CopyrightⒸ2015 KSAE / 135-09 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.2.214 Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 2, pp.214-220 (2015)
초음파 에너지 조사에 따른 바이오 디젤 특성
박 충 열1)․최 두 석*2)
공주대학교 대학원 기계공학과1)․공주대학교 기계자동차공학부2)
Characteristics of Bio-diesel according to Irradiation for Ultrasonic Energy
Chungyeol Park1)․Dooseuk Choi*2)
1)Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Kongju National University, Chungnam 330-717, Korea
2)Department of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University, Chungnam 330-717, Korea (Received 14 October 2014 / Revised 25 November 2014 / Accepted 16 January 2015)
Abstract : Since resources of fossil fuels are limited, development of alternative energies is emphasized and research on new-regenerative energy is actively in progress worldwide. In present research, physical and chemical characteristics of mixed fuel are analyzed in detail for the different mixture rate of conventional and bio-diesel and ultrasonic irradiation time. Experimental setup consists of ultrasonic generator, vibrator, horn, and reflector. Various physical and chemical characteristics of fuel are investigated for volumetric mixture rate of bio-diesel from 0 to 100%. As results, viscosity and surface tension is increased as mixture rate of bio-diesel is increased. Also, molecular splits and reunions are increased and decreased repeatedly after some period of time as ultrasonic energy irradiation time is increased. As conclusion of experiments, Olefin rate, Branch index, and Aromatic rate are influenced by ultrasonic irradiation time.
Key words : Bio-diesel(바이오 디젤), Ultrasonic energy(초음파 에너지), Surface tension(표면장력), Cavitation (공 동현상), Nuclear magnetic resonance(핵자기 공명)
1. 서 론1)
전 세계적으로 한정된 자원의 매장량으로 인해 자원공급의 한계가 발생하고 있으며, 우리나라의 자동차 주요 수출국인 유럽의 EU(European Union) 법과 미국의 EPA(Environmental Prote ction Agency) 법, CARB(California Air Resou rces Board)법 등의 환 경문제 발생으로 인해 배출가스 규제가 강화되고 있는 실정이다. 그에 따라 대체에너지의 개발 필요 성이 전 세계적으로 중요시되어 신･재생 에너지(수 소, 청정연료, 바이오연료 등)에 대한 연구가 활발하 게 진행되고 있다.
여러 가지 신･재생에너지 중에서도 바이오 디젤 에 관심이 많아지고 있다. 그 이유는 바이오 디젤의
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
유지(油脂)는 대두, 유채, 팜, 해바라기씨 등에서 생 산이 가능한 것이므로 영구 지속적으로 사용가능하 며, 경유와 연료 성상이 비슷하고,1) 높은 세탄가와 150°C의 높은 인화점으로 인해 안전성을 가지고 있 다. 또한 산소함량이 경유에 비해 약 11~15% 정도 많으며, 유황성분 및 독성이 적으므로2) 바이오 디젤 을 친환경 연료라 생각하고 관심을 가지고 있다.
2010년부터 전 세계적으로 바이오 디젤과 경유를 혼합한 BD 2 (바이오 디젤 2% + 경유 98%) ~ BD 15(바이오 디젤 15% + 경유 85%)까지 사용하는 것 을 의무화하고 있으며, 우리나라의 경우 2006년 7월 부터 BD 5를 사용하고 있다. 이렇게 바이오 디젤을 그대로 사용하지 않고, BD 15 이하로 혼합하여 사 용하는 이유는 합금 및 엘라스토머, 천연고무, 합성 고무와 바이오 디젤 간의 양립성에 문제가 있으며,
초음파 에너지 조사에 따른 바이오 디젤 특성
출력과 효율성 부분에서도 신뢰를 얻지 못하고 있 기 때문이다. 또한 경유보다 높은 산소함량으로 연 소가 활발히 이루어져 연소온도 상승과 NOx가 증 가하는 문제점을 가지고 있다. 그리고 바이오 디젤 은 유동점과 점성이 높기 때문에 낮은 온도에서 분 산성, 미립화, 증발성 문제, 카본 퇴적 문제, 인젝터 막힘 문제 등의 단점을 가지고 있어 많은 양의 바이 오 디젤을 혼합시켜 사용하지 못하고 있다. 선행연 구에서는 바이오 디젤의 함유량에 따른 연소 및 배 기특성에 관한 연구3)가 대부분이고, 바이오 디젤의 문제점인 유동점 및 점성에 대한 연구는 부족한 상 황이다.
따라서 본 연구에서는 바이오 디젤의 단점인 유 동점 및 점성에 대한 연구를 하고자 하며, 그에 따른 보완 방법으로 초음파 에너지를 이용하여 바이오 디젤을 개질시켜 물리적･화학적 특성에 변화를 주 고자 한다.4,5) 선행연구에서도 이와 같이 바이오 디 젤에 초음파 에너지를 통한 물리적･화학적 특성 분 석6)을 하였지만, 본 연구에서는 혼합비율을 달리하 여 초음파 시간에 따른 물리적･화학적 특성을 구체 적으로 분석해 보고자 한다.
2. 실험 장치 및 방법 2.1 초음파 장치
Fig. 1은 초음파 장치의 개략도로서 연료실(chamber) 에 연료를 넣었을 때 최대의 개질 효과를 얻을 수 있 도록 설계･제작하였다. 초음파 장치는 초음파 발생 기, 진동자(Bolted Langevin Type Transducer, BLT), 혼(Horn), 반사판(reflector)으로 구성하였다.
진동자의 제원은 Table 1과 같다. 초음파 장치는 AC 220 V의 전원을 받아 발진장치(200 W)를 작동 시키게 되어 28 kHz의 진동이 혼을 통하여 연료실 에 있는 연료에 초음파 에너지가 조사하도록 하였 으며, 이때 음의 전반사 조건이 가능하도록 반사판 을 설치하였다. 연료라인에 대해서는 ⑦에 입구를
⑤에 출구를 두었으며, 공진현상으로 발생되는 가 스7,8)에 의해 장치의 손상을 방지하기 위해 공기구 멍(air vent) ⑥을 설치하였다. Fig. 2는 초음파 발생 기에 대한 개략도로서 전기적 신호를 기계적 신호 로 초음파 에너지를 발생시키도록 되어 있다.9,10)
① Chamber ② Bolted langevin type ③ Horn ④ Reflector ⑤ Fuel outlet ⑥ Air vent ⑦ Fuel inlet ⑧ Ultrasonic generator
Fig. 1 schematic diagram of ultrasonic fuel supply system Table 1 Specification of bolted langevin transducer
Items Specifications
Frequency (kHz) 28 ± 0.4
Admittance (mΩ) 35 ± 7
Thermal quality (Qm) 1,000
Maximum altitude (μm) 9.6
Maximum velocity (cm/s) 60
Dia. & Thickness (mm) Φ29.5 & 5
Fig. 2 Block diagram of ultrasonic oscillator system
2.2 실험 조건
본 연구에서 사용한 바이오 디젤은 S사에서 제작 되는 팜 메틸 에스테르(Palm Methyl Ester- ase, PME) 를 사용하였고, 경유는 상용 경유를 사용하였으며, 혼합비율에 대한 조건은 바이오디젤의 체적 분율에 따라 0, 5, 10, 20, 30, 100%(이하는 BD 0, BD 5, BD 10, BD 20, BD 30, BD 100으로 표시한다)로 정하였
Chungyeol Park․Dooseuk Choi
다. 그리고 각각의 연료실에 연료를 채우고 대기압 20°C에서 초음파 에너지 조사 시간조건을 0 ~ 240 초까지 60 초 간격으로 초음파 에너지를 조사하였 다. 따라서 총 30개의 시료에 대해 물리적‧화학적 특성을 분석하였다.
2.3 물리적 특성
점도 및 표면장력은 자동차 주행에 있어 증발능 력, 미립화, 윤활에 영향을 주는 중요한 요인이 된 다. 점도측정 장치는 우베로오데(Ubbeohde)형 점도 계를 사용하였으며, 식 (1)을 이용하여 점도를 계산 하였다. 이때 점도계의 정수 K의 값은 Table 2에서 의 모세관의 안지름, 구의 용량, 운동점도의 측정범 위를 고려하여 1.0을 사용하였다. 그리고 시간 t는 일정 부피의 액체가 모세관을 통하여 흘러내리는데 소요되는 시간을 측정하였다.
⋅
⋅⋅
(1)where K : The viscometer constant (mm2/s2) t : Time (s),
: Density (g/mL)Table 2 Specification of viscometer constant Viscometer
constant
Inner diameter of the capillary
Capacity of circle
Measurement range of the kinematic
viscosity 1.0 K 1.83 mm 4.0 mL 200 ~ 1,000 mm2/s
표면장력은 Alpha 100A를 사용하여 측정하였으 며, 바늘 끝의 모세관 현상인 펜던트 드롭(Pendant drop)의 형태를 이용하여 장축과 단축의 비를 계산 하는 Adams Bahforth 테크닉 방식을 사용하였다.
2.4 화학적 특성
핵자기 공명분광기를 통해 분자의 모양 및 구조 에 관한 정보를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 분자를 구 성하고 있는 각종 형태의 수소에 관한 정보를 통해 화학적 특성을 분석하였다. 장치는 진동수 400 MHz 를 가진 AVANCE III 400를 사용하였으며, 사용한 장치의 개략도는 Fig. 3과 같이 전체자기장이 제한 된 범위에서 변화할 수 있도록 2차 자석에 변화되어 직류 전류를 공급할 수 있는 전자석, 시료관, 자기장
Fig. 3 Schematic diagram of nuclear magnetic resonance spectrometer
에 수직 방향으로 시료에 에너지를 전달하는 코일에 연결된 라디오파 발생기(transmitter), 라디오파 수신 기(receiver), 증폭기, 기록기(recorder)로 되어 있다.
실험을 위한 용매로는 시료와 반응하지 않으면서 용해력이 크고 분석의 기준이 되는 CDCl3 (chloro- form-d)를 사용하여 CDCl3 (97%) + 시료(3%)의 혼합 을 하였다.
연료의 분자구조 비교분석 기준은 기존 연구의 분석기준11)을 적용하여 초음파 에너지 조사의 경우 와 비교하였으며, Table 3에 나타낸 것처럼 NMR 스 펙트럼을 통하여 얻어진 결과에서 각 수소타입에 대한 화학적 이동영역내의 각 피크들의 적분강도는 그 피크들이 나타내는 작용기에 대한 상대량을 나타 내므로 이를 근거로 수소체적 분포비율을 식 (2) ~ (7)과 같이 계산하여 상대비를 비교하였다. 또한 식 (8)을 통해 Branch Index(BI)값을 계산하여 iso-paraffin 과 n-paraffin 사이의 변환여부를 분석하였다.
(2)
×
(3)
×
(4)
×
(5)
×
(6)
×
(7)
(8)
Characteristics of Bio-diesel according to Irradiation for Ultrasonic Energy
Table 3 Region of five hydrogen types on 1H-NMR spectrum Hydrogen type Chemical shift form
TMS, ppm Aromatic Ha (dar+mar) (aromatic ring) 6.5 ~ 9.0
Aromatic HO (Olefin) 4.5 ~ 6.0 Aromatic Hα (α-methyl : CH) 1.8 ~ 4.0 Paraffinic Hβ (methylene : CH2) 1.0 ~ 1.8 Paraffinic Hγ (methyl : CH3) 0.5 ~ 1.0
3. 결과 및 고찰 3.1 물리적 특성 분석
Fig. 4는 초음파 조사시간에 따른 혼합 비율별 점 도를 나타낸 그래프이다. 바이오 디젤의 혼합 비율 이 커질수록 점도가 커지고, 초음파 에너지를 조사 시간에 따라 점도가 작아지다가 일정시간 후에는 다시 커지는 경향을 보이고 있다. 그 이유는 연료에 함유되어 있는 복잡한 구조인 고리모양의 탄화 수 소계가 초음파 에너지를 받으므로 서 사슬모양의 탄화수소계로 바뀌어져서 분자간의 인력이 완화되 었기 때문이다.10,11) 또한 초음파 에너지 조사시간에 따라 일정한 경향으로 감소율을 보이지 않는 이유 는 연료를 형성하고 있는 탄화 수소계 화합물에서 방향족 성분 및 지방족 성분을 구성하고 있는 탄소- 탄소, 탄소-수소의 결합이 초음파 에너지 조사에 의 한 공동현상으로 약한 결합의 분열이 일어나고 강 한 결합의 분열이 나중에 일어날 뿐만 아니라 분열 된 탄화수소 화합물의 일부가 초음파 에너지 조사 에 의한 공동현상에 의해 연료 내부에서 국부적인
Fig. 4 Viscosity according to the ultrasonic irradiation time
Fig. 5 Surface tension according to the ultrasonic irradiation time
화학적 환경이 변하면서 분열과 재결합이 반복되었 기 때문으로 판단된다.12-14)
Fig. 5는 점도와 같이 초음파 조사시간에 따른 혼 합 비율별 표면장력을 나타낸 그래프이다. 측정 결 과 점도와 마찬가지로 바이오 디젤의 혼합 비율이 증가함에 따라 표면장력이 커지고, 초음파 조사시 간에 따라 표면장력이 작아지다가 일정시간 후에는 다시 커지는 경향을 보이고 있다. 그 이유는 점도와 같은 공동현상 등에 의한 것으로 판단된다. 또한 초음 파 조사시간에 따른 변화가 점도와 다른 이유는 온도 에 따라 다르게 영향을 받기 때문이라고 판단된다.12-14)
3.2 화학적 특성 분석
Fig. 6 ~ Fig. 8은 시료 30개의 NMR 실험에서 얻어 진 스펙트럼 결과 중 대표적으로 BD 5에 대하여 초 음파 에너지 조사시간에 따른 다양한 화학적 이동 영역에 대한 수소의 적분강도를 나타낸 것이다. 측 정 결과를 보면 각 피크의 적분 값들은 다르지만 피 크의 화학적 이동 위치는 일정한 것을 확인할 수 있 었으며, 초음파 에너지가 작용기의 상대 량에는 영 향을 끼치지만 새로운 작용기는 생성하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 9 ~ Fig. 11은 시료별로 초음파 조사시간에 따 른 수소체적 분포 비율을 식 (2) ~ (7)로 계산하여 아 로메틱, 올레핀,
-메틸에 대하여 변화를 나타낸 그 래프이다. 방향족은 바이오 디젤 성분이 증가함에박충열․최두석
Fig. 6 NMR analysis of the ultrasonic wave irradiation time of 0 minutes of BD5
Fig. 7 NMR analysis of the ultrasonic wave irradiation time of 2 minutes of BD5
Fig. 8 NMR analysis of the ultrasonic wave irradiation time of 4 minutes of BD5
초음파 에너지 조사에 따른 바이오 디젤 특성
Fig. 9 Aromatic rates for the ultrasonic irradiation time
Fig. 10 Olefin rates for the ultrasonic irradiation time
Fig. 11 -methyl rates for the ultrasonic irradiation time
Fig. 12 Branch index rates for the ultrasonic irradiation time
따라 감소됨을 알 수 있었는데, 이는 BD 100이 방향 족 자체가 0이기 때문에 혼합비율이 증가할수록 증 가하는 것이라 판단하였다. 그리고 올레핀이나
- 메틸은 바이오 디젤 성분이 증가함에 따라 증가하 는 것을 확인할 수 있었다. 이는 바이오 디젤이 가지 고 있는 성분이 증가함에 따라 변하는 것이라 판단 된다. 또한 초음파 조사시간이 증가함에 따라 올레 핀의 체적비는 약간 증가하는 경향을 볼 수 있었고,
-메틸 (방향족 : H
) 값은 약간 감소하는 것을 확 인할 수 있었다. 이는 연료를 구성하는 방향족 성분 중 방향족 고리의
위치에 있는 메틸기가 초음파 진동에 의해 생성되는 공동 소멸시 발생하는 충격력에 의해 떨어져 나갔기 때문으로 판단할 수 있다.12-14)Fig. 12는 초음파 조사시간에 따른 BI값을 나타낸 그래프로서 초음파 조사시간에 따라 BI값이 변화하 는 경향을 볼 수 있었다. 이는 공동현상으로 파라핀 계의 주 사슬 결합에서 양쪽말단기인 메틸기(CH3) 가 떨어져 나가기 때문이라 판단된다. 또한 초음파 조사시간이 증가함에 따라 그래프 경향이 일정하지 않는 이유는 탄소-탄소, 탄수-수소 결합의 결합에너 지가 다르므로 공동현상에 의한 연료 내부의 화학적 환경에 따른 분열 및 재결합이 반복되기 때문이라 판단된다.12-14)
4. 결 론
본 논문에서는 바이오 디젤 혼합연료에 초음파
Chungyeol Park․Dooseuk Choi
에너지를 조사하여 연료의 특성인 물리적･화학적 특성 분석을 하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 점도와 표면장력은 바이오 디젤 혼합 비율이 증 가함에 따라 증가하고, 초음파 에너지의 조사시 간에 따라 분자사이에 분열과 재결합으로 일정 시간 후 증감을 반복하는 경향을 확인할 수 있었다.
2) 초음파 에너지를 연료에 부가함으로써 연료에 공동현상이 일어나 화학적 변화를 가져오며, 각 피크들의 적분 값이나 면적은 다르지만 화학적 이동 위치는 일정한 것을 알 수 있었다.
3) 화학적 특성 분석을 통해 바이오 디젤 혼합비율 이 증가함에 따라 아로메틱은 감소하고, 올레핀 과
-메틸은 증가하는 것을 확인할 수 있었다.또한 초음파 조사 시간에 따라 올레핀의 체적비, 브렌치인덱스 값, 아로메틱에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.
4) 물리적･화학적 특성 분석을 통해 초음파 에너지 조사가 연료의 유동점과 점도에 영향을 주는 것 을 확인하였으므로 바이오 디젤 연료의 단점 보 완에 기여할 것으로 판단된다.
후 기
본 논문은 공주대학교 교내 연구비 지원에 의해 연구되었음.
References
1) K. P. Lee, The Effects of 5% Blended Bio- diesel on Combustion and Idle Stability in a Common Rail Direct Diesel Engine, M. S.
Thesis, Seoul National University of Techno- logy, Seoul, 2007.
2) S. H. Park, A Study on the Spray and Atomi- zation Characteristics of Biodiesel-ethanol Blen- ding Fuel according to the Mixing Ratio, M. S.
Thesis, Hanyang University, Seoul, 2008.
3) D. J. Lee, Combustion and Emission Charac- teristics of Biodiesel-bioethanol Blends in a Common-rail Diesel Engine, Ph. D. Disserta- tion, Hanyang University, Seoul, 2012.
4) CARB, California's Plan to Reduce Motor
Vehicle Pollution, California EPA, Air Resources Board, 1994.
5) M. Nakayama, “Study of Uniform - Size Liquid Droplet Formation by Ultrasonic Vibration,”
JSME(B), Vol.52, No.482, 1986.
6) S. Y. Im, Y. S. Song, Y. C. Jung, D. S. Choi and J. I. Ryu, “An Experimental Study on Physical and Chemical Characteristics with Biodiesel Blended Fuel according to Ultrasonic Energy Irradiation Time,” Spring Conference Proceedings, pp.539-546, 2007.
7) J. K. Yang, J. D. Jung and J. I. Ryu, “A Study on the Performance Improvement of Diesel Automobile Engine with Ultrasonic Fuel Feed- ing System(II),” Transactions of KSAE, Vol.2, No.6, pp.50-56, 1994.
8) D. Ensminer, Ultrasonics, 2nd Edn., Marcel Dekker, Inc., 1988.
9) T. Mochida, “Ultrasonic Atomization of Liquids,”
ICLAS, Vol.8, No.4, pp.193-199, 1978.
10) J. V. Droughton, “The Effect of Ultrasonic Mixing of the Fuel on the Performance of an Internal Combustion Engine,” SAE 840238, 1984.
11) D. S. Choi, Y. C. Jung, S. Y. Im and J. I. Ryu,
“A Study on the Application Characteristics of Ultrasonically Irradiated Bio-diesel Fuel in Common-rail Direct Injection Diesel Engine,”
Transactions of KSAE, Vol.14, No.1, pp.109- 114, 2006.
12) B. O. Lee, Y. S. Lee and J. I. Ryu, “Effects of the Uitrasonic Energy on Smoke Reduction of Diesel Engine,” Fall Conference Proceedings, pp.222-227, 2003.
13) Y. S. Song, The Characteristics of Performance and Exhaust in Diesel Engine of the Ultrasonic Irradiation Bio-diesel Blended Fuel, Ph. D.
Dissertation, Chungnam University, Daejeon, Korea, 2004.
14) D. S. Choi, Study on the Atomization Charac- teristics and the Engine Performance Charac- teristics of the Ultrasonic Energy Added Diesel Fuel, Ph. D. Dissertation, Chungnam University, Daejeon, Korea, 1996.
