[논문]고형 에탄올 연료의 기본 물성치 및 연소특성

김혜민; 조민경; 양성호

doi:10.20910/jase.2019.13.3.9

고형 에탄올 연료의 기본 물성치 및 연소특성
Preliminary Properties and Combustion Behavior of Solidified Ethanol Fuel 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.3, 2019년, pp.9 - 14

김혜민 (한국교통대학교 항공기계설계학과) , 조민경 (한국교원대학교 화학교육과) , 양성호 (한국교원대학교 화학교육과)

초록
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현대에 사용하는 다양한 종류의 액체 및 고체연료는 각각 장단점을 가지고 있으며, 이에 따라 많은 연구자들은 각 연료의 단점을 극복하고 장점만을 취하고자 새로운 형태의 연료를 연구하였다. 본 연구는 액체 에탄올을 고형화 하는 공정을 개발하고, 제조된 연료의 기초 물성치 및 연소특성을 관찰하는데 그 목적이 있다. 고형 에탄올은 아가로스 하이드로젤을 제조하고 이를 에탄올에 침전시키는 방법으로 제조하였다. 실험 조건으로 제조된 고형 에탄올 연료의 정성적/정량적 특성을 관찰하였으며, 이를 통해 제조된 연료의 유효성 및 고형 에탄올 연료의 실제 활용 가능성을 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Liquid and solid fuels currently in use have various pros and cons. As a result, researches are dedicated to produce a new form of fuel that utilizes the advantages and overcomes weakness of conventional fuels. In the present study, a new method for making solidified ethanol fuel is introduced, and its preliminary properties and combustion characteristic are observed. The solidified ethanol fuel was made through the production of agarose hydrogel, and its subsequent soaking into pure ethanol. The properties of the solidified ethanol fuel were quantitatively and qualitatively observed, and its validity and applicability discussed.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Internal structure of hydrogel [7]
그림 Fig. 2 Procedure of solidified ethanol gel : Production of agarose/water solution (up, left), Solidification (up, right), soaking in liquid ethanol (down)
표 Table 1. Qualitative and Quantitative measurement of fuel properties
그림 Fig. 3 Appearance of solidified ethanol fuel with different agarose concentration
그림 Fig. 4 Appearance of solidified ethanol fuel before dry (up) and after dry (down)
그림 Fig. 5 Remained fuel mass ratio of solidified ethanol fuel over time
그림 Fig. 6 Heat of combustion of solidified ethanol fuel with various agarose concentration
그림 Fig. 7 Burning of Solidified ethanol fuel in atmospheric pressure and temperature condition
그림 Fig. 8 Mass ratio of residue in various agarose mass ratio fuels

AI 본문요약
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문제 정의

연료의 연소율을 파악하기 위해 고체연료 연소율 측정 방식인 strand burner를 활용하고자 하였으나, 연료의 연소 특성이 표면이 침식해 나가는 기존 고체 연료와 달리 아가로스 구조 내에서 에탄올이 스며 나오는 형태로 연소하여 표면이 일정시간동안 침식하지 않는 문제가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 연료의 연소 특성을 정성적으로 평가하였다.
[6] 이 경우 제조된 연료는 흐름성을 가지지 않아 고체연료와 유사한 물리적 특성을 갖지만, 상변화 및 연소 측면에서 고체연료에 비해 유리하므로 하이브리드 로켓과 같은 고체연료 시스템에 적용하여 기존 고체연료의 단점을 극복할 수 있을 것이라 기대하고 있다. 본 연구에서도 기존 고형 연료의 단점을 극복하기 위해 에탄올을 고형화시키는 공정을 개발하고, 제조된 연료의 기본 물성치 및 연소 특성을 확인하는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 fig 1. 에 나타난 구조 사이의 물을 에탄올로 치환하여 고체 에탄올 연료를 제조하고자 하였다. 한천에서 추출한 고분자 물질인 아가로스로 제조한 젤은 대표적인 하이드로젤로, 제조가 간편하고 굳히는 틀에 따라 다양한 형상으로 제조가 가능하여 화학, 생물 및 의학분야에서 널리 사용되고 있다.

제안 방법

하이드로젤의 경우 밀봉된 상태로 보관하면 장기 보존이 가능하나, 외부 공기에 노출될 경우 수분이 증발하여 젤이 건조되는 특성이 있다. 고체 에탄올 연료에도 동일한 현상이 있을 것으로 생각되어, 연료의 외부노출 시 아가로스 함량에 따른 질량 변화를 관찰하였다. 실험을 위해 1, 3, 5, 10 % 의 아가로스 함량으로 제조된 젤을 상온/상압환경에 노출시킨 후 시간에 따른 질량 변화를 관찰하였다.
고형 에탄올 연료의 기초 연소 특성을 확인하기 위해 연료를 상온/상압조건에서 연소시켜 연료의 화염 특성과 연소 후 물질에 대한 분석을 진행하였다. 연료의 연소율을 파악하기 위해 고체연료 연소율 측정 방식인 strand burner를 활용하고자 하였으나, 연료의 연소 특성이 표면이 침식해 나가는 기존 고체 연료와 달리 아가로스 구조 내에서 에탄올이 스며 나오는 형태로 연소하여 표면이 일정시간동안 침식하지 않는 문제가 발생하였다.
에탄올 침전법의 경우 젤을 오랜 시간 에탄올에 침전시켜 젤 내부의 물이 에탄올로 점차 치환될 수 있도록 하는 방법으로, 상대적으로 시간이 오래 걸리고 에탄올 치환 정도를 가늠할 수 없다는 단점이 있었으나 치환 후에도 안정적인 젤 형상을 유지하였다. 따라서 본 연구에서는 에탄올 침전법을 통해 고형 에탄올 연료를 제조하였다.
제조된 고형 에탄올은 물성 및 연소특성이 기존 고체연료와는 상이하여 특성을 정량적으로 확인할 수 있는 방법이 선행연구에서 제시된 바 없어 실험 계획에 어려움이 있었다. 따라서 본 연구에서는 연료의 기초특성을 정성적/정량적인 방법으로 나누어 확인하였다. 실험을 통해 확인할 연료의 주요 특성은 Table 1.
본 연구를 통해 아가로스 하이드로젤을 이용한 고형에탄올을 제조하였으며, 기초 물성치 및 연소 특성을 실험적으로 확인하였다.
연료의 연소열을 측정하기 위해 봄 열량계 (Parr Instrument company, Model 1341)을 사용하였다. 봄 열량계 내에 시료 0.45 g 을 넣고 용기 내에 기체 산소 15 bar 를 주입한 후 열선으로 점화시켜 연료를 점화시키는 방법으로 연소열을 측정하였고, 제조된 연료간의 발열량 차이를 비교하였다.
봄 열량계를 이용하여 및 고형 에탄올 연료의 발열량을 측정하여 연료의 에탄올 치환율을 평가하였으며 그 결과는 Fig. 6 과 같다. 액체 에탄올의 발열량은 동일한 실험 장치 및 절차로 측정하였다.
고체 에탄올 연료에도 동일한 현상이 있을 것으로 생각되어, 연료의 외부노출 시 아가로스 함량에 따른 질량 변화를 관찰하였다. 실험을 위해 1, 3, 5, 10 % 의 아가로스 함량으로 제조된 젤을 상온/상압환경에 노출시킨 후 시간에 따른 질량 변화를 관찰하였다. 아가로스의 경우 증발이 발생하지 않으므로 연료의 질량 결손은 연료 내부의물 에탄올에 의한 것으로 판단 할 수 있다.
6 과 같다. 액체 에탄올의 발열량은 동일한 실험 장치 및 절차로 측정하였다.
연소 후 물질의 질량을 비교하기 위해서 연료를 상온/상압 환경에서 연소시켰으며, 연소가 완료된 후 잔여물을 수거하여 질량을 측정하였다.
제조된 연료의 기초 물성을 정성적/정량적으로 파악하였다. 연료간 비교를 위해 지름 10 mm, 원기둥 형태의 연료를 제조하여 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 아가로스 (Agarose) 기반의 하이드로젤 (Hydrogel) 을 이용하여 고형 에탄올 연료를 제조하였다. 하이드로젤은 Fig.
제조된 연료의 기초 물성을 정성적/정량적으로 파악하였다. 연료간 비교를 위해 지름 10 mm, 원기둥 형태의 연료를 제조하여 Fig. 3 의 연료를 최종적으로 얻을 수 있었다. 제조된 고형 에탄올 연료는 치환 전 하이드로젤과 비교해 볼 때 큰 변화 없이 기존 형태를 유지하고 있어, 향후 다양한 형상을 가진 연료로 제조 가능함을 확인하였다.

성능/효과

5 % 인 에탄올 젤의 경우 연료가 일정한 고체 형태를 유지하지 못하고 외력에 의해 쉽게 손상됨을 확인하였다. 그러나 아가로스의 질량비 1 % 부터는고체연료로 사용 가능할 정도로 일정한 형상을 유지하였으며, 경도가 0.5 % 에 비해 증가하였다. 아가로스의 질량비가 증가할수록 연료의 경도도 증가함을 정성적으로 확인하였는데, 질량분율이 증가하여 아가로스함량이 3 % 인 경우 연료의 경도는 양초 (파라핀) 과 유사하였으며, 이는 에탄올 치환 이전의 하이드로젤의
이를 통해 볼 때, 상온/상압조건에서는 고형 에탄올 연료에 함유된 아가 로스의 절반가량이 연소하였다. 따라서 상온/상압조건에서 연료의 발열량을 높이고 연소 후 잔존물을 최소화하기 위해서는 아가로스의 함량을 낮춰야 함을 확인하였다. 또한 고온/고압환경에서 고형 에탄올 연료의 연소특성을 차후 연구에서 확인할 필요가 있다.
5에서 나타내었다. 모든 연료에서 노출 후 2시간 후 질량은 초기 대비 절반 이상 감소하였으며, 아가로스 함류량이 증가할수록 증발 속도는 다소 감소하였으나 유의미하지는 않았다. 특히 아가로스 함량이 10 % 인 경우를 제외한 모든 경우에서 16시간 이후의 연료 질량은 연료 내부 아가로스 함량와 거의 동일하였으며, 이를 통해 연료 내부의 물과 에탄올이 완전히 증발되었음을 추측할 수 있다.
실험 결과는 고형 에탄올 연료가 외부에 직접적으로 노출시켜 보관하기는 어렵다는 점을 보여준다. 반면 용기 내에서 보관할 경우 연료의 증발 없이 온전히 보존되므로, 고형 에탄올 연료의 장기간 보관하기 위해서는 외부 공기와의 차단이 필요함을 확인하였다.
연료의 겉보기 특성을 확인해 볼 때, 아가로스 질량비 0.5 % 인 에탄올 젤의 경우 연료가 일정한 고체 형태를 유지하지 못하고 외력에 의해 쉽게 손상됨을 확인하였다. 그러나 아가로스의 질량비 1 % 부터는고체연료로 사용 가능할 정도로 일정한 형상을 유지하였으며, 경도가 0.
8 의 그래프로 나타내었다. 연소 후 잔존물의 질량비는 아가로스의 함량이 증가함에 따라 증가하였으며, 모든 경우에서 연료에 함유된 아가 로스 질량의 절반정도로 측정되었다. 이를 통해 볼 때, 상온/상압조건에서는 고형 에탄올 연료에 함유된 아가 로스의 절반가량이 연소하였다.
특성과 거의 유사하였다. 이를 통해 제조된 고형 에탄올이 고체연료로 사용되기 충분한 경도를 가지고 있음을 확인하였다. 이후 실험에서는 경도가 충분하지 못한 0.
3 의 연료를 최종적으로 얻을 수 있었다. 제조된 고형 에탄올 연료는 치환 전 하이드로젤과 비교해 볼 때 큰 변화 없이 기존 형태를 유지하고 있어, 향후 다양한 형상을 가진 연료로 제조 가능함을 확인하였다.

후속연구

본 연구에서 제안된 연료는 실험실 수준의 기초 공정으로 제작된 연료로써 제조 공정이 다소 까다롭다는 문제점이 있었다. 그러나 고형 에탄올 연료는 기존 고체 연료가 가지지 못한 장점을 가지고 있음을 확인하였으므로 후속 연구를 통해 제조 공정의 단순화와 연료 특성 향상을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 상온/상압조건에서 연료의 발열량을 높이고 연소 후 잔존물을 최소화하기 위해서는 아가로스의 함량을 낮춰야 함을 확인하였다. 또한 고온/고압환경에서 고형 에탄올 연료의 연소특성을 차후 연구에서 확인할 필요가 있다.
본 연구에서 제안된 연료는 실험실 수준의 기초 공정으로 제작된 연료로써 제조 공정이 다소 까다롭다는 문제점이 있었다. 그러나 고형 에탄올 연료는 기존 고체 연료가 가지지 못한 장점을 가지고 있음을 확인하였으므로 후속 연구를 통해 제조 공정의 단순화와 연료 특성 향상을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동결건조법이란?	아가로스 젤 내부의 물을 에탄올로 치환하기 위한다수의 화학적 공정이 존재하였으나, 그중 공학적으로 의미있다고 판단된 공정은 동결건조법과 에탄올 침전법이 있었다. 동결건조법은 하이드로젤을 동결건조시켜 젤 내부의 물은 증발시키고 구조물만 남긴 상태에서 에탄올을 주입하는 방식으로, 제조 시간이 빠르고 탈수가 확실하다는 장점이 있었지만, 건조된 구조물이 스펀지 같은 형태가 되어 에탄올이 스며들 뿐 젤 형태로 팽윤하지 않는 문제가 발생하였다. 에탄올 침전법의 경우 젤을 오랜 시간 에탄올에 침전시켜 젤 내부의 물이 에탄올로 점차 치환될 수 있도록 하는 방법으로,상대적으로 시간이 오래 걸리고 에탄올 치환 정도를 가늠할 수 없다는 단점이 있었으나 치환 후에도 안정적인 젤 형상을 유지하였다.
	연구에서 연료의 연소 특성을 정성적으로 평가한 이유는?	고형 에탄올 연료의 기초 연소 특성을 확인하기 위해 연료를 상온/상압조건에서 연소시켜 연료의 화염 특성과 연소 후 물질에 대한 분석을 진행하였다. 연료의 연소율을 파악하기 위해 고체연료 연소율 측정 방식인 strand burner를 활용하고자 하였으나, 연료의 연소 특성이 표면이 침식해 나가는 기존 고체 연료와 달리 아가로스 구조 내에서 에탄올이 스며 나오는 형태로 연소하여 표면이 일정시간동안 침식하지 않는 문제가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 연료의 연소 특성을 정성적으로 평가하였다.
	에탄올 침전법의 단점은?	동결건조법은 하이드로젤을 동결건조시켜 젤 내부의 물은 증발시키고 구조물만 남긴 상태에서 에탄올을 주입하는 방식으로, 제조 시간이 빠르고 탈수가 확실하다는 장점이 있었지만, 건조된 구조물이 스펀지 같은 형태가 되어 에탄올이 스며들 뿐 젤 형태로 팽윤하지 않는 문제가 발생하였다. 에탄올 침전법의 경우 젤을 오랜 시간 에탄올에 침전시켜 젤 내부의 물이 에탄올로 점차 치환될 수 있도록 하는 방법으로,상대적으로 시간이 오래 걸리고 에탄올 치환 정도를 가늠할 수 없다는 단점이 있었으나 치환 후에도 안정적인 젤 형상을 유지하였다. 따라서 본 연구에서는 에탄올 침전법을 통해 고형 에탄올 연료를 제조하였다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
www.aip.nagoya-u.ac.jp
E. Ahmed, "Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review", Jornal of Advanced Research, Vol 6, pp. 105-121, July 2015

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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