KR20050096860A

KR20050096860A - 유화연료유용 생물학적 유화제와 이를 포함하는 유화연료유

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Publication number: KR20050096860A
Application number: KR1020050070115A
Authority: KR
Inventors: 김학로; 도시오 후구나가
Original assignee: 김학로
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2005-10-06

Abstract

본 발명의 생물학적 유화제는 신균주 mixture khr-5-mx (KCTC 0078BP)를 발효조(fermenter)에서 섭시 20∼30℃와 pH 7∼8의 조건으로 24시간 배양(10×10⁵∼10×10⁹CFU/ml)하고, 상기 배양액에서 균체를 제거한 다음 여기에서 생산된 유화제를 액상 또는 고상으로 제조되는 생물학적 유화제이다.

본 발명의 유화연료는 (a)적어도 1종류 또는 이상의 방향족 탄화수소, 올레핀 탄화수소, 파라핀 탄화수소 및 이들의 이성질체 탄화수소를 50∼90±5중량%; (b)적어도 1종류 또는 이상의 지방족 탄화수소 10∼30±5중량%; (c)적어도 1종류 또는 이상의 비방향족 탄화수소 10∼30±5중량%; (d)순수하게 제조된 증류수 또는 물(H₂O)로 0.01∼15±5중량%; (e)유화제 0.01∼5±5중량%; 이루어지는 것을 특징으로 하는 유화연료유로서, 상기 원료를 극성이 가까운 순으로 혼합하여 에멀젼(emulsion)을 형성하고, 가변적 주파수를 갖는 초음파 변환기로부터 초음파 에너지를 공급하는 것으로 완성되고 이것으로 공식화(formulation)된다. 따라서, 기존의 연료(예 : 중유, 경유, 부생연료)를 이용하여 상기 유화제와 물을 혼합하여 제조공정에 따라 유화연료를 제조하여 사용할 수 있다. 이에, 기존의 내연기관의 구조 또는 재질의 변경을 필요로 하지 않고, 종래의 연료유와 같은 정도 또는 그 이상의 효율과 출력을 얻을 수 있으며 또한, 배기가스중의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 매연(PM) 등의 농도가 종래의 기술과 비교해서 현저하게 감소하는 유화연료유를 제공한다.

Description

유화연료유용 생물학적 유화제와 이를 포함하는 유화연료유{omitted}

본 발명은 생물학적 유화제 및 내연기관용 유화연료이다. 본 발명의 연료는 액체탄화수소의 석유제품(예 : 중유, 경유, 용제, 석유중간 제품)과 석유화학제품(예 : 톨루엔, 자일렌, 메탄올)을 이용하여 에멀션을 유화 및 안정화시킬 수 있는 생물학적 유화제를 포함하는 안정화된 물(H₂O)과 탄화수소의 석유제품 및 석유화학제품을 혼합하여 유화연료로 제조하는 것으로서 즉, 예를 들어 기존 디젤 엔진의 연료공급계통의 구조 또는 재질의 변경을 필요로 하지 않고 종래의 디젤과 같은 정도 또는 그 이상의 효율과 출력을 얻을 수 있으며, 한편 배기가스중의 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx), 매연(PM)의 농도가 종래의 유화연료와 비교해서 현저하게 감소하는 저공해 유화연료유에 관한 것이다.

본 발명의 유화연료유 조성물은 비방향족 탄화수소와; 방향족, 올레핀 또는 파라핀 탄화수소 및 이들의 이성질체 탄화수소와; 지방족 탄화수소와; 물(H₂O)의 혼합 연료유로서 기존의 디젤유에 어떻한 비율로 혼합사용하거나 단독으로 사용하여 새로운 성능을 부여할 목적으로 사용하는 물질을 말하며 유화연료유의 역할은 크게 석유사업법에서 정의하는 대체연료와 대기오염 배출가스의 저감이라는 두 가지 측면으로 나누어 볼 수 있다.

따라서, 종래의 사용되는 여러 유화연료가 개발되어 공지된 바 있다. 먼저 유화연료용 천연 계면활성제 및 이를 함유하는 유화연료(대한민국 특허공개번호 10-2004-0067031) 에스테르화된 카놀라 오일과 물, 디젤유를 혼합 제조하는 예가 개시되어 있다.

또한, 온도에 안정된 유화연료(대한민국 특허공개번호 특2002-0071900)와, 캡슐화 에멀젼 연료유 및 이에 제조방법(대한민국 특허공개번호 10-2005-0011537)과, 디젤 에멀젼 연료(대한민국 특허등록번호 10-0351032)와 이외에도 경유 또는 중유를 이용한 유화유 연료(에멀젼 연료)의 제조방법 및 장치(대한민국 특허공고번호 10-0281230) 등을 개시하고 있다.

상기 기술은 오랫동안 연구 개발한 비용절감 및 대기오염물질 감소의 목적으로 석유 유도체 대체제품으로 이루어진 연료 조성물로서, 물과 휘발유 또는 디젤 연료용 으로 첨가제 또는 부분적 대체물질로 매우 신속하게 개발되었다. 상기 물과 탄화수소의 엔진연료는 이제까지 석유화학제품에 물과 소량의 계면활성제를 혼합하여 사용하는 것으로 이는 -20℃∼-70℃ 온도의 범위에서 혼합물의 저장안정성 및 저장용기의 탱크 내 에멀션의 안정성의 문제로 상기 유화연료는 장기간 보관하였을 때 극성과 비중이 다른 탄화수소류와 물 또는 다른 성상들이 서로 분리되어 균질된 제품을 유지하기가 어렵고, 시간이 경과함에 따라 미세한 입자들끼리 재결합하여 물입자의 결정이 성장하여 유수 분리현상이 발생하고, 엔진 연료공급 계통인 배관류 및 연료 압축분사 장치인 커먼레일의 문제가 발생하고, 대기온도 -20℃이하에서는 기화 및 혼합이 어려워 겨울철에는 저온 시동성 문제가 발생하는 단점을 가지고 있었다.

본 발명자는 상기 공지 기술들의 문제점을 해결하기 위하여 장기적으로 지속되는 생물학적 유화제 (bio-surfactant)를 상기 탄화수소 화합물에 분산시키고 에멀션을 형성하는 경우 탄화수소와 물의 극성 차이에 따른 분리, 침전 또는 탈 혼합 발생의 문제를 해결 할 수 있었다.

또한, 본 발명자는 유화연료의 단독 사용은 물론 유화연료량 대비 디젤연료를 다량으로 혼합 사용하더라도 엔진성능 또는 사용상의 문제가 없으면서 대기 오염물질의 배출을 현저하게 감소시킬 수 있는 유화연료유로 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있음을 알고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 유화연료유의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서 기존 디젤용 내연기관의 구조 또는 재질의 변경을 필요로 하지 않고, 디젤유와 같은 정도 또는 그 이상의 효율과 출력을 얻을 수 있으며, 한편 배기가스중의 CO, HC, NOx, PM 등의 배출농도가 종래의 유화연료유와 비교해서 현저하게 대기오염을 저감 하는 새로운 유화연료를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 조성물은 (a)적어도 1종류 또는 이상의 방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소 및 이들의 이성질체를 50∼90±5중량%; (b)적어도 1종류 이상의 지방족 탄화수소를 10∼30±5중량%; (c)적어도 1종류 또는 이상의 비방향족 탄화수소를 10∼30±5중량%; (d)순수하게 제조된 증류수 또는 물을 0.01∼5±5중량%; (e)적어도 1종류 또는 이상의 생물학적 유화제 또는 공-계면활성제를 0.01∼5±5중량%; 등으로 이루어지고, 극성이 가까운 순으로 블랜딩(blending)하여 에멀션(emulsion)을 형성하고, 가변 주파수를 갖는 초음파 변환기로부터 초음파에너지를 공급하는 것으로 완성되고 이것으로 공식화(formulation) 된다.

상세하게는 상기 탄화수소 혼합물과 물(H₂O)과 생물학적 유화제를 그 극성에 가까운 순으로 혼합 에멀션(emulsion) 형성과 초음파 변환기 파워로부터 상기 물(H₂O)은 평균 5∼10 ㎛ 직경을 갖는 미립자 형태로 탄화수소 화합물에 분포된다.

따라서, 상기 탄화수소 화합물로 조성된 유화연료유는 어떻한 엔진 내부의 연소실에서 완전히 연소되면 최적의 균형있는 연소온도와 연비를 만들어 낸다.

상기 생물학적 유화제로는 신균주 mixture khr-5-mx(KCTC 0078BP)를 10×10⁶∼10×10⁹CFU/ml 배양, 분리 정제된 생물학적 유화제(bio-surfactant)로 이루어진 것을 특징으로 하고 있다.

이 특징에 의하면 상기 공식화(formulation)되어 얻어지는 유화연료 중에 적어도 1종류 또는 이상의 지방족 탄화수소 유도체를 포함하는 점으로부터, 이들 극성이 큰물(H₂O) 또는 화합물에 의한 분리, 침전 현상을 생물학적 유화제 또는 공-계면활성제를 첨가하고 에멀션 형성으로 상기 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명의 저공해 유화연료 조성물은 상기 지방족 탄화수소 유도체의 중량%가 상기 방향족 또는 비방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소 중량%의 5분의 1 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 지방족 탄화수소는 적어도 1종류가 비직쇄계인 것이 바람직하다.

이와 같이 조성되면 같은 탄소수의 직쇄계를 이용한 경우보다 이들 비직쇄계를 이용함으로서 지방족 탄화수소 성분이 다른 디젤연료와 분리되는 것을 방지할 수 있다.

여기서 일정항 세탄가를 유지하기 위해서 세탄가 향상제로 질산 2-에톡시에틸(2-ethyl(hexyli)nitrate)과 저하제로 알파-메틸나프탈렌(a-methylnapthalene)을 사용할 수 있다.

본 발명의 유화연료유 조성물은 상기 비방향족 탄화수소가 방향족 탄화수소성분의 함유율이 1%이하인 비방향족 탄화수소의 혼합이 바람직하다.

이와 같이 하면 화학적으로 불안전 연소되기 쉬운 방향족, 올래핀, 파라핀 탄화수소 성분 등을 균질화 하는 것으로 한층 안정되게 제조할 수 있다.

본 발명의 저공해용 유화연료의 제조방법은 적어도 1종류 또는 이상의 방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소 및 이들의 이성질체와; 적어도 1종류 또는 이상의 지방족 탄화수소와; 적어도 1종류 또는 이상의 비방향족 탄화수소와; 신균주 mixture khr-5-mx에서 분리 정제된 생물학적 유화제 또는 공-계면활성제와; 순수하게 제조된 증류수 또는 물(H₂O)을 그 극성에 가까운 순으로 블랜딩하여 에멀션을 형성하고, 초음파 에너지를 공급하는 것으로 완성되고 이것으로 공식화 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 저공해용 유화연료는 올레핀, 파라핀 탄화수소 및 이들의 이성질체와 순수하게 제조된 증류수 또는 물을 신균주 미생물에서 생산된 생물학적 유화제를 주성분으로 하는 것으로 상기 유화연료는 디젤유와 어떻한 비율로 혼합하여 사용하거나 단독으로 사용할 수 있다.

[실시예 1]

〈bio-surfactant 생산 균주의 동정〉

최종 선별된 균주의 동정은 바이오록사의 세균자동동정시스템(automated bacterial identification System)을 이용하여 실시하였다. 여기서 선별된 2개의 균주를 동정한 결과 바실러스 속과 슈도모나스 속과 유사한 균으로 동정되어 동 균주를 mixture khr-5-mx(KCTC 0078BP)로 명명하였다.

〈미생물의 유전적 표지〉

bio-surfactant 생산 균주인 mixture khr-5-mx(KCTC 0078BP)의 실제 액체연료에서의 적응력을 검정하기 위하여 상기 균주를 유전적 표지를 하여 액체연료에서의 활성을 측정하였다. mixture khr-5-mx의 경우 0.1 ml 현탁액을 뉴트리언트 아가에 도말한 후 섭시 30℃에서 2∼3시간 배양을 한 후 각 농도별로 조제한 항생제 용액 0.2 ml을 중안에 부어 건조 시키고 30℃에서 24시간 배양한 후 나타난 콜로니들을 선택하여 그 항생 물질에 대한 내성을 갖는 돌연변이 균주를 만들어서 유전적 표지 균주로 사용하였다.

〈미생물의 발효〉

상기 신규한 미생물의 배지 조성으로 500ℓ의 발효조에서 pH 7∼8로 유지하면서 20∼30℃에서 24시간 발효했을 때, mixture khr-5-mx의 경우 10×10⁹CFU/ml 까지의 배양이 가능하였다.

〈bio-surfactant 분리정제〉

상기 배양액에서 계면활성을 실험하기 위하여 배양액을 다음과 같이 분획하였다.

상기 배양액의 균체를 제거한 다음 배양액과 균체의 에탄올 침전물에서 에탄올 침전물을 제거한 상청으로 나누어 실험하였다.

따라서, 균체가 포함된 배양액에서 가장 높은 계면활성을 보였다. 또한 균체를 제거한 배양액과 배양상청의 에탄올 침전물의 경우, 배양액과 비교하여 90% 이상의 분산활성을 보였으며, 배양상청을 에탄올로 침전한 후의 상청에서는 분산활성이 거의 나타나지 않았다.

이와 같은 결과는 mixture khr-5-mx가 생산하는 bio-surfactant의 주성분이 에탄올 침전물에 존재하고 있음을 알 수 있었다.

이하 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 이들이 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

[실시예 2]

〈제조방법〉

적어도 1종류 또는 이상의 방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소가 포함된 이들의 이성질체를 50∼90±5중량%; 적어도 1종류 또는 이상의 지방족 탄화수소를 10∼30±5중량%; 적어도 1종류 또는 이상의 비방향족 탄화수소를 10∼30±5중량%; 순수하게 제조된 증류수 또는 물(H₂O)을 0.01∼5±5중량%; Mixture khr-5-mx(KCTC 0078BP)를 10×10⁶∼10×10⁹CFU/ml로 배양하여 분리정제하고, 여기에 얻어진 생물학적 bio-surfactant를 0.01∼5±5중량%를 극성이 가까운 순으로 에멀션조에 투입한 다음 블로워의 공기압력을 0.1∼0.5kg/㎤ 하여 10∼60분간 블랜딩하여 에멀션을 형성하고, 가변 주파수를 갖는 초음파변환기를 에멀션조 또는 초음파 혼화조에 배치하고 초음파 공급 단계가 600∼1,200w 사이의 변환기 파워에서 28∼40kHz 사이의 주파수를 가진 방사상으로 발산하는 초음파 에너지를 공급하는 것으로 유화연료유가 완성되고 이것으로 공식화 하는 유화연료유를 제조 하였다.

〈실험방법〉

상기 조성물로 제조된 유화연료유를 각각의 실험조건에 따라 스포티지 2.0 자동4단(2005년식)에 일정량 주입한 다음 배출가스, 중금속, 세탄가, 연비 등을 분석실험을 수행하였다.

[실시예 3]

〈배합예 1〉

적어도 1종류 또는 이상의 방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소 및 이들의 이성질체를 50∼90±5중량%; 적어도 1종류 또는 이상의 지방족 탄화수소를 10∼30±5중량%; 적어도 1종류 또는 이상의 비방향족 탄화수소를 10∼30±5중량%; 순수하게 제조된 증류수 또는 물을 0.01∼5±5중량%; 생물학적 유화제를 0.01∼5±5중량%; 본 발명의 범위 내에서 변경이 가능하다.

〈배합예 2〉

적어도 1종류 또는 이상의 지방족 탄화수소를 10∼20±3중량%; 적어도 1종류 또는 이상의 방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소 및 이들의 이성질체를 40∼80±3중량%; 적어도 1종류 또는 이상의 비방향족 탄화수소를 10∼20±3중량%; 순수하게 제조된 증류수 또는 물을 0.01∼3±3중량%; 공-계면활성제를 0.01∼3±3중량%; 본 발명의 범위 내에서 변경이 가능하다.

〈배합예 3〉

기존의 디젤유, 중유, 부생연료를 85∼95±3중량%; 순수하게 제조된 증류수 또는 물을 5∼15±3중량%; 생물학적 유화제 0.01∼5±3중량%; 또는 공-계면활성제 0.01∼5±5중량%; 본 발명의 범위 내에서 변경이 가능하다.

상기 조성에서 보다 이상적인 비율은 물과 방향족 및 올레핀, 파라핀 탄화수소 이들의 이성질체 성분과의 중량%가 1 : 9의 비율범위 이하로부터 상기 일정 소량의 생물학적 유화제 및 부식방지제, 윤활성향상제, 유동성향상제, 세탄가향상제의 어떻한 배합비율이 바람직하다. 여기서 상기 비율에 한정되는 것은 아니다.

또한, 이들 비율에서 상기 비방향족 탄화수소 성분의 중량%가 방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소 이들의 이성질체에 과도하게 첨가하면 세탄지수가 통상의 디젤유보다 너무 낮아져 부적절해진다.

따라서, 엔진의 손상과 배기가스중의 CO, HC, NOx, PM 등의 배출량이 증가할 수 있다는 점에서, 상기 비방향족 탄화수소 성분의 중량%를 방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소 이들의 이성질체 중량%의 10 : 1 ∼ 10 : 5 이하로 첨가할 수 있다.

균등한 품질을 유지하기 위하여 세탄 향상제 또는 세탄 저하제를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 비율에 한정되는 것은 아니다.

이어서, 상기 실시예의 유화연료에 의한 배기가스의 배출농도를 측정하고, 여러 가지 측정 결과를 하기에 나타낸다.

[표 1] 배출가스 실험

[표 2] 중금속 실험

[표 3] 세탄가 실험

[표 4] 연비 실험

상기 표에서 알 수 있듯이 디젤유와 비교하여 실시예에서 배출가스 값은 CO, HC, NOx, PM 저감으로 낮은 실험성적을 얻었고, 그 중에서도 본 발명의 유화연료유는 종래의 디젤유 보다 높은 세탄가를 얻어 연비가 향상되었다.

따라서, 본 발명의 저공해 유화연료 조성물의 성분중에는 유황성분이 포함되지 않으므로 황산화물(SOx)의 배출에 문제가 없을뿐만아니라 종래의 디젤 엔진에 특별한 장치나 개조, 부품의 교환을 하지 않고 그대로 사용할 수 있으며, 종래의 디젤과 혼합비율에 관계없이 사용할 수 있다.

이상 본 발명의 실시형태를 상기 실시예로 설명하였지만, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위에서 변경이나 추가 등으로, 본 발명의 내연기관용 연료의 특성이 대폭으로 바뀌지 않는 범위에서 다른 연료나 첨가제를 첨가하는 것 등을 임으로 하고, 이 내연기관용 연료도 본 발명에 포함되는 것은 자명한 것이다.

본 발명의 생물학적 유화제는 생물학적으로 안정되고 생분해되는 것으로 환경에 해롭지 않다. 상기 생물학적 유화제로 유화연료를 제조하면 높은 계면활성을 가지므로 내연기관의 이상연소를 방지하여 출력 및 토크를 향상시킬 수 있으며 또한 연비가 개선되고 배기가스중의 CO, HC, NOx, PM 등의 대기오염 물질의 배출을 저감할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 기재된 구체적인 예를 통하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도1은 본 발명의 실시예에 의한 제조방법의 흐름도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

101 : 원료 저장조

S-1 : 원료 저장조, S-2 : 원료 저장조

S-3 : 원료 저장조, S4 : 원료 저장조

S-5 : 원료 저장조

102 : 케미컬 펌프

P-1 : 케미컬 펌프, P-2 : 케미컬 펌프

P-3 : 케미컬 펌프, P4 : 케미컬 펌프

P-5 : 케미컬 펌프, P-6 : 케미컬 펌프

103 : 에멀션조

104 : 초음파 혼화조

105 : 블로워

106 : 산기관

107 : 분배관 및 주입시설

108 : 초음파 변환기

Claims

신균주 mixture khr-5-mx(KCTC 0078BP)로 구성된 군중에서 선택된 적어도 1종류 또는 이상의 균주를 10×10⁶∼10×10⁹CFU/ml로 18∼24hr 배양하고, 여기에서 생산된 생물학적 유화제를 다시 상온에서 원심분리하고, 침전물에서 상청 에탄올을 제거한 침전물로 액상 또는 고상으로 제조되는 것을 특징으로 하는 생물학적 유화제.
적어도 1종류 또는 이상의 방향족 탄화수소, 올레핀 탄화수소, 파라핀 탄화수소와 이들의 이성질체 탄화수소를 50∼90±5중량%; 적어도 1종류 또는 이상의 지방족 탄화수소를 10∼30±5중량%; 적어도 1종류 또는 이상의 비방향족 탄화수소를 10∼30±5중량%; 순수하게 제조된 증류수 또는 물(H₂O)을 0.01∼10±5중량%; 생물학적 유화제를 0.01∼5±5중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유화연료유 조성물.
기존의 디젤유 또는 중유, 부생유를 75∼95±5중량%; 순수하게 제조된 증류수 또는 물을 5∼15±5중량%; 생물학적 유화제 0.01∼5±5중량% 또는 공-계면활성제 0.01∼5±5 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유화연료유 조성물.
상기 조성물의 그 극성에 가까운 순으로 a)적어도 1종류 또는 이상의 방향족, 올레핀, 파라핀 탄화수소와 이들의 이성질체 탄화수소를 소정의 량과; b)적어도 1종류 또는 이상의 비방향족 탄화수소 소정의 량과; c)적어도 1종류 또는 이상의 지방족 탄화수소 소정의 량과; d)또는 기존의 디젤유, 중유, 부생유 등 소정의 량과; e)생물학적 유화제(bio-surfactant) 또는 공-계면활성제(co-surfactant) 소정의 량을; 원료 저장조(101)로부터 케미컬 펌프(102)를 이용하여 에멀션조(103)에 이송한 다음 블로워(105)의 0.1∼0.5kg/㎤의 공기압으로 10∼60분간 블랜딩(blending)하여 에멀션(emulsion)을 형성하고, 가변 주파수를 갖는 초음파 변환기(108)를 에멀션조(103) 또는 초음파 혼화조 (104)에 배치하고 초음파 공급단계가 600∼1,200w 사이의 변환기 파워에서 28∼40kHz 사이의 주파수를 가진 초음파 에너지를 방사상으로 유화연료유에 공급하는 것을 특징으로 하는 유화연료유 제조방법.