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바이오 에탄올과 석유계 에탄올의 차이점

2006년 6월 1일 발행된 Ethanol Producer Magazine의 기사 내용
글: Beta 연구소 창립자 겸 의장 인 머리 탬버스 박사 (Dr. Murry Tamers)

세계 대부분의 에탄올 생산 기업은 실제로 석유 화학 기업이다. 에탄올은 석유 화학의 주요 성분인 에틸렌의 가수분해(hydrolysis)로 쉽게 만들 수 있다. 남 아프리카와 사우디 아라비아의 기업이 주요 공급업자이며, 미국, 유럽, 일본에도 대형 생산 시설이 있다. 석유 에탄올 (합성 에탄올)은 공업용 용매로 많이 사용되며, 다른 용도로도 많이 쓰인다.

바이오 에탄올 혹은 재생 에탄올에 대해 새로운 세금 혜택이 주는 법 (Energy Policy Act of 2005, H.R. 6)이 만들어졌다. 단 이 법은 석유 에탄올에 대해서는 적용이 않된다. 이 세금 혜택을 주기 위해서 에탄올이 재생 원료에서 왔다는 인증이 필요했다. 과학적 실험 방법으로 인정 받는 방법이 ASTM method D6866-05이다. 이 실험 방법은 아주 정확하며, 수량화 할 수 있어서 석유와 같은 화석 연료로 만든 에탄올과 바이오 매스로 만든 에탄올을 정확하게 구별할 수 있다. 따라서 이 실험 방법은 바이오 에탄올 생산의 투자자와 생산업자의 이익을 보호해 준다. 실제로 이것이 각 나라의 바이오 에탄올 산업의 성공 여부를 결정짓는 척도가 된다.

바이오 에탄올과 합성 에탄올은 C2H5OH라는 동일한 화학식을 가지며, 화학적으로 동일하다. 단 탄소 원소의 동위원소 구성에 차이가 있을 뿐이다. 바이오 에탄올은 바이오 매스 물질에서 온 반면에 합성 에탄올은 화석 연료 물질에서 왔다. 화석 연구와 동일한 방법이 ASTM D6866-05 실험에 적용하는데.이 방법은 고고학자와 다른 화석 연구에서 많이 쓰이는 방사성탄소 연대측정 기법을 응용한 것이다. 방사성탄소 연대측정 방법은 시료의 자연 발생 방사성탄소 (C14, 탄소 14)의 함량을 측정해 현대의 물질에 있는 함량과 비교하는 것이다.

ASTM D6866-05는 방사성탄소 연대측정 기법과 동일하다. 즉 바이오 매스 물질은 방사성탄소를 가지고 있는 반면에 화석 물질은 방사성탄소가 하나도 남아있지 않다는 것을 이용하는 것이다. 방사성탄소는 오랜 기간이 지나면 소멸한다. 실험하고 있는 에탄올의 방사성탄소의 농도를 측정하면 재생 물질에서 만든 것인지, 화석 연료로 만든 것인지 알 수 있다. 바이오 에탄올과 합성 에탄올이 섞여 있어도, ASTM D6866-05의 실험을 통해 바이오 에탄올의 함량의 수량을 %로 보여주므로, 세금 혜택을 효과적으로 줄 수 있다. 이 실험 방법은 여러 농도의 바이오 에탄올이 섞인 가솔린에서 정확하게 바이오 에탄올의 함량을 측정하는데 이용할 수 있으며, 정확한 함량을 보여준다. 단 조심해야 할 것은 가솔린이 잘 섞여 있어야 대용량의 가솔린 탱크에서 아주 소량의 샘플을 채취해서 실험을 해 그 대표성을 인정받을 수 있다. 이런 문제는 다량의 물질을 실험할 때 항상 고려해야 하는 중요한 문제다.

1947년에 처음 개발된 방사성탄소 연대측정 기법은 지구의 상층부에서 우주선에 의해서 생기는 방사성 동위원소인 방사성탄소 혹은 탄소 14의 지속적인 발생을 전제로 한다. 이 방사성탄소는 산소와 결합하여 이산화탄소가 되며, 대기 중에 존재한다. 식물은 이 이산화탄소를 받아들여 광합성 작용을 하며, 먹이 사슬에 의해 동물이나 인간은 이런 식물을 섭취한다. 방사성탄소는 지속적으로 반감하면서 없어지고, 동시에 우주선에 의해 지속적으로 만들어져 항상 밸런스를 유지합니다.

모든 살아있는 생명체는, 즉 식물, 동물, 사람은 항상 일정한 방사성탄소 농도를 가지고 있다. 생명체가 죽으면 이런 순환 고리가 끊기면서 방사성탄소를 더 이상 대기 중에서 받아 들이지 못한다. 그리고 서서히 반감하면서 하나도 남아있지 않을 때까지 소멸한다. 이렇게 완전히 소멸되는 기간이 약 50.000년이다. 방사성탄소 연대측정이란 여러 물질의 방사성탄소의 함량을 측정해서 식물이나 동물의 죽은 시점을 계산하는 것이다. 고고학, 지질학, 그 외 여러 지구 과학 분야에서 없어서는 안 되는 중요한 실험 방법이다.

방사성탄소 연대측정은 핵화학과 핵물리학의 한 분야이다. 방사성탄소는 아주 소량 존재하기 때문에 고도로 예민한 측정 기술이 필요하다. 두 가지 방법이 현재 사용되고 있다. 방사 측정 (radiometric)과 가속 질량 분석기 (accelerator mass spectrometry). 방사 측정 방식은 방사성탄소가 분열하면서 만들어 내는 방사성을 측정하는 것이고, 가속 질량 분석기는 방사성탄소의 농도를 직접 측정하는 것이다.

이 두 방법 모두 시료의 전처리가 중요하다. 전처리 절차는 시료의 종류에 따라서 다양하며, 부수적인 물질을 제거하기 위해 물리적, 화학적 방법들을 이용한다. 전처리 과정은 같지만 이 두 가지 방법은 완전히 다르며, 두 가지 방법 모두 진공 상태를 유지하면서 실험해야 한다.

방사 측정을 위해서는 진공 상태에서 시료를 태워서 이산화탄소를 만든다. 리튬 카바이드 (lithium carbide)을 만들기 위해 몰텐 리듐 (molten lithium)을 섞은 다음, 냉각 후 물을 섞으면 아세틸렌이 만들어집니다. 이 가스를 실리카 알루미나 촉매제 (silica-alumina catalyst)을 이용해 최종적으로 벤젠 (benzene)으로 전환시킨다. 이 모든 과정은 진공 상태에서 행해야 하며, 92%의 탄소를 가진 벤젠은 섬광 화학 물질을 섞어서 액체 섬광 계수기 (liquid scintillation counter)로 방사성을 측정한다. 평균적으로 시료를 이 계수기 안에 2일 정도 두어서 충분히 계산할 수 있도록 한 다음 적당한 통계 값을 구한다. 또한 같은 시기의 표준 물질과 참고 물질도 같은 계수기에서 계속 측정한다.

가속 질량 분석기를 이용할 시료를 태워 순수한 이산화탄소로 만든다. 이 이산화탄소는 진공 상태에서 수소와 반응하여 흑연이 된다. 이 흑연은 100% 탄소이며, 알루미늄으로 된 손잡이에 둔 다음에 가속기에 넣는다. 분석 시간은 대략 30분 정도 걸리며, 역시 같은 시기의 표준 물질과 참고 물질도 같은 방법으로 측정한다.

추가적으로 모든 시료의 안정 동위원소인 탄소 13도 측정한다. 이 측정값은 방사성탄소 측정값을 보정하는데 꼭 필요하다. 이 탄소 13 측정 역시 방사성탄소 연대측정에서 꼭 필요한 중요한 부분이며, 에탄올 생산에서 쓰인 바이오 매스 물질의 원료를 증명할 수 있는 중요한 수단이 되기도 한다. 탄소 13 단독으로 혼합 물질에서 바이오 매스 물질과 화석 물질을 정확하게 측정할 수는 없다. 비록 석유와 옥수수의 탄소 13 농도는 서로 다르지만, 다른 바이오 매스 물질의 탄소 13 농도는 다양해서 석유의 탄소 13 농도와 구별이 안 된다. 바이오 에탄올 생산에 적합한 일부 물질들 – 예로 사탕무, 감자, 포도 그 외 일부 과일들은 석유의 탄소 13 농도가 같은 값을 가지며, 일반적으로 구별이 불가능하다. 이런 사실로 인해 바이오 에탄올에 10%나 20%의 합성 에탄올이 섞인 경우, 탄소 13 분석만으로는 애매한 결과를 만들어 낸다. 반면에 방사성탄소 연대측정 분석 기법은 정확하게 구별할 수가 있다.

일반적으로 방사성탄소 연대측정 실험실을 유지하기 위해서는 상당히 많은 화학적 장비와 전자 장비가 있어야 한다. Beta 연구소의 경우 여러 고가의 장비들을 보유하고 있다. – 53개의 액체 섬광 계수기, 다량의 가속 질량 분석기, 탄소 13 질량 분석기, 11 벤젠 합성 진공 실, 12 흑연 진공 실, 전 처리와 연소를 위한 여러 대의 오븐들. 등등.

가솔린의 바이오 에탄올 사용에 대한 세금 혜택으로 인해 합성 에탄올을 쓰려는 부도덕한 업자들의 유혹이 많아졌다. 대부분의 유혹은 바이오 에탄올에 합성 에탄올을 섞어서 검사에 걸리지 않게 되기를 바라는 것이다. 하지만 ASTM D6866-05 실험 방법은 정확하게 바이오 에탄올과 합성 에탄올 함량의 수량을 측정하며, 이런 부정적인 방법이 발을 붙이지 못하도록 한다. 즉 ASTM D6866-05 인증서를 세금 혜택을 받기 위해 제출해야 하는 기본 서류로 해야 할 필요성이 대두되고 있다. 됩니다.

ASTM D6866 최신판

2012년 5월 11일부터 새 버전인 ASTM D6866-12이 사용되고 있다.

Beta 연구소는 ASTM D6866 실험에서 액체 섬광 계수기 (liquid scintillation counters)를 더 이상 사용하지 않고 있다.

페이지 업데이트 – 2015년 1월 7일