KR20190101132A - 나노소자를 활용한 선박에 사용가능한 경유용 연료첨가제 - Google Patents

나노소자를 활용한 선박에 사용가능한 경유용 연료첨가제 Download PDF

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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 화석연료 내에 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 선박용 디젤에 미량 첨가할 경우 완전연소가 촉진되어, 연료가 절감되는 새로운 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 "나노소자를 활용한 선박에 사용가능한 경유용 연료첨가제"는 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.

Description

나노소자를 활용한 선박에 사용가능한 경유용 연료첨가제 {A chemical additives for diesel fuels which can be used in ships using nanomaterials}
본 발명은 나노물질에 안정제를 혼합하여 제조한 선박용 디젤용 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 입자사이에 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.
(문헌1) 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2013-0010434호 (2013.01.28) (문헌2) 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2009-0013116호 (2009.02.04)
본 발명은 나노물질에 안정제를 혼합함으로써 나노물질이 화석연료와 활발하게 안정적으로 혼합될 수 있도록 함으로써 화석연료가 연소될 때, 나노소자도 화석연료 내에 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 선박용 디젤과 잘 혼합되도록 돕는 역할을 아울러 수행한다. 다시말해, 안정제는 나노물질이 선박용 디젤에 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 선박용 디젤과 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 활용한 선박에 사용가능한 경유용 연료첨가제'는 크게 나노물질과 안정제로 구분되어 진다. 나노물질은 연소되어 고에너지를 발생시키는 에너지원으로 활용되어지고 동시에 완전연소를 촉진시키며, 안정제는 나노물질의 화학적 안정을 돕는 동시에 나노물질이 화석연료인 선박용 디젤과 잘 혼합되도록 돕는 역할을 아울러 수행한다. 다시말해, 안정제는 나노물질이 선박용 디젤에 빠른 시간내에 골고루 확산되어 잘 퍼지게 함으로써 화석연료가 연소될 때 나노물질도 함께 잘 연소될 수 있도록 돕는 기능을 수행하는 것이다.
본 발명에 따른 선박용 디젤에 첨가하여 연료를 절감하고자 하는 목적으로 개발된 나노물질은 "이리도스민, 노라이트, 바이오타이트"이며 그 구성비는 아래 [표 1] 에서 기술하고 있다.
본 발명에 따른 나노물질에 혼합하여 디젤과 혼합시, 나노물질의 확산을 돕는 안정제는 "이소카프릴산"이며, 그 구성비는 아래 [표 1] 에서 기술하고 있다.
본 발명에 따른 '나노소자를 활용한 선박에 사용가능한 경유용 연료첨가제'의 구성 물질에 관하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
이리도스민(Iiridosmine)은 육방정계(六方晶系)의 광물로서, 이리듐과 오스뮴의 천연합금이다. 굳기는 6~7, 비중은 19.3~21.1, 담강회색을 띤다. 일반적으로 이리듐이 오스뮴보다 많이 함유되며, 오스뮴이 많으면 오스미리딘이라 한다. 오스미리듐(osmiridium)이라고도 한다. 화학성분은 IrOs이다. 이리듐과 오스뮴의 천연합금으로, 약간의 로듐·백금·루테늄 등을 함유한다. 보통은 불규칙한 입상결정을 이루지만, 때로 작은 육각판상을 나타내기도 한다. 굳기 6~7, 비중 19.3~21.1이다. 담강회색(淡鋼灰色)이며, 금속광택이 있다. 하상(河床)에 사광을 이루어 산출되는데, 자연금·자연백금 등과 함께 산출된다. 우랄지방·브라질·캐나다·남아프리카공화국 등이 주산지이다. 일반적으로 이리듐이 오스뮴보다 많이 함유되며, 오스뮴이 많은 것은 오스미리딘이라 한다. 루테늄이 많이 함유된 것은 루테노스미리듐이라 한다.
노라이트(Norite)는 중립 등립상 완정질조직을 보이며 암색은 중색질이다. 규장질 광물은 대부분 사장석(약 60%)이며 간극조직을 보이는 소량의 석영(1% 미만)이 관찰된다. 고철질 광물은 주로 휘석(약 35%)인데 단사휘석은 2% 미만이어서 사방휘석의 함량이 월등히 많다. 그 밖에 고철질 광물로는 소량의 보통각섬석, 흑운모가 함유되어 있으며 부구성광물로 인회석, 자철석, 견운모 등이 관찰된다. 사장석의 성분은 Ca-래브라도라이트이며 누대조직을 보인다. 사방휘석은 하이퍼신, 단사휘석은 투휘석이다. 이들 휘석은 부분적으로 보통각섬석이나 흑운모가 반응연을 형성한 우랄라이트조직이나 휘석이 사장석 입자 사이에서 정출한 입간조직을 보인다. 사장석 입자 틈새에서는 후에 정출한 정장석과 사장석으로 구성된 미문상조직도 관찰된다.
바이오타이트(Biotite)는 운모와 같은 결정구조를 가지는 단사정계에 속하는 광물로 색깔은 흑색, 갈흑색, 녹흑색을 띤다. 화성암, 변성암에서 산출되며 퇴적암에도 드물지 않게 산출된다. 화학성분은 K(Mg,Fe)3AlSi3O10(OH)2이다. 판상 또는 인상(鱗狀)을 이루며 흔히 육각형 또는 능면체를 나타낸다. 밑면에 쪼개짐이 완전하고 박편은 탄성을 가지는데 금운모(金雲母)에 비하여 작다. 흑색·갈흑색·녹흑색 등을 띠며, 쪼개짐면은 진주광택이 있고, 때로는 금속광택을 가진다. 굳기 2.5~3.0, 비중 2.7~3.1이다. 분포는 매우 넓고 많은 화성암·변성암에서 산출되며, 퇴적암에도 드물지 않다. 페그마타이트에서는 거대한 흑운모 결정을 얻을 수 있다.
이소카프릴산(Isocaprylic acid)는 화학식은 C8H16O2이며 분자량은 144이다. 제법은 6-메틸-헵탄올-1을 중크롬산염 또는 과망간산칼륨으로 산화한다. 성질은 무색. 독특한 냄새를 가진 액체. 녹는점 0℃, 끓는점 232℃/762mm, 126~127℃/14mm. 물에 잘 안 녹는다. 에탄올, 에테르, 벤젠, 클로로포름에 녹는다.
위에서 언급한 물질들로 구성된 '나노소자를 활용한 선박에 사용가능한 경유용 연료첨가제'의 구성비를 살펴보면 [표 1] 과 같다.
Figure pat00001
상기한 구성비는 반복 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과이다. 위의 구성비에 따른 나노물질은 선박용 디젤과 함께 연소되어 에너지를 발생시키는 역할을 수행하며, 또한 완전연소를 촉진시키며, 위의 구성비로 구성된 안정제는 나노물질이 선박용 디젤 내에서 골고루 잘 확산될 수 있도록 하는 기능을 담당하여, 나노물질이 잘 연소될 수 있도록 돕게 된다.
[실시예]
10리터(L)의 선박용 디젤에 본 발명에 따른 연료첨가제 10ml(1,000㎖ : 1㎖의 비율로 투입)를 [표 2] 의 혼합비로 제조하여 투입한 결과 [표 3] 와 같은 결과가 나왔다.
Figure pat00002
실험은 소형선박의 연료소비량실험으로 실행하였으며, 동일한 조건하에서 실험을 실시하였다. 그리고 연료소비량은 동일한 해상에서 10 노트(Knot)로 동일선박으로 10분간 운행한 실험결과이다(동일구간 반복실험).
Figure pat00003

Claims (1)

120~200nm 크기의 이리도스민(Iiridosmine) 0.8~1.2wt%, 120~200nm 크기의 노라이트(Norite) 0.8~1.2wt%, 120~200nm 크기의 바이오타이트(Biotite) 1.7~2.3wt%, 이소카프릴산(Isocaprylic acid) 95-97wt%로 구성되어지는 것을 특징으로 하는 "나노소자를 활용한 선박에 사용가능한 경유용 연료첨가제"
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