환경 세특 : 바이오디젤 합성 과정

1. 바이오디젤이란?

  우선 바이오디젤은 도대체 무엇일까요? 바이오디젤은 생명공학적 에너지를 사용하는, 바이오에너지 사용의 한 부분으로써 사용되는 한 방식입니다. 주로 식물성 기름이나 동물성 지방과 같은 바이오매스로부터 공정을 통해 얻어내는 연료입니다.

2024.06.25 - [세특/환경 실험] - 환경 세특 : 바이오매스

환경 세특 : 바이오매스

  이때 바이오디젤은 바이오매스를 활용한 바이오에너지의 한 사용 분야인데요, 바이오매스와 바이오에너지에 대한 좀 더 자세한 설명이 궁금하시다면 위의 글을 참조해 주시면 될 것 같습니다.

  바이오에너지는 보통 실온에서의 형태에 따라 고체, 액체와 기체의 형태로 분류하기도 합니다. 이때 고체의 경우 캠핑이나 고깃집에서 자주 볼 수 있는 숯이 있고, 기체의 경우는 CH4와 같은 에너지원이 있습니다. 액체 형태의 에너지원의 경우에 지금 이야기하고 있는 바이오디젤이 포함됩니다.

2. 바이오디젤의 장점

  그렇다면 바이오디젤을 사용하는 이유는 무엇일까요? 바이오디젤은 바이오에너지 사용의 한 부분인 만큼, 바이오에너지 자체의 장점을 가지고 있습니다. 바이오에너지는 위에 글에서 자세히 설명해 좋았던 것처럼, 바이오에너지는 '지상'의 바이오매스를 에너지원으로 사용하기 때문에, 바이오에너지의 사용은 결국 공기 중에 늘어난 CO2의 양이 0이 되는 것, 즉 결과적으로 이산화탄소의 배출이 없다는 것이 큰 장점입니다. 바이오디젤은 바이오에너지의 한 범주로 사용되는 에너지 사용 방식이기 때문에, 이 장점을 갖고 있습니다.

  그렇다면 이번에는 바이오에너지의 한 범주인 바이오디젤이 갖고 있는 장점을 살펴볼까요? 바이오디젤은 우선 다양한 곳에서 사용되고 있는 디젤 엔진에서 사용할 수 있다는 것이 큰 장점입니다. 즉, 바이오디젤을 사용하기 위해 사용되고 있는 다른 엔진을 크게 수정할 필요가 없다는 것입니다. 또한, 하나의 큰 장점은 폐기되는 기름을 활용하여 만들 수 있다는 것입니다. 바이오디젤을 합성할 때 오일이나 지방이 필요합니다. 이때 필요한 오일과 지방을 폐식용유로부터도 얻어낼 수 있기 때문에, 폐기물로 여겨지는 식용유를 처리하면서 에너지원으로도 사용할 수 있게 됩니다. 물론, 기름을 얻어낼 수 있는 유채꽃과 같은 작물들을 대량으로 재배하여 필요한 기름을 얻어내는 방법도 있습니다.

3. 바이오디젤 합성 과정

  바이오디젤은 '에스테르 교환반응'이라 불리는 공정을 통해 만들어지게 됩니다.

2024.05.10 - [세특/환경 실험] - 환경 실험 : 동물성/식물성 바이오디젤 추출 실험

환경 실험 : 동물성/식물성 바이오디젤 추출 실험

  위의 글 1번 파트에서 어느 정도 그 과정을 설명해 놓았으니, 이번에는 그 과정을 화학식과 화학 반응을 넣어서 설명드려 보겠습니다. 바이오디젤 합성 공정에서의 그 과정을 에스테르 교환반응이라고 하는데요, 기름이나 지방에서 나온 트리글리세라이드가 수산화나트륨이나 수산화 칼륨(위 실험 글의 경우에서는 수산화나트륨을 사용하였습니다)을 촉매로 이용하여 알코올과 반응시킵니다. 그러면 글리세롤과 바이오디젤이 생성되는데요, 이때 글리세롤과 바이오디젤을 분리하여 바이오디젤을 얻어냅니다.

 

Triglyceride + 3(Methanol) -> 3(Methyl Ester) + Glyserol

 

  다음과 같은 화학식을 통해 Methyl Ester(바이오디젤)를 얻어내게 되며, 앞서 말씀드린 것처럼 Triglyceride는 기름으로부터 얻어낸 것입니다. 화학식으로부터 메탄올과 트리글리세라드가 1 : 3의 비율로 반응하는 것을 알 수 있습니다. 이때, 수산화 나트륨이나 수산화 칼륨은 화학식에 직접적으로 포함되지 않은 것을 확인할 수 있는데요, 이는 두 물질이 촉매로써 이 반응의 활성화 에너지를 낮춰 반응이 더 잘 일어나게 하는 중요한 역할을 수행하였지만, 그 물질(촉매)의 별다른 화학적 변화는 없었기 때문입니다.