KR101538570B1 - 제설제 조성물의 제조방법 - Google Patents

제설제 조성물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상에 목재 처리 부산물 및 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자 중 하나 이상을 혼합하는 단계를 포함하는 제설제 조성물의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 제설제 조성물의 제조방법에 따르면, 목재 처리 부산물을 별도의 후속 처리 또는 정제 공정을 거치지 않고 그대로 사용할 수 있어 공정이 간단하고 경제적인 동시에 친환경적이고, 제설 성능 및 재결빙 방지 성능이 향상된 제설제 조성물을 제공할 수 있다.

Description

제설제 조성물의 제조방법{PRODUCING METHOD OF DEICER COMPOSITION}
본 발명은 제설제 조성물의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 목재의 섬유화 과정에서 발생되는 목재 처리후 부산물 부산물 또는 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자를 이용한 제설제 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
현재 제설제로 사용되는 염화칼슘 및 염화나트륨 등이 다량으로 도로에 살포되고 있다. 이러한 제설제는 염화물이 함유된 물질로 금속에 대한 부식성이 크며 도로 손상, 자동차 하부 및 건축물의 외관 손상을 유발한다. 최근 도로에 흔히 발생하는 포트홀의 경우 과도한 제설제의 사용이 그 이유로 대두되고 있다. 또한 제설제의 염소 성분으로 인해 가로수가 고사하고 하천이 오염되는 등의 문제점을 유발한다. 이에 더하여 고상 염화물 제설제는 도로 살포 작업 시 어려움이 있고, 일정하게 살포되지 않아 살포 후 뭉치는 현상이 있어 반응 속도가 느리다는 단점이 있었다. 또한, 제품 저장 시 수분 흡수력이 매우 크기 때문에 주변의 수분을 흡습하여 뭉치게 되어, 사용을 위해서는 재분쇄하여 사용해야 하는 어려움이 있었다.
미국 등록특허 제5064551호에는 알칼리 금속의 아세트산, 포름산, 인산, 질산염에 대한 액상 친환경 제설제의 조성물이 개시되어 있다. 하지만 이렇게 개발된 친환경 제설제의 제설 효과가 기존 염화물 제설제에 미치지 못하거나 가격이 고가라는 단점 때문에 사용이 일부 특수 용도로 한정되어 있다. 또한, 제설제 원료로 공정폐수를 이용하는 경우 그 공정이 복잡하고 화학 처리 및 정제 공정으로 인해 경제성이 맞지 않는다는 치명적인 단점을 가지고 있다.
미국 등록특허 제5064551호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 목재의 섬유화 과정에서 발생되는 목재 처리 부산물을 별도의 후속 처리 또는 정제 공정을 거치지 않고 바로 사용할 수 있어 간편하고 경제적이며 친환경적이면서 제설 성능 및 재결빙 방지 성능이 우수한 제설제의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상에 목재 처리 부산물 부산물 및 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자 중 하나 이상을 혼합하는 단계를 포함하는 제설제 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 목재 처리 부산물은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 함유할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 목재 처리 부산물은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 부산물이 함유된 용액 총 중량에 대하여 0.1 내지 20중량% 함유하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 무기염화물은 염화나트륨, 염화칼슘, 염화칼륨, 염화암모늄 및 염화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 유기산염은 나트륨아세테이트, 나트륨포메이트, 칼륨아세테이트, 칼륨포메이트, 칼슘아세테이트, 마그네슘아세테이트 및 마그네슘포메이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상은 조성물 총 중량에 대하여 5 내지 45중량%이고, 상기 목재 처리 부산물 및 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자 중 하나 이상은 조성물 총 중량에 대하여 55 내지 95중량%일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제조방법은 목재에 물 또는 스팀을 가하여 섬유화하는 동안 발생되는 목재 처리 부산물을 얻는 단계; 및 상기 목재 처리 부산물을 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상에 혼합하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 유기산염은 나트륨아세테이트 및 나트륨포메이트가 2:8 내지 7:3의 중량비로 혼합된 것일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제설제 조성물은 액상 또는 고상일 수 있다.
본 발명의 제설제 조성물의 제조방법에 따르면, 목재 처리 부산물을 별도의 후속 처리 또는 정제 공정을 거치지 않고 그대로 사용할 수 있어 공정이 간단하고 경제적인 동시에 친환경적이고, 제설 성능 및 재결빙 방지 성능이 향상된 제설제 조성물을 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상에 목재 처리 부산물 및 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자 중 하나 이상을 혼합하는 단계를 포함하는 제설제 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 발명자들은 연구 끝에 기존에 알려진 제설제로서 무기염화물 또는 유기산염에 대하여, 목재 처리 부산물을 가하여 혼합하는 경우 제설제로서의 제설능 및 재결빙 방지 성능이 향상되는 것을 발견하였다.
본 발명에서 무기염화물 및 유기산염은 일반적으로 알려진 제설제로 작용하는 모든 무기염화물 및 유기산염이면 특별히 한정되지 않는다. 무기염화물 단독, 유기산염 단독, 또는 무기염화물 및 유기산염의 혼합물이 사용될 수 있다. 본 발명에서 상기 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상은 조성물 총 중량에 대하여 5 내지 45중량%일 수 있고, 바람직하게 25 내지 45중량%, 더욱 바람직하게 30 내지 40중량%일 수 있다. 이에 따라 상기 목재 처리 부산물은 조성물 총 중량에 대하여 55 내지 95중량%일 수 있다.
본 발명에서 상기 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상이 5중량% 미만이면 제설제 조성물의 융빙 역할이 미약하고, 반대로 45중량% 초과이면 부식성이 높아지거나 조성물의 온도 저하 시 고상화되는 문제가 발생한다.
상기 무기염화물은 예를 들어 염화나트륨, 염화칼슘, 염화칼륨, 염화암모늄 및 염화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있고, 바람직하게 염화나트륨, 염화칼슘, 및 염화마그네슘일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기산염은 알칼리아세테이트 및 알칼리포메이트 중 하나 이상일 수 있고, 예를 들어 나트륨아세테이트, 나트륨포메이트, 칼륨아세테이트, 칼륨포메이트, 칼슘아세테이트, 마그네슘아세테이트 및 마그네슘포메이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
바람직하게 상기 유기산염은 알칼리아세테이트 및 알칼리포메이트의 혼합물, 구체적으로 나트륨아세테이트 및 나트륨포메이트의 혼합물일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 알칼리아세테이트 및 알칼리포메이트의 혼합물은 알칼리아세테이트 및 알칼리포메이트가 2:8 내지 7:3의 중량비, 바람직하게 3:7 내지 7:3, 더 바람직하게 4:6 내지 5:5로 혼합된 것일 수 있다.
혼합 중량비가 알칼리아세테이트 기준 2:8 미만이면 융빙효과가 미약해 지고 포름산 이온에 의해 부식도가 증가 할 수 있고, 5:5 초과이면 유기염이 고상화되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에서 유기산염을 제조하는 방법은 공지된 제조방법이면 특별히 한정되지 않고, 구체적으로 카르복실기를 가지는 유기산인 아세트산, 포름산, 포르말린 및 옥살산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 이용하여 수산화나트륨, 탄산나트륨, 수산화칼륨, 탄산칼륨, 수산화칼슘, 탄산칼슘, 수산화마그네슘 및 탄산마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 혼합하여 제조할 수 있다.
본 발명에서 목재 처리 부산물은 목재를 섬유화(fiberization, '해섬'이라고도 함)하는 과정에서 발생하는 용액이다. 섬유화는 목재를 고온의 스팀과 반응시키는 것으로 그 결과 목재에 포함되어 있던 셀룰로오스, 해미셀룰로오스 및 리그닌을 함유한 물질로 얻어지며, 목재 섬유는 파이버(Fiber)를 제조하기 위한 원료로 사용된다. 목재는 국내외의 침엽수 및 활엽수 등이 모두 가능하여 특별히 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 소나무, 느티나무, 오동나무, 은행나무, 단풍나무, 참나무, 아카시아나무, 밤나무, 감나무 등을 들 수 있다. 구체적으로, 목재를 길이 약 2 내지 5cm 크기의 칩(chip)으로 분쇄한 후 고온 고압에서 스팀과의 반응에 의한 해섬 과정을 진행한다. 이때 반응기 내부와 목재의 온도는 130 내지 200℃가 바람직하고, 더욱 바람직한 온도는 150 내지 170℃이다. 해섬 효과를 높이기 위해서는 바람직하게는 5 내지 10bar로, 더욱 바람직하게 7 내지 9bar의 압력을 가할 수 있다. 상기 조건에서 5분 이상 노출 시 목재 칩은 함수율을 가지는 파이버(fiber) 형태로 해섬되며, 탈수과정을 거쳐서 이로부터 목재 처리 부산물이 얻어진다.
즉, 본 발명의 제조방법은 목재에 물 또는 스팀을 가하여 섬유화하는 동안 발생되는 목재 처리 부산물을 얻는 단계; 및 상기 목재 처리 부산물을 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상에 혼합하는 단계를 포함하는 것이다.
상기 목재 처리 부산물은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 부산물 용액 총 중량에 대하여 0.1 내지 20중량% 함유하는 것일 수 있다. 바람직하게는 1 내지 10중량%, 더욱 바람직하게는 3 내지 7중량%을 함유할 수 있다. 0.1중량% 미만일 경우 융빙 능력 및 재결빙 방지 효과가 미미해 지고, 20중량% 초과이면 유기 성분이 과도하게 함유되어 생분해도를 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
상기 셀룰로오스와 헤미셀룰로오스는 글루코시드(glycoside) 결합으로 만들어진 고분자 물질로, 단량체인 글루코오스(glucose)가 일정하게 연결된 물질이다. 제설제에 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자를 사용하는 경우 제설제의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 글루코오스로 이루어진 고분자 물질은 하기의 화학식 1의 글루코오스 단량체 구조로 나타내어진다.
[화학식 1]
Figure 112014000279782-pat00001

글루코오스 단량체로부터 글루코시드 결합에 의해 만들어지는 고분자 물질은 그 결합 방법에 따라 2가지로 정의할 수 있다. 알파(α)-글루코오스는 글루코시드 결합으로 이루어진 물질로서 화학식 2 구조와 같이 표시되며, 대표 물질로 전분(Starch)이 포함된다. 베타(β)-글루코오스는 글루코시드 결합으로 이루어진 물질로 화학식 3 구조와 같이 표시되며, 대표 물질로 셀룰로오스가 포함된다.
목재처리 부산물을 대체하여 사용이 가능한 물질로 글루코시드 결합으로 만들어진 화학식 2, 화학식 3에서 n의 값이 10 내지 1,000의 범위로 구성된 고분자 물질을 사용하는 경우 제설제의 제설성능 및 재결빙 방지 성능을 향상시킬 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112014000279782-pat00002

[화학식 3]
Figure 112014000279782-pat00003

즉, 본 발명에서 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자는 특별히 한정되는 것은 아니나 예를 들어 전분, 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 등일 수 있다.
본 발명에서 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상에 목재 처리 부산물 및 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자 중 하나 이상을 혼합할 때 10 내지 30℃ 범위로 200 내지 500 rpm의 속도로 교반하여 제조할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 의해 얻어진 제설제 조성물은 액상 또는 고상일 수 있다. 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상에 목재 처리 부산물 및 글루코오스 단량체로 이루어진 고분자 중 하나 이상을 혼합하여 얻어진 혼합 용액을 액상 제설제 조성물로 사용할 수 있고, 이로부터 공지의 방법으로 용매를 증발시켜 고체를 얻어 이를 고상 제설제 조성물로 사용할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 의해 따른 제설제 조성물은 20 내지 -60℃ 범위의 어는점을 가지는 우수한 융설 효과 및 우수한 재결빙 방지 효과가 있다. 또한, 제설제 조성물의 유동성과 분산성이 우수하여 작업성이 우수하고, 살포된 후에도 초기 융설 효과가 빨라 즉각적인 융설 효과를 얻을 수 있다.
이하의 실시를 통하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
하기 표1에 나타낸 실시예 1-7 및 비교예 1-7에서와 같은 조성비로 각 성분을 교반기에 투입한 후 상온에서 200rpm의 속도로 교반하여 액상 제설제 조성물을 제조하였다. 목재 처리 부산물은 나무를 2내지 5cm의 크기의 칩으로 분쇄하여 170℃ 및 7bar의 반응기 내에서 스팀과 반응시켜 섬유화한 후 탈수 과정을 거쳐 얻었다.
또한, 하기 표 2에 나타낸 실시예 8-10 및 비교예 8-10 에서와 같은 조성비로 각 성분을 교반기에 투입하여 혼합한 다음, 추가로 목재 처리로부터 얻어진 부산물 농축액을 일정하게 분무하면서 상온에서 200rpm의 속도로 교반하여 고상 제설제 조성물을 제조하였다. 목재 처리 부산물은 나무를 2 내지 5cm의 크기의 칩으로 분쇄하여 170℃ 및 7bar의 반응기 내에서 스팀과 반응시켜 섬유화한 후 탈수 과정을 거쳐 얻어지며, 부산물 농축액은 부산물 용액을 증발 농축하여 얻었다.
각 성분에 따른 액상 제설제 조성물
염화 칼슘 염화 마그네슘 염화 나트륨 나트륨 아세테이트 나트륨 포메이트 목재 처리 부산물 전분
실시예1 40 - - - - 60 -
실시예2 10 30 - - - 60 -
실시예3 - - 40 - - 60 -
실시예4 - - - 40 - 60 -
실시예5 - - - 16 24 60 -
실시예6 - - - - 40 60 -
실시예7 - - - 16 24 - 60
비교예1 40 - - - - - 60
비교예2 10 30 - - - - 60
비교예3 - - 40 - - - 60
비교예4 - - - 40 - - 60
비교예5 - - - 16 24 - 60
비교예6 - - - - 40 - 60
비교예7 - - - - - 60 -
각 성분에 따른 고상 제설제 조성물
염화 칼슘 염화 마그네슘 염화 나트륨 나트륨 아세테이트 나트륨 포메이트 목재처리 부산물 농축액 전분
실시예8 90 10
실시예 9 10 10 70 10
실시예10 55 35 10
실시예 11 55 35 10
비교예 8 90
비교예 9 10 10 70
비교예 10 55 35
[실험예 1] 융빙량 측정 실험
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 액상 및 고상 제설제 조성물이 저온에서도 눈과 얼음을 녹임은 물론 지속적인 융빙 능력을 가지는지를 알아보기 위하여 하기와 같은 방법으로 실험하였다.
먼저, 비이커 13개에 꽁꽁 얼린 얼음 100g을 준비하고, 여기에 상기 실시예 1-11 및 비교예 1-10에서 제조된 각각의 제설제 조성물 50g을 투입한 후, -15℃에서 소정의 시간이 경과할 때마다 비이커를 1개씩 꺼내어 융빙량을 층정하였다. 그 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타내었다.
액상 제설제의 각 성분에 따른 시간별 융빙 효과 (융빙된 얼음의 무게(g))
융빙량(g) 10분 20분 30분 60분 90분 120분 180분
실시예1 15.6 27 35.2 42.1 46 49.4 50
실시예2 14.8 26.8 34.2 38.9 41.1 43.1 44.2
실시예3 14.3 25.7 33.9 37.4 39.1 40.1 41.8
실시예4 14.05 25.45 33.65 38.85 41.45 44.85 46.1
실시예5 14.5 25.9 34.1 41.1 45 46.8 49.1
실시예6 16.05 27.45 35.65 41.35 45.75 48.15 49.25
실시예7 15.05 26.40 34.85 41.1 45.05 47.15 48.95
비교예1 16.8 26.4 34.5 40.9 43.2 44.1 44.8
비교예2 11.95 24.45 32.01 36.75 37.7 39.4 41.0
비교예3 11.95 23.35 30.55 33.54 35.8 36.9 38.1
비교예4 12.6 24 30.2 31.8 33.5 34.5 35.3
비교예5 15.3 26.7 32.9 37.1 40.7 43.1 45.3
비교예6 13.3 24.7 32.9 37.1 40.7 43.35 44.25
비교예7 3.1 5.8 6.6 7.1 7.7 7.7 7.7
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 액상 제설제에서 목재처리 부산물 투입 시 물에 비하여 최종 제설능력이 10~15% 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 부산물 용액이 함유된 제설제의 경우 60분 후에도 우수한 융빙 능력이 있음을 알 수 있다.
고상 제설제의 각 성분에 따른 시간별 융빙 효과 (융빙된 얼음의 무게(g))
융빙량(g) 10분 20분 30분 60분
실시예 8 21.075 38.17 49.6 50
실시예 9 21.75 38.85 47.7 50
실시예 10 24.075 41.17 46.4 50
실시예 11 23.09 40.87 46.01 50
비교예 8 22.575 39.4 45.1 48
비교예 9 19.95 37.05 43.9 48.1
비교예 10 17.925 35.025 41.4 45.5
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 고상 제설제에서 목재 처리로부터 얻어진 부산물 농축액 투입 시 물에 비하여 초기 제설능력이 10~15% 상승하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 함유된 제설제의 경우 30분 후에도 우수한 융빙 능력이 있음을 알 수 있다.
[실험예 2] 재결빙 실험
상기 실시예 1-7 및 비교예 1-7에 대하여, 실험예 1의 단위시간당 융빙량 실험에서 180분 이후에 얼음이 계속 융빙되도록 방치한 후, -20℃에서 5시간 후에 재결빙 여부 및 상온에서 재융빙 시간을 확인하였다.
각 성분에 따른 재결빙 후 융해 시간
재결빙 여부
실시예1 재결빙 없음
실시예2 결빙, 1.7시간 후 완전 융빙
실시예3 결빙, 2.5시간 후 완전 융빙
실시예4 결빙, 1.2시간 후 완전 융빙
실시예5 결빙, 0.5시간 후 완전 융빙
실시예6 재결빙 없음,
실시예7 재결빙 없음,
비교예1 재결빙 없음
비교예2 결빙, 2.3시간 후 완전 융빙
비교예3 결빙, 2.0시간 후 완전 융빙
비교예4 결빙, 1.5 시간 후 완전 융빙
비교예5 결빙, 1.4시간 후 완전 융빙
비교예6 결빙, 0.5시간 후 완전 융빙
비교예7 결빙, 3.5 시간 후 완전 융빙
상기 표 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 액상 제설제 조성물은 우수한 재결빙 방지효과와 융빙효과가 있음을 알 수 있다. 특히, 목재 처리 후 부산물로 제조된 액상 제설제의 경우 비교예에 비하여 20~40% 향상된 재결빙 방지 및 융빙 효과를 보였다.

Claims (10)

  1. 목재에 물 또는 스팀을 가하여 섬유화하는 동안 발생되는 목재 처리 부산물을 얻는 단계; 및 상기 목재 처리 부산물을 별도의 후속 처리 또는 정제 공정을 거치지 않고 그대로 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상에 혼합하는 단계를 포함하는 제설제 조성물의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 목재 처리 부산물은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 함유하는 제설제 조성물의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 목재 처리 부산물은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 부산물 용액 총 중량에 대하여 0.1 내지 20중량% 함유하는 것인 제설제 조성물의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 무기염화물은 염화나트륨, 염화칼슘, 염화칼륨, 염화암모늄 및 염화마그네슘으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 제설제 조성물의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 유기산염은 나트륨아세테이트, 나트륨포메이트, 칼륨아세테이트, 칼륨포메이트, 칼슘아세테이트, 마그네슘아세테이트 및 마그네슘포메이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 제설제 조성물의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 무기염화물 및 유기산염 중 하나 이상은 조성물 총 중량에 대하여 5 내지 45중량%이고, 상기 목재 처리 부산물은 조성물 총 중량에 대하여 55 내지 95중량%인 제설제 조성물의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유기산염은 나트륨아세테이트 및 나트륨포메이트가 2:8 내지 7:3의 중량비로 혼합된 것인 제설제 조성물의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제설제 조성물은 액상 또는 고상인 제설제 조성물의 제조방법.
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