초음파를 이용한 메탄올 에스테르화에 의한 바이오디젤 제조 방법

본 발명은 초음파를 이용한 메탄올 에스테르화 반응을 통해 바이오디젤을 생산하는 방법에 관한 것이다. 각종 동물성 폐지방, 외식업에서 발생하는 폐식용유, 폐식용유를 원료로 사용하여 초음파의 캐비테이션, 가열, 고주파 진동 효과를 통해 메탄올 에스테르화를 촉진하여 바이오디젤을 생산하는 방식입니다. 이 방법의 장점은 초음파 강도를 조절하여 반응물의 활성을 높여 메탄올 전환율을 향상시키는 것; 각종 폐동식물유지, 요식업에서 발생하는 폐식용유, 폐식용유를 원료로 사용하여 원가가 저렴하다. 촉매의 사용을 제거하여 촉매 취급으로 인한 환경 오염을 방지합니다. 기존 바이오디젤 생산설비에 개조나 조정이 필요하지 않으며, 반응과정에서 고온, 고압의 장비가 필요하지 않아 생산공정이 단순화되고 생산비용이 절감된다.

바이오디젤은 동물성 및 식물성 지방을 원료로 생산되는 새로운 유형의 연료입니다. 화학적 분석에 따르면 바이오디젤 연료는 불포화 올레산 C18을 주성분으로 글리세리드를 분해해 얻은 고지방 메탄이다. 기존 디젤과 비교하여 바이오디젤은 저온 필터 막힘점, 인화점, 연소 효율, 황 함량, 산소 함량, 연소 산소 소비량 및 수질 오염 측면에서 기존 디젤을 능가하며 다른 지표는 비슷합니다. 비교할 수 없는 환경 성능, 뛰어난 저온 엔진 시동 성능, 탁월한 윤활성, 안전성, 연료 효율성 및 재생 가능 특성으로 인해 바이오디젤로 구동되는 엔진은 현재 Euro II 배기가스 배출 표준뿐만 아니라 곧 유럽에서 시행될 더욱 엄격한 Euro III 표준도 충족합니다. 더욱이 바이오디젤은 식물과 동물이 성장하는 동안 흡수하는 이산화탄소보다 훨씬 적은 양의 이산화탄소를 배출하기 때문에 인류에게 해로운 주요 환경 문제인 지구 온난화에 기여합니다. 따라서 바이오디젤은 진정한 친환경 디젤입니다. 미국, 유럽, 아시아 등 여러 국가와 지역에 상업용 바이오디젤 생산 기지가 설립되어 있으며, 바이오디젤은 대체 연료로 널리 사용되고 있습니다.

일반적인 바이오디젤 생산 방법은 다음과 같습니다.

1. 열분해: 이 방법은 고온을 사용하여 동물성 및 식물성 기름의 장쇄 분자를 더 짧은 분자로 분해하여 고분자량 유기물을 비교적 단순한 탄화수소로 전환합니다. 크래킹 생성물은 기존 디젤과 유사합니다. 그러나 열분해 공정은 복잡하고 부피가 큰 장비가 필요하기 때문에 생산 비용이 높고 상용화가 제한적이다.

2. 에스테르 교환반응: 이는 현재 가장 일반적으로 사용되는 방법입니다. 산성(또는 알칼리성) 촉매와 고온(230~250°C)에서 메탄올이나 에탄올과 같은 알코올은 천연 식물성 기름이나 동물성 지방의 주성분인 트리글리세리드와 에스테르 교환 반응을 일으킵니다. 메톡시 그룹은 장쇄 지방산의 글리세릴 그룹을 대체하여 오일의 점도를 줄이고 유동성 및 기화 특성을 개선하여 연료 사용 요구 사항을 충족합니다. 그러나 다음과 같은 단점이 존재합니다. 

① 산(또는 염기) 촉매는 회수가 어렵다. 

② 유리지방산과 수분함량은 산(또는 염기) 촉매반응에 큰 영향을 미친다. 

③ 공정이 복잡하여 과량의 알코올이 필요하고 후속 공정에서 알코올 회수 장비가 필요하며 에너지 소비가 높다. 

④ 지방 중의 불포화지방산은 고온에서 변질되기 쉽기 때문에 색이 진하다. 

⑤ 에스테르화 생성물은 회수가 어려워 비용이 많이 든다. ⑥ 생산공정에는 폐알칼리액의 배출이 포함된다.

3. 초임계 무촉매 메탄올 에스테르화: 초임계 온도 350~400°C, 압력 45~65 MPa에서 무촉매 메탄올 에스테르화 공정을 통해 바이오디젤을 생산하는 방법입니다. 이 방법은 전통적인 에스테르교환 반응의 생성물 분리의 어려움을 단순화하고 촉매가 없는 기존의 메탄올 에스테르화와 관련된 긴 반응 시간을 해결하지만 복잡하고 부피가 큰 장비가 필요하며 생산 비용이 높습니다.

본 발명은 전술한 종래 바이오디젤 제조방법의 단점을 극복하여, 촉매 및 유기용매를 사용하지 않고, 높은 메탄올 전환율을 달성할 수 있는 초음파를 이용한 메탄올 에스테르화 반응을 통해 간단하고 저비용으로 바이오디젤을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 

본 발명은 초음파를 이용한 메탄올 에스테르화 반응을 통해 바이오디젤을 생산하는 방법을 제공한다. 각종 동물성 폐지방, 외식업에서 발생하는 폐식용유, 폐식용유를 원료로 활용하는 방식입니다. 초음파 캐비테이션, 가열 및 고주파 진동은 메탄올 에스테르화를 가속화하여 바이오디젤을 생산합니다. 이 방법은 다음 단계로 구성됩니다.

1) 메탄올과 원유를 20~50:1의 몰비로 혼합하고, 40°C~64°C, 교반속도 1500~2000rpm, 초음파 출력 2kW~10kW, 초음파 주파수 20~60kHz에서 2시간 이내로 에스테르 교환 반응을 진행한다.

원유에는 각종 동물성 폐지방, 외식업에서 발생하는 폐식용유, 폐식용유 등이 포함됩니다.

2) 반응 후 혼합용액을 8시간 이상 방치하여 층분리 후 아래층의 글리세린을 분리한다.

3) 혼합용액의 상층액을 70~100℃에서 메탄올이 모두 회수될 때까지 증류한다. 남은 증류액은 바이오디젤입니다. 본원에 제공된 초음파를 이용한 메탄올 에스테르화에 의해 바이오디젤을 생산하는 방법은 바이오디젤 생산 과정에서 초음파의 공동화, 가열 및 고주파 진동 효과를 활용합니다. 메탄올과 공급원료 오일 혼합물에 존재하는 미세한 가스 핵(캐비테이션 핵)은 초음파 음장의 영향으로 고주파 진동, 성장, 붕괴 및 폐쇄의 동적 과정을 겪습니다. 캐비테이션 기포가 붕괴되면 매우 짧은 시간 내에 주변의 극히 작은 공간에 국부적인 고온 및 고압이 발생합니다. 고온은 반응물의 활성을 증가시켜 자유 라디칼의 형성과 분해 반응의 발생을 촉진합니다. 고압은 충격파와 마이크로 제트를 생성하여 분자 사이에 강렬한 충돌을 일으켜 메탄올 에스테르화의 완전한 화학 반응을 가속화하여 바이오디젤을 생산합니다. 

기존 기술과 비교하여 본 발명이 제공하는 방법의 장점은 다음과 같다.

1) 초음파 발진기에서 발생되는 초음파의 세기를 조절함으로써 반응물의 활성을 증가시켜 자유라디칼의 형성을 촉진하고 반응물의 크래킹 반응의 발생을 촉진시킨다. 이는 또한 반응물 분자 사이에 강한 충돌을 일으켜 메탄올 에스테르화를 가속화하고 메탄올 전환율을 향상시킵니다.

2) 본 발명은 각종 폐동식물유, 요식업에서 발생하는 폐식용유, 배수로유 등의 폐유를 원료로 사용할 수 있어 비용이 저렴하다.

3) 본 발명은 촉매를 사용하지 않으므로 촉매 취급으로 인한 환경오염을 피할 수 있다.

4) 이 방법은 기존 바이오디젤 생산 장비에 대한 개조나 조정이 필요하지 않으며, 반응 과정에서 고온, 고압의 장비가 필요하지 않아 생산 공정이 단순화되고 생산 비용이 절감된다.