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우지-해바라기유 오일혼합 바이오디젤의 전환 특성과 동점도 처리에 따른 오일혼합 바이오디젤의 동점도 변화 특성
우덕감(Duk-Gam Woo) 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.3
포화지방산 함량이 높은 우지와 불포화지방산 함량이 높은 식물성 유지인 해바라기유를 혼합한 혼합오일의 바이오디젤 전환특성을 규명하고 연료특성을 분석하였다. 다변량분산분석을 이용하여 도출한 기여율로 각 실험변수 (메탄올/유지 몰비, 오일혼합비) 가 바이오디젤 전환에 미치는 영향을 규명하였다. 또한, 바이오디젤의 고점도 문제를 해결하기 위해 가열과 초음파 조사의 방법을 적용하여 동점도 감소효과를 검증하였다. 연료별 온도 도와 동점도간의 상관관계식을 통해 동점도 감소를 위한 연료별 최적 온도를 도출하였다. 그 결과, 바이오디젤 전환율은 오일 혼합비 TASU7, 메탄올/유지 몰비 10에서 가장 우수한 것으로 나타났고 지방산 조성에 따라 연료특성에 차이가 있었다. 또한, 우지, 해바라기유 오일 혼합 바이오디젤의 연료특성 분석 결과 바이오디젤의 품질기준을 만족하는 것으로 나타났다. 바이오디젤의 고점도를 해결하기 위한 동점도 실험 결과 가열 방법의 동점도 감소 효과가 초음파 조사 방법에 비해 우수한 것으로 나타나간단한 가열장치로 바이오디젤의 고점도를 해결할 수 있음을 확인하였다. The conversion characteristics and fuel properties for producing biodiesel (BD) by blending beef-tallow, an animal waste resource with a high-saturated fatty acid content, and sunflower-oil, a vegetable oil with a high-unsaturated fatty acid content, were investigated. For this investigation, the effects of the control factors, such as the oil-blend ratio and methanol-to-oil molar ratio, on the fatty acid methyl ester and BD production yield were also investigated. The kinematic viscosity reduction effects of BD using heating and ultrasonic irradiation were verified, and the optimal temperature of each BD-diesel fuel blend for reducing the kinematic viscosity was derived using the correlation equation. As a result, the optimal conditions for producing blended biodiesel were verified to be TASU7 and a methanol-to-oil molar ratio of 10:1. The analysis results of the fuel properties of TASU7 satisfied the BD quality standard; hence, the viability of BD blended with waste tallow as fuel was verified. The experimental results on the kinematic viscosity reduction showed that heating is more effective in reducing the kinematic viscosity because it took less time than ultrasonic irradiation, and the equipment was cheaper and more straightforward than the ultrasonic irradiation method.
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우덕감 ( Gam-duk Woo ),김태한 ( Han Tae Kim ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
바이오디젤은 수송용 연료를 대체할 수 있는 청정에너지로 유채유, 대두유, 팜유 등과 같은 식물성 원료과 우지, 폐계유, 돈지, 어유 등과 같은 동물성 원료, 폐식용유 등 다양한 재료를 이용하여 에스테르화 반응과 같은 화학적 과정을 거쳐 만들어 진다. 식물성 원료의 경우 물성이 좋고 동물성 원료에 비해 저온유동성이 좋은 장점이 있고 동물성 원료는 식물성 원료에 비해 포화지방산함량이 많아 높은 발열량과 세탄가를 가지고 있고 불완전연소율이 낮은 장점이 있어 본 연구에서는 동물성 유지인 우지(tallow)와 대두유, 옥수수유, 카놀라유, 해바라기유를 각각 혼합비율을 다르게 혼합하여 바이오디젤을 생산하였다. 우지는 마이크로웨이브를 이용한 조사 가열추출법으로 추출하였고 대두유, 옥수수유, 카놀라유, 해바라기유는 시중에 판매되는 유지를 사용하였다. 유지의 혼합비에 따른 FAME 전환율 실험은 식물성 유지와 우지의 혼합비율을 각각 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:9로 하고 mole비율은 8,10,12, 14mole로 하였다. 알코올은 DUKSAN사의 99.8% 무수메탄올을 사용하였고, 바이오디젤 생산을 위한 에스테르화 교환반응에 사용된 염기촉매는 DUKSAN사의 95% KOH를 GR grade로 촉매량은 혼합유지량 대비 0.5wt%로 반응시간은 60분, 반응온도는 55℃이며 교반속도는 300rpm으로 하였다. 바이오디젤 생산 반응 후 글리세롤 층은 분액 깔대기를 이용하여 분리하였으며 초순수를 이용하여 바이오디젤 층에 혼합되어 있는 미반응 성분을 세척하여 제거한후 지방산 함량 분석을 수행하였다. 지방산 함량 분석은 EN 14103 분석법에 따라 HP(Hewlett-Packard)사의 Agilent 6850을 사용하여 분석하였다. 분석 결과 유지 혼합비와 메탄올/유지 mole에 따른 FAME(fatty acid metyl ester)전환율은 우지 대 해바라기유 혼합비율 1:9, 14mole에서 FAME함량이 87%로 가장 높게 나타났고, 혼합비율 3:7, 10mole에서 FAME함량이 50.55%로 가장 낮았다. 우지와 옥수수유의 경우 우지 대 옥수수유 혼합비율 1:9 12mole에서 FAME함량 85.9%, 혼합비율 5:5, 14mole에서 FAME함량이 42.99%로 나타났다. 우지와 대두유의 경우 우지대 대두유 혼합비율 5:5, 12mole에서 FAME함량이 92.09%로 가장 높았고, 혼합비율5:5, 8mole에서 가장 낮은 FAME함량이 48.87%로 분석되었다. 우지와 카놀라유의 경우 우지 대 카놀라유 혼합비율 9:1, 14mole에서 FAME함량이 95.4%로 가장 높았고, 혼합비율 7:3, 10mole에서 FAME함량이 49.14%로 가장 낮은 것을 알 수 있었다. 가장 높은 FAME함량은 우지와 카놀라유 혼합비율 9:1, 14mole에서 FAME함량이 95.4%로 가장 높았고, 우지와 옥수수유 혼합비율 5:5, 14mole에서 FAME함량이 42.99%로 가장 낮게 나타났다.
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커피박 오일의 에스테르화 반응에서 초음파에너지 조사의 효과 분석
김영수 ( Yeong-su Kim ),우덕감 ( Duk Gam Woo ),김태한 ( Taehan Kim ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
유지 내의 FFA는 유지와 알코올의 에스테르화 반응공정에서 알칼리 금속촉매를 이용할 경우 촉매와 반응하여 비누와 물을 형성하게 된다. 그 결과 수율이 낮아질 뿐 아니라 생성된 비누는 반응 후 에스테르 생성물과 글리세롤의 분리를 억제하는 역할을 한다. 산촉매를 이용한 에스테르화 공정에서는 FFA 함량이 높은 유지를 이용해서 바이오디젤을 제조할 수 있으나, 산촉매 공정은 고온, 고압 공정이어야 가능하므로, 에너지 소모량이 높고, 폐수처리에 따르는 비용이 높다. 촉매의 이용량을 줄이고 공정의 시간을 단축할 수 있는 방안으로 초음파에너지가 바이오디젤 제조에 이용되고 있다. 뿐만 아니라 초음파조사에 의해 제조된 바이오디젤의 경우 원유대비 산가가 30% 감소되었다는 보고가 있다. 이를 이용하면 에스테르화 반응에서 FFA에 의한 비누화 현상을 저감 시킬 수 있을 것이다. 본 실험에서 커피를 우려내고 나온 커피박에서 추출한 FFA가 높은 커피박 오일을 전처리를 거치치 않고 에스테르화 반응 하였다. 커피박에서 추출한 오일의 FFA는 3.15~4.25%으로 나타났다. 에스테르화 반응은 알칼리 촉매인 KOH, 알코올은 메탄올을 이용하였다. 기존의 일반적인 교반에 의한 공정(55°C, 250 rpm, 1시간)에서 촉매량 1.0~2.0wt%로 5수준, 메탄올을 몰수 3~11로 5수준으로 변수를 두어 반응하였고, 초음파에너지를 이용한 공정(55°C)에서는 마찬가지로 촉매량과 메탄올몰수 각각 5수준으로 변수를 두고, 시간과 초음파 세기변화에 따른 에스테르화 영향을 분석하였다. 제조된 바이오디젤은 FAME 함량 LAME 함량, BD 수율을 측정하여 비교하였다. 기존공정에서는 FAME 함량이 최대 87.8%로 바이오디젤 품질기준(FAME 함량 96.5% 이상)에 만족하지 못하였다. 초음파에너지를 조사한 에스테르화 반응에서 초음파조사세기 80%, 촉매(KOH) 1.25wt%, 오일/메탄올 몰비 1:7, 반응시간 30분, 온도 55°C에서 FAME 함량 96.6%,로 바이오디젤 품질기준에 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. BD수율의 경우 74wt%를 얻을 수 있었다. LAME 함량의 경우 모든 에스테르화 반응 조건에서 2.7~3.2%대를 보여 바이오디젤 품질기준(LAME 함량 12% 이하)을 만족하였다. 이로써 산촉매에 의한 전처리 과정을 거치지 않은 FFA 함량이 높은 커피박 유지로부터 초음파에너지를 조사하여 바이오디젤 생산의 가능성을 보여주었다.
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장석근 ( Sukgeun Jang ),최훤 ( Hwon Choi ),우덕감 ( Duk Gam Woo ),김태한 ( Taehan Kim ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
밭 작물 중 고추는 국내의 채소 작물 중 재배 면적과 생산량이 가장 많은 작물이며 생산액은 2010년 기준 쌀 다음으로 높은 작물이다. 수확작업은 고추 재배의 농작업 중 가장 힘든 작업으로 전체 고추 재배의 노동투하시간의 약 39%를 차지한다. 또한 수확작업은 기온이 가장 높은 6 ~ 8월 노지에서 이루어지기 때문에 작업자가 자외선에 과다 노출되어 피부질병의 원인이 된다. 이러한 고추수확 작업의 어려운 문제를 해결하기 위하여 수동형 고추 수확작업 편이장치와 로봇형태의 고추 수확 편이장치가 개발되었으나 국내의 고추재배 형태에 적합하지 않아 사용에 어려움이 있다. 따라서 본 연구는 고추 수확작업의 어려움을 개선하고자 국내 노지 고추밭의 재배 환경을 조사하고 작업자의 신체치수의 통계자료를 바탕으로 모터를 이용한 노지고추 및 과채류 수확작업 편이장치를 제작하였으며 자외선으로부터 작업자를 보호하기 위한 해가림 장치의 적정재료를 구명하여 자외선 차단율이 높은 재료를 해가림 장치에 사용하였다. 개발한 편이장치는 인력, 수동형 편이장치와 수확작업 능률 및 편의성을 비교 분석하였으며 그 결과 수확작업 능률은 개발된 편이장치 사용시 인력과 비교하여 시간당 약11%, 수동형 편이장치와 비교하여 약 1% 증가함을 확인할 수 있었다. 편의성 평가는 REBA 평가를 활용하였으며 Risk level에서 인력은 ‘조치가 필요함’ 수동 형 편이장치는 ‘조치가 필요할 수 도 있음’으로 나타났으나 개발된 편이장치를 사용시 ‘조치가 필요 없음’으로 평가되어 개발된 편이장치를 사용시 작업자의 편이성이 증대된 것으로 나타났다.
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오성길 ( Sung-kil Oh ),김영수 ( Yeong Su Kim ),우덕감 ( Duk Gam Woo ),김태한 ( Taehan Kim ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
식물성 유지를 이용한 바이오디젤의 경우 식량작물가격에 서로 영향을 끼치므로 동물성유지, 폐식물성유지를 이용한 바이오디젤 연구가 활발히 진행 되고 있다. 커피박(커피찌꺼기)에서 추출한 유지는 식물성유지로써 이용할 수 있는데 커피박은 2016년 한 해에만 12만2천톤이 발생하였고, 평균적으로 15%의 유지를 함유하고 있어 바이오디젤로써의 활용가치가 크다. 하지만 커피를 우려내고 나온 커피박은 함수율과 FFA (유리지방산) 함량이 높아 다량의 비누를 형성하여 바이오디젤 제조에 어려움이 생기기 때문에 커피박의 특성연구가 요구된다. 에스테르화 반응을 위한 공정(250rpm, 55°C, 1h)에서는 촉매 NaOH, KOH를 사용하여 촉매량을 1.0wt%~2.0wt%로 5수준, 메탄올을 몰수 3~11로 5수준으로 변수를 두어 반응하였다. 제조된 바이오디젤은 FAME 함량 LAME 함량, BD 수율을 측정하여 비교하였다. KOH 촉매에서 는 FAME 함량이 오일/메탄올 몰비 1:7, 촉매량 2.0wt%에서 87.8%로 가장 높게 나타났으며, 몰비와 촉매량이 증가함에 따라 FAME 함량이 높아지는 양상을 보였지만 일정량 이상에서는 더 이상 오르지 않는 결과를 보였다. BD 수율은 오일/메탄올 몰비 1:7, 촉매량 1.0%에서 68%로 가장 높게 나타났으며, 오일/메탄올 몰비가 증가함에 따라 BD 수율이 높아지는 양상을 보였지만 일정량 이상에서는 더 이상 증가하지 않았고, 촉매량이 증가함에 따라 감소하는 경향이 나타났다. NaOH 촉매에서는 FAME 함량이 오일/메탄올 몰비 1:7, 촉매량 1.5wt%에서 92.1%로 가장 높게 나타났으며, BD 수율은 오일/메탄올 몰비 1:7, 촉매량1.0%에서 59%로 가장 높게 나타났다. NaOH의 경우 KOH에 반응성이 높아 FAME 함량이 높게 나타났지만, 과도한 비누화로 인해 정제가 어렵고, BD 수율이 낮게 나타났다. LAME 함량의 경우 모든 조건에서 2.7~3.2%로 큰 차이가 없었다. KOH와 NaOH 촉매 모두 바이오디젤 품질 규격 기준(FAME 함량 96.5%)에 만족하지 못한 결과를 보였다.
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