홀수 알케인의 상변화 거동특성 연구

Abstract

에너지 저장시스템에는 대표적으로 물리적 저장, 전기/전기화학적 저장, 화학적 저장, 열적 저장 시스템이 있으며, 상변화물질은 열적 저장 시스템에 적용되고 있을 뿐 아니라 건축물의 에너지절감, 열택배산업, 전자산업, 군수산업, 혈액 및 생물학적 제제의 온도유지 등의 물류산업, 쾌적성을 요구하는 생활제품산업까지 다양하게 적용되고 있다. 상변화물질은 잠열물질로서 고상에서 액상, 액상에서 고상의 상변화를 통하여 일정한 온도로 다량의 열에너지를 고밀도로 저장하거나 방출할 수 있는 물질이며, 현열을 사용하여 저장하는 방식보다 적은 부피로 더 효율적으로 에너지를 관리할 수 있다.

탄소와 수소로 이루어진 알케인은 유기화합물 계열의 상변화물질로서 CnH2n+2 화학식을 가지고 있으며, 각 원자간에는 단일공유결합으로 이루어져 있고, 분자간에는 분자간 인력 (Intermolecular force)만 존재한다. 상변화물질로서 노말-알케인은 용융엔탈피가 크고, 상변화온도구간이 뚜렷하고, 부식성이 없으며, 탄소와 수소로 이루어진 단순한 분자구조형태를 띄지만 탄소수가 짝수인 알케인과 홀수인 알케인의 전이거동과 결정구조, 용융엔탈피에서 다른 특성이 있다. 알케인은 종류에 따라서 고체상 (Ordered solid) ↔ 고체상 (Disordered solid) 상변화물질과 같은 형태의 전이구간이 존재한다. 본 연구에서는 알케인인 n-Pentadecane (C15H32), n-Hexadecane (C16H34), n-Heptadecane (C17H36), n-Octadecane (C18H38) 등 4종의 물질과 알케인의 혼합물 실험을 통하여 상변화 거동특성을 연구하였다.

I 단계에서 NIST Chemistry WebBook을 통하여 탄소수 11부터 30까지 개별적 조사를 통하여 끓는점, 용융점, 용융엔탈피 등 홀수인 알케인과 짝수의 알케인을 비교평가 하였다. II 단계에서 순수 알케인의 온도변화 추이를 시험하고 DSC와 비교하였다. III 단계에서 각 알케인간 50 wt. %의 혼합을 통하여 온도변화를 시험하고 상변화온도특성을 연구하였으며, IV 단계에서는 질량분율에 따른 상변화온도 특성을 평가하였고, V 단계에는 실험결과와 다수의 연구논문을 토대로 홀수 알케인 실험물질에 대한 요약분석을 하였다.

본 연구를 통하여 홀수의 알케인과 짝수의 알케인의 상변화 거동특성을 히스토그램 분석방법을 통하여 확인할 수 있었고, 홀수 알케인의 상변화온도특성과 용융엔탈피가 짝수보다는 낮아지는 특성을 결정학적인 면에서 어느정도 규명할 수 있었으며, 밀도, 비열 등 다른 데이터를 통하여 더욱더 구체적인 특성을 규명할 수 있다고 사료된다.