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Ultrasonic probe 를 통해 발생되는 ultrasonic waves 에 의해 liquid내에서 반복적으로 생성되는 negative presuure 와 positive pressure 에 의해 수많은 microscopic bubbles (cavity) 이 생긴다.
이 bubble 은 수 마이크로초 의 짧은 시간에 다시 폭발하듯이 사라지게 되는데 이때 수많은 shock wave 와 소용돌이가 생기게 된다.
이런 현상을 cavitation 이라 하는데 하나하나의 cavity 에 의한 충격파는 미세하지만 수많은 cavity 에서 발생되는 폭발 에너지는 엄청나게 된다. 이 에너지에 의해 분산 (dispersion) 등의 효과를 볼수있다.
Vegetable oil, animal fat 등을 이용하여 biodiesel 을 만드는 과정에 이러한 ultrasonication 을 이용하면 매우 효과적으로 biodiesel 을
만들 수 있는데 다음과 같은 특징이 있다.
- oil 을 biodiesel 로 전환시키는 transesterification 반응에는 촉매제가 필요한데 소량의 촉매제로도 충분히 반응이 일어난다.
- ultrasonic processing 을 이용한 transesterification 반응이 1~2시간이 소요되는 전통적인 batch reactor system 에 비해 수분이내로 매우 빠르게 일어난다.
- 반응의 부산물로 나오는 glycerin 을 분리하는데 1~2 시간밖에 소요되지 않는다.
- biodiesel 생산 수율이 95% 로 매우 높다.
Ultrasonication 을 이용한 Biodiesel 의 생산 방법은 다음과 같다.
이 반응에 사용되는 catalyst 는 sodium hydroxide, potassium hydroxide, or methoxide and methanol 으로 구성되며 dosage pump 를 이용하여 base 를 alcohol 에 천천히 넣고 stirring 을 하여 만들게 된다.
Vegetable oil 을 heat exchanger 를 통과시켜 65℃ 온도로 맞추면서 centrifuge pump 를 이용해 mxing vessel 로 이동시킨다.
Dosage or diaphragm pump 를 이용해 catalyst 를 mixing vessel 에 주입시켜 transesterification 반응을 시작한다.
Mixing vessel 로 들어가는 material 의 온도는 65℃ 로 유지시키고
Mixing vessel 내부의 압력은 25psi (150 Kpa) 로 유지한다.
여기에 사용되는 ultrasonication 장비는 미국 Sonics & Materials 社의 Model VC 750 / VCX 750 이며 이 장비의
ultrsonic converter 에 compressed cooling air 을 주입하고, amplitude 는 70% 에 setting 한다.
Model VC 750 / VCX 750 의 probe 를 High Volume Flow Cell (processing chamber) 에 위치시키고 200 liter/hour 의 속도로 vegetable oil 과 catalyst 이
processing chamber 를 통과하도록 압력을 조절한다.
Processing chamber 로부터 나온 material 은 압력이 없는 evaporation settling tank 로 이동시키고 약 1시간 30분정도 위치시킨다.
현재는 비록 분리는 되지 않았지만 methyl ester 와 glycerol liquid 가 transesterication 된 상태이고 methanol vapor 가 methanol tank 로 되돌아가기도 한다.
1시간 30분 정도 지난 후 층 분리가 일어나는데 아래층은 glycerol 과 다른 부산물로 이루어져 있는데 이것은 tank 아래부분의 valve 를 통해 배출된다.
Tank 의 상부층은 biodiesel 과 alcohol 로 구성되는데 alcohol 은 증류시키거나 또는 물을 이용해 제거하게 된다.
상층부의 biodiesel 은 다른 vessel 로 이동시켜 purification, washing, or drying 등과 같은 추가적인 processing 을 거칠 수 있는데
이 경우 biodiesel 은 processing chamber 로 다시 recirculation 시킬 수 있다.
이 process 는 100 liter 의 vegetable oil, 14 liter 의 methanol, 그리고 700 gram 의 sodium, potassium hydroxide 또는 methoxdie 로 이루어진다.
다음은 미국 Sonics & Materials 社 가 제안하는 Biodiesel Processing 의 schematic 이다.
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