KR102431952B1 - 수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법 - Google Patents

수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 고순도의 천연 규석을 물에 쉽게 용해시킬 수 있도록 분쇄하여 규산염(SiO3)을 제조하고, 이를 정화수에 용해시킨 다음, 가열 증류를 통한 고순도 규산염(SiO3)의 다공구조체를 얻고, 이를 재분쇄한 미세 규산염 분말과 정화수를 혼합하여 환경오염 방지용 요소정화수를 제조하며, 이러한 환경오염 방지용 요소정화수는 그 제조 과정에서 폭기, 첨가제, 동결방지제 등과 같은 기능성 물질을 혼합하여 환경오염을 방지할 수 있게 되는 것이다.

Description

수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법{Purified urea water for preventing environmental pollution using water-soluble silicate powder and manufacturing method thereof}
본 발명은 수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 고순도의 천연 규석을 분쇄하여 수용성 규산염(SiO3)을 제조하고, 제조된 수용성 규산염을 물에 용해시킨 다음 가열 증류하여 얻어진 다공구조체의 고순도 수용성 규산염(SiO3)을 재분쇄하여 수용성 규산염 분말을 제조하고, 적정 함량의 수용성 규산염 파우터를 정화수에 용해하여 요소수에서 탁도를 일으키는 트리우렛을 제거할 수 있게 됨으로써, 내연기관에서 환경오염 방지용으로 사용할 수 있는 수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
내연기관 중에서도 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 오염물질이 많이 나오는 환경 친화적이지 못한 엔진이라는 이미지가 강한데, 특히 질소산화물(NOx)과 미세먼지(PM)가 가장 큰 문제다. 미세먼지는 최근 주목받았기 때문에 잊기 쉽지만, 질소산화물은 피부에 직접 접촉하면 미세먼지보다 훨씬 유해할뿐만 아니라 산성비와 오존층 파괴 원인물질이기도 하다. 게다가 질소산화물을 줄이면 미세먼지는 증가하고, 미세먼지를 줄이면 질소산화물이 늘어나는 인과관계가 있어 디젤 엔진의 배기가스는 환경오염의 주범으로 지목되고 있다.
이에 디젤 엔진에서 질소산화물과 미세먼지를 줄이기 위한 노력이 꾸준히 이어져 왔다.
디젤 엔진의 배기가스에 의한 환경오염을 방지하기 위한 대표적인 방법으로 선택적 환원 촉매(selective catalytic reduction, SCR), 배기가스 재순환 장치(exhaust gas recirculation, EGR), 디젤 미립자 필터(diesel particulate filter, DPF)가 사용되고 있다.
SER은 연소 실린더 안에 발생하는 대기 질소와 산소의 고온 혼합물로 생성되는 낙스(NOx)라고 불리우는 질소 산화물을 촉매의 도움으로 질소와 물로 전환시키는 여러 방법 중의 하나로, 요소수라는 환원제를 배기가스에 첨가하면 촉매로써 반응하게 되는데, 이 방법은 디젤 배기가스 표준으로 사용되어 대형 트럭에 주로 이용되고 있다.
이러한 SCR은 연료의 연소 후 발생한 배기가스가 지나는 배기파이프에 SCR 반응기(reactor)를 설치하여 환원 반응에 의해 질소산화물을 감소시키는 방식으로, SCR Reactor 내부에서 분사된 암모니아(Ammonia)와 NOx가 촉매 존재하에 반응하여 N2와 H2O로 변해 NOx 함량이 감소하며, 그 반응식은 다음과 같다.
4NO + 4NH3+O2 → 4N2 + 6H20
2NO + 2NO2+4NH3 → 4N2 + 6H2O
2NO2 + 4NK3+O3 → 3N2 + 6H20
암모니아는 안전을 위해 유레아 수용액((NH2)2CO) 형태로 SCR 시스템에 공급되는데, 유레아는 이 유레아(Urea)수용액에서 하기 반응을 통해 암모니아와 이산화탄소로 분해된다.
(NH2)2CO(ag) → (NH2)2CO(s) + × H20(g)
(NH2)2CO(s) → (NH2)3(g) + × NHCO(g))
NHCO(g) + H2O(g) → NH3(g) + CO2(g)
EGR은 내연기관에서 가솔린, 디젤 엔진에 사용되는 산화질소(질소산화물, NOx) 방출 감소 기법으로, 들어오는 기류의 O2를 희석시키며 실린더 내 최고 온도를 줄이기 위한 연소열 흡수제 역할을 하며, 엔진의 배기가스의 일부를 엔진 실린더로 재순환시킴으로써 동작한다.
DPF는 매연 가운데 미세먼지 배출을 감소시키는 장치이며 트럭들이 내뿜는 검푸른 연기를 밖으로 나오지 못하게 막아주는 것으로, 디젤 차량의 배기가스 중 미세매연 입자인 물질속의 미량 입자 성분을 뷴리하여 포집하고, 연소시켜 제거하는 배기가스 후처리 장치이다. 미세매연입자(PM)는 도로에서 흔히 볼 수 있는 매연이라고 볼 수 있는데, DPF를 통해 50~80%까지 줄일 수 있다.
여러 종류의 DPF가 있지만, 그 중에서도 벌집 형상의 세라믹 DPF가 보편적인데, 이 세라믹 DPF의 구성은 크게 하우징, 세라믹 담체, 세라믹 플러그로 구성됩니다. 세라믹 플러그가 통로 양단을 하나 건너 교대로 막고 있어, 열린 통로로 들어온 배기가스는 세라믹 담체에 뚫린 기공을 통과하면서 미세매연입자가 걸러진 후 배기된다.
최근에는 기체에 에너지를 가해 전자와 원자핵으로 분리시키는 기술로 매연을 최대 95%까지 저감시킨 플라즈마 DPF가 개발되었다.
SCR은 EGR 적용 엔진과 달리 처음부터 엔진에 공급하는 산소 농도를 높이고 폭발 온도 역시 의도적으로 높인다. 이렇게 하면 미세먼지를 비롯한 매연 그 자체는 줄어들지만 질소산화물은 매우 많이 나오게 되는데, 이 질소산화물을 중화하는 것이 핵심이다. 질소산화물을 줄이는 데는 요소수를 쓰는데, 보통 요소를 30% 농도로 물에 희석한 것으로 질소 산화물을 환원시키는 역할을 한다. 이것을 반응물질로 배기가스에 뿌려주면 요소수 속의 요소(NH2CONH2)가 질소산화물(NOX)과 반응하여 질소(N2)와 수증기(H2O) 그리고 이산화탄소(CO2)로 바뀌게 된다.
SCR을 사용하는 디젤 엔진이 EGR에 비해 갖는 장점은 연비가 좋고 엔진이 오랫동안 청정하다는 점이다. EGR 시스템은 엔진 자체의 개량이 없을뿐더러 한번 태운 배기가스와 블로우 바이가스가 다시 흡기라인으로 이동하면서 흡기라인에 엄청난 수준의 그을음이 쌓이게 되는데, 단순한 연비 저하의 문제가 아니라 전체 흡기량, EGR 리턴량 등을 계산하기 힘들게 되어 결국 흡기된 공기의 정확한 양을 측정할 수 없게 하고 불완전 연소를 더 심하게 일으키게 만들며, 이게 또 DPF와 흡기관을 급속히 오염시키는 악순환을 겪게 된다. 하지만 SCR은 엔진 자체가 완전연소에 최대한 근접하게 되어 자체적으로 연비가 좋아질뿐더러 오염물질 중화에 추가 연료를 쓰지 않아 연비 개선에 효과가 있다. 화학적인 촉매가 아닌 기계적인 수단에 의존하는 EGR에 비해 환경 개선 효과도 상대적으로 큰 편이다.
기후변화에 관한 협약 이후, 전 세계적으로 온실가스 저감에 대한 배기규제를 마련하고 지속적으로 강화시키고 있다. 이에 따라 수송용 엔진개발 분야에서 저배기, 고효율 및 저탄소 배출을 위해 연료 개선 기술, 최적엔진 설계 기술, 실린더 내 연소 제어기술과 희박 질소 촉매 방식(LNT), HC-SCR, 그리고 요소수 선택적 촉매방식( Urea-SCR)과 같은 후처리 장치 개발 등 다양한 분야의 연구가 진행되고 있다.
Urea-SCR은 요소수를 분사하여 요소(CO(NH2)2, Urea)가 NH3로 변환되어 환원제로 사용되면서 배출가스 내 NOx를 선택적으로 환원하여 저감하는 방식으로 HC-SCR에 비해 NOx 저감효율이 높다. 또한, 이러한 방식으로 요소수를 저장하는 탱크, 공급제어유닛(Dosing Control Unit) 등 별도의 공급 장치가 필요하여 구조가 복잡하게 되고, 그에 따라 추가적인 공간이나 비용을 확보해야하는 문제점이 있으나, 시스템은 배기가스의 넓은 온도 영역에서 NOx의 전환율이 높기 때문에 배기규제를 만족시킬 수 있는 촉매 기술로 인정받고 있다.
하지만 SCR은 촉매로 요소수를 필요로 하며 늘 이것을 보충해줘야 한다. 보통 연료량 대비 5~7% 정도의 요소수를 쓰는데, 연료만큼 자주 보충을 해줘야 한다.
디젤엔진은 요소수를 충전하지 않으면 장기적으로 SCR 장치에 문제가 생겨 연비나 출력이 떨어지고, 요소수가 거의 없으면 시동은 걸리지만 출력 제한이 걸려 차가 안나가게 하거나 시동이 아예 걸리지 않도록 제조되어 있다.
또한, 요소수가 있어야만 차량이 제 기능을 하게 되는 특성상, 요소수 공급이 부족할 때 디젤 엔진을 사용하는 물류, 산업이 마비될 수 있다는 단점이 있다.
그리고 요소수의 주원료가 되는 석탄 생산국의 이해관계에 의한 수출금지 조치가 요소수 생산에 차질을 주고 있다. 요소수의 원료인 요소를 생산하기 위해서는 석탄이 필요한데, 이것이 수입되지 않으면서 요소 생산에 차질을 겪게 된다. 대부분의 상용차와 건설기계가 디젤 엔진을 사용하는 환경에서 요소수 공급 부족에 따른 SCR의 문제점이 나타난다.
KR 10-1544503 B1 (2015. 08. 07.) KR 10-1893188 B1 (2018. 08. 23.) KR 10-2280747 B1 (2021. 07. 16.)
유럽연합(EU)에서 시행하는 배출가스 규제 제도와 국내의 대기환경보전법 제46조에 따르면, 자동차 제조사들은 기존보다 미세매연 입자의 경우 약 50%, 질소산화물은 약 80% 가량 줄여야 하며, 이를 위해 차량은 배출가스의 저감을 위한 SCR을 사용한다. 이 SCR은 요소수를 이용하여 질소 산화물을 줄이는 기능을 하므로 요소수가 없으면 질소산화물의 저감을 할 수 없기 때문에 반드시 필요하다.
통상 요소수 제조가 기술력을 필요로하지 않다 보니 품질 차이가 나고 불순물들이 혼입된 요소수들이 유통되고 있다. 그러다보니 요소수 내부의 불순물인 칼슘, 바륨, 철 등이 고온의 배기가스와 만나면서 축적되고, 마치 시멘트처럼 되어 SCR 장치와 촉매에 들러붙는 문제점도 발생하게 된다.
현재 urea SCR 기술의 경우 80% 이상의 NOx 전환율을 보이고 있으나, 자동차에 적용하기 위해서는 시스템의 효율성, 가격, 인프라 구축과 같은 어려움이 있다.
또한, 요소수는 자체가 액체이기 때문에 영하 15℃ 부근의 저온에서 얼고, 요소가 석출되므로 추운 지방에서는 요소수의 동결에 대한 대책도 필요하다.
본 발명은 규산염을 이용하여 비교적 간단한 제조방법에 의해 제조될 수 있으면서, 불순물이 혼입되지 아니하여 환경오염의 우려가 없고, 엔진 장치에 악영향을 주지 않게 되며, 미세 산소 기포를 포함하고 있어 배기가스 저감과 함께 엔진의 연소 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 물리적으로 부동성을 가지는 환경오염 방지용 요소정화수와 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
규산염은 규석 원료를 1,800℃에서 고농축하여 강알칼리성 및 강한 음이온과 원적외선을 발산하며 자정능력을 가지고 있는 무공해물질로 수처리제, 세제를 비롯하여 산업전반에서 광범위하게 사용되고 있다.
이러한 규산염은 중금속 등 유해물질을 억제하며, 수질의 유기성 물질을 분해하는 자정능력이 있는 청정제로 널리 알려져 있고, 연소에 의한 환경오염의 우려가 없는 것이다.
예를 들면, 인체의 독성물질을 해독하고, 농산물에서는 적조오염 방지, 공업에서는 배관방청, 열효율 개선 등에 사용되며, 환경분야에서는 토양개량, 수질관리, 배수관리 등에 사용되고 있다.
따라서 규산염을 이용하여 유기성 물질의 분해 자정능력이 있는 요소정화수를 제조할 수 있게 되고, 여기에 화학적으로 안전한 부동성 물질을 적절하게 혼합한다면 환경오염을 방지하면서 동절기에 동결의 우려가 없이 사계절 사용할 수 있는 환경오염 방지용 요소정화수를 제공할 수 있게 될 것이다.
이에, 본 발명의 목적은 요소수의 제조과정에 규산염을 혼합하여 수질의 유기성 물질을 분해하는 자정능력이 있는 청정제로 인하여 정화수를 더욱 청정한 상태로 제조할 수 있는 수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 화학적으로 안전한 부동성 물질을 적절하게 혼합한다면 환경오염을 방지하면서 동절기에 동결의 우려가 없이 사계절 사용할 수 있는 수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소수의 제조과정에서 산소를 폭기하여 용존산소를 높여주게 됨으로써 엔진에서 연료의 연소효율을 향상시킬 수 있는 수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 목적 및 그 기술적 과제는 앞서 기재한 기술적 과제에 한정되는 것이 아니다. 따라서 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 고순도의 천연 규석을 분쇄하여 물에 용해가 용이한 수용성 규산염(SiO3)으로 제조하여, 이를 물에 용해시킨 뒤, 가열 증류를 통한 고순도 수용성 규산염(SiO3)의 다공성 구조체인 미세 규산염 입자를 얻고, 이를 재분쇄하여 정화수와 혼합하며, 또한 의도하는 바에 따라 부동성 물질을 혼합하여 동결될 우려가 없는 환경오염 방지용 요소정화수를 제공하고자 한다.
이와 같은 본 발명이 의도하는 목적을 달성하기 위한 환경오염 방지용 요소정화수의 기술적인 특징은 요소수 100중량부에 대하여 수용성 규산염 분말 20~40중량부를 혼합한 혼합물로 이루어지되, 상기 수용성 규산염 분말은 분쇄된 규산염 광물 20~30중량부와 물 70~80중량부가 혼합된 규산염 수용액을 20~25기압 및 150~200℃ 조건으로 4~5시간 동안 가열 증류하여 수증기와 기공을 형성한 규산염 구조체를 얻고, 상기 수증기를 응축시켜 얻어진 응축수와 정화수가 균등하게 혼합된 혼합정화수 100중량부에 상기 기공을 형성한 규산염 구조체를 1600℃~1700℃에서 소성하여 기공이 확장된 규산염 다공체를 10~15μ 크기로 분쇄한 미세 수용성 규산염 분말 90~95중량부와, 과탄산소다 5~10중량부를 혼합하여서 되는 요소정화수를 얻고, 상기 요소정화수 100중량부에 대하여, 첨가제로 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사메타인산나트륨(NaPO3)이 요소정화수 100중량부에 대하여 각각 0.01~0.5중량부가 균등하게 혼합되며, 동결방지제로 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 무수에탄올(Anhydrous Alcoho), 암모늄포메이트(NH4HCO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3), 알루미나겔(Al2O3)이 요소정화수 100중량부에 대하여 각각 0.001~30중량부가 균등하게 혼합되는 것을 더 포함하는 것이다.
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본 발명이 의도하는 목적을 달성하기 위한 환경오염 방지용 요소정화수 제조 방법의 기술적 특징은 환경오염 방지용 요소정화수를 제조함에 있어서, 수용성 규산염 분말을 제조하는 단계와; 제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 기술적 특징에 따르면, 상기 수용성 규산염 분말을 제조하는 단계는 ⅰ) 자연 상태에서 채취된 규산염 광물을 물에 쉽게 용해시킬 수 있도록 분쇄하는 단계와; ⅱ) 분쇄된 규산염 광물 20~30중량부와 물 70~80중량부를 밀폐된 용기에서 넣고, 규산염 광물을 용해하여 규산염 수용액을 제조하는 단계와; ⅲ) 규산염 수용액을 가열증류하여 를 기화시키고, 기공을 형성하는 규산염 구조체를 얻는 단계와; ⅳ) 상기 기화되는 수증기를 응축시켜서 상기 밀폐된 용기와 연결된 관을 응축수를 수집하는 단계와; ⅴ) 규산염 구조체를 1600℃~1700℃에서 소성하여 기공이 확장된 규산염 다공체를 제조하는 단계와; ⅵ) 소성된 규산염 다공체를 10~15μ 크기로 분쇄하여 미세 수용성 규산염 분말을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 기술적 특징에 따르면, 제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계는 상기에서 수집된 응축수와 정화수가 균등하게 혼합된 혼합정화수 100중량부에 대하여 상기 수용성 규산염 분말 90~95중량부와 과탄산소다 5~10중량부를 혼합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 기술적 특징에 따르면, 제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계는 규산염 분말과 혼합정화수의 혼합물에 산소를 폭기하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 기술적 특징에 따르면, 환경오염 방지용 요소정화수는 혼합정화수와 규산염 분말 및 과탄산소다가 혼합된 요소정화수 100중량부에 대하여 첨가제로 0.01~0.5중량부의 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사메타인산나트륨(NaPO3)이 각각 균등하게 혼합되는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 기술적 특징에 따르면, 환경오염 방지용 요소정화수는 혼합정화수와 규산염 분말 및 과탄산소다가 혼합된 요소정화수 100중량부에 대하여 동결방지제로 0.001~30중량부의 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 무수에탄올(Anhydrous Alcoho), 암모늄포메이트(NH4HCO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3), 알루미나겔(Al2O3)이 각각 균등하게 혼합되는 단계를 더 포함한다.
이와 같은 본 발명은 고순도의 천연 규석을 물에 쉽게 용해시킬 수 있도록 분쇄하여 규산염(SiO3)을 제조하고, 이를 정화수에 용해시킨 다음, 가열 증류를 통한 고순도 규산염(SiO3)의 다공구조체를 얻고, 이를 재분쇄한 미세 규산염 분말과 정화수를 혼합하여 환경오염 방지용 요소정화수를 제조하며, 이러한 환경오염 방지용 요소정화수는 그 제조 과정에서 폭기, 첨가제, 동결방지제 등과 같은 기능성 물질을 혼합하여 환경오염을 방지할 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 의하면, 요소수의 제조 과정에 수질의 유기성 물질을 분해하는 자정능력이 있는 청정제로 규산염을 혼합하여 트리우렛을 방지할 수 있는 요소수를 더욱 청정한 상태로 제공할 수 있게 된다.
또한, 규산염을 포함하는 요소수에 동결방지제가 혼합되어 화학적으로 안전한 상태에서 동절기에 동결의 우려가 없이 사계절 사용할 수 있는 환경오염 방지용 요소정화수를 제공할 수 있게 된다.
또한, 규산염 분말을 이용하여 환경오염 방지용 요소수를 제조하는 과정에서 산소를 폭기하여 용존산소를 높여주게[ 됨으로써 엔진에서 연료의 연소효율을 향상시킬 수 있는 환경오염 방지용 요소정화수를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 제조 공정 순서도
본 발명의 특징과 장점은 첨부된 도면에 의하여 설명되는 실시예에 의하여 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 의해 본 발명의 응용이 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 다른 실시예 들로 구현될 수 있고, 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자가 발명의 용어와 개념을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념에 입각하여 기재한 것으로 해석하여야 한다.
따라서 본 발명은 제시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위에 기재된 기술사상의 균등한 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능하다.
본 발명은 상세한 설명의 실시예로부터 보다 쉽고 명백하게 이해될 수 있을 것이다.
다음에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명의 환경오염 방지용 요소정화수는 요소수와 수용성 규산염 분말의 혼합물로 이루어지며, 요소수 100중량부에 대하여 규산염 분말 20~40중량부, 바람직하게 30량부를 혼합하여서 이루어진다.
규산염은 유기성 물질을 분해하는 자정능력이 있는 무공해물질로 수처리제, 배관청정제 등에 사용되고 있는 것이므로, 본 발명과 같이 내연기관의 엔진계통에 사용되는 요소수에 적용함으로써, 내연기관의 엔진에서 연료의 연소에 의한 환경오염을 방지할 수 있게 된다.
위와 같은 환경오염 방지용 요소정화수는 규산염의 기능 이외에 새로운 기능성을 부가하기 위해 첨가제가 혼합된다.
첨가제는 환경오염 감소를 위한 것으로, 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사메타인산나트륨(NaPO3)이 혼합된다.
각종 공장이나 화력발전소에서 배출되는 연소가스나 배기가스에는 해로운 유해성분이 포함되어 있으므로 이를 제거하기 위해서 탄산칼슘(CaCO3)으로 구성되는 석회석 제품들이 사용되는데, 본 발명의 제조 과정에 탄산칼슘(CaCO3)을 사용하게 되면 유해물질 제거에 도움을 줄 수 있다.
탄산나트륨(Na2CO3)은 물에 녹기 쉽고, 무기물로 생분해가 필요없으며, 유기오염을 일으키지 않기 때문에 환경에 부담을 주지 않고, 오염의 세탁이나 기름때 처리에 사용되는 것으로, SCR에서 요소수의 기능성 향상을 도모할 수 있다.
헥사메타인산나트륨(NaPO3)은 수용성으로 분산, 세척작용을 하여 수처리, 금속표면처리, 방첨제 등에 사용되는 것으로, 또한, SCR에서 요소수의 기능성 향상을 도모할 수 있다.
이들 첨가제는 바람직하게, 초미분쇄 기술로 0.5μ이하로 미분쇄된 미립자를 사용하며, 각각의 첨가제들은 요소정화수 100중량부에 대하여 0.01~0.5중량부가 균등하게 혼합된다.
본 발명의 요소정화수는 상기한 첨가제 이외에 동결방지제로서, 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 무수에탄올(Anhydrous Alcoho), 암모늄포메이트(NH4HCO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3), 알루미나겔(Al2O3)을 더 포함한다.
이들 동결방지제는 바람직하게, 요소정화수 100중량부에 대하여 각각 0.001~30중량부가 균등하게 혼합된다.
위와 같은 본 발명의 환경오염 방지용 요소정화수를 제조하는 방법은 수용성 규산염 분말을 제조하는 단계와; 제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계를 포함하여 이루어진다.
구체적으로, 수용성 규산염 분말을 제조하는 단계는 ⅰ) 자연 상태에서 채취된 규산염 광물을 물에 쉽게 용해시킬 수 있도록 분쇄하는 단계(S110)와;
ⅱ) 분쇄된 규산염 광물 20~30중량부와 물 70~80중량부를 밀폐된 용기에서 넣고, 규산염 광물을 용해하여 규산염 수용액을 제조하는 단계(S120)와;
ⅲ) 규산염 수용액을 가열증류하여 기화시키고, 기공을 형성하는 규산염 구조체를 얻는 단계(S130)와;
ⅳ) 상기 기화되는 수증기를 응축시켜서 상기 밀폐된 용기와 연결된 관을 응축수를 수집하는 단계(S140)와;
ⅴ) 규산염 구조체를 1600℃~1700℃에서 소성하여 기공이 확장된 규산염 다공체를 제조하는 단계(150)와;
ⅵ) 소성된 규산염 다공체를 10~15μ 크기로 분쇄하여 미세 수용성 규산염 분말을 제조하는 단계(S160)를 포함하여 이루어진다.
위와 같이 제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계는 상기에서 수집된 응축수와 정화수가 균등하게 혼합된 혼합정화수 100중량부에 대하여 상기 수용성 규산염 분말 90~95중량부와 과탄산소다 5~10중량부를 혼합하는 단계(S170)를 포함한다.
또한, 본 발명이 의도하는 바에 따라, 제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계는 규산염 분말과 혼합정화수의 혼합물에 산소를 폭기하는 단계(S180)를 더 포함한다.
또한, 본 발명이 의도하는 바에 따라, 환경오염 방지용 요소정화수는 혼합정화수와 규산염 분말 및 과탄산소다가 혼합된 요소정화수 100중량부에 대하여 첨가제로 0.01~0.5중량부의 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사메타인산나트륨(NaPO3)이 각각 균등하게 혼합하는 단계(S190)를 더 포함한다.
또한, 본 발명이 의도하는 바에 따라, 환경오염 방지용 요소정화수는 혼합정화수와 규산염 분말 및 과탄산소다가 혼합된 요소정화수 100중량부에 대하여 동결방지제로 0.001~30중량부의 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 무수에탄올(Anhydrous Alcoho), 암모늄포메이트(NH4HCO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3), 알루미나겔(Al2O3)이 각각 균등하게 혼합되는 단계(S200)를 더 포함한다.
제1 단계 규산염 광물 분쇄(S110)
자연 상태에서 채취된 규산염 광물을 물에 쉽게 용해시킬 수 있도록 분쇄한다. 분쇄되는 입자의 크기는 제한되지 아니하며, 소성 시간을 단축할 수 있을 정도의 미세한 크기로 분쇄하는 것이 좋으며, 바람직하게 50~90μ로 분쇄한다.
제2 단계 규산염 수용액 제조(S120)
50~90μ로 분쇄된 규산염 광물의 분말 20~30중량부와 정화수 70~80중량부를 밀폐된 용기에 넣고, 교반하여 규산염 수용액을 제조한다.
이때, 물속에 녹아 있는 미량의 중금속들은 SCR 장치 내에서 질소 산화물과 결합하여 금속염이 되기 때문에 극도로 순수한 물을 사용해야 하며, 바람직하게, 끓는 물에서 용해시켜 용해시간을 단축시킨다.
제3 단계 규산염 구조체 제조(S130)
규산염 수용액을 밀폐된 용기에 넣고, 20~25기압 및 150~200℃ 조건으로 4~5시간 동안 가열하여 기화시키고, 기공을 형성하는 규산염 구조체를 얻는다.
기화시킬 때 사용되는 밀폐된 용기는 높은 압력에도 견딜 수 있는 것을 사용하고, 상부에 관이 연결되어 있어 수증기가 배출될 수 있는 구조로 형성된다.
규산염 수용액을 가열 증류하면 규산염이 석출되면서 부풀어 올라 기공을 가지는 다공성 구조체를 얻을 수 있게 된다.
제4 단계 응축수 수집(S140)
수용성 규산염 분말과 정화수를 밀폐된 용기에 넣고 가열 가압하여 규산염 구조체를 얻는 동시에 기화되는 수증기로부터 응축수를 추출하여 수집한다.
응축수는 규산염 광물 분말과 정화수가 혼합된 밀폐된 용기와 연결된 직경 35 mm인 관을 통해 배출되는 수증기를 응축시킨다.
제5 단계 소성(S150)
규산염 구조체를 1600℃~1700℃에서 소성하여 기공이 확장된 규산염 다공체를 얻는다.
위에서 가열 증류에 의해 석출되는 규산염은 다공성을 가지게 되는데, 고온에서 소성을 하게 되면 이 기공이 더욱 팡창하여 부풀어 올라 기공이 매우 크게 형성된다.
이러한 다공성 구조체는 부피가 팽창되면서 밀도가 낮아지게 되어 많은 에너지를 사용하지 않더라도 손으로 쉽게 분쇄할 수 있게 되며, 정화수의 신속한 흡수가 이루어지게 된다.
제6 단계 수용성 규산염 분말 제조(S160)
소성된 규산염 다공체를 분쇄기에서 10~15μ 크기로 분쇄하여 미세 수용성 규산염 분말을 제조한다.
위 제5 단계에서 소성된 다공성 구조체는 확장된 기공에 이해 매우 쉽게 분쇄되므로 분쇄기를 구성하는데 특별한 제약이 없으며, 수작업으로 분쇄할 수도 있다.
제7 단계 규산염 분말과 혼합정화수 혼합(S170)
위 제4 단계에서 수집된 응축수와 정화수가 균등하게 혼합된 혼합정화수 100중량부에 대하여 상기 수용성 규산염 분말 90~95중량부와 과탄산소다 5~10중량부를 혼합하여 환경오염 방지용 요소정화수를 제조한다.
이때, 혼합과정에서 혼합정화수의 온도에 크게 의존하지는 않지만, 규산염 분말의 신속한 분산을 위해 혼합정화수를 70~80℃의 끓는 물에서 혼합한다,
제8 단계 폭기(S180)
바람직하게, 위 제7 단계의 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 과정에서 규산염 분말과 혼합정화수의 혼합물에 산소를 폭기하여 환경오염 방지용 요소정화수를 제조한다.
산소의 폭기는 수용성 규산염 분말과 혼합정화수의 혼합물을 밀폐된 용기에 넣고, 여기에 평균 크기가 0.05㎛~0.13㎛ 이고, 평균 농도는 1.00×109 particles/ml~2.25×109 particles/ml 인 마이크로 버블을 고압으로 불어 넣어 과포화 농도로 용해시킨다.
이러한 폭기는 수용성 규산염 분말과 혼합정화수의 혼합물에 용존산소를 과포화 농도까지 용해시켜 일반적으로 물 속에 녹아있는 용존산소의 농도보다 10~15배 이상 높게 함유되도록 한다. 용존 산소는 디젤엔진에서 연료의 연소에 필수불가결한 것으로, 충분한 산소의 공급은 연료의 완전연소로 배기가스를 기본적으로 저감시키며. 환경오염 방지에 기여하게된다.
제9 단계 첨가제 혼합(S190)
또한, 바람직하게, 혼합정화수와 규산염 분말 및 과탄산소다가 혼합된 요소정화수 100중량부에 대하여 첨가제로 0.01~0.5중량부의 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사메타인산나트륨(NaPO3)을 혼합하여 환경오염 방지용 요소정화수를 제조한다.
제10 단계 동결방지제 혼합(S200)
또한, 바람직하게, 혼합정화수와 규산염 분말 및 과탄산소다가 혼합된 요소정화수 100중량부에 대하여 동결방지제로 0.001~30중량부의 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 무수에탄올(Anhydrous Alcoho), 암모늄포메이트(NH4HCO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3), 알루미나겔(Al2O3)을 혼합하여 환경오염 방지용 요소정화수를 제조한다.
이와 같은 본 발명의 수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수는 질소산화물에 대응하여 연료의 완전연소를 추구하며 화학적인 방법으로 엔진의 개량 없이 오염물질을 포집하고 태워 무해화할 수 있게 됨으로써 료소수에 탁도를 일으키는 트리우렛을 방지하고, 오염물질 배출을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
위와 같은 제조 방법에 따라 규산염을 이용하여 유기성 물질의 분해 자정능력이 있는 요소정화수를 제조할 수 있게 되고, 여기에 환경오염을 방지하기 위한 첨가제와 화학적으로 안전한 부동성 물질을 적절하게 혼합하여 환경오염을 방지하면서 동절기에 동결의 우려가 없이 사계절 사용할 수 있는 환경오염 방지용 요소정화수가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 촉매 실험에서 환원제로 C3H6을 사용하고, 경유 자동차 배기가스 조건에서 deNOx 효율을 측정한 결과, 250℃의 저온영역과 300~350℃의 중온영역 그리고 350℃ 이상의 고온영역에서 deNOx 효율이 80% 이상 되었다.
지금까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다.
본 발명의 명세서는 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 관련된 것이고, 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 당업자라면 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형된 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
따라서 본 발명의 범주는 제시되는 실시예에 한정되지 않고, 이러한 많은 변형예 들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위에 기재된 기술사상의 균등한 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능한 실시예가 있을 수 있으므로 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예 들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims (8)

  1. 환경오염 방지용 요소정화수에 있어서,
    요소수 100중량부에 대하여 수용성 규산염 분말 20~40중량부를 혼합한 혼합물로 이루어지되,
    상기 수용성 규산염 분말은,
    분쇄된 규산염 광물 20~30중량부와 물 70~80중량부가 혼합된 규산염 수용액을 20~25기압 및 150~200℃ 조건으로 4~5시간 동안 가열 증류하여 수증기와 기공을 형성한 규산염 구조체를 얻고,
    상기 수증기를 응축시켜 얻어진 응축수와 정화수가 균등하게 혼합된 혼합정화수 100중량부에,
    상기 기공을 형성한 규산염 구조체를 1600℃~1700℃에서 소성하여 기공이 확장된 규산염 다공체를 10~15μ 크기로 분쇄한 미세 수용성 규산염 분말 90~95중량부와,
    과탄산소다 5~10중량부를 혼합하여서 되는 요소정화수를 얻고,
    상기 요소정화수 100중량부에 대하여,
    첨가제로 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사메타인산나트륨(NaPO3)이 요소정화수 100중량부에 대하여 각각 0.01~0.5중량부가 균등하게 혼합되며,
    동결방지제로 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 무수에탄올(Anhydrous Alcoho), 암모늄포메이트(NH4HCO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3), 알루미나겔(Al2O3)이 요소정화수 100중량부에 대하여 각각 0.001~30중량부가 균등하게 혼합되는 것을 더 포함하는,
    수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 환경오염 방지용 요소정화수를 제조함에 있어서,
    수용성 규산염 분말을 제조하는 단계와;
    제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계를 포함하며,

    상기 수용성 규산염 분말을 제조하는 단계는:
    ⅰ) 자연 상태에서 채취된 규산염 광물을 물에 쉽게 용해시킬 수 있도록 분쇄하는 단계(S110)와;
    ⅱ) 분쇄된 규산염 광물 20~30중량부와 물 70~80중량부를 밀폐된 용기에서 넣고, 규산염 광물을 용해하여 규산염 수용액을 제조하는 단계(S120)와;
    ⅲ) 규산염 수용액을 20~25기압 및 150~200℃ 조건으로 4~5시간 동안 가열 증류하여 기화시키고, 기공을 형성하는 규산염 구조체를 얻는 단계(S130)와;
    ⅳ) 상기 기화되는 수증기를 응축시켜서 상기 밀폐된 용기와 연결된 관을 응축수를 수집하는 단계(S140)와;
    ⅴ) 규산염 구조체를 1600℃~1700℃에서 소성하여 기공이 확장된 규산염 다공체를 제조하는 단계(S150)와;
    ⅵ) 소성된 규산염 다공체를 10~15μ 크기로 분쇄하여 미세 수용성 규산염 분말을 제조하는 단계(S160)를 포함하고,

    제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계는:
    상기에서 수집된 응축수와 정화수가 균등하게 혼합된 혼합정화수 100중량부에 대하여 상기 수용성 규산염 분말 90~95중량부와 과탄산소다 5~10중량부를 혼합하는 단계(S170)를 포함하는,
    수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제조된 수용성 규산염 분말에 정화수를 혼합하는 단계(S170)는:
    규산염 분말과 혼합정화수의 혼합물에 산소를 폭기하는 단계(S180)를 더 포함하는,
    수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 제조 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    환경오염 방지용 요소정화수는,
    혼합정화수와 규산염 분말 및 과탄산소다가 혼합된 요소정화수 100중량부에 대하여 첨가제로 0.01~0.5중량부의 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 헥사메타인산나트륨(NaPO3)이 각각 균등하게 혼합되는 단계(S190)를 더 포함하는,
    수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 제조 방법.
  8. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    환경오염 방지용 요소정화수는,
    혼합정화수와 규산염 분말 및 과탄산소다가 혼합된 요소정화수 100중량부에 대하여 동결방지제로 0.001~30중량부의 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol; PVA), 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 무수에탄올(Anhydrous Alcoho), 암모늄포메이트(NH4HCO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3), 알루미나겔(Al2O3)이 각각 균등하게 혼합되는 단계를 더 포함하는,
    수용성 규산염 분말을 이용한 환경오염 방지용 요소정화수 제조 방법.
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