"바이오디젤"의 두 판 사이의 차이

2021년 6월 9일 (수) 03:26 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 바이오디젤 생산성 향상을 위한 고체촉매의 개선

영문 : Solid Catalyst Improvement for Biodiesel Production

과제 팀명

바이오디젤

지도교수

김의용 교수님

개발기간

2021년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2015XXX0** 김**(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2015XXX0** 백**

서울시립대학교 화학공학과 2014XXX0** 연**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 차세대 촉매로써 고체촉매를 연구하여 고체촉매의 특성 및 경향성에 대해 연구한 뒤 미래 촉매의 방향성 제시

◇ 고체촉매의 크기, Pore size, 형태 등의 물리적 특성을 고려하여 촉매의 효율에 대한 연구를 통해 개선방안 제시

◇ 고체촉매의 산 / 염기성, 촉매의 조성 등과 같은 화학적 특성을 고려하여 촉매의 효율에 대한 방향성 제시

개발 과제의 배경

◇ 대기 오염과 석유 사용의 상관관계가 이미 공공연하게 증명된 지금, 그에 대한 책임론으로써 지구의 환경을 개선하기 위한 여러 가지 방안들이 마련되고 있다.

◇ 이러한 대체 에너지에는 원자력, 풍력, 수력, 신재생 에너지 등 다양한 에너지들이 존재한다.

◇ 대체 에너지의 개발과 사용 현황을 조사하던 중, 우리는 현재 휘발유에 의무적으로 일정 부분을 포함하여 사용하도록 한 바이오디젤에 대해 알게 되었다.

◇ 바이오디젤은 산가가 높은 유지, 즉 폐유 및 산업적으로 사용할 수 없는 식물성 및 동물성 지방을 이용하여 생산된 경유를 대체하는 원료이다.

◇ 바이오디젤에 대해 다양하게 조사한 결과, 바이오디젤은 점점 더 그 사용처를 늘려나갈 방침이고, 또한 바이오디젤의 생산 방법과 그 소재의 다양화에 있어서 활발한 연구가 이루어지고 있다.

◇ 이에 따라 우리는 바이오디젤에 대해 심층적으로 조사하고 문헌을 연구 및 분석하여 바이오디젤의 생산 방법에 대해 파악하고 그 생산에 있어서 환경적, 경제적인 개선 방안을 모색하여 바이오디젤 생산이 앞으로 지향해야 할 방향성을 제시하고 그 방법에 대해 연구하도록 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

녹슨 선박이나 철골 구조물에서 얻을 수 있는 적철석(Hematite)를 이용하여 경제적인 바이오디젤 생산 촉매를 생산하고, 이 촉매의 생산 공정에 차이를 두어 화학적 조성과 물리적 특성의 차이를 방향성 있게 변화시켜 촉매의 효율과 생산성에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇ 현재 바이오디젤 생산에 사용되는 대부분의 원료는 식물성 기름이므로 이들을 효율적으로 전환할 수 있는 고체 염기촉매 (CaO, MgO, ZnO 등) 개발에 대한 연구가 가장 활발히 진행중.

◇ CaO는 무기계 고체 촉매 중 염기 활성이 가장 높으나 기존 액상 촉매에 비해 반응 활성이 낮고 극성 용매에 용해되는 특성이 있어 안전성이 낮다는 문제가 제시되어 담체 등을 활용해 촉매 활성을 높이기 위한 연구가 진행되고 있음.

◇ 현재 바이오디젤 생산에 사용되는 액상의 강염기촉매를 담체 표면에 고정화하여 고체 촉매를 생산하는 연구도 진행되고 있음. 하지만 연속 사용시 leaching에 따른 촉매의 활성 저하가 발견되어 장기간 연속 사용을 위한 보완 연구가 진행되거 있음.

◇ 고분자 이온교환수지를 바이오디젤 생산 반응에 적용하는 연구도 일부 수행되었음. 수지계 촉매를 사용하면 활성물질이 인위적으로 담지된 것이 아니므로 leaching 문제가 적으나 바이오디젤 전환율이 낮아 실용성이 없는 것으로 나타남.

◇ 고체 초강산 촉매를 적용하여 식물성 기름을 바이오디젤로 전환하는 연구도 수행됨. 반응 온도 250도 이상에서 전환율 90% 이상을 나타냈으며 연속 공정에서 100시간 이상 촉매 활성이 유지되는 것으로 나타났으나 적합한 지지체를 찾는 연구가 선행되어야 함.

◇ 고체 촉매에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있으나 실용화되어 실제로 이를 활용한 공정은 아직까지 없음.

특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 불균일계 촉매를 이용한 바이오디젤의 정제방법

- 특허번호 : KR100831072B1 - 출원일 : 2006. 9. 18. - 등록일 : 2008. 5. 20. - 특허권자 : 전남대학교 산학협력단 - 발명자 : 박돈희, 정귀택

본 발명은 유지로부터 바이오디젤의 제조공정 중 정제방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 과량의 알코올이 제거되고 글리세린이 층분리 된 정제되지 않은 조바이오디젤(crude biodiesel)을 불균일계 촉매하에서 수소화기()와 수산화기()의 중화 단계, 1가 또는 2가 금속이온(, , , )의 제거단계, 그리고 글리세린을 제거단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 정제방법에 관한 것이다.

◇ 바이오디젤 제조용 고체 염기촉매 및 그 제조방법, 그리고 바이오디젤의 제조방법

- 특허번호 : KR102010037722A - 출원일 : 2009. 12. 24. - 등록일 : 2012. 1. 19. - 특허인 : 한국생산기술연구원 - 발명자 : 장덕례, 김호성, 김민규, 김장미

본 발명은 바이오디젤 제조용 고체 염기촉매 및 그 제조방법, 그리고 바이오디젤의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 제올라이트에 염기성 물질이 담지된 바이오디젤 제조용 고체 염기촉매를 제공한다. 또한, 본 발명은 제올라이트에 염기성 물질을 함침하는 제1단계; 및 상기 염기성 물질이 함침된 제올라이트를 소성하는 제2단계를 포함하는 바이오디젤 제조용 고체 염기촉매의 제조방법을 제공한다. 아울러, 본 발명은 제올라이트에 염기성 물질이 담지된 고체 염기촉매를 준비하는 제1공정; 및 유지, 유지로부터 유도된 지방산 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 원료를 상기 고체 염기촉매 하에서 알코올과 반응시키는 제2공정을 포함하는 바이오디젤의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 바이오디젤의 제조 시 우수한 반응 활성을 나타내어 바이오디젤의 수율(전환율)이 우수하고, 반응 종료 후 촉매의 회수 및 재사용이 용이하며, 폐수 등이 발생되지 않아 바이오디젤의 생산성 향상에 기여할 수 있다.

◇ 복합촉매를 이용한 지방산 알킬 에스테르를 제조하는 방법

- 특허번호 : KR101000365B1 - 출원일 : 2010. 4. 30. - 등록일 : 2010. 12. 6. - 특허권자 : 애경유화 주식회사 - 발명자 : 김정곤, 서성덕, 이종화, 최재희

본 발명은 지방산 알킬 에스테르 제조를 위한 아민 및 티올화합물이 도입된 촉매 및 이를 이용하여 지방산 알킬에스테르를 제조하는 방법에 관한 것으로, 지방산 알킬 에스테르의 제조에 사용하기 위한 하기 화학식 1의 (상기 식에서, x는 에 대한 몰 비로 1 내지 3의 실수를 나타낸다)의 금속산화물 입자 표면에 아민및 티올화합물이 도입된 촉매를 사용함으로써 별도의 촉매 분리 공정이 필요없이 동식물성 유지로부터 전환율 및 선택도가 우수하며, 부산물 생성이 감소된 지방산 알킬 에스테르를 용이하게 제조할 수 있어, 해당분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

시장상황에 대한 분석

◇ 프랑스 Axens 사

아연과 알루미나의 혼합산화물로 구성된 촉매를 통해 높은 전환율 및 촉매 손실 없이 전이에스테르화를 수행

◇ 캐나다 BIOX 사

유기 공용매(cosolvent)를 사용한 산촉매 공정으로 자유지방산 함량이 높은 원료유지에 대한 전처리 목적으로 사용

◇ 하지만 현재 고체 촉매를 사용한 바이오디젤 생산 공정 사례는 보고되고 있지 않아 경쟁제품이 딱히 없다고 볼 수 있음

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 고체 촉매의 활성에 영향을 주는 요인이 무엇인지 파악하여 더 높은 효율의 촉매 생산을 기대할 수 있다.

◇ 친환경적이며 재활용이 용이하고 효율 및 가격 측면에서 이점을 갖는 고체 촉매를 생산할 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 촉매의 활성, 효율, 친환경성 및 재활용 가능성 등을 최적화함으로써 국내 바이오디젤 생산량을 증대하여 의무혼합비율 확대 및 급변하는 세계 시장 동향에 대응할 수 있도록 한다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

김민석 - 다양한 고체촉매에 대한 논문을 분석한 후 물리적, 화학적 특성을 경향성과 함께 분석할 수 있는 고체촉매를 특정한다.

백기업 - 고체촉매의 물리적 특성을 파악하여 분석한다

연승렬 - 고체촉매의 화학적, 산 / 염기적 특성을 파악하여 분석한다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

기존의 산 / 염기 촉매의 단점은 복잡한 공정 운영 과정와 전처리, 후처리 과정의 존재로 인한 환경 오염문제, 그리고 생산 과정에서 일어나는 공정의 부식 등이다.

개선할 수 있는 촉매임과 동시에 바이오디젤의 생산 취지에 따라 전화율과 경제성 모두 기존의 산 / 염기 촉매에서 개선된 촉매를 개발하고, 이러한 촉매가 생산되는 원리와 경향성을 파악해 차후에 생산될 촉매의 방향성을 제시할 수 있어야 한다.

설계 사양

물리적 특성 - 고체 촉매의 Particle size가 작을수록, Pore size와 Pore diameter와 Surface area가 클수록 촉매와 반응물의 반응 면적이 촉매의 양에 비해 넓어지게 되므로 반응성이 증가 할 것이다.

화학적 특성 - 반응을 개시하는 역할의 Acid site의 수, 즉 산성과 반응의 양, 즉 반응 효율을 증가시키는 Base site의 수, 증 염기성 둘 모두 높은 수치를 가질수록 반응의 효율과 속도는 증가한다.

개념설계안

내용

Pore surface, size

- SEM 분석을 통해 Hematite, RBC 500, RBC 700, RBC 900의 pore을 포함하는 표면의 모양 및 size를 조사하고 각각의 모양에 대한 경향성을 알아낸다.

Component ratio

- EDS 분석을 통해 Hematite, RBC 500, RBC 700, RBC 900의 구성원소 molar ratio를 조사하여 촉매의 특성을 결정하는 성분을 알아낸다.

Particle size

- Hematite의 calcination, sulphonation 결과로 만들어진 RBC의 온도에 따른 입자 크기를 조사하고 촉매의 활동성과의 경향을 파악한다.

Acid, base property

- Acid-base titration을 통해 각 촉매의 산,염기 부위를 측정하고 촉매의 특징과 효율에 어떤 영향을 주는지 확인한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

Scanning Electrone Microscope(SEM): Sample의 표면을 전자빔을 통해 스캔하여 이미지화 시키는 전자현미경.

Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDS): SEM에 부착된 옵션기능으로 샘플에 고속 전자(PE)를 발사하여 방출된 X선을 이용해 분석한다.

Particle Size Distribution(PSD): 샘플이 크기에 따라 어떤 비율로 분포하는지 나타내는 곡선.

Dynamic Light Scattering(DLS): 브라운 운동을 하는 입자의 속도를 통해 산란광의 시간에 따른 correlation function을 분석하여 입자의 크기를 유추한다.

Acid-base titration: 산, 염기의 농도를 알지 못하는 물질을 표준용액을 통해 측정하는 방법.

상세설계 내용

위에서 설명한 물리적, 화학적 측정방법들을 통해 촉매를 분석하고, 분석된 특성들의 경향성을 파악해 효율 및 전화율과의 상관관계를 분석한다.

또한 이러한 특성이 일반적으로 알려진 촉매의 특성, 즉 물리적인 접촉면적이 높을수록, 산성, 염기성이 강할수록 반응이 빠르고 잘 된다는 특성과 부합하는지에 대해 확인한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

포스터

완료작품의 평가

Hematite의 표면은 거칠고 불규칙한 모양이며 RBC는 온도가 높을수록 crystalline함을 알 수 있다.

원소성분을 분석한 결과 Hematite는 Fe/Cl/Al/O가 지배적이지만 calcination, sulphonation을 거친 RBC는 Fe/S/Al/O로 구성된다.

Calcination은 Cl이 제거되고 Sulphonation은 S가 추가된다.

촉매들의 PSD를 살펴보면 Hematite는 181~300nm가 지배적이며 RBC는 200nm내외로 분포한다.

이것은 calcination 및 sulphonation으로 인해 새로운 크기의 입자가 형성되었음을 알 수 있다.

RBC 사이에서는 온도가 높을수록 입자의 크기가 작아진다.

(a) Hematite (b) RBC 500 (c) RBC 700 (d) RBC 900

각 촉매의 입자 사이즈는 304.4/259.6/169.5/95.96(nm)로 나타났다.

이를 통해 Hematite의 열처리는 입자 크기의 감소를 유발함을 알 수 있고 Calcination 온도가 증가하면 나노입자 사이즈가 감소하는 경향성을 파악할 수 있었다.

촉매의 PS, SA, PV, PD 값은 다음과 같이 나타냈다. Hematite의 calcination & sulphonation이 높은 온도에서 진행한 RBC일수록 PS가 감소하고 SA, PV, PD가 증가하는 경향성을 발견할 수 있었다.

따라서 smaller particle size, larger surface, pore size, pore diameter는 촉매의 활성도를 높인다고 판단된다.

촉매의 Acidic site는 트리글리세라이드의 카보닐 그룹을 활성화시키고 basic site는 바이오디젤 수율을 증가시킨다.

또한 산성이 강할수록 촉매 표면의 sulfate group을 증가시키고 염기성이 강할수록 추가적인 황산이온의 loading이 감소한다.

따라서 강산/강염기일수록 촉매 활성도가 증가한다.

하지만 산성 부위가 클수록 촉매의 활성도가 높음을 알 수 있다.

이것은 산성 부위가 염기성 부위보다 상대적으로 적어 산성 부위가 활성도를 결정하는 요인으로 작용한다.

결론적으로 RBC 500, RBC 700, RBC 900 순으로 반응 시간에 따른 바이오디젤 수율은 높게 측정되었다.

또한 RBC는 3회 cycle까지 재사용을 했을 때 수율이 약 85%~90%로 비교적 높은 효율을 나타냈다.

3회 사용했을 때 수율은 재사용에 있어서 경제적인 이점으로 작용한다.

향후계획

대한민국의 바이오디젤 생산 향상을 위해 기존의 촉매를 개선하는 것이 기존 목표였다. 이에 개선 방향성에 있어서 연구가 활발한 고체촉매에 대해 연구를 진행하였고 기존에 알고 있던 Pore diameter, volume, acidity, basicity와 촉매 반응성의 상관관계를 분석했다. 전체적으로 촉매의 효율을 결정하는 요소들이 한 방향의 경향성을 띄어서 예측된 결과가 도출되었으며. 향후엔 요소간의 증감에 차이가 있는 촉매를 비교하여 더 큰 영향을 끼치는 요소에 대한 연구의 필요성이 대두된다.

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 ==프로젝트 개요==
 === 기술개발 과제 ===
-''' 국문 : ''' 00000000..
+''' 국문 : ''' 바이오디젤 생산성 향상을 위한 고체촉매의 개선
-''' 영문 : ''' 00000000..
+''' 영문 : ''' Solid Catalyst Improvement for Biodiesel Production
 ===과제 팀명===
-..
+바이오디젤
 ===지도교수===
-교수님
+김의용 교수님
 ===개발기간===
-년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)
+년 3월 ~ 2021년 6월 (총 4개월)
 ===구성원 소개===
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 김**(팀장)
+서울시립대학교 화학공학과 2015XXX0** 김**(팀장)
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 정**
+서울시립대학교 화학공학과 2015XXX0** 백**
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 조**
+서울시립대학교 화학공학과 2014XXX0** 연**
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 이**
-서울시립대학교 ㅁㅁ공학부·과 2011XXX0** 남**
 ==서론==
 ===개발 과제의 개요===
 ====개발 과제 요약====
-내용
+ ◇ 차세대 촉매로써 고체촉매를 연구하여 고체촉매의 특성 및 경향성에 대해 연구한 뒤 미래 촉매의 방향성 제시
+ ◇ 고체촉매의 크기, Pore size, 형태 등의 물리적 특성을 고려하여 촉매의 효율에 대한 연구를 통해 개선방안 제시
+ ◇ 고체촉매의 산 / 염기성, 촉매의 조성 등과 같은 화학적 특성을 고려하여 촉매의 효율에 대한 방향성 제시
 ====개발 과제의 배경====
-내용
+ ◇ 대기 오염과 석유 사용의 상관관계가 이미 공공연하게 증명된 지금, 그에 대한 책임론으로써 지구의 환경을 개선하기 위한 여러 가지 방안들이 마련되고 있다.
+ ◇ 이러한 대체 에너지에는 원자력, 풍력, 수력, 신재생 에너지 등 다양한 에너지들이 존재한다.
+ ◇ 대체 에너지의 개발과 사용 현황을 조사하던 중, 우리는 현재 휘발유에 의무적으로 일정 부분을 포함하여 사용하도록 한 바이오디젤에 대해 알게 되었다.
+ ◇ 바이오디젤은 산가가 높은 유지, 즉 폐유 및 산업적으로 사용할 수 없는 식물성 및 동물성 지방을 이용하여 생산된 경유를 대체하는 원료이다.
+ ◇ 바이오디젤에 대해 다양하게 조사한 결과, 바이오디젤은 점점 더 그 사용처를 늘려나갈 방침이고, 또한 바이오디젤의 생산 방법과 그 소재의 다양화에 있어서 활발한 연구가 이루어지고 있다.
+ ◇ 이에 따라 우리는 바이오디젤에 대해 심층적으로 조사하고 문헌을 연구 및 분석하여 바이오디젤의 생산 방법에 대해 파악하고 그 생산에 있어서 환경적, 경제적인 개선 방안을 모색하여 바이오디젤 생산이 앞으로 지향해야 할 방향성을 제시하고 그 방법에 대해 연구하도록 한다.
 ====개발 과제의 목표 및 내용====
-내용
+녹슨 선박이나 철골 구조물에서 얻을 수 있는 적철석(Hematite)를 이용하여 경제적인 바이오디젤 생산 촉매를 생산하고, 이 촉매의 생산 공정에 차이를 두어 화학적 조성과 물리적 특성의 차이를 방향성 있게 변화시켜 촉매의 효율과 생산성에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
 ===관련 기술의 현황===
 ====관련 기술의 현황 및 분석(State of art)====
 *전 세계적인 기술현황
-내용
+ ◇ 현재 바이오디젤 생산에 사용되는 대부분의 원료는 식물성 기름이므로 이들을 효율적으로 전환할 수 있는 고체 염기촉매 (CaO, MgO, ZnO 등) 개발에 대한 연구가 가장 활발히 진행중.
+ ◇ CaO는 무기계 고체 촉매 중 염기 활성이 가장 높으나 기존 액상 촉매에 비해 반응 활성이 낮고 극성 용매에 용해되는 특성이 있어 안전성이 낮다는 문제가 제시되어 담체 등을 활용해 촉매 활성을 높이기 위한 연구가 진행되고 있음.
+ ◇ 현재 바이오디젤 생산에 사용되는 액상의 강염기촉매를 담체 표면에 고정화하여 고체 촉매를 생산하는 연구도 진행되고 있음. 하지만 연속 사용시 leaching에 따른 촉매의 활성 저하가 발견되어 장기간 연속 사용을 위한 보완 연구가 진행되거 있음.
+ ◇ 고분자 이온교환수지를 바이오디젤 생산 반응에 적용하는 연구도 일부 수행되었음. 수지계 촉매를 사용하면 활성물질이 인위적으로 담지된 것이 아니므로 leaching 문제가 적으나 바이오디젤 전환율이 낮아 실용성이 없는 것으로 나타남.
+ ◇ 고체 초강산 촉매를 적용하여 식물성 기름을 바이오디젤로 전환하는 연구도 수행됨. 반응 온도 250도 이상에서 전환율 90% 이상을 나타냈으며 연속 공정에서 100시간 이상 촉매 활성이 유지되는 것으로 나타났으나 적합한 지지체를 찾는 연구가 선행되어야 함.
+ ◇ 고체 촉매에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있으나 실용화되어 실제로 이를 활용한 공정은 아직까지 없음.
 *특허조사 및 특허 전략 분석
-내용
-*기술 로드맵
+ ◇ 불균일계 촉매를 이용한 바이오디젤의 정제방법
-내용
+- 특허번호 : KR100831072B1
+- 출원일 : 2006. 9. 18.
+- 등록일 : 2008. 5. 20.
+- 특허권자 : 전남대학교 산학협력단
+- 발명자 : 박돈희, 정귀택
+본 발명은 유지로부터 바이오디젤의 제조공정 중 정제방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 과량의 알코올이 제거되고 글리세린이 층분리 된 정제되지 않은 조바이오디젤(crude biodiesel)을 불균일계 촉매하에서 수소화기()와 수산화기()의 중화 단계, 1가 또는 2가 금속이온(, , , )의 제거단계, 그리고 글리세린을 제거단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오디젤의 정제방법에 관한 것이다.
+ ◇ 바이오디젤 제조용 고체 염기촉매 및 그 제조방법, 그리고 바이오디젤의 제조방법
+- 특허번호 : KR102010037722A
+- 출원일 : 2009. 12. 24.
+- 등록일 : 2012. 1. 19.
+- 특허인 : 한국생산기술연구원
+- 발명자 : 장덕례, 김호성, 김민규, 김장미
+본 발명은 바이오디젤 제조용 고체 염기촉매 및 그 제조방법, 그리고 바이오디젤의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 제올라이트에 염기성 물질이 담지된 바이오디젤 제조용 고체 염기촉매를 제공한다. 또한, 본 발명은 제올라이트에 염기성 물질을 함침하는 제1단계; 및 상기 염기성 물질이 함침된 제올라이트를 소성하는 제2단계를 포함하는 바이오디젤 제조용 고체 염기촉매의 제조방법을 제공한다. 아울러, 본 발명은 제올라이트에 염기성 물질이 담지된 고체 염기촉매를 준비하는 제1공정; 및 유지, 유지로부터 유도된 지방산 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 원료를 상기 고체 염기촉매 하에서 알코올과 반응시키는 제2공정을 포함하는 바이오디젤의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 바이오디젤의 제조 시 우수한 반응 활성을 나타내어 바이오디젤의 수율(전환율)이 우수하고, 반응 종료 후 촉매의 회수 및 재사용이 용이하며, 폐수 등이 발생되지 않아 바이오디젤의 생산성 향상에 기여할 수 있다.
+ ◇ 복합촉매를 이용한 지방산 알킬 에스테르를 제조하는 방법
+- 특허번호 : KR101000365B1
+- 출원일 : 2010. 4. 30.
+- 등록일 : 2010. 12. 6.
+- 특허권자 : 애경유화 주식회사
+- 발명자 : 김정곤, 서성덕, 이종화, 최재희
+본 발명은 지방산 알킬 에스테르 제조를 위한 아민 및 티올화합물이 도입된 촉매 및 이를 이용하여 지방산 알킬에스테르를 제조하는 방법에 관한 것으로, 지방산 알킬 에스테르의 제조에 사용하기 위한 하기 화학식 1의 (상기 식에서, x는 에 대한 몰 비로 1 내지 3의 실수를 나타낸다)의 금속산화물 입자 표면에 아민및 티올화합물이 도입된 촉매를 사용함으로써 별도의 촉매 분리 공정이 필요없이 동식물성 유지로부터 전환율 및 선택도가 우수하며, 부산물 생성이 감소된 지방산 알킬 에스테르를 용이하게 제조할 수 있어, 해당분야에서 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
 ====시장상황에 대한 분석====
-*경쟁제품 조사 비교
-내용
+ ◇ 프랑스 Axens 사
-*마케팅 전략 제시
+아연과 알루미나의 혼합산화물로 구성된 촉매를 통해 높은 전환율 및 촉매 손실 없이 전이에스테르화를 수행
-내용
+ ◇ 캐나다 BIOX 사
+유기 공용매(cosolvent)를 사용한 산촉매 공정으로 자유지방산 함량이 높은 원료유지에 대한 전처리 목적으로 사용
+ ◇ 하지만 현재 고체 촉매를 사용한 바이오디젤 생산 공정 사례는 보고되고 있지 않아 경쟁제품이 딱히 없다고 볼 수 있음
 ===개발과제의 기대효과===
 ====기술적 기대효과====
-내용
+ ◇ 고체 촉매의 활성에 영향을 주는 요인이 무엇인지 파악하여 더 높은 효율의 촉매 생산을 기대할 수 있다.
+ ◇ 친환경적이며 재활용이 용이하고 효율 및 가격 측면에서 이점을 갖는 고체 촉매를 생산할 수 있다.
 ====경제적, 사회적 기대 및 파급효과====
-내용
+ ◇ 촉매의 활성, 효율, 친환경성 및 재활용 가능성 등을 최적화함으로써 국내 바이오디젤 생산량을 증대하여 의무혼합비율 확대 및 급변하는 세계 시장 동향에 대응할 수 있도록 한다.
 ===기술개발 일정 및 추진체계===
 ====개발 일정====
-내용
+[[파일:sample14.png]]
 ====구성원 및 추진체계====
-내용
+김민석 - 다양한 고체촉매에 대한 논문을 분석한 후 물리적, 화학적 특성을 경향성과 함께 분석할 수 있는 고체촉매를 특정한다.
+백기업 - 고체촉매의 물리적 특성을 파악하여 분석한다
+연승렬 - 고체촉매의 화학적, 산 / 염기적 특성을 파악하여 분석한다.
 ==설계==
 ===설계사양===
 ====제품의 요구사항====
-내용
+기존의 산 / 염기 촉매의 단점은 복잡한 공정 운영 과정와 전처리, 후처리 과정의 존재로 인한 환경 오염문제, 그리고 생산 과정에서 일어나는 공정의 부식 등이다.
+[[파일:sample2.png]]
+개선할 수 있는 촉매임과 동시에 바이오디젤의 생산 취지에 따라 전화율과 경제성 모두 기존의 산 / 염기 촉매에서 개선된 촉매를 개발하고, 이러한 촉매가 생산되는 원리와 경향성을 파악해 차후에 생산될 촉매의 방향성을 제시할 수 있어야 한다.
 ====설계 사양====
-내용
+물리적 특성 - 고체 촉매의 Particle size가 작을수록, Pore size와 Pore diameter와 Surface area가 클수록 촉매와 반응물의 반응 면적이 촉매의 양에 비해 넓어지게 되므로 반응성이 증가 할 것이다.
+화학적 특성 - 반응을 개시하는 역할의 Acid site의 수, 즉 산성과 반응의 양, 즉 반응 효율을 증가시키는 Base site의 수, 증 염기성 둘 모두 높은 수치를 가질수록 반응의 효율과 속도는 증가한다.
 ===개념설계안===
 내용
+* Pore surface, size
+::- SEM 분석을 통해 Hematite, RBC 500, RBC 700, RBC 900의 pore을 포함하는 표면의 모양 및 size를 조사하고 각각의 모양에 대한 경향성을 알아낸다.
+* Component ratio
+::- EDS 분석을 통해 Hematite, RBC 500, RBC 700, RBC 900의 구성원소 molar ratio를 조사하여 촉매의 특성을 결정하는 성분을 알아낸다.
+* Particle size
+::- Hematite의 calcination, sulphonation 결과로 만들어진 RBC의 온도에 따른 입자 크기를 조사하고 촉매의 활동성과의 경향을 파악한다.
+* Acid, base property
+::- Acid-base titration을 통해 각 촉매의 산,염기 부위를 측정하고 촉매의 특징과 효율에 어떤 영향을 주는지 확인한다.
 ===이론적 계산 및 시뮬레이션===
-내용
+*Scanning Electrone Microscope(SEM): Sample의 표면을 전자빔을 통해 스캔하여 이미지화 시키는 전자현미경.
+[[파일:sample6.png]]
+*Energy Dispersive X-ray Spectroscopy(EDS): SEM에 부착된 옵션기능으로 샘플에 고속 전자(PE)를 발사하여 방출된 X선을 이용해 분석한다.
+[[파일:sample7.png]]
+*Particle Size Distribution(PSD): 샘플이 크기에 따라 어떤 비율로 분포하는지 나타내는 곡선.
+[[파일:sample8.png]]
+*Dynamic Light Scattering(DLS): 브라운 운동을 하는 입자의 속도를 통해 산란광의 시간에 따른 correlation function을 분석하여 입자의 크기를 유추한다.
+[[파일:sample4.png]]
+*Acid-base titration: 산, 염기의 농도를 알지 못하는 물질을 표준용액을 통해 측정하는 방법.
+[[파일:sample20.png]]
 ===상세설계 내용===
-내용
+위에서 설명한 물리적, 화학적 측정방법들을 통해 촉매를 분석하고, 분석된 특성들의 경향성을 파악해 효율 및 전화율과의 상관관계를 분석한다.
+또한 이러한 특성이 일반적으로 알려진 촉매의 특성, 즉 물리적인 접촉면적이 높을수록, 산성, 염기성이 강할수록 반응이 빠르고 잘 된다는 특성과 부합하는지에 대해 확인한다.
 ==결과 및 평가==
 ===완료 작품의 소개===
-====프로토타입 사진 혹은 작동 장면====
-내용
 ====포스터====
-내용
+[[파일:0001.jpg|800픽셀]]
+===완료작품의 평가===
+[[파일:sample9.png]]
+Hematite의 표면은 거칠고 불규칙한 모양이며 RBC는 온도가 높을수록 crystalline함을 알 수 있다.
+원소성분을 분석한 결과 Hematite는 Fe/Cl/Al/O가 지배적이지만 calcination, sulphonation을 거친 RBC는 Fe/S/Al/O로 구성된다.
+Calcination은 Cl이 제거되고 Sulphonation은 S가 추가된다.
+[[파일:sample10.png]]
+촉매들의 PSD를 살펴보면 Hematite는 181~300nm가 지배적이며 RBC는 200nm내외로 분포한다.
+이것은 calcination 및 sulphonation으로 인해 새로운 크기의 입자가 형성되었음을 알 수 있다.
+RBC 사이에서는 온도가 높을수록 입자의 크기가 작아진다.
+[[파일:sample3.png]]
+(a) Hematite  (b) RBC 500  (c) RBC 700  (d) RBC 900
+각 촉매의 입자 사이즈는 304.4/259.6/169.5/95.96(nm)로 나타났다.
+이를 통해 Hematite의 열처리는 입자 크기의 감소를 유발함을 알 수 있고 Calcination 온도가 증가하면 나노입자 사이즈가 감소하는 경향성을 파악할 수 있었다.
+[[파일:sample5.png]]
+촉매의 PS, SA, PV, PD 값은 다음과 같이 나타냈다. Hematite의 calcination & sulphonation이 높은 온도에서 진행한 RBC일수록 PS가 감소하고 SA, PV, PD가 증가하는 경향성을 발견할 수 있었다.
+따라서 smaller particle size, larger surface, pore size, pore diameter는 촉매의 활성도를 높인다고 판단된다.
+[[파일:sample11.png]]
+촉매의 Acidic site는 트리글리세라이드의 카보닐 그룹을 활성화시키고 basic site는 바이오디젤 수율을 증가시킨다.
+또한 산성이 강할수록 촉매 표면의 sulfate group을 증가시키고 염기성이 강할수록 추가적인 황산이온의 loading이 감소한다.
+따라서 강산/강염기일수록 촉매 활성도가 증가한다.
+하지만 산성 부위가 클수록 촉매의 활성도가 높음을 알 수 있다.
+이것은 산성 부위가 염기성 부위보다 상대적으로 적어 산성 부위가 활성도를 결정하는 요인으로 작용한다.
+[[파일:sample12.png]][[파일:sample13.png]]
+결론적으로 RBC 500, RBC 700, RBC 900 순으로 반응 시간에 따른 바이오디젤 수율은 높게 측정되었다.
-===관련사업비 내역서===
+또한 RBC는 3회 cycle까지 재사용을 했을 때 수율이 약 85%~90%로 비교적 높은 효율을 나타냈다.
-내용
-===완료작품의 평가===
+회 사용했을 때 수율은 재사용에 있어서 경제적인 이점으로 작용한다.
-내용
 ===향후계획===
-내용
-===특허 출원 내용===
+대한민국의 바이오디젤 생산 향상을 위해 기존의 촉매를 개선하는 것이 기존 목표였다. 이에 개선 방향성에 있어서 연구가 활발한 고체촉매에 대해 연구를 진행하였고 기존에 알고 있던 Pore diameter, volume, acidity, basicity와 촉매 반응성의 상관관계를 분석했다. 전체적으로 촉매의 효율을 결정하는 요소들이 한 방향의 경향성을 띄어서 예측된 결과가 도출되었으며. 향후엔 요소간의 증감에 차이가 있는 촉매를 비교하여 더 큰 영향을 끼치는 요소에 대한 연구의 필요성이 대두된다.
-내용