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문제 정의
- 본 연구에서는 화학적 분리방법인 항유화제 첨가법을 사용하여 비튜멘 에멀전을 효율적으로 분리할 수 있는 방안에 대해서 연구하였다. 이를 위하여 모터오일과 아스팔트를 사용하여 비튜멘 에멀전을 모사하였고, 분리효율이 높은 항유화제를 선택하였다.
제안 방법
- , MUS-2080M)와 실험실용 교반기를 사용하였다. 85%의 모터오일과 15%의 물을 약 10시간 동안 27,000~28,000 Hz의 주파수와 1,000 rpm 으로 균일하게 섞은 다음 장치의 탱크에 넣고 온도를 유지시켜주며 다양한 변수를 주어 효과적인 분리조건을 찾는 실험을 하였다. 실험에 사용된 실험조건은 Table 2에 나타내었다.
- 만들어진 에멀전은 85%의 모터오일(300 mL)과 15%의 물(53 mL)을 30분 동안 27,000~28,000 Hz의 주파수로 균일하게 섞은 다음 수조에서 온도를 유지시켜준다. 그 다음 항유화제를 에멀전에 넣고 에멀전이 완전히 분리될 때까지 매 시간마다 분리효율을 측정하였다. 항유화제 각각의 종류에 따라 농도(0.
- 본 실험에서 비튜멘의 모사물질로 현대기어오일 85 W/140을 사용하였고, 물은 1차 증류수를 사용하였다. 또한, 물의 높이(h)를 1 cm (용량 100 mL) 로 고정하고 전압, 체류시간, 온도, 전류 등의 조건을 변화시켜가며 실험을 실시하여 에멀전의 효과적인 분리를 위한 조건을 알아보았다.
- 모터오일의 점도는 회전형점도계 (Brookfield, LVT)를 사용하여 측정하였다. 또한, 사용된 항유화제는 문헌조사를 통해 성능이 높은 것으로 알려진 총 8가지의 항유화제를 사용하였으며 사용된 항유화제는 다시 지용성(oil soluble) 항유화제인 카프로락탐(caprolactam), 헥실아민(hexylamine), 디메틸아세트아마이드(N,N-dimetylacetamide), 말레산무수물(maleic anhydride)과 수용성(water soluble) 항유화제인 아크릴산(acrylic acid), 부틸 아크릴레이트(butyl acrylate), 에틸헥실아크릴레이트(2-ethylhexylacrylate), 메타크릴산메틸(methyl methacrylate)로 Table 1과 같이 분류하여 실험을 진행하였다.
- 이를 위하여 모터오일과 아스팔트를 사용하여 비튜멘 에멀전을 모사하였고, 분리효율이 높은 항유화제를 선택하였다. 또한, 실제 오일샌드로부터 비튜멘을 추출하고 에 멀전을 제조하여 항유화제의 종류와 농도에 따른 분리효율을 조사하였으며, 실험실규모의 전기장을 이용한 오일처리기(oil treater)를 설계, 제작하여 제작된 장치와 항유화제를 연계시킨 복합오일처리기를 통해 에멀전의 분리효율을 조사하였다.
- 5 W/30)과 현대기어 오일(Hyundai gear oil 85 W/140)이고 물은 1차 증류수를 사용하였다. 모터오일의 점도는 회전형점도계 (Brookfield, LVT)를 사용하여 측정하였다. 또한, 사용된 항유화제는 문헌조사를 통해 성능이 높은 것으로 알려진 총 8가지의 항유화제를 사용하였으며 사용된 항유화제는 다시 지용성(oil soluble) 항유화제인 카프로락탐(caprolactam), 헥실아민(hexylamine), 디메틸아세트아마이드(N,N-dimetylacetamide), 말레산무수물(maleic anhydride)과 수용성(water soluble) 항유화제인 아크릴산(acrylic acid), 부틸 아크릴레이트(butyl acrylate), 에틸헥실아크릴레이트(2-ethylhexylacrylate), 메타크릴산메틸(methyl methacrylate)로 Table 1과 같이 분류하여 실험을 진행하였다.
- 본 논문에서는 비튜멘 에멀전에서 효과적으로 물을 분리하기 위하여 비튜멘 모사물질로 모터오일 이용해 기초실험을 실시하였으며, 기초실험을 통하여 항유화제의 종류별, 농도별 성능을 파악하여 성능이 우수한 항유화제를 선택하여 아스팔트와 실제 비튜멘을 이용하여 물 분리실험을 실시하였다. 항유화제를 사용하지 않을 경우 매우 낮은 물 분리 효율을 보여주었으며, 말레산무수물, 카프로락탐, 에틸헥실아크릴레이트 그리고 아크릴산과 같은 항유화제를 사용할 경우 좋은 물 분리 효율을 보여 주었다.
- 본 연구에서는 초음파기(Myung Sung Ultrasonic Co., MUS2080M)를 사용하여 모터오일과 물의 에멀전을 만들었다. 만들어진 에멀전은 85%의 모터오일(300 mL)과 15%의 물(53 mL)을 30분 동안 27,000~28,000 Hz의 주파수로 균일하게 섞은 다음 수조에서 온도를 유지시켜준다.
- 앞의 기초실험을 통해 효율이 가장 높은 항유화제를 선택하여 도로포장용 아스팔트(AP-5, KS M 2201, (주)동남유화)에 적용하여 분리효율을 알아보았다. 실험에서 사용되는 아스팔트(150 g)는 상온(25 ℃)에서 고체형체로 나타나기 때문에 온도를 80 ℃로 높여서 물(27 mL)과 혼합하여 에멀전을 만든 후, 톨루엔을 넣어주어 점도를 10 cP 이하로 낮춘 후 온도는 40℃로 유지시키면서 기초실험을 통해 성능이 좋은 항유화제를 선택하여 모터오일과 같은 조건으로 분리효율을 측정하였다.
- 아스팔트 에멀전과 비튜멘 에멀전의 물 분리실험에 사용할 최적의 항유화제를 선택하기 위하여 GS칼텍스 오일을 사용하여 기초실험을 진행하였다. 실험온도는 40 ℃였고, 각각의 항유화제는 0.
- 앞의 기초실험을 통해 효율이 가장 높은 항유화제를 선택하여 도로포장용 아스팔트(AP-5, KS M 2201, (주)동남유화)에 적용하여 분리효율을 알아보았다. 실험에서 사용되는 아스팔트(150 g)는 상온(25 ℃)에서 고체형체로 나타나기 때문에 온도를 80 ℃로 높여서 물(27 mL)과 혼합하여 에멀전을 만든 후, 톨루엔을 넣어주어 점도를 10 cP 이하로 낮춘 후 온도는 40℃로 유지시키면서 기초실험을 통해 성능이 좋은 항유화제를 선택하여 모터오일과 같은 조건으로 분리효율을 측정하였다.
- 본 연구에서는 화학적 분리방법인 항유화제 첨가법을 사용하여 비튜멘 에멀전을 효율적으로 분리할 수 있는 방안에 대해서 연구하였다. 이를 위하여 모터오일과 아스팔트를 사용하여 비튜멘 에멀전을 모사하였고, 분리효율이 높은 항유화제를 선택하였다. 또한, 실제 오일샌드로부터 비튜멘을 추출하고 에 멀전을 제조하여 항유화제의 종류와 농도에 따른 분리효율을 조사하였으며, 실험실규모의 전기장을 이용한 오일처리기(oil treater)를 설계, 제작하여 제작된 장치와 항유화제를 연계시킨 복합오일처리기를 통해 에멀전의 분리효율을 조사하였다.
- 전기장을 이용하여 비튜멘 에멀전을 효과적으로 분리하기 위하여 Figure 3과 같이 실험실규모의 오일처리기를 제작하여 실험을 실시하였다. 탱크의 물/오일 에멀전이 펌프에 의해 오일 처리기에 원심력에 의해 돌면서 주입된다.
- 그 다음 항유화제를 에멀전에 넣고 에멀전이 완전히 분리될 때까지 매 시간마다 분리효율을 측정하였다. 항유화제 각각의 종류에 따라 농도(0.01~0.4 mol/L)를 변화시켜 분리효율을 측정하였으며, 항유화제를 넣지 않았을 때의 에멀전의 분리 상태를 측정하여 비교실험하였다.
대상 데이터
- 이러한 과정을 거치면서 물은 아랫부분에 모이고 오일은 윗부분의 출구로 나가게 된다. 본 실험에서 비튜멘의 모사물질로 현대기어오일 85 W/140을 사용하였고, 물은 1차 증류수를 사용하였다. 또한, 물의 높이(h)를 1 cm (용량 100 mL) 로 고정하고 전압, 체류시간, 온도, 전류 등의 조건을 변화시켜가며 실험을 실시하여 에멀전의 효과적인 분리를 위한 조건을 알아보았다.
- 본 연구에서 사용된 비튜멘은 캐나다 알버타주에서 노천채굴에 의해 생산된 오일샌드(Athabasca oilsand, Syncrude Canada Ltd., Suncor Energy Inc.)를 사용하였다. 이 오일샌드에는 비튜멘이 10~15% 함유되어 있어 두 가지 방법을 이용하여 추출하였다.
- 본 연구에서는 비튜멘의 모사물질로 사용한 모터오일은 각각의 점도가 다른 GS칼텍스 오일(GS Caltex, Deluxe Gold V 7.5 W/30)과 현대기어 오일(Hyundai gear oil 85 W/140)이고 물은 1차 증류수를 사용하였다. 모터오일의 점도는 회전형점도계 (Brookfield, LVT)를 사용하여 측정하였다.
- 실험에 사용될 모터오일과 물의 에멀전(약 12 L)을 만들기 위해 초음파기(Myung Sung Ultrasonic Co., MUS-2080M)와 실험실용 교반기를 사용하였다. 85%의 모터오일과 15%의 물을 약 10시간 동안 27,000~28,000 Hz의 주파수와 1,000 rpm 으로 균일하게 섞은 다음 장치의 탱크에 넣고 온도를 유지시켜주며 다양한 변수를 주어 효과적인 분리조건을 찾는 실험을 하였다.
성능/효과
- GS칼텍스 오일과 현대기어 오일을 이용한 기초실험을 통하여 지용성 항유화제 중 말레산무수물과 카프로락탐, 수용성 항유화제 중 에틸헥실아크릴레이트, 아크릴산이 비교적 물 분리성능이 좋은 항유화제임을 확인할 수 있었다.
- 따라서 항유화제를 사용하는 화학적 방법과 전기장을 사용하는 분리방법을 연계하여 물 분리 효율을 측정하였을 때 화학적 처리법과 전기장을 사용하는 처리법을 각각 사용하는 방법보다 더 높은 분리효율을 나타낸다는 것을 확인하였다.
- 부틸 아크릴레이트의 경우 모든 농도에서 10% 미만의 물 분리효율을 보여 물/오일 에멀전에서 거의 물이 분리가 되지 않았음을 알 수 있었다. 또한, 메타크릴산메틸과 에틸헥실아크릴레이트의 경우, 항유화제의 농도가 낮을 때 높은 물 분리효율을 보였지만, 항유화제의 농도가 증가할수록 분리효율이 감소하였다. 특히 메타크릴산메틸의 경우 0.
- 먼저 항유화제인 말레산무수물을 사용했을 경우 물 분리 효율은 약 75% 정도를 나타냈으며 전기장을 이용하여 약 24시간 동안 물 분리를 진행한 결과 분리효율은 52%를 나타내었다. 마지막으로, 항유화제와 전기장분리방법을 결합하여 진행하였을 경우 물 분리의 효율은 약 92% 정도로 현재 상용화 되어져 사용되는 분리공정의 평균적인 분리효율인 77%보다 15% 높은 물 분리효율을 보여주었다.
- Figure 7은 모터오일에서 좋은 성능을 보였던 지용성 항유화제인 말레산무수물과 카프로락탐 및 수용성 항유화제인 에틸헥실아크릴레이트, 아크릴산을 항유화제로 사용하여 아스팔트 에멀전의 물 분리효율을 나타낸 그래프이다. 말레산무수물과 카프로락탐의 경우 0.03 mol/L일 때 각각 72.1%와 74.5%로 낮은 농도에서 높은 효율을 보였지만, 항유화제의 농도가 증가함에 따라 그 분리효율이 감소하는 경향을 보였다. 아크릴산의 경우 0.
- Figure 9는 3가지의 분리방법을 사용하여 비튜멘 에멀전을의 분리효율을 측정한 결과이다. 먼저 항유화제인 말레산무수물을 사용했을 경우 물 분리 효율은 약 75% 정도를 나타냈으며 전기장을 이용하여 약 24시간 동안 물 분리를 진행한 결과 분리효율은 52%를 나타내었다. 마지막으로, 항유화제와 전기장분리방법을 결합하여 진행하였을 경우 물 분리의 효율은 약 92% 정도로 현재 상용화 되어져 사용되는 분리공정의 평균적인 분리효율인 77%보다 15% 높은 물 분리효율을 보여주었다.
- Figure 6(b)는 수용성 항유화제를 이용하여 물 분리성능을 나타낸 그래프이다. 부틸 아크릴레이트, 메타크릴산메틸, 애탈핵살아크릴레이트의 경우 0.1 moL/L 이하의 농도에서 높은 물 분리효율을 보였지만, 0.1 moL/L 이상의 농도에서는 물 분리효율이 감소하는 경향을 보였다. 반면, 아크릴산의 경우 0.
- 비튜멘 에멀전을 이용한 실험에서 수용성 항유화제인 아크릴산은 전반적인 농도범위에서 약 70%의 물 분리효율을 유지하였다. 하지만, 지용성 항유화제인 말레산무수물의 경우에는 항유화제의 농도가 증가할수록 분리효율 또한 증가하는 모습을 보였다.
- Figure 8은 앞선 모터오일 및 아스팔트 에멀전에서 좋은 성능을 보였던 지용성 항유화제인 말레산무수물과 카프로락탐 및 수용성 항유화제인 아크릴산을 항유화제로 사용하여 비튜멘 에멀전의 물 분리효율을 나타낸 결과이다. 수용성 항유화제인 아크릴산은 전반적인 농도범위에서 약 70%대의 물 분리효율을 유지하는 것을 보였다. 하지만, 지용성 항유화제인 말레산무수물의 경우에는 항유화제의 농도가 증가할수록 분리효율 또한 증가하는 모습을 보였다.
- 아스팔트 에멀전에서의 물 분리효율과 비교하여 카프로락탐과 아크릴산의 경우 각각 항유화제의 농도가 증가할수록 물 분리효율이 감소하는 것과 유지하는 것이 비슷한 경향을 보였다. 하지만, 말레산무수물의 경우 아스팔트 에멀전에서는 항유화제의 농도가 증가할수록 물 분리효율이 감소하는 경향을 보였지만, 비튜멘 에멀전에서는 물 분리 효율이 증가하는 경향을 보였다.
- 5%로 낮은 농도에서 높은 효율을 보였지만, 항유화제의 농도가 증가함에 따라 그 분리효율이 감소하는 경향을 보였다. 아크릴산의 경우 0.4 mol/L일 때 59.5%의 물 분리효율을 보였고, 에틸헥실아크릴레이트의 경우 0.2 mol/L일 때 47.6%의 물 분리효율을 보였지만, 전체적인 농도범위에서의 지용성 항유화제인 말레산무수물과 카프로락탐의 물 분리성능이 수용성 항유화제인 에틸헥실아크릴레이트와 아크릴산의 물 분리성능에 비교하여 높은 것을 알 수 있었다. 이는 오일이 많은 에멀전에서 지용성 항유화제가 수용성 항유화제보다 더 효과적으로 에멀전에 용해되어 작용하였기 때문이라고 판단된다.
- Figure 4는 회전형 점도계(LVT, Brookfield)를 사용하여 측정한 모터오일 및 모터오일 에멀전의 점도를 측정하여 그래프로 나타낸 것이다. 온도가 증가함에 따라 모든 오일의 점도가 감소하는 경향을 나타냈고, GS칼텍스 오일 에멀전 및 현대기어오일 에멀전 모두 물을 섞지 않은 순수한 오일과 비교하여 점도가 증가하는 경향을 보였다. 실험을 실시한 온도인 40 ℃에서 GS칼텍스 오일을 이용한 에멀전의 경우 73 cP였고, 현대기어오일을 이용한 에멀전의 경우 288 cP의 점도를 나타냈다.
- 하지만, 말레산무수물의 경우 아스팔트 에멀전에서는 항유화제의 농도가 증가할수록 물 분리효율이 감소하는 경향을 보였지만, 비튜멘 에멀전에서는 물 분리 효율이 증가하는 경향을 보였다. 이 결과는 각각의 항유화제의 화학 및 물리적 특성이 중요하게 작용한다는 것을 알 수 있으며, 항유화제의 화학적 특성은 각각의 오일성분에 따라 항유화제의 농도가 분리효율에 많은 영향을 준다는 것을 확인하였다.
- 4 moL/L일 때 약 85%의 높은 물 분리효율을 보였다. 카프로락탐의 경우 0.1 moL/L의 항유화제 농도에서 94%의 매우 높은 물 분리효율을 보이는 등 낮은 농도에서 높은 물 분리 효율을 보였지만, 항유화제의 농도가 증가할수록 물 분리효율 감소하는 것을 확인하였다.
- 또한, 메타크릴산메틸과 에틸헥실아크릴레이트의 경우, 항유화제의 농도가 낮을 때 높은 물 분리효율을 보였지만, 항유화제의 농도가 증가할수록 분리효율이 감소하였다. 특히 메타크릴산메틸의 경우 0.1 moL/L 이하에서 가장 높은 분리효율인 20%를 달성하였지만 이 결과는 다른 항유화제를 사용했을 때 보다 낮은 물 분리효율을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.
- 현대오일을 이용한 실험의 경우 앞의 GS오일을 이용한 실험과 비교하여 비교적 높은 물 분리효율을 볼 수 있었다. 특히, 헥실아민과 말레산무수물, 카프로락탐의 경우 GS오일의 경우와는 다르게 모든 몰농도에서 60%이상의 물 분리효율을 보였고, 디메틸아세트아마이의 경우만 30% 이하의 물 분리효율을 보였다 그 중, 카프로락탐의 경우 75%의 물 분리효율을 보여주어 높은 물 분리효율을 확인할 수 있었다.
- 아스팔트 에멀전에서의 물 분리효율과 비교하여 카프로락탐과 아크릴산의 경우 각각 항유화제의 농도가 증가할수록 물 분리효율이 감소하는 것과 유지하는 것이 비슷한 경향을 보였다. 하지만, 말레산무수물의 경우 아스팔트 에멀전에서는 항유화제의 농도가 증가할수록 물 분리효율이 감소하는 경향을 보였지만, 비튜멘 에멀전에서는 물 분리 효율이 증가하는 경향을 보였다. 이 결과는 각각의 항유화제의 화학 및 물리적 특성이 중요하게 작용한다는 것을 알 수 있으며, 항유화제의 화학적 특성은 각각의 오일성분에 따라 항유화제의 농도가 분리효율에 많은 영향을 준다는 것을 확인하였다.
- 수용성 항유화제인 아크릴산은 전반적인 농도범위에서 약 70%대의 물 분리효율을 유지하는 것을 보였다. 하지만, 지용성 항유화제인 말레산무수물의 경우에는 항유화제의 농도가 증가할수록 분리효율 또한 증가하는 모습을 보였다. 특히, 0.
- 본 논문에서는 비튜멘 에멀전에서 효과적으로 물을 분리하기 위하여 비튜멘 모사물질로 모터오일 이용해 기초실험을 실시하였으며, 기초실험을 통하여 항유화제의 종류별, 농도별 성능을 파악하여 성능이 우수한 항유화제를 선택하여 아스팔트와 실제 비튜멘을 이용하여 물 분리실험을 실시하였다. 항유화제를 사용하지 않을 경우 매우 낮은 물 분리 효율을 보여주었으며, 말레산무수물, 카프로락탐, 에틸헥실아크릴레이트 그리고 아크릴산과 같은 항유화제를 사용할 경우 좋은 물 분리 효율을 보여 주었다. 또한, 지용성 항유화제의 경우 수용성 항유화제 보다 높은 물 분리 효율을 보여주었는데 그 이유는 위와 같은 물방울들이 지속적으로 오일상에 분산되어지기 때문에 수용성 항유화제보다 좋은 물 분리효율을 나타낼 수 있기 때문이다.
- 헥실아민과 디메틸아세트아마이드의 경우 모든 몰농도에서 20% 이하의 낮은 물 분리효율을 보였고, 카프로락탐의 경우 낮은 농도의 항유화제를 사용하였을 때 낮은 물 분리효율을 보였지만, 항유화제의 농도가 증가할수록 비교적 높은 물 분리효율을 보였다. 그중 말레산무수물의 경우 0.
- 1 moL/L의 이하의 농도에서는 낮은 물 분리효율을 보였지만, 농도가 증가함에 따라 물 분리효율도 증가하였다. 현대기어오일을 이용한 경우 앞의 GS칼텍스 오일을 이용하였을 때와는 다르게 지용성 항유화제의 물 분리성능이 수용성 항유화제의 물 분리성능보다 더 높은 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 이전 연구를 통해 보고된 적이 있다[14,15].
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