[논문]이온교환수지를 이용한 식물유지의 전처리 및 바이오디젤 생산

홍연기; 허윤석; 홍원희; 오성우

[국내논문] 이온교환수지를 이용한 식물유지의 전처리 및 바이오디젤 생산
Pretreatment of Vegetable Oil Using Ion-exchange Resin and Biodiesel Production 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.13 no.2 = no.37, 2007년, pp.104 - 108

홍연기 (충주대학교 화공생물공학과) , 허윤석 (한국과학기술원 생명화학공학과) , 홍원희 (한국과학기술원 생명화학공학과) , 오성우 (쓰리엠안전개발(주))

초록
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바이오디젤은 식물성 또는 동물성 유지를 알콜과 화학적으로 반응하여 얻어진 지방산 알킬에스터로서 친환경적인 대체에너지로 주목받고 있다. 본 연구에서 폐식용유와 유채유에 대한 전처리 공정에 고체 산(acid)이온 교환수지를 도입하여 자유지방산을 제거함으로써 바이오디젤로의 전환율을 높이고자 하였다. 이온교환수지를 이용한 전처리를 통해 자유지방산의 90%이상을 제거할 수 있었으며 젖은 상태의 수지보다 건조 상태의 수지의 자유지방산 제거효율이 높은 것으로 나타났다. 전이에스테르화를 통해 최대 98%의 수율로 지방산 메틸에스터를 얻을 수 있었으며 본 연구 결과는 자유지방산의 제거가 필요한 바이오디젤 원료유의 전처리에 효과적으로 적용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Biodiesel is a fatty acid alkyl ester produced by chemical reaction of a vegetable oil or animal fat and an alcohol. It is getting attention as a clean alternative energy that can replace gas oils. In this study, strong acidic ion exchange resin was introduced in the pretreatment process of the used cooking oil and rapeseed oil to enhance the conversion of the oil to the biodiesel by removing FFA(free fatty acid). More than 90% FFA was removed. Dry resins showed higher FFA removal efficiency than wet resins. Using transesterification the conversion of triglyceride into fatty acid methyl ester was raised up to 98%. These results can be applicable to the pretreatment of biodiesel feedstocks having high acidic value.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

설정된 온도에 도달하면 교반을 멈추고 40% NaOH 수용액 (30% 과잉)을 첨가한 후 600 rpm 으로 교반을 시작한다. 5분간 반응시킨 후 교반을 멈추고 원심분리하여 생성된 염을 분리한 후 수세하여 미량의 염을 제거하여 유리지방산이 제거된 유지의 양의 측정하였다. 원심분리 후 유지 중에 남아있는 미량의 염 제거를 위한 수세용 물은 50℃의 온수를 사용하였다.
본 연구에서는 강산성 이온교환수지를 이용하여 식물유지 내의 자유지방산 제거를 위한 전처리를 실시하고 이를 전이에스테르화 하여 바이오디젤을 제조하였다. 강산성 이온교환수지를 이용한 전처리를 통해 유지에 포함된 자유지방산을 효과적으로 제거할 수 있었으며 이후 전이에스테르화를 통해 90% 이상의 높은 지방산 메틸에스터를 얻을 수 있었다.
처음에는 산촉매 전처리를 통해 자유지방산을 지방산 메틸에스터로 전환 할 수 있고 두 번째 단계로서 염기촉매를 사용한 전이에스테르화 반응을 통해 반응을 완결할 수 있다. 본 연구에서는 전처리를 위해 균질계 촉매로서 NaOH, 비균질계 촉매로서 이온교환수지를 적용하여 자유지방산의 전환율을 살펴보았다. 전처리된 유지는 염기촉매를 이용해 전이에스테르화 한 후 침강 및 수세 공정을 거쳐 최종적인 바이오디젤을 형성하게 되는데 이에 대한 전처리 과정의 영향을 살펴보았다.
본 연구에서는 전처리를 위해 균질계 촉매로서 NaOH, 비균질계 촉매로서 이온교환수지를 적용하여 자유지방산의 전환율을 살펴보았다. 전처리된 유지는 염기촉매를 이용해 전이에스테르화 한 후 침강 및 수세 공정을 거쳐 최종적인 바이오디젤을 형성하게 되는데 이에 대한 전처리 과정의 영향을 살펴보았다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 유채유 및 폐식용유는 쓰리엠안전개발 (주)에서 공급받았다. 강산성 이온교환수지의 경우 Amberlyst-15, 35 (Rohm & Haas, Philadelphia, USA), Dowex 50 WX 8-40, 200 (Supelco, Bellefonte, USA), Diaion SPC-320H (이륭화학, 한국)을 사용하였다. 사용된 이온교환수지의 작용기는 모두 황산이며 Dowex 50 WX 8-200을 제외한 모든 수지는 gel형태이다.
본 실험에서 사용한 유채유 및 폐식용유는 쓰리엠안전개발 (주)에서 공급받았다. 강산성 이온교환수지의 경우 Amberlyst-15, 35 (Rohm & Haas, Philadelphia, USA), Dowex 50 WX 8-40, 200 (Supelco, Bellefonte, USA), Diaion SPC-320H (이륭화학, 한국)을 사용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 강산성 이온교환수지를 이용하여 식물유지 내의 자유지방산 제거를 위한 전처리를 실시하고 이를 전이에스테르화 하여 바이오디젤을 제조하였다. 강산성 이온교환수지를 이용한 전처리를 통해 유지에 포함된 자유지방산을 효과적으로 제거할 수 있었으며 이후 전이에스테르화를 통해 90% 이상의 높은 지방산 메틸에스터를 얻을 수 있었다. 또한 이온교환수지는 젖은 상태 보다는 건조 상태가 자유지방산을 더 효과적으로 제거할 수 있었으며, 이후의 전이에스테르화 반응의 전환율에도 영향을 미치는 것으로 나타났다.
Figure 1과 2에서는 폐식용유에 대한 강산성 이온교환수지를 이용한 전처리 결과가 제시되어 있다. 건조형태의 Amberlyst-15를 전처리 촉매로 사용했을 때 약 79%의 높은 자유지방산 제거효율을 보임을 알 수 있다. 자유지방산 제거속도는 10분대에 65%정도에 도달할 정도로 빠르게 진행됨을 알 수 있다.
젖은 상태 중에서 가장 제거효율이 좋은 것은 Amberlyst-15로서 약 59%이다. 결론적으로 자유지방산 제거를 위한 공정에서 균일계 촉매를 이온교환수지로 대체하기 위해서는 촉매의 전처리를 통해 건조 상태로 전환해야 함을 알 수 있다.
이는 촉매 자체의 수분이 유지와 자유지방산이 촉매와의 접촉을 어렵게 하기 때문에 즉, 반응물과 촉매와의 접촉이 원활하지 않은 것으로 해석할 수 있다. 그러나 Amberlyst-15의 자유지방산 제거효율은 균일계 촉매인 NaOH를 이용한 중화전처리에서의 자유지방산 제거효율과 비교할 때 NaOH보다 높은 자유지방산 제거효율을 보임으로써 불균일계 촉매가 자유지방산 제거를 위한 전처리공정에 더 적합한 것을 알 수 있다. 그러나 젖은 상태의 경우에는 NaOH보다 낮은 제거효율을 나타냄을 알 수 있다.
Dowex 50 WX 8-40, Dowex 50 WX 8-200은 겔형태의 강산성 수지이며 수분의 함량은 앞선 이온교환수지에 비해 더 높다. 그러나 이들 이온교환수지는 높은 수분함량에 따른 자유지방산 제거효율 저하뿐만 아니라 조업 중에 수지의 일부가 부서지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 장기적인 조업을 필요로 하는 산업적 용도로는 적합하지 않음을 알 수 있다.
또한 수지자체가 갖고 있는 수분 측면에서도 젖은 형태의 수지로 전처리된 샘플의 경우 건조 형태의 수지로 전처리된 샘플에 비해 높은 수분 함량을 갖고 있기 때문에 더 낮은 전환율을 보인다고 할 수 있다. 따라서 전처리를 통해 자유지방산의 함량을 낮추고 사용되는 이온교환수지를 전처리하여 수지내의 수분을 제거하게 되면 바이오디젤의 전환율을 높일 수 있는 것을 확인할 수 있다. 촉매의 전처리는 수분을 잘 용해하는 에탄올의 농도를 순차적으로 높여 촉매에 흘려 줌으로써 수분을 용출시키는 과정을 말한다.
강산성 이온교환수지를 이용한 전처리를 통해 유지에 포함된 자유지방산을 효과적으로 제거할 수 있었으며 이후 전이에스테르화를 통해 90% 이상의 높은 지방산 메틸에스터를 얻을 수 있었다. 또한 이온교환수지는 젖은 상태 보다는 건조 상태가 자유지방산을 더 효과적으로 제거할 수 있었으며, 이후의 전이에스테르화 반응의 전환율에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 강산성 이온교환수지를 이용한 자유지방산 제거공정은 실제 공정에도 적용 가능할 것으로 판단되며 전이에스테르화 반응공정에 대해서도 기존 균일계 염기촉매를 대체할 수 있는 고체상 촉매의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
Figure 3-5에서는 고체 강산성촉매로 전처리된 폐유지 샘플을 이용한 전이에스테르화 실험결과를 보여주고 있다. 실험결과 자유지방산도가 낮은 샘플에서 다소 높은 메틸에스터 전환율을 보였다. 즉, Figure 3에서 건조형태의 Amberlyst-15로 전처리된 샘플의 경우 최대 지방산 메틸에스터의 전환율이 약 96%에 달하는 반면, 젖은 형태의 Amberlyst-15로 전처리된 샘플의 경우에는 그 보다 다소 낮은 전환율을 보이고 있으며 Figure 4에서 제시된 Amberlyst-35의 경우에는 그 차이가 더 커짐을 알 수 있다.
Table 3에서는 이온교환수지에 의해 전처리된 폐식용유와유채유를 전이에스테르화 한 후에 얻은 샘플 50g에 대한 지방산 메틸에스터의 조성을 보여주고 있다. 일반적으로 알려진대로 유채유의 경우 폐식용유와는 달리 올레산 메틸에스터의 함량이 가장 높음을 알 수 있었고, 불포화지방산인 리놀레닉산 메틸에스터의 함량이 높게 나타났다. 올레인산을 제외한 이중결합이 2개 이상 포함된 지방산 메틸에스터의 경우 산화안정도는 낮지만 저온유동성이 좋은 것으로 알려져 있다.

후속연구

또한 이온교환수지는 젖은 상태 보다는 건조 상태가 자유지방산을 더 효과적으로 제거할 수 있었으며, 이후의 전이에스테르화 반응의 전환율에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 강산성 이온교환수지를 이용한 자유지방산 제거공정은 실제 공정에도 적용 가능할 것으로 판단되며 전이에스테르화 반응공정에 대해서도 기존 균일계 염기촉매를 대체할 수 있는 고체상 촉매의 개발이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오디젤이란 무엇인가?	바이오디젤은 식물성 유지나 동물성 지방을 알콜과 화학적으로 반응시켜 얻어지는 지방산알킬에스터(fatty acid alkyl ester, FAAE)를 말한다. 이와 같이 바이오매스의 화학적 변환을 통해 얻어진 에스터는 석유계 디젤유와 혼합되어 사용된다.
	전이에스테르화에 영향을 미치는 중요한 변수 두 가지는 무엇인가?	전이에스테르화에 영향을 미치는 중요한 변수로서 자유 지방산(free fatty acid, FFA)과 수분 함량을 들 수 있다. 염기촉매에 의한 전이에스테르화 반응에 사용되는 유지는 특정 규격을 만족해야 한다.
	바이오디젤이 지구 온난화에 대응이 가능한 청정연료라고 불리는 이유는?	일반적으로 바이오디젤은 석유유래 디젤에 비해 비용이 높지만 생분해성, 무독성, 연소시 미세먼지 및 황성분의 배출이 대폭 줄어든다는 측면에서 장점을 가진다. 또한 연소시 발생한 이산화탄소를 원료 작물의 재배를 통해서 흡수할 수 있으므로 이산화탄소의 배출량을 대폭 줄일 수 있다는 점에서 지구 온난화에 대한 대응이 가능한 청정연료라고 할 수 있다[1].

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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