KR20200011258A - 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물 및 겔화 또는 고화 연료 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 겔화 또는 고화 연료의 제조를 위한 연료 조성물에 대한 것으로서, 다가 알코올의 열량증가제 10 내지 70중량%, 셀룰로오스계 점증제 0.1 내지 5중량% 및 잔부로 메탄올 및 에탄올 중 적어도 하나의 알코올을 포함하는 겔화 알코올 연료 조성물을 제공한다.

Description

겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물 및 겔화 또는 고화 연료 제조방법{GEL OR SOLID ALCOHOL FUEL COMPOSITION AND METHOD FOR PREPARING GEL OR SOLID ALCOHOL FUEL}
본 발명은 열량이 우수한 겔화 또는 고화의 메틸알코올 연료 조성물 및 그 메틸 알코올 연료 제조방법에 관한 것이다.
겨울철 콘크리트양생을 위한 난방연료나, 야외 활동시 불쏘시개 역할로서, 겔화 또는 고화의 알코올 연료가 사용되고 있다.
알코올 류를 겔화 또는 고화시켜 만든 반고체상 겔화 연료는, 종래 사용되던 메틸알코올 연료에서 발생되고 있는 낮은 저장 안정성, 낮은 발열량, 짧은 연소시간 등의 문제점들을 감안하여 개발된 연료이다. 또, 종래 메틸알코올 연료를 대체하기 위하여 제조된 고체 파라핀계 고체 연료를 대체하여 제조된 연료이기도 하다.
상기 겔화 또는 고화 연료는, 종래 메틸알코올 연료나 고체 파라핀계 고체 연료에서 발생되는 제반 문제들을 해결하고 있고, 엎질러진다 해도 점결성이 있기 때문에 쉽사리 유출되지 않아 화재 위험성 등이 매우 적으므로, 보다 안전하게 사용할 수 있다. 또, 연소시 발열량을 증대시키고, 이로 인해 연소시간을 대폭 증대되었으며, 직접연소가 가능하다는 측면에서 종래 알려지고 있는 메틸알코올이나 고체 파라핀계 고체연료들에 비하여 진일보된 연료라고 할 수 있다.
그러나, 종래 제공되고 있는 겔화 또는 고화 연료는 대부분의 성분이 메탄올 또는 에탄올 등의 알코올로 구성되고, 점증제로서 카보머(carbomer, 카보풀)를 소량 혼합하여 사용하여 왔는데, 이러한 겔화 또는 고화 연료는 발열량이 낮아, 발열량 상승의 필요성에 대한 요구가 제기되고 있다.
한편, 종래의 겔화 또는 고화 알코올 연료는 겔화 과정에서 점증제를 첨가한 후에 장시간 교반하는 과정을 필요로 한다. 특히, 점증제로서 일반적으로 사용되고 있는 카보머는 물에 첨가하여 사용하는데, 상기 카보머를 물에 첨가하는 경우에는 교반 과정에서 가열하여야 하는 필요성이 있다. 또, 카보머는 pH에도 민감한 특성이 있다. 이에, 점도 상승을 위하여 많은 시간이 요구됨은 물론, 승온 및 pH를 유지하여야 하는 것도 필요하여 제조공정상 생산성 저하를 초래하며, 나아가, 비용 증대를 초래한다.
본 발명은 일 구현예로서, 종래의 겔화 또는 고화 알코올 연료에 대하여 열량을 상승시키고, 이로 인해 연료 연소시간을 증대시켜 연료 사용량 감소를 도모할 수 있는 겔화 또는 고화 알코올 연료를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 일 구현예로서, 겔화 또는 고화 알코올 연료의 제조과정에서 점증을 위하여 장시간의 교반 과정을 생략할 수 있는 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물 및 겔화 또는 고화 알코올 연료의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 일 견지로서, 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물을 제공하는 것으로서, 상기 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물은 다가 알코올 중 적어도 하나의 열량 증가제 10 내지 70중량%, 셀룰로오스계 점증제 0.1 내지 5중량% 및 잔부로 메탄올 및 에탄올 중 적어도 하나의 알코올을 포함한다.
상기 다가 알코올은 에틸렌 글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 글리세린, 재생 글리세린, 2가 알코올 및 3가 알코올로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 셀룰로오스계 점증제는 하이드록시 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스 및 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 연료조성물은 상기 열량 증가제, 셀룰로오스계 점증제 및 알코올의 합계 100중량%에 대하여 반응개시제 0.1 내지 5중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 반응 개시제는 NaOH 또는 KOH, 알코올에 녹인 NaOH 등 강염기인 것이 바람직하다.
상기 연료조성물은 수화된 스티렌 열가소성 엘라스토머(Hydrogenated styrene thermoplastic elastomer), 탄산칼륨, H2Mg3(SiO3)4, Mg3Si4O10(OH)2, 티타늄 옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 고화제를 연료조성물 100중량%에 대하여 1 내지 5중량% 더 포함할 수 있다.
본 발명은 다른 견지로서, 겔화 또는 고화 알코올 연료 제조방법을 제공하며, 본 발명의 제조방법은 다가 알코올의 열량 증가제 10 내지 70중량%, 셀룰로오스계 점증제 0.1 내지 5중량% 및 잔부로 메탄올 및 에탄올 중 적어도 하나의 알코올을 혼합하여 연료 조성물을 형성하는 단계 및 상기 연료조성물 100중량%에 대하여 NaOH, KOH 및 알코올에 녹인 NaOH 중 적어도 하나의 반응개시제 0.1 내지 5중량%를 투입하여 겔화 또는 고화하는 단계를 포함한다.
상기 겔화 또는 고화는 5 내지 50초 동안 수행할 수 있다.
상기 다가 알코올은 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 글리세린, 재생 글리세린, 2가 알코올 및 3가 알코올로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
상기 셀룰로오스계 점증제는 하이드록시 메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스 및 하이드록시 프로필 메틸 셀룰로오스 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 겔화 또는 고화하는 단계는 수화된 스티렌 열가소성 엘라스토머(Hydrogenated styrene thermoplastic elastomer), 탄산칼륨, H2Mg3(SiO3)4, Mg3Si4O10(OH)2, 티타늄 옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 고화제를 연료조성물 100중량%에 대하여 1 내지 5중량% 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 겔화 또는 고화 알코올 연료의 열량이 높으며, 이로 인해 연소시간을 증가하며, 결국, 주로 사용하는 유독물인 메틸알코올 연료 사용량을 줄일 수 있다.
본 발명의 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물은 단시간에 겔화 또는 고화를 수행할 수 있어, 연료 제조시간 단축 효과를 제공하며, 따라서, 생산성 향상을 제공한다.
또한, 겔화 또는 고화 알코올 연료를 신속하게 만들 수 있고, 별도의 열원을 사용하지 않고 교반만으로 신속하게 제조할 수 있어, 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명은 종래의 겔화 또는 고화 알코올 연료에 비하여 열량과 연소 지속시간이 증가된 연료 조성물을 제공하고자 하는 것이다. 이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물은 알코올, 열량 증가제 및 점증제를 포함한다.
상기 알코올은 연료로서 기능하기 위한 주연료 성분이다. 상기 알코올로는 메틸알코올, 에틸알코올, 노르말프로필알코올, 이소프로필알코올, 제2 아밀알코올, 제2 부틸알코올, 제3 부틸알코올, 노르말아밀알코올, 이소아밀알코올, 제2 아밀알코올, 제3 아밀알코올, 노르말헥실알코올 등을 들 수 있다. 이들 중에서 어느 하나를 사용하거나 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 가성비가 좋은 메탄올, 안전한 에탄올 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기와 같은 메틸알코올을 연료의 주성분으로 사용하는 경우에는 통상 열량이 18.2MJ/L의 정도다. 그러나, 이와 같은 범위의 열량을 갖는 경우에는 특히 겨울철 콘크리트 양생을 위한 난방연료 등으로 사용하는 경우 열량이 불충분하여 다량의 겔화 또는 고화 알코올 연료를 사용하여야 하는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 열량의 증가를 위한 열량 증가제를 포함한다. 상기 열량 증가제로는 다가 알코올 혼합물일 수 있다. 상기 다가 알코올의 열량 증가제는 24 내지 42MJ/L의 열량을 갖는 것으로서, 이들을 혼합하여 사용하는 경우 상기 알코올 단독 사용시에 나타나는 부족한 열량을 상승시킬 수 있다.
상기 열량증가제는 고분자의 다가 알코올 등으로서, 예를 들어, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 글리세린, 재생 글리세린, 2가 알코올, 3가 알코올 등을 들 수 있다. 필요에 따라서는 유동 파라핀을 더 포함할 수 있다.
상기 다가 알코올 또는 유동 파라핀 등의 열량 증가제는 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물 100중량% 중에 10 내지 70중량% 범위의 양으로 사용할 수 있다. 상기 열량 증가제의 함량이 10중량% 미만으로 포함하는 경우에는 열량 증가제의 사용으로 인한 열량 상승 효과가 충분하지 않으며, 70중량%를 초과하는 경우에는 상대적으로 메틸알코올의 함량이 감소하며, 이로 인해 연소성이 저하하는 문제가 있어 바람직하지 않다.
한편, 본 발명의 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물은 겔화 또는 고화를 위한 점증제를 포함한다. 상기 점증제는 겔화 또는 고화 연료의 점증을 위하여 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있는 것으로서, 카보풀, 셀룰로오스 등을 들 수 있다.
상기 점증제로서 카보풀은 점증되는 시간이 30분 정도이고, 점성 증가에 있어서 온도 및 pH에 민감하며, 잘 풀어지는 특성을 가진다. 한편, 점증제로서 셀룰로오스계는 점증하는데 시간이 30분 내지 8시간 소요되고, 점증 후 추가 투입되는 재료에 대하여도 점성을 띄도록 한다.
이러한 점증제 중에서 셀룰로오스를 사용하는 것이 본 발명에서는 보다 바람직하다. 상기 셀룰로오스를 점증제로 사용할 때, 이하에서 설명하는 반응 개시제를 소량 적용하는 경우, 일반적으로 점도 증가에 소요되는 시간에 비하여 현저하게 신속히 점도를 상승시킬 수 있어, 점성 증가를 위한 시간을 단축시킬 수 있으며, 나아가, 점도 상승을 위하여 온도를 상승시키는 등의 별도의 조작이 요구되지 않는다.
상기 점증제로서 적합한 셀룰로오스로는 예를 들어, 하이드록시메틸 셀룰로오스, 하이드록시에틸 셀룰로오스 및 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스 및 등을 들 수 있고, 이들은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 점증제는 상기 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물 100중량% 중에 0.1 내지 5중량%의 함량으로 포함할 수 있다. 상기 점증제의 함량이 0.1중량% 미만으로 사용되는 경우에는 점도가 너무 미약한 문제가 있으며, 5중량%를 초과하는 경우에는 제조상 고화되어 용기에 담을 때 작업상 어려움을 야기하는 문제가 있다. 상기한 바와 같은 함량 범위 내에서 점증제 사용량을 적절히 조절함으로써 겔화 또는 고화의 알코올 연료를 제조하거나, 고화의 알코올 연료를 제조할 수 있다.
상기 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물에 있어서 다가 알코올 등의 열량 증가제와 점증제를 제외한 잔부는 알코올이다.
본 발명에서 제공하는 연료 조성물은 연료의 주성분으로서 알코올을 포함하며, 다가 알코올 등의 열량 증가제와 함께 포함함으로써 열량 증대를 도모할 수 있다. 기존 메틸 알코올을 사용하는 경우에는 10,400Kcal의 열량 및 17리터 연소시 6 내지 7시간 정도의 연소 지속시간을 나타내지만, 본 발명에 따른 겔화 또는 고화 알코올 연료는 15,000 내지 25,000Kcal의 열량 및 17리터 연소시 9 내지 12시간의 연소 지속시간을 제공할 수 있다. 따라서, 다가알코올 등의 열량증가제 등을 포함하지 않는 종래의 연료를 사용하는 경우에 비하여 본 발명의 연료 조성물에 의한 겔화 또는 고화 연료는 현저히 높은 열량 및 지속시간을 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명에 의해 얻어지는 겔화 연료는 점도가 55000 내지 100,000cps의 범위를 갖는 것으로서, 비중이 0.85 내지 1.125(25℃/25℃)이고, pH가 7 내지 8.5의 값을 갖는다.
필요에 따라 고화 연료를 제조하고자 하는 경우에는 교화제를 더 포함할 수 있다. 상기 고화제는 점도를 증가시켜 고화시키는 기능을 가지면서, 발열 보강 기능을 제공할 수 있는 것을 사용할 수 있다. 상기 고화제로는 수화된 스티렌 열가소성 엘라스토머(Hydrogenated styrene thermoplastic elastomer), 탄산칼륨, H2Mg3(SiO3)4, Mg3Si4O10(OH)2, 티타늄 옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나를 들 수 있다. 이들 고화제는 알코올, 열량증가제 및 점증제의 연료조성물 100중량%에 대하여 1 내지 5중량%의 함량으로 투입될 수 있다.
상기와 같은 연료 조성물을 혼합하고, 점도를 증가시켜 겔화 또는 고화함으로써 겔화 또는 고화 알코올 연료를 제조할 수 있다. 상기 점도 증가를 위하여는 통상적으로 사용되는 바와 같이 교반함으로써 수행할 수 있다. 상기 교반은 상온에서 수행할 수 있음은 물론, 45℃ 이하의 온도로 가열한 상태에서 교반함으로써 점도를 상승시킬 수 있다. 이때, 상기 교반은 통상 15분 이상, 예를 들어, 30분 내지 8시간, 30분 내지 3시간 수행할 수 있다.
상기 겔화 또는 고화 알코올 연료의 제조에 있어서는 본 발명의 연료 조성물은 반응개시제를 더 포함할 수 있다. 상기 반응개시제는 상기 겔화 또는 고화 알코올 연료 조성물을 겔화 또는 고화시키기 위한 반응을 촉진하여, 단시간에 알코올 연료 조성물의 겔화 또는 고화를 도모할 수 있다. 이에 의해 겔화 또는 고화 알코올 연료의 제조 시간을 대폭 단축할 수 있으며, 나아가, 겔화를 위하여 필요에 따라 요구되는 가열 공정을 생략할 수 있다. 따라서, 겔화 알코올 연료의 생산성 향상 및 제조단가 감소 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 효과는 특히 점증제로서 셀룰로오스계를 사용하는 경우에 얻을 수 있다.
상기 반응개시제로는 NaOH 및 KOH와 같은 강염기, 알코올에 녹인 NaOH 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이들은 단독으로 사용할 수 있음은 물론, 혼합하여 사용할 수도 있다. 이들 반응개시제를 첨가하는 경우에는 투입 시부터 겔화 반응이 일어나며, 3분 이하, 예를 들어, 5 내지 90초 또는 5 내지 50초의 시간 동안 교반함으로써 겔화 또는 고화를 도모할 수 있다.
상기 반응개시제는 열량증가제, 점증제 및 알코올의 합계 100중량%에 대하여 반응개시제를 0.1 내지 5중량%의 함량으로 포함할 수 있다. 상기 반응개시제의 함량이 0.1중량% 미만으로 포함하는 경우에는 반응개시 속도 상승의 효과가 미미하고, 5중량%를 초과하는 경우에는 불꽃이 튈 수 있는바, 상기 범위 내에서 투입하는 것이 바람직하다.
필요에 따라 고화 연료를 제조하고자 하는 경우에 투입될 수 있는 교화제는 상기 반응개시제와 함께 투입될 수 있다.
본 발명의 겔화 알코올 연료는 겔화 이후에 메틸알코올을 추가로 투입하는 것만으로도 교반을 통해 일정한 겔 상태를 유지할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명에 대한 일 예를 나타내는 것으로서, 이에 의해 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
메탄올 600㎖에 교반하에 열량 증가제로서 80% 농도의 재생 글리세린 수용액 300㎖를 투입하고 교반을 계속 유지하였다.
이어서, 교반을 유지하는 상태에서 물 100㎖에 점증제로 하이드록시에틸 셀룰로오스 2g을 투입하여 제조된 점증제 용액을 상기 메탄올에 투입하였다.
다음으로, 교반을 유지한 상태에서 개시제로서 NaOH 0.2g을 상기 메탄올 용액에 투입하여 조성물을 제조하였다.
약 30초 경과 후에 상기 조성물이 겔화된 것을 확인하였다.
이에 의해 얻어진 겔화 연료에 대하여 분석하고, 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
이때, 발열량 및 연소시간은 겔화 연료 17L를 기준으로 측정한 값이다.
비교예 1
물 200ml에 카보필 2g을 투입하고, 약 30분 교반하여 점증제 용액을 준비하였다. 상기 점증제 용액을 메탄올 800㎖에 교반한 후 약 45℃로 가열하면서 30분간 추가로 교반하였다.
이에 의해 겔화된 연료를 분석하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
이에 의해 얻어진 겔상 메탄올 연료의 물성을 측정하고, 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
이때, 발열량 및 연소시간은 겔화 연료 17L를 기준으로 측정한 값이다.
평가항목 시간당 발열량 색상 점도(cps) 비중(25℃/25℃) 연소시간(hr) pH 값
실시예 1 약 18,000Kcal 검은 갈색 약 75000 약 1.002 약 11 8
비교예 1 약 11,640Kcal 갈색, 흰색 55000 0.803 6-8 7.6
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 겔화 연료는 종래의 겔화 연료에 비하여 발열량이 현저히 우수하며, 연소시간 또한 현저히 증가하였음을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 다가 알코올의 열량증가제 10 내지 70중량%;
    셀룰로오스계 점증제 0.1 내지 5중량%; 및
    잔부로 메탄올 및 에탄올 중 적어도 하나의 알코올
    을 포함하며, 겔상 또는 고상인 알코올 연료 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다가 알코올은 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜 및 글리세린, 재생글리세린, 2가 알코올 및 3가 알코올로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 알코올 연료 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 셀룰로오스계 점증제는 하이드록시메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스 및 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스 중 적어도 하나인 알코올 연료 조성물.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 겔화 알코올 연료 조성물은 상기 열량증가제, 점증제 및 알코올의 합계 100중량%에 대하여 반응개시제 0.1 내지 5중량%를 더 포함하는 알코올 연료 조성물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 반응개시제는 NaOH, KOH 및 알코올에 녹인 NaOH 중 적어도 하나인 알코올 연료 조성물.
  6. 제4항에 있어서, 수화된 스티렌 열가소성 엘라스토머(Hydrogenated styrene thermoplastic elastomer), 탄산칼륨, H2Mg3(SiO3)4, Mg3Si4O10(OH)2, 티타늄 옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 고화제를 연료조성물 100중량%에 대하여 1 내지 5중량% 더 포함하는 알코올 연료 조성물.
  7. 다가 알코올의 열량 증가제 10 내지 50중량%; 셀룰로오스계 점증제 0.1 내지 5중량%; 및 잔부로 메탄올 및 에탄올 중 적어도 하나의 알코올을 혼합하여 연료조성물을 형성하는 단계; 및
    상기 연료조성물 100중량%에 대하여 NaOH, KOH 및 알코올에 녹인 NaOH 중 적어도 하나의 반응개시제 0.1 내지 5중량%를 투입하여 겔화 또는 고화하는 단계
    를 포함하는 알코올 연료 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 겔화 또는 고화는 5 내지 90초 동안 수행하는 것인 알코올 연료 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 다가 알코올은 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 글리세린, 재생 글리세린, 2가 알코올 및 3가 알코올로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나인 알코올 연료 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 셀룰로오스계 점증제는 하이드록시메틸 셀룰로오스, 하이드록시 에틸 셀룰로오스 및 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스 중 적어도 하나인 알코올 연료 제조방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 겔화 또는 고화하는 단계는 수화된 스티렌 열가소성 엘라스토머(Hydrogenated styrene thermoplastic elastomer), 탄산칼륨, H2Mg3(SiO3)4, Mg3Si4O10(OH)2, 티타늄 옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 고화제를 연료조성물 100중량%에 대하여 1 내지 5중량% 더 포함하는 알코올 연료 제조방법.
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