이론적 배경

○ 디젤연료의 PM형성과 밀접한 파라핀 화합물들의 구조에 대한 특정 분자 구조 고려 필요

○ 가지형(cyclo/branched), 고리형(iso/ring) 구조 파라핀 화합물들의 주요 영향

– 연소된 배기 가스중의 PM(Particulate Matter) 분출 증가

– 노말 파라핀 화합물보다 벤젠과 그을음 분출 증가

[용어 설명]

라디칼(radical) : 짝지지 않은 홀전자를 가진 원자나 분자

알킬기 : 분자내에서 탄소와 수소로 이루어진 부분, 알케인이나 사이클로알케인에서 수소가 하나 떨어져 나간 상태

알케인 : 고리가 없는 사슬형 탄화 수소, 단일결합이며 이중, 삼중 결합 없음. C_nH_2n+2로 표시

사이클로알케인(나프텐) : 여러개의 탄소원자가 고리처럼 결합하고 각각의 탄소원자에 수소가 결합한 탄화수소,

탄소수에 따라 명칭(C3:사이클로프로페인, C4:사이클로뷰테인, C5:사이클로펜테인, C6:사이클로헥세인

수소추출(hydrogen abstraction) : 수소원자를 제거하는 반응(CH 결합이 약해져야 함)

공액(conjugation) : 단일결합과 이중결합(또는 다중결합)이 교대로 연결된 것

비공액(non conjugation) : 단일결합과 이중결합이 연이어 있지 않은 형태

공액형은 형태변화가 자유로우나 비공액형은 자유롭지 않음(제한적)

□ 1차 실험

○ 일시 : 2019년

○ 분석기관 : 한국과학기술연구원(KIST)

○ 분석내용:

– 특정 파장 Radiation 처리 디젤유와 정상 디젤유의 branched 및 ring 구조 paraffin계 화학물질의 변화

– 두 시료에 대해 1~4 회에 걸친 질량분석 결과

○ 분석결과:

– radiation 처리된 branched 및 ring 구조의 paraffin 계 화학물질이 처리전에 비해30% 이상의 감소, 10% 이상의 증가를 보인 경우

· [Butane, 2-methoxy-2-methyl-, 71번], [Cyclopentane, (2-methylpropyl)-, 266번] :

100% 감소

· [trans-1,3-Diethylcyclopentane, 199번] : 48% 증가

[Cyclopentane,1-methyl-2-propyl-, 299번] : 64% 증가

· 기타 15종 화합물 : 31~73% 감소

○ 본 실험에서 사용한 신소재 파장의 radiation이 branched 및 ring 구조의 paraffin 계 화학물질들의 감소를 초래함

[붙임 1] 한국과학기술연구원 이상엽 박사 분석 요약 자료

□ 2차 실험

○ 일시 : 2024년

○ 분석기관 : 한국과학기술원 중앙분석센터 시료 분석 결과에 대한 자체 정리

○ 분석내용:

– 특정 파장 Radiation 처리 디젤유와 정상 디젤유의 화학물질 변화

– 두 시료에 대해 3회에 걸친 GC-MS 분석

– 분석된 화합물을 파라핀계, 올레핀계(디올레핀계), 납센계, 방향족계로 분류하여 정리

○ 분석결과:

– radiation 처리된 디젤유 화학물질이 처리전에 비해 파라핀계(납센계 포함)화합물이 감소 하고 올레핀(디올레핀)계 화합물이 증가함

· PM의 원인이 되는 파라핀계, 납센계, 방향족계 등은 감소된 결과를 보임

· 올레핀계(디올레핀계)는 증가된 결과를 보임. 올레핀계(디올레핀계)는 파라핀계 보다 연소능력은 작으나 화합물 반응등에서 활성화 능력을 보이는 특성을 가지고 있음

– 특히, 올레핀계(디올레핀계) 증가의 대부분을 차지하는 것은 바이오디젤 성분으로 이는 연소시 보다 많은 산소를 공급하여 연소의 향상과 배기가스의 감소에 영향을 주는 것으로 보임

· 올레핀계 바이오디젤 화합물은 Hexadecanoic acid, methyl ester (C₁₇H₃₄O₂)와 Octadecanoic acid, methyl ester (C₁₉H₃₈O₂)임(파동처리후 10.1% 증가)

· 디올레핀계 바이오디젤 화합물은 9 Octadecenoic acid, methyl ester(C₁₉H₃₆O₂)와 11 Octadecenoic acid, methyl ester (C₁₉H₃₆O₂)임(파동처리후 13.5% 증가)

[정리]

○ 상기 자료들을 통해 파라핀연료는 수소추출과 열분해를 통하여 연소가 됨.

○ 수소 추출 과정을 통해 공액알킬기가 형성되고 이는 β-scission을 통하여 짧은 사슬의 올레핀 화합물로 분해됨

○ 열분해 과정을 통해 비공액알킬기가 형성되고 이는 β-scission을 통하여 짧은 사슬의 올레핀 화합물로 분해되고, 올레핀은 다시

– 비공액알킬기와 β-scission을 통하여 짧은 사슬의 올레핀 화합물로 분해되는 과정의 반복을 통하여 지속적으로 짧은 사슬의 올레핀으로 변화됨

– 수소첨가 반응후 β-scission을 통하여 짧은 사슬의 올레핀 화합물로 분해되는 과정의 반복을 통하여 지속적으로 짧은 사슬의 올레핀으로 변화됨

– 상기의 과정은 짧은 시간내에 발생하는 것임

○ 정리하면, 당사의 연료절감기를 통하여 경유(디젤유)중의 파라핀(normal, iso, cyclo)은 상온상압의 연료통에서 올레핀(디올레핀)으로 분해되는 것으로 판단됨

– 파라핀 화합물은 C_nH_2n+2로 조성되고, 올레핀 화합물은 C_nH_2n으로 조성되므로 파라핀 화합물이 수소추출 반응(CH간 결합력의 약화)등을 통해 올레핀 화합물로 변화되는 것으로 추정됨

– 디젤엔진은 고압 및 고온에 의한 연료의 연소를 통하여 출력을 얻고 있음.

– 그러므로 당사의 연료절감기는 경유(디젤유)중 사전적인 파라핀 연료의 올레핀화를 통해 연소중 발생하는 지속적인 파라핀의 올레핀화를 효율적으로 수행하므로써 연비의 향상 및 배기가스의 저감을 가져오고 있음

☞ CH간 결합력 약화를 통한 수소추출 반응의 효율화

☞ β-scission을 통한 파라핀 화합물의 올레핀화

☞ 특히, 산소를 많이 포함하고 있는 바이오디젤(올레핀/디올레핀)유의 비율 증가를 통한 연소중 산소 공급 증가