[논문]요소수(Urea solution)의 온도변화에 따른 요소 및 뷰렛함량 변화 특성 연구

도진우; 박태성; 이유림; 임의순; 이정민; 강형규

doi:10.12925/jkocs.2018.35.4.1307

요소수(Urea solution)의 온도변화에 따른 요소 및 뷰렛함량 변화 특성 연구
Study on Characteristics of Change of Urea and Biuret Content by Temperature Variation in Urea Solution 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.35 no.4, 2018년, pp.1307 - 1319

도진우 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 박태성 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 이유림 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 임의순 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 이정민 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 강형규 (한국석유관리원 석유기술연구소)

초록
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대기오염에 대한 관심이 증대하면서 대기오염물질의 저감에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 차량용 요소수(Urea solution)를 이용한 디젤 차량의 질소산화물(NOx) 제거는 큰 효과를 나타내고 있다. 요소수의 품질은 국내법으로 엄격히 규정하고 있으나 요소수 내 불순물의 증대는 질소산화물 저감 효과를 감소시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 일정 온도와 시간동안 요소수를 가열한 후 요소수의 물성변화를 분석하였다. 또한, 요소수를 보관하는 저장용기와 저장온도의 변화에 따른 요소수 물성변화도 함께 분석하였다. 요소수를 일정시간 가열한 후 요소수 내 뷰렛함량은 증가하고 요소함량은 감소하였으며, 요소함량감소에 따라 밀도와 굴절률도 함께 감소하였다. 철제 및 PET 용기와 일정온도($30^{\circ}C$, $50^{\circ}C$)에서 실시한 저장안정성 시험에서는 물성변화가 나타나지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

As interests in the air pollution increases, many kinds of researches are underway on the reduction of air pollutants. The removal of nitrogen oxides from the emission gas of diesel vehicles using urea solution has shown a great effect. The quality of urea solution is strictly defined by domestic law, but the increase of impurities in urea solution reduces the effect of reducing nitrogen oxides. Therefore, in this study, the change of physical properties of urea solution was analyzed after heating the urea solution for a certain temperature and time. Also, the changes of physical properties of urea solution were analyzed according to kinds of storage container and temperature for storing the urea solution. After heating the urea solution for a certain period of time, the biuret content in urea solution increased and the content of urea decreased. As the urea content decreased, both density and refractive index decreased. In the storage stability test carried out at a constant temperature with iron and PET containers, no change in physical properties was observed.

주제어

표/그림 (22)

표 Table 1. Criteria of aqueous urea solution at Clean Air Conservation Act in Korea
표 Table 2. Test methods and equipment criteria for analyzing the urea solution
그림 Fig. 1. Procedure of the urea solution analysis by heating process.
그림 Fig. 2. Procedure of the urea solution analysis by storage experiment.
표 Table 3. Results of the urea solution analysis for using the automotive diesel vehicle
$Fig. 1. Results of refractive index and density analysis according to heating time.$ 그림 Fig. 1. Results of refractive index and density analysis according to heating time.
$Table 4. Results of refractive index and density analysis according to heating time$ 표 Table 4. Results of refractive index and density analysis according to heating time
그림 Fig. 2. Results of biuret analysis according to heating time
그림 Fig. 3. Samples after biuret analysis according to heating time
표 Table 5. Results of biuret and urea contents analysis according to heating time
그림 Fig. 4. Results of urea content analysis according to heating time.
그림 Fig. 5. Comparison of urea and biuret contents according to heating time.
$Fig. 6. Comparison of urea content and refractive index according to heating time.$ 그림 Fig. 6. Comparison of urea content and refractive index according to heating time.
표 Table 6. Physical/chemical properties of urea and biuret
$Fig. 7. Results of refractive index analysis according to product container and temperature variation.$ 그림 Fig. 7. Results of refractive index analysis according to product container and temperature variation.
$Table 7. Results of refractive index analysis according to product container and temperature variation$ 표 Table 7. Results of refractive index analysis according to product container and temperature variation
그림 Fig. 8. Results of density analysis according to product container and temperature variation.
표 Table 8. Results of density analysis according to product container and temperature variation
그림 Fig. 9. Results of density analysis according to product container and temperature variation.
표 Table 9. Results of biuret analysis according to product container and temperature variation
그림 Fig. 10. Results of urea content analysis according to product container and temperature variation.
표 Table 10. Results of urea contents according to product container and temperature variation

AI 본문요약
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문제 정의

현재 국내에는 차량용 요소수의 보관에 관해서는 별도의 규정이나 지침은 정해져 있지 않다. 따라서 대량 생산된 제품에 대한 저장용기와 저장온도에 따른 요소수의 품질변화 여부를 확인하기 위한 저장안정성 시험을 실시하였다. 본 시험에서는 일반적으로 주변 환경에서 구하기 쉬운 철제(주석합금) 용기와 PET재질의 용기, 2가지를 사용하였다.
본 연구에서는 국내 유통 중인 차량용 요소수에 대해 일정 온도와 시간으로 가열한 후 온도변화에 따른 물성변화 특성을 분석하고, 일정기간 동안 저장용기 및 저장온도에 따른 저장안정성 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 국내 유통 중인 차량용 요소수의 물성을 분석하고 요소수 품질의 주요 항목 중 뷰렛(Biuret)의 형성 및 제품용기와 온도에 따른 요소수의 물성 변화에 대해 분석하였다.
차량용 요소수 탱크는 차량의 위치에 따라 고온의 열을 받을 수 있으며, 요소수를 저장하는 용기 및 보관 온도에 대한 영향을 분석하기 위한 실험을 실시하였다. 먼저 시중에 유통되고 있는 정상제품의 차량용 요소수를 일정온도(100 ℃)와 일정시간 동안 가열하여 요소 및 뷰렛 함량 등을 분석하였다.

제안 방법

각 시료의 뷰렛, 알데히드 및 인산염의 함량분석은 KS R ISO 22241-2 Annex E, F, H 시험방법을 적용하였다. 각 항목별로 일정량의 시료를 전처리하여 UV/VIS 분광계(JASCO)를 이용하여 측정하였다.
국내에 유통 중인 정상제품의 차량용 요소수 2종을 무작위로 선택하여 「대기환경보전법 제74조 자동차연료⋅첨가제 또는 촉매제의 검사 등」 및 「대기환경보전법 시행규칙 제115조 자동차연료⋅첨가제 또는 촉매제의 제조기준」에서 규정하는 시험방법을 적용하여 분석하였다.
국내에서 유통 중인 차량용 요소수 제품에 대한 물성 분석을 실시하였고, 각 제품의 분석 결과는 Table 3에 나타내었다. 실험대상 제품의 분석결과 대부분의 항목은 품질기준에 적합한 것으로 나타났다.
또한, 저장온도는 30 ℃와 약간 고온에서의 반응성을 확인하기 위한 50 ℃, 2종류를 설정하였다. 그리고 저장기간 및 시료분석은 총 8주간, 매주 1회 시료채취 후 시험분석을 실시하였다. Table 7과 Fig.
차량용 요소수 탱크는 차량의 위치에 따라 고온의 열을 받을 수 있으며, 요소수를 저장하는 용기 및 보관 온도에 대한 영향을 분석하기 위한 실험을 실시하였다. 먼저 시중에 유통되고 있는 정상제품의 차량용 요소수를 일정온도(100 ℃)와 일정시간 동안 가열하여 요소 및 뷰렛 함량 등을 분석하였다.
따라서, 요소수 내 뷰렛함량은 국내법에서도 일정하게 규제하고 있는 실정이다. 보통의 환경에서는 쉽게 요소수 내 뷰렛의 생성은 일어나지 않으나, 특수하게 밀폐되고 고온의 환경에서는 열에 의한 뷰렛의 생성이 가능할 수 있으며, 본 실험에서는 정상제품 요소수 일정량을 100 ℃에서 1 ~ 4 시간까지 가열하여 각 시간단위마다 시료를 채취하여 뷰렛 함량을 분석하였다. Fig.
차량용 요소수를 저장하는 용기 및 보관 온도에 대한 영향을 분석하기 위해 저장안정성 실험을 실시하였다. 정상제품의 차량용 요소수를 일정 온도(30 ℃, 50 ℃)와 일정기간(8주) 동안 보관한 후 요소 및 뷰렛 함량 등을 분석하였다.
차량용 요소수를 저장하는 용기 및 보관 온도에 대한 영향을 분석하기 위해 저장안정성 실험을 실시하였다. 정상제품의 차량용 요소수를 일정 온도(30 ℃, 50 ℃)와 일정기간(8주) 동안 보관한 후 요소 및 뷰렛 함량 등을 분석하였다.

대상 데이터

따라서 대량 생산된 제품에 대한 저장용기와 저장온도에 따른 요소수의 품질변화 여부를 확인하기 위한 저장안정성 시험을 실시하였다. 본 시험에서는 일반적으로 주변 환경에서 구하기 쉬운 철제(주석합금) 용기와 PET재질의 용기, 2가지를 사용하였다. 또한, 저장온도는 30 ℃와 약간 고온에서의 반응성을 확인하기 위한 50 ℃, 2종류를 설정하였다.

이론/모형

각 시료의 굴절률은 KS R ISO 22241-2 Annex C의 시험방법을 적용하였고, 요소(Urea)의 함량별(wt%) 표준물질을 제조하여 검량선을 작성하고 디지털 굴절계(RX-5000α, ATAGO)에 시료 0.5 ~ 1.0 mL를 주입하여 시료의 굴절률을 측정하였다.
각 시료의 밀도는 KS M ISO 12185 시험방법을 적용하였으며, 일정량의 시료를 밀도시험기(DMA 4500, Anton Paar)에 주입하여 측정하였다.
각 시료의 뷰렛, 알데히드 및 인산염의 함량분석은 KS R ISO 22241-2 Annex E, F, H 시험방법을 적용하였다. 각 항목별로 일정량의 시료를 전처리하여 UV/VIS 분광계(JASCO)를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

1. 100 ℃에서 총 4시간 동안 가열한 후 요소수의 주요물성인 굴절률, 밀도, 뷰렛, 요소함량을 측정한 결과, 가열시간이 증가함에 따라 굴절률, 밀도 및 요소함량은 감소하였고 뷰렛함량은 증가하였다. 이는 요소수 내 요소의 열분해에 의한 뷰렛이 생성되는 것으로 보인다.
2. 철제와 PET용기를 이용한 30 ℃, 50 ℃에서 총 8주간 저장안정성 시험한 결과, 굴절률, 밀도, 뷰렛, 요소함량은 법적기준 범위내에서 비교적 일정하게 유지되는 것으로 나타났다.
3. 차량용 요소수는 요소수의 품질이 중요하고, 뷰렛은 일종의 요소 내 불순물로, 뷰렛함량이 증가할수록 요소함량, 밀도 및 굴절률은 감소하며, 요소수의 품질이 저하된다. 또한, SCR시스템에서 분사장치의 막힘 등 고장발생의 원인이 될 수 있을 것으로 보인다.
저장용기 및 저장온도에 따른 요소수의 요소함량변화는 크게 나타나지 않았다. 또한, 전체 기간 모두 법적기준인 31.8 ~ 33.2 wt% 범위에서 일정하게 유지하는 것으로 나타났다.
국내에서 유통 중인 차량용 요소수 제품에 대한 물성 분석을 실시하였고, 각 제품의 분석 결과는 Table 3에 나타내었다. 실험대상 제품의 분석결과 대부분의 항목은 품질기준에 적합한 것으로 나타났다.
따라서, 요소수 내 요소의 열분해로 인해 뷰렛이 생성됨을 유추할 수 있고 이에 따른 요소함량의 감소도 일어나는 것으로 보인다. 요소수 내 요소함량의 감소는 전체 요소수의 순도가 낮아지게 되어 굴절률도 함께 낮아지는 것으로 나타났다.(Fig.

후속연구

향후, 요소수의 품질 증대 및 유지를 위해 여러 인자들에 대한 추가적인 연구가 필요하며, 보다 장시간에 대한 저장 및 보관과 관련한 시험분석을 통한 비교⋅평가가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	요소 내 불순물의 함유량이 전체 요소수 내 요소함량에 영향을 미치는 이유?	요소수는 적정순도의 고체요소와 고도로 정제된 이온수를 일정비율로 혼합한 용액으로, 요소수의 품질 및 질소산화물의 저감효율은 사용된 요소와 이온수의 순도에 따라 결정된다. 따라서 요소 내 불순물의 함유량은 전체 요소수 내 요소함량에 영향을 미치게 된다.
	Urea-SCR 시스템이란?	반면, 질소산화물(NOx)은 LNT(Lean NOx Trap), LNC(Lean NOx Catalysts), 그리고 SCR(Selective Catalytic Reduction) 등과 같은 후처리 시스템을 통하여 저감할 수 있다. 이러한 기술 중 Urea-SCR 시스템은 연소된 배출가스 상류에서 요소(Urea)를 환원제로 분사함으로써 질소산화물을 선택적으로 환원하여 배출가스 내 질소산화물을 저감시켜주는 시스템으로, 다른 시스템에 비해 상대적으로 정화효율 및 연비특성이 우수하여 중대형 이상의 상용차량에 적용하기에 가장 유리한 방법으로 유럽을 중심으로 EURO-VI 규제에 대응하기 위하여 중대형 상용차량에 적용되고 있다[5-10]. 하지만, Urea-SCR 시스템을 사용하는 디젤차량의 고장사례가 보고되고 있으며, 요소수 제조 시 품질기준 미달, 사용되는 요소(Urea)와 초순수 용액의 순도, SCR장치의 분사노즐 막힘 등 여러 요인들이 있을 수 있으나, 차량용 요소수의 물성에 의한 것으로도 추정된다[11].
	차량용 요소수에서 중요한 점과 뷰렛함량에 따른 품질은 어떠한가?	3. 차량용 요소수는 요소수의 품질이 중요하고, 뷰렛은 일종의 요소 내 불순물로, 뷰렛함량이 증가할수록 요소함량, 밀도 및 굴절률은 감소하며, 요소수의 품질이 저하된다. 또한, SCR시스템에서 분사장치의 막힘 등 고장발생의 원인이 될 수 있을 것으로 보인다.

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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