팜유의 산가 및 열분해 거동을 기반으로 한 화재 위험성 규명 = Fire Risk Identification Based on Acid Value and Thermal Decomposition Behavior of Palm Oil

국문 초록 (Abstract)

팜유(Palm Oil)는 열 안정성이 우수하고 가격 경쟁력이 높아 산업 용 튀김유로 널리 사용되고 있다. 그러나 고온 조건에서 반복적으로 사용될 경우 산화 반응이 진행되어 산가(Acid Value)가 상승하며, 이 로인해 과산화 생성물과 휘발성 열분해 가스의 생성이 증가한다. 이 러한 변화는 연소성 물질의 농도를 증가시켜 화재 위험성을 증대시 킬 가능성이 있다. 그러나 산가 변화에 따른 열분해 및 발화 특성의 상관관계를 체계적으로 규명한 연구는 제한적이며, 국내외 안전관리 기준에서도 산가를 고려한 화재 위험성 평가 항목은 제시되어 있지 않은 실정이다. 이 연구는 산가의 상승이 열적 안정성 저하 및 화재 위험 증가에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고, 근본적인 발생 메커니즘을 분석 함과 동시에 예방적 안전관리 기준 설정을 위한 기초자료를 제시하 고자 하였다. 연구의 내용 및 수행 절차는 다음과 같다. 첫째, 문헌 고찰을 통해 팜유의 발화 위험성과 관련 법규 및 기술 기준을 선행 조사하였다. 둘째, 팜유 산가에 따른 발화특성 실험(KS M ISO 2592, DIN 51794)을 통하여 인화점(Flash point), 발화점(Auto-ignition temperature)을 측정하였고, 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimetry) 및 열중량분석기(Thermogravimetric Analysis)를 이용 한 열분석 실험(ASTM E537, ASTM E1131)을 통하여 팜유의 열 안 정성과 분해 개시온도를 분석하였다. 셋째, 가스크로마토/질량분석기(Thermo Gravimetric Analysic-Gas Chromatography/ Mass Spectrometry) 및 적외선분광분석기(Fourier Transform Infrared Spectrosopy)를 활용한 열분해 생성물 분석(AS TM E1252)을 수행하여 산화 및 열분해시 생성되는 휘발성 유기화합 물(Volatile Organic Compounds)의 조성과 특성을 규명하였다. 넷째, 각 시험 결과를 종합적으로 해석하고 상관분석을 수행하여 팜유의 산가 변화에 따른 화재 위험성 메커니즘을 도출하였다. 실험 결과, 산가 3.98인 사용유 시료는 산가 0.02 신유 시료에 비해 인화점이 약 20 ℃ 낮게 나타났으며, 발화점 역시 산가 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 다만, 자연발화온도는 매우 높은 수준을 유 지하여 산가 상승이 단독 요인으로 자연발화를 직접 유발하기는 어 려운 것으로 판단되었다. 열분석 결과, 설비 운전온도인 195 ℃에서 신유 시료는 분해가 발 생하지 않았으나, 산가가 증가한 사용유 시료(180～193 ℃)에서는 열 분해가 용이하게 진행되는 것으로 확인되었다. 이는 산가 상승에 따 라 산화로 생성된 하이드로퍼옥사이드가 증가하고, 이들이 저분자화 되면서 반응성이 크게 향상된 결과로 해석된다. 열분해 생성물 분석 결과, 산가가 높은 시료일수록 2-Propenal(Acr olein), Methycyclopropane, Cylobutane 등 인화성 물질이 산화 및 열 분해 과정에서 다량 생성됨을 확인하였다. 이상의 결과를 종합하면, 팜유의 산가 상승은 열분해 반응성을 촉 진하고 인화성 분해가스의 생성을 증가시켜 화재 위험성을 현저히 증대시키는 요인으로 작용함을 실험적으로 규명하였다. 특히 산가가 1.3 이상일 경우 열분해 반응이 급격히 가속되며, 생성된 아크롤레인 의 중합반응을 통해 발화 가능성이 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이 연구는 팜유 유탕 공정에서 화재 위험평가 모델 구축 및 예방 중심의 안전관리 기준 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으 로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구배경 및 목적 1
• 2. 연구범위 및 방법 4
• Ⅱ. 이론적 배경 및 선행연구 6
• 1. 식용 유지류의 물리·화학적 특성 6
• 2. 인화성 액체의 발화특성 16
• 3. 아크롤레인의 특성 및 중합반응 21
• Ⅲ. 시험장비 및 방법 25
• 1. 시험시료 25
• 2. 산가 측정시험 26
• 3. 물리·화학적 발화특성 시험 27
• 4. 열분석 시험 31
• 5. 열분해 생성물 분석 시험 42
• Ⅳ. 결과 및 고찰 50
• 1. 산가 측정시험 결과 50
• 2. 물리·화학적 발화특성 시험 결과 51
• 3. 열분석 시험 결과 55
• 4. 열분해 생성물 분석 시험 결과 75
• 5. 팜유 발화 매커니즘 규명 89
• Ⅴ. 결론 및 제언 95
• 1. 팜유의 화재 위험성 95
• 2. 팜유 안전관리방안 96