KR100317419B1 - 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 오폐수 또는 물과 유류에 견운모를 700℃ 이상으로 가열한 다음, 300메쉬 이하로 분쇄하여 얻어진 다공성 견운모 분말 계면활성제를 첨가하여 이루어진 것으로, 친수성과 친유성을 갖는 견운모 분말을 이용함으로써 에멀젼 연료유 제조시 쉽게 유리되는 수분과 유류를 연결시켜 장시간 동안 콜로이드 상태를 유지시키도록 하고, 연소시 계면활성제 구성물질인 염기성 물질과 유류연소시 발생하는 이산화황 등과 같은 강산기성 물질과 반응하여 대기오염 가스 발생을 줄여줄 수 있는 효과 등이 있다.

Description

다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유 및 그 제조방법{Emulsion oil and manufacturing method thereof}

본 발명은 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오폐수를 유류 등과 함께 연료화함으로써 환경친화적이고 연소효율을 향상시킬 수 있는 에멀젼 연료유와 이를 제조하는방법에 관한 것이다.

산업발달과 더불어 가정하수, 공업폐수, 축산폐수 등 오폐수의 발생이 늘어나고 있고, 이에 따라 오폐수의 처리는 국가적 정책과제가 되었다.

통상적으로 오폐수의 처리는 생화학적 분해 또는 화학적인 처리에 의존하고 있다. 그런데, 전자의 경우 처리시간이 긴 결점이 있고, 대량처리에는 어려운 점이 있다. 후자의 경우 화학약품을 투입하고, 정수 및 여과과정을 거치게 되므로 처리시설 공간이 커지는 결점과 처리시간이 길어지며, 화학적 처리후 2차 폐기물이 발생하는 문제가 발생한다.

한편, 널리 사용되고 있는 연료인 폐유, 벙커-C 유 등은 점도가 높음으로 가열하여 점도를 낮추거나 고압분무기를 통하여 미세한 증기상태로 만들어서 연소시켜야만 완전연소시킬 수 있다. 그러나, 점도가 높은 벙커-C유 또는 폐유를 미세하게 분무할 수 있는 분무기는 기계적 구조상 만들기 어려우며, 이에 따라 불완전 연소로 인해 카본 등 유해가스가 발생된다. 이와 더불어 벙커-C유에 포함된 유황(S)등의 물질이 연소시 강산성을 갖는 대기오염 물질을 발생시키는 결점도 있다.

따라서, 이와같은 두가지 문제를 모두 해결하려면 오폐수와 유류를 혼합시켜 연소기에 공급될 때까지 전달될 수 있도록 저점도 콜로이드 상태로 만든 후 작은 방울의 연료로 분무시키고, 유류와 수분(오폐수)의 비등점차이에 의한 열적팽창에 따른 미세파열로 분쇄시켜 연소면적을 크게 함으로써 완전연소에 가깝도록 하여 열효율을 극대화시킴과 동시에 오폐수처리와 대기공해를 최적화하는 기술이 효과적이다.

이와같은 점을 고려하여 연구되고 있는 것이, 에멀젼 연료유로서 오폐수 등 수분과 유류를 혼합하여 연료화한 것이다.

그러나, 일반적으로 오폐수 또는 물과 유류만을 혼합시켰을 때 유리되는 현상이 있으나 교반을 통하여 일시 혼합물인 액상콜로이드 상태를 유지할 수 있다. 그러나, 시간이 경과될수록 유리되는 현상이 있다.

한편, 상기와 같은 에멀젼 연료유, 즉 유류와 일반 순수한 물을 혼합한 유중수적형(油中水適形, Water in oil W/O) 에멀젼 연료의 효과에 관하여는 이미 알려진 사실이나 실용적 단계에 이르지는 못하였으며, 근래에 와서 유류절약과 수질 및 대기오염 방지를 목적으로 에멀젼 연료가 선진 각국에서 연구의 과제가 되고 있다.

액체연료의 연소시에는 버너가 액체연료를 30∼100μ 크기로 분사시켜 줌으로써 연소공기와 혼합되어 연소된다. 이때, 유적(油滴)이 작을수록 연소상태가 양호해진다. 그러나, 일반 액체원료는 입경이 50∼150μ정도로서, 연소종결이 늦어져 매연의 원인이 된다.

반면, 에멀젼 연료는 물과 기름이 혼합되어 유화(乳化)된 것으로서, 분무시 분무 입자중에 0.5∼5μ의 에멀젼 입자가 분산되며, 착화연소 개시시에 에멀젼 중 물의 가열증발로 인해 급팽창하여 입자가 파열되어 약 6,000배로 체적팽창하면서 미세입자로 되므로, 상대적인 유적표면적이 커지므로 공기 접촉면이 증가하게 됨에 따라 균일하게 연소가 종결되어 매연 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.

그런데, 일반적으로 기름과 물은 용이하게 섞이지 않기 때문에 이 2종류의 액체를 혼합하는 별도의 기술이 요구되는 바, 일예로 기계적 공법, 초음파에 의한공법 및 유화제를 사용하는 공법 등이 있다.

이 중 유화제를 사용하는 방법에 있어서, 유화제는 주로 계면활성제로서 기름과 물의 혼합을 용이하게 해 줄 뿐만 아니라 분산된 물입자가 재결합하고 성장하여 종국에는 기름과 물이 분리되는 현상을 억제한다. 일반적으로 분산상의 비율이 커질수록 점도는 증가함으로 일반적으로 물의 비율은 10∼30중량범위에서 사용된다.

에멀젼 연료의 연소 메카니즘은 연료유가 버너에서 분무되면 30∼100μ 정도의 방울이 되어 비산하며 연료 유적이 가열되어 표면의 기름이 기화하면서 연소가 일어난다. 이와 동시에 유적 내의 온도가 상승하여 수적이 폭발적으로 기화하여 주위의 유막을 파열시켜 미세화한다. 이것을 후분사 작용이라 하여 이러한 2차 미립화 현상에 의하여 연소효율이 상승하고 불완전연소물질을 억제함으로 공해방지을 개선 시킨다.

에멀젼 연료를 얻기 위하여 각국에서 연구된 각종 유화제가 있으나, 유화된 에멀젼 연료가 시간이 흐름에 따라 다시 유수(油水)가 완전 분리되는 현상이 생기고, 또 유화가 잘 이루어지더라도 수적의 크기가 커서 에멀젼 연료로서의 실효를 거두기 어려운 현상이라는 것이 실험을 통해 입증되었다.

1976년 미국 ECAS(Energy Canservation Alternative Study)에서 에멀젼연구를 수행하였는 바, 주된 연구는 연료연소에 관련된 물, 메탄올 등과 점도가 낮은 유류(가솔린, 경유 등)를 혼합하여 연소시키는 것에 관한 것과 혼합연료의 열효율 개선에 관한 것이었다.

국내특허 제 17265호에서는 인뇨와 병커-C유를 혼합하여 콜로이드상태를 제조하고 연소하는 방법에 관하여 개시되어 있는 바, 인뇨와 벙커-C유 혼합에 의한 콜로이드상태 제조 및 연소방법은 인뇨의 미량원소 아미노산 분해물질이 용해된 수용액과 콜로이드를 형성함으로써 콜로이드 상태가 장기간 유지되지 못하는 결함이 있다.

또한, 기타의 계면활성제를 이용한 에멀젼 연료유로의 제조에 대하여 연구되어 왔으나, 구체적인 다공성 계면활성제 물질로 밝혀진 바는 없다.

본 발명의 목적은 통상의 에멀젼 연료유에 있어서의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 오폐수 또는 물과 폐유 또는 광유(이하, 유류라 함)를 계면활성제인 다공성 광물질 분말을 이용하여 혼합시켜 콜로이드 상태로 만든 다음, 완전연소시킴으로써 오폐수를 처리함과 동시에 유류의 불완전연소시 발생하는 카본블랙과 같은 대기공해를 최소화하고, 유류내에 포함된 유황과 같은 물질이 연소될 때 발생하는 대기오염 유해물질을 오폐수 계면활성제에 함유된 무기물과 반응케하여 감소시키고, 유류의 완전연소를 유도하여 연소효율을 개선하여 효율적으로 열에너지를 얻음으로써 유류를 절감시키고 대기오염을 방지할 수 있는 에멀젼 연료유를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 에멀젼 연료유를 제조하는 방법을 제공하는 데도 그 목적이 있다.

도 1은 견운모광석을 가공하여 다공성 견운모 분말 계면활성제를 제조하는 공정도이고,

도 2는 다공성 견운모 분말 계면활성제의 구조사진(×400)이고,

도 3은 다공성 견운모 분말 계면활성제를 이용한 에멀젼 연료유의 콜로이드 상태를 나타낸 모식도이며,

도 4는 다공성 견운모 분말 계면활성제를 이용한 에멀젼 연료유의 제조공정도이다.

도 5는 벙커-C유와 다공성 견운모 분말, 오폐수 벙커-C유가 에멀젼화된 분석사진( ×100)이다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에멀젼 연료유는 300매쉬 이하의 다공성 광물질 분말 계면활성제 1∼3g/ℓ, 오폐수 또는 물 2∼4ℓ 및 유류 6∼8ℓ로 이루어진 것임을 그 특징으로 한다.

상기와 같은 에멀젼 연료유는 분말상태의 다공성 광물질 분말 계면활성제와 물 또는 오폐수를 1∼3g/ℓ로 혼합하고 약300rpm으로 교반하여 1차 공정액을 제조하는 단계, 및 상기 1차 공정액에 유류 6∼8ℓ를 첨가하고 1000∼1200rpm 정도로 교반하여 콜로이드액을 제조하는 단계로 거쳐 제조되는 것을 그 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 친수성과 친유성을 갖는 광물질 분말을 이용하여 두 물질 사이를 연결시켜 장기간 콜로이드 상태를 유지시키도록 하고, 연소시 계면활성제 구성물질인 염기성 물질과 유류연소시 발생하는 강산기성 물질(SO₂등)과 반응하여 대기오염 산기성 가스를 줄여줄 수 있도록 도와주는 계면활성제 물질을 첨가하여 이루어진 에멀젼 연료유와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이때 상기 다공성 광물질은 견운모를 사용하며, 그 외에 맥반석, 불석 등을 사용하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 견운모를 사용하는 경우를 설명한다.

본 발명의 에멀젼 연료유에 있어서 유류와 오폐수를 연결시켜 주는 계면활성제인 견운모 분말의 제조공정은 도 1과 같은 바, 이와 같은 공정을 거치면 견운모 광석이 도 2에 나타낸 바와 같이 300매쉬 이하의 침상의 구조를 갖고 다공성화된다공성 견운모 분말화 된다.

견운모(sericite)는 칼륨을 함유하는 점토광물의 일종으로 백운모의 미세종이다. 대부분 흰색·회색이나 드물게 담록색을 띠는 것도 있으며, 소량의 크롬과 철을 함유하여 녹색을 나타내는 것도 있다.

견운모 분말의 제조공정을 면밀히 살펴보면, 먼저 견운모를 700℃이상으로 가열한다. 이와같이 가열하면 함유수분이 증발하고, 광물질의 구성 분자가 분리되어 염기성을 띄는 물질(K₂O, CaO)이 되며, 분해되면서 다공성화된다. 그 다음, 계면활성제화하기 위해 300메쉬 이하로 분쇄하면 본 발명에 따른 계면활성제가 얻어진다.

다공성화된 견운모 분말은 소량의 공기를 내포하고 있으므로 액체에 투입될 때는 작은 부력을 갖게 됨으로 오폐수 또는 유류 내에서는 부유물 상태가 된다. 다시, 유류와 오폐수, 견운모 계면활성제를 혼합하여 강력히 교반하면 '오폐수+다공성 견운모 분말 계면활성제+ 소량의 공기+유류 또는 오폐수+유류'와 같이 혼합되며, 도 3과 같은 콜로이드 상태의 연료유를 만들 수 있다. 친유성·친수성을 갖는 계면활성제가 들어간 콜로이드는 오랜시간 동안 분리되지 않는다.

본 발명의 다공성 견운모 분말 계면활성제를 사용하여 콜로이드화하는 공정은 도 4와 같은 바, 분말상태의 다공성 견운모 분말 계면활성제 소량과 오폐수 또는 물을 섞어 약 300rpm으로 1차 공정액을 만든 다음, 1차 공정액에 유류에 첨가시켜 약 1000rpm 정도로 교반시키면 도 3에 나타낸 바와 같은 형상의 콜로이드액이생성된다.

1차 공정액의 비율은 오폐수의 종류와 성분에 따라 가감할 수 있으며, 2차공정에서는 공급공기의 산소량과 습도기압에 따라서 혼합비가 결정된다. 바람직하게는 오폐수 또는 물 2∼4ℓ, 계면활성제 1∼3g 및 유류 6∼8ℓ를 혼합하는 것이 바람직하다.

구체적으로 예를들면, 일반적으로 생활하수 또는 유기물 폐수(음식침출수, 축산폐수)에는 3g/ℓ정도의 다공성 견운모 분말 계면활성제를 1차공정에 투입하고, 2차 공정에서는 상온(25℃), 기압 1013mb 습도 70정도에서는 유류대 1차공정액을 6.5:3.5까지로 하며, 습도가 낮은 경우 6:4까지, 습도가 높은 경우 8:2 이하 비율로 콜로이드액을 만든다.

본 발명에 따라 콜로이드 상태로 된 에멀젼유(유류로 둘러싸인 물질인 콜로이드액(오폐수+계면활성제+공기 또는 오폐수))를 분사시키고 연소기 내에서 열을 가할 경우, 유류와 물의 비등점 차이(예, 벙커-C유 193℃, 물 100℃)의 차이로 공기가 팽창하고, 오폐수의 수증기화로 체적이 급팽창폭발하여 외부를 싸고 있는 유류를 미세단위의 유류방울로(미세파열 유류) 만들어 연소를 도와줌으로써 완전연소에 이르도록 한다. 이와같은 결과는 불완전연소로 발생하는 카본의 발생을 줄여줌으로써 공해물질의 발생율을 낮출 수도 있다.

또한, 본 발명은 유류, 계면활성제, 오폐수 혼합물이기 때문에 수증기와 유류 연소시 발생하는 SO₂, NO₂등이 반응하여 H₂SO₄, HNO₃등과 같은 산성이 되면서계면활성제 내의 염기성 광물질(K₂O, MgO, Na₂O 등의 염기성산화물)과 오폐수에 있는 무기물과 반응하여 안전한 무기반응 물질이 됨으로 황산가스 등과 같은 대기공해물질의 발생을 억제할 수도 있다.

또한, 유기물(오폐수) 소각시 고온연소(1000℃ 이상)하면 다이옥신이 발생하는 데, 본 발명에 따라 계면활성제를 첨가한 연료유를 연소할 경우 오폐수가 기화될 때 유류연소시 발생하는 열을 흡수함으로 900℃ 이하가 형성되어 저온연소됨으로 다공성 견운모 분말 계면활성제를 첨가하여 콜로이드 상태로 만들어진 에멀젼연료를 연소시키면 다이옥신과 같은 유해물질을 생성하지 않는다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

제조예: 다공성 견운모 분말 계면활성제의 제조

견운모 광산으로부터 채광 구입한 회색계열 견운모 광석 1㎏을 100g이하로 깬 다음, 가열로에서 굽는 방법을 통해 700℃이상 온도로 2시간 동안 가열하였다.

가열하여 분해된 다공성 견운모를 계면활성제화하기 위하여 분쇄기와 필터를 사용하여 300메쉬로 파쇄하여 다공성 견운모 분말 계면활성제 890g 정도를 얻었다.

이와같이 얻어진 다공성 견운모 분말 계면활성제에 대하여 전자현미경을 사용하여 그 구조를 관찰한 결과는 도 2와 같은 바, 다공성 견운모 분말은 침상의 구조를 갖고 다공성임을 확인할 수 있다.

실시예

상기 제조예에 따라 얻어진 분말상태의 다공성 견운모 분말 계면활성제 8g과 생활하수 + 음식침출폐수로부터 얻은 오폐수 3ℓ를 저속 100rpm에서 중속 300rpm으로 교반시키는 방법으로 혼합하여 1차 공정액을 제조하였다.

다시, 상기 1차 공정액에 S정유회사로부터 구입한 유황2함유 벙커 C유 7ℓ을 첨가시켜 1000rpm 정도로 교반하여 콜로이드액 상태의 에멀젼 연료유를 제조하였다.

얻어진 연료유의 모형은 도 3에 나타낸 바와 같고 제조된 에멀젼유의 상태는 도 5와 같다.

실험예

벙커-C유에 유황2가 있는 연료와 상기 실시예에 따라 얻어진 에멀젼유를 이용하여 연소시험한 결과를 표 1에 나타내었다.

	벙커-C유(A)	실시예(B)	차이(B-A)
효율 Ŋ	평균효율	83.1	88.0	+4.9
	최대효율	84.7	90.1	+5.4
	최대효율시 부하	70.5	68.5	-2.0
대기오염물질	smoke	2°이하	1°이하	-1°개선
	먼지	480	310	-170
	산화유황물	1780	450	-1470
	질소산화물	55	23	-32
* 보일러용량 5ton/시간,Ŋ=Ŋmax-a(L-Lmax)에멀전연료: 벙커-C유:오폐수=7:3 @ 견운모 3g/ℓ벙커-C유 : 유황 2

상기 표 1의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 에멀젼 연료유는 통상의 벙커-C유에 비하여 열효율면에서 평균 5정도 개선할 수 있으며, 특히 대기오염 물질을 크게 감소시킨다는 것이다. 스모그는 주로 불완전연소시 발생하는 작은 카본 알갱이들로 에멀젼유가 완전연소에 가깝게 연소됨으로 감소된 것이고, 산화유황물의 감소는 연소된 유황성분이 계면활성제, 오폐수 내에 포함된 염기성광물질과 반응하여 크게 즐어든 것이며, 질소산화물은 수증기의 연료수에 따라서(잠열현상) 1000℃이하 연소가 형성됨으로 생성이 억제된 것으로 판단한다.

특이사항으로는 먼지의 발생량 감소와 먼지의 구성성분이다. 벙커-C유를 연소시 켰을때는 먼지는 주로 검은 카본덩어리에 의한 것이다. 본 발명 계면활성제를 넣은 에멀젼유에서는 회백색의 먼지로 구성되어 있다. 이것은 완전연소에 가깝게 연소되므로 검은 카본 덩어리가 줄어든 것이고 계면활성제가 주성분인 것임으로 감소될 것이다. 이 먼지의 주성분은 계면활성제 성분으로 카본덩어리에 비해 표면적이 적고 중량이 무거움으로 쉽게 포집하여 회수처리 할 수 있으며 회수된 물질은 광물성 비료(K, Ca)로 사용할 수도 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 오폐수와 유류와 함께 견운모 분말 계면활성제를 첨가하여 이루어진 에멀젼 연료유는 오폐수를 연소처리함과 동시에 연료불완전 연소시 발생하는 카본블랙 공해와 불순물이 포함된 유류가 연소될 때 발생하는 유해가스를 내부화학적인 반응으로 낮출 수 있으며, 또한, 콜로이드 상태를 만들어 분무기의 부하를 줄이면서도 연소기 내에서 미세파열유(가스상태)로 만들어 완전연소가 될 수 있도록 하는 효과 등이 있다.

Claims (6)

1. 다공성 광물질 분말 계면활성제 1∼3g/ℓ, 오폐수 또는 물 2∼4ℓ및 유류 6∼8ℓ중량부로 이루어진 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유.
2. 제 1 항에 있어서,

   다공성 광물질 분말 계면활성제는 700℃이상으로 가열한 다음, 300메쉬 이하로 분쇄하여 얻어진 것임을 특징으로 하는 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유.
3. 제 1 항에 있어서,

   유류는 벙커-C유 또는 광유인 것임을 특징으로 하는 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 다공성 광물질은 견운모인 것을 특징으로 하는 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유.
5. 분말상태의 다공성 광물질 분말 계면활성제 1∼3g/ℓ와 오폐수 또는 물 2∼4ℓ를 혼합하고 300rpm으로 교반하여 1차 공정액을 제조하는 단계, 및

   상기 1차 공정액에 유류 6∼8ℓ를 첨가하여 1000∼1200rpm으로 교반하여 콜로이드액을 제조하는 단계를 포함하는 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 다공성 광물질은 견운모인 것을 특징으로 하는 다공성 광물질 분말 계면활성제를 함유하는 에멀젼 연료유의 제조방법.