KR20130016533A - 유해성분이 없는 성형목탄 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유해성분이 없는 성형목탄에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소재로서 목분탄, 연소조제로서 활성탄, 산화제로서 질산스트론튬, 습기방지제로서 코팅칼슘, 점화제로서 질산칼륨, 촉매제로서 명반, 점결재로서 소맥 등 인체에 유해한 성분을 포함하지 않는 원료로 제조되는 성형목탄에 관한 것이다.
본 발명은 질산바륨과 질산나트륨 등 인체에 유해한 성분을 포함하지 않으면서 종래의 제품에 비하여 발열량이 더 높은 성형목탄을 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 장기간 보존 시에도 외부의 습기를 흡수하지 않아 성형목탄 제품의 보존성이 양호한 장점이 있다.

Description

유해성분이 없는 성형목탄{Agglomerated wood charcoal without pernicious ingredients}

본 발명은 유해성분이 없는 성형목탄에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소재로서 목분탄, 연소조제로서 활성탄, 산화제로서 질산스트론튬, 습기방지제로서 코팅칼슘, 점화제로서 질산칼륨, 촉매제로서 명반, 점결재로서 소맥 등 인체에 유해한 성분을 포함하지 않는 원료로 제조되는 성형목탄에 관한 것이다.

종래에는 가정, 식당, 야외, 선박 등에서 고기구이 등 음식조리용 연료로 착화탄(소위 번개탄)을 주로 사용하였다. 종래의 착화탄은 전체 중량의 30 내지 40%를 연소재(Combustion material)로서 질산바륨[(Ba(No3)2]을 사용하며, 점화제로서 질산나트륨[Na(No3)2]을 사용하고 있다. 종래의 착화탄은 다량의 질산바륨을 사용하고 있으므로 쉽게 점화되고, 그 발열량은 우수하지만 연소할 때 발생하는 유해가스(BaO, BaO2)로 인하여 인체에 해롭고, 또한 점화 시에 비산 미분 중 질산바륨이 음식물에 흡착되어 물과 반응하여 수산화바륨[Ba(OH)2]을 생성시키게 되므로 인체에 크게 유해하다.

이에 많은 연구자들이 유해물질인 질산바륨과 질산나트륨 대신에 인체에 무해한 물질을 사용하기 위하여 다수의 연소재 개발을 한 바 있으나 연료로서의 효과를 살리지 못하여 실용화되지 못하고 있다.

이러한 연구개발의 예로서, 대한민국 공개특허 제10-2003-71923호, 대한민국 등록특허 제10-0583937호를 들 수 있다. 상기 대한민국 공개특허 제10-2003-71923호는 연소재로서 무해물질인 질산스트론튬을 사용하고 있는데, 그 가격이 고가이므로 경제성이 매우 낮은 단점이 있다. 한편, 상기 대한민국 특허등록 제10-0583937호는 연소재로서 무해물질인 질산칼슘[Ca(No3)2]을 사용하고 있는데, 강한 흡습성으로 인하여 제품의 성질 변화를 일으켜 연소 시 매연과 악취가 발생하고 견고성 부족으로 실용화되지 못하였다.

그 외에도 여러 가지 연구발표가 있었으나, 현실적으로 실용화되지 못하였고, 그 결과 아직까지도 유해물질인 질산바륨과 질산나트륨을 사용한 제품이 생산 ·유통되고 있다.

이와 같은 상황 하에서, 본 발명자는 인체에 유해한 성분을 포함하지 않는 원료로 제조되는 성형목탄을 개발하는 데 연구를 계속하여 본 발명을 완성하게 되었다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

[문헌 1] 대한민국 등록특허 제 10-0583937호 "고체연료 조성물" (2006. 5. 22. 등록)

[문헌 2] 대한민국 공개특허 제2003-0071923호 "착화탄" (2003. 1. 6. 공개)

[비특허문헌]

[문헌 1] 국립환경과학원, "폐목재 관리체계 개선 및 재활용 활성화 방안 연구" (2007. 1. 1.)

[문헌 2] 서울대학교 대학원 석사학위논문, "산화스트론튬 박막의 이온충돌 유도 이차전자 방출에 대한 산소결함의 효과"(2009)

본 발명은 질산바륨 및 질산나트륨 등 인체에 유해한 성분을 포함하지 않으면서 종래의 제품에 비하여 발열량 및 점화성 ·보존성 등의 성능이 우수한 성형목탄을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 유해성분이 없는 성형목탄은, 연소재로서 목분탄 60 내지 65 중량%, 연소조제로서 활성탄 15 내지 20 중량%, 산화제로서 질산스트론튬[Sr(NO3)2] 1 내지 3 중량%, 습기방지제로서 코팅칼슘[Ca(NO3)2] 3 내지 5 중량%, 점화제로서 질산칼륨[K(NO3)2] 1 내지 3 중량%, 촉매제로서 명반 1 내지 2 중량%, 그리고 점결재로서 소맥 7 내지 12 중량%를 혼합한 후, 성형기에 충진하여 가압 성형시키고, 그 성형된 제품을 건조시켜서 얻게 되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 질산바륨과 질산나트륨 등 인체에 유해한 성분을 포함하지 않으면서 종래의 제품에 비하여 발열량이 더 높은 성형목탄을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 장기간 보존 시에도 외부의 습기를 흡수하지 않아 성형목탄 제품의 보존성이 양호한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예를 통하여 제조된 성형목탄의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 성형목탄을 이용하여 고기를 굽는 상태를 나타낸 것이며,
도 3a 본 발명의 성형목탄을 제조한 후 시험한 시험성적서이고,
도 3b는 본 발명의 성형목탄을 제조일로부터 20일 경과된 후 시험한 시험성적서이며,
도 3c는 종래의 착화탄을 시험한 시험성적서이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예와 실험예에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 성형목탄의 연소재로서 목분탄을 전체 중량에 대해 60 내지 65 중량% 포함하고 있다. 상기 목분탄은 성형목탄에 일반적으로 사용되고 있는 성분으로서 목분 및 숯분말을 사용할 수 있다. 상기 목분은 식물성의 셀룰로우스(Cellulose)를 주성분으로 하고 있어 연소 후 약간의 회분만을 남기고 거의 산화되는 특징이 있다. 상기 목분탄의 조성비가 60 중량% 이하일 경우에는 성형목탄으로서 발열량이 낮으므로 바람직스럽지 못하고, 65 중량% 이상일 경우에는 발열량은 충분하지만 다른 성분들의 함량이 줄어들어 바람직스럽지 못하다.

본 발명은 성형목탄의 연소조제로서 활성탄을 전체 중량에 대해 15 내지 25 중량%를 포함하고 있다. 상기 활성탄은 유해가스 제거용 연소재로서 기능하게 되는데, 더욱 구체적으로는 초기 연소 시 발생되는 유독성 가스(일산화탄소, 질소산화물 등)를 흡착하여 제거하는데 사용된다. 또한, 상기 활성탄은 목분, 숯 분말 혼합물과 함께 연료의 연소속도를 조정하기도 하며, 성형목탄의 고발열량을 유지하는데 기여하기도 한다. 상기 활성탄의 조성비가 15 중량% 이하일 경우에는 유해가스 제거효율이 낮아서 바람직스럽지 못하고, 20 중량% 이상일 경우에는 단기간에 연소를 마치게 되므로 바람직스럽지 못하다.

본 발명은 성형목탄의 고발열 산화제로서 질산스트론튬[Sr(NO3)2] 을 전체 중량에 대해 1 내지 3 중량% 포함하고 있다. 상기 질산스트론튬은 인체에 무해하고 휘발성이 강한 특성을 가지고 있으며, 산화제로서 사용되고 있다. 상기 질산스트론튬의 조성비가 1 중량% 이하일 경우에는 산화제로서의 성능을 발휘하기 어려운 반면에, 3 중량% 이상일 경우에는 투입량에 비하여 산화제로서의 효율이 높아지지 않으므로 바람직스럽지 못하다.

본 발명은 성형목탄의 습기방지제로서 코팅칼슘을 전체 중량에 대해 3 내지 5 중량% 포함하고 있다. 상기 코팅칼슘은 질산칼슘[Ca(NO3)2]의 입자 표면에 인체에 무해하고 내습성이 강한 파라핀 왁스를 코팅처리한 것을 말한다.

통상의 질산칼슘은 인체에 무해하지만, 물에 녹기 쉽고 흡습성이 매우 강한 물질이다. 본 발명은 이러한 질산칼슘을 사용하되, 이를 그대로 사용하지 않고 파라핀 왁스로 코팅한 것을 사용하고 있다. 코팅된 질산칼슘은 본 발명의 성형목탄에 사용될 경우, 다음과 같은 2가지 기능을 수행하게 된다. 1차적으로 성형목탄 외부에서 성형목탄 내부로 습기가 침투하는 것을 방지하는 습기침투방지 기능을 하게 된다. 2차적으로는 성형목탄의 원료들이 서로 혼합되어 있는 상태에서, 그 혼합물에 섞여있던 질산칼슘이 녹아서 외부로 침출 내지 누출되는 것을 방지하는 질산칼슘 누출방지 기능을 수행하게 된다.

상기 코팅칼슘의 조성비가 3 중량% 이하일 경우에는 습기방지제로서의 성능을 발휘하기 어려운 반면에, 5 중량% 이상일 경우에는 투입량에 비하여 습기방지제로서의 효율이 높아지지 않으므로 바람직스럽지 못하다.

본 발명은 성형목탄의 점화제로서 질산칼륨[KNO3]을 전체 중량에 대해 1 내지 3 중량% 포함하고 있다. 상기 질산칼륨은 인체에 무해한 성분으로서 흡습성이 없고 산소를 많이 포함하고 있어서 황 및 유기물과 혼합하여 화약재의 원료로 사용될 수 있는 성분이다. 본 발명에 있어서는, 상기 질산칼륨을 초기의 점화제로서 사용한다. 상기 질산칼륨의 조성비가 1 중량% 이하일 경우에는 점화제로서의 성능을 발휘하기 어려운 반면에, 3 중량% 이상일 경우에는 투입량에 비하여 점화제로서의 효율이 높아지지 않으므로 바람직스럽지 못하다.

본 발명은 성형목탄의 촉매제로서 명반을 전체 중량에 대해 1 내지 2 중량% 포함하고 있다. 상기 명반을 성형목탄의 촉매제로 사용하는 것은 이미 선행기술에서 공지된 것이므로, 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

또한, 본 발명은 성형목탄의 점결재로서 소맥을 전체 중량에 대해 7 내지 12 중량 % 포함하고 있다.

본 발명에 있어서는 먼저, 상기 연소조제로서 활성탄, 상기 고발열 산화제로서 질산스트론튬, 상기 습기방지제로서 코팅칼슘, 상기 점화제로서 질산칼륨, 상기 촉매로서 명반을 혼합하여 1차 혼합물을 만든 다음 1차 혼합물을 상기 연소재인 목분탄에 혼합하여 2차 혼합물을 만들고, 마지막으로 2차 혼합물을 상기 점결재인 소맥과 혼합하여 최종 혼합물을 얻는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는 상기 최종 혼합물을 소정의 성형기에 투입하여 충진하고, 이를 고압으로 가압하여 성형시킨다. 성형된 형상은 최종적으로 사용될 분야에 따라 적절한 모양으로 제조될 수 있다. 통상적인 착화탄 형상으로 제조되거나, 원통형으로 제조될 수 있고, 육각 또는 팔각형상에 그 내부가 중공형으로 비어있는 형상으로 제조될 수도 있다. 도 1은 본 발명의 실시예를 통하여 제조된 성형목탄의 사시도이다.

본 발명에 있어서는 소정의 형상으로 성형된 성형목탄을 건조시켜서 최종적인 성형목탄 제품을 얻는다. 건조과정은 상기 성형목탄을 100 이하의 건조실에서 1 내지 7일 간 보관하는 것으로 족하다. 건조과정을 신속하게 진행하기 위하여 고온으로 진행할 수 있으나, 그러한 경우에도 100 이상으로 진행하는 것은 바람직하지 않다. 고온으로 건조과정을 진행할 경우, 그 건조기간은 짧아지게 되지만 경제성이 낮으므로 실온에서 건조과정을 거치는 것이 바람직하다.

<실시예 1>

주원료로서 목분 1,200g과 숯분말 100g을 준비하고, 부원료로서 활성탄 300g, 질산스트론튬 40g, 코팅칼슘 100g, 질산칼륨 40g, 명반 20g을 준비한 다음, 이들을 혼합기에 넣고 분당 30회의 속도로 10분간 교반하고, 여기에 상기 주원료인 목분 및 숯분말을 투입한 다음, 다시 5분간 더 교반하였다. 그 후, 소맥 200g을 상기 혼합기에 투여한 후, 다시 10분간 동일한 속도로 교반하여 최종 혼합물 2.0kg을 얻었다. 상기 최종 혼합물을 원통형의 성형몰드에 충진하고 고압(360/)으로 가압 성형하여 성형목탄을 제조하였다. 성형된 제품을 건조실(약 50)에서 이틀간 보관한 다음, 건조된 제품을 최종제품으로 얻었다.

<실시예 2>

주원료로서 목분 1,200g과 숯분말 100g을 준비하고, 부원료로서 활성탄 400g, 질산스트론튬 20g, 코팅칼슘 80g, 질산칼륨 40g, 명반 20g을 준비하여 투여하고, 상기의 소맥 140g을 투입한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 최종 혼합물 및 최종제품을 얻었다.

<실시예 3>

주원료로서 목분 1,100g과 숯분말 120g을 준비하고, 부원료로서 활성탄 480g, 질산스트론튬 40g, 코팅칼슘 80g, 질산칼륨 40g, 명반 20g을 준비하여 투여하고, 상기의 소맥 120g을 투입한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 최종 혼합물 및 최종제품을 얻었다.

상기 실시예 1 내지 3에 관한 각 원료들의 조성비를 정리하여 보면 표 1과 같다.

각 실시예에 관한 각 원료들의 조성비 (단위 : 중량%)

구 분	탄소재		활성탄	질산스트론튬	코팅 칼슘	질산 칼륨	명반	소맥	계
	목분	숯분말
실시예1	60	5	15	2	5	2	1	10	100
실시예2	60	5	20	1	4	2	1	7	100
실시예3	55	6	24	2	4	2	1	6	100

<실험예>

상기 실시예에서 제조된 각 제품들에 대하여 아래와 같이 항목별 시험을 진행하였다. 고위발열량 검사는 경기도 김포시에 소재하는 국립화학융합시험연구원에 의뢰하여 시험을 진행하였다.

[점화 상태 시험]

상기 실시예에 의해 제조된 성형목탄 3개씩을 통풍이 잘되는 곳에서 7일간 방치한 후, 하부에 통기공이 형성된 용기에 각각 넣고, 상부에서 불꽃이 있는 점화용구(라이터)를 이용하여 그 점화 여부를 살펴보았다. 모든 제품들이 양호한 점화상태를 나타낸 것으로 확인되었다.

[착화성 시험]

상기 실시예에서 제조된 성형목탄 3개씩을 화덕에 넣고 점화시킨 후, 점화 후 연소재에 착화되어 연소되는 상태를 살펴보았다. 모든 제품들의 착화상태는 양호한 것으로 확인되었다.

[견고성 시험]

상기 실시예에서 제조된 성형목탄 3개씩을 엄지 손가락과 검지 손가락 사이에 넣고 손가락의 힘만으로 눌러서 그 변형 정도를 살펴보았다. 모든 제품들의 견고 상태는 양호한 것으로 확인되었다.

[연소 시간]

상기 실시예에서 제조된 성형연료 3개씩을 통기공이 형성된 용기에 각각 넣고 점화시킨 후 연소시간을 살펴보았다. 활성탄의 양이 많을수록 연소시간이 짧아지는 것으로 확인되었다.

[훈제 효과 시험]

상기 실시예에서 제조된 성형목탄(도 1a의 형상)을 화덕 내에 넣고 점화시킨 후, 그 위에 도 2와 같이 석쇠를 설치하고 그 석쇠 위에 고기를 얹어 구운 후 맛을 보았다. 초기에는 약간의 양초 냄새가 나는 것으로 느껴졌으나 곧바로 훈제된 고기의 맛을 느낄 수 있었다.

[흡습성 실험]

상기 실시예에서 제조된 성형목탄(도 1a의 형상)을 제조된 직후 상기 국립화학융합시험연구원에 시험을 의뢰하였다. 그 결과, 수분함량은 도 3a의 시험성적서에 나타나 있는 바와 같이 8.8%로 측정되었다.

한편, 상기 실시예에서 제조된 동일한 형상의 성형목탄(도 1a의 형상)을 지하 창고에 20일간 방치하였다가 꺼낸 후, 상기 국립화학융합시험연구원에 시험을 의뢰하였다. 그 결과, 수분함량은 도 3b의 시험성적서에 나타나 있는 바와 같이 4.7%로 측정되었다.

이와 같은 시험결과는 상기 성형목탄이 제조된 후 20일이 경과된 시점에서 오히려 더 건조가 되었음을 의미하는 것으로서, 이는 상대적으로 습기가 많은 지하창고에서도 성형목탄에 투습현상이 전혀 일어나지 않고 건조가 진행되었음을 확인해 주는 것이다.

[발열량 시험]

상기 실시예 3에서 제조된 성형 연료(도 1a의 형상)를 즉시 상기 국립화합융합시험연구원에 시험을 의뢰하였다. 시험한 결과, 건조가 미흡한 상태( 수분함량 8.8%)임에도 불구하고, 도 3a의 시험성적서에 나타나 있는 바와 같이 16,280J/g 이라는 매우 높은 발열량을 나타내었다.

현재 유통되고 있는 질산바륨을 사용한 착화탄의 발열량이 도 3c의 시험성적서에 나타나 있는 바와 같이 14,740J/g임을 감안할 때, 본 발명에 의한 성형목탄의 발열량이 종래의 착화탄의 발열량보다 훨씬 높은 것임을 알 수 있었다.

상기한 바와 같은 시험결과를 정리하면 표 2와 같다.

각 실시예의 제품에 관한 시험결과

	실시예1	실시예2	실시예3	특징
점화성	양호	양호	양호	질산칼륨양에 따라 점화성에 차이가 있음
착화성	양호	양호	양호	연소 초기에 약간의 연기와 양초 냄새가 남
견고성	양호	양호	양호	소맥 양에 따라 견고성에 차이가 있음
흡습성	없음	없음	없음	제조 초기는 수분 8.8%, 20일 방치 후는 수분 4.7%
발열량	-	-	고발열량	시험결과 고위 발열량 16,280J/g (현 유통제품의 고위 발열량 14,740J/g)
훈제효과	양호	양호	우수	초기에는 약간의 양초 냄새가 나다가 곧 훈제한 맛이 남
연화성	양호	양호	양호	점화 5분 후부터 40분간 고발열 유지
연소시간	60분	56분	53분	활성탄 양에 따라 연소시간에 차이가 있음

결과적으로, 상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 의한 성형목탄은 인체에 유해한 질산바륨과 질산나트륨을 사용하지 않으면서도, 종래의 착화탄에 비하여 각종 성능이 양호하고 발열량은 훨씬 우수한 결과를 나타내고 있다.

Claims (1)

1. 연소재로서 목분탄 60 내지 65 중량%, 연소조제로서 활성탄 15 내지 20 중량%, 산화제로서 질산스트론튬[Sr(NO3)2] 1 내지 3 중량%, 습기방지제로서 코팅칼슘[Ca(NO3)2] 3 내지 5 중량%, 점화제로서 질산칼륨[K(NO3)2] 1 내지 3 중량, 촉매제로서 명반 1 내지 2 중량%, 그리고 점결재로서 소맥 7 내지 12 중량%를 혼합한 후, 성형기에 충진하여 가압 성형시키고, 그 성형된 제품을 건조시켜서 얻게 되는 것을 특징으로 하는 유해성분이 없는 성형목탄

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