 비 교에 사용하였다.

커피박과 함께 펠릿 제조용 원료로 사용된 낙엽송 (Larix kaempferi C.) 목분은 산림조합중앙회 중부목 재유통센터(경기, 여주)에서 공급받아 사용하였으며, 그 목분의 함수율은 약 17% 정도인 것으로 조사되 었다. 한편, 산림조합중앙회 중부목재유통센터와 (주)신영이앤피(충북 청주시)에서 생산되어 현재 판 매되고 있는 두 종류의 낙엽송 펠릿 및 충북대학교 에서 벌목한 백합나무(Liriodendron tulipifera L.)의 제재과정을 통하여 얻은 목분을 대조구로 사용하였 다. 이 대조구 시편의 원소 및 발열량 분석은 가정용 믹서로 분쇄한 후, 60 mesh 표준체를 통과하는 미세 목분을 사용하여 수행하였다.

공시재료의 pH는 100 mℓ의 증류수에 믹서로 분쇄 된 커피 생두와 커피박 10 g를 넣고 5분간 교반한 후, Fisher Scientific사(Pittsburgh, USA)의 ACCUMET Model, 1600 pH meter로 측정하였다. 함수율과 회분 함량은 ASTM D 4442-07과 국립산림과학원 고시 목 재제품의 규격과 품질기준의 목재펠릿(이하 목재펠 릿 품질규격)을 위한 방법에 의거하여 각각 측정하 였다(ASTM 2005; NIFOS, 2016).

단백질 함량은 킬달법(Kjedahl)에 따라 분쇄 및 선 별된 시료 1 g을 Micro Kjedahl flask에 넣고 1.1 g의 K₂SO₄와 진한 H₂SO₄ 10 mℓ를 순차적으로 첨가한 후, 약 2시간 동안 95°C에서 가열하고 증류수로 희 석하였다. 이렇게 희석된 액을 단백질/질소 자동분석 기(Kjeltec Auto 2400/8400 system, Foss Tecator AB, Sweden)를 이용하여 질소 함량을 측정한 후, 이 질 소 함량 값에 6.25를 곱하여 단백질 함량을 구하였다 (Garcia와 Phillips, 2009).

지방/오일 함량은 무게가 측정된 시료를 n-hexane 에 1 : 50 (W/V)의 비율로 2시간을 침지시킨 후, 상 층액의 지방/오일을 분리하여 제거하였다. 지방/오일 이 제거된 시료를 증류수로 3-4회 세척하고 건조한 후, 무게를 측정하여 지방/오일 제거 전후의 무게 차 이로 함량을 측정하였다(Tokimoto 등, 2005).

전섬유소 함량은 탈지시킨 시료 2.5 g을 250 mℓ 삼각플라스크에 넣고 증류수 150 mℓ와 아염소산나 트륨 1 g을 첨가하였다. 여기에 마이크로 피펫을 이 용하여 빙초산 0.2 mℓ를 넣고, 100 mℓ 삼각플라스 크를 마개로 뒤집어서 덮었다. 70-80°C로 유지되는 항온수조에서 1시간 가온한 후, 아염소산나트륨 1 g 과 빙초산 0.2 mℓ를 넣고 3회 반복하여 처리하였다. 용해되지 않은 잔사를 칭량한 glass filter에 놓고, 500 mℓ의 증류수로 세척한 후, 진공을 걸어 acetone 50 mℓ로 충분히 흡입시켰다. 칭량병에 glass filter를 넣고 건조기에서 24시간 동안 건조시킨 후, 데시케 이터에서 1시간을 냉각시키고 칭량하여 전섬유소 함 량을 구하였다.

각 공시재료의 원소 분석은 시료를 1,014°C의 온 도에서 연소시켜 석영관의 구리층을 통과시키면서 조성 원소별로 분석에 용이한 기체분자(CO₂, N₂, H₂O, SO₂)로 전환하였다. 이 혼합가스들을 gas chromatography column에 통과시키면서 각각 분리한 후, 열전도검출기에 의하여 전기신호로 정량적으로 변환 하였다. 표준시료를 이용하여 검량곡선을 작성한 후, 각 시료별 질소, 탄소, 수소, 유황의 함유량을 측정 하였다(Flash 2000 Organic Elemental Analyzer, Thermo Fisher Scientific, Waltham, USA). 염소 함량 의 경우, Inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy (ICP-AES, Optima 4300 DV, Perkin Elmer, Waltham, USA)를 이용하여 측정하였다. 각 원소 분석의 결과는 3회 반복의 평균값으로 표시하 였다.

회분에 대한 정성분석은 국립산림과학원의 목재펠 릿 품질규격에서 고시한 방법에 의거하여 분쇄 및 선별된 시료를 65%의 질산용액으로 회분을 제외한 모든 성분을 제거한 후, 증류수로 희석하고 이 용액 을 glass filter (1G4)를 이용하여 분리하였다. 용해되 지 않은 부분에 포함된 chromium, lead, nickel과 zinc의 함량은 ICP-AES에 의하여, arsenic, cadmium, mercury와 copper의 함량은 ICP-mass spectroscopy를 이용하여 구하였다. 한편 공시재료 내에 함유된 회분 의 정확한 비교를 위하여 대조구로 낙엽송 및 백합 나무 목분 외에 밀집, 보리짚에 대한 정성분석도 수 행하였다. 이를 위하여 각 시료를 가정용 믹서로 분 쇄한 후, 60 mesh 표준체를 통과한 미세분말을 사용 하였다.

펠릿 제조에 앞서 원료의 크기 및 함수율에 따라 제조된 펠릿의 연료적 특성에 대한 오차를 최소화하 기 위하여 2 mesh (1.27 cm) 표준체를 통과하고 4 mesh (0.64 cm) 표준체 위에 남은 목분과 커피박을 펠릿 제조용 원료로 사용하였다. 다음으로 선별된 목 분과 커피박의 함수율을 10%로 조절하였는데, 이를 위하여 60°C 조건의 연초건조기에 넣고 시간을 조절 하면서 건조를 하거나, 함수율이 측정된 원료를 tray 에 얇은 층으로 올리고 이 tray를 저울에 다시 올려 10%의 함수율까지 수분을 분무기로 분사하여 조습 하면서 조절하였다.

펠릿의 제조는 커피박과 낙엽송 목분을 전건무게 기준으로 0 : 100, 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70, 40 : 60, 50 : 50 비율로 조절하여 180°C의 온도에서 1,500 kgf/cm²의 압력으로 3분간 압축하여 피스톤형 펠릿 성형기로 제조하였다. 제조된 펠릿의 연료적 특성 조 사에 있어 원료 양에 따른 오차를 최소화하기 위하 여 1.2 g의 낙엽송 목분 그리고/또는 커피박을 사용 하여 펠릿을 제조하였으며, 펠릿의 평균치수는 약 7 mm의 지름과 20 mm의 길이를 보유한 것으로 조사 되었다.

펠릿의 함수율, 회분함량, 발열량, 겉보기밀도와 내구성은 국립산림과학원에서 고시한 목재펠릿 품질 규격에 기술된 방법에 의거하여 측정하였다(NIFOS, 2016). 특히 내구성 측정은 제조된 펠릿 50 g을 8 mesh (3.15 mm)의 표준체로 걸러낸 후, 0.01 g의 수 준까지 무게를 측정하였다. 이렇게 무게가 측정된 펠 릿을 내구성 시험기에 넣고 분당 50회전으로 10분간 총 500회의 텀블링을 실시하였다. 텀블링을 종료시 킨 후, 다시 8 mesh의 표준체로 걸러내고, 표준체에 잔류하는 펠릿 무게를 측정하였다. 텀블링 전후의 무 게차를 이용하여 내구성을 구하였으며, 실험적 오차 의 최소화를 위하여 3회 반복실험을 실시하였다.

발열량의 경우, 커피박과 낙엽송 목분 양과 상관 관계를 확인하기 위하여 커피박과 목분의 양을 전건 무게 기준으로 100 : 0, 75 : 25, 50 : 50, 25 : 75, 0 : 100으로 조절하여 펠릿을 제조하였으며, 이에 대 한 발열량을 측정하였다. 각 펠릿의 발열량은 믹서로 분쇄하고 선별한 시료 1 g을 열량계(6400 Automatic Isoperibol calorimeter, Parr Instrument Inc., Moline, Illinois)에 넣고 측정하였다.

본 연구에서 공시재료로 사용된 커피박과 생두의 pH는 약산성(5.6~6.4)으로 조사되었다. 한편 상온 및 60°C의 오븐에서 건조시킨 두 종류의 커피박 함 수율은 2.3%와 3.5%로 매우 낮았는데(Table 1), 높 은 함수율을 가진 것으로 축정된 커피박(44-61%)을 온화한 조건에서 건조했음에도 불구하고 함수율이 크게 낮아진 이유는 커피박의 다공성 구조에서 기인 한 것으로 생각한다(Ahn, 2015). 이와 같은 커피박의 용이한 건조특성은 펠릿 제조에 있어 일정한 부분을 차지하는 원료의 건조 비용을 절감시킴으로써 펠릿 생산단가를 낮출 수 있을 것으로 예상된다.

커피박의 화학적 조성을 보면, 전건무게 기준으로 전섬유소, 지방/오일, 단백질 순으로 나타났으며, 이 외에 카페인, 탄닌, 다양한 가용성 물질을 함유하고 있었다(Table 1). 이 결과를 커피 생두와 비교한 결 과, 전섬유소, 지방/오일, 단백질 함량은 감소하였으 며 기타 성분은 크게 증가하였다. 이는 생두를 roasting하는 과정에서 전섬유소, 지방/오일, 단백질 등이 분해 또는 변성되어 나타난 결과라 사료된다. 커피박 의 회분 함량은 0.5% 및 0.7%로 펠릿의 원료로 주로 사용되는 목분의 회분 함량보다 약간 높은 것으로 나타났다. 한편 커피박 내에 함유된 회분의 함량은 생두와 비교하여 크게 낮았는데, 이는 원두를 분쇄하 고 이를 이용한 커피추출 과정에서 무기물이 함께 용출되어 나타난 결과라 추정된다. 그러나 이 추정의 확인을 위하여 다양한 용매 및 추출조건에 대한 추 가 실험이 필요한 것으로 생각한다.

커피박, 목재펠릿 그리고 목분의 원소분석 결과는 Table 2와 같다. 커피박의 탄소 함량은 42.07%로 본 연구에서 원소분석 결과를 비교하기 위하여 측정된 목재펠릿 및 목분과 비교하여 낮았으나, 수소 함량은 높은 것으로 조사되었다. 한편 커피박에서 염소의 함 유량은 매우 낮았으나, 2.3%의 질소와 0.25%의 유황 를 함유하고 있었다. 이러한 질소와 유황의 검출은 커피박에 약 10%가 함유된 단백질의 아미노산에서 기인한 것으로 추측된다(Table 1). 커피박의 원소 분 석결과를 종합하면, 질소 및 유황 함량이 국립산림과 학원에서 고시한 목재펠릿 품질규격의 4급 펠릿 기 준치보다 높아 가정용 펠릿의 제조를 위한 원료로서 부적합한 것으로 조사되었다.

Table 3는 커피박 회분의 정성분석 결과로 칼슘의 함량이 가장 높았으며, 다음으로 나트륨, 칼륨 마그 네슘을 순으로 함유되어 있는 것으로 나타났다. 커피 박 회분의 정성분석 결과를 목분과 비교했을 때 나 트륨을 제외하고 상대적으로 적은 양을 함유하고 있 었다. 또한 아그로펠릿 제조용 원료로서 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 농업폐기물인 보리짚 및 밀짚 과 비교하여 대부분의 무기물의 양이 크게 낮은 것 으로 나타나 커피박을 펠릿의 원료로 이용할 경우, 연소 후 펠릿 보일러 또는 스토브의 열 교환부분에 부착되어 열 교환효율을 크게 낮추는 클링커 현상이 크게 줄고(Holt 등, 2006), 결과적으로 보일러 또는 스토브에 존재하는 회분을 자주 청소 또는 제거해야 하는 불편함 등의 문제를 일으키지 않을 것으로 판 단된다(Codero 등, 2001).

칼륨, 칼슘, 나트륨 마그네슘, 외에 커피박에 함유 된 무기성분 또는 중금속의 분석 결과는 Table 3과 같다. 아연과 구리를 제외하고 커피박에 함유되어 있 는 무기성분 및 중금속 함량은 목분 및 농업부산물 의 함량과 차이가 없거나 낮았다. 이 함량 측정 결과 를 국립산림과학원의 목재펠릿 품질규격과 비교한 결과, 모든 항목에서 1급 기준을 만족시켰다.

Fig. 1은 커피박과 낙엽송 목분을 이용하여 피스톤 식 펠릿성형기로 제조한 펠릿의 형상을 보여주고 있 다. 펠릿 제조에 있어 커피박의 첨가량 증가와 함께 흑색화 정도가 심화되는 것을 제외하고 외형상 목질 펠릿과 매우 유사한 것으로 나타났으며, 따라서 펠릿 성형성에 대한 문제는 전혀 발생하지 않을 것으로 생각한다.

Fig. 1. Images of pellets made by larch sawdust and coffee waste. Amount of larch and coffee waste used for the fabrication of pellets were based on the its oven-dry weight.

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커피박과 낙엽송 목분으로 제조한 펠릿의 연료적 특성을 측정한 결과는 Table 4와 같다. 먼저 본 연구 에서 제조된 커피박/낙엽송 펠릿의 함수율은 모두 10% 미만으로 국립산림과학원 목재펠릿 1급 품질기 준을 모두 만족하였으며, 펠릿 내에서 차지하는 커피 박 양의 증가는 펠릿 함수율에 영향을 미치지 않았 다. 이는 커피박과 낙엽송 목분의 함수율을 10%로 조절하여 펠릿을 제조하여 나타난 결과라 생각한다. 한편 대조구로서 현재 판매되고 있는 낙엽송 펠릿 중에서 한 종류의 펠릿 함수율이 10%를 상회하였는 데 이는 계절적 요인으로 습도가 높은 곳에서 장기 간 보관한 펠릿의 함수율을 측정한 것에서 기인한 결과라 생각한다.

회분 함량은 펠릿 내의 커피박 함량과 상관없이 0.3-0.4%로 조사되었는데(Table 4), 이는 펠릿 제조에 원료로 사용된 낙엽송 목분(0.3%)과 커피박(0.5%)의 회분 함량에서 비롯된 것이다. 한편 이 측정치는 현 재 판매되고 있는 낙엽송 펠릿과 차이가 없었으며, 모든 조건에서 국립산림과학원의 목재펠릿 1급 기준 을 모두 만족시켰다.

발열량의 경우, 펠릿 내에서 커피박 함량의 증가 와 함께 증가하는 경향을 보였다(Table 4). Cordero 등(2001)의 원소 조성과 발열량과의 관계에 대한 연 구 결과를 보면, 바이오매스의 발열량은 일반적으로 탄소 및 리그닌 함량에 비례한다고 하였는데, 커피박 의 낮은 탄소함량에 불구하고 커피박의 함량 증가와 함께 발열량이 증가하는 이유는 커피박에 함유되어 있는 지방/오일, 휘발성 유기화합물 등에서 기인한 것으로 생각한다. 이 추론을 확인하기 위하여 탈지한 커피박의 발열량을 측정한 결과 18.2 MJ/kg로 조사 되어 커피박 내에 함유되어 있는 지방/오일 성분이 발열량과 밀접한 관계가 있다는 것을 확인할 수 있 었다(Ahn 등, 2013; Ahn 등, 2014). 이러한 상관관계 를 정확히 조사하기 위하여 커피박과 낙엽송 목분의 전건 중량비를 다양하게 조절하여 제조한 펠릿의 발 열량을 측정한 결과는 Fig. 2와 같은데, 펠릿 내에 존재하는 커피박 함량의 증가가 발열량 향상에 직접 적으로 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었다. 한 편 커피박/낙엽송 펠릿의 발열량은 국립산림과학원 의 목재펠릿 1급 기준을 모두 상회하는 것으로 조사 되었다.

Fig. 2. Effect of the oven-dry weight ratio of larch sawdust and coffee waste on the higher heating value of the pellets. Bold line means the minimum requirement of higher heating value for the standard of 1^st-grade wood pellet designated by National Institute of Forest Science.

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커피박/낙엽송 펠릿의 겉보기밀도와 내구성은 673-679 kg/m³ 및 98.3-98.8% 범위로 펠릿 내의 커 피박 함량과 상관없이 일정한 값을 유지하였으며, 그 측정치는 국립산림과학원의 1급 기준을 모두 만족하 였다(Table 4). 그러나 현재 판매되고 있는 낙엽송 펠릿과의 비교에서 겉보기밀도는 크게 낮았으며 내 구성도 일부에서 낮았는데, 이는 피스톤형 펠릿성형 기로 펠릿 제조시 적용되는 낮은 압력에서 기인한 결과라 생각한다.

본 연구를 통하여 조사된 커피박/낙엽송 펠릿의 원소, 회분의 정성분석 및 연료적 특성의 측정결과를 종합하면, 질소 및 유황함량을 제외하고 펠릿 내에서 차지하는 커피박의 양과 상관없이 모든 항목에서 국 립산림과학원의 목재펠릿 1급 기준을 만족하였다. 그러나 커피박의 높은 질소 및 유황 함량으로 고등 급의 펠릿 제조용 원료보다는 NO_x 및 SO_x를 효과적 으로 제거할 수 있는 포집장치를 보유한 열병합발전 소용 펠릿 원료로 적당할 것으로 생각한다. 그러나 커피박 및 낙엽송을 이용하여 1급 기준을 만족하는 펠릿을 제조하기 위하여 91 wt%의 낙엽송 목분과 9 wt%의 커피박이 필요할 것으로 추산된다. 이 조건에 서 제조한 펠릿의 질소함량은 0.298% 그리고 유황 함량은 0.03%로 1급 기준을 만족하며 나머지 펠릿의 품질 항목에서도 모두 1급 기준을 상회할 것으로 예 상된다. 마지막으로 커피박과 낙엽송의 구매가 및 각 등급의 목재펠릿 수요에 따라 펠릿 내의 커피박과 낙엽송 목분의 양을 적절히 조절하여 펠릿을 제조할 경우, 생산비용의 절감 외에 폐기물의 이용에 따른 재자원화와 쓰레기 감량을 통한 환경 부담 완화에도 일조할 것으로 생각한다.