[논문]우지-해바라기유 오일혼합 바이오디젤의 전환 특성과 동점도 처리에 따른 오일혼합 바이오디젤의 동점도 변화 특성

우덕감

doi:10.5762/kais.2020.21.3.380

[국내논문] 우지-해바라기유 오일혼합 바이오디젤의 전환 특성과 동점도 처리에 따른 오일혼합 바이오디젤의 동점도 변화 특성
Conversion Characteristics on Beef-Tallow and Sunflower Oil Blend Biodiesel and its Treatment Method to Reduce Kinematic Viscosity 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.3, 2020년, pp.380 - 389

우덕감 (홋카이도 대학교 농학연구소)

초록
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포화지방산 함량이 높은 우지와 불포화지방산 함량이 높은 식물성 유지인 해바라기유를 혼합한 혼합오일의 바이오디젤 전환특성을 규명하고 연료특성을 분석하였다. 다변량분산분석을 이용하여 도출한 기여율로 각 실험변수 (메탄올/유지 몰비, 오일혼합비) 가 바이오디젤 전환에 미치는 영향을 규명하였다. 또한, 바이오디젤의 고점도 문제를 해결하기 위해 가열과 초음파 조사의 방법을 적용하여 동점도 감소효과를 검증하였다. 연료별 온도 도와 동점도간의 상관관계식을 통해 동점도 감소를 위한 연료별 최적 온도를 도출하였다. 그 결과, 바이오디젤 전환율은 오일 혼합비 TASU7, 메탄올/유지 몰비 10에서 가장 우수한 것으로 나타났고 지방산 조성에 따라 연료특성에 차이가 있었다. 또한, 우지, 해바라기유 오일 혼합 바이오디젤의 연료특성 분석 결과 바이오디젤의 품질기준을 만족하는 것으로 나타났다. 바이오디젤의 고점도를 해결하기 위한 동점도 실험 결과 가열 방법의 동점도 감소 효과가 초음파 조사 방법에 비해 우수한 것으로 나타나 간단한 가열장치로 바이오디젤의 고점도를 해결할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The conversion characteristics and fuel properties for producing biodiesel (BD) by blending beef-tallow, an animal waste resource with a high-saturated fatty acid content, and sunflower-oil, a vegetable oil with a high-unsaturated fatty acid content, were investigated. For this investigation, the effects of the control factors, such as the oil-blend ratio and methanol-to-oil molar ratio, on the fatty acid methyl ester and BD production yield were also investigated. The kinematic viscosity reduction effects of BD using heating and ultrasonic irradiation were verified, and the optimal temperature of each BD-diesel fuel blend for reducing the kinematic viscosity was derived using the correlation equation. As a result, the optimal conditions for producing blended biodiesel were verified to be TASU7 and a methanol-to-oil molar ratio of 10:1. The analysis results of the fuel properties of TASU7 satisfied the BD quality standard; hence, the viability of BD blended with waste tallow as fuel was verified. The experimental results on the kinematic viscosity reduction showed that heating is more effective in reducing the kinematic viscosity because it took less time than ultrasonic irradiation, and the equipment was cheaper and more straightforward than the ultrasonic irradiation method.

Keyword

표/그림 (9)

표 Table 1. Names of samples used in experiment
표 Table 2. Standards for the quality and testing of the biodiesel
표 Table 3. Effect of oils blend ratio and methanol to oil molar ratio on the FAME content and BD production yield
표 Table 4. Analysis of variance of the FAME
표 Table 5. Analysis of variance of the BD production yield
표 Table 6. Fatty acid methyl esters composition for various biodiesels
표 Table 7. Fuel properties of conventional diesel and various biodiesels
그림 Fig. 1. Kinematic viscosity changes of heated TASU7 BD-diesel fuel blends.
그림 Fig. 2. Kinematic viscosity changes of ultrasonically irradiated TASU7 BD-diesel fuel blends.

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 해바라기유는 전 세계 바이오디젤 원료의 약 13%를 차지하여 유채유(84%) 다음으로 많이 사용 되는 원료로 포화지방산 함량이 약 9%로 낮다[14]. 이에 본 연구에서는 포화지방산 (SFA: Saturated fatty acid) 과 불포화지방산(UFA: Unsaturated fatty acids)의 조화로운 구성을 통한 바이오디젤의 연료특성 개선을 위해 우지와 해바라기 오일을 바이오디젤의 원료로 사용하고자 한다.
이에 본 연구에서는 우지와 해바라기유를 혼합하여 제조한 바이오디젤의 전환특성과 연료특성을 규명하고 바이오디젤의 고점도 문제 해결을 위해 가열과 초음파 조사의 방법을 적용하여 각각의 방법에 따른 동점도 감소 효과를 검증하고 비교하여 보다 효과적인 바이오디젤 동점도 감소 방법을 제시하고자 한다.
Table 2는 바이오디젤의 연료특성 분석에 대한 각 항목의 품질기준과 분석 방법을 나타낸 것이다. 바이오디젤의 연료 특성 분석은 한국석유관리원에 의뢰하여 분석하였다.

제안 방법

우지오일은 마이크로웨이브 오븐을 이용하여 조사가열 추출방법으로 오일을 추출하고 불순물을 거름필터로 제거한 후 사용하였다. 사용된 해바라기유는 시판되고 있는 오일을 사용하였다.
사용된 해바라기유는 시판되고 있는 오일을 사용하였다. Table 1은 실험에 사용한 오일의 혼합비를 나타낸 것으로 우지 오일과 해바라기유의 혼합 비율은 우지오일을 20 wt% 비율로 늘려 각각 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:9의 중량비로 혼합하였다[15, 24]. 혼합오일의 총 중량은 50 g이다.
에스테르 교환 반응(TR: Transesterification Reaction) 은 반응온도를 메탄올의 끊는 점 이하인 60℃로 하고 교반속도 300 rpm, 반응시간 1시간의 조건에서 촉매 NaOH(sodium hydroxide) 1 wt%[26]를 사용하였고 메탄올/혼합유지 몰비는 6:1, 8:1, 10:1, 12:1, 14:1로 변화시켜 실험하였다[27]. TR 후 글리세롤 층과 바이오 디젤을 분액 깔대기를 이용하여 분리한 후 잔류 수분과 불순물을 제거하기 위해 증류수로 세척하였고 250℃로 60분간 가열하여 남은 불순물을 제거하였다.
에스테르 교환 반응(TR: Transesterification Reaction) 은 반응온도를 메탄올의 끊는 점 이하인 60℃로 하고 교반속도 300 rpm, 반응시간 1시간의 조건에서 촉매 NaOH(sodium hydroxide) 1 wt%[26]를 사용하였고 메탄올/혼합유지 몰비는 6:1, 8:1, 10:1, 12:1, 14:1로 변화시켜 실험하였다[27]. TR 후 글리세롤 층과 바이오 디젤을 분액 깔대기를 이용하여 분리한 후 잔류 수분과 불순물을 제거하기 위해 증류수로 세척하였고 250℃로 60분간 가열하여 남은 불순물을 제거하였다. 바이오디젤 전환 실험은 재료별 각각 5회 반복하였고 그 결과는 평균값으로 나타내었다.
, USA)을 사용하여 다변량 분산 분석 (MANOVA)을 실시하였고 사후검정은 Tukey HSD를 사용하였다. 각각의 독립요인이 바이오디젤 생산 수율과 FAME 함량에 미치는 영향을 규명하기 위해 식 (2), 식 (3)을 이용하여 실험변수별 기여율(PC: Percentage Contribution ratre)을 계산하여 실험변수가 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 기여율의 적절성은 실험오차의 기여도 비율이 15% 이하가 되어야 각 독립요인의 기여율 값을 신뢰 할 수 있다[28].
가열과 초음파 조사에 따른 점도 변화를 측정하기 위해 heater(Corning, PC-420D), sonicator (VCX750, Sonics & Materials Inc, USA), 점도계 (LVDV-Ⅱ +Pro, Brookfield Eng. Laboratory, USA)를 사용하였다.
Laboratory, USA)를 사용하였다. 점도측정 온도 범위는 20℃, 40℃, 60℃, 80℃, 10 0℃, 120℃, 130℃로 하였다. 초음파 조사와 가열에 따른 연료의 밀도는 연료를 메스실린더에 넣고 온도에 따른 체적과 무게를 측정하여 계산하였다.
점도측정 온도 범위는 20℃, 40℃, 60℃, 80℃, 10 0℃, 120℃, 130℃로 하였다. 초음파 조사와 가열에 따른 연료의 밀도는 연료를 메스실린더에 넣고 온도에 따른 체적과 무게를 측정하여 계산하였다. 동점도는 절대점도를 밀도로 나누어 산출하였고 모든 실험은 5회 반복하였다.
동점도는 절대점도를 밀도로 나누어 산출하였고 모든 실험은 5회 반복하였다. 실험에 사용된 경유의 동점도인 2.35 mm²/s이하가 되는 연료별 최적 온도를 예측하기 위한 상관관계식을 도출하였다. 도출된 식 (4)를 이용하여 연료별 최적온도를 산출하였고 ν는 동점도(mm²/s), T는 온도(℃), a, b, c는 상수를 나타낸다[29].
BD와 경유의 혼합비율별 상관관계식을 이용하여 경유의 동점도인 2.35 mm²/s이하가 되는 연료별 최적 가열 온도를 산출하였다. BD100은 110℃, BD80은 97℃ 에서 각각 2.
가열과 초음파 조사의 방법으로 BD-경유 혼합연료의 온도 변화에 따른 동점도 감소 실험을 수행하여 BD-경유 혼합연료의 BD혼합비율별 최적 온도 예측식을 도출 하였다. 처리 방법에 따른 동점도 감소 실험 결과, 가열의 방법이 초음파 조사 방법에 비해 동점도 감소에 효과적인 방법임을 확인하였다.

대상 데이터

우지오일은 마이크로웨이브 오븐을 이용하여 조사가열 추출방법으로 오일을 추출하고 불순물을 거름필터로 제거한 후 사용하였다. 사용된 해바라기유는 시판되고 있는 오일을 사용하였다. Table 1은 실험에 사용한 오일의 혼합비를 나타낸 것으로 우지 오일과 해바라기유의 혼합 비율은 우지오일을 20 wt% 비율로 늘려 각각 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:9의 중량비로 혼합하였다[15, 24].
혼합오일의 총 중량은 50 g이다. 실험에 사용한 알코올은 99.8% 무수메탄올 (Duksan, Korea)을 사용하였고, 촉매는 반응성이 좋고 가격이 저렴하여 알칼리 에스테르 교환 반응에 주로 사용되는 수산화나트륨(93% GR grade, Duksan, Korea)을 사용하였다[25].
제조한 바이오디젤의 지방산 메틸 에스터(FAME: Fatty Acid Methyl Ester)는 EN 14103법으로 분석하였다. 사용된 장치는 가스크로마토그래피 (GC6850, Agilent, USA)이며 불꽃이온화 검출기(Flame Ionization Detector)를 사용하였다. 바이오디젤 생산수율은 식 (1) 로 계산하였다.
동점도 측정에 사용한 바이오디젤은 바이오디젤의 비율을 20 vol.%씩 변화시켜 경유와 혼합한 BD20-BD100을 사용하였다. BD20은 바이오디젤 20%, 경유 80%을 의미한다.

데이터처리

오일 혼합비와 메탄올/유지 몰비가 FAME 함량과 바이오디젤 생산수율에 미치는 영향을 검정하기 위해 SPSS 20.0 (IBM Corp., USA)을 사용하여 다변량 분산 분석 (MANOVA)을 실시하였고 사후검정은 Tukey HSD를 사용하였다. 각각의 독립요인이 바이오디젤 생산 수율과 FAME 함량에 미치는 영향을 규명하기 위해 식 (2), 식 (3)을 이용하여 실험변수별 기여율(PC: Percentage Contribution ratre)을 계산하여 실험변수가 결과에 미치는 영향을 분석하였다.

이론/모형

제조한 바이오디젤의 지방산 메틸 에스터(FAME: Fatty Acid Methyl Ester)는 EN 14103법으로 분석하였다. 사용된 장치는 가스크로마토그래피 (GC6850, Agilent, USA)이며 불꽃이온화 검출기(Flame Ionization Detector)를 사용하였다.

성능/효과

TR 후 글리세롤 층과 바이오 디젤을 분액 깔대기를 이용하여 분리한 후 잔류 수분과 불순물을 제거하기 위해 증류수로 세척하였고 250℃로 60분간 가열하여 남은 불순물을 제거하였다. 바이오디젤 전환 실험은 재료별 각각 5회 반복하였고 그 결과는 평균값으로 나타내었다.
Table 3은 TASU 바이오디젤의 오일 혼합비, 메탄올/ 유지 몰비에 따른 FAME 함량과 바이오디젤 생산수율에 대한 결과를 나타낸 것이다. 메탄올 유지/몰비 10, 오일 혼합비 TASU7에서의 바이오디젤 전환 결과가 우수한 것으로 나타났다. 특히, 메탄올 유지/몰비 10에서의 FAME 함량과 BD 수율의 평균은 각각 96.
메탄올 유지/몰비 10, 오일 혼합비 TASU7에서의 바이오디젤 전환 결과가 우수한 것으로 나타났다. 특히, 메탄올 유지/몰비 10에서의 FAME 함량과 BD 수율의 평균은 각각 96.06%, 79%로 나타났고 오일혼합비 TASU7 에서의 FAME 함량과 BD 수율의 평균은 각각 94.4%, 76%로 가장 높은 전환율로 나타났다. 메탄올/유지 몰비 10을 기점으로 메탄올 12 ㏖, 14 ㏖ 에서의 FAME 함량, 바이오디젤 생산수율은 감소하는 것으로 나타났다.
4%, 76%로 가장 높은 전환율로 나타났다. 메탄올/유지 몰비 10을 기점으로 메탄올 12 ㏖, 14 ㏖ 에서의 FAME 함량, 바이오디젤 생산수율은 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 오일혼합비 TASU9의 경우 모든 실험 범위에서 바이오디젤의 기준(FAME 함량 96.
메탄올/유지 몰비 10을 기점으로 메탄올 12 ㏖, 14 ㏖ 에서의 FAME 함량, 바이오디젤 생산수율은 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 오일혼합비 TASU9의 경우 모든 실험 범위에서 바이오디젤의 기준(FAME 함량 96.5% 이상)을 만족 하지 못하는 것으로 나타났다. 알칼 리촉매를 이용한 TR의 경우 원료 유지내의 유리지방산 (FFA: Free fatty acid)함량이 0.
그러나, 적정 메탄올이상 메탄올이 투입되면 용해도가 증가되어 글리세린과 에스터의 분리가 어렵게 되어 전환율이 감소된다[33]. 이상의 결과 우지, 해바라기유 혼합 바이오디젤 제조 시 오일 혼합비율에 따른 적정 메탄올/유지 몰비를 규명하는 것이 바이오디젤 전환에 중요한 요인이라 판단된다.
Table 4는 메탄올/유지 몰비와 오일 혼합비에 따른 FAME 함량을 분산분석한 결과로 실험오차의 기여율이 7%로 각 독립요인이 결과에 미치는 영향의 적절성은 신뢰되며 각 분석의 유의확률은 99% 이상으로 나타났다. 분산분석의 결과로 계산된 독립요인별 FAME 함량에 대한 기여율(PC)은 몰비율 50.9%, 오일 혼합비 5.9%, 몰비율과 오일혼합비의 교호작용이 36.2%로 나타나 FAME 함량에 메탄올/유지 몰비가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
Table 5은 메탄올/유지 몰비와 오일 혼합비에 따른 바이오디젤 생산수율을 분산분석한 결과로 실험오차의 기여율이 7%로 나타났다. 바이오디젤 생산수율에 대한 기여율은 몰비율 47.4%, 몰비율과 오일혼합비의 교호작용 41.2%, 오일 혼합비 4.4% 으로 나타났다. 바이오디젤 생산수율에서도 메탄올/유지 몰비가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
4% 으로 나타났다. 바이오디젤 생산수율에서도 메탄올/유지 몰비가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
Table 6은 TASU7 바이오디젤, 해바라기유 바이오디젤 (SU BD)[34], 우지 바이오디젤(TA BD)[35]을 구성하고 있는 지방산 메틸 에스터를 나타낸 것으로 TASU7 바이오디젤의 포화지방산 메틸에스터(SFAME: Saturated Fatty Acid Methyl Ester)와 불포화지방산 메틸에스터 (UFAME: Unsaturated Fatty Acid Methyl Ester)함량은 각각 41.9%, 56.4%로 나타나 SU 바이오디젤에 비해 UFAME 함량은 감소하였고 SFAME 함량은 증가하였다. 바이오디젤을 구성하는 지방산 메틸 에스터의 조성비는 동점도, 발열량, 세탄가와 같은 바이오디젤의 연료특성에 많은 영향을 미친다[36].
TASU7 바이오디젤의 발열량은 41.2 MJ/kg으로 SU 바이오디젤의 발열량에 비해 증가한 것으로 나타났다. Verduzco et al.
TASU7 바이오디젤의 CFPP는 -1.5℃로 TA 바이오 디젤의 CFPP 8-10℃에 비해 크게 향상된 것으로 나타 났고 바이오디젤의 품질기준인 CFPP 0℃ 이하를 만족하 였다. 그러나, SU 바이오디젤에 비해 CFPP가 높은 것은 우지 함량 증가에 따라 탄소길이가 긴 SFAME 함량이 증가하여 CFPP가 더 높은 것으로 판단된다[39].
바이오디젤의 높은 동점도는 SFAME 함량과 사슬이긴 탄소원자에 따른 것으로 TASU7 바이오디젤의 동점 도는 바이오디젤의 동점도 품질기준인 1.9-5.0 mm²/s 를 만족하였다. 또한, TA 바이오디젤에 비해 낮은 SFAME 함량으로 인해 동점도가 낮게 나타났다[46].
TASU7 바이오디젤의 연료특성 분석 결과 바이오디젤 품질 기준을 모두 만족하는 것으로 나타나 우지를 바이오디젤의 원료로 사용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 하지만 우지의 높은 포화지방산 함량의 영향으로 증가된 동점도는 기관성능을 저해할 수 있어 이를 해결하기 위한 방안이 요구된다.
35 mm²/s이하로 감소되었다. BD 의 혼합비율이 높을수록 동점도가 높게 나타났고 BD 비율이 높을수록 동점도 감소폭도 큰 것으로 나타났다. 온도에 따른 BD의 동점도 변화는 지방산 구성에 많은 영향을 받는다.
2는 초음파 조사 시 TASU7 BD-경유 혼합 연료의 동점도 변화를 나타낸 것으로 그림의 식은 초음파 조사에 따른 연료의 온도와 동점도의 상관관계식을 나타낸 것이다. 상관관계식을 이용해 경유의 동점도 이하가 되는 온도를 산출한 결과 BD100은 116℃에서 3.38 mm²/s, BD80은 123℃일 때 2.84 mm²/s, BD60은 112℃일 때 2.69 mm²/s로 경유의 동점도인 2.35 mm²/s이하로 감소되지 않는 것으로 나타났다. BD40, BD20은 각각 8 2℃, 72℃일 때 동점도가 2.
TASU7 바이오디젤과 경유 혼합연료의 동점도 변화 실험 결과 가열의 방법, 초음파 조사의 방법 모두 동점도 감소에 효과가 있었다. 특히, 가열 방법은 초음파 조사 방법에 비해 짧은 시간에 동점도 감소가 이루어졌고 동점도 감소 효과도 더욱 우수한 것으로 나타났다.
TASU7 바이오디젤과 경유 혼합연료의 동점도 변화 실험 결과 가열의 방법, 초음파 조사의 방법 모두 동점도 감소에 효과가 있었다. 특히, 가열 방법은 초음파 조사 방법에 비해 짧은 시간에 동점도 감소가 이루어졌고 동점도 감소 효과도 더욱 우수한 것으로 나타났다. 가열장치는 초음파 조사 장치에 비해 가격이 저렴하고 간단하여 더욱 효율적인 동점도 감소 방법이라 판단된다.
우지, 해바라기유 혼합 바이오디젤의 전환 특성을 규명한 결과 TASU7, 메탄올/유지 몰비 10에서 가장 우수한 전환율을 보였다. 분산분석을 이용해 실험변수의 기여율을 도출한 결과 메탄올/유지 몰비가 바이오디젤 전환율에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났고 연료특성 분석 결과 TASU7 바이오디젤은 바이오디젤의 품질 기준을 만족하는 것으로 나타나 연료로서의 품질을 확인하였다.
우지, 해바라기유 혼합 바이오디젤의 전환 특성을 규명한 결과 TASU7, 메탄올/유지 몰비 10에서 가장 우수한 전환율을 보였다. 분산분석을 이용해 실험변수의 기여율을 도출한 결과 메탄올/유지 몰비가 바이오디젤 전환율에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났고 연료특성 분석 결과 TASU7 바이오디젤은 바이오디젤의 품질 기준을 만족하는 것으로 나타나 연료로서의 품질을 확인하였다.
가열과 초음파 조사의 방법으로 BD-경유 혼합연료의 온도 변화에 따른 동점도 감소 실험을 수행하여 BD-경유 혼합연료의 BD혼합비율별 최적 온도 예측식을 도출 하였다. 처리 방법에 따른 동점도 감소 실험 결과, 가열의 방법이 초음파 조사 방법에 비해 동점도 감소에 효과적인 방법임을 확인하였다. 우지, 해바라기유 오일혼합 바이오디젤을 연료로 사용 시 간단한 연료 가열시스템 설치만으로 바이오디젤의 고점도 문제를 해결할 수 있음을 확인하였다.
처리 방법에 따른 동점도 감소 실험 결과, 가열의 방법이 초음파 조사 방법에 비해 동점도 감소에 효과적인 방법임을 확인하였다. 우지, 해바라기유 오일혼합 바이오디젤을 연료로 사용 시 간단한 연료 가열시스템 설치만으로 바이오디젤의 고점도 문제를 해결할 수 있음을 확인하였다.

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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