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중화탈산 실험에 사용된 재료는 모두 3종류 이며, 탕유(Soup oil)는 각종 탕류, 육수를 제조하는 과정에서 발생하는 기름으로 산가(Acid Value)는 62.5 mgKOH/g 이었다. 피혁유(Leather oil)는 동물의 박피 과정에서 발생하는 기름으로 산가는 15.32 mgKOH/g 이었으며, 계유(Chicken oil)는 닭 가공공장에서 발생하는 기름으로 산가는 14.53 mgKOH/g로 피혁유와 비슷하였다. 이들 시료는 필터를 이용하여 고형물이 제거된 상태로 제공받아 실험에 사용하였다.

실험장치는 Fig. 1과 같이 100 ml 둥근 플라스크에 시료를 투입하고 Stirring bar를 이용하여 100 rpm으로 혼합하면서 heating mantle을 이용하여 온도조건에 맞추었다. 설정온도에 도달하면 NaOH 용액을 넣고 일정시간동안 반응을 시키고, 반응이 완료되면 약 1.3 ml를 취하여 원심분리(14,000 rpm, 5min, Micro Refrigerated Centrifuge, Smart R17) 후 상등액을 취해 산가를 측정하였다.

Fig. 1. 
Neutralization experiment device

산가 계산 및 측정방법은 다음과 같다.

Acid Value (mgKOH/g) = (56.11 × V × c) / m
V: 사용한 KOH 용액 부피
c : KOH 용액 몰 농도
m: 시료량(g)

• a. 시료(0.5~1 g)를 50 ml 비이커에 넣는다.
• b. 페놀프탈레인 용액(1 wt%) 2~3 방울 넣는다.
• c. 벤젠과 에탄올을 1:1로 혼합한 용액을 약 20 ml 넣어 시료를 용해시킨다.
• d. 0.1N KOH 용액으로 붉은 색이 될 때까지 적정하고 투입량을 기록한다.

중화탈산으로 시료의 산가를 0 mgKOH/g으로 만들기 위한 이론적 NaOH 필요량 산정방법은 다음과 같다.

시료량g × 산가mgKOH/g × 40NaOH 분자량/1000계수 × 56.11KOH분자량 × NaOH 용액 농도

바이오디젤로 전환하기 위해서는 시료의 산가가 5 mgKOH/g 이하로 낮아야 가능하기 때문에^[7~9] 본 실험에서는 보다 안정적인 바이오디젤 전환을 위하여 산가저감 목표를 3 mgKOH/g으로 설정하여 진행하였다. 또한 중화탈산 실험은 실험결과의 신뢰도를 높이기 위해 2회 실험 후 평균값을 적용하였다.

바이오디젤 전환에 사용한 시료는 탕유, 피혁유, 계유를 중화탈산 방법으로 산가저감 전처리 반응 완료 후 원심분리(4,000 rpm, 15min)하여 얻은 상등액을 시료를 사용하였다.

바이오디젤 전환 실험장치는 Fig. 1과 비슷하며, 플라스크 위에 메탄올의 증발을 막는 환류기가 추가된 형태이다. 250 ml 2구 둥근 플라스크에 시료와 메탄올을 몰비 12:1로 투입하고 온도를 65°C로 설정한다. 몰비는 대두유 평균분자량 872를 기준으로 산정하였다. 혼합속도는 300 rpm으로 했으며, KOH 촉매는 시료 질량의 1%를 넣었다. 총 반응시간은 50분으로 하였으며, 반응 10분마다 약 1 ml의 시료를 취하여 원심분리(14,000 rpm, 5min) 후 FAME 함량을 측정하였다. FAME 함량분석은 GC를 이용하여 EN14214 표준규격의 FAME 함량 분석 표준방법으로 수행하였다.

탕유는 상온에서 고체 상태이며, 35°C 이상에서 유동성을 갖는 액상으로 변하는 것을 확인하였다. 탕유 실험시료의 산가가 62.5 mgKOH/g으로 중화탈산 적정 조건보다 많이 높아 1차 중화탈산으로 산가목표치인 3 mgKOH/g 이하 달성이 어려울 것으로 판단되어 1차 실행 후 다시 한 번 더 실행하는 방안으로 실험을 진행하였다.

1차 중화탈산 적정 조건을 얻기 위한 실험변수로 NaOH 투입량, NaOH 용액 농도, 반응시간, 반응온도로 설정하고 순차적으로 실험을 진행하였다. 이론치 대비 NaOH 투입량 변화에 따른 특성은 Table 1에 나타내었다. 실험결과 NaOH 사용량 60%와 70%에서 산가가 낮게 나타났으나, 유분 회수량이 현저히 낮게 나타나 이 조건은 배제하였으며, 50%에 비해 40%가 산가 저감효과가 큰 결과를 보여 NaOH 투입량은 40%를 적정 조건으로 하였다.

NaOH 용액 농도에 대한 실험결과 Table 2와 같이 10% 농도에서 산가 33.8 mgKOH/g으로 가장좋은 결과를 보여 이 조건을 적정 조건으로 선정하였다.

반응시간에 대한 실험결과는 Table 3과 같이 반응시간 6분에서 산가 32.9 mgKOH/g를 나타낸 이후 반응시간 9분에서 산가 저감 폭이 미미하여 반응시간 6분을 적정조건으로 선정하였다.

반응온도에 대한 실험결과는 Table 4와 같이 50°C 반응온도에서 산가 28.6 mgKOH/g으로 가장 좋은 결과를 보여 이 조건을 적정 조건으로 선정하였다.

1차 중화탈산이 완료된 시료로 2차 중화탈산을 실시하였다. 실험조건은 1차 중화탈산 적정조건인 반응온도 50°C, 반응시간 6분, NaOH 용액 농도 10%를 고정하고, 이론치 대비 NaOH 용액 투입량을 변수로 하여 진행하였다. 실험에 사용된 1차 중화탈산 시료의 초기 산가는 27.8 mgKOH/g 이었으며, 실험결과 Table 5에 나타낸 바와 같이 이론치 대비 NaOH 용액 투입량 80% 조건에서 산가 2.75 mgKOH/g을 보여 이후 공정인 바이오디젤 전환에서 안정적인 운영이 가능할 것으로 판단되어 이 조건을 적정 조건으로 선정하였다.

공정 단순화를 위해 탕유 원시료 50%와 탕유 2차 중화탈산 시료 50%를 혼합하여 중화탈산 실험을 실시하였다. 실험조건은 반응온도 50°C, 반응시간 6분, NaOH 용액 농도 10%로 고정하고 이론치 대비 NaOH 투입량을 변화하면서 산가 변화를 관찰하였다. 실험 결과 Table 6과 같이 이론치 대비 NaOH 투입량 90% 조건에서 산가 2.61 mgKOH/g을 나타내어 중화탈산 완료 시료를 원시료와 혼합하면 한 번의 중화탈산으로 산가저감이 기술적으로 가능한 결과를 보였다.

한편 탕유의 중화탈산 후 회수된 유분 수율에 대한 실험결과 1차 중화탈산의 경우 57.65%를 보였으며, 1차 중화탈산 시료로 2차 중화탈산에서는 65.26%를 보여 1차 및 2차 중화탈산 합산 시 탕유의 전체 유분 회수율은 37.62%를 보였다. 탕유 원시료와 탕유 2차 중화탈산 완료 시료를 1:1로 혼합한 시료의 중화탈산 시 유분 회수율은 22.75%로 중화탈산을 1차 및 2차로 나누어 시행한 경우보다 낮은 결과를 보였다.

Park et al.(2010)^[12] 등은 초기 산가가 109.8 mgKOH/g인 Dark oil로부터 바이오디젤 생산이 가능하다고 하였다. 탕유의 산가가 이보다 낮기 때문에 바이오디젤 원료유로 활용이 가능하다고 여겨지며, 이를 위해 전처리 방법 개선, 유분 회수율 증대방안 등의 추가적인 연구가 필요해 보인다.

피혁유는 상온에서 유동성이 있는 것으로 확인되었으며, 중화탈산 실험변수는 앞선 실험의 탕유와 같이 이론치 대비 NaOH 투입량, NaOH 용액 농도, 반응시간, 반응온도로 설정하여 순차적으로 실험을 진행하였다.

NaOH 투입량 실험은 온도조건을 60°C, 반응시간 20분, NaOH 용액 농도 20%로 고정하고, 이론치 대비 NaOH 투입량을 110%에서 140%까지 변화하여 실험을 실시하였다. 실험결과는 Fig. 2와 같이 110%와 120% 조건에서는 산가저감 목표치에 미달하였으며, 130% 조건에서 산가 2.73 mgKOH/g으로 산가저감 목표치를 충족하였다. 130% 조건에서 산가 저감율은 82.2%를 보였으며, 이 때 유분회수율은 70.4%를 보였다.

Fig. 2. 
Input amount of NaOH solution during neutralization of leather oil

NaOH 용액 농도 변화 실험은 온도조건을 60°C, 반응시간 20분, 이론치 대비 NaOH 투입량을 130%로 고정하고 NaOH 용액 농도를 10%, 20%, 30%로 변화하여 실험을 실시하였다. 실험결과는 Fig. 3과 같이 10% 조건에서 산가가 가장 낮은 결과를 얻었으며, 이 때 산가는 2.38 mgKOH/g, 산가 저감율은 84.5%, 유분회수율은 66.3%를 보였다.

Fig. 3. 
Effect of NaOH solution concentration during primary neutralization of Leather oil

반응온도의 영향에 대한 실험은 반응시간 20분, NaOH 용액 농도 10%, 이론치 대비 NaOH 투입량을 130%로 고정하고 반응온도를 40°C, 50°C, 60°C로 변화하여 실험을 실시하였다. 실험결과는 Fig. 4와 같이 모든 온도 조건에서 산가저감 목표치를 만족하였으나, 50°C에서 가장 낮은 산가 1.76 mgKOH/g를 보여 적정 조건으로 선정하였다. 이 때 산가 저감율은 88.5%를 보였으며, 유분회수율은 64.9%를 보였다.

Fig. 4. 
Effect of reaction temperature during primary neutralization of leather oil

반응시간의 영향에 대한 실험은 반응온도를 50°C, NaOH 용액 농도 10%, 이론치 대비 NaOH 투입량을 130%로 고정하고 반응시간을 2분에서 20분까지 변화하여 실험을 실시하였다. 실험결과는 Fig. 5와 같이 반응시간 6분에서 가장 낮은 산가 1.61 mgKOH/g를 보여 적정 조건으로 선정하였으며, 산가 저감율은 89.5%를 보였다.

Fig. 5. 
Effect of reaction time during primary neutralization of leather oil

피혁유의 중화탈산 적정조건으로 확인된 반응온도 50°C, 반응시간 6분, NaOH 용액 농도 10%,그리고 이론치 대비 NaOH 용액 130% 조건에서 유분회수율 측정을 위한 실험을 실시하여 산가 1.86 mgKOH/g, 유분 회수율 66.5%의 결과를 얻었다.

Lee et al.(2013)^[13] 등은 산가 9 mgKOH/g인 어유를 대상으로 Sulfuric acid를 사용한 에스테르화 반응으로 산가를 2 mgKOH/g로 감소시켜 78%의 산가 저감율을 보였으나, 본 실험에서는 피혁유의 산가저감율이 88%를 보여 중화탈산이 더 유리할 수 있으나 Soapstock이라는 부산물이 발생한다는 점을 고려하면 경제성 등에 대한 상세한 분석이 더 필요해 보인다.

계유는 피혁유와 마찬가지로 상온에서 유동성이 있는 것으로 확인되었으며, 중화탈산 실험변수는 앞선 실험의 탕유, 피혁유와 같이 이론치 대비 NaOH 투입량, NaOH 용액 농도, 반응시간, 반응온도로 설정하여 순차적으로 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 계유의 초기 산가는 14.53 mgKOH/g으로 Abraham et al.(2014)^[14]가 분석한 12.9~18.2 mgKOH/g의 범위에 포함되는 것으로 나타났다. 그러나 Lee and Lee(2009)^[15] 등은 계유의 산가가 4.5 mgKOH/g으로 전처리 없이 바로 바이오디젤로 전환 가능한 수준으로 보고하기도 하였다.

NaOH 투입량 실험은 온도조건을 60°C, 반응시간 20분, NaOH 용액 농도 20%로 고정하고, 이론치 대비 NaOH 투입량을 100%에서 140%까지 변화하여 실험을 실시하였다. 실험결과는 Fig. 6과 같이 100% 조건에서는 산가저감 목표치에 미달하였으나, 110% 조건에서는 산가 2.40 mgKOH/g으로 산가저감 목표치를 충족하였다. 이 때 산가 저감율은 83.5%를 보였으며, 유분회수율은 82.8%를 보였다. 120% 조건 이상에서는 110% 조건보다 우수한 결과를 보였으나 효율성 측면을 고려하여 110% 조건이 적정 조건으로 선정하였다. 계유의 초기 산가가 14.53 mgKOH/g로 피혁유 산가 15.32 mgKOH/g와 비슷하였으나, NaOH 투입량은 계유가 20% 가량 낮은 결과를 보였다.

Fig. 6. 
Input amount of NaOH solution during neutralization of chicken oil

NaOH 용액 농도 변화 실험은 온도조건을 60°C, 반응시간 20분, 이론치 대비 NaOH 투입량을 110%로 고정하고, NaOH 용액 농도를 10%, 20%, 30%로 변화하여 실험을 실시하였다. 실험결과는 Fig. 7과 같이 10% 조건에서 산가가 가장 낮은 결과를 얻었으나, 반응 후 원심분리 시 유분과 Soapstock의 분리가 원활하게 이루어지지 않았다. 20% 조건에서는 산가는 2.40 mgKOH/g, 산가 저감율은 83.5%, 유분회수율은 82.8%를 보여 20% 조건을 적정조건으로 선정하였다.

Fig. 7. 
Effect of NaOH solution concentration during primary neutralization of chicken oil

반응온도의 영향에 대한 실험은 반응시간 20분, NaOH 용액 농도 20%, 이론치 대비 NaOH 투입량을 110%로 고정하고, 반응온도를 40°C, 50°C, 60°C로 변화하여 실험을 실시하였다. 실험결과는 Fig. 8과 같이 모든 온도 조건에서 산가저감 목표치를 만족하였으나, 50°C에서 가장 낮은 산가 2.23 mgKOH/g를 보여 적정 조건으로 선정하였다. 이 때 산가 저감율은 84.7%를 보였으며, 유분회수율은 77.9%를 보였다.

Fig. 8. 
Effect of reaction temperature during primary neutralization of chicken oil

반응시간의 영향에 대한 실험은 반응온도를 50°C, NaOH 용액 농도 20%, 이론치 대비 NaOH 투입량을 110%로 고정하고, 반응시간을 2분에서 20분까지 변화하여 실험을 실시하였다. 실험결과는 Fig. 9와 같이 반응시간 9분에서 산가 2.85 mgKOH/g를 보여 산가저감 목표치를 만족하는 결과가 나타나 적정 조건으로 선정하였으며, 산가 저감율은 80.4%를 보였다.

Fig. 9. 
Effect of reaction time during primary neutralization of chicken oil

계유의 중화탈산 적정조건은 반응온도 50°C, 반응시간 9분, NaOH 용액 농도 20%, 이론치 대비 NaOH 투입량을 110%로 나타나 이 조건으로 유분 회수율 실험을 실시한 결과 79.08%으로 앞선 실험의 피혁유보다 조금 높은 결과를 얻었다.