바이오디젤은 석유자원의 고갈에 대응하고 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스와 대기오염물질인 자동차 배출가스를 감소시키기 위하여 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 연료로 주목받고 있다. 이러한 바이오디젤은 기존의 경유에 5%(BD5) 또는 20%(BD20) 혼합하여 디젤엔진 자동차용 연료로서 사용되기 시작하였으나 최근 고형물 생성에 의한 연료계통 필터막힘 등의 문제가 본격 제기되므로서 산화안정성에 대하여 관심을 갖게 되었다. 그동안 바이오디젤에 대한 연구는 자동차 배기가스 특성연구 등에 편중되었으며 특히 우리나라에서 사용되고 있는 대두유 유래 바이오디젤에 대한 산화특성 연구는 거의 없었다.
본 연구는 유럽에서 선행된 ...
바이오디젤은 석유자원의 고갈에 대응하고 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스와 대기오염물질인 자동차 배출가스를 감소시키기 위하여 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 연료로 주목받고 있다. 이러한 바이오디젤은 기존의 경유에 5%(BD5) 또는 20%(BD20) 혼합하여 디젤엔진 자동차용 연료로서 사용되기 시작하였으나 최근 고형물 생성에 의한 연료계통 필터막힘 등의 문제가 본격 제기되므로서 산화안정성에 대하여 관심을 갖게 되었다. 그동안 바이오디젤에 대한 연구는 자동차 배기가스 특성연구 등에 편중되었으며 특히 우리나라에서 사용되고 있는 대두유 유래 바이오디젤에 대한 산화특성 연구는 거의 없었다.
본 연구는 유럽에서 선행된 유채유 유래 바이오디젤의 산화특성 연구를 응용하여 국내에서 사용되고 있는 산화안정성이 상대적으로 열악한 대두유 유래 바이오디젤을 대상으로 산화 반응물질과 생성물질을 규명하여 산화 특성을 이해하고, 산화과정에서의 물리․화학적인 변화에 대한 고찰을 통하여 대두유 유래 바이오디젤의 혼합 농도에 따른 자동차용 연료로서의 사용한계와 사용수명식을 도출할 목적으로 수행되었으며 다음과 같은 내용으로 이루어졌다.
첫째, 경유에 대두유 유래 바이오디젤을 5%, 20% 혼합하고 바이오디젤(BD100), BD5, BD20 및 경유(BD0) 각각의 시료에 대하여 지방산 메틸에스터 성분분석과 연료품질기준에 해당되는 증류성상, 점도, 밀도, 산가 및 세탄가 등을 실험하여 기초적인 품질특성을 파악하였다.
둘째, 대두유 유래 바이오디젤의 산화특성을 해석하고 산화메커니즘을 추론하기 위하여 BD100을 공기공급하의 100 ℃의 조건에서 가속 산화시킨 후 산화 전․후의 시료에 대하여 GC, HPLC, FT-IR, FAB-MS, NMR 등의 기기분석을 수행하고 요오드가를 측정하였다. 실험결과, 대두유 유래 바이오디젤은 불포화 지방산인 oleic acid, linoleic acid 및 linolenic acid가 85 wt%이상 함유되어 있고, 특히 활성 메틸렌기를 함유한 다불포화 지방산인 linoleic acid와 linolenic acid가 60 wt% 이상 함유되어 있어 상대적으로 자동산화가 쉽게 일어나는 것으로 추정되었다. 산화반응 시 주요 반응물질은 linoleic acid와 linolenic acid였으며, 이들의 라디칼 자동산화에 의해서 끓는점이 약 500 ℃ 전후에 있는 탄소수 36전후의 고분자 물질이 형성되는 것으로 확인되었다. 또한 이 들 고분자 물질은 이중결합이 상대적으로 적은 물질로서 carboxyl acid, aldehyde 및 alcohol일 것으로 추정되었으며, 이에 따라 대두유 유래 바이오디젤의 산화메커니즘도 추론할 수 있었다.
바이오디젤의 산화반응 후의 생성물에 대한 분석결과, 산가, 동점도 및 밀도가 대단히 높은 값을 나타내고 있어 바이오디젤은 산화시간이 경과 될수록 산가, 동점도 및 밀도 값이 비례적으로 증가할 것으로 판단되었다.
마지막으로, 바이오디젤, BD20, BD5 및 경유 각각의 시료에 대하여 자동차용 연료로서 가속산화에 따른 품질변화를 검토하고 사용수명을 예측하기 위하여 공기 공급하에서 상온, 43, 80, 100 ℃의 조건으로 저장하고 주단위로 시료를 채취하여 산가, 동점도 및 밀도를 측정하였다.
바이오디젤, BD20, BD5 및 경유는 산화가 진행될수록 산가, 동점도 및 밀도는 증가하였으며 특히 산가는 저장기간 및 온도상승에 따라 수십배 증가하는 등 가장 변화폭이 컸다. 그리고, 품질기준을 근거로 한 추세곡선식의 상관계수(R2)도 상대적으로 높게 나와 바이오디젤 연료의 산화 정도를 추정할 수 있는 변수로서 가장 유용한 항목으로 판단되었다. 산가 측정결과를 활용하여 임의의 온도조건에서 사용수명을 예측하기 위하여 화학속도론에 의거한 Arrhenius' equation을 적용하여 각각의 연료에 대한 사용 수명식을 다음과 같이 구하였다.
1.79291 × 103
ⅰ) 바이오디젤 : Log(Lifetime) = ――――――― - 4.52245
T
2.16232 × 103
ⅱ) BD20 : Log(Lifetime) = ――――――― - 5.52021
T
2.95113 × 103
ⅲ) BD5 : Log(Lifetime) = ――――――― - 7.35099
T
2.95813 × 103
ⅳ) 경유 : Log(Lifetime) = ――――――― - 6.89531
T
T : 절대온도 (K), Lifetime : 주(week)
위 식에 의해 각 온도조건에서 각각의 연료에 대한 사용수명을 구하면 다음 표와 같으며, 바이오디젤(BD100)이 가장 산화가 빠르게 진행되어 바이오디젤의 혼입량이 증가할수록 사용수명은 단축되는 것으로 확인되었다.
(unit : week)
Temp. (℃)
Product
Room
temp.
43
80
100
Biodiesel (BD100)
36
14
3.6
1.9
BD20
64
21
4.0
1.9
BD5
444
96
10
3.6
Petrodiesel (BD0)
1,342
289
30
11
본 연구는 우리나라에서 사용되고 있는 대두유 유래 바이오디젤 혼합연료에 대하여 산화특성을 해석하고 임의의 온도에서의 자동차용 연료로서 사용기간을 제시함으로써 향후 품질 향상을 위한 기초자료로서 활용될 수 있으리라 기대된다.
바이오디젤은 석유자원의 고갈에 대응하고 지구 온난화의 주요 원인인 온실가스와 대기오염물질인 자동차 배출가스를 감소시키기 위하여 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 연료로 주목받고 있다. 이러한 바이오디젤은 기존의 경유에 5%(BD5) 또는 20%(BD20) 혼합하여 디젤엔진 자동차용 연료로서 사용되기 시작하였으나 최근 고형물 생성에 의한 연료계통 필터막힘 등의 문제가 본격 제기되므로서 산화안정성에 대하여 관심을 갖게 되었다. 그동안 바이오디젤에 대한 연구는 자동차 배기가스 특성연구 등에 편중되었으며 특히 우리나라에서 사용되고 있는 대두유 유래 바이오디젤에 대한 산화특성 연구는 거의 없었다.
본 연구는 유럽에서 선행된 유채유 유래 바이오디젤의 산화특성 연구를 응용하여 국내에서 사용되고 있는 산화안정성이 상대적으로 열악한 대두유 유래 바이오디젤을 대상으로 산화 반응물질과 생성물질을 규명하여 산화 특성을 이해하고, 산화과정에서의 물리․화학적인 변화에 대한 고찰을 통하여 대두유 유래 바이오디젤의 혼합 농도에 따른 자동차용 연료로서의 사용한계와 사용수명식을 도출할 목적으로 수행되었으며 다음과 같은 내용으로 이루어졌다.
첫째, 경유에 대두유 유래 바이오디젤을 5%, 20% 혼합하고 바이오디젤(BD100), BD5, BD20 및 경유(BD0) 각각의 시료에 대하여 지방산 메틸에스터 성분분석과 연료품질기준에 해당되는 증류성상, 점도, 밀도, 산가 및 세탄가 등을 실험하여 기초적인 품질특성을 파악하였다.
둘째, 대두유 유래 바이오디젤의 산화특성을 해석하고 산화메커니즘을 추론하기 위하여 BD100을 공기공급하의 100 ℃의 조건에서 가속 산화시킨 후 산화 전․후의 시료에 대하여 GC, HPLC, FT-IR, FAB-MS, NMR 등의 기기분석을 수행하고 요오드가를 측정하였다. 실험결과, 대두유 유래 바이오디젤은 불포화 지방산인 oleic acid, linoleic acid 및 linolenic acid가 85 wt%이상 함유되어 있고, 특히 활성 메틸렌기를 함유한 다불포화 지방산인 linoleic acid와 linolenic acid가 60 wt% 이상 함유되어 있어 상대적으로 자동산화가 쉽게 일어나는 것으로 추정되었다. 산화반응 시 주요 반응물질은 linoleic acid와 linolenic acid였으며, 이들의 라디칼 자동산화에 의해서 끓는점이 약 500 ℃ 전후에 있는 탄소수 36전후의 고분자 물질이 형성되는 것으로 확인되었다. 또한 이 들 고분자 물질은 이중결합이 상대적으로 적은 물질로서 carboxyl acid, aldehyde 및 alcohol일 것으로 추정되었으며, 이에 따라 대두유 유래 바이오디젤의 산화메커니즘도 추론할 수 있었다.
바이오디젤의 산화반응 후의 생성물에 대한 분석결과, 산가, 동점도 및 밀도가 대단히 높은 값을 나타내고 있어 바이오디젤은 산화시간이 경과 될수록 산가, 동점도 및 밀도 값이 비례적으로 증가할 것으로 판단되었다.
마지막으로, 바이오디젤, BD20, BD5 및 경유 각각의 시료에 대하여 자동차용 연료로서 가속산화에 따른 품질변화를 검토하고 사용수명을 예측하기 위하여 공기 공급하에서 상온, 43, 80, 100 ℃의 조건으로 저장하고 주단위로 시료를 채취하여 산가, 동점도 및 밀도를 측정하였다.
바이오디젤, BD20, BD5 및 경유는 산화가 진행될수록 산가, 동점도 및 밀도는 증가하였으며 특히 산가는 저장기간 및 온도상승에 따라 수십배 증가하는 등 가장 변화폭이 컸다. 그리고, 품질기준을 근거로 한 추세곡선식의 상관계수(R2)도 상대적으로 높게 나와 바이오디젤 연료의 산화 정도를 추정할 수 있는 변수로서 가장 유용한 항목으로 판단되었다. 산가 측정결과를 활용하여 임의의 온도조건에서 사용수명을 예측하기 위하여 화학속도론에 의거한 Arrhenius' equation을 적용하여 각각의 연료에 대한 사용 수명식을 다음과 같이 구하였다.
1.79291 × 103
ⅰ) 바이오디젤 : Log(Lifetime) = ――――――― - 4.52245
T
2.16232 × 103
ⅱ) BD20 : Log(Lifetime) = ――――――― - 5.52021
T
2.95113 × 103
ⅲ) BD5 : Log(Lifetime) = ――――――― - 7.35099
T
2.95813 × 103
ⅳ) 경유 : Log(Lifetime) = ――――――― - 6.89531
T
T : 절대온도 (K), Lifetime : 주(week)
위 식에 의해 각 온도조건에서 각각의 연료에 대한 사용수명을 구하면 다음 표와 같으며, 바이오디젤(BD100)이 가장 산화가 빠르게 진행되어 바이오디젤의 혼입량이 증가할수록 사용수명은 단축되는 것으로 확인되었다.
(unit : week)
Temp. (℃)
Product
Room
temp.
43
80
100
Biodiesel (BD100)
36
14
3.6
1.9
BD20
64
21
4.0
1.9
BD5
444
96
10
3.6
Petrodiesel (BD0)
1,342
289
30
11
본 연구는 우리나라에서 사용되고 있는 대두유 유래 바이오디젤 혼합연료에 대하여 산화특성을 해석하고 임의의 온도에서의 자동차용 연료로서 사용기간을 제시함으로써 향후 품질 향상을 위한 기초자료로서 활용될 수 있으리라 기대된다.
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