ASTM D6866: 연료의 바이오기반 탄소 함량 측정 실험

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ASTM D6866 실험 방법은 방사성탄소 연대측정 기법을 이용하여 기체, 액체, 고체 샘플의 바이오 기반 탄소/바이오제닉 탄소 함량을 측정하기 위해 ASTM International (전에는 the American Society for Testing and Materials)이 개발한 표준 실험 방법이다. 특히 어떤 종류의 시료라도 실험이 가능하기 때문에 다양한 종류의 바이오 연료에 적용하기 좋은 분석 방법으로 인정 받고 있다
2004년에 처음 발표가 된 이후 계속 새로운 버전이 나오고 있다. ASTM D6866-04, ASTM D6866-04a, ASTM D6866-05, ASTM D6866-06, ASTM D6866-06a, ASTM D6866-08, ASTM D6866-10, ASTM D6866-11,ASTM D6866-12. ASTM D6866-16 이 2016년 6월에 발표된 최신 버전이다.

방사성탄소 연대측정 기법은 처음에는 고고학과 화석 연구의 도구로서 시작되었다. 지금은 바이오매스 물질의 바이오제닉 함량 측정 등 다양한 용도로도 사용되고 있다.

어떻게 ASTM D6866이 바이오 연료 실험에 이용되는지 바이오 디젤을 예를 들어 설명해 보겠습니다.

ASTM D6866 결과와 해석

혼합 연료에서 바이오 디젤의 함량을 측정하는 ASTM D6866은 방사성탄소 연대측정 기법과 동일한 개념에서 시작했다. 단 차이는 연대 계산을 하지 않을 따름이다. 시료의 방사성탄소 (탄소 14)와 현재의 기준 참고 물질의 방사성탄소의 비율을 측정한다. 이 비율은 pMC (percent modern carbon)라는 단위로 표시한다. 만약에 분석하는 시료의 현재의 방사성탄소와 화석 탄소 (즉 방사성탄소가 없음)을 측정하였을 때 여기서 얻은 pMC 값은 시료의 바이오 디젤의 함량과 직접적인 관련이 있다.

현재의 방사성탄소와 방사성탄소가 들어있지 않은 화석 탄소가 섞여 있으며 pMC 농도에 반영된다. 지금 현재의 바이오 디젤은 105 pMC인 반면에 화석 연료 물질은 0 pMC이며, 측정된 pMC값이 두 내용물의 비율이 된다. 현재 100% 대두의 pMC 값은 105이며, 여기에 50%의 석유 계열 물질이 섞여 있으면, pMC값은 53 정도다.

ASTM D6866 실험 결과의 장점은 시료에 대한 어떠한 정보없이도 가능하다는 것이다. 실생활과 상당히 그럴듯한 상황이다. 실험에서 보고되는 평균값 (Mean Value)의 오차 범위는 6%으로 (평균 바이오 디젤 결과의 양 방향으로 +- 3%씩) 마지막 방사성탄소의 모든 변수를 포함한다. (보수적 접근 방식) 이 실험 방법은 모든 물질은 “현재”에서 왔건, “화석’에서 왔다는 것을 전제로 하며, 여기서 얻은 결과는 이 물질의 “현재”의 바이오 디젤 함량을 보여주는 것이며, 제조 과정 중에 사용한 바이오 디젤 물질의 량을 보여주는 것은 아니다. 최대값으로서 보고된 %를 해석할 수도 있다. (가장 보수적 해석 방법)

공식 ASTM D6866 페이지

방사성탄소 연대측정

1947년에 처음 개발된 방사성탄소 연대측정 기법은 지구의 상층부에서 우주선에 위해 연속적으로 만들어지는 방사성 동위원소인 방사성탄소 혹은 탄소 14를 이용하는 방법이다. 산소와 결합하여 이산화탄소가 되며, 대기 중에 퍼져있으며, 이 이산화탄소를 식물은 흡수하여 광합성 작용을 합니다. 최종적으로 동물들은 이 식물을 먹습니다.

탄소 14는 방사능의 반감기가 있어서 서서히 소멸해 가며, 우주선에 의해서 계속 만들어지므로 항상 평형을 유지하고 있다. 따라서 모든 살아있는 것들, 즉 식물, 동물들은 일정한 방사성탄소를 가지고 있다. 하지만 식물이나 동물이 죽게 되면, 대기 중에 있던 방사성탄소를 더 이상 받아들이지 못하고, 체내에 남아 있는 방사성탄소의 함량은 반감기에 따라 서서히 줄어들어, 결국은 하나도 남게 되지 않는데. 대략 5만년 걸린다.

방사성탄소 연대측정이란 여러 물질의 방사성탄소 함량을 정확히 측정하여 동물이나 식물이 죽은 시점을 계산하는 것이다. 이 연대 측정 시스템은 고고학, 지질학, 그 외의 지구 과학에서 없어서는 안 되는 중요한 연구 수단이다.

방사성탄소 연대측정은 핵 화학, 핵 물리학의 한 분야로서 방사성탄소의 량은 상당한 소량이기 때문에 가장 어려운 측정 기술이다. 현재는 두 가지 방법이 쓰이고 있다. 방사측정 연대측정 (Radiometric dating)와 가속 질량 분석기 (accelerator mass spectrometry AMS)

방사측정 연대측정 대비 AMS

방사측정 연대측정 방식은 방사성탄소가 분열할 때 생기는 방사성을 측정하는 방식이며, 이에 반해 가속 질량 분석기는 시료에서 직접 방사성탄소의 농도를 측정한다. 이 두 방법 모두 측정 전 시료 준비 단계로 복잡한 화학적 처리뿐만 아니라 고도의 기술을 요한다.

이 두 가지 방법 모두 시료의 전처리가 중요하다. 시료 종류에 따라 방법이 다양하다. 부수적인 이물질 제거 작업으로 다양한 물리적, 화학적 처리가 필요하다. 이 두 방법에 대한 전처리 기술은 서로 다르지만, 모두 진공 상태에서 진행해야 한다.

방사측정 방식에서는 시료를 특수 진공 장치가 된 곳에서 태워 이산화탄소를 만든다. 용융 리튬 (molten lithium)을 섞어 리튬 탄화물 (lithium carbide)을 만든 후, 냉각 시킨 다음 리튬 탄화물을 물과 반응시켜 아세틸렌을 만든다. 이 가스를 정제하고 실리카 알루미나 중화제 (silica-alumina catalyst)을 사용하여 벤젠으로 전환한다. 이 모든 과정은 진공 상태에서 실행한다. 이 벤젠은 92% 탄소이며, 섬광 화학물질과 섞어서 액체 섬광 계수기 (liquid scintillation counter)로 방사성을 측정한다. 보통 정확한 통계 수치를 얻기 위해 계수기 안에 약 2일 정도 둔다. 또한 현재의 표준 물질과 기초 자료 물질을 같은 계수기에서 계속 측정한다.

가속 질량 분석기를 이용한 방법은 시료를 태워서 정제된 이산화탄소로 만든 다음, 특수 유리로 된 진공실에서 수소와 반응케 하여 흑연을 만든다. 100% 탄소인 이 흑연을 가속 질량 분석기에 두고 측정한다. 측정 시간은 약 30분 정도 걸린다. 방사측정 방식과 동일하게 현재의 기준 물질과 기초 자료 물질을 위와 동일한 방법으로 계속 측정한다.

추가로 모든 시료의 안정 동위원소인 탄소 13을 측정한다. 이 값은 탄소 14 갑을 보정하는데 꼭 필요하다. 탄소 13의 측정은 그 값 자체로 재생 물질과 화석 물질의 함량 측정에 쓰이지 않지만, 방사성탄소 연대측정을 하는데 꼭 필요한 작업이다.