KR101589078B1 - 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법 및 이에 의해 제조된 요소수의 동결방지용 첨가제 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법 및 이에 의해 제조된 요소수의 동결방지용 첨가제에 관한 것으로서, 암모늄 포메이트, 요소, 무수에탄올, 폴리에틸렐글리콜 및 물을 교반하여 혼합물을 만드는 단계(단계 1); 상기 혼합물의 먼지 및 이물질을 여과하는 단계(단계 2); 및 상기 여과한 혼합물의 금속이온 및 불순물을 제거하는 단계(단계 3); 를 포함하여 제조하는 것을 기술적 특징으로 하며, 종래의 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수에 혼합하여 사용함으로 인해, 추운 겨울철 영하 -11℃ 이하의 날씨가 계속될 때에도 요소수 주입장치와 보관탱크 등의 동파로 인한 파손을 예방할 수 있고 요소수의 동결을 방지할 수 있으며, 촉매환원제의 함유량이 높기 때문에 같은 양의 일반 요소수에 비해 NOx 저감율이 높은 장점이 있다.

Description

요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법 및 이에 의해 제조된 요소수의 동결방지용 첨가제{Manufacturing method of Additive to prevent freezing of Urea and Additive to prevent freezing of Urea manufactured by the same}
본 발명은 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법 및 이에 의해 제조된 요소수의 동결방지용 첨가제에 관한 것으로서, 별도의 배관이나 보조 탱크 없이도 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수의 동결을 방지할 수 있는 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법 및 이에 의해 제조된 요소수의 동결방지용 첨가제에 관한 것이다.
최근 환경오염에 관한 문제가 주요 이슈로 부각되기 시작하면서 자동차의 경우에도 화석연료를 사용하지 않는 친환경 자동차인 전기 자동차, 수소 자동차, 태양열 자동차 및 하이브리드 자동차가 활발하게 개발 및 시판되고 있는 실정이다.
그러나 이와 같은 친환경 자동차들의 등장에도 아직까지는 가솔린이아 디젤을 연료로서 사용하는 자동차가 자동차 시장의 주를 이루고 있으며, 앞으로도 상당기간 동안 그 명맥을 유지할 것으로 판단된다.
이와 같이 가솔린이나 디젤과 같은 화석연료를 사용하는 내연기관 자동차의 경우에는 배기가스에 의한 환경오염이 심각하다는 문제가 있다. 특히 버스나 트럭과 같은 디젤 자동차의 경우에는 매연과 질소 산화물(NOx) 그리고 매연을 포함한 미세먼지의 배출이 심각한 문제로 인식되고 있으며, 각 국에서는 이와 같은 디젤 차량의 배기가스 문제를 해결하기 위하여 관련 규정을 마련하여 배기가스의 바울을 엄격하게 규제하고 있는 실정이다.
이러한 디젤 엔진의 배기가스를 처리하는 방법으로는 산화촉매법 및 NOx촉매법 매연을 포함한 미세먼지 제거를 위한 DPF(Diesel Particulate Filter)법 등이 알려져 있다. 디젤 엔진은 대부분 영역에서 공기 과잉 상태로 운전되기 때문에 배기중 다량의 산소가 배출된다. 이러한 산소의 존재를 기본으로 NOx를 저감하는 방법에는 구리나 철이온을 코팅한 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매와 환원제 암모니아를 사용하여 NOx를 선택적으로 분해하는 방법이 있다.
이러한 SCR시스템에서는 환원제 암모니아 가스 대신 요소수(urea)를 이용하여 암모니아를 발생시키는데 요소수 저장탱크의 내부에 저장된 요소수를 필요한 양만큼씩 도우징 유닛(Dosing unit)으로 자동 공급하도록 하는데, 보통 연료의 소모량 대비 약 4% 정도의 요소수가 소모된다.
이러한 요소수 저장탱크 내부의 요소수는 동절기나 혹한기에는 동결되어 작동하지 않을 수 있으므로 요소수의 동결을 방지하기 위한 가열구조가 필요하게 되었다.
대한민국공개특허공보 제10-2008-0075638호(2008.08.19.)에는 우레아 에스씨알 시스템의 튜브 가열구조가 개시되어 있는데, 엔진을 순환하는 가열된 냉각수를 우레아 탱크의 내부로 유동시키고, 냉각수 튜브를 우레아 튜브에 접촉시켜 열교환함으로써 우레아를 가열하는 구조에 관한 것이다.
한편, 대한민국등록특허공보 제10-1028482호(2011.04.14.)에는 엔진의 배기가스를 이용한 요소수용액 동결 방지장치가 개시되어 있는데, 엔진으로부터 방출되는 고열원인 배기가스의 잔열을 이용하여 요소수 저장탱크와 열교환함으로써 요소수를 가열하는 구조에 관한 것이다.
대한민국등록특허공보 제10-0792927호(2008.01.08.)에는 SCR 후처리용 요소 공급 장치가 개시되어 있는데, 주요소 탱크에 주히팅장치를 구비하고, 보조 요소탱크에 보조 히팅장치를 구비하고 이들을 방향전환밸브로 연결함으로써 냉 시동 초기에 보조 히팅장치로 신속하게 요소수를 해동시켜 공급하기 위한 요소수 공급장치에 관한 것이다.
그런데 이러한 종래의 요소수 가열구조들은 냉각수를 순환시키거나 배기가스를 순환시키는 별도의 배관 구조를 필요로 하므로 차량의 구조 변경이 필수적이라는 점에서 불편할 뿐 아니라 비용 증가의 요인이 된다는 문제가 있다. 이러한 구조는 반드시 엔진을 시동함으로써 어느 정도 엔진이 가열되어야 동결된 요소수를 해동시켜 공급할 수 있다는 점에서 냉 시동 초기에는 정상작동을 하기 위하여 긴 시간이 소요된다는 문제가 있다.
보조 히팅장치를 사용하는 특허의 경우에는 냉 시동 초기에 엔진을 시동하지 않고서도 요소수를 해동 및 공급할 수 있다는 장점이 있으나, 별도로 보조 히팅장치를 구비하는 점에서 추가적인 설치 장소나 비용이 소요될 뿐 아니라 배관이 복잡해지고, 방향전환밸브나 유로 단속용 솔레노이드 밸브를 제어하기 위한 별도의 제어 장치를 요한다는 점에서 비용이 경제적이지 못하고 기존의 차량에 장착하는데 한계가 있다.
KR 10-2008-0075638 A 2008.08.19. KR 10-1028482 B1 2011.04.14. KR 10-0792927 B1 2008.01.08.
본 발명의 목적은 별도의 배관이나 보조 탱크 없이도 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수의 동결을 방지할 수 있는 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법 및 이에 의해 제조된 요소수의 동결방지용 첨가제를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다음과 같은 수단을 제공한다.
본 발명은, 암모늄 포메이트, 요소, 무수에탄올, 폴리에틸렐글리콜 및 물을 교반하여 혼합물을 만드는 단계(단계 1); 상기 혼합물의 먼지 및 이물질을 여과하는 단계(단계 2); 및 상기 여과한 혼합물의 금속이온 및 불순물을 제거하는 단계(단계 3); 를 포함하는 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법을 제공한다.
상기 단계 1에서, 암모늄 포메이트 30~85중량%, 요소 5~30중량%, 무수에탄올 0.1~5중량%, 폴리에틸렌글리콜 0.1~5중량% 및 물 5~50중량%를 10~20℃에서 1~2시간 동안 교반한다.
상기 단계 2에서, 상기 혼합물을 마이크로필터의 여과입도 1 마이크론 이하인 마이크로필터를 이용하여 먼지 및 이물질을 여과한다.
상기 단계 3에서, 상기 여과한 혼합물을 양이온교환수지 및 음이온교환수지를 이용하여 금속이온 및 불순물을 제거한다.
또한 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 요소수의 동결방지용 첨가제를 제공한다.
본 발명에 따른 요소수의 동결방지용 첨가제를 종래의 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수에 혼합하여 사용함으로 인해, 추운 겨울철 영하 -11℃ 이하의 날씨가 계속될 때에도 요소수 주입장치와 보관탱크 등의 동파로 인한 파손을 예방할 수 있고 요소수의 동결을 방지할 수 있으며, 촉매환원제의 함유량이 높기 때문에 같은 양의 일반 요소수에 비해 NOx 저감율이 높은 장점이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
자동차에서 배출되는 질소산화물 정화를 위해 요소 첨가 선택적 촉매 반응 시스템(UREA-SCR : Urea-Selective Catalyst Reduction)이 적용되는데, 이 방식은 질소산화물센서 등 각종 센서와 요소수 분사 제어장치를 통해 배기관 내에 요소수를 정밀하게 분사시키고, 이렇게 분사된 요소수는 배출가스 열에 의해 열분해되어 암모니아로 변환된다. 이어서, 암모니아는 SCR촉매에서 질소산화물과 반응하여 물과 질소로 분해되는 바, 배기 가스 중의 질소 산화물을 저감시킬 수 있게 된다.
요소수는 디젤자동차 질소산화물을 저감시키기 위한 장치(SCR)에 사용되는 액상 화학물질로서, 요소수 농도가 32.5% 일 때 어는 점이 -11℃로 가장 낮기 때문에 표준을 정할 때 자동차용 요소수는 32.5%로 정하고 있다.
종래의 자동차용 요소수는 -11℃ 이하의 온도에서는 어는 문제점이 있으므로, 본 발명에서는 요소수 동결방지용 첨가제를 종래의 자동차용 요소수에 혼합하여 사용함으로써 -11℃ 이하의 온도에서도 동결을 방지할 수 있는 장점이 있다.
먼저, 본 발명에 따른 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법은,
암모늄 포메이트, 요소, 무수에탄올, 폴리에틸렐글리콜 및 물을 교반하여 혼합물을 만드는 단계(단계 1);
상기 혼합물의 먼지 및 이물질을 여과하는 단계(단계 2); 및
상기 여과한 혼합물의 금속이온 및 불순물을 제거하는 단계(단계 3);
를 포함한다.
상기 단계 1에서 암모늄 포메이트 30~85중량%, 요소 5~30중량%, 무수에탄올 0.1~5중량%, 폴리에틸렌글리콜 0.1~5중량% 및 물 5~50중량%를 10~20℃에서 1~2시간 동안 교반하여 용해시키는 것이 바람직하다.
상기 암모늄 포메이트는 화학식이 HCOONH4 이며, 30중량% 미만 혼합하면 요소수의 동결방지용 첨가제의 어는점이 높아지는 문제가 있고, 85중량% 초과 혼합하면 중금속 함량이 많아지는 문제가 있다.
상기 요소는 화학식이 CO(NH2)2인 유기화합물이며 무색의 결정성 물질로서, 상기 범위를 벗어나서 혼합하면 요소수의 동결방지용 첨가제의 어는점이 높아지는 문제가 있다.
상기 무수에탄올은 15℃에서 에탄올(C2H5OH) 99.5v/v% 이상을 함유하며, 0.1중량% 미만 혼합하면 요소수의 동결방지용 첨가제의 어는점의 편차가 심해지는 문제가 있고 5중량% 초과 혼합하면 화재의 위험성이 있다. 상기 무수에탄올 대신에 이소프로필 알코올을 사용할수도 있다.
상기 폴리에틸렌글리콜은 HO-(CH2CH2O)nCH2CH2-OH의 구조를 가지는 물질로서 용해성이 좋고 무독성의 고분자이며, 0.1중량% 미만 혼합하면 여름철 및 고온에 노출시 요소수의 동결방지용 첨가제의 증발을 억제하는 기능이 미흡해 질 수 있고 5중량% 초과 혼합하면 SCR촉매의 효율을 저하시킬 수 있다.
상기 물은 초순수(ultrapure water), 증류수(distilled water) 및 탈이온수(deionized water)로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
상기 단계 2는 상기 혼합물을 마이크로필터를 이용하여 먼지 및 이물질을 여과하는 단계이다. 상기 마이크로필터의 여과입도는 1 마이크론 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 단계 3은 상기 여과한 혼합물을 양이온교환수지(Cation Exchange Resins) 및 음이온교환수지(Anion Exchange Resins)를 이용하여 금속이온 및 불순물을 제거하는 단계이다. 상기 여과한 혼합물을 양이온교환수지에 통과시켜 양이온(금속이온)을 흡착하여 제거하고, 음이온교환수지에 통과시켜 음이온(음이온성 불순물)을 흡착하여 제거할 수 있고, 반대로 음이온교환수지를 통과시킨 후에 양이온교환수지를 통과하여도 무방하다. 또한 혼합이온교환수지(양이온+음이온)를 사용해도 무방하다. 상기 금속이온 및 불순물을 제거하지 않으면 SCR 촉매장치의 흡착 및 피독으로 인해 성능을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조되는 요소수의 동결방지용 첨가제를 제공한다.
종래의 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수 100부피부에 대하여 본 발명에 따른 요소수의 동결방지용 첨가제 50~100부피부를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 요소수의 동결방지용 첨가제를 종래의 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수에 혼합하여 사용함으로 인해, 추운 겨울철 영하 -11℃ 이하의 날씨가 계속될 때에도 요소수 주입장치와 보관탱크 등의 동파로 인한 파손을 예방할 수 있고 요소수의 동결을 방지할 수 있으며, 촉매환원제의 함유량이 높기 때문에 같은 양의 일반 요소수에 비해 NOx 저감율이 높은 장점이 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시 예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들 실시 예에 의해 제한되는 것은 아니다.
암모늄 포메이트 30중량%, 요소 10중량%, 무수에탄올 5중량%, 폴리에틸렌글리콜 5중량% 및 탈이온수 50중량%를 10~20℃에서 1시간 동안 교반하여 혼합물을 만들었다. 상기 혼합물을 마이크로필터를 이용하여 먼지나 이물질을 여과하였다. 상기 마이크로필터의 여과입도는 1 마이크론 이하인 것을 사용하였다. 상기 여과한 혼합물을 양이온교환수지에 통과시켜 양이온(금속이온)을 흡착하여 제거하였고, 음이온교환수지에 통과시켜 음이온(음이온성 불순물)을 흡착하여 제거하여 요소수의 동결방지용 첨가제를 제조하였다.
암모늄 포메이트 35중량%, 요소 10중량%, 무수에탄올 5중량%, 폴리에틸렌글리콜 5중량% 및 탈이온수 45중량%를 혼합한 것을 제외하고, 나머지는 실시예 1과 동일하게 하여 요소수의 동결방지용 첨가제를 제조하였다.
[실험예 1]
실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 요소수의 동결방지용 첨가제의 어는점(Freezing point)를 측정하여 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2
어는점 -30℃ -32℃
표 1을 보면, 실시예 1 및 실시예 2의 요소수의 동결방지용 첨가제의 어는 점은 -30℃ 및 -32℃로써, 종래의 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수의 어는점인 -11℃에 비해 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 요소수의 동결방지용 첨가제를 종래의 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수에 혼합하여 사용하는 경우에, 추운 겨울철에 디젤차량용 SCR 촉매장치의 요소수의 동결을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 암모늄 포메이트 35중량%, 요소 10중량%, 무수에탄올 5중량%, 폴리에틸렌글리콜 5중량% 및 탈이온수 45중량%를 10~20℃에서 1시간 동안 교반하고, 여과입도 1 마이크론 이하인 마이크로필터를 이용하여 여과하고, 양이온교환수지에 통과시켜 금속이온을 흡착하여 제거하고, 음이온교환수지에 통과시켜 음이온성 불순물을 흡착하여 제거하는, 요소수의 동결방지용 첨가제의 제조방법.
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