[논문]유동점 강하제에 의한 바이오디젤 저온특성 향상

임영관; 이정민; 정충섭; 김종렬; 임의순

doi:10.9725/kstle.2011.27.2.109

유동점 강하제에 의한 바이오디젤 저온특성 향상
Improvement of Low Temperature Fuel Characteristics by Pour Point Depressant 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.27 no.2, 2011년, pp.109 - 114

임영관 (한국석유관리원 녹색기술연구소) , 이정민 (한국석유관리원 녹색기술연구소) , 정충섭 (한국석유관리원 녹색기술연구소) , 김종렬 (한국석유관리원 녹색기술연구소) , 임의순 (한국석유관리원 녹색기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The low temperature characteristics of automotive diesel have been legally regulated due to the fact that solid particle in diesel at low temperature can cause severe problems in the vehicle. The biodiesel is well known for eco-friendly fuel, which is one of the most popular alternative petrodiesel, but it is easy to solidified at low temperature than petrodiesel at low temperature. For that reason, in this study, we investigated the low temperature fuel characteristics of diesel-biodiesel blends which were prepared to mix 6 different kinds of biodiesel to winter diesel fuel, respectively. Also, we confirmed to improve low temperature fuel characteristics by pour point depressant.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

5 vol.% 함유된 클로로포름(CDCl₃)에 녹여 분석하였다. 적외선분광계(FT-IR spectra)는 JASCO 4100 FT-IR spectrometer를 이용하였다.
운점(Cloud point)과 유동점(Pour point)은 ASTM D 2500 방법에 의해 TANAKA사의 MPC-602를 이용하여 측정하였다. 4 mL의 시료를 용기에 채운 뒤, 45℃로 가온한 후, 분당 2.5℃의 속도로 냉각하면서 시료내에 파라핀 왁스와 고체상이 형성되기 시작하는 운점을 측정한 뒤, 온도를 더 낮추어 시료가 유동하지 않는 유동점을 측정하였다.
50 mL의 시료를 유리셀에 채운 뒤, 40℃로 가온한 후, 분당 1℃의 속도로 냉각시키면서 1.96 kpa 압력을 통해 필터(45 µm sieve)를 통과시켜, 흡입과 자유낙하의 속도가 60초를 넘는 온도를 CFPP로 판정하였다.
동절기용 경유에 6종류의 바이오디젤을 일정비율로 혼합한 후 운점, 유동점, 저온필터막힘점을 측정하였다.
본 연구에서는 동절기용 경유에 바이오디젤을 2%, 20%, 50% 비율로 혼합한 후 저온특성으로서 운점(cloud point), 유동점(pour point) 및 저온필터막힘점(CFPP; cold filter plugging point)를 측정하였다. 또한 이들 시료에 일정비율(500 ppm, 1000 ppm, 10000 ppm)의 유동점 강하제를 첨가한 후, 저온특성이 개선되는 것을 분석하였다.
먼저 본 연구에 사용된 등유유분, 경유유분 그리고 이들 유분을 이용하여 하절기와 동절기용 경유를 제조한 뒤, 이들 시료의 저온특성으로서 운점, 유동점, 저온필터막힘점을 측정하였다. 탄화수소 길이가 짧은 등유유분은 −53℃의 유동점을 보인 반면 경유유분의 경우 탄화수소 길이가 길기 때문에 쉽게 고체화되어 이보다 높은 온도인 −31℃의 유동점을 보였다.
본 연구는 국내에서 생산되는 동절기용 경유에 6종류의 바이오디젤을 일정 비율로 혼합한 뒤, 저온특성으로서 운점, 유동점, 저온필터막힘점을 측정하였다. 측정 결과 바이오디젤의 혼합농도가 증가할수록 운점, 유동점, 저온필터막힘점이 높은 값을 보이는 것으로 측정되었다.
본 연구에서는 동절기용 경유에 바이오디젤을 2%, 20%, 50% 비율로 혼합한 후 저온특성으로서 운점(cloud point), 유동점(pour point) 및 저온필터막힘점(CFPP; cold filter plugging point)를 측정하였다. 또한 이들 시료에 일정비율(500 ppm, 1000 ppm, 10000 ppm)의 유동점 강하제를 첨가한 후, 저온특성이 개선되는 것을 분석하였다.
식물성오일과 이로부터 합성된 바이오디젤의 구조를 분석하기 위해 사용된 핵자기공명분광기(nuclear magnetic resonance spectrometer, NMR)은 베리안사(Varian)의 400 MHz Varian Inova NMR을 이용하였고, 테크라메틸실란(tetramethylsilane, Me₄Si)이 0.5 vol.% 함유된 클로로포름(CDCl₃)에 녹여 분석하였다.
이는 높은 온도에서 쉽게 액체연료에서 고체입자가 형성되며, 이들 입자들의 크기가 커짐을 의미한다. 이를 해결하기 위해 유동점 강하제를 일정비율 혼합한 후 저온특성을 분석하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 6종류의 식물성오일은 시중에 유통되고 있는 상품을 구입하였으며, 바이오디젤의 합성에 사용된 KOH와 메탄올은 99.5% 순도의 TCI사 제품을 이용하였다. 컬럼크로마토그래피에 사용된 충진제는 Merck사의 230-400 mesh 실리카젤 제품을 사용하였으며, 반응종결을 모니터하기 위해 Merck사의 F245 indicator가 포함된 실리카젤 판(TLC)을 이용하였다.
본 실험에 사용된 경유와 등유유분은 SK에너지로부터 공급받았으며, 유동점 강하제는 인피늄사(Infineum)의 R773을 사용하였다.
본 연구에 사용된 유동점 강하제(R773)는 4℃의 운점과 −13℃의 유동점이 측정되었다.
% 함유된 클로로포름(CDCl₃)에 녹여 분석하였다. 적외선분광계(FT-IR spectra)는 JASCO 4100 FT-IR spectrometer를 이용하였다.
5% 순도의 TCI사 제품을 이용하였다. 컬럼크로마토그래피에 사용된 충진제는 Merck사의 230-400 mesh 실리카젤 제품을 사용하였으며, 반응종결을 모니터하기 위해 Merck사의 F245 indicator가 포함된 실리카젤 판(TLC)을 이용하였다.

이론/모형

운점(Cloud point)과 유동점(Pour point)은 ASTM D 2500 방법에 의해 TANAKA사의 MPC-602를 이용하여 측정하였다. 4 mL의 시료를 용기에 채운 뒤, 45℃로 가온한 후, 분당 2.
저온필터막힘점(CFPP; cold filter plugging point)은 ASTM D 6371 방법에 준하여 ISL사의 FPP 5Gs를 이용하여 측정하였다. 50 mL의 시료를 유리셀에 채운 뒤, 40℃로 가온한 후, 분당 1℃의 속도로 냉각시키면서 1.

성능/효과

BD 2%가 혼합된 경유시료는 낮은 온도에서도 우수한 저온특성(운점, 저온필터막힘점, 유동점)이 관찰되었으나, 바이오디젤의 농도가 높아질수록 저온특성이 저하되어 BD 50%의 경우, 유채유와 들기름으로부터 합성된 바이오디젤을 제외하고는 저온필터막힘점과 유동점이 높아져 모두 동절기용 경유로서 적합하지 못함을 확인하였다.
바이오디젤의 혼합농도가 높은 BD 50% 경우, 유동점 강하제에 의해 저온에서의 유동성은 개선되나 낮은 농도의 바이오디젤 혼합연료유(BD 2%, BD 20%)에 비해 저온특성 개선효과가 크지 않음을 볼 수 있었다. 또한 BD 50% 혼합연료유에서는 유동점 강하제의 첨가농도를 증가시켜도 운점의 개선효과가 나타나지 않음을 볼 수 있었다. 이는 본 연구에서 사용된 유동점 강하제는 석유디젤용으로 개발되었기 때문에 지방산 알킬에스테르 형태의 바이오디젤 적용에는 한계가 있는 것으로 판단되었다.
바이오디젤 혼합연료의 저온특성 분석 결과, 바이오디젤 혼합농도가 높아질수록 높은 온도의 저온특성이 관찰되었다. 이는 높은 온도에서 쉽게 액체연료에서 고체입자가 형성되며, 이들 입자들의 크기가 커짐을 의미한다.
바이오디젤의 혼합농도가 높은 BD 50% 경우, 유동점 강하제에 의해 저온에서의 유동성은 개선되나 낮은 농도의 바이오디젤 혼합연료유(BD 2%, BD 20%)에 비해 저온특성 개선효과가 크지 않음을 볼 수 있었다. 또한 BD 50% 혼합연료유에서는 유동점 강하제의 첨가농도를 증가시켜도 운점의 개선효과가 나타나지 않음을 볼 수 있었다.
바이오디젤이 포함되어있는 유기용매층을 무수 MgSO₄를 넣어 수분을 제거하고, MgSO₄ hydrate는 필터를 통해 제거하였다. 유기용매를 회전감압증발기(rotary vacuo evaporator)를 통해 농축시킨뒤, 실리카젤이 충진된 컬럼크로마토그래피(Hexane : EtOAc = 30 : 1)를 이용해 바이오디젤을 정제하여 투명한 액체형태의 바이오디젤을 86-96%의 수율로 얻었다.
측정 결과 바이오디젤의 혼합농도가 증가할수록 운점, 유동점, 저온필터막힘점이 높은 값을 보이는 것으로 측정되었다. 이들 시료에 유동점 강하제를 일정비율 혼합시켜 저온특성을 분석한 결과, 유동점 강하제의 첨가농도가 증가할수록 저온특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 바이오디젤의 혼합농도를 50%로 증가하였을 경우, 유동점 강하제의 첨가농도가 증가하더라도 저온특성이 크게 개선되지 않는 것을 볼 수 있었다.
저온특성(운점, 저온필터막힘점, 유동점)이 좋지 않은 바이오디젤 혼합연료유에 유동점 강하제를 혼합하였을 경우 저온특성이 개선됨을 확인할 수 있었으며, BD 2%와 BD 20% 혼합연료유 모두 국내 법규(저온 필터막힘점, 유동점)에 만족하는 측정치를 보였다. Table 4는 50% 바이오디젤이 혼합된 동절기용 경유에 유동점 강하제를 혼합한 후 저온특성을 분석한 결과를 보여주고 있다.
본 연구는 국내에서 생산되는 동절기용 경유에 6종류의 바이오디젤을 일정 비율로 혼합한 뒤, 저온특성으로서 운점, 유동점, 저온필터막힘점을 측정하였다. 측정 결과 바이오디젤의 혼합농도가 증가할수록 운점, 유동점, 저온필터막힘점이 높은 값을 보이는 것으로 측정되었다. 이들 시료에 유동점 강하제를 일정비율 혼합시켜 저온특성을 분석한 결과, 유동점 강하제의 첨가농도가 증가할수록 저온특성이 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

하지만, 바이오디젤의 혼합농도를 50%로 증가하였을 경우, 유동점 강하제의 첨가농도가 증가하더라도 저온특성이 크게 개선되지 않는 것을 볼 수 있었다. 이는 기존 유동점 강하제가 석유디젤에 적합하게 개발되어 있기 때문으로 판단되며, 따라서 바이오디젤 혼합연료용 유동점 강하제의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
또한 BD 50% 혼합연료유에서는 유동점 강하제의 첨가농도를 증가시켜도 운점의 개선효과가 나타나지 않음을 볼 수 있었다. 이는 본 연구에서 사용된 유동점 강하제는 석유디젤용으로 개발되었기 때문에 지방산 알킬에스테르 형태의 바이오디젤 적용에는 한계가 있는 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오디젤의 장점은 무엇인가?	바이오디젤은 식물성 기름이나 동물성 지방으로부터 합성된 바이오연료로 기존의 석유디젤과 유사한 착화성을 지녀 압축착화엔진인 디젤차량의 엔진 및 기계부품의 특별한 변경없이 직접 사용 또는 석유디젤과 일정 비율로 혼합하여 사용 가능하다는 장점을 지니고 있다 [3]. 이러한 대체연료로서 바이오디젤(biodiesel, BD)은 미생물에 의한 높은 생분해성을 지니고 있으며, 기존 화석연료에 비해 독성이 낮고, 입자상 물질(particulate matter)과 오염물질 배출량이 현저하게 낮은 것으로 보고되어 있다[4].
	바이오디젤의 단점으로 대두되는 석유디젤에 비해 높은 어는점은 어떠한 결과를 초래하는가?	이와 같이 바이오디젤의 환경적 측면이나 연료적 측면을 고려할 때 큰 장점을 지니고 있지만 바이오디젤은 지방산 알킬에스테르(fatty acid alkyl ester) 형태의 분자구조를 지니고 있기 때문에 파라핀이 주성분인 기존의 석유디젤에 비해 어는점이 높다는 단점을 지니고 있다[10]. 이는 저온에서 결정형태로 석출되어 연료의 유동성감소와 연료필터의 막힘현상을 초래하여 자동차의 원활한 연료공급 및 시동성에 문제를 일으킬 수 있다[11]. 따라서 바이오디젤을 사용하는 국가에서는 저온특성을 법적으로 규정을 하고 있으며 국내의 경우, 자동차용 경유의 필터막힘점은 −16℃, 유동점은 0℃ (동절기 −17.
	바이오디젤이란 무엇인가?	바이오디젤은 식물성 기름이나 동물성 지방으로부터 합성된 바이오연료로 기존의 석유디젤과 유사한 착화성을 지녀 압축착화엔진인 디젤차량의 엔진 및 기계부품의 특별한 변경없이 직접 사용 또는 석유디젤과 일정 비율로 혼합하여 사용 가능하다는 장점을 지니고 있다 [3]. 이러한 대체연료로서 바이오디젤(biodiesel, BD)은 미생물에 의한 높은 생분해성을 지니고 있으며, 기존 화석연료에 비해 독성이 낮고, 입자상 물질(particulate matter)과 오염물질 배출량이 현저하게 낮은 것으로 보고되어 있다[4].

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

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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