KR20140093488A - 나노소자를 이용한 가솔린용 연료절감 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노물질을 연료로 이용하여 기존 화석연료에 첨가함으로써 연료절감효과를 누리고자 개발된 새로운 연료첨가 조성물에 관한 기술이다. 본 발명은 나노물질에 안정제를 혼합함으로써 나노물질이 화석연료와 활발하게 안정적으로 혼합될 수 있도록 함으로써 화석연료가 연소될 때, 나노소자도 화석연료내에 확산되어 함께 잘 연소될 수 있도록 돕는 기능을 수행하게 된다.
본 발명에 따른 연료첨가 조성물은 화석연료에 잘 확산되어 화석연료와 함께 연소되면서 많은 에너지를 발생시켜 결과적으로 화석연료를 절약하고 동시에 완전연소를 촉진시켜 매연을 줄임으로써 환경보호에도 기여하고자 하는 데 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 나노물질과 안정제를 혼합하여 구성한 연료첨가물질로 화석연료의 한 종류인 휘발유에 미량 첨가할 경우 완전연소가 촉진되어, 연료가 절감되는 새로운 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 "나노소자를 이용한 가솔린용 연료절감 조성물"은 제작이 용이하고 가격이 저렴하여 대중화가 가능하고 필요에 따라 그 첨가량을 조절하여 연료절감효과를 높일 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한 완전연소를 촉진하여 화석연료를 연소시킬 때 발생하는 매연을 줄이고 환경보호에도 기여할 수 있는 잇점을 지니고 있다.
[색인어]
나노, 화석연료, 완전연소

Description

나노소자를 이용한 가솔린용 연료절감 조성물 {A fuel additives using nanomaterials for gasoline}
본 발명은 나노물질에 안정제를 혼합하여 제조한 가솔린용 연료절감 조성물에 관한 것으로, 화석연료에 소량 첨가할 경우 높은 에너지 발생과 완전연소 유도 등의 기능을 수행하여 연료를 절약하고 매연을 감소시키는 친환경적 연료절감 조성물에 관한 신기술이다.
나노기술(Nano Technology; NT)은 원자나 분자 정도의 작은 크기 단위에서 물질을 합성하고, 조립, 제어하며 혹은 그 성질을 측정, 규명하는 기술을 말한다. 일반적으로는 크기가 1 내지 100나노미터 범위인 재료나 대상에 대한 기술이 나노기술로 분류한다. 나노는 난쟁이를 뜻하는 그리스어 나노스에서 유래하였다. 1나노초(ns)는 10억 분의 1초를 뜻한다. 1나노미터(nm)는 10억 분의 1m로서 사람 머리카락 굵기의 10만 분의 1, 대략 원자 3∼4개의 크기에 해당한다. 구체적인 특성을 살펴보면 다음과 같다.
가. 광학적
나노 영역에서는 크기에 따라 색깔이 변한다. 예를 들어 금(Au)은 일반적으로는 황금색을 띄지만 20nm이하가 되면 빨간색으로 변하게 되며, 그 크기가 조금만 변하여도 색깔이 변하게 된다.
나. 화학적
모든 물질은 큰 덩어리에서 작은 덩어리로 쪼개짐에 따라 물질 전체의 표면적이 급격히 커지게 되며 이로 인해 나노물질은 독특한 특성을 갖게 된다. 예를 들어 이산화티타늄(TiO2)은 TiO2 입자 크기가 20nm 이하라 할 때 형광등이나 백열등에서 발생되는 약한 자외선을 받으면 살균력, 자가세척력, 김서림 방지 효과를 갖기 때문에 다양하게 사용된다.
다. 기계적
다결정질 재료의 입자는 각 입자마다 기본적인 배열은 같으나 방향이 다르고 입자와 입자 사이에 존재하는 단위 면적당 입계가 많을수록 강한 기계적 성질을 띠게 되는 경향이 있다. 그러나 나노물질 입자의 경우 일반적인 경향과는 달리 특정 결정립 크기영역에서 강도가 급격히 증가하는 현상을 보인 결과들이 있어 작을수록 강하다는 일반 상식이 통하지는 않는 것으로 보인다. 다만, 다른 복합체와 섞었을 경우 기계적 강도가 증가하는 것으로 볼 때 나노입자가 기계적 성질이 우수하다고 보고 있다.
라. 전자적
전자적인 성질을 띄는 반도체, 자성금속, 나노입자들은 크기가 작아지면서 일반적으로 10∼100nm 정도에서 자기적인 성질이 최대가 되는 것으로 알려져 있다. 자기적인 성질이 극대화됨과 동시에 크기가 매우 작고 균일한 크기의 구 형태 자성금속 나노입자를 합성하여 이들의 규칙적인 배열을 통해 이 입자 하나하나를 각각 한 개의 비트로 사용할 수 있다고도 알려져 있는데 이런 자성 입자는 크기가 수 nm로 주로 코발트나 코발트와 백금의 합금형태로 이루어진다.
나노 계측 기술나노 계측 기술 (Scanning Probe Technology)은 나노기술의 기반이 되는 핵심기술로 나노미터 수준의 물성, 구조 및 성분을 계측하고 분석해내는 기술이라고 할 수 있다. 나노계측 기술은 최근 SPM기술을 중심으로 입사원의 종류에 따라 X-선 기술 전자/이온빔 기술 적외선, 자외선, 가시광선 기술로 구분할 수 있다. 나노계측 기술은 그 기술의 범위가 실로 방대하기 때문에 이를 총 망라하여 검색 분류 분석하는 것은 현실적으로 어려운 일이다. 따라서 본 분석에서는 분석대상 기술을 나노 계측 기술의 대표주자라고 할 수 있는 SPM기술을 중심으로 현재 한국이 다른 국가에 비해 강점을 보이고 있는 반도체 산업과 관련하여 여러 가지 박막들의 표면형상, 구조, 물리적 화학적 특성 등을 계측 분석해 내는 박막분석용 계측 기술 중 현재 많이 사용되고 있거나 미래에 그 수요가 증가될 것으로 예상되는 몇몇 나노 계측 기술에 국한하였다. 또한 나노기술이 발전됨에 따라 여러가지 분야 즉 화학,물리,생물,지리 등등에 많이 이용될 예정이다.
나노기술의 다양한 응용분야는 다음과 같다.
가. 전자분야
통신낮은 전력소모, 적은 생산 비용으로 백만 배 이상의 성능을 갖는 나노 구조의 마이크로프로세서 소자, 10배 이상의 대역폭과 높은 전달속도를 갖는 통신 시스템, 현재보다 용량은 크고 크기는 작은 대용량 정보저장장치, 대용량 정보를 수집 처리하는 집적화된 나노 센서 시스템, 정보저장, 메모리반도체, 포켓사이즈 슈퍼 로봇, 더 빠르고 더 작고 더 얇고 더 가벼운 스마트 인터페이스
나. 재료/제조기계 분야
가공하지 않고 정확한 모양을 갖는 나노 구조 금속 및 세라믹, 원자단위에서 설계된 고강도의 소재, 고성능의 촉매, 뛰어난 색감을 갖는 나노 입자를 이용한 인쇄, 나노 크기를 측정할 수 있는 새로운 표준, 절삭공구나 전기적, 화학적, 구조적 응용을 위한 나노코팅
다. 의료분야
진단학과 치료학의 혁명을 가능케 하는 빠르고 효과적인 염기서열 분석, 원격진료 및 생체이식소자를 이용한 효과적이고 저렴한 보건치료, 나노 구조물을 통한 새로운 약물전달 시스템 내구성 및 생체 친화력 있는 인공기관, 인체의 질병을 진단, 예방할 수 있는 나노센싱 시스템
다. 생명공학 분야
하이브리드 시스템의 합성피부, 유전자 분석/조작, 분자공학으로 제작된 생화학적으로 분해 가능한 화학물질, 동식물의 유전자 개선, 동물에게 유전자와 약물공급, 나노 배열을 기반으로한 분석기술을 이용한 DNA 분석
라. 환경, 에너지 분야
새로운 배터리, 청정연료의 광합성, 양자태양전지, 나노미터 크기의 다공질 촉매제, 극미세 오염물질을 제거할 수 있는 다공질 물질, 자동차산업에서 금속을 대체할 나노 입자 강화 폴리머, 무기물질, 폴리머의 나노 입자를 이용한 내마모성, 친환경성 타이어
마. 국방분야
무기체계의 변화(소형화, 고속, 장거리 이동능력 향상), 무인 원격무기(무인 잠수함, 무인 전투기, 원격센서시스템), 은폐(Stealth) 무기
바. 항공우주
저전력, 항방사능을 갖는 고성능 컴퓨터, 마이크로 우주선을 위한 나노기기, 나노 구조 센서, 나노 전자공학을 이용한 항공 전자공학, 내열, 내마모성을 갖는 나노 코팅
위에서 살펴본 바와 같이 나노기술은 다양한 응용분야를 지니고 있다. 나노기술을 연료에 적용할 경우, 단순히 화석연료를 사용하는 경우보다 높은 에너지 효율을 발휘할 수 있다. 이러한 나노기술의 장점을 활용하여 화석연료에 첨가하여 사용할 수 있는 연료첨가 조성물을 개발할 경우, 에너지 효율 향상으로 연료가 절감되고, 완전연소가 성수되는 신기술의 적용이 가능하다.
본 발명은 나노물질에 안정제를 혼합함으로써 나노물질이 화석연료와 활발하게 안정적으로 혼합될 수 있도록 함으로써 화석연료가 연소될 때, 나노소자도 화석연료내에 확산되어 함께 잘 연소될 수 있도록 돕는 기능을 수행하도록 개발하고자 한다.
본 발명에 따른 연료첨가 조성물은 화석연료에 잘 확산되어 화석연료와 함께 연소되면서 많은 에너지를 발생시켜 결과적으로 화석연료를 절약하고 동시에 완전연소를 촉진시켜 매연을 줄임으로써 환경보호에도 기여하고자 하는 데 그 주된 목적이 있다.
본 발명에 따른 연료첨가조성물은 크게 나노소자와 안정제로 구분되어 진다. 나노소자는 완전연소를 촉진하여 고에너지를 발생시키는 에너지원으로 활용되어지고, 안정제는 나노소자의 화학적 안정을 돕는 동시에 나노물질이 화석연료인 휘발유와 잘 혼합되도록 돕는 역할을 아울러 수행한다. 다시말해, 안정제는 나노물질이 휘발유에 빠른 시간내에 골고루 확산되어 잘 퍼지게 함으로써 화석연료가 연소될 때 나노소자도 함께 잘 연소될 수 있도록 돕는 기능을 수행하는 것이다.
본 발명에 따른 연료첨가조성물은 나노물질을 휘발유와 같은 화석연료에 미량 투입하여 함께 연소시킬 경우 다량의 에너지발생으로 높은 연료절감효과를 경험할 수 있다. 또한 완전연소가 촉진되므로 매연발생량이 현저히 감소하여 환경보호에도 크게 기여할 수 있다. 용도에 따라 나노물질의 첨가량을 적절히 조절하여 사용할 경우 높은 연료절감 효과를 거둘 수 있다. 또한 저렴한 가격에 양산이 가능하므로 대중화에도 크게 기여할 수 있는 새로운 기술이다.
본 발명에 따른 '나노소자를 이용한 가솔린용 연료절감 조성물'은 크게 나노물질과 안정제로 구분되어 진다. 나노물질은 연소되어 고에너지를 발생시키는 에너지원으로 활용되어지고 동시에 완전연소를 촉진시키며, 안정제는 나노물질의 화학적 안정을 돕는 동시에 나노물질이 화석연료인 휘발유와 잘 혼합되도록 돕는 역할을 아울러 수행한다. 다시말해, 안정제는 나노물질이 휘발유에 빠른 시간내에 골고루 확산되어 잘 퍼지게 함으로써 화석연료가 연소될 때 나노물질도 함께 잘 연소될 수 있도록 돕는 기능을 수행하는 것이다.
본 발명에 따른 휘발유에 첨가하여 연료를 절감하고자 하는 목적으로 개발된 나노물질은 "탄산칼슘, 탄산나트륨, 산화마그네슘"이며 그 구성비는 아래 [표 1] 에서 기술하고 있다.
본 발명에 따른 나노물질에 혼합하여 휘발유와 혼합시, 나노물질의 확산을 돕는 안정제는 "올레인산, 부틸카비톨"이며, 그 구성비는 아래 [표 1] 에서 기술하고 있다.
본 발명에 따른 '나노소자를 이용한 가솔린용 연료절감 조성물'의 구성 물질에 관하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
탄산 칼슘(calcium carbonate)은 탄산이온과 칼슘이온이 만나 생성되는 흰색 물질로서 물에 잘 녹지 않아 수용액 상에서 침전한다. 석회암 동굴의 종유석이나 석순, 석주 등을 이루는 물질이며, 흑칠판에 쓰는 분필의 성분이기도 하다. 지구상에 존재하는 대부분의 이산화탄소(CO2)는 탄산 칼슘의 형태로 존재한다. 공기와 차단한 상태에서 탄산 칼슘을 섭씨 900도 이상의 고온에서 가열하면 이산화탄소가 날아가면서 생석회(CaO)가 생성된다. 탄산 칼슘( CaCO3)은 물에 잘 녹지 않는다. 앙금 생성 반응을 통해 산출되는 탄산 칼슘 흰색 앙금이다. 따라서, 칼슘이온 (Ca2＋)을 검출할 때, 이러한 앙금이 유용하다. 칼슘의 탄산염으로 대리석·방해석·선석(霰石)·석회석·백악·빙주석(氷洲石)·조개껍질·달걀껍질·산호 등으로서 산출된다. 시멘트의 주원료, 산화칼슘의 원료, 제철·건축재료 등의 각종 중화제(中和劑)로 사용된다. 화학식은 CaCO3이다. 자연계에 존재하는 염 중에서 가장 많다. 그 형태도 여러 가지이며, 대리석·방해석·선석(霰石)·석회석·백악·빙주석(氷洲石)·조개껍질·달걀껍질·산호 등으로서 존재한다. 일반적으로 무색의 결정 또는 백색 고체로, 비중 2.93이며, 825 ℃에서 분해한다. 가열하면 이산화탄소를 발생하고 생석회를 얻는다. 이 반응은 이산화탄소와 생석회를 공업적으로 얻기 위한 중요한 반응이다.
CaCO3 → CaO＋CO2↑
순수한 물에는 용해하지 않으나, 이산화탄소를 함유하는 물에는 용해하여, 중탄산칼슘을 생성하며 녹는다. CaCO3＋CO2＋H2O ↔ Ca(HCO3)2 또, 탄산칼슘에 산을 작용시키면 이산화탄소를 발생한다. CaCO3＋2HCl → CaCl2＋H2O＋CO2↑ 이산화탄소를 함유하는 물이 땅속의 석회석을 만나면 용해하여 공동(空洞)을 만드는데, 이것이 석회석동굴이며, 이와 같이 용해한 물이 지열(地熱) 등에 의해서 분해되어 탄산칼슘이 침전한다. 이 침전이 석회석동굴 속에서 이루어질 때 종유석이나 석순 등을 생성한다.
탄산칼슘을 실험실에서 얻는 데는 수용성 칼슘염에 탄산알칼리를 작용시키거나, 석회수에 이산화탄소를 통과시킨다. 공업적으로는 석회석을 분쇄하여 가루를 만들어 체로 쳐서 가르거나 풍피(공기 중에서 고체입자가 자유침강할 때 속도의 차이를 이용하여 입자를 크기 또는 비중에 따라 나누는 조작)하여 얻는다. 이것을 중질(重質)탄산칼슘이라 한다. 또, 석회유(石灰乳)에 이산화탄소를 불어넣어 생기는 침전을 여과·건조·미세분쇄한다. 이것을 경질(輕質)탄산칼슘이라고 한다. 또, 조개껍질을 습식분쇄한 것을 호분(胡粉)이라 한다. 탄산칼슘은 값이 싸고, 비중도 크지 않아 공업 분야에서 널리 사용된다. 즉, 석회석·대리석으로서 시멘트의 주원료, 산화칼슘의 원료, 제철·건축재료 등의 각종 중화제(中和劑)로서 사용된다. 또, 호분은 백색 안료·수성도료에, 침강 탄산칼슘은 안료·도료·치약 등에 사용되며, 고무에도 보강제로서 배합된다.
탄산 나트륨(sodium carbonate)은 화합물의 한 종류로, 탄산과 수산화나트륨의 염이다. 유리에 주로 포함되어 있어 빛의 통과시, 자외선을 차단해 주는 역할을 하기도 한다. 탄산 나트륨은 나트륨 이온(Na＋)이 포함되어 있어 물에 잘 녹는다. 탄산의 나트륨염으로 보통 소다 또는 탄산소다라고도 부른다. 무수물은 백색 분말의 흡습성이 강한 소다회이며, 1수화물·7수화물·10수화물이 알려져 있다. 유리·비누 등의 제조원료로 사용되며, 알칼리로서 종이 제조 등에 사용된다. 무수물(無水物)은 소다회, 10수화물은 세탁소다·결정소다라고도 한다. 화학식은 Na2CO3이다. 무수물은 백색 분말로, 흡습성이 강하다. 일반적으로는 1수화물·7수화물·10수화물이 알려져 있다. 100g의 물에 0℃에서 7.1g, 100℃에서 45.5g 용해한다. 알코올·에테르 등에는 녹지 않는다. 수용액은 다음과 같이 분해하여 알칼리성을 나타낸다. Na2CO3＋H2O → NaOH＋NaHCO3 염산 HCl이나 황산 등의 강한 산에 가하면 이산화탄소 CO2를 발생한다.
Na2CO3＋2HCl → 2NaCl＋H2O＋CO2↑
공업적인 제조법으로는 암모니아-소다법(솔베이법)·르블랑소다법(르블랑법)·전해(電解)소다법(전해법)의 세 방법이 있는데, 현재는 암모니아-소다법이 주로 사용되고 있다. 암모니아소다법은 식염의 포화용액에 암모니아가스를 포화시키고, 여기에 이산화탄소를 통과시켜 탄산수소나트륨을 만들고, 이것을 가열하면 생긴다. 르블랑법은 현재 거의 사용되지 않고 있지만, 식염과 황산을 반응시켜 얻는 황산나트륨을 탄소로 환원시켜서 이것과 탄산칼슘으로부터 얻는다. 또, 전해소다법은 식염수를 전기분해하여 수산화나트륨을 만들고, 이것에 탄산가스를 가해서 얻는다. 유리·비누·수산화나트륨·탄산수소나트륨 등의 제조원료로 사용되며, 알칼리로서 종이·펄프의 제조, 염료의 유기합성 등 여러 분야에서 사용된다.
산화 마그네슘(magnesium oxide)은 페리클레이스로서 자연적으로 발생하고 하얀 빛을 띄는 흡습성의 고체 광물이며, 마그네슘의 원천이다. 산화 마그네슘은 시멘트, 제산지, 의학 등의 용도로 응용할 수 있다. 산화 마그네슘은 탄산 마그네슘이나 수산화 마그네슘의 하소를 통해서, 또는 염화 마그네슘을 석회와 열처리하여 생성할 수 있다. 밝고 하얀 빛으로 산화하는 마그네슘 리본을 태우면 가루를 낼 수 있는데, 이로 말미암아 산화 마그네슘을 쉽게 만들 수 있다. 그러나 밝은 불꽃은 진화하기 쉽지 않고 해로운 강도의 자외선을 방출한다. 산화 마그네슘 기체를 흡입하면 금속열을 유발할 수 있다. 마그네슘과 산소의 화합물로 공기 중에서 물 및 이산화탄소를 흡수하며 내화재료·촉매·흡착제·제산제 등으로 사용된다. 고토(苦土)라고도 하며, 공업적으로는 마그네시아, 의약품으로서는 마그네시아우스터라고도 한다. 화학식은 MgO이다. 흰색의 비결정성 가루지만, 붕산염과 융해한 용액에서 등축정계의 결정이 석출된다. 분자량 40.32, 녹는점 2,800℃, 끓는점 3,600℃, 비중 3.2∼3.7이다. 물에는 약간 녹아 알칼리성을 보이지만, 산·암모니아수에는 쉽게 녹는다. 공기 중에서는 물 및 이산화탄소를 흡수하여 서서히 하이드록시탄산마그네슘이 된다. 금속마그네슘을 공기 속에서 가열하거나, 탄산마그네슘을 열분해하면 생긴다. 내화재료·도가니·마그네시아시멘트·촉매·흡착제로 사용하는 외에, 의약품으로서 제산제(制酸劑)·하제(下劑)로 사용된다.
올레인산(oleic acid)은 유산이라고도 한다. 화학식은 C17H3COOH이다. 대부분 동식물유 속에 함유되어 있고, 특히 동백 기름, 올리브유 등의 유지류의 주성분이다. 무색, 무취이며, 비중 0.898, 녹는점 14℃의 유상(油狀) 액체로, 물에 녹지 않고 유기 용제에 녹는다. 공기 중에 방치하면 산화되어 황색 또는 갈색으로 변하며, 악취를 풍긴다. 윤활유, 비누의 원료, 직물의 방수제 등에 사용된다.
부틸카비톨(butyl carbitol)은 흡습성이 있는 무색의 유동성 액체이다. 가연성 액체로서 역화의 위험이 있다. 장기간 보관시 과산화물이 형성될 수 있다. 물에 녹으며 에탄올, 에테르 등의 유기용제에 녹는다.
위에서 언급한 물질들로 구성된 '나노소자를 이용한 가솔린용 연료절감 조성물'의 구성비를 살펴보면 [표 1] 과 같다.
Figure pat00005
상기한 구성비는 반복 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과이다. 위의 구성비에 따른 나노물질은 휘발유와 함께 연소되어 에너지를 발생시키는 역할을 수행하며, 또한 완전연소를 촉진시키며, 위의 구성비로 구성된 안정제는 나노물질이 휘발유 내에서 골고루 잘 확산될 수 있도록 하는 기능을 담당하여, 나노물질이 잘 연소될 수 있도록 돕게 된다.
10리터(L)의 휘발유에 본 발명에 따른 연료첨가조성물 10ml(1,000:1의 비율로 투입)를 [표 1] 의 혼합비로 제조하여 투입한 결과 [표 2] 와 같은 결과가 나왔다.
실험은 자동차 연료소비량실험으로 실행하였으며, 동일한 조건하에서 실험을 실시하였다. 그리고 연료소비량은 고속도로 상에서 시속 60km로 동일차종으로 10분간 주행한 실험결과이다(동일구간 반복실험).
Figure pat00006

Claims (1)

  1. "40-80nm 크기의 나노 탄산칼슘 2.5-3.5wt％, 40-80nm 크기의 나노 탄산나트륨 2.5-3.5wt％, 40-80nm 크기의 나노 산화마그네슘 2.5-3.5wt％의 '나노물질'과 "올레인산 38-44wt％, 부틸카비톨 45-55wt％"로 구성된 '안정제'를 혼합하여 구성한 다음, 휘발유에 첨가하여 연료절약효과를 거두기 위한 목적으로 제조한 "나노소자를 이용한 가솔린용 연료절감 조성물"
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