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Background
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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 |
| 3. |
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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