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Background
최근 자원고갈과 환경오염에 대한 심각성이 대두되면서 바이오디젤의 생산에 관심이 높아지고 있다.
바이오디젤은 기존의 디젤 엔진에 사용했을 때 석유디젤과
동일한 동력 및 토크를 제공할 뿐 아니라 생분해성이,
있고 석유 자원을 사용하지
않는 다는 점에서 환경
친화적인 획기적인 신연료이다.
그러나 제조 공정이
복잡하여 단가가 매우 높기 때문에 대량 생산과
공급에 어려움을 겪고 있다.
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바이오디젤의 제조 과정은 다음과 같다.
1. 가열: 중성지방 (TG, triglyceride)에 촉매제와 알콜류 액체를 넣고 65 ℃ 로 가열한다
2. 교반: 1~4시간 동안 교반하여 중성지방과 알코올 사이 계면에서의 화학반응 (트랜스에스테르화
반응)을 촉진시킨다.
3. 상분리: 5~10시간 동안 방치하여 상 분리를 기다린 후 바이오디젤 층 (상층부)을 얻는다.
위 과정을 거쳐 얻은 바이오디젤은 약 85~87%의 순도를 가지며, 다음과 같이 몇가지 개선 사항이 존재한다.
1. 불충분한 교반이 반응 속도를 늦춘다. 화학 반응은 중성지방과 알코올 사이 계면에서 발생하기
때문에 유화를 통해 접촉 면적을 증가시키면 화학반응 속도가 빨라지므로 어느정도 도움이
될 수 있으나 일반 교반기의 유화 수준은 매우 낮다.
2. 상분리에 소요되는 시간 (5~10시간)이 길다. 그 이유는 화학반응에 사용되고 남은 알코올이
글리세롤을 디젤에 용해시키는 역할을 하기 때문이다.
3. 분리 정제 공정이 복잡하다.
Ultrasound-Assisted Production of Biodiesel
ISP-3000 생산용 초음파 시스템을 사용하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 반응속도 증진 효과: 초음파 cavitation 에너지에 의해 에멀전 droplet의 크기가 나노 수준에
이르는 나노에멀전이 되고, 중성지방과 알코올의 접촉면적 증가로 인해 반응소요 시간이
1 ~ 4시간에서 수 분으로 단축된다. . [Reference: Singh, A.K., et al., Base-catalyzed
fast transesterification of soybean oil using ultrasonication, Energy & Fuels,
2007. 21:
p. 1161].
2. 상분리 시간 감소 효과: 나노에멀전화를 통해 중성지방과 알코올의 접촉면적이 대폭 증가
하면서 잔여 알코올이 상대적으로 적게 된다. 이는 기존에 잔여 알코올이 글리세롤을 디젤에
용해시키는 작용을 감소시키게 되고, 그 결과 디젤의 상분리에 소요되는 시간이 5~10시간에서
약 30분으로 감소한다. [Reference: Singh, A.K., et al., Base-catalyzed fast
transesterification of soybean oil using ultrasonication, Energy & Fuels,
2007. 21: p. 1161].
3. 2번과 같은 이유로 분리 정제 공정이 간단해지고, 바이오디젤의 순도는 95~99%로 증가하여
생산량이 증대된다.
4. 더욱이, ISP-3000 생산용 초음파 시스템을 사용하면 배치식이 아닌 연속 공정으로 전환이
가능하여 대용량으로 생산 시 비용을 낮출 뿐 아니라 제조 과정 중 열처리를 하지 않아도
될 만큼의 활성화 에너지가 공급되므로 공정 효율성이 높아진다.
정리하면, 바이오디젤 제조공정에 일반교반기 대신 ISP-3000 초음파 시스템을 사용하면 다음과
같은 장점이 있다.
1. 가열 과정을 생략하여 공정 효율성이 높아진다.
2. 교반 시간이 1~4시간에서 수분으로 줄어든다.
3. 상분리 시간이 5~10시간에서 약 30분으로 감소한다.
4. 분리 정제 공정이 단순화되어 순도가 85~87%에서 95~99%로 증가한다.
5. 배치식 공정에서 연속식 공정으로 전환이 용이하여 생산 비용이 절감된다.
※요약: 약 13시간 30분의 시간이 절약되고, 생산량은 10~14% 증가한다.
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