청색기술의 힘, 커피 찌꺼기로 콘크리트를 30% 더 강하게 만든다

최근 호주의 RMIT 공과대학 연구진이 청색기술을 적용하여 커피 찌꺼기로 더 강한 콘크리트를 개발하며 음료 첨가물의 수명을 연장하고 매립지로 가는 폐기물을 줄이는 방법을 발견했다.

연구진은 모래에 일정 비율의 커피 찌꺼기를 넣어 혼합하면 콘크리트를 30% 더 강하게 만들 수 있다는 사실을 발견했다. 지금까지는 사용된 커피 찌꺼기가 대부분 매립지에 버려지는 엄청난 양의 유기 폐기물로 취급됐다.

이번에 찾은 방법은 모래와 같은 천연 자원의 사용을 줄여 건설 현장에서 보다 친환경적인 순환경제 접근 방식에 기여할 것으로 보인다.

전 세계적으로 매년 버려지는 커피 찌꺼기의 총량은 6,000만 톤 이상으로 추정되는데, 이는 마실 커피를 준비하는 과정에서 발생하는 폐기물 중 가장 많은 양이다. 그런데 문제는  전통적으로 이들 커피 찌꺼기의 대부분이 매립지로 그대로 보내지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 RMIT 대학의 연구진은 이러한 특정 종류의 폐기물을 실용적으로 재활용하는 최초의 용도를 발견한 것이다. 즉, 커피 찌꺼기를 콘크리트에 혼합하는 것이다.

이번 연구를 주도한 RMIT공대의 라지브 로이챈드(Rajeev Roychand) 교수는 "이번 연구에서 우리가 생각해낸 영감은 커피 찌꺼기를 매립지에 직접 버리는 대신 대량의 커피 폐기물을 건설 현장에 재활용하는 혁신적인 방법을 찾는 것으로, 다시 말해 커피를 '더블 샷'으로 제공하는 것"이라고 연구목적을 설명했다.

연구 초기에 커피 찌꺼기를 미세한 입자 크기로 만들어 사용하면 토목 및 건축 분야에서 유용한 구성 요소가 될 것으로 제안되었고, 그래서 연구진은 이를 시험해 보기로 결정했다.

그들은 먼저 호주 멜버른 주변의 여러 카페에서 커피 찌꺼기들을 수집하고 건조하여 수분을 제거했다. 그런 다음 건조된 유기 물질을 열분해하는 저에너지 무산소 공정을 사용하여 350°C와 500°C의 두 가지 다른 온도에서 가열하여 바이오 숯을 생성했다.

미처리한 커피 찌꺼기와, 각각 350도와  500도로 가열한 것들이 콘크리트의 기계적, 미세 구조적 작용에 미치는 영향을 비교하기 위해 12가지 혼합 설계가 사용되었다. 잔골재를 대체하기 위해 다양한 커피 찌꺼기가 일반 시멘트에 0%, 5%, 10%, 15% 및 20% 용량 씩 투입되었다. 그리고 여기서 사용된 잔골재는 천연모래를 사용하였다.

깨끗한 콘크리트를 거푸집에 붓고 진동시켜 공기를 제거했다. 그런 다음 실온에서 24시간 동안 경화한 후 압축 강도 테스트를 거쳐 X선 회절(XRD: X-ray diffraction) 및 주사 전자 현미경(SEM: scanning electron microscopy)을 사용하여 분석할 때까지 물 탱크에서 탈형(demolding) 및 경화시켰다. 압축 강도는 고체 재료가 파손되지 않고 견딜 수 있을 정도의 최대 압축 응력으로 유지시켰다.

연구진은 테스트한 모든 콘크리트 복합재 중에서 모래의 15%를 350°C에서 열분해한 커피 찌꺼기로 대체한 것이 재료 특성을 최고로 향상시켜 압축 강도에 있어서 29.3%의 성능 향상을 가져온다는 사실을 발견했다. 

연구가 아직 초기 단계에 있지만 연구진은 "결과가 유망하며 커피가 지구촌 어디에나 있다는 점을 고려할 때 잠재적으로 전 세계 건설현장에서 사용 가능한 장점이 있다"고 설명한다.

공동 연구를 진행한 샤논 킬마틴 린치(Shannon Kilmartin-Lynch) 교수는 “콘크리트 산업은 사용후 폐기되는 커피 같은 유기 폐기물의 재활용을 늘리는 데 크게 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있다”며, "우리의 연구는 초기 단계에 있지만, 이러한 흥미로운 발견은 매립지로 가는 유기 폐기물의 양을 크게 줄일 수 있는 혁신적인 방법을 제공한다"고 그 의미를 부각했다.

이러한 콘크리트 생산 기술은 매립 공간을 절약하는 것 외에도 유한한 천연 자원의 보존이라는 또 다른 환경 문제를 해결한다. 호주의 경우만 봐도 연간 약 400 ~ 500억 톤의 건설용 모래와 자갈을 추출하고 있다.

이번 연구의 또다른 공동 연구원 지에 리(Jie Li)는 “건설 산업에서 급속도로 증가하는 수요를 충족시키기 위해 일반적으로 강바닥과 제방에서 채취하는 전 세계 천연 모래를 지속적으로 추출하는 것은 환경에 큰 영향을 미친다”고 문제를 지적하고, "순환경제 접근 방식을 통해 우리는 유기 폐기물을 매립하지 않고도 모래와 같은 천연 자원을 더 잘 보존할 수 있다"고 이번 연구 성과를 내세웠다.

앞으로 연구진은 건설 산업에서의 잠재적인 응용을 위해 350도로 가열된 커피 바이오 숯에 대한 장기적인 기계적 내구성 시험을 수행하고 재료 성능에 대한 다양한 열분해 온도 사용 효과를 추가로 조사할 계획이다.

바야흐로 청색기술과 순환경제의 새로운 합작품이 탄생을 앞두고 있다.