에탄올을 이용한 바이오 디젤 합성 실험

Question

안녕하세요 고등학교 2학년 학생입니다

제가 바이오 디젤 합성 실험을 진행 하려고 하는데

메탄올은 학교에서 사용을 막아놔서 에탄올을 사용 해야하는데 어떻게 해야할지 감이안오더라구요 이미 전에 실험을 했을 때는 처음엔 층분리가 일어났다가 후반 되니까 아예 섞어버려서 폐기 했어요

저희가 설계 해 본 실험과정인데 수정 할 부분 알려주시면 감사하겠습니다

식물성 기름 (새 카놀라유 또는 폐식용유)

용량(부피): 100 mL

참고: 주반응 물질의 기준이 되는 양

에탄올 (무수 에탄올 또는 주정)

용량(부피): 25 mL

참고: 메탄올에 비해 탄소 사슬이 길어 몰수 비율과 분자량 차이를 고려하여 식물성 기름(100 mL) 대비 약간 넉넉한 부피로 설정

촉매 (수산화나트륨 NaOH 또는 수산화칼륨 KOH)

질량(무게): 약 1.0 g ~ 1.2 g

참고: 전자저울로 정밀하게 측정하여 에탄올 25 mL에 완전히 녹여 에톡시드 용액을 제조(촉매의 양이 너무 많으면 비누화 반응이 일어나 층 분리가 방해되므로 1g 내외로 정확히 계량하는 것이 중요)

세척용 증류수 (또는 따뜻한 물)

용량(부피): 회당 약 50 mL씩 총 2~3회 (총 100~150 mL)

참고: 반응이 끝난 바이오 디젤 층에 남은 잔류 에탄올과 촉매를 씻어내는 수세(Washing) 과정에 사용

Answer 1

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

실패한 원인은 에탄올 부족으로 비누화 현상이 발생했기 때문으로 보입니다.

메탄올보다 반응성이 낮은 에탄올 실험을 성공하려면 수분을 차단하고 에탄올의 비율을 높이면서 고온에서 반응시키면 됩니다.

에탄올이 양이 부족하면 반응이 가다 멈추므로 기름 100 ml 기준 에탄올을 4배이상 사용해야 합니다. 반응시 수분이 있으면 기름이 비누가 되어 층분리가 되지 않으므로 에탄올은 수분이 거의 없는 무수 에탄올을 사용해야 합니다.

촉매는 NaOH 보다 에탄올에 잘 녹는 KOH 를 사용하는 것이 좋습니다. 또한 혼합액을 60 도 정도에서 1시간 동안 교반한 후 분별깔때기에서 하루 동안 굳혀야 맑은 바이오디젤을 만들 수 있습니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)

Answer 2

안녕하세요, 다시봐도신나는집토끼님.

이중철 전문가입니다.

먼저, 에탄올을 이용한 바이오디젤 합성은 메탄올보다 안전하지만, 화학적 특성상 에멀젼(유화 현상)이 쉽게 발생하여 대학 실험실에서도 빈번히 실패하는 고난도 실험입니다. 지난번 실험에서 층분리 후 다시 섞여버린 이유는 반응 중 생성된 비누 성분과 미반응 중간 물질이 계면활성제 역할을 하며 용액 전체를 유화시켰기 때문인데요. 설계하신 과정은 전반적인 뼈대가 훌륭하나, 반응 몰비와 시약 순도, 촉매 선택에서 몇 가지 결정적인 보완이 필요하답니다.

■ 이전 실험에서 용액이 다시 섞여버린 과학적 원인

첫째, 수분에 의한 비누화 반응입니다.

에탄올로 주정(발효 에탄올)을 사용했거나 공기 중 수분이 유입되었다면, 염기 촉매가 에스터 결합을 분해해 비누(지방산 염)를 만듭니다. 비누는 대표적인 친수성·친유성 양쪽성 물질이므로 층을 파괴하고 전체를 우윳빛으로 섞어버립니다.

둘째, 에탄올 용량 부족에 따른 불완전 반응입니다.

제안하신 에탄올 25 mL는 기름 100 mL 대비 약 4대 1 몰비에 불과합니다. 에스터 교환 반응은 가역 반응이므로 르샤틀리에 원리에 따라 에탄올을 과량 투입해야 하거든요. 몰비가 낮으면 모노글리세리드나 디글리세리드 같은 중간 물질이 다량 잔류하는데, 이들은 식품 유화제로 쓰일 만큼 유화력이 강력해 층분리를 직접적으로 방해합니다.

셋째, 에탄올의 구조적 특성입니다.

에탄올은 메탄올보다 탄소 사슬이 길어 비극성 성질을 함께 띱니다. 따라서 생성물인 바이오디젤과 글리세롤 양쪽에 모두 녹아 상호 용매 역할을 하므로 층 분리가 매우 더디게 일어납니다.

■ 실험 설계 수정 및 핵심 권장 조건

첫째, 기름은 반드시 신선한 새 카놀라유를 사용해야 합니다. 폐식용유는 조리 과정에서 생긴 유리지방산이 많아 염기 촉매와 반응하는 즉시 비누로 변하기 때문입니다.

둘째, 에탄올은 순도 99.5% 이상의 무수 에탄올을 사용하고 용량을 38~40 mL로 늘려야 합니다. 주정 속 4~5% 수분은 비누화를 유발하므로 절대 피해야 하며, 반응 완결도를 90% 이상으로 끌어올리려면 기름(약 0.104 몰)과의 몰비를 최소 6대 1 이상으로 맞추어야 합니다.

셋째, 촉매는 수산화나트륨(NaOH)보다 수산화칼륨(KOH) 약 1.3~1.4 g을 권장합니다. NaOH는 에탄올에 잘 녹지 않고 녹는 동안 공기 중 수분을 흡수하지만, KOH는 에탄올에 쉽게 녹아 반응성 높은 에톡시드 이온을 빠르게 생성합니다.

넷째, 반응 조건은 55~60도에서 60분 이상 강하게 자석 교반을 진행해야 합니다. 에탄올 끓는점(78.3도) 미만에서 점성을 낮추고 분자 간 유효 충돌 횟수를 극대화하기 위함입니다.

■ 실패 없는 층분리와 세척 노하우

반응 후 분별 깔때기에서 최소 4시간 이상, 가능하면 하루 동안 가만히 두어야 합니다. 에탄올 반응은 메탄올보다 밀도 차 분리 속도가 훨씬 느립니다. 만약 분리가 지연된다면 약 45도의 온수 중탕을 하거나 포화 소금물 몇 방울을 떨어뜨려 보세요. 염석 효과로 인해 글리세롤 층과 바이오디젤 층의 극성 차이가 극대화되어 분리가 촉진됩니다. 하층의 짙은 글리세롤을 제거한 후 상층 바이오디젤을 세척할 때는 절대로 세게 흔들면 안 됩니다. 비커 벽면을 따라 40도 미온수 50 mL를 천천히 흘려 넣고 가볍게 2~3회 회전(Swirling)시키는 방식으로 씻어내야 유화 없이 맑은 층을 얻을 수 있어요.

정리하자면,

지난 실험의 실패는 수분으로 인한 비누 생성과 부족한 에탄올 몰비로 잔류한 미반응 유화 물질이 주원인이었습니다. 순도 99.5% 무수 에탄올 38~40 mL로 몰비를 6대 1로 늘리고, 에탄올에 잘 녹는 KOH 1.3~1.4 g을 새 카놀라유에 반응시키면 될 것이랍니다. 이후 충분한 정치 시간과 흔들지 않는 조심스러운 온수 세척을 지켜주시면 선명하게 분리된 고품질 바이오디젤을 성공적으로 합성하실 수 있답니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉