KR20050010301A - 자동차용 연료 개질을 위한 촉매용 세라믹 조성물 및제조방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 전기석(Tourmaline:電氣石)이 갖는 물성적 특징인 0.06mA의 미약전류, 초전기(焦電氣 ; Thomon, W,. Math. Phys. Paper 1, p. 291-316), 압전기(壓電氣 : Curie, J. et P,. 1880, Bull. soc. min. de France, T. 3. pp.90-93;Comp. Rend,. T. 91, pp 294-295), 마찰전기(摩擦電氣;일본 物理學辭典 p.1383 1992. 5. 20), 전기석 미약전류에 의한 현상인 OH 기의 발생과 흡입 산소량 증대(일본 [物性科學辭典] 일본 동경대학 물성연구소 1996년 2월 29일 p. 648)를 이용하고, 미약방사선 전자파장을 방사하는 모나자이트 광물( 회토류 광물로 1％∼4％ 이하 정도의 토륨(Th)이 함유된 광물) 분체를 이용하여, 대기오염의 대부분을 차지하고 있는 자동차 배출 배기가스의 감쇠, 연료 절감, 출력향상을 꾀하기 위한 촉매용 세라믹 조성물 및 그 제조방법이다.

Description

자동차용 연료 개질을 위한 촉매용 세라믹 조성물 및 제조방법{Composite and its manufacturing method of catalyst ceramic for improving the fuel for vehicles.}

종래에도 연료절감 및 화석연료로 인한 대기 환경오염의 심각성과 대기오염으로 인한 각종 사회적 문제 및 지구 온난화를 일으키는 배기가스 배출문제를 해결하기 위해 연료속에 자석을 넣든지 회토류계통의 광석을 넣어 상당한 효과를 얻고 있다. 하지만 종래의 방법으로서는 최대효과를 발휘할 수 없는 단점이 있다. 이에 이 발명은 이러한 단점들을 획기적으로 개선하기 위하여 자동차 배출 배기가스 감쇠에 효과가 있는 세라믹 조성물(전기석(Tourmaline) 분체와 1％∼4.4％미만의 미량의 토륨을 함유하고 있는 회토류 모나자이트 광물 분체를 세라믹 조성물로 성형, 소성)을 제조하여 현 가솔린 차량과 오염 배기가스를 많이 배출하고 있는 경유차량 등의 연료주입 구, 또는 연료탱크 내에 직접 투입을 통해 연료절감과 매연감쇠, 출력향상에 효과가 있도록 한 연료개질 촉매용 세라믹 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이 발명은 과다하게 배출되는 자동차 배기가스로 인한 대기공간의 오염과 지구온난화를 가속화하는 원인이 되는 자동차 배기가스를 감쇠시키는데 있어서 필요한 전기석과 모나자이트 분체 입자크기를 1㎛ ~ 6㎛ 이하로 분체가공하기 위해 제트분쇄기로 입자충돌방식으로 5∼6차에 걸친 입자분극분리로 초미세 분체화 하여야 한다. 초미세 분체화 하는 것은 영구적으로 전기석이 갖고 있는 물성인 0.06mA의 미약전류, 초전기(焦電氣 ; Thomon, W,. Math. Phys. Paper 1, p. 291-316), 압전기(壓電氣 ; Curie, J. et P,. 1880, Bull. soc. min. de France, T. 3. pp.90-93;Comp. Rend,. T. 91, pp 294-295), 마찰전기(摩擦電氣;일본 物理學辭典 p.1383 1992. 5. 20) 와 전기석 미약전류에 의한 OH 기의 발생과 흡입 산소량 증대(일본 [物性科學辭典] 일본 동경 물성연구소 1996년 2월 29일 p. 648), 그리고 전기석은 주변전자를 흡수하는 흡착작용과 흡수된 전자를 발산하는 반발작용에 의해 자신의 주변으로 음이온을 발생시킨다. 또한 이 발명에서 가장 중요한 자동차 매연의 감쇠, 연료절감, 출력향상에 효과가 있는 적정한 비율인 전기석 분체와 모나자이트 분체와의 혼합비율로 세라믹 조성물을 성형, 건조 후 세라믹 조성물 소성온도를 섭씨 700℃ 미만의 열소성에도 강한 입자결합력과 장기간 자동차 기름탱크에 이 세라믹 조성물을 투입, 또는 내장하더라도 세라믹 조성물에서 미세한 분체입자들이 분해되지 않도록 저온에서도 입자와 입자를 강하게 잡아주는 소결용 재료를 15무게％∼30무게％를 함유하여야 한다. 천연 광물중 대기중에 음이온과 미약방사선 전자파장을 발생시키는 토륨을 함유한 회토류 광물을 기타 광물 분체와 희석혼합 함으로 토륨함량이 1％∼4.4％가 되도록 배합조정 함으로써 자동차의 매연감쇠와 연료절감, 출력향상, 그리고 미약방사선으로 인하여 유해하지 않는 회토류광물 모나자이트 광물 분체를 그 원료로 사용함으로써 1㎤ 당 1,000~35,000개 음이온발생과 0.2μSv / hr ∼ 4.0μSv / hr이하 미약 방사선량을 발생하도록 조정, 제한하여 전자파장 에너지인 알파(α)선, 베타(β)선 0.2-4 μSv/hr, 감마(γ)선0.2∼4 μSv/hr 범위에 의한 연료탱크내의 연료개질로 자동자 엔진 룸(Room)의 연소실내에서의 연료, 폭발 연소시 완전연소를 유도함으로써 배출되는 유해배기가스(CO, HC) 및 배기 흑연(黑煙) 농도를 감소시켜 대기오염을 줄이는 역할을 하도록 한다.

또한 지구 온난화방지대책의 하나로 방사선의 방사에너지 파장에 의한 탄화수소연료의 개질은 약 20년 전부터 알려져 있었지만 그 응용 사례는 거의 없었다.그 이유는 연료촉매에 있어서 방사선물질의 고정기술이 발달되지 못했고, 방사선발생장치가 복잡함, 그리고 높은 레벨의 방사능으로 인한 그 안전성과 탄화수소분자의 붕괴에서 가교로 진행하는 역작용 등 현재와 같은 방사선물질을 이용한 기술부족으로 실용화되지 못했다. 이 발명은 천연 광물을 응용하여 전기석의 물성과 토륨을 함유하고 있는 회토류 계열의 광물을 안전한 모나자이트 원료로 하여 미약방사선 전자파장에 의한 자동차 연료의 계절로 매연감쇠, 연비절감, 출력향상을 꾀했다.

도1은 이 발명에 사용한 전기석 분체와 토륨이 함유된 회토류 광물 중 하나인 모나자이트 분체를 혼합, 세라믹 조성물 성형전의 혼합분말에서의 음이온 발생 수를 나타내는 그림

도2는 이 발명에 사용한 전기석 분체와 토륨이 함유된 회토류 광물 중 하나인 모나자이트 분체를 혼합, Ball 타입으로 세라믹 조성물로 성형, 건조, 저온 열소성한 완성된 세라믹 조성물에서의 음이온발생 수를 나타내는 그림

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 모나자이트 분체를 혼합, 세라믹 조성물 성형전의 혼합분말

2. Ball 타입으로 성형, 건조, 저온 열소성한 완성된 세라믹 조성물

3. 음이온발생 수

이 발명은 자동차 주행시 발생하는 유해배기가스(CO, HC)를 감쇠, 연비절감, 출력향상을 위하여 천연 광물 전기석 분체와 미량의 토륨이 함유된 회토류광물중에 모나자이트 분체, 그리고 저온에서 세라믹 조성물로 만들기 위한 저온 소결재료를 배합, 성형, 저온 열소성 후 세라믹 조성물을 직접 자동차 연료탱크 내에 투입함으로써 전기석에서 발생하는 미량의 산소와 미약전류 및 초전기, 압전기, 마찰전기 등의 작용으로 연료개질 효과와 미약방사선 전자 파장에 의한 연료탱크내의 연료 개질을 통하여 자동차 연료 연소시 연료의 질을 향상시키데 효과가 있는 여기현상(勵起現像;Excitation Phenomenon)에 관련한 자료에 준하여 영구적으로 에너지를 발생시키는 천연 광물 전기석과 알파(α)선, 베타(β)선, 감마(γ)선 등 방사선 전자 파장에너지를 방사 및 복합작용에 의해 자동차 연료 탱크내의 연료가 개질된다. 이렇게 다량의 음이온과 미약방사선에 의해 연료가 개질 되면 음이온(Negative Ion) 이 다량 함유된 연료가, 연소실내의 연소과정에서 수 ㎛의 연료 미세입자들의 흡착작용을 상승시켜 실린더 속의 폭발력이 상승함으로써 연소가 촉진된다. 관련 자료조사에 의하면 전장(電場)에 의해 혼합화염(混合火焰)의 연소속도가 증가되며(A. E. Malinowski . J . Chimie Physique(U.S.S.R), 21, p469 . 1924) 또한 이 세라믹 조성물에 함유된 전기석에서 소량의 산소를 발생(일본 [물성과학사전] 동경대학물성연구소,. P.648. 1996년 2월 29일)시켜 자동차의 연료 연소를 돕는다. 이 발명에서 전기석과 미량의 토륨을 함유한 회토류 모나자이트 미세 분체입자에서 대량으로 발생하는 음이온이 매연감쇠, 연료절감에 도움이 되는 것은 자동차 연료 연소를 위해 흡입되는 공기 속에 음이온 함유가 많으면 연료 연소실에서의 연료 입자들의 흡착작용이 상승되어, 연료 혼합기 연소과장에 있어서 수 ㎛의 미세 연료입자 흡착이 쉬워진다. 양이온보다 음이온 쪽이 흡착속도가 더 빠르고, 또한 연료입자의 확산속도, 이동속도가 크기 때문에 흡입된 연료연소가 빨라진다. 엔진 룸 실린더에서의 급격한 연소로 인하여 실린더 속에서의 폭발력을 최대치로 상승시킴으로써 연료의 연소를 촉진, 향상시키는 것이 이 발명의 메커니즘이다. 참고적으로 이 발명은 물질의 여기현상(勵起現像:Excitation Phenmenon)을 응용한 것으로 이와 관련한 논문자료를 살펴보면 아래와 같다.

① Malinowske; 전장(電場)에 의해 여혼합화염(予混合火炎)의 연소속도가 증가한다.(A. E. Malinowski, J. Chimie Physique(U.S.S.R), 21, p469, 1924)

② Guenault et al ; 연소속도의 향상은 저장의 부여에 의해 화염면적이 증가하고, 이것이 의해 연소속도를 증가시킨다.(E. M. Guenault ＆ Wheeler : J. Chem. Soc. 2, p195, 1931,p 2788,1932)

③ Asakawa ; 화염에 전장을 부여하면 연소가 촉진된다. 이것을 일명 [Asakawa Effect 효과]라고 한다.(Yuukichi Asakawa : Nature , No. 1557, pp 220-221, May20, 1976)

④ 연소하는 곳에 전장을 걸면 화염형상이 변하거나, 연소속도도 변하는 것이 관찰되었다. 연료의 연소, 열전달, 증발촉진으로의 응용에 관하여 (傳熱연구 26, 101, p134, 1987, 일본)

1㎤ 당 1,000개~35,000개 음이온과 0.2μSv / hr ∼ 4.0μSv / hr이하 미약 방사선량에서 발생하는 전자파장 에너지인 알파(α)선, 베타(β)선, 감마(γ)선에 의한 흡입공기의 활성화로 자동차 연료탱크내의 연료분자, 산소분자 등에 다량의 음이온전자가 부가됨으로써 기름탱크내의 연료가 개질된다.

이 발명에 사용하는 주원료인 전기석과 1-4％ 미량의 토륨을 함유한 회토류 광물인 모나자이트 광물의 물성특징 및 연료개질을 위한 작용은 아래와 같다.

전기석은 붕소의 규산소금으로, 화학식이(Ca, Na) X₃Al₆(BO₃)₃Si₆O₁₈(OH, F)₄로 나타내지는(X는 Mg, Fe, Mn, Li, Al).육방정계의 이극 상이다. 통상은, 기둥 모양의 결정으로 경도가 7∼7.5로 비중이 3∼3.2이다. 표면은 유리광택으로 자, 록, 홍, 흑 등 아름다운 색을 가진다. 전기석은 자연 상태로 전기 분극을 갖고, 마찰 전기를 일으켜 초전기가 발생한다. 결정에 응력을 주면(자) 피에조 전기가 일어나는 것은, 1880년에 P. Curie등이 발견했다. (자료참조 일본 「물리학 사전)(물리학 사전 편집 위원회) P.1383) 전기석의 초전성이 박 검전기법과 쿠트의 연단, 유황분말 살포법으로 검출되었다. 그 후, 압전 정수는 d₃₃, d₃₂가 1.8∼1.9pC/N 로 결정되었다. 초전정수는 p₃=dP₃/dT로서

실온에서 2∼5μC·m^-2·K^-1로 결정되었다. 또한 전기석 분말을 포함한 세라믹 볼을 산성수에 침지하면, 물이 약 알카리화가 되며, 동시에 물의 전기 전도율이 감소해, 소량의 산소를 발생한다. (일본 나카무라 아키라 타로; 물성과학 사전, 토쿄 대학 물성 연구소, P.648) 또한 전기석에 열을 가하면 발생하는 에너지인 초전기(焦電氣 ; Thomon, W,. Math. Phys. Paper 1, p. 291-316)가 발생하고 전기석이주변에서 알력을 받으면 압전기(壓電氣 ; Curie, J. et P,. 1880, Bull. soc. min. de France, T. 3. pp.90-93;Comp. Rend,. T. 91, pp 294-295)가, 주변에서 공기마찰이든, 물, 또는 연료에 의한 마찰에 대하여 마찰전기(摩擦電氣;일본 物理學辭典 p.1383 1992. 5. 20)등 에너지를 발생시키는 물성을 이용하여 자동차 연료탱크내에서의 세라믹 조성물의 마찰력, 주변 온도, 연료압력, 자동차의 진동, 원적외선, 0.06mA미약전류에 의한 OH 기 생성에 의한 연료개질 효과와 모나자이트에서 발생하는 1㎤ 당 1,000개∼35,000개 음이온과 0.08μSv / hr ∼ 4.0μSv / hr 미약방사선 알파선, 베타선, 감마선 전자파장과 연료분자에 다량의 음이온 전자를 부여 및 전기석의 0.06mA 미약전류에 의한 산소량 증가 등으로 인하여 열료분자의 활성화 등으로 연료연소 효율을 증가시켜 배출되는 배가가스의 감쇠는 물론 출력향상과 연비감소에 도움을 준다. 또한 아래 표1은 이 발명의 토륨성분을 함유한 회토류에서 방사되는 미약방사선의 베타(β)선, 감마(γ)선이 거리에 따라 감소되는 것을 나타내는 것으로 참고적으로 이 실험에 사용한 원료는 4.0μSv / hr로 자동차 연료 개질을 위한 촉매용 세라믹 조성물로 제조, 1800rpm, 2000rpm으로 적용 실험하였다.

표1(실내공간선량율 ; β선 0.2-0.3μSv / hr, γ선 0.3-0.4μSv / hr에서측정)

* 알파(α)선은 종이한장도 투과하지 못하기 때문에 적용상 연료탱크내에 연료개질용 세라믹 촉매 조성물을 탱크내에 투입후의 방사율은 무시하였고, 따라서 계측하지 않았다. 위 실험에서 알 수 있듯이 4.0μSv / hr 이상 방사되는 세라믹 촉매 조성물을 외부, 즉 연료탱크내에 투입하지 않았을 때의 방사율은 베타(β)선, 감마(γ)선 모두 실내공간선량율의 약 10배 이지만 60cm 떨어졌을 때는 실내공간선량율과 같은 레벨로 떨어졌다. 또한 연료탱크내에 투입한 경우 공간선량율은 직접접촉과 비교해서 베타(β)선, 감마(γ)선 모두 1-2 μSv / hr 감소하였다. 결론적으로 베타(β)선, 감마(γ)선 선량율이 실내공간선량율과 비교하여 높다 하더라도 실제적 사용에 있어서 일정한 거리를 계산, 적용한다면 안전상 전혀 문제가 없었다.

＜실시예1＞

자동차 연료탱크에 70리터 연료 충진 후 연료개질을 위해 세라믹 촉매 조성물 200그램을 연료탱크에 직접 투입 후 연료절감과 출력증가 및 자동차 배기가스(CO₂) 배출 감쇠여부 확인을 위해 아래와 같이 시험을 실시하였다. 시험결과 제조사, 모델별, 배기량 등에 따라 다소 차이는 있었으나 연료절감, 출력향상, 매연감쇠에 대한 긍정적인 결과를 확인할 수 있었다.

별첨(자동차 1800rpm과 2000rpm의 출력향상, 매연(CO, HC)감쇠, 연료소모 비교실험 그래프

이 발명은 다음과 같은 효과를 거두었다.

① 자동차 배기가스 배출량 감소로 대기 환경개선 된다.

② 수출주력 품목인 자동차의 각종 오염물질 배출에 따른 해외규제를 벗어나 자동차의 해외수출이 증가된다.

③ 자동차의 출력향상 및 연료절감효과로 개인에게 있어서 차량유지비가 절약되고 국가적으로 연료수입에 따른 외화절약

Claims (2)

1. 전기석과 모나자이트 광물의 입자크기가 각각 1㎛ ∼ 6㎛ 가 되도록 분체화한 것을 전기석 분체 10무게％∼90무게％, 회토류(1∼4.4％토륨함유) 인 모나자이트 분체 90무게％∼10무게％를 배합하고 소결 재료 15무게％∼30무게％를 함유시켜 혼합하여, 둥근 형태, 직사각형 형태, 기타 형태로 성형, 건조 후 소성가마에서 물성유지를 위해 섭씨 700℃∼650℃ 로 저온 열소성 하는 방법을 특징으로 하는 자동차 연료 개질을 위한 촉매용 세라믹 조성물 및 제조방법
2. 제1항에 있어서 분체를 통하여 1㎤ 당 1,000개∼35,000개(공기흡입방식으로 측정) 음이온이 발생하고 0.2μSv / hr ∼ 4.0μSv / hr의 미약방사선량에서 발생하는 전자파장 에너지인 알파선, 베타선, 감마선이 각각 0.2∼4 μSv/hr 범위에 의한 흡입공기의 활성화로 자동차 엔진 룸(Room)의 연소실내에서의 연료, 폭발 연소시 완전연소를 유도함으로써 자동차 운행중에 발생하는 유해배기가스 및 배기 흑연(黑煙) 농도를 감소시켜 대기오염을 줄이는데 있어서 효과가 있도록 광물질에서 방사되는 에너지를 응용한 것을 특징으로 하는 자동차 연료 개질을 위한 촉매용 세라믹 조성물 및 제조방법