In this study, blending oils of diesel oil and butanol were used as fuel oil for diesel engine to measure combustion pressure, fuel consumption, air ratio and exhaust gas emission due to various operating conditions such as engine revolution and torque. Using these data, the results of analyzing the engine performance, combustion characteristics and exhaust emission characteristics such as NOx (nitrogen oxides), CO2 (carbon dioxide), CO (carbon monoxide) and soot were as follows. The fuel conversion efficiency at each load was highest when driven in the engine revolution determined by a fixed pitch propeller law. Except 30% butanol blending oil, fuel conversion efficiency of the other fuel oils increased as the load increased. Compared to diesel oil, using 10% and 20% butanol blending oil as fuel oil was advantageous in terms of thermal efficiency, but it did not have a significant impact on the reduction of exhaust gas emissions. On the other hand, future research is needed on the results of the 20% butanol blending oil showing lower or similar levels of smoke concentration and carbon monoxide emission rate other than those types of diesel oil.

양이온 계면활성제인 tetradecyltrimethylammonium bromide (TTAB)에 의한 크레졸 이성질 체의 가용화에 미치는 치환기, 온도 그리고 NaCl과 n-부탄올과 같은 첨가제의 효과를 UV-Vis법으로 측정하였다. 가용화상수(K8)값은 o-크레졸<m-크레졸<p-크레졸 순으로 증가하였으며, 온도의 증가에 따라 이들 K8값은 감소하였다. 크레졸 이성질체들의 가용화에 대하여 계산한 ΔG0값과 ΔH0값은 모두 음의 값을 나타내었다. 그러나 ΔS0값은 모두 양의 값을 나타내었다. 또한 ΔG0값은 n-부탄올의 농도가 증가할수록 증가하는 경향을 그러나 NaCl의 농도가 증가할수록 더욱 감소하는 경향을 보였다. 이러한 사실들로부터 크레졸 이성질체들의 가용화에는 엔탈피와 엔트로피가 동시에 기여하고 있으며, 또한 크레졸분자들이 가용화되는 위치는 미셀의 표면이나 palisade층에서 주로 이루어짐을 알 수 있다.

Eruca sativa (E. sativa)는 루꼴라라고 불리우고 이탈리아 요리에 많이 사용되는 식물로 Brassicaceae 속에 속하는 다년생 식물이다. E. sativa를 70% 에탄올로 환류추출 및 농축하고 (ES), n-hexane (EHex), ethyl acetate (EEA), chloroform (ECHCl3), n-butyl alcohol (EBuOH) 및 water (EDW) 용매 극성별로 분획하여 미백 효능을 규명하고 화장품 소재로서의 응용성을 연구하였다. ES, EHex, EEA, ECHCl3, EBuOH 및 EDW의 mushroom tyrosinase 활성 저해를 평가한 결과 EEA가 가장 유의하게 저해하였으며, B16F10 멜라노마 세포 내에서의 멜라닌 생성을 확인한 결과 ES, EEA 및 EBuOH 를 처리하였을 때 멜라닌 생성이 유의하게 저해되었으며, 특히 EEA 분획물에서 가장 효과가 뛰어났다. 피부염과 여드름을 일으키는 황색포도상구균, 여드름 원인균을 포함한 8종의 세균, 진균에 대해 ES, EHex, EEA, ECHCl3, EBuOH 및 EDW의 항균력과 방부력 시험을 평가한 결과 EEA는 8종의 균 모두 효과적으로 항균력을 나타냈다. ES를 0.05, 0.1%를 함유하여 제조한 토너와 에멀션은 기존 처방에서 방부력을 증가 시켜 천연보존제 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다. ES를 토너, 에멀션 제형에 0.05, 0.1%로 첨가하여 일광, -20, 4, 25, 55 ℃ 조건에서 4 개월동안 안정성을 평가한 결과 pH 및 점도에 대한 영향은 크게 없었 으나 대조군 및 ES를 첨가한 에멀션 55 ℃에서 분리가 일어나는 것을 확인하였다. 또한, 피부침투시험을 통해 EEA는 6 hr에서 0.058%가 침투되어 임상적인 효능을 예측할 수 있었다. 천연소재 E. sativa는 미백 기능성화장품 소재 및 천연 항균 보존제로 활용 가치가 있을 것으로 사료된다.

In this study, to investigate the effect of physical and chemical properties of butanol on the engine performance and combustion characteristics, the coefficient of variations of IMEP (indicated mean effective pressure) and fuel conversion efficiency were obtained by measuring the combustion pressure and the fuel consumption quantity according to the engine load and the mixing ratio of diesel oil and butanol. In addition, the combustion pressure was analyzed to obtain the pressure increasing rate and heat release rate, and then the combustion temperature was calculated using a single zone combustion model. The experimental and analysis results of butanol blending oil were compared with the those of diesel oil under the similar operation conditions to determine the performance of the engine and combustion characteristics. As a result, the combustion stabilities of D.O. and butanol blending oil were good in this experimental range, and the indicated fuel conversion efficiency of butanol blending oil was slightly higher at low load but that of D.O. was higher above medium load. The premixed combustion period of D.O. was almost constant regardless of the load. As the load was lower and the butanol blending ratio was higher, the premixed combustion period of butanol blending oil was longer and the premixed combustion period was almost constant at high load regardless of butanol blending ratio. The average heat release rate was higher with increasing loads; especially as butanol blending ratio was increased at high load, the average heat release rate of butanol blending oil was higher than that of D.O. In addition, the calculated maximum. combustion temperature of butanol blending oil was higher than that of D.O. at all loads.

아닐린 수용액에서의 암모늄형 양이온성 계성면활성제 (DTAB, TTAB 및 CTAB)의 미셀화에 대한 임계미셀농도(CMC)값을 UV-Vis법으로 측정하였다. 290K ~ 314K 사이에서 측정된 양이온성 계면활성제의 CMC값의 변화로부터 미셀화에 대한 Gibbs 자유에너지(ΔG⁰)값을 구하고, 이 값으로부터 엔탈피(ΔH⁰)와 엔트로피(ΔS⁰)를 계산하고 분석하였다. 또한 n-부탄올 및 염화나트륨의 농도 변화가 미셀화에 미치는 영향을 열역학적 함수를 이용하여 비교·분석하였다. 실험한 온도 구간 및 첨가제의 농도 범위 내에서 측정된 모든 ΔG⁰ 값은 음의 값을 나타냈었으며, 엔탈피(ΔH⁰) 변화값은 모두 음의 값을 그리고 엔트로피(ΔS⁰) 변화값은 모두 양의 값을 나타내었다. 아닐린 수용액에서 양이온성 계면활성제의 미셀화는 자발적 발열반응이며, 열역학적 값들로부터 계산된 등구조온도에 의하면 이들 계면활성제의 미셀화는 엔탈피(ΔH⁰)와 엔트로피(ΔS⁰)가 거의 동일하게 기여하고 있음을 알 수 있었다.

High performance polydimethylsiloxane (PDMS) membranes for n-butanol recovery were fabricated using a tri-functional crosslinker containing the phenyl group. In order to understand the role of the functional group structure and cross-linking density in pervaporation performance, PDMS membranes were prepared using tri-functional crosslinker containing other functional groups (hexyl and cyclohexyl) and conventional tetra-functional crosslinker. The relationship between the polymer structure-performance was discussed based on the sorption and diffusion properties of the membranes. As a result, the phenyl-based PDMS membrane exhibited the pervaporation performance owing to the strong hydrophobicity and chain rigidity of the phenyl group compared to other PDMS membranes even at high butanol concentration and high temperature conditions.

FASs (fluoroalkylsilanes)로 표면 개질한 소수성 막에 대한 부탄올/물, 이소프로판올/물 용액의 수착(sorption)량을 측정하였으며 이들 수착 특성을 Hansen 용해도 파라미터를 이용하여 해석하였다. 부탄올의 수착량이 이소프토판올보다 많았으며, 이는 부탄올의 용해도 파라미터(δt = 20.4)와 FASs 소수성 막의 용해도 파라미터(δt = 16.9)와의 차이가 이소프로판올 (δt = 24.6)과의 차이보다 작기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 극성력(δp) 측면에서 살펴보면, FASs 극성력(δp = 4.6)과 부탄올의 극성력(δp = 6.3)과의 차이가 FASs 극성력(δp = 4.6)과 이소프로판올의 극성력(δp = 9.0)과의 차이보다 작다. 이는 부탄올-FASs 간의 극성력 차이가 이소프로판올-FASs 간의 극성력 차이보다 작아서 부탄올-FASs 간의 상호인력이 크다는 것 을 의미하며, 수착량이 크게 나타나는 결과를 설명할 수 있다. 본 실험결과로부터 막에 대한 알코올의 수착특성, 용매에 대한 용질의 용해도 등을 분석하는데 용해도 파라미터를 이용할 수 있음을 알 수 있다.

본 연구에서는 (주)파인텍에서 제조한 제올라이트 4A 분리막을 이용하여 물/메탄올, 물/부탄올 혼합물의 투과증발 실험을 수행하였다. 분리막을 투과한 기체분자들은 액체질소트랩을 이용하여 포집하였으며, 기체크로마토그래피(TCD)를 이 용하여 혼합물의 조성을 분석하였다. 실험을 통해 물과 메탄올(분리계수 최대 250 이상), 물과 부탄올(분리계수 최대 1,500 이상)의 혼합물에서 선택적으로 물을 분리하는 것을 확인하였다. GMS (generalized Maxwell Stefan) 이론을 적용하여 2성분 계의 투과증발 거동을 모사하였으며, 상수추정을 통하여 제올라이트 비지지체의 흡착상수 및 확산상수를 구하였다. 제올라이 트 4A 분리막의 경우 기공의 크기가 물보다는 크고, 메탄올, 부탄올 보다는 작기 때문에, 알코올로부터 물을 분리시키는 공정 에 적용시킬 수 있다. 바이오 에탄올 분리, 부탄올 분리, 막반응기, 하이브리드 반응-탈수 공정 등에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

The autoignition characteristics of n-heptane/n-butanol were investigated both experimentally and numerically. The effects of oxygen concentration and exhaust gas recirculation rate on the autoignition characteristics were evaluated. A rapid compression machine was employed to measure ignition delay times of blended fuels. A numerical study on the ignition delay time was performed using the CHEMKIN-PRO software to calculate ignition delay time and predict the chemical species in the combustion process. The results revealed that the ignition delay time increased with decreasing oxygen concentration due to the thermal load effect of nitrogen. The oxidation reaction of n-heptane in a low temperature regime was limited with decreasing oxygen concentration. The ignition delay time sharply decreased with exhaust gas recirculation because of the intermediate species in the exhaust gas. Exhaust gas recirculation reduced first ignition delay dramatically. However, the time interval between the first and main ignition increased with increased exhaust gas recirculation.

이산화탄소를 이용한 메탄올 합성반응과정에서 생성되는 물, 메탄올, 부탄올로 이루어진 혼합용액에서 제올라이트 분리막을 이용하여 물을 분리시키기 위해 투과증발실험을 진행하였다. 투과증발실험에서 사용된 분리막은 ㈜파인텍에서 합성된 제올라이트 분리막을 공급받아 사용하였다. 투과증발실험에서는 물을 분리하는 성능을 확인하기 위해 가스크로마토그래피 등의 실험장비와 성능지표 를 나타내는 계산식들을 사용하였다. 실험을 통해 물과 메탄올(분리계수 최대 250 이상), 물과 부탄올(분리계수 최대 1500 이상)의 혼합물에서 선택적으로 물 을 분리하는 것을 확인하였다. GMS (Generalized Maxwell Stefan) 이론을 적용 하여 2성분계의 투과증발 거동을 모사하였으며, 상수추정(parameter estimation) 을 통하여 제올라이트 비지지체의 흡착상수 및 확산상수를 구하였다.

Polydimethylsiloxane (PDMS) membranes were fabricated using a new class of UV-curable PDMS (UV-PDMS) and conventional heat-curable PDMS (Heat-PDMS) materials for n-butanol recovery. In addition, mixed matrix membranes (MMMs) were prepared using silicalite-1 particles as a additive to improve the recovery efficiency of n-butanol. To understand the structure-performance relationship, the surface/cross-sectional morphology and roughness of the PDMS membranes and MMMs were characterized using SEM and AFM, respectively. Consequently, when 20 % of silicalite-1 particles was loaded, the UV-curable MMM exhibited 58 % increased flux with similar separation factor compared to the heat-curable MMM, which is attributed to enlarged the effective membrane surface area resulting from its unique morphology.

Butanol has an ability to improve the ignition quality due to its lower latent heat of vaporization; it has an advantage to reduce a volume of a fuel tank because its energy density is higher than that of ethanol. Also, butanol-diesel oil blending quality is good because butanol has an effect to prevent the phase-separation between two fuels. Even if the blended oil contains water, it can reduce the corrosion of the fuel line. Thus, it is possible to use butanol-diesel oil blended fuel in diesel engine without modification, and it may reduce the environment pollution due to NOx and particulate and the consumption of diesel oil. Therefore, some studies are being advanced whether butanol is adequate as an alternative fuel for diesel engines, and the results of the combustion and exhaust gas emission characteristics are being presented. Though the injection and spray characteristics of butanol are more important in diesel combustion, the has not yet dealt with the matter. In this study, the influence in which differences of physical properties between butanol and diesel oil may affect the injection and spray characteristics such as injection rate, penetration, spray cone angle, spray velocity and process of spray development were examined by using CRDI system, injection rate measuring device and spray visualization system. The results exhibited that the injection and macroscopic spray characteristics of two fuels were nearly the same.

바이오부탄올은 우수한 연료 물성과 기존 연료 인프라를 그대로 사용할 수 있는 장점을 가진 차세대 바이오연료이다. 하지만, 전통적인 바이오부탄올 생산 기술은 낮은 발효 수율과 생산성 그리고 낮은 농도와 이에 따른 높은 분리에너지 비용 등의 기술적 한계를 가지고 있어, 상업화를 위해서는 이러한 한계를 극 복할 새로운 기술 개발이 요구되고 있다. 최근 새로운 발효, 분리 공정 기술의 개발, 적용을 통해 기존 기술의 한계를 극복하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 투과증발기술은 유망한 대안 중 하나로 평가받고 있다. 본 발표에서는 바이오부탄올 생산기술 개발에 있어 투과증발 기술의 적용, 연구 사례를 공유하고자 한다.

본 논문에서는 Pebax-2533 판형 분리막을 1-프로판올과 n-부탄올 혼합용매를 이용하여 용해, 건조하여 제조하였고 time-lag 장치를 이용하여 CO2, N2 투과특성을 평가하였다. 제조된 분리막은 평가조건에 따라서 130-288 barrer의 CO2 투 과율을 가졌으며, CO2/N2 투과선택도는 5-8이었다. Time-lag 장치의 주입부 압력이 증가함에 따라서, 투과온도가 낮아짐에 따라서, 그리고 혼합용매의 n-부탄올 양이 증가함에 따라서 CO2 투과도는 감소하였다. 이러한 실험 자료는 Pebax-2533 분리 막의 CO2 투과율이 CO2 용해에 매우 의존할 것이라 예측과 달리, CO2 용해뿐만 아니라 CO2 확산도 매우 중요한 단계임을 의미하였다.

소수성 ZSM-5 분리막을 결정성장핵의 수열합성 2차 성장법으로 다공성 스테인레스 스틸 지지체의 안쪽에 합성하였으며, 이렇게 제조한 분리막을 이용하여 n-부탄올 수용액으로부터 n-부탄올을 선택적으로 분리하였다. 공급 수용액의 농도 변화 및 운전 온도의 변화에 따른 투과증발 특성을 관찰하였다. 공급 수용액 내의 n-부탄올 농도를 각각 0.001, 0.005, 0.01 그리고 0.015 몰분율로, 운전 온도는 25C, 35℃ 그리고 45℃로 바꾸면서 실험하였다. 운전 온도가 45℃인 실험조건에서 공급측 n-부탄올의 몰분율이 0.001에서 0.015로 증가함에 따라 n-부탄올의 플럭스는 약 2g/㎡/hr 에서 27g/㎡/hr 로 크게 증가하였다. 이 결과로 투과물 내의 n-부탄올의 농도가 0.0016 몰분율에서 0.052 몰분율로 상당히 증가함을 알 수 있었다. 공급 농도가 0.015인 상태에서 운전 온도가 25℃에서 45℃로 증가함에 따라 n-부탄올의 플럭스는 약 13g/㎡/hr 에서 27g/㎡/hr 로 크게 증가하였으며, 투과물 내의 n-부탄올 농도도 따라서 0.045에서 0.052로 증가함을 관찰할 수 있었다.

본 연구는 PVDF/PDMS 복합막을 제조하여 부탄올을 농축을 위한 투과증발특성에 대해 알아보았다. 또한 복합막의 제조 방법에 따른 투과특성을 알아보기 위해 지지층의 PVDF 농도변화와 활성층의 경화조건에 따라 투과증발 최적막을 선정하였다. 이 막을 사용하여 공급액의 농도, 온도 및 순환 유속을 변화시켜 부탄올의 투과특성에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 그 결과 공급액의 농도, 온도, 순환 유속이 증가할 경우 부탄올의 플럭스와 투과 농도가 증가함을 확인하였으며 상용막인 GKSS사의 PVDF/POMS 복합막과 비교한 결과 부탄올 투과 플럭스, 투과 농도, 선택도 등 모두 높은 값을 나타내었다.

소수성, 고무상 고분자인 polydimethylsiloxane (PDMS) 소재를 대상으로 치밀한 단일막과 복합막을 제조하였으며 이들을 이용한 투과증발법을 통해 바이오부탄올을 농축하는 실험을 수행하였다. 바이오부탄올 회수를 위해 1∼5 wt%의 부탄올이 함유된 모델 수용액을 대상으로 조업온도(20∼40℃)와 막두께(1∼100 μm)를 변화시키면서 PDMS막의 투과증발 특성을 조사하였다. 100 μm 두께 PDMS 단일막의 경우 공급부탄올의 농도가 증가할수록 포집된 부탄올의 농도, 선택도, 투과도가 증가하였다. 이러한 결과는 물보다 부탄올에 대한 PDMS 소재의 친화성과 막 사슬 내의 큰 자유부피(free volume)로 부탄올에 대한 확산저항이 적기 때문에 부탄올에 대한 선택도와 투과도가 높은 것으로 파악되었다. 조업온도를 20∼40℃로 증가시키며 투과증발특성을 조사한 결과, 온도의 상승에 따라 포집된 부탄올의 농도, 선택도, 투과도 모두 증가하였다. PDMS막의 두께가 100 μm에서 1 μm로 얇아질수록 포집된 부탄올의 농도와 선택도는 감소하였으며 투과도는 증가하는 경향을 보였다.

부탄올을 투과증발 공정으로 분리하기 위하여 복합공정에 의하여 투과증발막을 제조하였다. 상업용 poly(dime-thylsiloxane) (PDMS) 막을 plasma 처리시키거나, polysulfone, poly(ether imide) 막을 지지체로 사용하여 plasma 처리 및 PDMS 코팅의 복합공정을 적용하였다. 헥산계열과 실란계열 유기 화합물을 사용하여 PDMS막을 plasma 처리하였을 경우 막 표면의 소수성을 증가시켜서 부탄을 선택도가 12.56까지 향상되었다. 반면에 투과량은 막 표면의 소수성 증대와 free volume의 변화로 인해 1.15 kg/m 2 ⋅hr까지 감소되어 선택도와 반대의 성향을 나타내었다. 막의 소수성이 증가함에 따라 접촉각과 상대적 sorption 비가 증가하였고, 부탄을 선택도도 향상되었다. PDMS 코팅 용액에서 prepolymer의 함량이 높을수록 부탄올 선택도가 증가하였다. PDMS 코팅과 plasma 처리 공정의 순서에 따른 영향을 조사하였다. 부탄올과 노르말 헥산으로 plasma 처리할 경우 plasma처리, PDMS 코팅 순으로 제조된 막의 분리 성능이 우수하였고 hexamethyldisilane과 hex-amethyldisilazane을 사용한 경우에는 역순으로 제조된 막의 분리 성능이 더 우수한 것으로 나타났다.

생물 발효 공정에서 생산되는 부탄올 수용액으로부터 부탄올을 농축시키기 위한 투과증발 공정의 flux와 선택도를 향상시키기 위하여 저온 plasma 처리 공정으로 막을 제조하였다. 플라즈마 처리 조건인 공급 power, 반응 시간, 단량체 공급 속도 등에 따른 영향을 조사하여 (W/FM)t의 최적값이 4.0389times10(sup)9 J.min/kg임을 확인하였으며, 이에 따른 최적의 막 제조 공정을 확립하였다. 여러 가지 유기 화합물로서 저온 플라즈마 처리된 막에 대하여 부탄올 분리 성능을 조사하였으며, 플라즈마 처리된 막에 대하여 물과 부탄올의 상대적 sorption 비와 접촉각을 측정하여 표면 분석을 하고자 하였으며, 그 상관 관계를 조사하였다. 접촉각과 상대적 sorption 비가 증가함에 따라 부탄올의 선택도는 0.186에서 3.525로 향상되었고, 부탄올 질량 flux는 0.042에서 0.567 kg/m2.hr로 향상됨을 볼 수 있었는데, 이는 막의 소수서이 증가함에 따라 막과 부탄올과의 친화력이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. 또한 사용된 유기 화합물과 물 또는 부탄올과의 친화력 정도를 알아보기 위해 heat of mixing을 측정하여 분리 성능과 비교하였으나 뚜렷한 경향성을 얻지 못하였다. 이것은 플라즈마 처리 시 유기 화합물이 분해되어 새로운 화합물을 형성하게 되어 유기 화합물 본래의 특성을 잃어버리기 때문인 것으로 생각된다.