연료 혼합물의 에탄올 대체에 적합한 일차 알코올 혼합물 :: 산업뉴스

미국과 오스트리아 연구진으로 구성된 연구팀이 수행한 연구는 바이오매스를 기반으로 하는 합성가스에서 생성된 일차 알코올 혼합물(primary alcohol mixture)인 AlcoMix가 폭연 방지제 혼합 구성 원소 또는 1차 연료로 에탄올의 대체물로 사용될 수 있다고 제안했다. 1차 알코올 혼합물은 75%의 에탄올, 11%의 1-프로판올(1-propanol), 8%의 1-부탄올(1-butanol) 및 6% 1-펜탄올(1-pentanol) 등으로 구성된다.

ACS 저널인 Energy & Fuels에 보고된 이 논문의 목적은 합성가스를 피셔 트롭쉬 화학(Fischer?Tropsch chemistry, 일산화탄소와 수소의 혼합물로부터, 고온·고압 상태 하에서 촉매 작용을 통해 탄화수소와 그 유도체를 합성하는 방법)을 이용하여 바이오매스의 열화학 전환의 가능한 결과인 일차 알코올 혼합물이 스파크 점화 엔진(spark-ignited engines)을 위한 폭연 방지제 혼합 구성 원소 또는 연료 혼합물에서 에탄올을 대체하는데 적합한지 여부를 결정하는데 있다.

두 가지 방법이 바이오매스로부터 바이오연료를 생성하기 위하여 일반적으로 사용된다. 첫 번째 방법은 에탄올, 부탄올, 아세트산 및 다른 물질을 생성하기 위하여 이스트 또는 박테리아로 당을 발효시키는 것이다. 이러한 공정에 사용되는 당은 옥수수, 사탕수수 또는 목재(리그노셀룰로오스성 바이오매스) 등으로부터 유래될 수 있다. 두 번째 방법은 바이오매스를 주로 수소(hydrogen, H2)와 일산화탄소(carbon monoxide, CO)로 이루어진 합성가스(synthesis gas 또는 syngas)로 전환하는 열화학적 전환 공정(thermochemical conversion process)을 필요로 한다. 피셔 트롭쉬 공정(F?T process; Fischer?Tropsch process)은 이성질화 공정(isomerization process)에 이어져, 합성 가스는 고리 길이의 분포를 가지는 직쇄 탄화수소(straight-chain hydrocarbon)로 합성될 수 있다.

F?T 공정에서 경쟁 반응은 일반적으로 높은 옥탄가(octane number)를 가지는 직쇄 알코올(straight-chain alcohol, R?OH)의 혼합물을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 높은 옥탄가의 혼합된 알코올은 현재는 에탄올이 수행하고 있는 휘발유에서 폭연 방지제 혼합 구성 원소로 또는 스파크 점화 연소 엔진에서 수송 연료로 직접 사용될 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

보고된 연구에서, 미국 UC Berkeley와 UC San Diego, 오스트리아 그라츠 기술대학교(Graz University of Technology)와 비엔나 기술대학교 등의 연구진으로 구성된 연구팀은 메탄올 재활용에 특허를 보유하고 있는 다우 케미컬사가 기술한 MoS2 기반의 촉매를 이용하여 생성된 AlcoMix 알코올 혼합물의 폭연 방지 특성을 조사했다. 연구팀은 미국 환경보호청이 이미 휘발유와의 혼합물로 AlcoMix를 승인했고, 증류에 의해 개별적인 알코올로 분류되어 시장에서 판매되고 있기 때문에, AlcoMix를 선택했다.

순수한 에탄올과 비교한 AlcoMix를 이용하는 이득을 연구팀은 다음과 같이 밝혔다.
① 부가적인 증류의 필요성을 제거하고, 에너지 소비와 투자비용 측면의 비용을 줄일 수 있다.
② 부피 기준으로 보다 더 높은 에너지 함량과 흡습 특성(hydroscopic properties)을 줄일 수 있다.
③ 휘발성 유기 화합물을 증가시키지 않고 휘발유와 혼합할 때, 보다 더 높은 알코올 농도를 가능하게 하는 휘발유의 리드 증기 압력(RVP; reid vapor pressure)에 대한 효과의 억제가 가능하다.

연구팀은 AlcoMix와 에탄올의 옥탄가(RONs; octane numbers)가 CFR(Waukesha Cooperative Fuel Research) F-4 연구 엔진에서 방법을 입증한 것으로 추정했다. CFR F-4 엔진은 스파크 점화식, 단일 실린더 및 VCR(variable- compression-ratio) 엔진이다. 이후 연구팀은 BRON(blending research octane number)을 추정했다. BRON은 낮은 혼합 구성 원소에서 옥탄가를 증가시키기 위한 연료의 능력을 대표한다.

연구팀은 AlcoMix가 BRON 130.4, RON 110.8을 가진다고 결론지었다. 이러한 수치를 에탄올과 비교하면, 에탄올의 BRON은 134.4, RON은 111.2로 측정됐다. 130.4의 BRON은 AlcoMix가 에탄올보다 더 낮은 옥탄가를 가지는 25%의 알코올을 함유하고 있다고 하더라고, 폭연 방지제 혼합 구성 원소로 이용할 수 있는 우수한 후보물질이 될 수 있다는 것을 암시한다.