[논문]바이오디젤 구성성분 합성 및 연료특성 분석

임영관; 정충섭; 한관욱; 도진우

doi:10.9725/kstle.2014.30.1.52

바이오디젤 구성성분 합성 및 연료특성 분석
Synthesis of Biodiesel Components and Analysis of Their Fuel Characters 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.30 no.1, 2014년, pp.52 - 58

임영관 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 정충섭 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 한관욱 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 도진우 (한국석유관리원 석유기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Because food crops serve as the raw materials for biodiesel, the increasing use of biodiesel as an alternative fuel can lead to adverse effects such as food price inflation and may contribute to global starvation. To solve these problems, efforts are being made to explore various nonedible raw materials for producing biodiesel. Different raw materials impart different fuel characteristics to biodiesel. In this study, we synthesized pure fatty acid methyl ester (FAME), which is a biodiesel component, and then analyzed its fuel properties. The fuel properties of pure FAME would be useful in producing biodiesel from various new raw materials.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 바이오디젤의 장단점의 논쟁에서 벗어나 바이오디젤 원료물질의 다양성에서 발생될 수 있는 바이오디젤의 물성차이를 예측하기 위해서 바이오디젤 구성분자, 즉 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester)를 합성하고, 이에 대한 연료적 특성을 분석하였다. 이는 새로운 형태의 원료물질로부터 생산된 바이오디젤의 성분비 분석만으로도 다양한 연료특성을 유추할 수 있을 것이라 판단된다.

제안 방법

바이오디젤의 구성성분에 대한 연료적 특성을 알아보기 위해 순수한 지방산(fatty acid)으로부터 Fischer esterification을 통해 바이오디젤 구성성분인 지방산 메틸에스테르(fatty acid methyl ester)를 합성하였다. 정제된 수율은 Table 2에서와 같이 92~98%를 보였으며, 바이오디젤 구성성분인 지방산 메틸에스테르는 투명한 액체 또는 흰색 고체의 형태를 지녔다.
하지만 원료 다양화는 바이오디젤 구성성분 변화에 따른 상이한 연료적 특성을 발생하게 된다. 본 연구에서는 간단한 크로마토그래피를 이용해 새로운 형태의 바이오디젤 구성성분비만 분석하여도 이들 바이오디젤의 연료적 특성을 유추하기 위해 바이오디젤을 구성하고 있는 바이오디젤 구성분자를 합성한 뒤, 이들의 연료적 특성을 분석하였다.

대상 데이터

바이오디젤 구성성분을 합성하기 위한 원료물질로서 지방산(fatty acid), KOH, 메탄올은 TCI사 제품을 이용하였으며, 컬럼크로마토그래피에 필요한 실리카젤은 merck사의 silica 60(230-400 mesh)을 사용하였다. 합성된 바이오디젤 구성분자는 Varian사의 400 MHz Varian Inova NMR을 이용했으며, tetramethylsilane(Me₄Si)이 0.
바이오디젤 구성성분을 합성하기 위한 원료물질로서 지방산(fatty acid), KOH, 메탄올은 TCI사 제품을 이용하였으며, 컬럼크로마토그래피에 필요한 실리카젤은 merck사의 silica 60(230-400 mesh)을 사용하였다. 합성된 바이오디젤 구성분자는 Varian사의 400 MHz Varian Inova NMR을 이용했으며, tetramethylsilane(Me₄Si)이 0.5 vol% 함유된 CDCl₃에 녹여 분석하였다.

데이터처리

유도세탄가(Derived Cetane Number; DCN)는 SETA 사의 IQT-LM을 이용하였으며, ASTM D 6890 방법에 준하여 유도세탄가를 측정하였다[15]. 580℃로 유지된 챔버에 일정량(0.0985 g/inj)의 연료를 분사한 뒤, 연료가 연소되는 시간을 측정하여 유추하는 방법으로, 연료를 15번 분사, 연소시킴으로 연료라인과 챔버내에 잔류하고 있는 불순물과 전시료를 제거시킴과 동시에 분석장비의 안정화를 시킨 뒤, 16번째부터 47번째(총 32번)까지 연료분사를 통해 측정된 유도세탄가의 평균을 구함으로 재현성과 반복성을 높였다. Fig.

이론/모형

산화안정도는 Methrom사의 Rancimat 743을 이용하였으며, EN 14112 방법에 준하여 산화안정도를 측정 하였다[14]. 깨끗하게 세정된 시료용기에 분석시료를 3.
유도세탄가(Derived Cetane Number; DCN)는 SETA 사의 IQT-LM을 이용하였으며, ASTM D 6890 방법에 준하여 유도세탄가를 측정하였다[15]. 580℃로 유지된 챔버에 일정량(0.
윤활성은 PCS Instruments사의 HFRR(High frequency reciprocating rig)를 사용하였으며, ISO 12156 방법에 준하여 수행하였다[13]. 시료 2 mL를 60℃에서 75분 동안 50 Hz의 주파수와 200 g의 하중을 이용해 금속 원판(PCS Instrument사의 지름 1 cm 원판)과 시험구 (PCS Instrument사의 외경 6 mm 금속구)를 왕복마찰시킴으로 시험구에 생성된 마모흔(MWSD; mean wear scar diameter)을 현미경(MEIJI TECHNO사의 Infinity 1)을 이용하여 측정하였다.

성능/효과

분석결과, 연료의 저온특성인 운점과 유동점은 바이오디젤의 구성분자의 길이가 길수록, 올레핀 함량이 낮을수록 높은 값(열악한 성능)을 보였으며, 유도세탄가는 구성분자의 길이가 길수록, 올레핀 함량이 낮을수록 높은 값(우수한 성능)을 보였다. 윤활성은 분자의 길이가 길수록, 올레핀 함량이 많을수록 우수한 성능을 보인 반면, 산화안정도는 올레핀 함량이 높을수록 열악한 성능을 보였다.
분석결과, 연료의 저온특성인 운점과 유동점은 바이오디젤의 구성분자의 길이가 길수록, 올레핀 함량이 낮을수록 높은 값(열악한 성능)을 보였으며, 유도세탄가는 구성분자의 길이가 길수록, 올레핀 함량이 낮을수록 높은 값(우수한 성능)을 보였다. 윤활성은 분자의 길이가 길수록, 올레핀 함량이 많을수록 우수한 성능을 보인 반면, 산화안정도는 올레핀 함량이 높을수록 열악한 성능을 보였다.

후속연구

본 연구결과를 토대로 추후 새로운 형태의 원료물질로부터 바이오디젤을 생산할 경우, 바이오디젤의 구성 성분을 분석하면, 이들의 다양한 연료적 특성까지 유추 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오디젤의 장점은 무엇인가?	이러한 바이오디젤은 수송용 연료로 사용했을 시, 기존 석유디젤에 비해 독성 배출가스와 분진(particulate matter) 형성이 낮으며, 유류 누출사고 시 미생물에 의한 생분해성(biodegradability)이 높기 때문에 친환경적인 연료로 각광받고 있다[5,6]. 또한 유가의 지속적 상승은 바이오디젤의 사용 증가를 가져오고 있으며, 이러한 이유로 현재 국내에서 바이오디젤이 차량용 경유 연료에 일정 비율(2013년도 기준 2.
	바이오디젤은 무엇인가?	바이오디젤은 식물성기름 또는 동물성지방을 이용해 전이 에스테르화반응(transesterification)을 통해 얻어진 합성연료로서 기존 석유디젤과 연료적 특성이 매우 유사하여 특별한 차량부품의 변화없이 경유자동차의 연료로 사용 가능한 바이오연료이다[4].
	바이오디젤 상용화에 따라 발생할 것으로 예견되는 문제는 무엇이 있는가?	앞서 설명한 바이오디젤의 많은 장점에도 불구하고 우리나라는 외국의 상황과 다르기 때문에 바이오디젤의 원료를 대부분 해외로부터 수입에 의존하고 있으며, 실제로 바이오디젤이나 바이오연료가 지구온난화를 저감시킨다는 논쟁은 아직까지 끊임없이 제기되어지고 있다[8]. 뿐만 아니라 바이오연료 증가에 따른 부작용으로 곡물가 인상과 사료값 인상 등은 현재 진행형으로 우리 실 생활에 피부로 느껴질 수 있을 정도로 대두되어지고 있다[9].

참고문헌 (17)

Omer, A. M., "Energy, Environment and Sustainable Development," Renew. Sust. Energy Rev., Vol. 12, pp. 2265-2300, 2008.

상세보기
Lotero, E., Liu, Y., Lopez, D. E., Suwannakarn, K., Bruce, D. A. and Goodwin Jr, J. G., "Synthesis of Biodiesel via Acid Catalysis," Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 44, pp. 5353-5363, 2005.

상세보기
Lim, Y. K. and Lee, C. H., "The Lubricity of Biodiesel as Alternative Fuel," J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 26, pp. 73-82, 2010.
Meneghetti, S. M. P., Meneghetti, M. R., Serra, T. M., Barbosa, D. C., and Wolf, C. R., "Biodiesel Production from Vegetable Oil Mixture: Cottonseed, Soybean, and Castor Oils," Energy & Fuels, Vol. 21, pp. 3746-3747, 2007.

상세보기
Bajpai, D., and Tyagi, V. K., "Biodiesel: Source, Production, Composition, Properties and Its Benefits," J. Oleo. Sci., Vol. 55, pp. 487-502, 2006.

상세보기
Muncrief, R. L., Roofs, C. W., Cruz, M., and Harold, M. P., "Combining Biodiesel and Exhaust Gas Recirculation for Reduction in NOx and Particulate Emissions," Energy & Fuels, Vol. 22, pp. 1285-1296, 2008.

상세보기
Korea Institute Economics Institute, "The Status of World Renewable Energy Market and Policy," 2013.
Justine S. Baker, Brian C. Murray, Bruce A. McCarl, Steven K. Rose, and Joshua Schneck, "Greenhouse Gas Emissions and Nitrogen Use in U.S. Agriculture Historic Trends, Future Projections, and Biofuel Policy Impacts," Nicholas Instituted for Environmental Policy Solutions Report, NI R 11-09, October, 2011.
Wilfried Bommert, "Kein Brot Fur Die Welt".
D. P. Prafulla, G. G. Veera, and D. Shuguang, Ind. Eng. Chem. Res., 49, 10850 (2009).
ASTM D445, "Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids (and Calculation of Dynamic Viscosity)".
ASTM D 2500, "Standard Test Method for Cloud Point of Petroleum Products".
ISO 12156-1, "Diesel Fuel-Assessment of Lubricity using the high-frequency reciprocating rig (HFRR)".
BS EN 14112, "Fat and Oil Derivatives, Fatty Acid Methyl Esters (FAME). Determination of Oxidation Stability (Accelerated Oxidation Test)".
ASTM D 6890, "Standard Test Method for Determination of Ignition Delay and Derived Cetane Number (DCN) of Diesel Fuel Oils by Combustion in Constant Volume Chamber".
Santana, R. C., Do, P. T., Santikunaporn, M., Alvarez, W. E., Taylor, J. D., Sughrue E. L., and Resasco, D. E., "Evaluation of different reaction strategies for the improvement of cetane number in diesel fuels," Fuel, Vol. 85, pp. 643-656, 2006.

상세보기
Lim, Y. K., Park, S. R., Kim, J. R., Yim, E. S., and Jung, C. S., "The Effect of Lubricity Improvement by Biodiesel Components," Appl. Chem. Eng., Vol. 21, pp. 684-688, 2010.

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