KR20180011405A - Preparation method of biodiesel using waste water sludge - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수분 내지 유분함량이 높은 슬러지를 이용하여 에스테르화 반응이 효과적으로 수행됨과 동시에, 후속하는 혐기소화공정에 긍정적인 영향을 제공하여 경제적이면서 기존대비 효율이 개선된 바이오디젤을 제공할 수 있는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing biodiesel using waste sludge, and more particularly, to a method for producing biodiesel using waste sludge, in which an esterification reaction is effectively carried out using sludge having a high moisture content or a high oil content and a positive effect on a subsequent anaerobic digestion process The present invention relates to a method for producing biodiesel using waste sludge, which can provide biodiesel having an improved efficiency compared to conventional methods.
국내의 경우 에너지 수입 의존도가 매우 높아 에너지 안보 측면에서 바이오 에너지의 중요성이 부각되고 있으나, 안정적 원료 수급과 경제성 등의 문제가 우선적으로 해결되어야 한다. 국내 바이오에너지 기술수준은 2013년 기준 미국 대비 75.7%로 평가되고 있으며, 여러 관련 기술 중 바이오디젤이 가장 근접한 상황이다. 국내 바이오디젤 생산 업체 현황을 살펴보면 SK케미칼이 12만톤/년으로 최대이며, 단석산업, 애경유화, M에너지 등에서 바이오디젤을 상업화 하고 있다. 한편, 하수슬러지의 에너지화 기술은 혐기성 소화와 건조연료화 위주로 개발 적용되어 온 상황이며 혐기성 소화조는 현재 병합소화를 적용하는 소화조를 합쳐 총 68개소가 보급 운영 중이다. 혐기성소화기술의 경우 가수분해 및 메탄 생성단계에서 제한 요소가 존재하여 이러한 제한요소를 극복하기 위한 기술개발 노력이 꾸준히 이루어져 왔으나 아직까지 대부분의 혐기성 소화 시설에서 정상적인 운전에 많은 어려움이 있는 상황으로 환경부는 혐기성 소화조 보급과 더불어 효율향상을 위한 소화조 개선 사업을 시행 중이다. 건조연료화 기술의 경우 하수슬러지 발전소 혼소를 위한 슬러지 고형화시설이 전국적으로 인프라가 구축되고 운영되는 상황이며, 발전소 혼소용 원료로 슬러지를 활용하는 비율이 전국적으로 약 45% 수준이다. 단 건조연료화의 경우 수분함량 과다에 따른 발열량 저하 및 건조 시 과다한 에너지 사용 및 건조과정에서 발생하는 악취문제 해결이 필요하다.In Korea, energy imports are highly dependent on the importance of bio-energy in terms of energy security, but stable supply and demand of raw materials should be solved first. The domestic bio-energy technology level is estimated to be 75.7% of the US as of 2013, and bio-diesel is the closest among the related technologies. Looking at domestic biodiesel producers, SK Chemicals is the largest with 120,000 tons / year, commercializing biodiesel in the Danseok, Aekyung, and M energy industries. On the other hand, the energy technology of sewage sludge has been developed and applied mainly for anaerobic digestion and dry fuel conversion, and a total of 68 sites of anaerobic digestion tanks are currently in operation, including the digestion tanks applying the combined digestion. In the case of anaerobic digestion technology, there are limitations in the hydrolysis and methane generation stages, and efforts to develop technologies to overcome these limitations have been made steadily. However, in most of the anaerobic digestion facilities, Along with the dissemination of anaerobic digesters, we are carrying out a project to improve digesters to improve efficiency. In the case of dry fueling technology, the infrastructure for sludge solidification facilities for the sake of the sewage sludge power plants is established and operated nationwide, and the utilization rate of sludge as a raw material for the power plant is about 45% nationwide. However, in the case of drying fuel, it is necessary to solve the problem of odor generated in the process of excessive use of energy and drying during drying due to excessive amount of moisture.
슬러지 바이오디젤 생산기술 개발이 제한적인 이유는 다른 원료와 비교하였을 때 불순물(박테리아성 유지, 왁스, 스테로이드 등)과 함께 수분함량이 매우 높은 습식 원료이기 때문이다. 슬러지에 포함되어 있는 수분은 에스테르화 반응에 있어 주로 알코올의 이온화 및 촉매의 활성화 방해 뿐만 아니라, 지방산의 경우 역반응으로 인한 바이오디젤 수율 및 품질 저하의 치명적인 원인이 된다. 기존 슬러지 바이오디젤화 기술은 수분 방해를 최소화하기 위해 원료의 동결ㅇ건조 전처리한 과정이 필수적이나 이는 전체 바이오디젤 생산 공정의 30% 이상을 차지하는 과다한 에너지가 소모되어 바이오디젤 생산 단가를 상승시키는 주원인이 되고 있다. 따라서 이러한 문제점들을 극복해야만 슬러지 바이오매스로부터 생산된 바이오디젤이 석유디젤과의 경쟁력을 확보할 수 있으며 이를 위해서 에스테르화 반응 중 효율적인 수분 배제 기술 개발이 선행되어야 한다.Development of sludge biodiesel production technology is limited because it is a wet raw material with very high moisture content along with impurities (bacterial maintenance, wax, steroid, etc.) when compared to other raw materials. The moisture contained in the sludge is a major cause of the biodiesel yield and quality deterioration due to the reverse reaction in the esterification reaction as well as the ionization of the alcohol and the activation of the catalyst. Conventional sludge biodiesel technology requires freezing and drying pretreatment of raw materials in order to minimize moisture disturbance, but it is a major cause of increasing the cost of biodiesel production by consuming excessive energy, which accounts for more than 30% of total biodiesel production process . Therefore, it is necessary to overcome these problems, so that the biodiesel produced from sludge biomass can secure competitiveness with petroleum diesel. Therefore, efficient water exclusion technology should be developed during the esterification reaction.
한편, 상기에서 언급된 기술들이 개발된다 하더라도 무조건적인 수분의 배제는 바이오디젤 추출 잔류물 처리에 있어 혐기성 소화 시 가수분해 효율의 저하로 이어져 바이오가스 품질을 크게 저하시킬 수 있다. 구체적으로는 바이오디젤 생산에 있어서 수분은 에스테르화 반응을 억제하는 요소로 작용하지만, 혐기성 소화에 있어 유기물을 가수분해하기 위한 긍정적 요소로 작용함으로써 무조건적인 수분의 배제는 바이오가스 생산 효율을 저하시켜 기존 혐기성 소화공정과의 연계성이 떨어지게 되는 문제가 있다.On the other hand, even if the above-mentioned technologies are developed, the unconditional exclusion of moisture may lead to a decrease in the hydrolysis efficiency upon anaerobic digestion in the treatment of the biodiesel extract residue, which may significantly degrade the biogas quality. Specifically, water in the production of biodiesel acts as a factor for inhibiting the esterification reaction, but acts as a positive factor for hydrolysis of the organic matter in the anaerobic digestion, so that the unconditional elimination of water lowers the biogas production efficiency, There is a problem that the connection with the anaerobic digestion process is deteriorated.
이에, 비건조 고함수율 슬러지로부터 최적화된 촉매의 발굴 및 에스테르화 반응 중 효과적인 수분 배제 시스템, 바이오디젤 추출잔류물의 복합 바이오연료의 회수 등이 통합적으로 고려된 하수슬러지 감량화/에너지화 기술의 개발이 요구되고 있다.
Therefore, it is necessary to develop sewage sludge reduction / energy reduction technology that integrates the optimization of the catalyst from the non-drying high moisture sludge and the efficient water exclusion system during the esterification reaction and the recovery of the biofuel of the biodiesel extraction residue. .
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 수분함량이 높은 폐슬러지를 이용하여 에스테르화 반응이 수율 높게 수행됨과 동시에, 후속하는 혐기소화공정에 긍정적인 영향을 제공하여 경제적이면서 기존대비 효율이 개선된 바이오디젤을 제공할 수 있는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법을 제공함에 있다.
DISCLOSURE Technical Problem The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for efficiently performing an esterification reaction using a waste sludge having a high water content, The present invention also provides a method of manufacturing biodiesel using waste sludge which can provide biodiesel with an improved efficiency compared with the conventional biodiesel.
상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.The technical problem of the present invention as described above is achieved by the following means.
1. (1) 폐슬러지에 알콜 및 산촉매를 혼합하여 에스테르화전환반응을 수행하는 단계; (2) 반응종료후 상온까지 냉각하고, 원심분리하는 단계; (3) 상기 원심분리과정을 통해 얻어진 상등액을 수거하는 단계; (4) 상기 수거된 상등액에 헥산을 첨가하여 층분리를 수행하는 단계; (5) 헥산층을 분리하여 증류수로 수세하여 불순물을 제거하고, 수분제거제를 넣어 잔류수분을 제거하는 단계; 및 (6) 증발기를 이용하여 헥산을 회수하여, 잔류하는 바이오디젤을 얻는 단계;를 포함하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.
1. (1) mixing alcohol and an acid catalyst to waste sludge to perform an esterification conversion reaction; (2) cooling to room temperature after completion of the reaction and centrifuging; (3) collecting the supernatant obtained through the centrifugation process; (4) adding hexane to the collected supernatant to perform layer separation; (5) separating the hexane layer, washing it with distilled water to remove impurities, and removing moisture to remove residual water; And (6) recovering hexane by using an evaporator to obtain residual biodiesel.
2. 산촉매의 농도는 알콜의 부피대비 4~6%(v/v)인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.
2. The method for producing biodiesel using waste sludge according to
3. 상기 단계 (1)에서, 반응온도는 55~65℃인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.
3. The method for producing biodiesel using waste sludge according to
4. 상기 단계 (1)에서, 반응시간은 6~8시간인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.
4. The method for producing biodiesel using waste sludge according to
5. 상기 단계 (1)에서, 알콜과 슬러지의 혼합비율은 5~15(v/w)인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.
5. The method for producing biodiesel using waste sludge according to
6. 상기 단계 (6)에서, 회전 증발기를 이용하여 30~50℃, 150~200rpm으로 헥산(n-Hexane)을 회수하는 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.
6. The method for producing biodiesel using waste sludge according to claim 6, wherein n-hexane is recovered at 30 to 50 ° C and 150 to 200 rpm using a rotary evaporator.
7. 상기 단계 (1)에서, 알콜은 메탄올이고, 산촉매는 황산이며, 반응은 pH 1~2로 유지된 상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.
7. The method for producing biodiesel using waste sludge according to
8. 상기 단계 (1)에서, 건조슬러지의 수분함량은 30~50% 인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.
8. The method for producing biodiesel using waste sludge according to
상기와 같은 본 발명에 따르면, 수분함량이 높은 폐슬러지를 이용하여 에스테르화 반응의 수율을 증진시키는 것과 동시에, 후속하는 혐기소화공정에 긍정적인 영향을 제공하여 경제적이면서 기존대비 효율이 개선된 바이오디젤을 제공할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to improve the yield of the esterification reaction using waste sludge having a high water content, and to provide a positive effect on the subsequent anaerobic digestion process, Can be provided.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오디젤의 제조공정도.
도 2는 산촉매 농도 변화에 따른 바이오디젤 수율을 나타내는 실험결과 그래프.
도 3은 반응시간별 바이오디젤 수율(H2SO4 농도 5%)을 나타내는 실험결과 그래프.
도 4는 용매제 변화량에 따른 바이오디젤 수율을 나타내는 실험결과 그래프.
도 5는 반응온도 변화에 따른 바이오디젤 수율을 나타내는 실험결과 그래프.
도 6은 메탄올 : 슬러지 비에 따른 바이오디젤 수율 변화를 나타내는 실험결과 그래프.
도 7은 식품(유제품) 탈수caked의 촉매 농도에 따른 바이오디젤 수율을 비교한 실험결과 그래프.
도 8은 식품(유제품) 탈수CAKE(건조) 반응시간에 따른 바이오디젤 수율을 나타내는 실험결과 그래프.
도 9는 식품(유제품) 가압부상조 슬러지 반응시간에 따른 바이오디젤 수율을 나타내는 실험결과 그래프.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a process diagram of a biodiesel production process according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 is a graph showing an experimental result showing the yield of biodiesel according to the change of the acid catalyst concentration. FIG.
FIG. 3 is a graph showing an experimental result showing biodiesel yield (H 2 SO 4
FIG. 4 is a graph showing an experimental result showing the yield of biodiesel according to the amount of the solvent.
FIG. 5 is a graph showing experimental results showing the yield of biodiesel according to the reaction temperature.
FIG. 6 is a graph showing experimental results showing changes in yield of biodiesel according to the methanol: sludge ratio.
FIG. 7 is a graph showing the results of a comparison of yields of biodiesel according to the catalyst concentration of dehydrated caked (dairy product).
FIG. 8 is a graph showing the results of biodiesel production according to dehydration CAKE (dry) reaction time of food (dairy product).
9 is a graph showing experimental results showing the yield of biodiesel according to reaction time of crude sludge pressurized with food (dairy product).
본 발명에 따른 바이오디젤의 제조방법은 (1) 폐슬러지에 알콜 및 산촉매를 혼합하여 에스테르전환반응을 수행하는 단계; (2) 반응종료후 상온까지 냉각하고, 원심분리하는 단계; (3) 상기 원심분리과정을 통해 얻어진 상등액을 수거하는 단계; (4) 상기 수거된 상등액에 헥산을 첨가하여 층분리를 수행하는 단계; (5) 헥산층을 분리하여 증류수로 수세하여 불순물을 제거하고, 수분제거제를 넣어 잔류수분을 제거하는 단계; 및 (6) 증발기를 이용하여 헥산을 회수하여, 잔류하는 바이오디젤을 얻는 단계;를 포함한다.
The method for producing biodiesel according to the present invention comprises the steps of: (1) performing an ester conversion reaction by mixing alcohol and an acid catalyst in waste sludge; (2) cooling to room temperature after completion of the reaction and centrifuging; (3) collecting the supernatant obtained through the centrifugation process; (4) adding hexane to the collected supernatant to perform layer separation; (5) separating the hexane layer, washing it with distilled water to remove impurities, and removing moisture to remove residual water; And (6) recovering hexane using an evaporator to obtain residual biodiesel.
상기 단계 (1)에서의 폐슬러지에 에스테르전환반응을 수행하기 위해 알콜과 산촉매가 혼합된다. 산촉매를 사용하는 이유로는 폐슬러지에서 유리지방산(FFA)의 함량이 높으므로 염기촉매를 사용할 경우 비누화 반응이 진행될 수 있기 때문이다. 상기 알콜의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 아밀알코올 등을 들 수 있고, 이중에서 메탄올, 에탄올이 바람직하고, 보다 바람직하게는 메탄올이다. 산촉매로는 황산, 질산, 인산, 아세트산, 포름산 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 황산이다. The alcohol and the acid catalyst are mixed to perform the ester conversion reaction to the waste sludge in the step (1). The reason for using the acid catalyst is that since the content of free fatty acid (FFA) in the waste sludge is high, the saponification reaction can proceed when the base catalyst is used. Examples of the alcohol include methanol, ethanol, propanol, butanol, and amyl alcohol. Of these, methanol and ethanol are preferable, and methanol is more preferable. As the acid catalyst, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid, acetic acid, formic acid and the like can be used, and sulfuric acid is preferable.
이때, 상기 알콜과 슬러지의 혼합비율은 5~15(v/w)이며, 바람직하게는 10(v/w)이고, 산촉매의 농도는 알콜의 부피대비 4~6%(v/v), 바람직하게는 5%(v/v)로 하는 것이 바람직하다.At this time, the mixing ratio of the alcohol and sludge is 5 to 15 (v / w), preferably 10 (v / w), the concentration of the acid catalyst is 4 to 6% (v / v) Is preferably 5% (v / v).
에스테르전환반응은 상기 각 반응물을 혼합한 후, 반응온도 55~65℃, 바람직하게는 60℃에서, 반응시간은 6~8시간, 바람직하게는 7시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 반응물의 pH는 1.0~2.0, 바람직하게는 pH 1.0으로 고정된 조건하에 수행하는 것이 바람직하다.The ester conversion reaction is preferably carried out at a reaction temperature of 55 to 65 ° C, preferably 60 ° C, and a reaction time of 6 to 8 hours, preferably 7 hours, after mixing the reactants. At this time, it is preferable to perform the reaction under conditions where the pH of the reactant is fixed at 1.0 to 2.0, preferably at pH 1.0.
종래에는 에스테르반응의 효율을 높이기 위해 비등점이 낮은 조용매(헥산 등)를 반응시에 첨가하는 기술이 개시된 바 있으나, 이 경우 반응온도를 50℃ 미만의 저온 영역에서 수행하여야 하기에 바이오디젤의 효율을 높이는데 한계가 있고, 이러한 조용매는 바이오디젤의 수율을 높이기 위한 60℃에서는 20분 정도이면 증발해 버리므로 사용할 수 없게 된다. 이 경우 비등점이 높은 톨루엔, 자일렌 등이 조용매로 사용될 수 있지만, 이 경우 생산단가의 증가를 초래하여 경제성이 떨어지는 문제를 해결할 수 없고, 정제과정에서 이를 제거하여야 하는데 어려움이 따른다.Conventionally, a technique of adding a co-solvent (hexane, etc.) having a low boiling point at the time of the reaction to increase the efficiency of the ester reaction has been disclosed. However, in this case, since the reaction temperature must be lower than 50 ° C, And the co-solvent evaporates at about 60 ° C in order to increase the yield of biodiesel in about 20 minutes, so that it can not be used. In this case, toluene and xylene having a high boiling point can be used as co-solvents. However, in this case, an increase in the unit price of the product leads to an economical problem, and it is difficult to remove it in the refining process.
본 발명에서는 상기한 바와 같이 온도조건, 반응물 내지 산촉매의 첨가비, 반응시간 등의 반응변수를 제어하여 간단한 과정에 의해 바이오디젤의 생산수율을 높이는 것이 가능하다. In the present invention, as described above, it is possible to increase the production yield of biodiesel by a simple process by controlling reaction variables such as temperature condition, addition ratio of reactant and acid catalyst, and reaction time.
상기 단계 (1)의 에스테르화전환반응이 종료하면, 상온까지 냉각하고, 원심분리과정이 수행되어진다. 본 발명에서는 바이오디젤의 회수 시 슬러지 고형분의 영향을 최소화하기 위해 2000~4000rpm에서 5~10분간 원심분리를 수행하는 것이 바람직하다.When the esterification conversion reaction of the step (1) is completed, the reaction mixture is cooled to room temperature and a centrifugation process is performed. In the present invention, centrifugation is preferably performed at 2000 to 4000 rpm for 5 to 10 minutes in order to minimize the influence of the solid content of the sludge in the recovery of biodiesel.
상기와 같이 원심분리과정을 통해 얻어진 상등액에 바이오디젤이 함유되어 있으며, 상기 상등액만을 수거하여 용매제를 투입하여 층분리를 수행한다. 본 발명에서는 상기 용매제로 헥산(n-Hexane)이 사용된다. 바이오디젤은 층분리된 헥산층에 용해된다. 이와 같이, 본 발명에서 헥산은 종래기술에서와 같이 조용매로 반응과정에 참여하는 것이 아니고(이 경우 반응온도상의 제약을 받음), 바이오디젤을 용해하는 용매로 사용되어 최종적인 바이오디젤의 수율증가에 기여하게 된다. 이때, 알콜과 헥산의 첨가비는 10~60(v/v)으로 하는 것이 바람직하다. 상기 첨가비가 10미만일 경우에는 수율이 매우 낮아지고, 60까지는 수율이 증가하다가 이를 초과할 경우에는 오히려 수율이 떨어지는 문제가 발생하여 상기 범위로 하는 것이 최적의 조건을 제공한다. 헥산층을 따로 분리하고, 순도를 높이기 위해 증류수를 이용하여 2~3회 정도 수세하여 불순물을 제거한다.The biodiesel is contained in the supernatant obtained through centrifugal separation as described above. Only the supernatant is collected and the solvent is added to perform the layer separation. In the present invention, hexane (n-hexane) is used as the solvent. Biodiesel is dissolved in the layered hexane layer. As described above, in the present invention, hexane does not participate in the reaction as a conventional solvent as in the prior art (in this case, the reaction temperature is limited), and is used as a solvent for dissolving biodiesel to increase the yield of final biodiesel . At this time, the addition ratio of alcohol and hexane is preferably 10 to 60 (v / v). When the addition ratio is less than 10, the yield is very low. When the addition ratio is more than 60, the yield is increased, but when the addition ratio is more than 60, the yield is lowered. Separate the hexane layer separately and rinse with distilled water 2-3 times to remove impurities to increase the purity.
이후, 불순물이 제거된 헥산층에 수분제거제로써, 바람직하게는 무수황산나트륨을 첨가하여 잔류수분을 제거한다. 상기와 같이 잔류수분이 제거된 헥산층을 회전 증발기를 이용하여 30~50℃, 150~200rpm으로 헥산(n-Hexane)을 회수하고, 회수 후 잔류하는 바이오디젤을 얻을 수 있다.Thereafter, residual water is removed by adding anhydrous sodium sulfate to the hexane layer from which the impurities have been removed, as a water removing agent, preferably anhydrous sodium sulfate. The n-hexane recovered at 30 to 50 ° C and 150 to 200 rpm using a rotary evaporator can be recovered and the residual biodiesel can be obtained.
상기 본 발명의 단계 (1)에서 사용되는 건조슬러지는 수분함량이 80% 이상인 슬러지(하수슬러지, 식품폐수슬러지, 자동차 부품생상공정에서 발생되는 탈수슬러지, 또는 음식물폐수 슬러지)를 원심 분리기나 벨트 프레스를 이용하여 후속반응인 에스테르전환효율을 높이면서, 혐기소화조에서의 유기물의 분해효율을 개선할 수 있는 수분함량인 60% 이하, 바람직하게는 30~50% 정도로 조절된다. 상기와 같이 수분함량을 30~50%로 전처리 과정을 거쳐 조정한 건조슬러지를 이용하여 산촉매를 이용한 에스테르화반응을 수행할 경우 비누화 반응이 억제되어 에스테르전환효율이 극대화되고, 동시에 후속하는 혐기소화공정에서 요구되는 적절한 수분함량을 유지할 수 있게 된다.
The dried sludge used in the step (1) of the present invention may be a sludge having a moisture content of 80% or more (sewage sludge, food wastewater sludge, dehydrated sludge generated in an automobile part production process, or food wastewater sludge) Is adjusted to a water content of 60% or less, preferably 30 to 50%, which can improve the decomposition efficiency of the organic matter in the anaerobic digestion tank while enhancing the ester conversion efficiency of the subsequent reaction. When the esterification reaction using the acid catalyst is performed using the dried sludge prepared by pretreating the water content to 30 to 50% as described above, the saponification reaction is inhibited to maximize the ester conversion efficiency, and the subsequent anaerobic digestion process So that it is possible to maintain the required moisture content required by the present invention.
이하 본 발명의 내용을 실시예를 참조하여 보다 구체적으로 설명하고자 하나, 이들 실시예는 본 발명의 내용을 설명하기 위한 것으로 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these Examples are presented for the purpose of illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these Examples.
[실험예][Experimental Example]
본 실험에서 슬러지로부터 바이오디젤 생산을 위하여 충남 소재의 A하수처리장과 S하수처리장의 1차, 2차, 탈수 슬러지 시료를 채취하였다. 1차, 2차 슬러지의 경우 바이오디젤 생산 시 응집제의 영향을 확인하기 위하여 Jar-test를 통한 응집 침전 후 원심분리 시켜 탈수슬러지와 함께 60℃에서 약 2일간 건조 하였다. 건조한 슬러지는 믹서로 분말형태로 만들어 실험을 하였다. A하수처리장은 슬러지 처리를 위해 S하수처리장과는 달리 소화조를 운영하는 시설이다.In this experiment, first, second and dehydrated sludge samples were collected from A sewage treatment plant and S sewage treatment plant in Chungnam for biodiesel production from sludge. In case of primary and secondary sludge, in order to check the effect of coagulant during the production of biodiesel, coagulation sedimentation was carried out by jar-test, followed by centrifugation and drying at 60 ° C for about 2 days together with dehydrated sludge. Dry sludge was made into powder form with a mixer and tested. A sewage treatment plant is a facility that operates digesters unlike S sewage treatment plants for sludge treatment.
바이오디젤 생산 시 유지류의 영향에 의한 바이오디젤 수율의 영향을 확인하기 위하여 충남 소재의 Y 식품폐수(유가공업) 처리시설의 가압부상슬러지, 반송슬러지, 탈수슬러지(건조/비건조)를 채취하여 실험에 사용하였으며, 탈수슬러지는 건조/비건조 실험을 진행하였고, 가압부상 슬러지는 60℃ 건조 슬러지와, 중력농축하여 사용하였다. 활성슬러지의 경우 채취 후 원심분리 시켜 60℃에서 건조 한 후 슬러지를 분쇄하여 분말형태로 만들어 실험을 하였다.In order to confirm the effect of biodiesel yield due to the influence of oils and fats on the production of biodiesel, pressurized floating sludge, transport sludge, and dewatered sludge (dry / non-dried) of Y food wastewater (oil industry) , And the dehydrated sludge was dried / non-dried, and the pressurized floating sludge was used with 60 ° C dry sludge and gravity concentration. Activated sludge was collected by centrifugation, dried at 60 ℃, and sludge was pulverized into powder form.
음식물 폐수는 충남소재 자원화 시설에서 채수하였다. 음식물폐수를 3상 원심분리하여(물, 기름, 슬러지) 얻어진 폐유를 사용하였다.
Food wastewater was collected at the resource facility in Chungnam. The wastewater from the food wastewater was obtained by three-phase centrifugation (water, oil, sludge).
[실험과정] [Experimental Process]
하수슬러지 시료를 이용하여 제시한 조건으로부터 최적의 바이오디젤 전환 조건을 찾기 위하여 도 1과 같은 순서로 실험을 진행하였다. 이때, 슬러지로는 ① 1차 슬러지, ② 2차 슬러지, ③ 2차 슬러지 + 유기고분자응집제(Polymer), ④ 2차 슬러지 + 무기 응집제(염화 제2철), ⑤ 탈수 슬러지, ⑥ 식품폐수 가압부상조 슬러지(건조/비건조), ⑦ 식품폐수 탈수슬러지, ⑨ 음폐수(음식물폐수에서 수분 분리), ⑧ 자동차 부품 생산공정 폐수슬러지로 구분하여 실험하였다.Experiments were carried out in the same order as in Fig. 1 in order to find optimum biodiesel conversion conditions from the conditions presented using sewage sludge samples. In this case, as the sludge, there are (1) primary sludge, (2) secondary sludge, (3) secondary sludge and organic polymer coagulant, (4) secondary sludge and inorganic coagulant (ferric chloride), (5) dehydrated sludge, (Dry / non-dried), ⑦ food wastewater dehydrated sludge, ⑨ drinking water (water separation from food wastewater), and ⑧ automobile parts production process wastewater sludge.
상기 각 슬러지로부터 바이오디젤 생산 시 최적 반응조건을 도출하기 위하여 아래와 같이 여러 가지 반응 조건을 설정하여 실험하였다. 촉매의 경우 일반적으로 슬러지에서는 FFA(Free Fatty Acid)가 높기 때문에 염기촉매를 통한 비누화 반응을 고려하여 산촉매인 H2SO4를 고정하여 사용하였다. 바이오디젤 전환 시 설정 조건은 다음과 같다.In order to derive optimal reaction conditions for the production of biodiesel from the above-mentioned sludge, various reaction conditions were set as shown below. In the case of the catalyst, since the free fatty acid (FFA) is generally high in the sludge, the acid catalyst H 2 SO 4 is fixed in consideration of the saponification reaction through the base catalyst. The setting conditions for biodiesel conversion are as follows.
- 촉매농도 : 0.25, 1, 5, 7, 10 % (촉매/메탄올,Volume/Volume)- Catalyst concentration: 0.25, 1, 5, 7, 10% (catalyst / methanol, Volume / Volume)
- 반응 시간 : 3, 5, 7, 10 hr- Reaction time: 3, 5, 7, 10 hr
- 반응 온도 : 40, 50, 60, 70 ℃- Reaction temperature: 40, 50, 60, 70 ℃
- 메탄올과 건조슬러지 비 : 10, 15, 20 (Volume/Weight)- Methanol and dry sludge ratio: 10, 15, 20 (Volume / Weight)
- 메탄올과 노르말헥산 비 : 10, 20, 40, 60 (Volume/Volume)
- methanol and normal hexane: 10, 20, 40, 60 (Volume / Volume)
(1) 에스테르전환반응(1) ester conversion reaction
먼저 준비한 슬러지 및 폐유를 중량(10g)으로 조건에 따라 무게를 취하여 500mL 둥근바닥 플라스크에 주입하였다. 다음으로 에스테르전환반응을 위해 메탄올을 조건에 따라 부피를 취한 후 산촉매로서 H2SO4 5mL를 주입하여 pH 1로 고정하고 플라스크 상부를 냉각장치에 연결하여 설정온도로 물중탕하며, 교반시켰다.
The prepared sludge and waste oil were weighed (10 g) according to the conditions and injected into a 500 mL round bottom flask. Methanol was then added to the reaction mixture to adjust the pH to 1 by the addition of 5 mL of H 2 SO 4 as an acid catalyst. The flask was connected to a cooling device, water was added at a set temperature, and the mixture was stirred.
(2) FAME 성분 추출(2) Extraction of FAME components
반응종료 후 상온까지 냉각 시킨 후 냉각장치로부터 플라스크를 제거하였다. 바이오디젤 회수 시 슬러지 고형물의 영향을 최소화하기 위하여 3000rpm에서 5분간 원심분리 후 상등액 만을 수거하여 1L 분별깔때기에 용매제인 헥산(n-Hexane)을 첨가하여 층 분리를 하였다.
After the reaction was completed, the flask was removed from the cooling apparatus after cooling to room temperature. In order to minimize the influence of sludge solids during biodiesel recovery, the supernatant was collected by centrifugation at 3000 rpm for 5 minutes, and the solvent was distilled off by adding hexane (n-hexane) as a solvent to the 1 L fractionation funnel.
(3) Rotary Evaporator를 이용한 노르말헥산 증발(3) Evaporation of normal hexane using a rotary evaporator
이때 층 분리 된 상부층의 헥산(n-Hexane)층은 바이오디젤을 함유하고 있다. 헥산층을 따로 분리하여 불순물의 제거를 위하여 증류수로 수회 수세 후, 무수황산나트륨을 넣어 잔류 수분을 제거하였다. 이후 회전 증발기를 이용하여 40℃, 150~200rpm으로 헥산(n-Hexane)을 회수 하였으며, 회수 후 잔류하는 바이오디젤을 분석하였다. 바이오디젤 수율 분석 시 아래 계산식을 이용하였다.At this time, the layered hexane (n-hexane) layer of the upper layer contains biodiesel. The hexane layer was separated, washed several times with distilled water to remove impurities, and then anhydrous sodium sulfate was added to remove residual water. Then, n-hexane was recovered at 40 ° C and 150 ~ 200 rpm using a rotary evaporator, and residual biodiesel was analyzed. The following formula was used for biodiesel yield analysis.
또한, 생산된 바이오디젤의 FAME 함량을 평가하기 위하여 한국산업규격에서 "지방 및 오일 유도체-지방산 메틸에스테르(FAME)-에스테르 및 리놀렌산 메틸에스테르 함량 분석방법"을 적용하여 슬러지로부터 생성된 바이오디젤을 Gas chromatograph Flame ionization Dectecter(GC-FID, YL6500 GC system, 영린기기)를 사용하여 분석하였다. 내부표준물질로서 메틸 헵타데카노이트를 헵탄에 녹여 사용하였다. 분석용 컬럼은 Agilent HP-1(30m × 0.32mm × 0.25um, USA)를 사용하였으며, carrier gas로서 N2 gas를 사용하였다. 오븐 온도를 60℃에서 2분간 유지 후 5℃/min으로 310℃까지 승온하여 5분간 유지하였다. 시료 주입량은 1uL, 그리고 split less의 조건으로 분석하였다.
In order to evaluate the FAME content of the produced biodiesel, the biodiesel produced from the sludge was analyzed by applying the method of "Fat and oil derivative-fatty acid methyl ester (FAME) -ester and linolenic acid methyl ester content analysis method" and analyzed using a chromatograph Flame ionization Dectecter (GC-FID, YL6500 GC system, Youngin Instrument). Methyl heptadecanoate as an internal standard substance was dissolved in heptane and used. Analytical column was Agilent HP-1 (30m × 0.32mm × 0.25um, USA) and N 2 gas was used as carrier gas. The oven temperature was maintained at 60 캜 for 2 minutes, then heated to 310 캜 at 5 캜 / min and held for 5 minutes. Sample injection volume was analyzed with 1 uL and split less conditions.
[실험결과][Experiment result]
1. 하수슬러지로부터 바이오디젤 전환실험1. Biodiesel conversion experiment from sewage sludge
(1) 촉매 종류의 영향(1) Effect of catalyst type
본 실험에서 슬러지는 염기촉매와 반응 시 높은 비율의 Free fatty acid(FFA) 존재로 인한 비누화 현상으로 인한 바이오디젤 수율 감소현상을 확인하고자 염기촉매로 KOH와 산촉매로 H2SO4를 메탄올에 5%로 용해하였으며, 반응온도 60℃, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 10, 반응시간 3hr로 설정하여 바이오디젤 전환 실험을 수행하였다. 염기촉매와 산촉매의 바이오디젤 수율을 비교한 결과 염기촉매(KOH)와 산촉매(H2SO4) 각각 바이오디젤 수율은 평균 0.9%와 평균 2.2%로 산촉매(H2SO4)에서 약 2배 이상 높은 바이오디젤 수율을 나타내었다. 이에 본 실험에서는 슬러지에서 바이오디젤 전환 시 최적촉매는 산촉매라 가정하고 모든 바이오디젤 전환 실험은 산촉매(H2SO4)로 진행하였다.
In this experiment, in order to investigate the reduction of biodiesel yield due to the saponification phenomenon due to the presence of a high proportion of free fatty acid (FFA) in the reaction with the base catalyst, KOH and H 2 SO 4 as a base catalyst were added to methanol in an amount of 5% , And the biodiesel conversion experiment was carried out at a reaction temperature of 60 ° C, a methanol / sludge ratio (v / w) of 10, and a reaction time of 3 hours. Base catalyst and the result of comparing the biodiesel yield of the acid catalyst, a base catalyst (KOH) and acid catalyst (H 2 SO 4) respectively the biodiesel yield of the acid catalyst to an average of 0.9% and an average 2.2% (H 2 SO 4) from about 2 times or more High biodiesel yield was obtained. In this experiment, the optimal catalyst for the conversion of biodiesel to sludge was assumed to be acid catalyst, and all biodiesel conversion experiments proceeded with acid catalyst (H 2 SO 4 ).
(2) 촉매 반응에 따른 영향(2) Effect of catalytic reaction
또한 생성된 바이오디젤 생성물은 상온에서 장시간 방치 시 흰색 결정이 형성되는 것을 관찰하였다. 이러한 흰색 결정의 생성된 원인은 슬러지 원료 내에 포함된 Lipid 성분이 바이오디젤 전환을 위한 전이에스테르화 반응 시 촉매량 부족으로 인해 바이오디젤로 물질로 전환이 되지 못하여 흰색 결정이 생긴 것으로 판단된다. 슬러지로부터 바이오디젤 전환 시 충분한 반응이 일어날 수 있는 적절한 양의 촉매첨가가 중요한 영향인자로 작용하는 것이라 판단된다.
It was also observed that white crystals were formed when the biodiesel product was left at room temperature for a long time. These white crystals were caused by white lattice elements in the sludge feedstock that could not be converted to biodiesel due to insufficient catalytic amount during the transesterification reaction for biodiesel conversion. It is considered that the addition of an appropriate amount of catalyst to cause a sufficient reaction in the conversion of biodiesel from sludge acts as an important influential factor.
(3) 촉매 농도에 따른 영향(3) Effect of catalyst concentration
앞선 실험결과를 통해 바이오디젤 전환 시 Lipid 성분의 충분한 바이오디젤 전환을 위해서는 반응 시 충분한 촉매가 존재하여야 한다는 결과를 확인하였다. 이후 바이오디젤 전환 시 촉매 농도의 최적조건을 도출하기 위해 반응온도 60℃, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 100:10, 반응시간 3hr, 산촉매(H2SO4) 0.25, 1, 5, 7, 10%로 촉매 농도 조건을 설정하여 바이오디젤 전환 실험을 수행하였다.The results of the previous experiments confirm that sufficient catalyst should be present in the reaction for the sufficient biodiesel conversion of the lipid component during biodiesel conversion. Since biodiesel conversion reaction temperature to derive the optimum condition for the
실험결과 촉매의 농도가 증가함에 따라 바이오디젤 수율이 증가하는 경향을 나타내었으며, 산촉매(H2SO4) 5%의 농도에서 평균 3.9%의 가장 높은 바이오디젤 수율을 나타내었다. 산촉매(H2SO4) 5%이상의 농도에서는 바이오디젤 수율이 감소하는 경향을 나타내었으며, 산촉매(H2SO4) 10%의 농도에서는 바이오디젤 수율이 평균 3.4%의 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 과잉 공급된 산촉매로 인해 슬러지 내 바이오디젤 전환 대상물질의 탄소결합이 해체 된 것이라 판단된다.Experimental results show that the biodiesel yield tends to increase with increasing catalyst concentration and the average yield of biodiesel is 3.9% at the concentration of 5% of acid catalyst (H 2 SO 4 ). Acid catalyst showed a tendency to decrease in the yield of biodiesel (H 2 SO 4) concentration of 5% or more, an acid catalyst (H 2 SO 4) in a concentration of 10% biodiesel is Yield The results of 3.4%. These results suggest that the carbon bond of the substance to be converted into biodiesel in the sludge is disassembled due to the excess supplied acid catalyst.
또한, 충분한 촉매의 존재로 반응하여 형성된 바이오디젤 생성물은 상온에서 장시간 방치 하더라도 지질성분의 존재로 인한 흰색 결정이 형성되지 않는 것을 확인하였다. 도 2는 산촉매(H2SO4)의 농도별 바이오디젤 수율을 나타내었다.
In addition, it was confirmed that the biodiesel product formed by the reaction in the presence of a sufficient catalyst does not form white crystals due to the presence of the lipid component even if left at room temperature for a long time. Figure 2 shows the concentrations of biodiesel yield of the acid catalyst (H 2 SO 4).
(4) 최적 촉매 농도에 따른 반응시간별 바이오디젤 수율(4) Biodiesel yield by reaction time with optimum catalyst concentration
바이오디젤 전환 시 반응시간은 중요한 영향인자이다. 본 실험에서는 바이오디젤 전환 시 반응시간에 따른 바이오디젤 수율 변화를 평가하기 위하여 반응시간 변화를 통한 바이오디젤 전환 실험을 진행하였다. 바이오디젤 전환 실험 조건은 건조된 탈수슬러지를 이용하여 산촉매(H2SO4) 5%, 반응온도 60℃, 메탄올과 슬러지 비(v/w)를 100:10, 메탄올과 N-Hexane 비 100:10, 반응시간 3, 5, 7, 10hr로 반응시간을 설정하여 실험을 수행하였다. 실험결과 반응 7시간 까지는 바이오디젤의 수율이 증가하여 평균 4.0%로 나타났으며, 이후 10시간 반응조건에서는 바이오디젤 수율이 평균 3.3%로 낮아지는 결과를 나타내었다. 이에 최적 반응시간은 7hr로 판단되며, 도 3에 반응시간별 바이오디젤 수율을 나타내었다.
Reaction time in biodiesel conversion is an important influence factor. In this experiment, biodiesel conversion experiment was performed by changing the reaction time to evaluate the biodiesel yield change according to the reaction time during biodiesel conversion. Biodiesel conversion conditions were as follows: 5% of acid catalyst (H 2 SO 4 ), 60 ° C of reaction temperature, 100:10 of methanol and sludge ratio (v / w), 100% of methanol and N-hexane ratio, 10, and
(5) 용매제 영향(5) Solvent effect
바이오디젤 전환 시 반응과정에 용매제 첨가에 따라 지질의 용해성 증진으로 바이오디젤 수율이 향상된다고 보고되었다. 이를 바탕으로 용매제 첨가량에 따른 바이오디젤 수율 변화를 확인하고자 용매제 첨가량 변화에 따른 바이오디젤 전환 실험을 수행하였다. 바이오디젤 전환 실험 조건은 건조된 탈수슬러지를 이용하여 산촉매(H2SO4) 5%, 반응온도 60℃, 반응시간 7hr, 메탄올과 슬러지 비(v/w)를 10으로 설정하였으며, 에스테르 반응을 위한 메탄올과 용매제인 N-Hexane 비(v/v)를 100:10, 100:20, 100:40, 100:60으로 설정하여 바이오디젤 전환 실험을 수행하였으며, 바이오디젤 추출 과정에서 용매제 첨가량을 빼주어 바이오디젤을 추출하였다. 실험결과 용매제 100:60에서 바이오디젤 수율 6.2% 가장 높은 바이오디젤 수율을 나타내었으며, 용매제 첨가량 증가에 따라 바이오디젤 수율이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 도 4에 용매제 첨가량에 따른 바이오디젤 수율을 나타내었다.
It has been reported that biodiesel yield is improved by solubility enhancement of lipid according to addition of solvent in the reaction process during biodiesel conversion. Based on the results, we conducted a biodiesel conversion experiment according to the amount of solvent added to determine the yield change of biodiesel depending on the amount of solvent added. The experimental conditions for biodiesel conversion were as follows: acid catalyst (H 2 SO 4 ) 5%,
(6) 반응 온도 영향(6) Effect of reaction temperature
바이오디젤 전환 시 반응온도는 바이오디젤 생성물의 수율과 관련하여 주요한 영향인자이다. 반응온도의 영향을 평가하기 위하여 건조된 탈수슬러지를 이용하여 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 100:10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 7hr, 반응온도 40, 50, 60, 70℃로 조건을 설정하여 실험을 진행하였다. 실험결과 반응온도 60℃에서 바이오디젤 수율은 4.0%로 가장 높은 바이오디젤 수율을 나타내었다. 반응온도 60℃까지는 바이오디젤 수율이 향상되었으며, 60℃ 이상의 온도에서는 바이오디젤 수율이 감소하는 것을 관찰하였다. 60℃ 이상의 온도에서는 슬러지 성분 중 바이오디젤 전환 시 수율에 영향을 미치는 탄소결합이 해체되었다고 판단된다. 도 5에 반응온도에 따른 바이오디젤 수율 결과를 나타내었다.
The reaction temperature during biodiesel conversion is a major influencing factor in relation to the yield of biodiesel product. Using the dewatered sludge drying in order to assess the effect of the reaction temperature the acid catalyst (H 2 SO 4) 5% , methanol and sludge ratio (v / w) 100: 10 , of methanol and N-Hexane ratio of 10: 1,
(7) 메탄올과 슬러지 비 영향(7) Effect of Methanol and Sludge Ratio
바이오디젤 전환 시 사용되는 주재료인 메탄올과 슬러지의 혼합비율은 바이오디젤 전환과정에서 중요한 영향인자이다. 본 실험에서는 메탄올과 슬러지 비(volume : weight)의 최적 혼합비율을 도출하기 위하여 건조된 탈수슬러지를 이용하여 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 7hr, 반응온도 60℃, 100:5, 100:10, 100:15, 100:20의 메탄올과 슬러지 비(volume : weight)를 설정하여 바이오디젤 전환실험을 진행하였다. 실험과정 중 100:15와 100:20의 비율에서는 건조된 슬러지가 메탄올을 흡수하여 유동성이 떨어졌으며, 이로 인해 바이오디젤 전환 과정에서 적절한 혼합이 이루어지지 않는 것을 확인하였다. 실험 결과 메탄올과 슬러지의 혼합비율 증가에 따라 바이오디젤 수율이 향상되었으며 100:10의 메탄올과 슬러지 비에서 4.0%로 가장 높은 바이오디젤 수율을 나타내었으며, 100:10 혼합비율 이상에서는 메탄올과 슬러지 비가 증가함에 따라 바이오디젤 수율이 감소하는 경향을 나타내었다(도 6참조). 슬러지 비율 증가에 따른 바이오디젤 수율 감소하는 이유는 높은 비율의 슬러지는 바이오디젤 전환과정에서 메탄올을 과잉 흡수하여 에멀전 형태로 형성이 되는데, 이 형태로 인해 반응생성물의 바이오디젤 추출 과정에서 악영향을 끼치는 것이라 판단된다.
The mixing ratio of methanol and sludge, which is the main material used for biodiesel conversion, is an important factor in the conversion process of biodiesel. In this experiment, 5% of acid catalyst (H 2 SO 4 ), 10: 1 of methanol and N-hexane ratio, 7 hr of reaction time were used to derive the optimal mixing ratio of methanol and sludge ratio , And a methanol and sludge volume (weight: 100: 20, 100: 5, 100: 10, 100: At the ratio of 100: 15 and 100: 20 in the experimental procedure, the dried sludge absorbed methanol and the fluidity was decreased. As a result, it was confirmed that proper mixing was not achieved during the biodiesel conversion process. Experimental results showed that the yield of biodiesel increased with increasing methanol and sludge ratio, and the highest biodiesel yield was 4.0% at methanol and sludge ratio of 100: 10, and the methanol and sludge ratio increased above 100: 10 The yield of biodiesel was decreased (see FIG. 6). The reason for the decrease in the yield of biodiesel due to the increase of the sludge ratio is that a high proportion of the sludge absorbs excess methanol in the process of biodiesel conversion and forms into an emulsion form which adversely affects the biodiesel extraction process of the reaction product .
(8) 바이오디젤 전환 최적 반응 조건 도출(8) Derivation of optimal reaction conditions for biodiesel conversion
위의 실험결과인 바이오디젤 수율 평가를 바탕으로 슬러지에서 바이오디젤 전환 시 최적조건을 도출하였다. 촉매 농도와 반응 온도 및 시간, 메탄올과 슬러지의 혼합비율(v/w)에 따라 바이오디젤 수율은 각기 다르게 나타났으며, 용매제의 첨가량에 따른 바이오디젤 수율증대 효과를 확인하였다. 이에 바이오디젤 전환 시 최적 반응 조건은 산촉매(H2SO4) 5%, 반응시간 7hr, 반응온도 60℃, 메탄올과 슬러지의 비(v/w) 100:10의 최적조건을 도출하였으며, 용매제의 첨가량은 많을수록 바이오디젤 수율은 증가함을 확인하였다. 아래 표에 바이오디젤 전환 시 최적 조건을 나타내었다.Based on the results of the biodiesel yield evaluation, the optimal conditions for biodiesel conversion in sludge were derived. Biodiesel yields were different depending on the catalyst concentration, reaction temperature and time, and the mixing ratio (v / w) of methanol and sludge, and the yield of biodiesel was increased depending on the amount of solvent added. Optimum conditions for the conversion of biodiesel were 5% of H 2 SO 4 , 7 hr of reaction time, 60 ℃ of reaction temperature, and 100: 10 ratio of methanol to sludge (v / w) The yield of biodiesel increased. The table below shows the optimal conditions for biodiesel conversion.
(H2SO4)Acid catalyst concentration
(H 2 SO 4)
슬러지 혼합비With methanol
Sludge mixing ratio
(volume:weight)100: 10
(volume: weight)
(9) 바이오디젤 생산 시 응집제의 영향(9) Effect of coagulant on biodiesel production
본 실험에서는 바이오디젤 생산 시 응집제의 영향을 알아보기 위해서 유기응집제와 무기응집제로 구분하여 실험을 진행하였다. 유기응집제로는 하/폐수 처리시설 내 탈수능력 향상을 위해 대표적으로 쓰이는 폴리머를 사용하였다. 무기응집제로는 염화제이철(FeCl3)을 사용하여 유기응집제와 무기응집제가 바이오디젤 수율에 미치는 영향을 평가하였다.
In order to investigate the effect of coagulant during the production of biodiesel, this experiment was divided into organic coagulant and inorganic coagulant. As an organic coagulant, a polymer used for improving the dewatering ability in a wastewater treatment facility was used. The effect of organic coagulant and inorganic coagulant on biodiesel yield was evaluated using ferric chloride (FeCl 3 ) as an inorganic coagulant.
1) 폴리머(유기고분자 응집제)의 영향1) Effect of polymer (organic polymer flocculant)
바이오디젤 전환 시 폴리머(유기고분자 응집제)의 영향을 평가하기 위하여 하수처리 공정상의 1차 슬러지와 2차 슬러지를 사용하였다. 폴리머는 강양이온성 폴리머를 사용하였으며, 응집제 적용 전과 적용 후의 바이오디젤 수율을 평가하였다. 바이오디젤 전환 시 실험조건은 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 7hr, 반응온도 60℃로 설정하여 실험을 수행하였다. 1차 슬러지의 바이오디젤 전환 실험에서는 14.2%의 바이오디젤 수율을 나타내었다, 폴리머를 주입시킨 1차 슬러지의 경우 16.7%로 응집제의 영향으로 바이오디젤 수율이 증가한 것으로 판단된다. Primary sludge and secondary sludge were used in the sewage treatment process to evaluate the effect of polymer (organic polymer flocculant) on biodiesel conversion. Polymer was prepared by using Kang Yang 's ionic polymer, and the yield of biodiesel before and after the coagulant application was evaluated. Biodiesel when switching experimental conditions an acid catalyst (H 2 SO 4) 5% , methanol and sludge ratio (v / w) 10, of methanol and N-Hexane ratio of 10: 1, reaction time experiment set to 7hr, the
2차 슬러지의 경우 바이오디젤 전환 실험 결과 4.6%의 바이오디젤 수율을 나타내었고, 폴리머를 주입시킨 2차 슬러지의 경우 3.7%로 응집제의 영향으로 인해 바이오디젤 수율이 감소한 것으로 판단된다. 아래 그림에 1차 슬러지와 2차 슬러지의 응집제 적용결과를 나타내었다.
In the case of secondary sludge, the biodiesel yield was 4.6% and the secondary sludge injected with polymer was 3.7%, indicating that the yield of biodiesel decreased due to the effect of coagulant. The results of application of coagulant of primary sludge and secondary sludge are shown in the figure below.
2) 염화 제2철(무기 응집제)의 영향2) Influence of ferric chloride (inorganic coagulant)
바이오디젤 전환 시 무기 응집제의 영향을 평가하기 위하여 무기 응집제로서 염화 제2철을 이용하여 응집제 적용 전과 후의 바이오디젤 수율을 평가하였다. 무기 응집제 적용을 위해 충남 S 하수처리장의 2차 슬러지에 염화 제2철 38% 수용액을 가성소다와 함께 주입하여 Jar-test를 통한 최적 응집제 주입량을 설정 하였으며, 응집제 주입으로 인해 형성된 플럭(floc)을 채취하여 원심분리 후 건조하여 사용하였다.In order to evaluate the effect of inorganic coagulants on the conversion of biodiesel, ferric chloride was used as an inorganic coagulant to evaluate the yield of biodiesel before and after the coagulant application. For the application of inorganic flocculant, 38% aqueous solution of ferric chloride was injected into the secondary sludge of sewage treatment plant in Chungnam S with caustic soda, and the optimum amount of flocculant was set by jar test. Collected, centrifuged and dried.
바이오디젤 전환 시 실험조건은 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 7hr, 반응온도 60℃로 설정하여 실험을 수행하였다. 실험결과 응집제 적용 전과 후의 바이오디젤 수율을 각각 4.2%와 1.8%로 염화 제2철의 영향으로 바이오디젤 수율이 감소하는 것을 확인하였다.
Experiments were carried out under the conditions of 5% H2SO4, 10 methanol / sludge ratio (v / w), 10: 1 methanol / N-hexane ratio, . Experimental results show that the yield of biodiesel before and after applying the coagulant is 4.2% and 1.8%, respectively, and the yield of biodiesel is decreased due to the effect of ferric chloride.
2. 식품(유제품) 폐수슬러지로부터 바이오디젤 전환실험2. Biodiesel conversion experiments from food (dairy) wastewater sludge
(1) 식품(유제품)폐수 탈수cake 건조/비건조 비교실험(1) Comparison of dried (non-dried) dehydrated cake of food (dairy product) wastewater
하수슬러지나 폐수슬러지의 탈수cake 건조에 따른 비용과 건조과정의 공정상의 불편함을 없애고자 함수율 81.8%의 식품(유제품)폐수 탈수cake을 건조하지 않은 상태에서의 바이오디젤 수율을 측정하였다.The yield of biodiesel was measured in the absence of drying of the food (dairy product) wastewater dehydrated cake with a moisture content of 81.8% in order to eliminate the cost of drying the dehydrated cake of the sewage sludge and wastewater sludge and the inconvenience of the drying process.
탈수cake
Food (dairy products)
Dehydrated cake
(2) 식품(유제품)폐수 탈수cake 촉매 농도에 따른 바이오디젤 전환 실험(2) Biodiesel conversion experiment according to catalyst concentration in food (dairy product) wastewater dehydrated cake
식품(유제품)폐수 탈수cake 촉매 농도에 따른 바이오디젤 수율을 알아보고자 촉매 농도에 변화를 주어 실험을 실시하였다. 식품(유제품) 폐수처리 공정의 탈수 CAKE를 65℃, 24hr로 건조하여 메탄올과 슬러지 비(v/w) 100:10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 3hr 반응온도 60℃, 산촉매(H2SO4) 0.25%, 1%, 3%, 5%, 10%로 조건을 설정하여 실험하였다. 실험결과 산촉매(H2SO4) 농도 5%일 때 바이오디젤 수율이 10.7%로 가장 높았다(도 7 참조).
In order to investigate the yield of biodiesel according to the catalyst concentration, the experiment was carried out with varying catalyst concentration. Dehydration of food (dairy product) wastewater treatment process Drying of CAKE at 65 ℃ for 24hr, methanol and sludge ratio (v / w) 100: 10, methanol and N-hexane ratio 10: 1, reaction time 3hr,
(3) 식품(유제품) 폐수슬러지 반응시간에 따른 바이오디젤 전환실험(3) Biodiesel conversion experiment with food (dairy) wastewater sludge reaction time
하수 슬러지로부터 바이오디젤 생산 시 바이오디젤 수율은 1차 슬러지 약 16%로 1차 슬러지의 경우 지역의 하수유입 특성에 따라 바이오디젤 수율에 큰 편차를 보이는 것으로 알려져 있으며, 하수처리장 특성상 1차 슬러지만을 선택적으로 탈수/건조 시키는 공정을 적용하기에는 현실적으로 어렵다. 비교적 하수처리 공정상 확보가 용이한 2차 탈수 슬러지의 경우 바이오디젤 수율 약 5.5%로 1차 슬러지에 비해 낮은 바이오디젤 수율을 나타낸다.The biodiesel yield from biodiesel production from sewage sludge is about 16% of the primary sludge. The primary sludge is known to show a large variation in biodiesel yield depending on the sewage inflow characteristics of the region. Only the primary sludge is selected It is practically difficult to apply a process of dehydration / drying. The secondary dewatered sludge, which is relatively easy to secure in the sewage treatment process, has a biodiesel yield of about 5.5%, which is lower than that of the primary sludge.
이에 본 실험에서는 식품(유제품) 폐수슬러지의 경우 원료 특성상 다량의 유지를 포함하기 때문에 바이오디젤 생산 시 하수슬러지보다 높은 바이오디젤 수율을 나타낼 것이라 판단되어 바이오디젤 전환 실험을 진행하였다.Therefore, in this experiment, biodiesel conversion experiment was carried out in food (dairy product) wastewater sludge because it contains a large amount of oil because of the nature of raw materials and it is considered that biodiesel yield will be higher than that of sewage sludge during biodiesel production.
식품(유제품) 폐수슬러지의 바이오디젤 전환 시 반응시간별 바이오디젤 수율을 비교하기 위하여 식품(유제품) 폐수처리 공정의 탈수 CAKE를 65℃, 24hr로 건조하여 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 100:10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 3hr, 5hr, 7hr, 10hr 반응온도 60℃로 조건을 설정하여 실험하였다. 실험결과 7hr에서 8.7%로 가장 높은 바이오디젤 수율을 나타내었다(도 8참조).
In order to compare the biodiesel yields of the biodiesel conversion of food (dairy product) wastewater sludge, dehydrated CAKE in the food (dairy) wastewater treatment process was dried at 65 ° C for 24 hours to obtain 5% of acid catalyst (H 2 SO 4 ) The reaction conditions were set at a sludge ratio (v / w) of 100: 10, a methanol / N-hexane ratio of 10: 1, a reaction time of 3 hours, 5 hours, 7 hours and 10 hours. Experimental results showed the highest yield of biodiesel at 8.7% at 7 hr (see FIG. 8).
(4) 식품(유제품) 폐수슬러지 가압부상조 슬러지 바이오디젤 수율 비교(4) Food (dairy) wastewater sludge Pressurized floating sludge Biodiesel yield comparison
식품(유제품) 폐수슬러지의 바이오디젤 전환 시 탈수cake와 가압부상조 슬러지의 수율 비교를 위하여 가압부상조 슬러지를 건조하여 바이오디젤 수율 측정 실험을 실시하였다. 식품(유제품) 폐수처리 공정의 가압부상조 슬러지를 건조하여 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 100:10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 3hr, 5hr, 7hr, 10hr 반응온도 60℃로 조건을 설정하여 실험하였다. 실험결과 반응시간 7hr에서 10.3%로 가장 높게 바이오디젤 수율이 나타났다(도 9참조). 탈수cake 건조 슬러지보다 약 1.6% 바이오디젤 수율이 더 높은 것으로 보아 가압부상조 슬러지가 바이오디젤 추출 조건에 더 적합한 것을 알 수 있다.In order to compare the yields of dewatered cake and pressurized floating sludge during biodiesel conversion of food (dairy) wastewater sludge, pressurized floating sludge was dried and biodiesel yield was measured. The pressurized floatation sludge in the food (dairy) wastewater treatment process was dried to obtain a mixture of 5% of acid catalyst (H2SO4), 100:10 of methanol and sludge ratio (v / w), 10: 1 of methanol and N-hexane ratio, , 7 hr, 10 hr. The reaction temperature was set to 60 ° C. Experimental results showed that the yield of biodiesel was the highest at 10.3% at
유제품 폐수슬러지의 바이오디젤 전환 시 하수슬러지와의 바이오디젤 수율을 비교하기 위하여 유제품 폐수처리 공정의 반송 슬러지와 탈수슬러지를 건조하여 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 100:10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 7hr, 반응온도 60℃로 조건을 설정하여 실험하였다. 실험결과 1차 슬러지 14.2%, 2차 슬러지 4.6%, 탈수 슬러지 4.0%의 바이오디젤 수율을 나타내었다. 유제품 폐수 공정에서 발생한 슬러지의 경우 반송 슬러지에서 2.0%, 탈수 슬러지에서 9.6%, 가압부상조 슬러지에서 10.7%의 바이오디젤 수율을 나타내었다.
After drying a conveying sludge and dehydrated sludge of dairy wastewater treatment processes in order to compare the biodiesel yield of the sludge during biodiesel conversion of dairy wastewater sludge acid catalyst (H 2 SO 4) 5% , methanol and sludge ratio (v / w ) 100: 10, methanol and N-hexane ratio 10: 1,
3. 자동차 부품 생산공정 폐수슬러지로부터 바이오디젤 생산3. Production of biodiesel from wastewater sludge
본 실험에서는 슬러지로부터 바이오디젤 생산 시 다양한 종류의 슬러지 적용 가능성을 확인하기 위하여 자동차 부품 생산공정에서 폐유류가 포함된 탈수슬러지를 이용하여 바이오디젤 전환 실험을 수행하였다. 건조된 자동차 부품 생산 공정의 탈수슬러지를 이용하여 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 100:10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 7hr, 반응온도 60℃로 설정하여 실험을 수행하였다. 실험결과 9.8%의 바이오디젤 수율을 나타냈으며, 유제품 폐수 슬러지와 비슷한 바이오디젤 수율을 나타내었다.
In this experiment, we conducted biodiesel conversion experiment using dehydrated sludge containing waste oil in the production of automobile parts in order to confirm the possibility of applying various kinds of sludge in the production of biodiesel from sludge. (H 2 SO 4 ) 5%, methanol and sludge ratio (v / w) 100: 10, methanol and N-hexane ratio 10: 1,
4. 소화슬러지 영향에 따른 바이오디젤 생산비교4. Comparison of biodiesel production according to the effect of digested sludge
하수슬러지로부터 바이오디젤 생산 시 소화슬러지 영향에 따른 바이오디젤 수율 평가를 위해 소화조를 운영하는 하수처리장과 운영하지 않는 하수처리장 두 곳의 탈수슬러지를 건조하여 바이오디젤 전환 실험을 수행하였다. In order to evaluate the yield of biodiesel due to the influence of digested sludge in the production of biodiesel from sewage sludge, two kinds of dehydrated sludge were operated by the digester operation and the non - operating sewage treatment plant.
소화조를 운영하는 하수처리장의 경우 탈수과정에서 소화슬러지가 유입된다. 각각 하수처리장의 건조된 탈수슬러지를 이용하여 산촉매(H2SO4) 5%, 메탄올과 슬러지 비(v/w) 100:10, 메탄올과 N-Hexane 비 10:1, 반응시간 7hr, 반응온도 60℃로 설정하여 실험을 수행하였다.In the case of a sewage treatment plant operating a digester, digested sludge is introduced during the dehydration process. (H 2 SO 4 ) 5%, methanol and sludge ratio (v / w) 100: 10, methanol and N-hexane ratio 10: 1,
실험결과 소화조의 영향을 받는 슬러지로부터 전환된 바이오디젤 수율은 4.0%로 나타났으며, 소화조의 영향을 받지 않는 슬러지로부터 전환된 바이오디젤 수율은 5.6%로 소화슬러지의 영향을 받지 않는 슬러지에서 더 높은 바이오디젤 수율을 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
The yield of biodiesel converted from sludge affected by digester was 4.0%, and the yield of biodiesel converted from sludge not affected by digester was 5.6%, which is higher than that of sludge not affected by digested sludge It was confirmed that the biodiesel yield can be obtained.
5. 바이오디젤 생산물의 FAME 함량 분석5. Analysis of FAME content of biodiesel product
식품폐수 슬러지 및 음식물폐수 성분 분석을 대신해 확보한 바이오디젤의 FAME 함량을 측정하였다. 슬러지로부터 최적 조건으로 생성된 바이오디젤 생산물의 FAME 함량 평가를 위해 한국 산업표준에 명시된 "지방 및 오일 유도체-지방산 메틸에스테르(FAME)-에스테르 및 리놀렌산 메틸에스테르 함량 분석방법(KS M 2413:2004)"을 적용하였으며, Sigma-Aldrich의 C14:0, C24:1 물질인 Methyl tetracosanoate(CH3(CH2)12COOCH3)와 (CH3(CH2)22COOCH3)을 표준물질로 이용하여 FAME 함량을 분석하였다.FAME content of biodiesel obtained instead of food wastewater sludge and food wastewater analysis was measured. (FAME) - ester and linolenic acid methyl ester content analysis method (KS M 2413: 2004) specified in the Korean industry standard for the evaluation of the FAME content of the biodiesel product produced from the sludge at optimum conditions. , And Methyl tetracosanoate (CH 3 (CH 2 ) 12 COOCH 3 ) and (CH 3 (CH 2 ) 22 COOCH 3 ) which are the C14: 0 and C24: 1 materials of Sigma- Respectively.
이 방법은 바이오디젤 생산물을 내부 표준시료로 메틸 헵타데카노이트(Methyl heptadecanoate : CH8(CH2)15COOCH3)를 헵탄(Heptane : C7H18)용액(용매)에 녹여 희석한 후 GC에 주입하여 검출된 모든 메틸에스테르 peak area에서 내부 표준시료의 peak area를 빼어 내부표준법에 의한 메틸에스테르 함량을 계산하는 방법이며, 아래 계산식을 이용하여 계산한다.This method involves diluting the biodiesel product with methyl heptadecanoate (CH 8 (CH 2 ) 15 COOCH 3 ) as an internal standard sample in heptane (C 7 H 18 ) solution (solvent) , And the peak area of the internal standard sample is subtracted from the peak area of all the methyl esters detected to calculate the methyl ester content according to the internal standard method.
여기에서 : C14의 메틸에스테르부터 C24:1까지의 메틸에스테르까지의 피크 전체 면적, : 메틸 헵타데카노이트에 해당하는 피크 면적, : 사용한 메틸 헵타데카노이트 용액의 농도(mg/mL), : 사용한 메틸 헵타데카노이트 용액의 부피(mL), m : 시료의 무게(mg),
From here : The total peak area from the methyl ester of C14 to the methyl ester of C24: 1, : Peak area corresponding to methyl heptadecanoate, : Concentration (mg / mL) of the methyl heptadecanoate solution used, : Volume (ml) of the methyl heptadecanoate solution used, m: weight (mg) of the sample,
(1) 바이오디젤 FAME 함량 분석(1) Analysis of biodiesel FAME content
하수처리 공정에서 발생하는 슬러지로부터 생산된 바이오디젤의 FAME 함량을 평가하기 위하여, 동일한 하수처리장의 1차 슬러지, 2차 슬러지, 탈수슬러지와 우유폐수 공정에서 발생한 탈수슬러지를 건조하여 최적 조건으로 바이오디젤 전환 실험을 수행하였다. 최적조건으로 전환된 바이오디젤 생산물을 GC-FID를 이용하여 FAME 함량을 분석하였다. 분석결과 1차 슬러지와 2차 슬러지, 탈수슬러지의 경우 66.56%, 44.84%, 40.37%로 FAME 함량을 나타내었다. 그리고 유제품 폐수슬러지로부터 생산 된 바이오디젤의 FAME 함량은 반송슬러지 48.33%, 탈수슬러지 75.43%를 나타내었으며, 자동차 생산공정 폐수슬러지는 56.79%의 FAME 함량을 나타내었다.
In order to evaluate the FAME content of the biodiesel produced from the sludge generated in the sewage treatment process, the dehydrated sludge generated in the primary sludge, the secondary sludge, the dehydrated sludge and the milk waste water process of the same sewage treatment plant was dried, Conversion experiments were performed. The FAME content of the biodiesel product converted to the optimum condition was analyzed using GC-FID. As a result, FAME contents were 66.56%, 44.84% and 40.37% for the primary sludge, secondary sludge and dehydrated sludge. The content of FAME in biodiesel produced from waste product sludge of dairy products was 48.33% of return sludge and 75.43% of dehydrated sludge, and the content of FAME was 56.79% in automobile production process wastewater sludge.
(2) 응집제 영향에 따른 바이오디젤 FAME 함량 분석(2) Analysis of FAME content of biodiesel by coagulant effect
슬러지로부터 바이오디젤 생산 시 응집제의 영향으로 인한 FAME 함량 영향을 평가하기 위하여 최적조건으로부터 생성된 바이오디젤의 FAME 함량을 분석하였다. 분석결과 유기응집제인 폴리머를 적용한 1차 슬러지는 폴리머를 적용하지 않고 66.56%에서 98.38%로 약 50%의 FAME 함량이 증가하였으며, 2차 슬러지는 FAME 함량이 44.84%에서 43.17%로 응집제 적용 전과 비교하여 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 또한, 무기응집제인 염화 제2철을 적용한 2차 슬러지의 FAME 함량은 47.31%에서 36.25%로 약 23%의 FAME 함량이 감소하였다.
The FAME content of biodiesel produced from the optimum conditions was analyzed to evaluate the effect of FAME content on the effect of coagulant during the production of biodiesel from sludge. As a result, the amount of FAME increased from 66.56% to 98.38%, and the content of FAME in the secondary sludge increased from 44.84% to 43.17% without application of polymer in the primary sludge applied with organic coagulant polymer. There was no significant difference. In addition, the content of FAME in the secondary sludge containing ferric chloride, which is an inorganic coagulant, was reduced from 47.31% to 36.25% and 23%, respectively.
(3) 소화슬러지 영향에 따른 바이오디젤 FAME 함량 분석(3) Analysis of biodiesel FAME content according to the influence of digested sludge
슬러지로부터 바이오디젤 생산시 소화조의 영향으로 인한 FAME 함량 영향을 평가한 결과 소화조를 운영중인 하수처리장의 탈수슬러지로부터 생산한 바이오디젤의 FAME 함량은 40.37%, 소화조를 운영하지 않는 하수처리장의 탈수슬러지로부터 생산한 바이오디젤의 FAME 함량은 55.49%로 소화조를 운영하는 하수처리장의 바이오디젤 FAME 함량이 높게 나타났다.
The FAME content of biodiesel produced from the dehydrated sludge of the sewage treatment plant operated by the digester was 40.37%, and the amount of FAME from the sludge of the sewage treatment plant which does not operate the digestion tank The FAME content of the biodiesel produced was 55.49% and the biodiesel FAME content of the sewage treatment plant operating the digester was high.
상기 본 발명의 실험결과에서는 식품(유제품) 폐수슬러지, 음식물 폐수로부터 생산한 바이오디젤의 평가와 수처리 과정에서 배출되는 슬러지의 응집제 첨가에 의한 바이오디젤 전환에 관한 영향을 비교하였다The results of the present invention were compared with those of biodiesel produced from food (dairy) wastewater sludge and food wastewater, and effects of biodiesel conversion by sludge coagulant addition in the water treatment process
슬러지로부터 바이오디젤 전환 시 최적조건 도출을 위해 건조된 탈수슬러지를 이용하여 산촉매(H2SO4)의 농도 변화, 반응온도 및 반응시간 변화, 메탄올과 슬러지의 혼합비율, 용매제 첨가에 따른 바이오디젤 수율평가를 통하여 바이오디젤 전환 시 최적 조건을 도출한 결과 바이오디젤 수율은 산촉매(H2SO4)의 농도 5%, 반응온도 60℃, 반응시간 7hr, 메탄올과 슬러지의 혼합비율 100:10에서 가장 높은 바이오디젤 수율을 나타내었으며, 반응 시 용매제 첨가량은 많을수록 높은 바이오디젤 수율을 나타내었다.The concentration of acid catalyst (H 2 SO 4 ), the reaction temperature and reaction time, the mixing ratio of methanol and sludge, the concentration of biodiesel due to addition of solvent, The optimum conditions for the conversion of biodiesel were obtained through the evaluation of yield. As a result, the yield of biodiesel was 5% at the concentration of acid catalyst (H 2 SO 4 ), the reaction temperature was 60 ℃, the reaction time was 7 hr and the mixing ratio of methanol and sludge was 100: The yield of biodiesel was high and the yield of biodiesel was higher as the amount of solvent added was larger in the reaction.
슬러지로부터 바이오디젤 생산시 하수처리 공정에서 발생하는 슬러지와 유제품 폐수처리 공정에서 발생한 슬러지를 건조하여 최적조건으로 바이오 디젤 전환 된 생산물의 바이오디젤 수율을 평가한 결과 하수처리 공정에서 발생한 1차 슬러지 14.2%, 2차 슬러지 4.6%, 탈수슬러지 4.0%를 나타내었다.The biodiesel yield of the biodiesel conversion product was optimized by drying the sludge from the sludge and dairy product wastewater treatment process during the production of biodiesel from the sludge. As a result, the primary sludge produced in the sewage treatment process was 14.2% , Secondary sludge (4.6%) and dehydrated sludge (4.0%).
식품(유제품)폐수 슬러지에서 바이오디젤 전환결과 9.6%의 바이오디젤 수율을 나타내었다. 식품(유제품)폐수 가압부상조 슬러지에서 바이오디젤 전환결과 10.7%의 바이오디젤 수율을 나타내었다.The conversion of biodiesel from food (dairy) wastewater sludge showed a yield of 9.6% biodiesel. The conversion of biodiesel from crude sludge with pressurized flooded wastewater from food (dairy product) resulted in a biodiesel yield of 10.7%.
슬러지로부터 바이오디젤 생산 시 바이오디젤 수율의 응집제에 의한 영향을 평가하기 위하여 유기 응집제인 폴리머와 무기 응집제인 염화 제2철을 이용하여 바이오디젤 수율을 평가한 결과 유기 응집제인 폴리머를 이용하여 응집시킨 1차 슬러지에서 바이오디젤 수율이 약 2.5% 증가하였으며, 2차 슬러지에서는 바이오디젤 수율이 약 0.9% 감소하였다. 또한, 무기 응집제인 염화 제2철을 이용하여 응집시킨 2차 슬러지에서는 바이오디젤 수율이 약 2.4% 감소하였다.In order to evaluate the effect of the coagulant on the biodiesel yield in the production of biodiesel from sludge, the yield of biodiesel was evaluated by using polymer as an organic coagulant and ferric chloride as an inorganic coagulant. As a result, Biodiesel yield increased about 2.5% in tea sludge and biodiesel yield decreased about 0.9% in secondary sludge. In the secondary sludge agglomerated with ferric chloride, which is an inorganic coagulant, the yield of biodiesel decreased by about 2.4%.
소화슬러지의 영향을 받는 슬러지의 바이오디젤 생산 시 수율의 영향을 평가하기 위하여 소화조를 운영하는 하수처리장과 운영하지 않는 하수처리장의 탈수슬러지를 건조하여 최적 조건으로 전환 된 바이오디젤 생산물의 수율을 평가한 결과, 소화조를 운영하는 하수처리장 탈수슬러지의 바이오디젤 수율을 4.0%, 소화조를 운영하지 않는 하수처리장의 바이오디젤 수율은 5.6%로 소화슬러지의 영향을 받지 않는 하수처리장의 슬러지의 바이오디젤 수율이 약 1.6% 높게 나타났다.In order to evaluate the effect of yield on the production of biodiesel from sludge affected by digested sludge, the yield of biodiesel product converted into optimum conditions was evaluated by drying the sludge of sewage treatment plant operating the digester and the sludge of the sewage treatment plant not operating As a result, the yield of biodiesel in the sewage treatment plant sludge operated by the digester was 4.0%, the yield of biodiesel in the sewage treatment plant not operating the digestion tank was 5.6%, and the yield of the sludge in the sewage treatment plant, which is not affected by digested sludge, Respectively.
바이오디젤 생산 재료로써 다양한 폐수 슬러지의 적용 가능성을 평가하기 위하여 자동차 부품 생산 공정에서 배출되는 탈수슬러지의 바이오디젤 수율은 9.8%를 나타내었다.To evaluate the applicability of various wastewater sludge as a biodiesel production material, the yield of biodiesel from dehydrated sludge discharged from the automobile parts production process was 9.8%.
하수슬러지로부터 생산된 바이오디젤의 FAME 함량 분석을 통한 연료로서의 가치를 평가하기 위하여 한국 산업표준을 적용하여 C14~C24 사이의 물질을 GC-FID로 분석하여 정량한 결과 1차 슬러지에서 FAME 함량은 66.56%로 하수슬러지 중에서는 가장 높은 수치를 나타내었으며, 2차 슬러지와 탈수슬러지에서는 44.84%, 40.37%로 1차 슬러지보다 낮은 FAME 함량을 나타내었다.In order to evaluate the value of FAME from biodiesel produced from sewage sludge, the FAME content of primary sludge was 66.56 % In sewage sludge, and 44.84% and 40.37% in secondary sludge and dehydrated sludge, respectively.
또한, 소화조의 영향으로 인한 바이오디젤의 FAME 함량 평가 결과 소화조를 운영하는 하수처리장의 탈수슬러지로부터 생산한 바이오디젤의 FAME 함량은 40.37%, 소화조를 운영하지 않는 하수처리장의 탈수슬러지로부터 생산한 바이오디젤의 FAME 함량은 55.49%로 나타났다.The FAME content of biodiesel produced from the sludge of the sewage treatment plant operated by the digester was 40.37%, and the content of biodiesel produced from the sludge of the sewage treatment plant, which does not operate the digester, The content of FAME was 55.49%.
식품(유제품) 폐수슬러지에서 생산된 바이오디젤의 FAME 함량은 2차 슬러지에서 48.33%, 탈수 슬러지에서는 75.43%, 가압부상조 슬러지에서는 92.3%를 나타내었다. 가압부상조의 FAME 함량이 높은 이유는 처리공정상의 전처리 개념으로 처리되지 않은 유분의 영향으로 판단된다.FAME content of biodiesel produced from food (dairy) wastewater sludge was 48.33% in secondary sludge, 75.43% in dehydrated sludge and 92.3% in pressurized floating sludge. The reason why the FAME content of the pressurized flotation tank is high is considered to be the effect of the untreated oil as the pretreatment concept in the treatment process.
자동차 부품 생산공정에서 발생되는 탈수슬러지로부터 전환 된 바이오디젤 생산물의 수율은 9.8%로 유제품 폐수슬러지와 비슷한 수준을 나타냈었지만, FAME 함량은 56.79%로 하수보다 조금 높은 품질을 나타내었다. 이는 공정 특성상 발생하는 폐오일에 의한 영향이라 판단된다.
The yield of biodiesel produced from the dehydrated sludge produced in the automobile parts production process was 9.8%, which was similar to that of dairy product wastewater sludge, but the FAME content was 56.79%, which was slightly higher than sewage. This is attributed to the influence of the waste oil generated due to the process characteristics.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It can be understood that
Claims (8)
산촉매의 농도는 알콜의 부피대비 4~6%(v/v)인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법. 2. The method of claim 1, wherein in step (1)
Wherein the concentration of the acid catalyst is 4 to 6% (v / v) of the volume of the alcohol.
반응온도는 55~65℃인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.2. The method of claim 1, wherein in step (1)
Wherein the reaction temperature is 55 to 65 ° C.
반응시간은 6~8시간인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법.2. The method of claim 1, wherein in step (1)
And the reaction time is 6 to 8 hours.
회전 증발기를 이용하여 30~50℃, 150~200rpm으로 헥산(n-Hexane)을 회수하는 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법. The method of claim 1, wherein in step (6)
And recovering n-hexane at 30 to 50 ° C and 150 to 200 rpm using a rotary evaporator.
알콜은 메탄올이고, 산촉매는 황산이며, 반응은 pH 1~2로 유지된 상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법. 2. The method of claim 1, wherein in step (1)
Wherein the alcohol is methanol, the acid catalyst is sulfuric acid, and the reaction is carried out at a pH of 1 to 2. The method for producing biodiesel using the waste sludge according to claim 1,
건조슬러지의 수분함량은 30~50% 인 것을 특징으로 하는 폐슬러지를 이용한 바이오디젤의 제조방법. 2. The method of claim 1, wherein in step (1)
Wherein the moisture content of the dried sludge is 30 to 50%.
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KR1020160092960A KR20180011405A (en) | 2016-07-21 | 2016-07-21 | Preparation method of biodiesel using waste water sludge |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR20180011405A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20240074168A (en) | 2022-11-20 | 2024-05-28 | 강형묵 | Searching for the best hospital for your situation |
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2016
- 2016-07-21 KR KR1020160092960A patent/KR20180011405A/en not_active Application Discontinuation
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KR20240074168A (en) | 2022-11-20 | 2024-05-28 | 강형묵 | Searching for the best hospital for your situation |
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