선박용 디젤 엔진의 배기 수트와 크랭크케이스 수트의 구조 특성 비교 연구

Abstract

최근 우리사회는 산업혁명 이후 무분별한 산업개발로 인한 대기오염이 환경, 인체 및 사회적 유해성이 인간을 포함한 지구상에 존재하는 동식물들에게 크나큰 위험으로 다가오고 있다. 이에 대한 관심이 급증하면서 대기오염 방지를 위한 규정들이 강화되고 있으며, 국내에서도 2020년 1월 '항만지역등 대기질 개선에 관한 특별법'이 시행되면서 규제가 지속적으로 강화될 뿐만 아니라, IMO에서도 선박으로부터의 대기오염물질 저감을 위해 NOx, SOx등 여러 가지 대기 오염 물질들에 대한 규제가 진행되고 있다. IMO의 향후 예상 규제 물질로 분류되는 선박 엔진 배기가스에 포함된 입자상 물질인 수트에 대한 연구가 불가피하다. 지금까지 육상에서는 배기 수트와 크랭크케이스 수트에 대한 연구가 많이 진행되는 반면에, 선박에서 발생되는 배기 수트와 크랭크케이스 수트에 관한 연구가 미비한 실정이다. 이에 따라 선박용 엔진의 배기 수트와 크랭크케이스 수트를 대상으로 하여 2,000℃ 및 2,700℃로 열처리한 후 라만분광법, HRTEM 이미지 및 Digital Image Processing 기법을 활용하여 보다 정량적인 구조적인 특성을 비교 분석하였고 최근 발표되고 있는 배기 수트 재활용 연구의 연장선상에서 크랭크케이스 수트의 재활용 가능성 여부에 대해서 검토하였다. 라만분광법 분석 결과, 배기 수트와 크랭크케이스 수트 모두 D peak와 G peak가 확인되었다. 다만, G/D ratio는 크랭크케이스 수트에 비해 배기 수트가 상대적으로 높게 나타나며, 이는 배기 수트가 더 흑연화 된 구조를 나타냄을 의미한다. 열처리 후의 분석 결과, 크랭크케이스 수트도 배기 수트와 유사하게 흑연화가 진행됨을 확인하였다. 전자 현미경을 통한 HRTEM 이미지 분석 결과, 배기 수트와 크랭크케이스 수트는 유사한 형태의 나노 구조를 가지고 있으나, 배기 수트는 구형의 1차 입자가 체인형 결합구조를 가지고 있었고, 크랭크케이스 수트는 배기 수트에 비해 무정형한 구조가 확인되었고, 열처리 후에는 두 수트 모두 흑연계 특성으로 발달하였다. 마지막으로 Digital Image Processing을 통해 열처리에 따른 수트 Fringe의 곡률과 길이에 대해서 분석하였다. 그 결과, 열처리 온도가 높을수록 Fringe의 곡률과 길이가 흑연계의 구조적인 특성과 유사하게 측정되었고, 비교적 크랭크케이스 수트보다는 배기 수트가 조금 더 흑연계에 가까운 수치의 결과 값이 도출되었다. 이 연구의 결과는 선박용 디젤엔진에서 발생하는 배기 수트와 크랭크케이스 수트 모두 흑연재료로써 수트의 재활용에 대한 기초 자료로 활용 될 것으로 기대되며, 많은 표본을 통해 다양한 측면으로의 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.