KR100487072B1 - 유화 연료용 천연 계면활성제 및 이를 함유하는 유화 연료 - Google Patents

유화 연료용 천연 계면활성제 및 이를 함유하는 유화 연료 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 천연 계면활성제는 카놀라 오일(canola oil)을 아르곤 대기에서 디에탄올 아민으로 반응시켜 180 ℃에서 1 시간 동안 가열시키고 촉매로서 나트륨 메톡사이드를 적가시키고 다시 4 시간 동안 가열하여 제조되는 에스테르화된 카놀라 오일이다. 본 발명에 따른 유화 연료는 (a) 5∼15 중량%의 물, (b) 5∼26 중량%의 천연 계면활성제, (c) 3∼12 중량%의 공-계면활성제(co-surfactant), 및 (d) 35∼86.2 중량%의 디젤 연료로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.

Description

유화 연료용 천연 계면활성제 및 이를 함유하는 유화 연료 {Biosurfactant for Fuel Microemulsion and Fuel Microemulsion thereof}
발명의 분야
본 발명은 유화 연료용 천연 계면활성제에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 불필요한 매연, 미립자, 유독성 가스, 유해 가스 등을 현저하게 감소시키고 선명하고 안정화된 유화 연료를 제조하기 위한 천연 계면활성제 및 이를 함유한 유화 연료에 관한 것이다.
발명의 배경
디젤 연료는 농기계, 승객용 차량, 버스, 트럭 및 건축기계와 같은 다양한 종류의 차량에 동력을 공급하기 위해서 전세계적으로 내연기관에 사용되고 있다. 그러나 디젤 연료는 시끄러운 소음과 유해한 매연의 방출, 그리고 추운 날씨 조건에서 시동의 어려움 때문에, 소비자는 물론 정책을 입안하는 정부 관계자들에 의해서 선호를 받고 못하고 있다.
그러나 디젤 내연 기관은 에너지 연소 효율성이 좋고 디젤 연료는 가솔린 보다 더 높은 에너지를 함유하고 있기 때문에 가솔린 엔진보다 상당한 장점을 가지고 있다.
이러한 장점을 유지하면서 분진, NOx 등의 유해한 배기 가스를 저감하기 위해 디젤 형태의 탄화수소 연료, 지방족 알코올 및 물을 함유하는 조성물에 대해 많은 논문과 특허들이 출원되어 있으며, 이러한 조성물은 하나의 계면활성제 또는 여러 계면활성제의 혼합물에 의해서 유화 연료 형태로 균질상(homogeneous phase)에서 제조된다.
미국특허 제6,348,074호(B2)에는 에탄올, 하나 이상의 다른 알코올 및 지방산으로 이루어지는 유화 연료 첨가제를 개시하고 있으며, 미국특허 제6,306,184호(B2)에는 디젤 연료, 에탄올, 안정화제, 선택적으로 지방산 알킬 에스테르 및/또는 공용매로 이루어지는 유화 연료를 개시하고 있다. 또한 미국특허 제6,280,485호(B1)에는 탄화수소 연료, 물, 하나 이상의 연료-용해성 염, 및 물-혼합 연료 조성물로 이루어지는 유화 연료 조성물을 개시하고 있다. 이러한 조성물들은 적정의 물의 함량과 안정성을 만들어내기 위해서 다량의 계면활성제를 사용해야 한다는 단점을 가지고 있다.
따라서 엔진 성능과 효율성을 감소시키지 않고, 연소시에 유독성 배출 가스 및 수증기, 미립자, 매연 등을 감소시키는 내연 기관의 연료 조성물을 만들기 위한 많은 연구가 지금까지 행해지고 있다.
현재, 화석 연료에 산소 발생제(oxygenator)를 도입하는 것이 연소율을 향상시키고 유독성 물질의 배출을 감소시킬 수 있다는 것은 석유 화학 분야의 기술자들에게는 이미 잘 알려진 기술이라 할 수 있다. 예를 들어, 에탄올은 가솔린과 함께 사용될 때, 유독성 물질의 방출을 감소하는 일종의 산소 발생제이다.
그러나 문제는, 에탄올은 물을 끌어당기고, 일정 양의 물 응축이 있을 때 가솔린으로부터 분리된다는 점이다. 또 다른 문제는 에탄올은 일반적으로 물 분리의 문제를 악화시키고 적정 수준을 넘어선 용해도를 만들어 내어, 이러한 혼합물이 기존의 배관을 통해서는 운반될 수 없다는 점이다.
본 발명자들은 선명하고 안정된 유화 연료를 만들어 냄으로써 용해력의 문제를 해결하고, 분리되지 않고 실제로 적은 양의 물을 이용하여 우수한 연소를 할 수 있으며, 가솔린의 저장 및 수송 등에 필요한 사항을 충족시킬 수 있는 유화 연료를 개발하기에 이른 것이다. 본 발명은 선명하고 안정된 유화 연료를 제조하기 위해서 액체 연료에 첨가되는 천연 계면활성제를 개발하고, 이를 적용함으로써 불필요한 매연, 미립자, 유독성 가스, 유해 가스 등을 현저하게 감소시킬 수 있는 유화 연료에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 불필요한 매연, 미립자, 유독성 가스, 유해 가스 등을 현저하게 감소시키고 선명하고 안정화된 유화 연료를 제조하기 위한 천연 계면활성제 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 불필요한 매연, 미립자, 유독성 가스, 유해 가스 등을 현저하게 감소시키고 선명하고 안정화된 유화 연료를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
발명의 요약
본 발명에 따른 천연 계면활성제는 카놀라 오일(canola oil)을 아르곤 대기에서 디에탄올 아민으로 반응시켜 180 ℃에서 1 시간 동안 가열시키고 촉매로서 나트륨 메톡사이드를 적가시키고 다시 4 시간 동안 가열하여 제조되는 에스테르화된 카놀라 오일이다.
본 발명에 따른 유화 연료는 (a) 5∼15 중량%의 물, (b) 5∼26 중량%의 천연 계면활성제, (c) 3∼12 중량%의 공-계면활성제(co-surfactant), 및 (d) 35∼86.2 중량%의 디젤 연료로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.
상기 물은 50∼250 nm 범위의 평균 직경을 갖는 입자 형태로 상기 디젤 연료 상에 분포된다.
상기 공-계면활성제는 2-메톡시에탄올인 것이 바람직하고, 천연 계면활성제가 10∼24 개의 탄소 원자를 갖는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.
발명의 구체예에 대한 상세한 설명
유화 연료는 현재 설정된 연료 저장 및 연소에 관한 모든 법적 규정 및 엔진의 성능 지수를 충족해야 한다. 이러한 요건들은 다음과 같이 요약될 수 있다:
1. 유화 연료/첨가제 조성물은 물과 물 용해성 성분이 전체 기름 상에 고르게 퍼져, 선명하고, 안정된, 기름속에 물이 미세입자로 유화된 마이크로 에멀션(microemulsion)을 형성해야 한다.
2. 유화 연료가 효율적으로 연소하기 위해서는, 연소실의 불꽃 선단이 우선 기름과 접촉해서 최적의 연소 온도를 유지하여야 한다. 연소실 내에 물이 존재하게 되면 연소 온도를 감소시킨다. 마이크로에멀젼의 기름 입자(micelle) 안에 최적 양의 물과 물-용해성 알코올이 있을 경우, 존재하는 오일의 탄소가 완전히 연소되면, 균형있는 최적의 연비(연료/산소비) 및 연소 온도를 만들어 낸다.
3. 높은 온도의 열이 약간 감소되어 매우 미세한 물 입자에 도달하게 될 때, 물은 증기로 변화된다. 물이 액체에서 증기로 팽창될 때, 자체의 동력을 만들어 내고, 또한 엔진의 성능을 향상시킨다.
4. 특히 디젤 엔진은 연료/첨가제 연소 향상에 적합하다. 압축 점화 엔진은 연료의 연소를 만들어 내기 위해서 압축 열에 의존한다. 그러나 디젤 엔진을 매우 효율적으로 만드는 중요한 동력(power dynamic)은 공기의 압축 및 팽창이다.
5. 연료/첨가제 동력의 향상은 동일한 원리로 작동한다. 압축 행정의 정점에서, 적은 양의 마이크로 에멀션은 점화하여 폭발한다. 상기연료는 점화하면, 공기와 증기는 모두 팽창하여 동력을 만들어낸다.
6. 연료/첨가제 연소의 향상은 물-용해성 알코올과 물에 의해서 제공된 증가된 산소가 존재할 때 가능하다. 최적의 연료 : 산소비는 이용 가능한 탄소의 완전한 연소를 통해서 만들어진다.
또한 유화 연료를 제조하기 위하여 첨가되는 유용한 첨가제 조성물은 다음의 조건을 만족해야 한다:
1. 고온 및 저온에서 안정되어야 한다.
2. 모든 온도와 압력 조건에서 화석 연료와 비슷한 점성을 가지고 있어야 한다.
3. 엔진 및 연료 장치 부품에 손상을 입히지 않아야 한다.
4. 엔진 및 연료 장치 부품의 교환 없이 사용할 수 있어야 한다.
5. 특정 이용에 적합한 동력 수준을 유지해야 한다.
6. 엔진 성능 또는 방출에서 향상을 나타내야 한다.
7. 질소 산화물 또는 탄화수소 또는 탄소 일산화물 방출이 증가되지 않아야 한다.
본 발명은 상기와 같은 조건을 모두 만족하도록 개발되었다. 나아가 본 발명은 불필요한 매연, 미립자, 유독성 가스, 유해 가스 등을 현저하게 감소시키고 선명하고 안정화된 유화 연료를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 천연 계면활성제는 카놀라 오일(canola oil)을 아르곤 대기에서 디에탄올 아민으로 반응시켜 180 ℃에서 1 시간 동안 가열시키고 촉매로서 나트륨 메톡사이드를 적가시키고 다시 4 시간 동안 가열하여 제조되는 에스테르화된 카놀라 오일이다.
천연 계면활성제는 534∼600 그램의 카놀라 오일을 아르곤 대기에서 디에타놀 아민 180∼210 그램의 비율로 함께 반응시키고, 1 시간동안 180 ℃에서 가열하고, 촉매로서 나트륨 메톡사이드(메타놀에서 25%) 8∼10 그램의 입자의 적가하고, 다시 4시간 동안의 연속적인 가열에 따른 에스테르화된 카놀라 오일을 제조하는 것이다.
본 발명에 따른 유화 연료는 (a) 5∼15 중량%의 물, (b) 5∼26 중량%의 천연 계면활성제, (c) 3∼12 중량%의 공-계면활성제(co-surfactant), 및 (d) 35∼86.2 중량%의 디젤 연료로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로에멀션은 수용액 상에서 물과 섞인 계면활성제의 양은 수용액의 상에서 물, 디젤과 공-계면활성제의 전체 무게에 기초하여 5∼26 중량% 범위에 있는 것을 특징으로 한다. 마이크로에멀션에서 수용액 상의 부피 부분이 5-26 부피% 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
상기 물은 50∼250 nm 범위의 평균 직경을 갖는 입자 형태로 상기 디젤 연료 상에 분포된다.
상기 공-계면활성제는 2-메톡시에탄올인 것이 바람직하고, 천연 계면활성제가 10∼24 개의 탄소 원자를 가는 것이 바람직하다.
본 발명의 유화 연료 조성물은 디젤 및 수분 상에서 용해할 수 있는 더 적은 양(1중량% 미만)의 첨가제를 포함할 수 있다. 상기 첨가제로는 옥탄값 향상제, 부식 억제제, 금속 불황성제, 부동액, 산화방지제 등이 있지만, 상기 조성물이 의도하고자 하는 여건에 따라 좌우되기 때문에, 반드시 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 유화 연료 조성물은 비가역 분리의 위험 없이 다양한 기후적인 조건에서 저장될 수 있기 때문에, 광범위한 온도 범위 내에서 안정적이다. 게다가, 상기 조성물은 계면 활성제 및 공-계면활성제에 대해서 비교적 더 많은 물의 양을 함유하고 있다. 또한 연료 조성물이 연소될 때, 더 적은 양의 일산화탄소, 질소 산화물 및 재(ash)를 만들어 내면서 연소한다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
반응 원료: KAM Biotechnology Ltd.의 카놀라 오일; Aldrich Corporation의 98.5 % 디에타놀아민; 메탄올에서의 25 중량% 용액의 소듐 메톡사이드; 아르곤(일반 산업용)
반응 세트: 온도 탐침, 온도 조절기, 환류 응축기, 적하 깔때기, 질소 흡입구, 플라스크, 자석 젓개
천연 계면활성제(마이크로에멀시화제)의 조제:
카놀라 오릴의 2670 g과 98.5% 디에타놀아민의 960 g이 냉각 장치와 함께 4구 플라스크에서 교반하여 혼합하고, 질소에 의해 보호되고, 180 ℃의 반응 온도로 가열한 후, 1 시간 동안 그 상태를 유지한다. 그 후, 나트륨 메톡사이드 45 g(메탄올에서의 25 중량% 용액)을 느린 속도로 그 반응 장치에 적하한다. 만일 적하 속도가 너무 빠르면, 상기 반응계는 위험해질 수 있다. 반응장치는 4 시간 동안 유지된다. 전체 반응시간은 5시간이 된다. 상기 장치를 냉각할 때 생성물질인 천연계면활성제가 생성된다.
상기의 천연계면활성제에 대하여 HPLC와 GC 분석을 행하여 카놀라 오일의 디에탄올 아민 에스테르인 새로운 생성물이 생성되었음을 알 수 있었다.
유화 연료(마이크로에멀션)의 조제:
마이크로에멀션화제, 물, 디젤 연료 및 알코올의 혼합물을 30분 동안 저어서 마이크로에멀션을 제조한다.
(1) 디젤 오일 80 중량부, 물 10.6 중량부, 마이크로에멀션화제 11 중량부, 및 2-메톡시에탄올 4.9 중량부를 혼합하여 마이크로에멀션을 제조한다.
(2) 디젤 오일 80 중량부, 물 5 중량부, 마이크로에멀션화제 10 중량부, 및 2-메톡시에탄올 5.6 중량부를 혼합하여 마이크로에멀션을 제조한다.
(3) 디젤 오일 80 중량부, 물 10 중량부, 마이크로에멀션화제 10 중량부, 및 2-메톡시에탄올 12 중량부를 혼합하여 마이크로에멀션을 제조한다.
실시예 1A-1J
물, 계면활성제(마이크로에멀션화제), 알코올(공-계면활성제), 및 디젤 연료의 혼합물을 30분 동안 저어서 유화 연료를 다음 표1과 같이 제조한다.
실시예 물(wt%) 계면활성제(wt%) 공-계면활성제(wt%) 디젤(wt%)
1A 5.4 5.4 3 86.2
1B 6.3 6.3 3.1 84.3
1C 7.2 7.2 3.6 82
1D 8 8 4 80
1E 8.8 8.8 4.3 78.1
1F 9.6 9.6 4.5 76.3
1G 10.3 10.3 4.8 74.6
1H 11 11 5 73
1I 11.6 11.6 5.3 71.5
1J 12.2 12.2 5.6 70
실시예1A-1J에 대하여 질소산화물(NOx), 미립자(PM: particle matters) 및 매연을 측정하여 표2에 나타내었다.
실시예 질소산화물(Nox) 미립자(PM) 매연
1A 1.40% 28.00% 10.30%
1B 1.62% 30.20% 14.50%
1C 1.80% 32.00% 18.00%
1D 2.00% 33.00% 21.00%
1E 2.10% 34.00% 23.60%
1F 2.21% 34.60% 28.00%
1G 3.30% 35.20% 32.40%
1H 2.80% 36.00% 36.00%
1I 3.50% 37.70% 41.00%
1J 2.80% 38.80% 46.90%
본 실시예에서 사용된 디젤 연료는 LG 칼텍스 정유(주)의 제품이고, 상기 표 2에 나타난 실험 결과는 LG 칼텍스 정유(주)의 디젤 연료에 대하여 본 발명의 유화연료가 각각 질소산화물(NOx), 미립자(PM: particle matters) 및 매연에서 나타나는 평균 저감율이다. 이 실험은 EC-13 모드(mode)에 의하여 엔진을 테스트하는 법규화된 방법으로, 하나의 모드당 6분 정도씩 RPM과 Load를 변화시켜주면서 13모드 동안 실행하여 평균 저감율을 나타낸 것이다.
본 발명은 불필요한 매연, 미립자, 유독성 가스, 유해 가스 등을 현저하게 감소시키고 선명하고 안정화된 유화 연료를 제조하기 위한 천연 계면활성제 및 그 제조 방법을 제공하고, 이를 함유한 유화 연료를 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (9)

  1. 카놀라 오일(canola oil)을 아르곤 대기에서 디에탄올 아민으로 반응시켜 180 ℃에서 1 시간 동안 가열시키고 촉매로서 나트륨 메톡사이드를 적가시키고 다시 4 시간 동안 가열하여 제조되는 것을 특징으로 하는 유화 연료용 천연 계면활성제인 에스테르화된 카놀라 오일.
  2. 제1항에 있어서, 상기 천연 계면활성제는 10∼24 개의 탄소 원자를 갖는 것을 특징으로 하는 에스테르화된 카놀라 오일.
  3. 카놀라 오일(canola oil)을 아르곤 대기에서 디에탄올 아민으로 반응시키고;
    상기 반응물을 180 ℃에서 1 시간 동안 가열시키고;
    상기 반응물에 촉매로서 나트륨 메톡사이드를 적가시키고; 그리고
    상기 반응물을 4 시간 동안 더 가열하는;
    단계로 제조되는 것을 특징으로 하는 유화 연료용 천연 계면활성제인 에스테르화된 카놀라 오일의 제조 방법.
  4. (a) 5∼15 중량%의 물, (b) 5∼26 중량%의 천연 계면활성제, (c) 3∼12 중량%의 공-계면활성제(co-surfactant), 및 (d) 35∼86.2 중량%의 디젤 연료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유화 연료.
  5. 제4항에 있어서, 상기 물은 50∼250 nm 범위의 평균 직경을 갖는 입자 형태로 상기 디젤 연료 상에 분포되는 것을 특징으로 하는 유화 연료.
  6. 제4항에 있어서, 상기 공-계면활성제는 2-메톡시에탄올인 것을 특징으로 하는 유화 연료.
  7. 제4항에 있어서, 상기 천연 계면활성제는 10∼24 개의 탄소 원자를 갖는 것을 특징으로 하는 유화 연료.
  8. 제4항에 있어서, 상기 천연 계면활성제의 양이 유화 연료 전체 부피에 대하여 5∼26 부피%인 것을 특징으로 하는 유화 연료.
  9. 제4항에 있어서, 옥탄값 향상제, 부식 억제제, 금속 불황성제, 부동액, 및/또는 산화방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유화 연료.
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