KR101537159B1

KR101537159B1 - 이온연료(항공유용)

Info

Publication number: KR101537159B1
Application number: KR1020130095990A
Authority: KR
Inventors: 반상식; 류영호
Original assignee: 금종자원개발주식회사
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2015-07-16
Also published as: KR20150020393A

Abstract

본 발명은 이온물질을 연료로 이용하여 기존 화석연료에 첨가함으로써 연료절감 효과를 누리고자 개발된 새로운 이온연료에 관한 기술이다.
이온물질은 연료로 활용시 기존 화석연료보다 수배에서 수십 배의 에너지를 지니기 때문에 기존 화석연료에 극소량 첨가하여 연소시킬 경우 완전연소 효율이 증진되는 동시에 많은 에너지를 확보할 수 있으므로 화석연료를 상당량 절약할 수 있다.
본 발명은 이온물질과 안정제를 혼합하여 구성한 이온연료로 화석연료의 한 종류인 항공유에 미량 첨가할 경우 높은 에너지원으로 작용하여 연료가 절감되는 새로운 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이온연료는 제작이 용이하고 가격이 저렴하여 대중화가 가능하고 필요에 따라 그 첨가량을 조절하여 연료절감효과를 높일 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한 완전연소를 촉진하여 완전연소효율을 증진시킴으로써 화석연료를 연소시킬 때 발생하는 매연을 줄이고 환경보호에도 기여할 수 있는 잇점을 지니고 있다.

Description

이온연료(항공유용){The Ion-fuel (Addition in the air fuel)}

본 발명은 이온물질에 안정제를 혼합하여 제조한 이온연료에 관한 것으로, 화석연료에 소량 첨가할 경우 높은 에너지 발생과 완전연소 유도 등의 기능을 수행하여 연료를 절약하고 매연을 감소시키는 친환경적 연료에 관한 기술이다.

이온(ion)이란 전하를 띤 원자나 원자단을 의미한다. 양전하를 띤 이온을 양이온(cation), 음전하를 띤 이온을 음이온(anion)이라 부른다. 본래 모든 결합을 채운 원자나 원자는 대체로 안정하며 그 총전하가 0, 즉 중성이다. 하지만 극성 공유 결합이나 이온 결합 혹은 배위 결합을 하는 분자가 극성 분자 용매에 용해되는 등으로 인해 에너지를 얻거나 잃었을 경우 전자가 한 쪽으로 치우치게 되며, 오비탈이 안정되면 이들이 분리되게 된다. 기체 분자도 일정량 이상의 에너지를 가진 전자를 충격하거나, 고에너지의 전리성 방사선이나 진공자외선을 조사(照射)함으로써 이온이 될 수 있다. 물론 중성 분자나 원자단으로부터 형성된 이온의 전하의 합 또한 0이다. 전에는 전해질이 이온으로 되는 경우를 포함해서 전리(電離)라고 하였으나, 지금은 기체나 용해된 상태인 경우만을 이온화라고 한다.

한 개의 원자로 구성된 이온을 단원자 이온이라 하고, 여러 개의 원자로 이루어진 이온을 원자단 혹은 다원자 이온이라 한다. 핵에 있는 양성자보다 전자가 더 많아 음으로 하전된 이온을 음이온(애니온:anion)이라 한다.

영국의 과학자 패러데이가 전기분해 때, 용액 속에서 애노드(+극)에 끌려가므로 이 이름이 붙었다. 한편, 양으로 하전된 이온을 양이온(캐타이온:cation)이라 부른다. 캐소드(-극)으로 이동하므로 지어진 이름이다. 이온의 표기는 이온생성시 잃거나 얻은 전자 개수에 전자를 얻으면 (-), 잃으면 (+) 부호를 붙여 나타낸다. 예를 들어, 수소 원자가 전자를 하나 잃어 (+)로 하전 된 수소 이온은 H+로 나타낸다.

이온의 형성에 관하여 살펴보면 다음과 같다. 원자가 전자는 일정량의 전자수를 유지하려는 경향이 있다. 그러기 위해 때로 전자를 다른 원자에 보내거나 다른 원자에 있는 전자를 얻어 전체적으로 전기적으로 중성이 깨지면서 이온이 된다. 원자단 이온과 분자 이온은 중성분자에 수소 이온과 같은 기본 이온과의 조합에 의해 형성되거나 중성분자가 기본 이온을 잃어버려 형성된다. 이런 종류에는 산과 관련된 반응에서 나타난다. 예를 들어 암모니아(NH3) 같은 경우 기본이온인 수소이온(양성자)를 하나 받아 암모니움이온(NH4+)이 된다. 이 경우 전자의 이동에 의해 이온화가 되면 안정적이지 않은 암모니아이온(NH+3)이 되는데, 이는 라디칼이온(radical ion)으로 분류된다. 기체분자도 일정량 이상의 에너지를 가진 전자를 충격하거나, 고에너지 방사선이나 자외선을 조사함으로써 이온이 된다.

이온의 종류를 정리하면 다음과 같다.

양이온 : 양으로 하전된 이온, 캐타이온

음이온 : 음으로 하전된 이온, 애니온

라디칼 이온 : 홀수 개의 전자를 가지고 있고 매우 활동적이고 불안정한 라디칼로부터 구성된 이온

플라즈마 : 가스 상태에 있는 이온의 집합을 플라즈마라 한다. 이는 기체, 액체, 고체와 성질이 다르므로 제4의 물질의 상태라 일컫는다. 눈에 보이는 우주의 99.9% 이상이 전자와 양성자로 이루어진 우주 플라즈마로 이루어져 있다.

위에서 이온의 일반적인 사항을 살펴보았다. 이온을 연료로 활용한 엔진이 [0010] 바로 이온엔진이다. 이온엔진이란 플러스나 마이너스 전기를 띤 이온분자를 전기장 안에서 가속시켜 그 반동으로 추진력을 얻는 엔진을 의미한다. 플라스마엔진과 함께 대표적인 차세대 엔진으로 꼽힌다. 그러나 플라스마엔진이나 기타 다른 차세대 엔진보다 실용화가 빠르게 진행되고 있는 엔진으로, 플러스나 마이너스 전기를 띤 이온분자를 전기장 안에서 가속시켜 그 반동으로 추진력을 얻는다. 최초의 이온엔진은 1998년 10월 미국항공우주국(NASA)이 새로운 기술을 실험하기 위해 우주로 발사한 우주 탐험선 디프 스페이스(Deep Space) 1호이다. 디프 스페이스 1호에 장착된 이온엔진은 지구의 중력에 훨씬 못미치는 가속도를 낸다. 그러나 태양 빛을 모아서 크세논 원자를 이온화한 뒤, 이 이온 입자들이 강한 전기장 안에서 빠르게 가속되면서 뒤로 방출되고, 그 반동으로 추진력을 얻어 태양계를 가로지를 만큼 빠르게 전진할 수 있도록 만들어졌다. 디프 스페이스 1호는 이온엔진을 이용해 1999년 7월 소행성 1992KD에 접근해 이 소행성을 관찰하고, 2001년 9월에는 지구에서 1억 3700만km 떨어진 보렐리혜성에 접근해 사진을 찍어 지구로 보내기도 하였다. 그 후 우주개발 역사상 가장 긴 670일 동안의 우주비행을 마치고 우주 속으로 사라졌는데, 그 동안 사용한 크세논 연료는 겨우 72kg이었다. 이처럼 이온엔진은 연료 효율이 높아 같은 양의 연료로 화학엔진의 10배에 달하는 추진력을 얻을 수 있다.

위에서 살펴본 바와 같이 이온을 연료로 활용할 경우 화석연료를 활용할 경우보다 수배에서 수십배의 에너지원을 확보할 수 있다. 이러한 이온연료의 장점을 활용하여 화석연료에 첨가하여 사용할 수 있는 이온연료를 개발할 경우 다량의 에너지 확보로 연료가 절감되고 완전연소가 유도되는 신기술의 적용이 가능하다.

KR 등록특허 등록번호 제10-1075682호 (2011.10.14)

본 발명은 이온물질에 안정제를 혼합함으로써 이온물질이 화석연료와 활발하게 안정적으로 혼합될 수 있도록 함으로써 화석연료가 연소될 때, 이온연료도 화석연료내에 확산되어 함께 잘 연소될 수 있도록 돕는 기능을 수행하도록 개발하고자 한다.

본 발명에 따른 이온연료는 화석연료에 잘 확산되어 화석연료와 함께 연소되면서 많은 에너지를 발생시켜 결과적으로 많은 화석연료를 절약하고 동시에 완전연소를 촉진시켜 매연을 줄임으로써 환경보호에도 기여하고자 하는 데 그 주된 목적이 있다.

본 발명에 따른 이온연료는 크게 이온물질과 안정제로 구분되어 진다. 이온물질은 연소되어 고에너지를 발생시키는 에너지원으로 활용되어지고, 안정제는 이온물질의 화학적 안정을 돕는 동시에 이온물질이 화석연료인 항공유와 잘 혼합되도록 돕는 역할을 아울러 수행한다. 다시말해, 안정제는 이온물질이 항공유에 빠른 시간 내에 골고루 확산되어 잘 퍼지게 함으로써 화석연료가 연소될 때 이온물질도 함께 잘 연소될 수 있도록 돕는 기능을 수행하는 것이다.

본 발명에 따른 이온연료를 항공유와 같은 화석연료에 미량 투입하여 함께 연소시킬 경우 다량의 에너지발생으로 높은 연료절감효과를 경험할 수 있다. 또한 완전연소가 촉진되므로 매연발생량이 현저히 감소하여 환경보호에도 크게 기여할 수 있다. 용도에 따라 이온연료의 첨가량을 적절히 조절하여 사용할 경우 높은 연료절약 효과를 거둘 수 있다.

또한 저렴한 가격에 양산이 가능하므로 대중화에도 크게 기여할 수 있는 새로운 기술이다.

본 발명에 따른 이온연료는 크게 이온물질과 안정제로 구분되어 진다. 이온물질은 연소되어 고에너지를 발생시키는 에너지원으로 활용되어지고, 안정제는 이온물질의 화학적 안정을 돕는 동시에 이온물질이 화석연료인 항공유와 잘 혼합되도록 돕는 역할을 아울러 수행한다. 다시말해, 안정제는 이온물질이 항공유에 빠른 시간내에 골고루 확산되어 잘 퍼지게 함으로써 화석연료가 연소될 때 이온물질도 함께 잘 연소될 수 있도록 돕는 기능을 수행하는 것이다.

본 발명에 따른 항공유에 첨가하여 연료를 절감하고자 하는 목적으로 개발된 이온물질은 "은(Ag⁺) 이온, 알루미늄(Al⁺³) 이온"이며 그 구성비는 아래 [표 1] 에서 기술하고 있다.

본 발명에 따른 이온물질에 혼합하여 항공유와 혼합시, 이온물질의 확산을 돕는 안정제는 "테르피네올(terpineol), 보르네올(borneol), 캄펜(camphene)"이며 그 구체적인 구성비는 아래 [표 1] 에서 기술하고 있다.

본 발명에 따른 이온연료의 구성 물질에 관하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

은(silver, 銀)은 주기율표 11족 5주기에 속하는 전이금속으로 원소기호는 Ag이다, 원자량 108g/mol, 녹는점 961.78℃, 끓는점 2162℃, 밀도 10.49 g/cm3이다. 회백색의 광택이 있고 공기나 물과 쉽게 반응하지 않고 빛을 잘 반사해 반짝거려 장신구를 만드는 데 많이 사용하는 귀금속이다. 고대의 은의 주요 공급원은 방연석(方鉛石)으로 고고학적 발굴에서는 납과 같이 산출되는 경우가 많다. 이미 BC 3000년경의 이집트·메소포타미아의 고대 유적으로부터 발견되며 바빌로니아 제국시대의 은제 항아리 등이 출토되었다. 은화는 BC 6세기의 리디아 왕국에서 처음으로 제조되어 그리스·로마로 이어졌다. 금이 태양을 상징하는 데 대해서 은은 그 빛깔로부터 초승달과 결부되어 달의 여신으로 숭배되었고 중세의 연금술(鍊金術)에서도 취급되었다. 원소기호 Ag는 라틴어로 은을 뜻하는 argentum에서 따온 것이고, 프랑스어의 argent 또한 여기서 유래한다. 영어의 silver와 독일어의 Silber는 아시리아어의 은을 뜻하는 sarpu에서 온 말이라고 한다. 일반적으로 회백색의 금속이지만 가루의 경우 회색을 띠기도 한다. 금속 중 금(金) 다음으로 전성(展性, 얇게 펴지는 성질)과 연성(延性, 가늘고 길게 늘어나는 성질)이 커서 매우 얇은 은박(銀箔)도 만들 수 있다. 또한 열과 전기를 가장 잘 전달하며 가공성과 기계적 성질이 매우 좋다. 은과 금, 백금 등의 금속은 공기나 물과 쉽게 반응하지 않는다. 빛을 잘 반사해 반짝거려 장신구 등을 만드는 데 많이 사용하고, 산출량이 적어 가격이 비싸므로 귀금속이라고도 한다. 전성·연성은 금에 이어 크며 융해하면 공기 중에서 다량의 산소를 흡장(吸藏)하며 응고할 때는 이를 격렬하게 방출한다. 열·전기의 전도성은 금속 중 가장 크다. 물과 대기 중에서는 안정하여 녹이 잘 슬지 않지만, 오존에서는 흑색의 과산화은으로, 황이나 황화수소에서는 흑색의 황화은으로 변한다. 보통의 산이나 알칼리에는 녹지 않지만 질산과 따뜻한 황산에는 녹아서 질산은·황산은이 되며, 보통 화합물에서의 산화수는 +1가와 +2가이다. 천연동위원소로 107Ag(51.8% )와 109Ag(48.2%)가 존재하며 20여 개의 합성된 방사성동위원소가 알려져 있다. 은은 Ag2S나 AgCl 형태로 광석에서 발견되며 이를 제련할 때에는 금의 경우와 마찬가지로 시안화법·건식법이 있다.

1. 시안화법 : 자연은, 염화은, 비교적 순수한 황화은 등이 원료인 경우에 사용된다. 일반적으로 원료광석 중에 불순물이 많고 채취율은 50∼70%로 그다지 좋지 않다. 이로 인해서 가급적 미세하게 세분하여 시안화액의 농도를 높여(0.3∼0.5%), 충분히 교반하고 침출시간을 길게하여 산소를 제거하여 수율을 높이고 있다(80∼90%). 금에 비해서 제련비가 비싸기 때문에 많은 경우 독립적으로 은제련을 하지 않고 금제련과 함께 행한다.

2. 건식법 : 금의 경우와 꼭 같으며 구리·납의 제련의 경우에 광석을 같이 집어넣고 구리·납과 같이 뽑아내고 최후에 분리한다. 이상에서 얻은 조은(粗銀)은 전기분해정련에 의해서 정제한다.

전체 공급량의 약 15%가 화폐 제조에 사용된다. 70% 이상이 가공성과 기계적 성질이 좋아서 산업용으로 쓰인다. 은 도금, 베어링, 사진공업, 주방기기, 땜납, 치과용 등으로 넓게 활용된다. 예부터 귀금속으로 여겨져 보석함, 목걸이나 반지와 같은 장신구를 만드는 데 이용하였다. 열 및 전기전도율이 금속 중 가장 높기 때문에 매우 정교한 기계장치에 은 전선을 사용한다. 일반 전선에는 경제적인 이유로 구리를 사용한다. 순은(純銀)은 너무 무르기 때문에 여러 가지 금속과 합금하여 사용한다.

알루미늄(Aluminium/Aluminum)은 주기율표 13족에 3주기에 속하는 금속 원소로 원소기호는 Al, 원자량은 26.981g/mol, 녹는점은 660.32℃, 끓는점 2519℃, 밀도는 2.7g/cm3이다. 은백색의 가볍고 무른 금속으로 지구의 지각을 이루는 주 구성 원소 중 하나이다. 가볍고 내구성이 큰 특성을 이용해 원자재 및 재료로 많이 사용된다. 알루미늄은 산소와 규소 다음으로 지구상에 많은 원소이나 알루미늄의 비교적 큰 산화성 때문에 다른 금속에 비해 늦게 분리되었다. 고대에는 산화알루미늄 등의 산화물 형태로 알려져 있다가 전기분해로 정제기술이 개발되면서 18세기 때 처음으로 순수하게 분리되었다. 1825년 덴마크 화학자인 한스 크리스티안 외른스테드에 의해 발견되었으며 알루미늄(Al)은 라틴어인 alumen(alum)에서 유래하였다. 알루미늄은 산소, 실리콘과 함께 지구의 지각을 이루는 주 구성 원소 중 하나이다. 지구상에 다량으로 널리 존재하는 데 클라크수는산소·규소에 이어 제3위이며 금속원소로는 제1위이다. 각종 금속의 알루미노규산염으로서 암석·토양의 주성분이다. 광석으로는 장석(長石)·운모·빙정석(氷晶石)·반토(礬土)·도토(陶土) 등이 있으며 산화물로는 루비(홍옥)·사파이어(청옥)·강옥(鋼玉:코런덤) 등 보석도 많다. 은백색의 부드러운 금속으로 전성(展性)·연성(延性)이 커서 박(箔)이나 철사로 만들 수 있다. 성질은 순도에 따라 다르며 전기의 양도체이며 비저항은 구리의 약 1.6배이다. 비중으로 보아 전형적인 경금속이다. 공기 중에 방치하면 산화물의 박막(薄膜)을 생성하여 광택을 잃지만 내부까지 침식되지는 않는다. 공기 중에서 녹는점 가까이 가열하면 흰 빛을 내며 연소하여 산화알루미늄이 된다. 이때 높은 온도가 되므로 분말을 써서 금속의 야금(治金)이나 용접을 한다. 질소·황·탄소 등과 직접 화합하여 질소화물·황화물·탄화물이 되며, 할로겐과도 작용하여 염화물·브롬화물 등을 만든다. 산에 녹아 염을 만들지만 진한 질산에는 잘 침식되지 않고 알칼리에 녹아 수소를 발생하며 알루민산염이 된다. 천연의 안정한 동위원소는 27Al(100%)가 존재하며 방사성동위원소 26Al이 미량 존재한다. 알루미늄을 생산하는 원료는 산화알루미늄이 함유된 보크사이트를 사용하며, 보크사이트에서 산화알루미늄의 분리는 베이어 처리(Bayer process)를 이용한다. 정제된 산화알루미늄은 홀-헤럴트 처리에 의해서 전기분해 되어 순수한 알루미늄(Al)으로 정제된다. 지구에 존재하는 원소 질량의 8.2%나 차지하는 알루미늄의 풍부함과 알루미늄의 순수 정제 가능으로 인해 알루미늄의 사용은 급증하게 되었다. 전성과 연성이 뛰어나고 전기 전도성이 좋아 고압 전선의 재료로 쓰인다. 산소와 쉽게 반응하지만 산화 피막(산화 알루미늄) 형성 후 피막이 산소 접촉 차단제 역할을 하므로 녹이 잘 슬지 않아 창틀의 재료와 같은 광택이 오래 지속될 수 있는 부분에 많이 쓰인다. 가볍고 녹이 잘 슬지 않아 알루미늄 캔을 제조할 때 쓰인다. 열 전도성이 커서 주방용기 등의 재료로 쓰인다. 가볍지만 강도가 약한 알루미늄의 단점을 보완하고자 강도를 강화시켜 합금을 만들어 사용한다.(예: 두랄루민) 알루미늄 호일을 만드는데 사용되며 가볍고 내구성이 큰 특성을 이용해 항공기, 선박, 차량의 주요 재료로 쓰인다.

테르피네올(terpineol)이란 1,8-테르핀에서 1분자의 물이 떨어져 나가 생기는 알코올의 총칭이다. 라일락 향기가 나는 액체인데, α-테르피네올·β-테르피네올·γ-테르피네올의 3종이 존재하며 향료의 원료로 사용된다.화학식 C10H180. 라일락과 같은 향기가 나는 액체로, 끓는점은 214∼224℃이다. 아래의 식에 나타낸 바와 같이, α-테르피네올·β-테르피네올·γ-테르피네올의 3종이 알려져 있다. 주성분은 α-테르피네올이다. β-테르피네올은 천연으로는 존재하지 않으며, α-테르피네올의 광학이성질체는 식물의 정유(

油) 성분으로서 널리 분포한다. 시판되고 있는 테르피네올은 1,8-테르핀을 묽은 산으로 탈수하여 얻는다. 향료의 원료로 사용된다.

보르네올(borneol)이란 모노테르펜알코올의 일종으로 우회전성 d 및 좌회전성 ℓ의 두 이성질체가 일찍부터 알려져 있다. 식물로부터는 수증기 증류로 얻고, 일반적으로는 장뇌의 환원 또는 피넨에 유기산을 작용시키는 합성법으로 얻는다. 각종 화장품·의약·청량제 등에 쓰인다.용뇌(龍腦) 또는 보르네오 장뇌(樟腦)라고도 한다. 분자량 154, 녹는점 203～204℃이다. 상온에서 휘발하고 가열하면 승화한다. 이전에는 희귀약품 또는 향료로 중용되었다. d-보르네올은 보르네오섬·수마트라섬에서 생산되는 용뇌수(龍腦樹)의 정유(

油)나 로즈마리·라벤더유(油) 속에 함유되고, ℓ-보르네올은 쥐오줌풀기름 속에 유리(遊離) 또는 에스터 형태로 함유된다. 육방정계의 조각 모양 결정으로서 약간 장뇌와 비슷한 향기가 있으며 결정을 두드리면 금속성 소리가 난다. 식물로부터는 수증기 증류에 의해 얻어지고, 일반적으로는 장뇌의 환원 또는 피넨에 유기산을 작용시키는 등의 합성법에 의해 얻을 수 있다. 각종 화장품·의약·청량제 등에 쓰이며, 특히 힌두교도는 이것을 향료로 쓰고 있다. 라세미체(體)도 여러 가지 정유 속에서 발견되며, 입체이성질체인 아이소보르네올도 있다.

캄펜(camphene)은 테르펜류에 속하는 불포화탄화수소로 무색의 결정을 띠며 장뇌의 합성이나 향료의 원료로 쓰인다. 화학식은 C10H16이다. 무색의 장뇌 비슷한 냄새가 나는 결정으로 물에는녹지 않지만 에탄올이나 에테르 등의 유기용매에는 잘 녹는다. 우회전성을 가진 D형은 삼나무·노송나무의 가지·잎의 정유(

油)나 생강의 뿌리·줄기에 함유되어 있고, 좌회전성인 L형은 소나무 잎의 정유에 함유되어 있다. 라세미형은 여러 가지 정유의 성분으로 존재한다. 장뇌의 합성, 향료의 원료 등에 주로 사용된다.

위에서 언급한 물질들로 구성된 이온연료의 구성비를 살펴보면 [표 1] 과 같다.

상기한 구성비는 반복 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과이다. 위의 구성비에 따른 이온물질은 항공유와 함께 연소되어 에너지를 발생시키는 역할을 수행하며, 위의 구성비로 구성된 안정제는 이온물질이 항공유 내에서 골고루 잘 확산될 수 있도록 하는 기능을 담당하여, 이온물질이 잘 연소될 수 있도록 돕게 된다.

[실시예]

50리터(L)의 항공유에 본 발명에 따른 이온연료 25ml(2,000:1의 비율로 투입)를 [표 1]의 혼합비로 제조하여 투입한 결과 [표 2] 와 같은 결과가 나왔다. 실험은 항공기 실험이 불가능하여 항공유용 난로를 특별 제작하여, 항공유용 난로의 연료소비량실험으로 실행하였으며, 동일한 조건하에서 실험을 실시하였다. 그리고 연료소비량은 동일한 항공유용 난로로 10분간 실험한 결과이다.

Claims

은(Ag⁺)이온 1.5-2.5wt％, 알루미늄(Al⁺³)이온 4.5-5.5wt％"의 구성비가 되도록 구성한 '이온물질'과 "테르피네올(terpineol) 27-33wt％, 보르네올(borneol) 35-45wt％, 캄펜(camphene) 20-26wt％로 구성된 '안정제'를 혼합하여 구성한 다음, 항공유에 2,000:1의 비율로 첨가하여 연료절약효과를 거두기 위한 목적으로 제조한 "항공유 첨가용 이온연료."