연구원들이 커피를 이용해 더 강한 콘크리트를 만들었다고요?
카페인 은 세계에서 가장 인기 있는 약물이며, 사람들이 매일 섭취하는 가장 인기 있는 방법 중 하나는 커피입니다. 전 세계 사람들은 매일 20억 잔 이상의 커피 를 소비하며, 커피 한 잔을 마실 때마다 경제적, 사회적, 심지어 건강상의 혜택 까지 누릴 수 있습니다. 대체로 나쁜 중독은 아닙니다. 하지만 단점도 있습니다: 낭비입니다.
커피 폐기물의 발생은 매일 상당한 양이 쌓이기 때문에 시급한 문제입니다. 매일 약 5억 8천만 킬로그램의 버려진 커피 찌꺼기가 발생하며, 그 중 상당량이 매립지에 버려지고 있습니다. 이러한 매립지는 폐기물이 분해되는 과정에서 메탄 및 기타 유해한 온실 가스의 번식지 역할을 합니다.
버려지는 커피 폐기물은 창의적인 재활용 방법을 적용하여 다른 용도로 전환할 수 있습니다. 멜버른에 위치한 RMIT 대학교의 연구원들은 커피 찌꺼기를 콘크리트 구조물 구성에 통합할 수 있는 가능성에 대해 광범위한 연구를 수행했습니다. 놀랍게도 이 방법은 효과적일 뿐만 아니라 결과물인 건축 자재의 구조적 무결성도 강화하는 것으로 입증되었습니다.
“인생의 더블 샷”
콘크리트 레시피는 10,000년 동안 사용되어 왔으며 ( 밀레니엄 ), 기본적으로 페이스트와 필러의 두 가지 재료로 구성됩니다. 오늘날 , 페이스트는 시멘트와 물의 조합이며 필러는 일반적으로 모래와 자갈과 같은 재료의 집합체입니다. 믹서에서 함께 휘저으면 페이스트가 필러에 코팅되어 젖은 콘크리트를 형성하고 몰드에 부어 넣습니다. 적절한 조건에서 콘크리트를 양생시키면 현대 도시의 형태를 이루는 수많은 바위와 같은 슬라브 중 하나로 굳어집니다.
연구팀은 이 레시피에서 필러의 일정 비율을 커피 찌꺼기로 대체할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 이제 그들은 단순히 커피 찌꺼기를 시멘트 믹서에 던져 넣고 하루를 끝낼 수는 없었습니다. (나중에 살펴보겠지만, 이 방법은 슬래브가 덜 견고해집니다). 대신 해결 방법을 찾던 중 바이오차 (유기물이 열분해된 후 대부분 탄소와 재로 남은 것)에서 해결책을 찾았습니다.
“우리 연구의 영감은 대량의 커피 폐기물을 매립하지 않고 건설 프로젝트에 사용하는 혁신적인 방법을 찾아 커피에 ‘더블 샷’을 주는 것이었습니다.“라고 RMIT의 박사후 연구원이자 이 연구의 공동 주저자인 Rajeev Roychand는 말했습니다.
커피를 350°C에서 열분해한 후 만든 바이오 숯. 왼쪽은 주사 전자 현미경으로 50배율로, 오른쪽은 250배율로 확대한 바이오 숯을 보여줍니다. ( 크레딧 : Rajeev Roychand 및 Shannon Kilmartin-Lynch 외, 청정 생산 저널, 2023.)
이전 조사에 따르면 바이오 숯을 콘크리트 모르타르에 혼합하면 전반적인 특성을 개선할 수 있다고 합니다. 특히 고대 로마인들은 건축 자재에 화산재를 사용하는 기술을 사용한 최초의 문명 중 하나이며, 이러한 관행을 뒷받침하는 역사적 증거가 존재합니다. 특히 일부 학자들은 화산재를 사용했기 때문에 수천 년이 지났음에도 불구하고 로마 콘크리트 구조물의 놀라운 내구성을 유지할 수 있었다고 믿습니다. 그러나 다른 전문가들은 이 문제에 대해 다른 의견을 가지고 있습니다.
실제로 이전 조사에 따르면 바이오차 농축 콘크리트의 우수성은 물 대 시멘트 비율, 혼합된 바이오차의 양, 바이오차의 원산지 등 여러 요인에 따라 크게 좌우되는 것으로 밝혀졌습니다. 본질적으로 이것은 맛있는 커피 한 잔을 만드는 과정과 놀라울 정도로 유사합니다.
일어나서 콘크리트 냄새 맡기
먼저 연구팀은 멜버른 주변의 카페에서 커피 찌꺼기를 수집했습니다. 그런 다음 찌꺼기를 350°와 500°C(각각 662°와 932°F)에서 열분해하여 바이오 숯으로 전환했습니다. ( 열분해 는 유기물이 극심한 열에 의해 열분해되는 과정입니다.)
연구자들은 산소가 부족한 환경에서 350°C에서 500°C 사이의 온도에 바이오 숯을 노출시켜 바이오 숯을 준비했습니다. 그 후, 연구진은 처리된 커피 찌꺼기 또는 바이오 숯을 콘크리트 혼합물에 다양한 비율로 혼합하여 충진 모래 함량의 최대 20%까지 대체했습니다. 경화된 시편은 이후 압축 강도 및 접착 성능을 포함한 특성을 평가했습니다.
연구 결과, 가공되지 않은 커피 찌꺼기를 콘크리트에 혼합하면 예상과 달리 만족스럽지 않은 결과가 나왔습니다. 28일간의 테스트 결과, 생 커피 찌꺼기가 포함된 콘크리트는 대조 샘플에 비해 압축 강도가 상당히 낮은 것으로 나타났습니다. 또한 생커피 찌꺼기 첨가량이 증가할수록 성능이 저하되는 것으로 관찰되었습니다. 또한, 추가 조사 결과 처리되지 않은 커피 찌꺼기가 혼합물에 유기 물질을 방출하여 복합 재료 내에서 견고한 화학 결합을 방해하는 것으로 나타났습니다.
연구팀의 연구 결과를 보여주는 그래픽 요약본. 왼쪽 막대 그래프는 350°C에서 만든 커피 바이오 숯으로 모래의 5, 10, 15%를 대체했을 때 콘크리트가 대조군보다 더 강해졌음을 보여줍니다. 오른쪽 그래프는 500° 바이오 숯이 대조군만큼 강하지 않았음을 보여주고, 가운데 그래프는 정제되지 않은 커피 찌꺼기를 사용하면 콘크리트가 매우 약해진다는 것을 보여줍니다. ( 크레딧 : Rajeev Roychand 및 Shannon Kilmartin-Lynch 외, 청정 생산 저널, 2023.)
대조적으로, 350° 바이오 숯을 함유한 혼합물은 대조군과 비교했을 때 우수한 결과를 보였습니다. 모래에 바이오 숯을 10% 또는 15% 첨가하면 콘크리트의 전반적인 강도가 큰 폭으로 향상되었으며, 실제로 대조 샘플보다 약 30% 더 견고한 것으로 나타났습니다. 또한 바이오 숯의 비율이 증가함에 따라 콘크리트의 압축 강도는 비교적 일정하게 유지되었으며 크게 저하되지 않았습니다. 또한, 테스트 결과 바이오 숯과 골재 사이의 결합력이 매우 우수하여 이 복합 재료를 사용하여 건설된 구조물의 내구성과 안정성을 향상시킬 수 있는 잠재력을 보여주었습니다.
500° 바이오 숯을 함유한 콘크리트 혼합물의 성능은 대조 샘플에 비해 열등한 것으로 나타났습니다. 이러한 결과가 나온 이유는 바이오 숯 자체의 특성 때문입니다. 높은 수준의 다공성과 취성으로 인해 입자 주변에 미세 균열이 형성되어 콘크리트의 전반적인 강도가 감소했습니다. 이러한 결과는 콘크리트에 바이오 숯을 혼합할 때 사용량과 제조 방법에 대해 신중한 고려가 필요하다는 것을 시사합니다.
연구자들은 이 결과를 동료 심사를 거친 저널 오브 클리너 프로덕션 에 발표했습니다.
새로운 코스에 대한 근거
연구자들은 이 과정이 매립지의 유기 폐기물의 양을 줄이는 것 외에도 콘크리트 골재 채굴의 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있기를 희망합니다. 미국 2022년에 9억 6천만 톤의 모래와 자갈을 생산했으며, 이 중 약 42%가 콘크리트 골재로 사용되었습니다. 전 세계 이 수치는 연간 약 400억~500억 톤으로 폭발적으로 증가합니다. 따라서 모래와 자갈은 물 다음으로 세계에서 가장 많이 개발되는 천연 자원 중 하나가 되었습니다.
이 모래와 자갈의 대부분은 육상 채석장과 강바닥에서 생산되지만, 공급업체들은 지속 불가능한 격렬한 수요를 따라잡기 위해 해안 모래를 준설하고 있습니다 .커피 찌꺼기의 용도를 변경하는 것이 이 문제에 대한 완벽한 해결책은 아니지만 - 연구자들은 모래 함량의 15%만 커피 바이오 숯으로 대체할 수 있다는 사실을 발견했습니다 - 잠재적인 해결책에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.
순환 경제 패러다임을 도입하면 유기 폐기물이 매립되는 것을 방지하는 동시에 모래와 같은 귀중한 천연 자원을 보존할 수 있습니다.
Jie Li
RMIT 대학의 인프라 공학 전문가이자 공동 저자인 지에 리 교수는 성명서에서 모래의 안정적이고 지속적인 공급을 유지하는 것은 자원의 희소성과 추출과 관련된 해로운 생태적 결과로 인해 어려움을 겪고 있다고 주장합니다. 폐쇄 루프 경제 모델을 채택하면 폐기물이 매립지로 유입되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 모래와 같은 귀중한 자산을 미래 세대를 위해 보존할 수 있습니다.
앞으로 우리의 목표는 현장 실험을 수행하고 실제 환경에서 이러한 발견을 위한 효과적인 실행 계획을 개발하는 단계로 나아가는 것입니다.
물론 콘크리트는 모닝 커피 찌꺼기를 업사이클링할 수 있는 방법의 한 예에 불과합니다. 오늘날 기업들은 커피 찌꺼기를 사용하여 보다 친환경적인 바이오 연료 및 압축 화재 통나무 를 만들고 있습니다. 지역 카페에서는 커피 찌꺼기를 커뮤니티 정원에 제공하여 퇴비 더미를 풍부하게 하고, DIY 솔루션 에서는 매일 나오는 커피 찌꺼기를 페이셜 스크럽이나 탈취제로 바꾸는 등 가정에서 재활용할 수 있는 방법을 찾고 있습니다.
본질적으로 우리는 아침 커피 한 잔을 즐기면서 동시에 지속 가능한 순환 경제를 추구할 수 있는 역량과 동기를 모두 갖추고 있습니다.