음식물류 폐기물과 하수슬러지 혼합물의 바이오디젤 생성 및 지속가능성 평가 = The biodiesel production and sustainability assessment with food waste and sewage sludge
The purpose of this study is to produce biodiesel using food waste and sewage sludge. The produced biodiesel is evaluated for its availability and sustainability as the fuel.
The yield of biodiesel can be determined by the lipid and content of the total glycerides within the raw materials. An experiment was conducted to derive the optimum mixing ratio between food waste and sewage sludge to obtain the maximum content of biodiesel. The optimum mixing ratio was selected to 50% of food waste and 50% of sewage sludge as mass content with dry basis. The catalyst condition for the highest yield of fatty acid methyl ester in biodiesel was 2% sulfuric acid under 60℃ during 8 hours. In addition, the optimum condition for extraction solvent was determined 60% of methanol with 40% of n-hexane, and the ratio of solvent to sample(the lipid from food waste and sewage sludge) was selected 15:1(v:v). The yield of fatty acid methyl ester(FAME) in produced biodiesel was analyzed 95.46% under the optimum condition.
There are 2 kinds of method to produce biodiesel; 2-step method is performed lipid extraction and methylation separately, while 1-step method is performed simultaneously. Biodiesel produced in both methods had the major components with palmitic acid(C16:1) and oleic acid(C18:1n9c). However, the yield of FAME in biodiesel produced 2-step method was higher than 1-step method. Moreover, the biodiesel produced in the 2-step method met most fuel quality criteria. Thus, it is appropriate to use the 2-step method to produce biodiesel, which is high purity and can be used as fuel.
Biodiesel produced using a mixture of food waste and sewage sludge have a high sustainability when compared with net energy balance of biodiesel manufactured with palms or soybeans. The reason why is that food waste and sewage sludge don’t required energy to growth and harvest of crops. Also, food waste and sewage sludge don’t need the periods to growth and harvest, then the sustainability is high not only in energy but also in supply of raw materials.
The results of assessment of environmental impacts generated biodiesel using a mixture of food waste and sewage sludge show the lowest negative impact of five factors; there are including land use, acidity, ecological toxicity, human toxicity and eutrophication as well. Thus, the sustainability of biodiesel with food waste and sewage sludge as the assessment of potential environmental impact expects to be relatively high compared with palms or soybeans biodiesel.
In general, the large amount of carbon dioxide is emitted in growing and harvesting of crops, and in the extraction of crude oil throughout the biodiesel production. In the result of calculation on carbon dioxide emissions from food waste and sewage sludge to biodiesel, it shows lower value than from palms or soybeans to biodiesel, and also petroleum diesel. Thus, the biodiesel produced with food waste and sewage sludge and be assessed as sustainable fuel in terms of global warming prevention caused by carbon dioxide emissions.
This study used food waste and sewage sludge as a raw materials for biodiesel. It has the significance of using waste resource to create high-added values. Also, in recognition of the composition and characteristics of fatty acid contained in food waste and sewage sludge, it presented the potential and availability as fuel of produced biodiesel. Finally, the sustainability assessment has been carried out through the means of net energy balance, life cycle environmental impact, and greenhouse gas calculation, and these results can be used as a basis for the research on sustainability of biofuels.
본 연구에서는 매년 그 발생량이 증가하고, 높은 수분과 염분, 악취 등으로 처리에 어려움을 겪고 있는 유기성폐기물인 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 폐자원 바이오매스로 활용하여 바이오디젤을 생성하는데 그 주목적을 두고, 생성된 바이오디젤의 연료로서의 이용 가능성 및 지속가능성 평가를 수행하였다.
바이오디젤의 생성 수율에 주요한 인자가 되는 원료 내 지질과 총 글리세라이드의 함량을 최대화 할 수 있는 혼합비를 선정하는 실험을 진행한 결과 지질의 수율이 7.92%, 총 글리세라이드의 함량이 2012.31 mg/kg로 분석된 음식물류 폐기물:하수슬러지=1:1(w:w)의 혼합비가 최적 조건으로 선정되었다. 산가가 높은 해당 시료의 특성에 따라 산촉매를 이용한 에스터 교환반응을 통해 바이오디젤을 전환하는 실험을 진행하였으며, 2%의 황산을 촉매로 이용한 경우 가장 높은 지방산 메틸 에스터 수율을 확인하였다. 또한 2% 황산을 촉매로 이용하여 생성된 바이오디젤 내 지방산 메틸 에스터 비율을 분석한 결과 86.85%로 나타났다. 2%의 황산을 촉매로 하는 에스터 교환반응의 최적 반응 시간 및 반응 온도를 도출하기 위한 실험을 진행하였으며, 그 결과 8시간 동안 60℃의 온도로 에스터 교환반응을 수행한 실험군의 바이오디젤 수율이 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 해당 실험을 통해 도출된 최적의 반응 시간 및 온도 조건 하에 생성된 바이오디젤 내 지방산 메틸 에스터의 비율을 분석한 결과 91.32%로 나타났다. 상기 실험으로 도출된 촉매, 반응 시간 및 반응 온도의 결과를 바탕으로 최적의 용매제의 종류와 용매제의 비율을 결정하기 위한 실험을 진행한 결과 메탄올 60%와 n-헥산 40%를 혼합한 용매제를 이용한 경우 바이오디젤의 수율이 가장 높게 나타났으며, 이 때 용매와 원료의 비를 15:1로 적용한 실험군의 바이오디젤 수율이 가장 높은 것을 확인하였다. 또한, 본 실험으로 도출된 조건을 반영하여 생성된 바이오디젤 내 지방산 메틸 에스터의 비율을 분석한 결과 95.46%로 증가한 것을 확인하였다.
지질추출 및 메틸화의 과정을 각각 거치는 2-step 방법과 지질추출 및 메틸화가 동시에 이루어지는 1-step 방법으로 생성된 각각의 바이오디젤 모두 지방산 메틸 에스터 중 대표적 포화지방산인 C16:1 Palmitic acid와 대표적 불포화지방산인 C18:1n9c Oleic acid가 가장 많은 비율을 차지하는 것으로 나타났다. 다만 1-step 방법을 통해 생성된 바이오디젤의 경우 2-step 방법과 비교할 때, 총 지방산 메틸 에스터의 비율이 95.47%로 낮게 분석되었다. 이러한 결과는 지질추출 과정이 따로 없는 1-step 방법의 경우, 건조된 시료, 용매, 촉매 및 첨가제가 동시에 반응하면서 원료에 포함되어 있던 지질과 유사한 물성의 성분이 전환되어 바이오디젤의 순도를 떨어뜨렸기 때문으로 판단하였다. 따라서 음식물류 폐기물과 하수슬러지 혼합물을 이용하여 연료의 품질기준에 적합한 고순도의 바이오디젤을 생성하기 위해서는 지질 추출 및 메틸화 공정이 분리된 2-step 방법을 이용하는 것이 더욱 적합할 것으로 예상된다.
음식물류 폐기물 및 하수슬러지 혼합물을 이용하여 생성된 바이오디젤은 일반적으로 바이오디젤의 제조에 사용되는 야자 및 대두의 순에너지 균형 분석 값과 비교할 때 높은 지속가능성을 가진 연료로 판단된다. 특히 작물의 재배 및 경작에 소요되는 에너지가 차지하는 비중이 매우 높은 작물성 원료와 달리 작물의 재배 및 경작 기간이 필요 없어 원료의 공급 시기 및 주기에 제한이 없으므로 에너지적 측면뿐 아니라 원료의 공급 측면에서도 지속가능성이 높다고 평가할 수 있다. 음식물류 폐기물 및 하수슬러지 혼합물을 이용하여 생성된 바이오디젤의 전과정 환경영향 평가 결과, 본 연구에서 환경영향 인자로 선정한 6가지 인자 중 토지이용, 산성화, 생태독성, 인체독성 및 부영양화 등 5가지 인자에서 가장 낮은 환경영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 음식물류 폐기물 및 하수슬러지를 이용하여 생성된 바이오디젤이 잠재적으로 미칠 환경영향은 야자 및 대두로부터 생성된 바이오디젤과 비교하여 낮을 것으로 예상되며, 환경적으로 높은 지속가능성을 가진 바이오디젤 원료로 사료된다. 일반적으로 바이오디젤의 생산 과정에서 작물의 재배 및 경작, 그리고 원유의 추출 단계에서 가장 많은 양의 이산화탄소가 발생되나 음식물류 폐기물 및 하수슬러지를 이용하여 생성된 바이오디젤의 경우 해당 단계가 없어 팜유와 대두로부터 바이오디젤을 생성하는 방법과 비교할 때 낮은 수치의 이산화탄소의 배출량이 산정되었다. 또한 일반적으로 수송연료로 사용되는 디젤과 비교해서도 매우 낮은 값의 이산화탄소를 배출하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구를 통해 생성된 음식물류 폐기물 및 하수슬러지 바이오디젤은 온실가스 배출로 야기되는 지구온난화 예방의 측면에서도 지속가능한 연료로 평가할 수 있다.
본 연구는 음식물류 폐기물과 하수슬러지를 바이오디젤의 원료로 이용함으로써 폐자원을 이용하여 고부가가치를 창출하는 의의를 가진다. 또한, 음식물류 폐기물과 하수슬러지가 함유하고 있는 지방산의 조성 및 특성을 인지하여, 고순도의 바이오디젤을 생산함으로써 폐자원을 이용하여 생성된 바이오디젤의 연료로서의 이용 가능성을 제시하였다. 마지막으로 본 연구를 통해 수행된 순에너지 평균 분석, 전과정 환경영향 평가 및 온실가스 산정 등의 방법이 국내에서 거의 시도되지 않고 있는 바이오연료 관련 지속가능성 평가 연구에 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단한다.
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