바이오매스(Bio-mass) 함량 측정방법

 

1. 서론

 

석유가 아닌 식물 및 미생물 등을 열분해나 발효시켜 만든 화학물질의 원료를 바이오 매스(Bio-mass)라고 한다.

 

농업과 식품산업에서 폐기물로 처분되는 바이오매스는 식물이 대기 중의 CO2를 흡수하여 광합성으로 생성된 것이다. 연료 또는 제품으로 만들어 사용 후 소각처리해도 전체적인 배출량을 보면 CO2발생을 증가시키지 않는 재생가능 원료를 의미한다.

 

주로 잘 알려져있는 바이오에탄올, PLA(옥수수를 원료로 만든 플라스틱), 바이오페인트, 바이오연료, Isosorbide 등이 바이오매스 소재이다.

 

 

 

2. 분류 및 특징

 

바이오 매스에는 비생분해성 소재(Bio based)와 생분해성 소재(Biodegradable)가 있다.

 

Bio소재 분류

 

비생분해성 소재는 친환경 물질로부터 원료 또는 제품화 되었기에 생산공정까지 탄소저감이 가능하다는 이점이 있다. 생분해성 소재는 탄소저감과 동시에 생분해가 가능하다는 장점이 있지만, 유통기한이 상대적으로 짧다. 

 

bio-mass 소재

 

 

 

3. 바이오 탄소란?

 

제품에 대한 정확한 바이오매스 함량비율을 측정해야 할 표준방법이 필요한데, 석유유래 제품과 바이오매스 유래 제품의 구별에는 방사성동위원소 C-14 측정법이 아주 유효하게 활용되고 있다. (규격명 : ASTM D6866)

 

방사성탄소라고 불리는 C-14는 탄소의 동위원소로서 불안정하며, 약한 방사성을 띄고 있고, 살아있는 모든 생명체에 아주 미세량 존재한다. 방사성탄소동위원소 측정법은 C-14가 나무나 곡물 등에서 추출한 자연유래 물질에만 존재하고, 석유계 물질에는 존재하지 않는 원리를 이용하여 분석하는 방법이다(석유계 탄소는 원자량은 12 (C-12)).

 

C-14의 생성 원리는 태양의 방사성 폭발로 생긴 중성자들이 공기에 이는 질소와 충돌하며, 질소가 탄소 14로 변하게 된다. 즉 대기 중에서 우주에서 날아오는 중성자에 의한 (n, p)반응으로 14N이 핵변환되어 생성된 C-14가 이산화탄소(CO2)의 형태로 존재하는 것이다.

 

Carbon-14

 

이렇게 생긴 이산화탄소는 공기에 섞여있고 식물들이 광합성을 하기 위해 흡수한다. 이 과정은 계속해서 꾸준히 일어나므로 식물 내의 C-14 량과 이 식물이 살아가는 대기 중의 C-14 량은 거의 같게 유지된다. 따라서 CO2의 광합성에 의해 생성된 바이오매스유래 탄소에는 C-14가 극미량인 1PPP(Part Per Pico, 1×10-12) 존재한다. 

 

방사성동위원소 C-14는 반감기(half life)가 5,730년에 불과하므로 매장기간이 긴 석유에 존재하는 탄소는 C-14가 모두 붕괴되어 다른 핵종으로 변하였다. 그러므로 석유유래 제품의 탄소는 C-12가 99% 그리고 C-13이 1%로 되어 있으며, C-14는 존재하지 않는다.

 

즉 자연재생물질은 방사성 탄소를 가지고 있는 반면에, 화석물질은 방사성 탄소가 없다는 원리이다.

 

C-14 반감기

 

 

4. 바이오 탄소 함량 측정법

 

함량은 동위체를 이온으로 분리하여 C-14의 이온 수를 측정하는 가속기질량분석(AMS, Accelerator Mass Spectrometry) 방법 또는 바이오매스 시료에 함유된 탄소를 농축하여 액체섬광계수방법(LSC, Liquid Scintillation Counter)로 측정하는 방법이 사용된다.

 

 

ⓐ 가속기 질량분석기 (AMS, Accelerator Mass Spectrometer)에 의한 측정

 

방사성탄소동위원소는 가속질량분석기를 통해 분석이 가능하다. 

 

 AMS는 기체 시료와 고체 시료의 바이오매스 탄소의 함유율을 측정할 수 있으므로 대부분의 유기화합물과 무기화합물의 바이오매스 탄소의 함유율 측정에 사용할 수 있다.

 

AMS에 의한 탄소 동위체 측정법(ASTM D 6866)은 탄소 이온을 가속시켜 측정하는 방법으로, 탄소 이온을 만들기 위해 측정하고자 하는 시료를 그래파이트(graphite)로 변환시켜야한다.

 

그래파이트 변환공정은 액체 시료(액체질소로 냉각고화) 또는 미세분말 약 10mg의 시료를 과립상의 산화동과 함께 석영관에 넣어 탈기시킨 후 밀봉하여 500℃에서 30분 그리고 850℃에서 2시간 가열하여 CO2로 변환한다.

 

그 이후 액체질소와 드라이아이스의 콜드 트랩으로 물과 CO를 제거하고 CO2만 정제한다. 정제된 CO2는 촉매제로 철 분말이 삽입된 석영관에 수소와 함께 삽입하여 밀봉시킨 후 650℃에서 10시간 가열하면 환원반응이 일어나 그래파이트로 변환된다.

 

플라스틱제품 시료의 경우에는 이 방법 외에도 산소가 미량 함유된 질소가스를 흘려주면서 980℃까지 가열하여 산화시켜 CO2로 회수 후 그래파이트로 변환할 수 있다.

 

이렇게 그래파이트로 변환시킨 시료 분말은 가속기 질량분석기에서 Cs 이온으로 조사시켜 탄소 이온으로 이온화 시킨 후 자장으로 가속시키면 질량이 가벼운 C-12는 내측으로 가고 질량이 무거운 C-14는 외측으로 회전한다.

 

C-12는 양이 많으므로 패러디(Faraday) 검출기로 측정할 수 있고, C-14는 양이 작으므로 전리상자(ion chamber)로 측정한다. 수산(NIST SRM 4990C)을 동일한 처리법으로 그래파이트로 변환시킨 것을 함께 측정하여 비교하는 방법으로 PMC(Percent of Modern Carbon, 현대탄소 농도)를 산정한다.

 

ASTM D6866에서는 pMC에 0.93을 곱하여 Biobased Content를 구하고 있다. 

 

Biobased Content ＝ pMc×0.93(%)

 

일본 바이오플라스틱협회는 플라스틱 중에 바이오매스 플라스틱이 20% 이상 함유되어 있으면 플라스틱 마크의 사용허가를 얻을 수 있다. 

 

현재 국내 분석가능한 기관은 한국건설생활환경시험연구원, 한국의류시험연구원 등이 있다.

 

AMS

 

ⓑ 액체섬광계수방법 (LSC, Liquid Scintillation Counter) 측정

 

LSC는 바이오에탄올 등이 혼합된 가솔린과 같은 액체 시료의 바이오매스 탄소의 함유율 측정하는데 이용된다.

 

바이오매스에 함유된 탄소를 산화 반응시켜 화합물 중에 함유된 탄소를 CO2 상태로 회수한 후 칵테일 용액에 흡수시켜 LSC로 측정하는 방법이다(표준규격 : ASTM D6866A). LSC용 칵테일 용액은 CO2 흡수량에 한계가 있는 것이 단점이다.

 

방법은 더욱 복잡하지만 CO2를 벤젠으로 변환시킨 후 칵테일 용액과 혼합하여 LSC를 측정한다면 C-14 농도가 상당히 높으므로 정밀도가 높은 측정이 가능하다( 표준규격 : ASTM D6866C).

 

 

 

 

 

참조출저 :

1. https://katri.re.kr/kr/example/contentsid/292/index.do

   2. 가속기질량분석에 의한 바이오매스의 C-14 함유율 측정방법_한국과학기술정보연구원