KR101626104B1 - 고체 알코올 연료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 알코올 연료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제 1 교반기에 아크릴산, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스를 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 아크릴산과 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스가 혼합된 제 1 교반기에 알코올을 투입, 혼합하는 단계와, 상기 알코올이 혼합된 제 1 교반기에 지방산을 투입하여 혼합하는 단계와, 제 2 교반기에 물과 수산화나트륨을 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 물과 수산화나트륨이 혼합된 제 2 교반기에 알코올을 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 제 1 교반기와 제 2 교반기를 각각 간접 열전달 방식으로 가열하여 교반기 내 혼합물이 50~55℃가 되도록 하는 단계와, 상기 제 1 교반기의 혼합물과 상기 제 2 교반기의 혼합물을 용기에 충진시키는 단계와, 상기 혼합물이 충진된 용기를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 연소 안정성이 높고 유독가스의 발생이 적으면서도, 보관 및 사용 안정성이 높은 장점이 있다. 또한, 가정, 사무실, 야외 등에서 행사 또는 훈련 시 긴급 비상용으로 화력을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

고체 알코올 연료의 제조방법{THE MANUFACTURING METHOD OF SOLID ALCOHOL FUEL}

본 발명은 고체 알코올 연료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연소시 유독 가스 발생이 적고, 연소 잔유물이 적으며, 저장 안정성이 우수한 고체 알코올 연료의 제조방법에 관한 것이다.

화력의 에너지원으로 이용되는 연료는 크게 나누어 목탄, 코크스, 석탄과 같은 고체 연료와 알코올, 벤졸, 가솔린과 같은 액체 연료와 LPG와 같은 기체 연료로 구분된다.

최근, 이러한 에너지원 중 하나로서 고체상의 알코올 연료가 사용되고 있다.

종래의 고체 알코올 연료는 알코올과 유지 그리고 가성소다를 혼합하여 제조되었는바, 유독 가스 발생 등에 의한 위험성, 저장 도중 안정성 결여에 의한 불안정성 및 연소 후 다량의 잔유물이 발생하는 등의 문제점을 안고 있었다. 따라서, 이를 해소할 수 있는 다양한 연구가 이루어졌다.

이러한 선행기술로서, 대한민국 등록특허 제10-0178868호에는 다량의 물을 주원료로하고, 이에 동물성 기름 및 석유계 기름과 가성소다를 첨가하여 일정기간 숙성시켜 연료를 제조하는 방법이 개시되어 있고, 대한민국 등록특허 제10-1310121호에는 친수성의 수지 1~20중량% 및 알콜 계열의 용제 20~90중량%로 조성되는 제1 용액과, 친유성의 수지 1~30중량% 및 케톤 계열의 용제 1~50중량%로 조성되는 제2 용액 및 점도를 증가시키는 증점제 0.1~10중량%가 혼합되어 이루어진 고체연료가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허 제10-2000-0007017호에서는 물 1리터에 1N 가성 소다 3Kg을 넣고 희석시킨 다음, 동, 식물성 기름 10Kg을 넣고 가열하면서 혼합시키면 비누화되어 냉각시키면 고체가 생성되면, 상기 고체를 롤 등의 분쇄장치를 이용하여 잘게 분쇄한 다음에 알코올 20리터에 상기 비누화된 고체를 1Kg을 넣은 다음 중탕으로 약 30분간 발화되지 않은 온도에서 가열하면 상기 고체가 메틸알코올에 용해되면 가열을 중단하고 용기에 담아 냉각시켜 제조하는 방법이 개시되어 있다.

그러나 상기한 선행특허들의 연료는 모두 연소시 유해가스의 발생이 많으며, 연소 후 잔여물이 많고, 저장 안정성이 좋지 못한 등의 단점이 있었다.

KR 10-0178868 B1 KR 10-1310121 B1 KR 10-2000-0007017 A

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 고체 알코올 연료가 갖는 제반문제점을 해소하기 위한 것으로, 유지가 아닌 알코올, 지방산 및 수산화나트륨을 이용하여 알코올을 고형화하고, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스, 아크릴산 등을 이용하여 연소시 유독가스의 발생이 적고, 연소 잔유물이 적으며, 저장 안정성 및 품질 안정성이 우수한 고체 알코올 연료를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고체 알코올 연료는, 알코올, 지방산, 수산화나트륨, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스, 아크릴산 및 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

알코올 86~92중량%, 지방산 4~6중량%, 수산화나트륨 0.3~0.7중량%, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스 1.2~1.8중량%, 아크릴산 1.5~2.5중량%, 물 1~3중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 알코올은 메탄올이고, 상기 지방산은 스테아린산인 것을 특징으로 한다.

그리고 그 제조방법은, 제 1 교반기에 아크릴산, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스를 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 아크릴산과 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스가 혼합된 제 1 교반기에 알코올을 투입, 혼합하는 단계와, 상기 알코올이 혼합된 제 1 교반기에 지방산을 투입하여 혼합하는 단계와, 제 2 교반기에 물과 수산화나트륨을 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 물과 수산화나트륨이 혼합된 제 2 교반기에 알코올을 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 제 1 교반기와 제 2 교반기를 각각 간접 열전달 방식으로 가열하여 교반기 내 혼합물이 50~55℃가 되도록 하는 단계와, 상기 제 1 교반기의 혼합물과 상기 제 2 교반기의 혼합물을 용기에 충진시키는 단계와, 상기 혼합물이 충진된 용기를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 알코올은 메탄올이고, 상기 지방산은 스테아린산이며, 알코올 86~92중량%, 지방산 4~6중량%, 수산화나트륨 0.3~0.7중량%, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스 1.2~1.8중량%, 아크릴산 1.5~2.5중량%, 물 1~3중량%의 비율로 사용하되, 상기 알코올은 1:1 중량비로 나누어 제 1 교반기와 제 2 교반기에 각각 투입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 연소 안정성이 높고 유독가스의 발생이 적으면서도, 보관 및 사용 안정성이 높은 장점이 있다.

또한, 가정, 사무실, 야외 등에서 행사 또는 훈련 시 긴급 비상용으로 화력을 제공할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

종래 고체 알코올 연료는 연소 안정성이 높지 못해 유독가스의 발생이 많고 이와 더불어 연소 잔유물이 많으며, 보관 및 사용 안정성 역시 좋지 못한 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 고체 알코올 연료의 이러한 단점을 개선한 것으로, 알코올, 지방산, 수산화나트륨, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스, 아크릴산 및 물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 액상의 알코올을 고체상으로 제조하는 원리는 비누화 반응을 이용하는 것인데, 비누화 반응은 유지와 강염기가 만났을 때 일어나는 반응이다. 즉, 강염기는 물에 용해되면서 수산화 이온을 발생시키고, 이러한 수용액에 유지를 혼합할 경우 수산화 이온이 유지의 탄소와 결합함으로써 비누화되는 것이다. 종래에는 이러한 비누화 반응을 위해 다량의 유지를 사용하였는바, 유지의 사용으로 인해 연소 안정성이 좋지 못하고, 저장 안정성 역시 좋지 못하는 등의 단점이 있는 것이었다.

이에 본 발명은 유지를 대신하여 지방산만을 이용하는 것인데, 유지를 구성하는 지방산과 글리세린 중 비누화 반응에 불필요한 글리세린은 사용하지 않고 지방산만을 이용하는 것이다. 본 발명에서는 상기 지방산으로서 특히 스테아린산을 이용하는데, 상기 스테아린산을 이용할 경우 저장 및 사용안정성이 더욱 우수하고, 가격면에서도 경제적이기 때문이다.

그리고 상기 알코올로는 메탄올, 에탄올, 이소부틸 알코올, 이소 프로필 알코올 등의 저급 알코올을 모두 사용 가능하지만, 경제적인 면을 고려할 때 메탄올을 이용하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 강염기로서는 수산화나트륨을 사용하여 비누화 반응을 유도한다.

아울러, 상기 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스는 고형 안정제로서 사용되는 것으로, 고체 연료의 저장 안정성을 유지하기 위한 것이다.

그리고 상기 아크릴산은 증점제로서, 알코올을 점도를 높여 고상 연료의 제조를 용이하게 하고, 사용 및 저장 안정성을 높여준다.

상기 물은 강염기인 수산화나트륨을 용해시키기 위한 용매로서 사용한다.

본 발명에 따른 고상의 알코올 연료는 알코올 86~92중량%, 지방산 4~6중량%, 수산화나트륨 0.3~0.7중량%, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스 1.2~1.8중량%, 아크릴산 1.5~2.5중량%, 물 1~3중량%의 범위로 포함되는데, 상기 지방산의 함량이 4중량% 미만일 경우 비누화가 어렵고, 6중량%를 초과할 경우 과량이 되어 연소성이 떨어지는 등의 단점이 있다. 그리고 상기 수산화나트륨 역시 0.3중량% 미만일 경우 역시 비누화가 어려우며, 과량이 되면 경제적이지 못함은 물론, 연소성이 떨어지는 등의 단점이 있다. 그리고 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스와 아크릴산의 함유량이 부족하게 되면 고형화가 어려울 뿐 아니라, 저장 안정성이 떨어져 상품성이 좋지 못하게 되고, 과량이 되면 각 성분의 혼합이 어려워 품질이 저하되고 저장 안정성 역시 저하될 수 있으므로, 상기한 범위 내에서 사용함이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 고체 알코올 연료는, 유지를 대신하여 지방산, 특히 스테아린산을 이용하며, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스와 아크릴산 등의 첨가제를 이용함으로써, 연소시 유독가스의 발생이 적고 연소 잔유물이 적으며, 저장 및 사용안정성이 우수함은 물론, 제조비용 역시 높지 않아 가격경쟁력 역시 확보할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 고체 알코올 연료의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 고체 알코올 연료의 제조방법은, 제 1 교반기에 아크릴산, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스를 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 아크릴산과 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스가 혼합된 제 1 교반기에 알코올을 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 알코올이 혼합된 제 1 교반기에 지방산을 투입하여 혼합하는 단계와, 제 2 교반기에 물과 수산화나트륨을 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 물과 수산화나트륨이 혼합된 제 2 교반기에 알코올을 투입하여 혼합하는 단계와, 상기 제 1 교반기와 제 2 교반기를 각각 간접 열전달 방식으로 가열하여 교반기 내 혼합물이 50~55℃가 되도록 하는 단계와, 상기 제 1 교반기의 혼합물과 상기 제 2 교반기의 혼합물을 용기에 충진시키는 단계와, 상기 혼합물이 충진된 용기를 냉각시키는 단계를 포함한다.

제 1 교반기에 아크릴산, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스를 투입하여 혼합하는 단계.

먼저, 제 1 교반기에 아크릴산, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스를 투입하여 5~15분간 혼합한다. 이때, 교반속도는 제한하지 않으며, 교반은 실온에서 실시한다.

상기 아크릴산과 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스가 혼합된 제 1 교반기에 알코올을 투입하여 혼합하는 단계.

다음으로, 상기 제 1 교반기에 알코올을 투입하고, 5~15분간 교반하여 혼합한다. 이때, 알코올로는 저급 알코올을 모두 사용 가능하나, 가장 바람직한 형태로서 메탄올을 이용하는 것이고, 상기 메탄올은 고체 연료 내 총 메탄올 양의 절반을 투입한다. 즉, 각 재료를 앞서 고체 연료의 조성비의 설명에 따른 중량%로 측량한 뒤, 측량된 메탄올을 1:1 중량비로 나누고, 그 나눈 절반만을 제 1 교반기에 투입하는 것이다. 그리고 나머지 절반은 후술할 제 2 교반기에 사용한다.

상기와 같이 알코올을 나누어 사용하는 이유는 각 성분의 분산도를 높여 비누화반응을 촉진하면서도 안정적인 고상을 유지하기 위한 것이다.

상기 알코올이 혼합된 제 1 교반기에 지방산을 투입하여 혼합하는 단계.

다음으로, 상기 제 1 교반기에 지방산을 투입하여 5~15분간 더 교반하여 혼합한다. 이때, 지방산으로는 스테아린산이 가장 바람직하다.

제 2 교반기에 물과 수산화나트륨을 투입하여 혼합하는 단계.

한편, 상기 제 1 교반기와는 별도로, 제 2 교반기에 물과 수산화나트륨을 투입하여 5~15분간 교반, 혼합한다. 여기서, 상기 물은 수산화나트륨을 용해하기 위한 용매로 사용되는 것이므로, 교반을 통해 물에 수산화나트륨을 녹여 다량의 수산화 이온을 발생시킨다.

상기 물과 수산화나트륨이 혼합된 제 2 교반기에 알코올을 투입하여 혼합하는 단계.

그리고 상기 제 2 교반기에 알코올, 즉 앞서 제 1 교반기에 투입 전 나누어 놓은 알코올 잔량을 투입하여 5~15분간 교반하면서 혼합함으로써, 상기 수산화나트륨 수용액이 상기 알코올에 고루 혼합되도록 한다.

상기 제 1 교반기와 제 2 교반기를 각각 간접 열전달 방식으로 가열하여 교반기 내 혼합물이 50~55℃가 되도록 하는 단계.

다음으로, 상기 제 1 교반기와 제 2 교반기를 각각 가열하여 교반기 내 혼합물이 50~55℃가 되도록 한다. 이때, 직화가열은 연소의 위험이 있으므로, 간접 열전달 방식으로 가열함이 바람직하다. 상기 간접 열전달 방식의 가열법은 이 기술이 속하는 분야에서 공지된 다양한 형태의 것을 모두 이용 가능한 것으로, 그 구체적인 방법을 제한하지 않는다.

그리고 상기 혼합물의 온도를 50~55℃가 되도록 그대로 유지시킨다. 혼합물의 온도를 50~55℃로 유지시키는 이유는 상기한 온도범위에서 비누화 반응이 촉진되어 고상으로의 제조가 용이하기 때문이다.

상기 제 1 교반기의 혼합물과 상기 제 2 교반기의 혼합물을 용기에 충진시키는 단계.

가열이 완료되어, 온도가 유지되면 상기 제 1 교반기의 혼합물과 제 2 교반기의 혼합물을 용기에 충진시켜 포장함으로써, 비누화 반응을 유도한다. 즉, 제 1 교반기 내의 지방산과 제 2 교반기 내의 수산화 이온이 반응하여 고상의 연료를 형성하는 것이다.

상기 혼합물이 충진된 용기를 냉각시키는 단계.

그리고 상기 용기를 냉각수조 등을 이용하여 냉각시키고, 뚜껑을 닫아 밀봉함으로써, 고체 연료의 제조를 완료하는 것이다.

상기와 같이 제조되는 고체 알코올 연료는, 가정, 사무실, 야외 등에서 행사 또는 훈련 시 긴급 비상용으로 화력을 제공할 수 있는 것은 물론, 상기한 이외의 다양한 용도로 사용이 가능하다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 조성비로서 실시예들을 제조하였다.

실시예들의 조성비.

구분	스테아린산	수산화나트륨	하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스	아크릴산	메탄올	물
실시예 1	50g	5g	15g	20g	890g	20g
실시예 2	60g	7g	18g	25g	860g	30g
실시예 3	40g	3g	12g	15g	920g	10g

여기서, 교반순서는 제 1 교반기는, 아크릴산, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스를 먼저 투입하여 10분간 교반하고, 이에 메탄올 절반을 넣어 10분 더 혼합한 후, 스테아린산을 투입하여 10분간 교반하였다. 그리고 제 2 교반기는 물과 수산화나트륨을 투입하여 10분간 혼합하고, 잔량의 메탄올을 넣어 10분간 더 혼합하였다. 그리고 제 1 교반기 및 제 2 교반기 내 혼합물을 간접 가열하여 55℃에 도달토록 한 후, 가열을 중단하고, 이를 정해진 용기에 투입하였다. 그리고 이를 냉각수조(10℃ 정도)를 이용하여 냉각시켰다. 이때, 교반속도는 70~200 rpm 정도였다.

(비교예)

실시예들과 동일하게 제조하되 하기 표 2과 같은 조성비로서 제조하였다.

비교예들의 조성비.

구분	유지	수산화나트륨	하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스	아크릴산	메탄올	물
비교예 1	50g(라드)	5g	-	20g	890g	20g
비교예 2	60g(팜유)	7g	-	25g	860g	30g

(시험예 1)

상기와 같이 제조된 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2의 연소시험을 실시하였다. 연소시험은 각 시료 10g을 증발 접시에 놓고 불을 붙여 수행하였으며, 연소 시간, 연소 온도 및 잔유물을 측정하였다.

그 결과는 하기 표 3과 같았다.

시험예 1의 결과.

구분	연소 시간(sec)	연소 온도(℃)	잔유물(g)
실시예 1	211	715	0.02
실시예 2	205	722	0.04
실시예 3	217	691	0.01
비교예 1	185	690	0.10
비교예 2	184	671	0.07

상기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 고체 연료가 비교예 1, 2에 비해 연소 시간이 길었으며, 잔유물 역시 거의 없음을 확인할 수 있었다. 다만, 연소 온도에 있어서는 큰 차이가 없었다.

(시험예 2)

상기와 같이 제조된 실시예 1 내지 3을 6개월간 30℃에서 밀봉하여 저장하였다. 그리고 6개월 후 각 고체 연료를 육안관찰하였으며, 보관 전, 후 무게를 측정하여 그 차이를 살펴보았다. 그리고 상기와 같은 연소시험을 다시 실시하였다.

실시예 1 내지 3은 육안관찰 결과 초기와 별다른 변화가 없었으며, 보관 전, 후 무게 역시 차이가 없었고, 연소시험 역시 상기 표 3과 유사한 결과가 측정되어 저장성에 문제가 없음을 확인하였다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 교반기에 아크릴산, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스를 투입하여 혼합하는 단계와,
   상기 아크릴산과 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스가 혼합된 제 1 교반기에 알코올을 투입, 혼합하는 단계와,
   상기 알코올이 혼합된 제 1 교반기에 지방산을 투입하여 혼합하는 단계와,
   제 2 교반기에 물과 수산화나트륨을 투입하여 혼합하는 단계와,
   상기 물과 수산화나트륨이 혼합된 제 2 교반기에 알코올을 투입하여 혼합하는 단계와,
   상기 제 1 교반기와 제 2 교반기를 각각 간접 열전달 방식으로 가열하여 교반기 내 혼합물이 50~55℃가 되도록 하는 단계와,
   상기 제 1 교반기의 혼합물과 상기 제 2 교반기의 혼합물을 용기에 충진시키는 단계와,
   상기 혼합물이 충진된 용기를 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 알코올 연료의 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 알코올은 메탄올이고,
   상기 지방산은 스테아린산이며,
   알코올 86~92중량%, 지방산 4~6중량%, 수산화나트륨 0.3~0.7중량%, 하이드록시 프로필 메틸셀룰로오스 1.2~1.8중량%, 아크릴산 1.5~2.5중량%, 물 1~3중량%의 비율로 사용하되, 상기 알코올은 1:1 중량비로 나누어 제 1 교반기와 제 2 교반기에 각각 투입하는 것을 특징으로 하는 고체 알코올 연료의 제조방법.