[일반화학실험]바이오디젤(Biodiesel) 2부

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 분별 깔때기, 둥근 플라스크, 비커, 교반기, 마그네틱 바, pH용지, 테프론테이프

2) 냉각기, 저울, 비이커, 약수저, 핫플레이트

2. 실험 시약 

메탄올 (CH3OH) 분자량 : 32.04 g/㏖	식용유 식물성기름	인산 (H3PO4) 분자량 : 97.99518 g/㏖
수산화칼륨 (KOH) 분자량 : 56.11g/㏖	무수황산마그네슘 (MgSO4) 분자량 : 120.366g/㏖

실험 방법

1. 실험 과정

1) 메탄올 19.90g, 수산화칼륨 1.18g을 250㎖ 둥근플라스크에 넣고 수산화칼륨이 녹을 때까지 교반한다.

 

2) 식용유 100g을 넣고 마그네틱 바를 넣은 후 1시간 30분 동안 끓이면서 환류 시키고 플라스크 안의 반응물은 잘 교반하여 준다.

3) 에스테르화 반응이 끝나면 반응물을 식히고 인산을 이용하여 산도를 중성으로 맞추어 준다.

4) 분액깔때기에 담아 메틸에스테르 층과 글리세린 층을 분리시킨다.

5) 분액깔때기에서 에스테르층만 옮겨 무수황산마그네슘을 이용하여 수분을 제거해 준다. 생산된 바이오디젤의 무게를 측정한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

1) 바이오디젤 제조 요약

① 트리글리세이드와 알코올 간의 전이에스테르화 반응을 통해 바이오디젤을 제조한다.

② 지방이나 유지를 알코올과 반응시켜 에스테르와 글리세롤을 형성

 

2) 관련 반응식

① 유리지방산 + MeOH → 바이오디젤 + 글리세롤

② 트리글리세리드 + 3MeOH → 3바이오디젤 + 글리세롤

3) 정제된 바이오디젤의 양을 측정하고 회수율을 구한다.

회수율 = 얻은 바이오 디젤양(g)/(넣은 식용유의 양(g)+넣은 메탄올의 양)×100%

생산된 바이오디젤의 무게 : 137.179g - 55.870g = 81.309g

회수율 = 81.309g/(100g+19.90g)×100% = 67.8%

참고 자료

1. 바이오디젤 응용

1) 정의

바이오디젤(biodiesel)은 석유 기반의 경유 대체품으로 식물성이나 동물성 지방같은 재생 가능 자원을 바탕으로 제조하는 것 이다. 바이오디젤 생성 방법은 지질 에스터 교환반응을이용한다. 이는 원래 기름을 원하는 에스터로 바꿔 자유지방산을 제거하는 반응이다. 이 반응을 거친 후 바이오디젤은 경유의 대체품으로 사용할 수 있게 된다.

 

 

2) 생성방법

각종 폐식용유등의 기름을 수거하여 수산화나트륨을 넣어 중화반응을 시킨다. 이 과정에서 발생한 물을 제거하기 위해 진공상태로 가열시켜주어 물을 제거한다. 그 후 알칼리성 촉매를 넣고 적정 온도를 유지하며 잘 섞어 준다. 잘 섞어 주면 바이오디젤과 글리세린이 함께 형성되는데 이는 둘의 밀도 차이를 이용하여 분리 할 수 있다. 그 후 후처리과정에서 생성된 바이오디젤의 불순물을 물을 이용하여 제거한다. 마지막으로 바이오디젤 속 남은 수분을 증발시켜 제거고 첨가제를 투입하여 실생활에 바이오디젤을 사용한다.

 

3) 바이오디젤 사용이유

바이오디젤은 경유의 대체품으로 사용할 수 있다. 바이오디젤은 긴 지방산 고리를 갖는 알킬에스터 혼합물이다. 이는 경유와 유사한 연소 특성을 갖기 때문에 현재 널리 사용되고 있는 경유의 대체품으로 사용 될 수 있는 것이다. 이를 사용하는 이유는, 바이오디젤을 사용하려는 이유는 바이오디젤은 재생가능한 연료로서 현재 사용되는 엔진연료를 대체할 수 있는 가장 유사품이기 때문이다. 뿐만아니라 기존에 사용하던 시설을 통해 생성, 운반, 판매가 가능하기 때문에 사용을 하려 하고 있다.

안정성 측면에 있어 바이오디젤은 150℃의 인화점을 갖기 때문에 64℃ 의 인화점을 갖는 주로 사용하는 경유에 비해 불이 쉽게 붙지 않고, 폭발이 매우 수워 큰 사고를 유발하는 휘발유 보다도 안정적이기 때문에 사용하려 하는 것 이다. 뿐만아니라 바이오디젤은 분해가 쉽지 않은 경유와 달리 미생물을 이용하여 쉬운 분해가 가능하다. 또한 바이오디젤은 분자내의 11%의 산소를 가지고 있어 연소하는 경우 완전연소를 도와준다. 

이로인해 연소시 독성물질의 배출양이 다른 연료에 비해 적다. 뿐만아니라 바이오디젤을 연료에 이용하는 경우 이산화탄소 감축 효과도 누릴 수 있어 환경적 측면에서 바이오디젤을 사용하려는 이유이다. 또한 바이오디젤을 사용하는 경우 과거 화석연료 위주의 연료 사용으로 인해 미래에 나타 날 수 있는 화석연료 의존도를 줄일 수 있고, 다양한 폐기름을 재사용할 수 있는 이유에서 바이오디젤을 사용하려는 것이다. 

4) 바이오디젤 사용기준

바이오디젤의 어는점은 경유보다 높은 어는점을 가지고 있기 때문에 순수한 바이오디젤의 형태를 연료로 사용하는데 문제점이 있다. 이를 보완하기 위해 100%의 순수한 바이오디젤을 사용하기 보다는 경유와 혼합하여 사용하기도 한다.

기존에 사용하는 경유에 비해 유동점이 높은 문제를 개선하기 위해서 유동점향상제를 사용하여 저온에서의 유동성을 높혀 주어야 한다. 또한 산화안정제를 사용하여 공기중 산화반응에 대한 안정성을 확보하여야 한다.

 

5)바이오디젤 실제 사용사례

바이오디젤은 실제로 교통수단의 연료인 화석연료의 대체품으로 사용하기 위해 연구를 진행하고 있다.

 

 

[Chemistry/일반화학] - [일반화학실험]바이오디젤(Biodiesel) 1부