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문제 정의
- 본 연구에서는 Jet A-1 연료에 고체 카본입자를 분산시킨 카본슬러리 연료제조 시 분산안정성에 미치는 첨가제 종류 및 함량, 혼합기기의 영향을 실험하여 조건을 선정하였고, scale up 제조된 결과와 비교하여 실용화 가능성을 고찰하였다.
- 카본슬러리 연료에서 카본의 함량이 증가할수록 밀도와 부피당 발열량이 증가하므로 첨가제별 로 카본의 함량을 증가시켜 분산특성을 조사함으로써 고에너지 밀도의 슬러리연료를 제조할 수 있는지 살펴보았다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 위치별로 분산안정성을 확인하기 위해 보관용기에서 5cm간격으로 상, 중, 하 세 위치별로 시료를 채취하여 측정한 탄소함량을 Table 1에 나타내었다. 이론적으로 분산이 잘 된 경우 위치별로 탄소함량은 유사하여야 하나 다소 차이가 있는 것으로 파악되었다.
- 카본의 함량이 10%인 슬러리연료에서 탄소 입자의 분산에 영향을 주는 요인을 파악하기 위해서 첨가제의 종류와 양, 혼합 장치, 혼합 시간을 변화시키면서 슬러리연료를 제조하고 저장용기에 보관시 상, 중, 하로 채취하여 카본함량과 입도분석을 실시하였다. 또한 bench scale로 제조시 분산 특성을 분석하여 lab scale 결과와 비교하였다.
대상 데이터
- 액체연료로 사용된 Jet A-1은 국방과학연구소로부터 제공받아 사용하였고, 카본(carbon black) N326는 (주)동양제철화학으로부터 제공받아서 사용하였다. Sodium oleate, TPAB(tetraethylammonium bromide)는 Aldrich 사에서 구입하였으며, polyolefin alkeneamide계 첨가제인 NB463S84는 국방과학연구소에서 제공받아 사용하였다.
- 실제로 연료로 개발되기 위해서는 실험실규모의 수십 g 단위 제조에서 나타나는 특성이 scale up에 의해 bench 규모의 kg 단위 제조에서도 관찰되어야 한다. 실험실용 혼합장치인 Paste Mixer는 bench scale 제조에 적용이 불가하여 혼합장비로 (주)풍산에서 보유한 Ball Mill을 사용하여 scale up제조하였다.
- 액체연료로 사용된 Jet A-1은 국방과학연구소로부터 제공받아 사용하였고, 카본(carbon black) N326는 (주)동양제철화학으로부터 제공받아서 사용하였다. Sodium oleate, TPAB(tetraethylammonium bromide)는 Aldrich 사에서 구입하였으며, polyolefin alkeneamide계 첨가제인 NB463S84는 국방과학연구소에서 제공받아 사용하였다.
- 첨가제의 종류로 Sodium oleate, NB463S84, TPAB를 사용하였다. 각 첨가제별로 1%, 5%, 10%를 사용하여 첨가 후 입자 크기의 변화를 살펴본 결과, Fig.
- 혼합 장치로는 Mechanical Stirrer, Sonicator, Ball Mill, 그리고 Paste Mixer 등을 사용하였다. 혼합 장치에 따른 카본슬러리 연료의 분산안정성을 알아보기 위해 제조 후 입도분석을 한 결과, Table 3 에서와 같이 Mechanical stirrer > Sonicator > Ball Mill > Paste Mixer 순으로 입자의 크기가 작아지는 것을 알 수 있었다.
- 혼합장치로는 Mechanical stirrer(MS-3060,TOPS), Sonicator (B3510,Branson), Ball Mill(Ball mill table, Daewhatech), Paste Mixer (PDM-150, Kmtech)를 사용하였으며 위치별 시료 채취 장치는 자체 제작하여 사용하였다. 각 연료의 입도분석은 Mastersizer 2000 (Malvern) 를 이용하여 측정하였다.
데이터처리
- 카본의 함량이 10%인 슬러리연료에서 탄소 입자의 분산에 영향을 주는 요인을 파악하기 위해서 첨가제의 종류와 양, 혼합 장치, 혼합 시간을 변화시키면서 슬러리연료를 제조하고 저장용기에 보관시 상, 중, 하로 채취하여 카본함량과 입도분석을 실시하였다. 또한 bench scale로 제조시 분산 특성을 분석하여 lab scale 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 혼합장치로는 Mechanical stirrer(MS-3060,TOPS), Sonicator (B3510,Branson), Ball Mill(Ball mill table, Daewhatech), Paste Mixer (PDM-150, Kmtech)를 사용하였으며 위치별 시료 채취 장치는 자체 제작하여 사용하였다. 각 연료의 입도분석은 Mastersizer 2000 (Malvern) 를 이용하여 측정하였다. 본문에서 사용되는 탄소입자와 첨가제에 대한 백분율(%)은 액체연료 Jet A-1에 대한 상대적인 질량분율을 의미한다.
성능/효과
- 1) 분산안정성을 향상시키기 위한 첨가제 종류변화실험을 통하여 polyolefin alkeneamide계 첨가제인 NB463S84가 가장 우수하였고, 100G하에서도 침전이 발생하지 않는 것을 확인하였다.
- 2) 카본함량이 10%일 때 NB463S84 첨가제의 양은 3%가 적당하며, 카본함량이 10%씩 증가할수록 NB463S84 첨가제의 양도 1%씩 증가되어야 100G하에서도 카본의 분산안정성이 유지되는 것을 확인하였다.
- 3) 혼합 장치에 따라 제조된 카본슬러리 연료의 입도분석 결과 Mechanical stirrer > Sonicator > Ball Mill > Paste Mixer 순으로 입자의 크기가 작아져 Paste Mixer사용시 분산안정성이 가장 우수한 것을 알 수 있었다.
- 3.2에서 NB463S84 첨가제 사용 시 작은 입자로 분산되어 분산안정성 면에서 가장 적당한 것을 알 수 있었다.
- 4) Bal mill을 사용하여 bench 규모로 제조된 슬러리연료의 입도 및 분산안정성은 lab scale 제조결과와 유사하여 실용화 가능성을 확인 할 수 있었다.
- 첨가제의 종류로 Sodium oleate, NB463S84, TPAB를 사용하였다. 각 첨가제별로 1%, 5%, 10%를 사용하여 첨가 후 입자 크기의 변화를 살펴본 결과, Fig. 1에서 TPAB는 첨가한 양이 증가할수록 작아지는 경향을 보였고 Sodium oleate는 작아지다 5% 이후에서 다시 증가하는 것이 관찰 되었다. 또한 NB463S84는 증가하다 감소하는 경향을 보였다.
- 특히 두 첨가제는 특정한 함량에서 최대 평균입도와 최소 평균입도가 존재하는 결과를 얻었다. 그 중에서 NB463S84 사용 시, 다른 첨가제와 비교할 때 전체적으로 평균입도가 작아짐을 확인하였다.
- 반면, NB463S84는 카본의 함량이 증가할수록 입자의 크기가 작아지는 것을 관찰하였다. 분산 안정성을 위해서는 입자의 뭉침 현상이 적어 입자 크기가 작게 나타난 NB463S84 첨가제가 가장 좋은 것으로 확인되었다.
- 그리고, 카본과 NB463S84 함량별로 제조된 시료를 100배로 증가된 중력가속도(G) 조건이 형성된 원심분리기에서 분산안정성 시험 시 침전 유무를 관찰하여 Table 2에 나타내었다. 이 결과로부터 첨가제가 1%, 2%일 때는 100G 조건하에서 5분 안에 침전이 일어나는 것을 알 수 있으나, 카본 10% 사용 시 첨가제를 3% 적용하면 100G하에서도 분산을 유지하는 것을 Fig. 3에서 확인하였다.
- 입자가 크면 일반적으로 질량이 증가하여 침전이 잘 되고 입자가 작으면 질량이 작아져 침전이 적게 일어난다. 이 연구를 통해 Paste Mixer 사용 시 분산안정성이 가장 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 NB463S84는 증가하다 감소하는 경향을 보였다. 특히 두 첨가제는 특정한 함량에서 최대 평균입도와 최소 평균입도가 존재하는 결과를 얻었다. 그 중에서 NB463S84 사용 시, 다른 첨가제와 비교할 때 전체적으로 평균입도가 작아짐을 확인하였다.
- 혼합 장치에 따른 카본슬러리 연료의 분산안정성을 알아보기 위해 제조 후 입도분석을 한 결과, Table 3 에서와 같이 Mechanical stirrer > Sonicator > Ball Mill > Paste Mixer 순으로 입자의 크기가 작아지는 것을 알 수 있었다.
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