KR101029879B1 - 팜 부산물을 이용한 친환경 저황 함유 바이오 벙커 c유의 제조 방법 - Google Patents

팜 부산물을 이용한 친환경 저황 함유 바이오 벙커 c유의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 팜 열매로부터 팜유를 정제하고 남은 팜 부산물에 유기용매를 첨가하여 팜 부산물을 용해하는 단계, 상기 용해된 팜 부산물에 수분제거제를 접촉시켜 수분을 제거하는 단계, 상기 팜 부산물을 원심분리하여 불순물을 제거한 다음 유기용매를 제거하여 정제 팜 부산물을 얻는 단계 및 상기 정제 팜 부산물에 벙커 C유를 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조하는 단계를 포함하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유에 관한 것이다.

Description

팜 부산물을 이용한 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법{Method of manufacturing environment-friendly biobunker C oil containing low content of sulfur using palm oil byproduct}
본 발명은 팜 부산물을 이용한 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팜 열매로부터 팜유를 정제하고 남은 팜 부산물에 유기용매를 첨가하여 팜 부산물을 용해하는 단계, 상기 용해된 팜 부산물에 수분제거제를 접촉시켜 수분을 제거하는 단계, 상기 팜 부산물을 원심분리하여 불순물을 제거한 다음 유기용매를 제거하여 정제 팜 부산물을 얻는 단계 및 상기 정제 팜 부산물에 벙커 C유를 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조하는 단계를 포함하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법 및 상기 방법으로 제조된 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유에 관한 것이다.
팜유는 음식을 포함하여, 많은 다른 적용처에서 사용하기 위해 대량으로 생산된다. 팜유는 전형적으로 신선한 오일 팜 나무(Elaeis guineensis, oil palm, 기름야자)의 열매로부터 얻어진다. 팜 나무는 보통 매달 3,000개 정도의 열매를 포함하는 대략 하나의 과일 다발을 생산한다. 팜 나무는 보통 25년 동안 열매 생산을 계속하며, 이는 팜유의 양호한 공급을 보장한다.
팜유는 포화 지방산인 팔미트산(palmitic acid)의 함량은 높고, 상대적으로 불포화 지방산의 함량은 낮기 때문에 쉽게 산패하지 않아 장기 보존이 가능하다. 또한, 카로틴(carotene)과 비타민 E의 한 종류인 토코트리에놀(tocotrienol) 및 토코페롤(tocopherol)이 다량 함유되어 있어 영양학적으로도 우수하다.
최근 환경 문제에 대한 인식의 증가로 인하여 식물유를 연료로서 사용하는 기술이 개발되어 왔다. 대표적인 것이 팜유로부터 제조된 팜유 메틸 에스테르, 즉 팜 디젤이다. 팜유는 에스테르 교환반응(transesterification)을 통하여 팜유 메틸 에스테르로 전환되며, 유도된 팜유 메틸 에스테르는 우수한 연료적 특성을 가지므로, 디젤 대체제로서 사용될 수 있다.
팜 부산물의 원료인 팜은 목재, 연료, 건축재, 섬유, 녹말, 기름, 술 등 많은 것을 제공하는 경제적으로 중요한 작물이다. 특히 팜 원유, 팜 커넬 오일 등을 생산할 수 있다. 이러한 팜에서 나온 부산물은 상온에서 고형의 형태를 하고 있어 연료로서의 사용이 어려우며 부산물 내에 불순물이 많이 섞여있다. 이런 문제를 해결하기 위해 고형의 부산물의 상온에서의 유동성 향상과 불순물을 제거하기 위한 정제 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 팜유를 제조하는 과정에서 생기는 고형의 팜 부산물에서 비오일 성분 제거와 연계하여 최적 용매를 선정하고, 용매의 추출 성능 검토 및 중유와의 혼합을 통한 유동성 향상 방법에 관해 조사한 것이다.
한국공개특허 제2010-0110331호에는 팜유 생성물을 제조하는 방법이 개시되어 있으며, 한국공개특허 제2010-0118865호에는 바이오매스 부산물을 이용한 친환경 바이오탄의 제조 방법이 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 산업용 보일러에 주로 이용되는 벙커 C유가 발열량은 9,900 kcal/kg로서 높은 편이나, 황 함량이 0.3~4.0%로서 높아 공해 문제를 야기하여 사용에 제한이 있었다. 따라서, 이러한 문제점을 갖는 벙커 C유를 부분적으로 대체할 소재를 찾던 중, 발열량이 9,020 kcal/kg로서 벙커 C유보다 조금 낮으면서도 황 함량이 0.01% 정도로 매우 낮고 가격도 벙커 C유보다 저렴한 정제 팜 부산물을 팜유의 제조 공정에서 생기는 팜 부산물로부터 적절한 용매를 사용하여 정제하고, 벙커 C유와의 혼합을 통해 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유를 제조함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 팜 열매로부터 팜유를 정제하고 남은 팜 부산물에 유기용매 및 수분제거제를 첨가하는 과정을 거쳐 정제 팜 부산물을 제조하고, 여기에 벙커 C유를 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조하는 단계를 포함하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유를 제공한다.
본 발명의 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유는 벙커 C유에 비해 발열량이 크게 떨어지지 않으면서도 황 함유량이 매우 낮으므로 환경 오염을 줄일 수 있는 친환경 바이오 연료이며, 또한 벙커 C유에 비해 가격이 저렴하여 경제적이므로 산업용 보일러 시장에서 벙커 C유를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 기존의 팜 부산물 및 본 발명의 정제 팜 부산물의 생산 공정을 나타낸 모식도이다. a: 팜 부산물의 생산 공정, b: 정제 팜 부산물의 생산 공정.
도 2는 기존의 팜 부산물과 본 발명의 정제 팜 부산물의 형태를 나타낸 것이다. a: 팜 부산물(20℃), b: 팜 부산물(60℃), c: 정제 팜 부산물.
도 3은 기존의 팜 부산물과 본 발명의 정제 팜 부산물에 함유된 원소를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 팜 부산물(1g)이 용해되는데 필요한 용매 및 석유류의 양을 나타낸 것이다. a: 용매에 따른 필요량, b: 석유류에 따른 필요량.
도 5는 벙커 C유의 첨가량에 따른 팜 부산물의 유동성 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 헥산의 첨가량에 따른 팜 부산물의 녹는점을 나타낸 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
팜 열매로부터 팜유를 정제하고 남은 팜 부산물의 온도를 높여 액체 상태로 만든 후, 여과하여 고형물을 제거하는 단계;
상기 고형물이 제거된 액체 상태의 팜 부산물에 유기용매를 첨가하여 팜 부산물을 완전히 용해하는 단계;
상기 용해된 팜 부산물에 수분제거제를 접촉시켜 수분을 제거하는 단계;
상기 수분이 제거된 팜 부산물을 원심분리하여 불순물을 제거한 다음 유기용매를 제거하여 정제 팜 부산물을 얻는 단계; 및
상기 정제 팜 부산물에 벙커 C유를 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조하는 단계를 포함하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법은 1단계로서, 팜 열매로부터 팜유를 정제하고 남은 팜 부산물의 온도를 높여 액체 상태로 만든 후, 여과하여 고형물을 제거하는 단계를 포함한다. 상기 팜 부산물은 팜 열매로부터 팜유를 제조하는 과정에서 남은 고형의 부산물을 말한다. 상기 팜 부산물은 상온에서 반고체 상태이며, 60℃에서는 액체 상태로 존재한다. 따라서, 팜 부산물을 60℃ 정도로 온도를 높여 액체 상태로 만든다. 액체 상태의 팜 부산물을 섬유필터를 이용하여 녹지 않는 고형물을 제거한다. 상기 팜유 제조 과정은 당업계에 공지되어 있다.
본 발명의 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법은 2단계로서, 상기 고형물이 제거된 액체 상태의 팜 부산물에 유기용매를 첨가하여 팜 부산물을 완전히 용해하는 단계를 포함한다. 상기 용매는 헥산(hexane), 디에틸에테르(diethyl ether), 디클로로메탄(dichloromethane), 메탄올 또는 아세톤일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 가장 바람직하게는 상기 용매는 헥산이다.
용매는 크게 비극성, 극성 프로틱(protic), 극성 아프로틱(aprotic) 용매로 나눌 수 있으며, 비극성 용매로는 펜탄, 헥산, 디에틸에테르, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 극성 아프로틱에는 디클로로메탄, 에틸 아세테이트, 아세톤, 아세토니트릴, 극성 프로틱에는 메탄올, 에탄올, 초산, 물 등이 있다. 유기물 성분만을 용해시키기 위해서는 비극성, 극성 아프로틱, 극성 프로틱의 순으로 분리능이 우수하다. 비극성 용매 중에서 디클로로메탄은 잔류 염소가 발생하므로 적합하지 않으며, 디에틸에테르는 끓는점이 너무 낮아 용매 회수가 불리하다. 벤젠, 톨루엔은 독성이 매우 높고, 사이클로헥산은 끓는점이 높아 휘발 시 에너지를 많이 필요로 한다. 그러한 점에서 헥산이 가장 적절한 용매라고 할 수 있다.
상기 팜 부산물의 용해 단계는 바람직하게는 25~35℃, 더욱 바람직하게는 30℃에서 수행될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 용해 온도는 용매인 헥산이 액체로 존재하고 용질인 팜 부산물이 고형물로 존재하는 범위이며 특별한 가열이 필요 없는 상온 또는 상온보다 약간 높은 조건이 에너지 사용 측면에서 가장 유리하다.
용해 시간은 0.5~1.5시간, 바람직하게는 1시간일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 용해 시간은 30분이면 용질인 팜 부산물의 90% 이상이 용해가 되며, 완전한 용해를 위해 1시간 정도가 바람직하다.
헥산의 첨가량은 팜 부산물 15~25 g에 대해 35~55ml을 첨가할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 헥산의 첨가량은 팜 부산물 1 g당 2mL 이상이 되어야 완전히 용해될 수 있으며 그 이하일 경우에는 용해율이 낮으므로 팜 부산물 1g당 헥산 2~2.5mL이 가장 바람직하다.
본 발명의 친환경 바이오 벙커 C유의 제조 방법은 3단계로서, 상기 용해된 팜 부산물에 무수황산나트륨(Na2SO4), 황산칼슘(CaSO4), 염화칼슘(CaCl2), 실리카분말, 점토분말 등의 수분제거제를 첨가하여 수분을 제거하는 단계를 포함한다. 정제 단계에서 수분을 제거하는 이유는 연료유의 불완전 연소를 방지하고, 물 이외에도 친수성 불순물을 제거하여, 연료유의 순도를 향상시키기 위함이다. 팜 부산물에는 약 5% 내외의 친수성 부분을 포함하고 있어 정제단계를 통해 1% 이하로 저감시킬 수 있다.
본 발명의 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법은 4단계로서, 상기 수분이 제거된 팜 부산물을 원심분리하여 불순물을 제거한 다음 유기용매를 제거하여 정제 팜 부산물을 얻는 단계를 포함한다. 휘발된 유기용매는 회수되어 2단계의 팜 부산물을 용해하는데 재이용되므로, 매우 경제적이다.
본 발명의 친환경 바이오 벙커 C유의 제조 방법은 5단계로서, 상기 정제 팜 부산물에 벙커 C유를 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조하는 단계를 포함한다. 정제 팜 부산물 및 벙커 C유의 혼합비는 25~50:50~75의 중량비일 수 있으며, 바람직하게는 30~40:60~70의 중량비일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 정제 팜 부산물 1g에는 벙커 C유 1.1mL 이상이 첨가되어야 완전히 용해될 수 있으며, 그 이하일 경우에는 고형물이 존재할 수 있고 유동성에 불리하다. 따라서 50 중량비 이상으로 벙커 C유가 포함되어야 하며, 벙커 C유가 75 중량비 이상일 경우에는 황저감 효과가 현저하지 않으므로 상기 중량비가 가장 바람직하다.
따라서, 본 발명의 친환경 바이오 벙커 C유의 제조 방법은 바람직하게는
팜 열매로부터 팜유를 정제하고 남은 팜 부산물의 온도를 높여 액체 상태로 만든 후, 여과하여 고형물을 제거하는 단계;
상기 고형물이 제거된 액체 상태의 팜 부산물 15~25 중량부에 헥산을 첨가하여 25~35℃에서 0.5~1.5시간 동안 팜 부산물을 완전히 용해하는 단계;
상기 용해된 팜 부산물에 무수황산나트륨(Na2SO4) 0.5~1.5 중량부를 접촉시켜 수분을 제거하는 단계;
상기 수분이 제거된 팜 부산물을 원심분리하여 불순물을 제거한 다음 헥산을 제거하여 정제 팜 부산물을 얻는 단계; 및
상기 정제 팜 부산물에 벙커 C유를 25~50:50~75의 중량비로 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조하는 단계를 포함하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명의 방법으로 제조된 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유를 제공한다. 본 발명의 바이오 벙커 C유는 황 함유량이 매우 낮은 정제 팜 부산물을 상대적으로 황 함유량이 높은 벙커 C유와 혼합하여 제조된 것으로서, 벙커 C유에 비해 황 함유량이 낮아 환경 친화적일 수 있다. 본 발명의 바이오 벙커 C유는 일반적으로 산업용 보일러의 연료로 사용되는 벙커 C유의 대체 연료로서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 수분을 1.0 중량부 이하로 포함하고, 고형물이 제거된 정제 팜 부산물 25~50 중량부 및 벙커 C유 50~75 중량부를 포함하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유를 제공한다. 정제 팜 부산물은 수분을 1.0 중량부 이하로 포함하고, 고형물이 제거된 것이 바람직하다. 정제 팜 부산물과 벙커 C유의 혼합비는 25~50:50~75의 중량비, 바람직하게는 30~40:60~70의 중량비일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 팜 부산물 여과
팜 부산물의 온도를 60℃로 높여 액체 상태로 만들고, 섬유필터를 이용하여 그 위에 액체 상태의 팜 부산물을 부은 뒤 짜내어 여과를 하였다.
실시예 2: 정제 팜 부산물의 제조
팜 부산물(20g)을 헥산(40 mL)에 넣은 후, 진탕 배양기에서 200 rpm, 30℃의 조건으로 1시간 동안 교반한 다음, 볼텍스 믹서를 이용해 완전히 용해하였다. 헥산에 의해 용해된 상기 팜 부산물에 무수황산나트륨(Na2SO4) 1g을 첨가하였다. 무수황산나트륨이 첨가된 헥산에 용해된 팜 부산물을 50 mL 코니칼 튜브에 옮겨담고 4000 rpm의 빠르기로 5분 동안 원심분리 하였다. 원심분리를 통해 불순물을 제거한 정제된 용액에서 용매인 헥산을 제거하고 다시 회수한 후, 정제 팜 부산물을 얻었다(도 1 및 2).
상기 획득한 정제 팜 부산물과 기존의 팜 부산물의 원소를 분석하였다. 상기 부산물들의 원소 함량은 탄소, 산소 및 수소가 대부분을 차지하고 있었으며, 황의 함량은 0.01%로 매우 낮게 나타났다(도 3).
실시예 3: 팜 부산물 추출을 위한 용매의 필요량 측정
팜 부산물을 추출하기 위한 용매의 필요량을 측정하기 위해, 팜 부산물을 유리병에 각각 약 1g씩 나누어 담았다. 상기 1g의 팜 부산물에 디클로로메탄, 메탄올, 아세톤, 헥산, 휘발유, 경유, 등유, 벙커 A유, 벙커 B유 및 벙커 C유를 소량씩 넣어가며 팜 부산물 1g이 용해되는데 필요한 각각의 용매의 양을 알아보았다.
도 4는 팜 부산물 1g이 용해되는데 필요한 상기 용매들의 양을 나타낸 것이다. 유기용매 중에서 효과가 뛰어난 것은 메탄올(1.466 mL/g), 디클로로메탄(1.496 mL/g), 헥산(1.968 mL/g) 순이었다. 상기 3개의 유기용매 중에서 메탄올 및 디클로로메탄은 정제된 팜 부산물의 순도에 문제가 있을 수 있기 때문에, 본 발명자들은 최종적으로 헥산을 용매로 선택하였다. 또한, 석유류 중에서 팜 부산물을 용해하는데 가장 효과적으로 나타난 것은 벙커 A유(1.134 mL/g), 벙커 B유(1.185 mL/g) 및 벙커 C유(1.096 mL/g)와 같은 중유였다. 이 중 벙커 C유가 가장 효과가 뛰어났다.
실시예 4: 석유류 혼합에 의한 유동성 확인
석유류 혼합에 의한 팜 부산물의 유동성을 확인하기 위해, 팜 부산물 1g에 경유, 벙커 A유, 벙커 B유 및 벙커 C유를 200, 400, 600, 800 및 1000 ㎕씩 넣어가며 유동성을 확인해 보았다. 도 5는 벙커 C유의 첨가에 따른 팜 부산물의 유동성을 나타낸 것으로, 첨가량이 증가하면서 팜 부산물의 유동성 또한 증가함을 알 수 있었다.
실시예 5: 헥산 혼합에 의한 정제 팜 부산물의 녹는점 측정
헥산 혼합에 의한 정제 팜 부산물의 녹는점을 측정하기 위해, 온도를 높여 액체 상태가 된 정제 팜 부산물을 5개의 유리병에 각각 2 mL씩 담은 후 상온에 두어 굳혔다. 상기 굳은 정제 팜 부산물에 헥산을 각각 0, 20, 50, 100 및 200 ㎕씩 첨가하였다. 상기 정제 팜 부산물이 담긴 5개의 유리병을 오븐에 넣고 온도를 높여 액체 상태를 만든 후 오븐을 끄고 온도를 내려가며 굳기 시작하는 온도를 측정하였다. 그 결과, 헥산 첨가량이 증가할수록 정제 팜 부산물의 녹는점이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다(도 6).
실시예 6: 벙커 C유와 정제 팜 부산물의 혼합을 통한 바이오 벙커 C유의 제
본 발명의 정제 팜 부산물 및 벙커 C유를 각각 35% 및 65% 수준으로 서로 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조한 다음, 발열량 및 황 함유량을 측정하였다. 산업용 보일러의 연료로 사용되는 벙커 C유의 발열량은 9,900 ㎉/kg 이고, 황 함유량은 0.3~4.0%인 반면, 본 발명의 바이오 벙커 C유의 발열량은 9,590 ㎉/kg 였고, 황 함유량은 0.195% 였다.
본 발명의 바이오 벙커 C유는 황 함유량이 낮은 정제 팜 부산물(황 함유량 0.01%)을 상대적으로 황 함유량이 높은 벙커 C유와 적절하게 혼합하여 제조한 것으로써, 발열량은 어느 정도 유지하면서 기존의 벙커 C유에 비해 황 함유량은 현저하게 낮추었다.
본 발명의 바이오 벙커 C유는 산업용 보일러에서 사용했을 때 벙커 C유에 비해 황의 배출량이 적으므로 환경 오염이 적은 친환경 바이오 연료라고 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바이오 벙커 C유는 산업용 보일러 연료 시장에서 벙커 C유를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (8)

  1. 팜 열매로부터 팜유를 정제하고 남은 팜 부산물의 온도를 높여 액체 상태로 만든 후, 여과하여 고형물을 제거하는 단계;
    상기 고형물이 제거된 액체 상태의 팜 부산물에 유기용매를 첨가하여 팜 부산물을 완전히 용해하는 단계;
    상기 용해된 팜 부산물에 수분제거제를 접촉시켜 수분을 제거하는 단계;
    상기 수분이 제거된 팜 부산물을 원심분리하여 불순물을 제거한 다음 유기용매를 제거하여 정제 팜 부산물을 얻는 단계; 및
    상기 정제 팜 부산물에 벙커 C유를 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조하는 단계를 포함하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유기용매는 헥산(hexane), 디에틸에테르(diethyl ether), 디클로로메탄(dichloromethane), 메탄올 또는 아세톤인 것을 특징으로 하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 팜 부산물의 용해 단계는 25~35℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수분제거제는 무수황산나트륨(Na2SO4), 황산칼슘(CaSO4), 염화칼슘(CaCl2), 실리카분말 또는 점토분말인 것을 특징으로 하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 벙커 C유의 혼합 단계는 정제 팜 부산물 및 벙커 C유를 25~50:50~75의 중량비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법.
  6. 팜 열매로부터 팜유를 정제하고 남은 팜 부산물의 온도를 높여 액체 상태로 만든 후, 여과하여 고형물을 제거하는 단계;
    상기 고형물이 제거된 액체 상태의 팜 부산물 15~25 중량부에 헥산을 첨가하여 25~35℃에서 0.5~1.5시간 동안 팜 부산물을 완전히 용해하는 단계;
    상기 용해된 팜 부산물에 무수황산나트륨(Na2SO4) 0.5~1.5 중량부를 접촉시켜 수분을 제거하는 단계;
    상기 수분이 제거된 팜 부산물을 원심분리하여 불순물을 제거한 다음 헥산을 제거하여 정제 팜 부산물을 얻는 단계; 및
    상기 정제 팜 부산물에 벙커 C유를 25~50:50~75의 중량비로 혼합하여 바이오 벙커 C유를 제조하는 단계를 포함하는 친환경 저황 함유 바이오 벙커 C유의 제조 방법.
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