소개글
"쌀로 만든 바이오 에탄올"에 대한 내용입니다.
목차
1. 바이오에탄올 증류 공정
1.1. 서론
1.2. 실험
1.2.1. 실험 구성 및 원리
1.2.1.1. 증류장치
1.2.1.2. 냉각수
1.2.1.3. 에탄올 농도 측정
1.2.2. 실험 방법
1.2.2.1. 증류 장치 제작
1.2.2.2. 증류 공정 진행
1.2.2.3. 재증류 공정 진행
1.2.2.4. 에탄올 농도 측정
1.2.2.5. 에탄올 수율 측정
1.3. 결과 및 토의
1.3.1. 증류 결과
1.3.2. 에탄올 수율 비교
1.3.3. 재증류 농도 측정
1.4. 토의 및 고찰
2. 바이오 연료의 특징과 활용 가능성
2.1. 바이오 연료의 정의와 형태
2.2. 바이오 연료의 장점
2.3. 바이오 연료의 단점
2.4. 바이오 연료 시장에 대한 각국 기업 및 정부의 대응
2.5. 바이오 연료에 관한 우리나라의 상황
3. 농축산환경학
3.1. 자연생태계와 농업생태계의 차이점
3.2. 축산악취의 일반적 특성
3.3. 바이오매스(biomass)를 이용한 바이오 에너지 생산 방법
4. 참고 문헌
본문내용
1. 바이오에탄올 증류 공정
1.1. 서론
이전 "산 가수분해법 적용 고온·팽윤처리 분쇄원료 바이오에탄올 제조"에서 milling 공정을 거치는 것에 대한 여부와, 당화 공정에서 HCl과 NaOH의 사용 여부를 두고 실험을 진행했다. 이때 milling 공정을 거친 원료의 고온·팽윤 처리 과정에서 원료끼리 뭉치는 현상이 발생하여 대조군보다 물을 490ml 더 첨가하게 되었다. 따라서 에탄올 농도의 차이가 물의 양에 의해 발생할 것을 예상하여, 증류 공정을 통해 같은 원료량 대비 에탄올 수율을 측정해야 할 필요가 생겼다. 따라서 발효 공정까지 거친 실험군과 대조군의 에탄올 농도를 비교하기 위해 증류 공정을 진행했다.
증류 공정의 문제는 다음과 같은 것들이 있다. 여러 실험군과 대조군의 증류 환경 비일치로 인한 농도 변화, 액체 가열 시 증기 유출로 인한 수율 변화, 적은 원료량으로 인한 바이오에탄올 수득 불가, 주어진 시간에 비해 긴 시간 요구 등이다. 따라서 이런 문제들을 해결하기 위해 냉각수를 적용한 증류장치를 제작하였다. 이때, 증류 장치와 냉각수 제작에 있어 접근성이 좋고 가격이 저렴한 재료를 사용함으로써 비용을 절감할 수 있도록 했다.
이후 바이오에탄올 농도를 측정하기 위해 에탄올의 광학적 특징을 이용한 굴절률 측정을 진행하는 실험을 진행하고자 한다. 또한, 농도 측정 장치의 제작에 있어 간단하며 접근성이 좋고 가격에 저렴한 재료를 사용함으로써 비용을 절감시켰다. 따라서 앞선 연구에서 진행했던 milling 공정과 당화 공정에서 변수를 두었던 실험에 대한 실험군과 대조군의 효율을 저렴한 장치로 비교할 수 있다. 더 나아가 우리가 설계한 바이오에탄올의 연료로서의 가치를 판단하는 과정을 거칠 수 있어, 최종 설계 목적을 달성할 수 있을 것으로 예상한다. 더불어 우리 설계에서는 연료로서의 가치 판단을 넘어, 높은 효율이 나타나는 변수만 취사선택하여 경제적이면서도 효율이 높은 바이오에탄올을 제작하기 위한 조건을 알아봄으로써 바이오매스의 이용을 최대한 줄일 수 있도록 했다는 점에서 의미가 있다.
1.2. 실험
1.2.1. 실험 구성 및 원리
1.2.1.1. 증류장치
증류장치는 에탄올의 끓는점이 78.37℃, 물의 끓는점이 100℃인 점을 이용하여 발효 공정을 마친 용액을 80℃의 열을 가해 액체 혼합물을 분리시키는 방법으로 증류 공정을 진행했다. 가열 방법으로는 직접 가열을 선택했는데, 추가적인 물이 필요하지 않고 용액이 담긴 바이알을 직접 가열했기 때문에 물을 끓이기 위한 추가적인 에너지 소비가 필요하지 않았다.
실험군과 대조군의 물 첨가량이 milling 공정 적용 여부에 따라 달랐기 때문에, 용기를 통일하기 위해 크기가 일정한 바이알을 사용했다. 이때 실험군과 대조군을 비교하는 실험이므로 최대한 같은 조건에 노출시키기 위해 같은 비커 안에 핫플레이트를 이용하여 열을 가했다. 또한 증류 시간을 단축하기 위해 한 번에 증류 공정을 진행할 수 있도록 증류 장치를 제작했다. 호스의 길이를 최대한 짧게 하여 가열되어 기화된 에탄올이 응축장치로 넘어가기 전에 에너지를 잃어 다시 내려가지 않도록 하였고, 호스의 각도를 아래로 내려 조절하여 응축된 에탄올이 잘 내려가 수집통에 원활히 모일 수 있도록 했다.
1.2.1.2. 냉각수
바이오에탄올 증류 공정에서 사용하는 냉각수는 어는점 내림 현상을 이용하여 제작하였다. 일반적으로 융설제 제작에는 염화칼슘이 많이 사용되지만 단가가 비싼 단점이 있다. 따라서 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료인 소금을 이용하여 냉각수를 제작하였다.
어는점 내림 현상은 용매의 증기압보다 용액의 증기압이 낮아지기 때문에 일어나는 현상이다. 이때 소금의 첨가량에 따라 어는점 내림 현상이 발생하는 정도가 달라진다. 따라서 냉각장치의 온도를 고려하여 적절한 혼합비율을 선택하였다. 구체적으로 물 980g에 소금 36.5g을 혼합하여 냉각수를 제작하였다.
이렇게 제작한 냉각수를 응축장치에 적용함으로써 증류 공정 중 증기가 에너지를 잃지 않고 다시 돌아가는 것을 방지할 수 있었다. 더 낮은 온도에서 응축이 더욱 빠르게 일어나 바이오에탄올을 받아낼 수 있었다.
1.2.1.3. 에탄올 농도 측정
에탄올의 광학적 특성인 굴절률을 이용하여 에탄올의 농도를 측정함으로써 바이오에탄올의 효율을 알아보고자 한다. 혼합물질(에탄올)의 함량이 증가할수록 액체의 굴절률은 증가하게 된다. 따라서 빛의 경로(입사각)가 두 번 달라질 수 있는 용기를 제작하여 관찰자의 반대편에서 빛을 비추게 되면 빛이 용기를 통과하는 쪽은 밝게, 통과하지 못하는 쪽은 어둡게(그림자) 보이게 된다. 이때 액체의 굴절률에 따라 빛의 경로가 바뀌면 그림자의 너비가 달라진다. 즉, 액체의 굴절률이 높으면 빛의 경로가 많이 바뀌게 되어 그림자의 너비가 좁아지고, 굴절률이 작은 액체의 경우에는 빛의 경로가 적게 바뀌어 그림자의 두께가 두꺼워진다. 액체의 굴절률과 그림자 너비 사이의 관계는 선형적인 것을 참고하여 실험군과 대조군 뿐만 아니라, 에탄올(95%)과 초순수 또한 측정하여 에탄올의 농도를 측정하도록 한다. 이때, 빛의 굴절에 따른 너비는 빛과의 거리(플래시와의 거리)에 따라 달라질 수 있으므로, 우리 실험에서는 각 대조군과 실험군의 전체 빛 영역에서 그림자 너비의 비율(%)로 계산하여 실험을 진행한다. 이를 통해 실험군별 에탄올 농도를 비교하고 재증류한 바이오에탄올의 농도까지 측정하여 그 효율을 알아낼 수 있다.
1.2.2. 실험 방법
1.2.2.1. 증류 장치 제작
증류 장치 제작"이다. 페트병에 증류를 원하는 실험군 및 대조군의 숫자만큼 구멍을 만들었다. 이때 구멍의 크기는 호스의 지름과 같거나 약간 더 크게 만들었다. 또한, 최대한 호스 사이의 거리를 멀리하고 간격을 같게 하여 서로 영향을 주지 않도록 하였다. 반대편에도 같은 위치에 구멍을 냈고, 바이알 뚜껑에 호스 지름과 같거나 약간 더 큰 구멍을 만들었다. 페트병에 호스를 통과시킨 후, 상대적으로 아래쪽에 있는 면의 호스에 바이알을 연결하고, 글루건과 파라필름을 이용하여 최대한 막았다. 또한 페트병의 구멍도 글루건과 파라필름으로 막았다. 이렇게 제작된 증류 장치에 냉각수를 채우기 위해 소금을 10wt% 정도 혼합한 냉각수를 얼리는 과정을 4회 반복하여 응축장치를 완성하였다.
1.2.2.2. 증류 공정 진행
증류 공정 진행은 다음과 같다. 총 4개의 용액을 침전되지 않은 부분만 걸러 삼각플라스크에 옮겨 담고, 실리콘 호스로 연결시킨다. 이때...
참고 자료
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