KR20200036674A

KR20200036674A - 미세금속입자를 함유하는 연료용 조성물 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20200036674A
Application number: KR1020180116645A
Authority: KR
Inventors: 전경훈
Original assignee: 전경훈
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-07
Also published as: GB2581131B; CN113348231B; CN113348231A; US11718804B2; GB201901077D0; US20220073831A1; GB2581131A; WO2020064464A1

Abstract

본 발명은 미세금속입자를 함유하는 연료용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속입자 형태의 연료용 조성물로서, 상기 조성물은 수 나노 내지 수백 나노 미터 크기의 금속입자가 알칼리성 용매에 분산된 수용액인 것을 특징으로 하는 연료용 조성물을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 산화되기 쉬운 금속 미세입자를 환원분위기의 용매속에 침잠된 상태로 연료에 주입함으로써, 금속입자 표면의 산화막의 비중을 감소시켜 금속입자의 반응성을 향상시킬 수 있는 작용효과가 기대된다.

Description

미세금속입자를 함유하는 연료용 조성물 및 그 제조방법{Fuel application composition including fine metal particles and the manufacturing method of the same}

본 발명은 미세금속입자를 함유하는 연료용 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수 나노 내지 수백 나노 미터 크기의 금속입자가 분산된 수용액인 것을 특징으로 하는 연료용 조성물을 제공한다.

연료에 투입하여 연료의 효율을 향상하기 위하여 투입되는 것이 연료첨가제로 정의되며, 연료첨가제는 탄소와 수소만으로 구성된 물질을 제외한 화학물질이며, 자동차의 연료에 소량을 첨가함으로써 자동차의 성능을 향상시키거나 자동차 배출물질을 저감시키는 역할을 한다.

첨가제의 종류에 따라서 그 사용목적이 다른데 일반적으로는 불완전연소로 인해 생성되는 탄소퇴적물(Carbon Deposit)로 인한 차량의 성능저하, 배기가스 증가, 노킹문제, 연료소비증가, 수명단축 등의 제반문제들을 방지/제거하기 위해 사용되며 주된 기능으로는 엔진내부 퇴적물의 제거 및 방지작용 (엔진청정기능), 배출가스 저감작용, 연비향상작용 등이 있다.

이러한 자동차 연료용 첨가제로서, 휘발유용 첨가제, 경유용 첨가제 등이 존재한다. 휘발유용 첨가제 중 안티노크제 (Antiknock Agent)는 휘발유의 옥탄가를 향상시켜 줌으로써 노킹현상을 방지해주는 역할을 하며, 주로 4에틸납 (TEL)이나 4메틸납(TML)이 가장 널리 쓰여왔으나 납성분 때문에 인체에 나쁜 영향을 줄 뿐 아니라 배기가스정화장치의 촉매에도 나쁜영향을 주고있어 현재 사용을 규제하고 있다. 이를 대체하여 알코올이나 MTBE(methyl-tertiary-butyl-ether)가 많이 사용되고 있는데 MTBE는 저비점유분의 옥탄가향상제로 적합하다고 알려져 있다.

한편, Al과 같은 금속첨가물을 연료에 사용함으로써 로케트의 성능을 향상시킬 수 있으며, 이는 상기 금속첨가물이 로케트 추진체의 연소실 열부하(volumetric heat release)를 증가시키기 때문이다. 이를 위하여 나노크기 또는 마이크로크기의 B, Zn, Al 입자가 유망한 연료첨가제로서 연구되어 왔다. Al은 높은 연소에너지를 가져 엔진의 출력을 증가시키는 것으로 알려져 있다.

또한, 세리아(CeO₂)는 디젤 연소 촉매제에서 산소저장제로 사용되는데, 세리아는 연소가스내에 일시적으로 산소가 부족해지면 CO와 과량의 탄화수소를 CO2로 산화시킴으로써 작용한다. 세리아 입자는 연료첨가제로 사용되었을 때 디젤엔진의 수트입자 방출 및 연료소비량을 감소시키는 효과가 있다. 또한 세리아는 연소챔버내의 압력을 감소시켜, 녹스의 발생을 감소시키고 연소반응의 효율성을 향상시킨다. 또한 나노크기의 세리아 연료첨가제는 디젤 연소 촉매의 작용온도를 낮추는 역할도 한다.

위와 같은 Al 및 세리아 이외에도 특정 나노크기 금속을 연료에 첨가하면 미연소 탄화수소 및 수트의 분해를 촉진할 수 있으며, 따라서 연소과정에서 발생되는 오염물질의 양을 저감하고, 연료의 사용량 또한 줄일 수 있다.

수용액내에서 이온화된 금속입자는 연소 챔버내에서 유동하며, 탄화수소 분자와 충돌되고, 이로부터 연소과정 중 촉매로 작용한다.보다 작은 크기의 입자는 보다 큰 비표면적을 갖기 때문에 점화성능이 높고 빠르며, 나노입자가 점화온도로 가열되면 이종의 주변 입자도 동시에 가열되는데, 입자가 작을수록 모든 입자는 빠르게 가열되며, 특정 금속은 점화온도에 도달하게 된다. 즉, 보다 작은 크기의 입자는 촉매활성이 높아진다.

그러나, 금속 표면은 산소친화적이며, 따라서 산화층이 생기기 용이하고, 이러한 산화층은 수나노미터의 두께를 갖는다. 따라서, 대부분의 금속에 의한 연소반응은 비활성인 금속 표면에 형성된 산화층에 의해 일정수준 제한되는 문제점이 있다.

예를 들어 Al의 경우, 대기중에 노출되었을 때, 그 표면에 산화층이 순간적으로 형성된다. 이러한 산화층은 2 내지 5nm의 두께를 가지며, 금속의 연소를 크게 지연시킨다. 입자의 연소는 산화층이 와해되어 금속코어가 노출되어야 비로소 진행되는데, 산화층의 와해는 금속산화물의 용융온도가 코어의 용융온도보다 그것보다 높을 때 일어나며, 입자가 가열되면 용융금속은 팽창하여 산화층에 열응력이 생기는데, 이로인해 산화층이 손상되어 코어가 연소반응에 노출된다. 그러나, 이와 같이 산화층을 와해시키기 위해서는 그 두께만큼 많은 에너지가 소모되어야 하므로 에너지 효율면에서 바람직하지 아니한 문제점이 있으며, 특히 이러한 산화층의 형성을 억제하기 위한 방안이 마련되어 있지 못한 문제점도 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 고농도의 알칼리 수용액이 금속의 산화층 성장을 억제함을 착안한 것이며, 따라서 연료첨가제로서의 금속나노입자를 알칼리 수용액에 수용하여 보관 및 취급하며, 연소에 사용되기까지 금속나노입자가 최대한 알칼리 수용액 내에 수용된 상태로 보급되도록 함으로써 금속나노입자의 표면산화를 최대한 억제하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 이와 같이 금속나노입자의 표면산화층의 두께를 얇게 함으로써, 금속나노입자가 연료첨가제로서 사용될때 사용상 효율성을 제고하도록 하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 금속입자 형태의 연료첨가제용 조성물로서, 상기 조성물은 수 나노 내지 수백 나노 미터 크기의 금속입자가 알칼리성 용매에 분산된 수용액인 것을 특징으로 하는 연료용 조성물을 제공한다.

상기 조성물의 금속입자는 철 성분을 주요성분으로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 용매는 물을 주요성분으로 하며, 여기에 규산과 NPK 무기질 비료와, 수용성 알코올 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 요소와 혼합한 조성물을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 용매는 염화나트륨, 마그네슘, 아연, 및 석영을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 석영은 마노(agate), 홍옥수(carnelian), 황수정(citrin), 녹옥수(crysoprase), 옥수(chalcedon), 사파이어(sapphire), 오닉스(onyx) 중에서 선택되는 적어도 하나를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 염화나트륨은 조성물 전체중량대비 0 초과 2 중량% 이하, 마그네슘은 0 초과 0.5 중량% 이하, 아연은 0 초과 0.5중량% 이하, 석영은 0 초과 0.5 중량% 이하, 수용성 알코올은 0 초과 4 부피% 이하, 규산은 0 초과 2 중량% 이하, N, P, K를 포함하는 비료성분는 0 초과 5 중량% 이하, 요소는 액상을 기준으로 0 초과 4 부피% 이하 함유되는 것이 바람직하다.

상기 용매는 금속입자의 함유공정이 수행되기 이전의 상태에서 7 초과 10 이하의 pH값을 갖는 것이 바람직하다.

상기 금속입자의 함유공정이 수행된 이후의 상태에 9 초과 13 이하의 pH값을 갖는 것이 바람직하다.

상기 용매는 금속입자의 함유공정이 수행된 이후의 상태에서 Total Dissolved Solid (TDS) 값이 2000 ~ 5000 ppm을 갖는 것이 바람직하다.

상기 조성물에 환원제 또는 부식방지제 중에서 선택되는 적어도 한가지가 0 초과 20 부피% 이하 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 금속입자는 10 ~ 1000nm의 크기범위를 갖는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 전술한 전기분해방법에 의하여 제조되며, 상기 수 나노 내지 수백 나노 미터 크기의 금속입자는 전극으로부터 용출되어 용매내에 분산되는 것을 특징으로 하는 연료첨가제용 조성물의 제조방법을 제공한다.

상기 전기분해방법은 조성물 5리터에 대하여 0.5 초과 5 W 이하의 전력을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 전술한 조성물을, 공기주입구를 통하여 주입하거나, 연료에 직접 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료첨가제용 조성물의 사용방법을 제공한다.

상기 공기주입구를 통하여 주입하는 방법은 공기주입구에 관체를 연결하여 상기 관체를 통하여 공기주입구에 주입되도록 하는 방법임이 바람직하다.

상기 관체는 튜브, 파이프 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 관체에는 유량조절밸브가 연결되며, 상기 유량조절밸브는 수동 메뉴얼 밸브이거나, 조성물의 정밀한 투입량을 조절하기 위한 제어부에 의하여 제어되며, 상기 제어부는 엔진의 분당 회전수, 차량의 속도, 가감속, 조성액의 온도 중 적어도 어느 하나의 변수에 의해 조성물의 투입량을 조절하는 것이 바람직하다.

상기 관체를 통하여 공기주입구에 주입하는 방법은 조성물을 직접 분사하거나, 초음파 진동을 통하여 수증기화하여 주입하는 것이 바람직하다.

상기 공기주입구를 통하여 주입하는 방법은 상기 공기주입구의 일측에 미세 기공채널이 마련된 함체를 마련하고, 상기 함체에 조성물을 수용하며, 상기 조성물에 진동을 가함에 따라서 상기 조성물이 상기 기공채널을 통하여 공기주입구로 공급되도록 하는 것, 수증기 생성장치에 의한 것 또는 연료분사장치에 의한 것이 바람직하다. 상기 진동은 예를 들어 엔진이나 차량에 의한 진동이다.

상기 함체는 공기주입구의 에어필터 박스 내에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 연료와 조성물의 함량비가 중량 기준으로 1000 : 1 ~ 50000 : 1의 범위인 것이 바람직하다.

상기 조성물에서 금속입자의 함량은 조성물 1리터를 기준으로 30 ~ 300 밀리그램의 범위인 것이 바람직하다.

연료용 조성물의 제조과정 중에서 발생되는 부산물을 일렉트렛(Electret)이나 미네랄 비료로 사용하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 산화되기 쉬운 금속 미세입자를 환원분위기의 용매속에 침잠된 상태로 연료에 주입함으로써, 금속입자 표면의 산화막의 비중을 감소시켜 금속입자의 반응성을 향상시킬 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 이와 같이 금속입자를 포함하는 연료첨가제를 환원성 용매에 침잠함으로써, 연료첨가제가 실제로 연료에 도달될 때까지의 과정중에 발생되는 산화현상에 최대한 대응할 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 이와 같이 금속입자의 반응성을 향상시킴으로써, 연료에 첨가하여 사용시 보다 적은 양의 금속입자로도 높은 에너지를 얻을 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 금속입자의 반응성을 향상시킨 결과 이를 함유하는 연료의 보다 높은 연소율을 도출할 수 있으며, 따라서 연료의 불완전 연소에 따른 유해한 부산물의 발생을 최대한 억제할 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 금속입자의 반응성을 향상시킨 결과, 보다 적은 연료를 사용함에도 불구하여 연소가 가능하여, 연소효율이 제고되며, 연비의 향상효과를 거둘 수 있다.

또한, 금속입자의 산화층이 얇으므로, 연소반응에 온전히 참여하는 순수금속분율이 높아져 금속이용의 효율을 높일 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 물의 전기분해에 의해 연료첨가제를 얻음으로써, 금속입자를 함유하는 연료첨가제를 별도의 가공과정없이 그대로 사용할 수 있어 공정상 편의성이 도모되는 작용효과가 기대된다.

또한, 전기분해과정에서 얻어지는 부산물을 일렉트렛(Electret) 원료, 고 미네랄 비료 등으로 재활용할 수 있어, 폐기물의 발생을 줄이고, 환경을 개선하는 작용효과가 기대된다.

또한, 연료첨가제 주입 과정에서 공기주입구 또는 에어필터박스를 이용함으로써, 고체, 액체, 기체 중 가장 반응성이 활발한 반응환경인 기체 즉, 공기분위기를 최대한 활용할 수 있는 작용효과가 기대된다.

또한, 수용액은 연소과정에서 유독성의 배기가스를 저감하는 촉매로서 작용하는데, 디젤 시스템은 일반적으로 디젤연료의 연소로부터 발생되는 분진을 거르기 위한 트랩을 포함하며, 이러한 트랩내에 금속나노입자를 도입하면 트랩 내에 축적되는 분진을 소각하는데 유리한 작용효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 나노금속 수용액을 불꽃에 분사하였을 때 발생되는 불꽃의 강도변화를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액에, 수용액 제조에 사용된 전극이 담지되어 있는 경우, 개로상태에 있거나(좌도), 수용액에 전기를 인가하였을 때(우도)의 전기적 거동을 각각 나타내는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액의 시간과 온도에 따른 산소함유량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액을 주사바늘, 튜브 등 관체를 이용하여 연소시스템에 공기주입구에 주입하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액을 연료첨가제 용기(수용액 용기)로부터 공기주입구에 이르기까지 노즐밸브를 개재시켜서 관체로 연결함으로써 수용액을 주입하는 방법을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액을 미세공을 갖는 용기에 수용하고, 이를 공기주입구의 일측에 설치한 것을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액과 연료를 버블러 방식으로 섞어서 엔진에 주입하는 방식을 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액을 연료에 첨가하고 상기 연료를 사용하는 자동차의 연비를 속도를 변수로하여 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 통상적인 Joe Cell을 나타내는 모식도이다.

이하에서는 본 발명을 바람직한 실시예와 도면을 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에서는 연료첨가제로서 나노금속이 분산된 수용액과 이러한 연료첨가제를 제조하기 위하여 나노금속이 분산된 수용액의 전기분해 방법을 개시한다. 상기 수용액은 보다 우수한 정전기적 재충전 거동을, 그리고 연소시 높은 촉매거동을 나타낸다.

상기 수용액의 나노금속은 얇은 산화막을 가지며, 이러한 산화막을 갖는 나노금속은 연료첨가제로 유용하게 사용될 수 있다. 상기 수용액은 공기주입관을 통해 별도로 주입되거나 처음부터 연료와 유화되도록 함으로써 자동차, 선박, 항공기, 발전소 등 연료를 사용하며 연료의 효율이 중요한 작용요소가 되는 기관에 적용될 수 있다.

본 발명에 의한 나노금속을 적용하면 연료의 연소과정에서 발생된 촉매반응에 의하여 점화온도는 낮아지고, 수트와 일산화탄소 및 녹스의 생성량이 감소되며, 연소효율이 개선될 수 있다.

상기 나노금속은 수나노 내지 수백나노미터의 크기를 가지며, 나노미터의 크기는 비표면적을 크게함으로써 반응성을 향상시키기 위한 것이다.

나노금속의 반응성을 향상시키고, 이를 내연기관에서의 에너지원으로 사용함으로써, 내연기관의 연료 연소에 투입되는 에너지가 상대적으로 절감되며, 따라서 내연기관의 에너지 효율이 높아질 수 있다.

본 발명에 의하면 나노금속이 내연기관에서 촉매작용을 하기까지의 과정중에서 나노금속의 산화막을 매우 얇에 유지할 수 있기 때문에 산화막을 파쇄하기 위하여 투입되는 에너지량을 절감할 수 있고 따라서 적은 에너지량으로도 나노금속간 즉각적 반응이 가능하다. 이 점에서 본 발명의 특징이 잘 드러난다.

<실시예>

본 발명에 의한 나노금속 수용액을 제조하기 위해서 알칼리 수용액내에서의 전기분해방법을 도입하였으며, 금속전극의 부식을 유도하여 금속 나노입자가 수용액내에 포함되도록 하였다.

상기 전기분해를 위한 장치에서 전극은 철 성분을 포함하는 것이며, 바람직하게는 비자성 고품질(Food grade) 스테인레스 스틸이다. 즉, 생성되는 나노금속은 스테인레스 스틸을 포함하며, 전해질로 쓰인 나트륨도 포함하고 있다. 전해조는 실린더 형상이며, 전극이 다층으로 구성되어 스택을 이루고, 작은 크기의 전극이 크기가 보다 큰 전극의 내부에 위치한다.

전극간 간격은 3 ~ 10mm이며, 전극간에 마련된 세퍼레이터는 화학적으로 비활성이거나 전기분해과정에서 내구성을 가져야 한다.

아울러, 최심부의 전극은 음극과 그라운드에 각각 연결되며, 최외부의 건극은 양극에 연결된다. 그 밖의 전극들은 양극과 음극사이에 전기적으로 절연되어 있다.

이와 같은 전해조 구성을 도 9에서와 같이 나타내었으며, 이는 공지의 기술이므로, 장치구성상 보다 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노금속 수용액을 제조하기 위한 출발원료로서의 전해액은 전해액 전체 중량 대비 0 초과 2 중량부 미만의 염분(NaCl)과, 0 초과 0.5 중량부 미만의 마그네슘과, 0 초과 0.5 중량부 미만의 아연과, 마노석, 녹옥수, 황수정, 칼케돈(Chalcedon), 사파이어, 오닉스(Onyx) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 중량으로서 0 초과 0.1 중량부 미만이 포함된 분말형태의 석영 0 초과 0.5 중량부 미만, 수용성 알코올0 초과 4 부피% 미만, 액상의 요소 0 초과 4 부피% 미만, 0 초과 2 중량부 미만의 규산, 0 초과 5 중량부 미만의 NPK 무기질 비료를 혼합하여 제조한다. 위 전해액은 기지 용매는 물이며, 물이 위 성분 이외의 성분을 차지한다.

여기서, 염분은 상한을 벗어나면 전극을 과도하게 부식하는 문제점이 있으며, 석영 등의 가루 물질은 위 범위로 첨가되어야 미세 금속이 서로 엉켜붙지 않고 나노사이즈로 부식되도록 도움을 주며, 위 상한을 벗어나면 물의 전도도를 저하시키므로 바람직하지 않고, 그 이외의 물질들은 물 속에서 적절한 pH 범위에서 생화학적 현상이 일어나도록 유도하므로, 위 함량 범위에 그 임계적 의의가 있다.

상기 전해액은 금속입자가 함유되지 않은 준비된 상태에서 7 초과 10 이하의 pH값을 갖는다. 위 pH값은 생성되는 나노금속의 표면 산화막이 얇은 상태를 유지하도록 하기 위하여 필수적으로 조절되어야 하는 중요한 인자로서, 알칼리성을 띄어야 하며, 위 범위를 초과하게 되면 전해반응이 지나치게 급격하게 이루어지거나, 수용액으로 제조되었을 때 알칼리도가 너무 높아 오히려 철 등 금속입자의 산화를 유도하므로 바람직하지 않다. 따라서 pH값은 상기 범위에서 임계적 의의를 갖는다.

또한, 전기분해가 완료된 후 생성되는 나노금속 수용액의 pH는 9 ~ 13의 값을 갖는 것이 바람직하며, 이는 금속입자의 재산화가 발생되지 않도록 상한을 13으로 제한하도록 하였다는데 의미가 있다. 즉 pH가 13을 초과하게 되면 금속입자(예를 들어 철)이 다시 산화가 시작될 수 있으므로, pH가 13을 초과해서는 안된다.

상기 수용액의 pH값은 출발 전해액의 pH값과 깊은 연관을 갖는 것으로서, 이와 같이 pH가 상한 13을 유지하기 위해서는 출발 전해액의 pH값을 전술한 바와 같은 범위로 유지하여야 하는 것이다. 따라서, 나노금속 수용액의 위 pH값은 위 범위에서 그 임계적 의의가 있다.

한편, 전기분해가 완료된 상태에서 Total Dissolved Solids (TDS)값은 2000 ~ 5000 ppm (mg/L) 의 범위에 있다.

상기 출발 전해액에는 환원제 또는 부식방지제 또는 그 혼합물이 더 첨가될 수 있으며, 그 함량은 전해액의 부피를 기준으로 하여 0 초과 20 부피% 이하 첨가되는 것이 좋다.

최종적인 나노금속입자의 크기범위는 10 ~ 1000nm의 크기범위를 가지며, 이러한 크기범위를 가지는 경우라야 연료의 연소효율 향상에 유리하다. 위 하한을 벗어나는 경우에는 금속 중 산화막의 비중이 너무 크므로 연소가 어려우며, 위 상한을 벗어나는 경우에는 금속의 코어부분이 가열에 의해 팽창하기 어려우므로 역시 연소가 쉽지 않으므로, 나노금속입자의 크기범위는 위 범위에서 그 임계적 의의가 있다.

전기분해 과정에서 전기분해는 DC전류를 사용하여 수행하며, 수용액 5리터당 0.5 내지 5W의 소비전력을 구현하도록 전류와 전압값을 제어한다. DC 전류는 온오프 제어되거나 두개의 다른 전류값 사이에서 시간에 따라 스위칭 하도록 제어된다. 여기서, 위 하한을 벗어나는 경우에는 나노금속의 생성이 어렵고, 위 상한을 벗어나는 경우에는 과도한 전극 부식이 일어나므로 위 범위에서 그 임계적 의의가 있다.

이와 같은 전기분해 과정을 수행한 결과, 연료용 조성물의 제조와는 별도로 부산물이 발생되며, 이러한 부산물은 고점질의 것으로서, 재활용의 가치가 있으며, 예를 들어 일렉트렛(Electret)이나 미네랄 비료로 사용하는 것이 가능하다.

<평가예>

하기 표 1에서는 연료첨가제로 사용될 수 있는 본 발명에 의한 나노금속이 분산된 수용액 중 1ppm 이상의 함량으로 첨가되는 주요 금속의 조성을 나타내었다. 상기 조성은 전기분해에 사용되는 전극물질 및 첨가물에 따라 달라질 수 있다.

Element	Aluminum	Chromium	Iron	Sodium	Nickel
ppm	5.4	5.1	20.4	22.9	6.4

위 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 알루미늄보다 철 또는 나트륨이 더 많은 비중을 차지하며, 따라서 전술한 바와 같은 알루미늄이나 세리아가 아니더라도 특정 나노금속을 연료와 결합하면 넣으면 촉매역할을 할 수 있다. 스테인레스 스틸을 전극으로 하였고, 염분을 다량 사용하였으므로, 주된 구성은 철과 나트륨이다.

하기 표 2는 본 발명에 의하여 제조된 나노금속 수용액의 특성을 나타내는 것으로서, 레이저 도플러 마이크로 전기영동(Laser Doppler Micro-Electrophoresis) 방법을 사용한 것이다.

Zeta Potential (mV)	-2 ~ -20
Conductivity (mS/cm)	12 ~ 15
Average particle radius (nm)	40 ~ 150
Polydispersity Index	0.1 ~ 1

11 이상의 높은 pH값에도 불구하고 제타 포센샬이 상대적으로 낮은 것이 본 발명에 의한 조성물의 전하량 축적의 능력을 간접적으로 증명한다. 전도도의 값은 높은 pH와 상관이 있고, 또한 이온의 양이 어느 정도 인지를 알 수 있다. 단, 광학적 방식에 의한 전도도 데이타이기 때문에 직접적으로 전류를 흘려서 재는 방식과는 결과에 다소 차이가 있을 수 있다. 나노입자의 크기는 평균적으로는 40 ~ 150 nm 이지만 polydispersity index로부터 알 수 있듯이 크기의 편차가 심한 편이다. 다만, 크기 편차는 본 발명의 특징을 유지하는데 있어서 장애요소가 되는 것은 아니다.연료첨가제로 이용하는 경우, 촉매효과는 입자표면적에 영향을 받는다. 입자크기가 동일부피에서 더 작아지는 경우, 유효표면적은 더 커지며, 나노입자는 보다 우수한 촉매가 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 나노금속 수용액을 불꽃에 분사하였을 때 발생되는 불꽃의 강도변화를 나타낸 것이다.

나노금속 수용액은 높은 연소촉매작용을 보이는데, 도 1에서 도시된 바와 같이, 라이터의 부탄가스 불꽃 강도는 (a) 본 발명의 나노금속 수용액을 적용하기 전 (b) 수용액을 분무하여 공급하는 과정 (c) 기화된 수용액의 공급이 중지되고 5초 후에 각각 다르게 나타났다.

즉, 기화된 수용액이 공급되면서 불꽃의 밝기가 밝아졌고, 공급이 중단된 이후에도 한동안 밝은 효과가 지속되었다. 이 때, 수용액의 나노금속이 연소되면서 노란색으로의 색상변화가 일어났다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액에 전기를 인가하였을 때와 개로상태에서의 전기적 거동을 나타내는 것이다.

수용액 내의 나노금속은 그 주변의 전하를 끌어당겨, 전극을 연결하면 전극에 정전기적 포텐셜이 형성된다. 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 단락되면 단락전류(Isc)는 최대 최대 2.3mA까지 상승하며, 시간이 지남에 따라 주변으로부터 전하를 끌어당기는 상태와 회로로 전하를 방전하는 상태가 평형을 이룬다. 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 개로에서는 시스템에 정전기적 포텐셜이 형성된다. 이는 부하와 연결시 축적된 전하가 소비되고, 연결해제시 주변으로부터 전하를 축적함을 의미한다. 이러한 작동상태는 반복된다.

나노금속 수용액이 연료첨가제로 사용되었을 때 작용되는 원리를 살펴보면 다음과 같다.

나노금속 수용액이 자동차의 내연기관에서 연소과정에 도입되면 수용액이 가열되고, 금속의 점화온도에 도달하면 공기중에서와 유사하게 폭발한다. 금속입자가 공기중에서 적당한 수준으로 분산되면, 연료의 점화율이 챔버 혹은 실린더 내에서 골고루 전달되어 연소 효율이 올라간다. 또한 수용액에 함유되어 있고, 또한 기화되면서 생성되는 전하가 챔버 혹은 실린더 내에서 방전되어 점화를 돕는다. 이를 감안하면 나노입자를 도입함으로써 연소에 필요한 에너지의 양을 저감할 수 있다. 나노금속 수용액이 공기주입구를 통하여 분사의 방식으로 공급되었을 때, 직접 연료에 주입되었을 때보다 더 에너지 효율이 좋아지는데, 이는 나노금속입자의 자유도가 더 높은 공기중에서 금속입자간 접촉이 더 용이하게 일어날 수 있으며, 따라서 금속입자간 반응이 더 활발하게 진행될 수 있기 때문이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액의 시간과 온도에 따른 산소함유량의 변화를 나타내는 그래프이다.

좌측 그림은 20℃ 상온에서 수용액 제조 완료 후의 산소 함유량의 변화이다. 수용액은 제조 직후에 매우 높은 산소함유량을 보이며, 시간에 따라 로그스케일로 감소한다. 우측 그림은 제조 후 3개월이 지난 수용액의 온도에 따른 산소 함유량의 변화이다. 보통 3000 ppm 이상의 고체성분을 함유하는 수용액보다 전반적인 온도에서 산소 함유량이 높은 것으로 보인다. 그 이유로는 나노금속 성분이 양성전기를 띄고 있고, 음성전기를 띄는 산소이온이 전기적으로 약하게 연결되어 있기 때문으로 추정된다. 나노금속의 전하 축적양은 수용액의 제조 직후에 매우 높으며, 금속이 산화되어 감에 따라 전하도 손실되고, 전기적으로 약하게 연결된 산소이온이 점점 줄어드는 것으로 추정된다.

도 4 내지 6은 나노금속 수용액을 연료첨가제로 하여 내연기관의 연소시스템으로 공급하는 방법을 실시예들로 표현한 그림이다.

자동차, 선박, 항공기, 발전기, 보일러 등과 같은 연소시스템은 본 발명의 수용액이 공기주입구를 통하여 연료에 혼합되도록 하기 위한 투입시스템(dosing system)을 탑재할 수 있다. 이 때 주입량을 엔진 등의 온도별, 시간별, 속도별, 분당 회전수별로 제어하기 위한 제어부를 마련하거나, 공기주입구에 연결되는 주사용 니들(needle) 등 관체를 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액을 주사용 니들, 튜브 등 관체를 이용하여 연소시스템에 공기주입구에 주입하는 방법을 나타내는 모식도이다. 첨가제의 투입비를 정밀하게 조정하기 위해서는 관체의 구경을 알맞게 조절하여야 한다. 관체의 구경은 유량과 관련되기 때문이다. 용기에 공간이 없는 경우에는 용기와 관체 사이에 연결튜브를 개재시킬 수도 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액을 연료첨가제 용기(수용액 용기)로부터 공기주입구에 이르기까지 유량조절밸브를 개재시켜서 관체로 연결함으로써 수용액을 주입하는 방법을 나타내는 모식도이다. 상기 관체는 튜브, 파이프 등으로 구성될 수 있다. 아울러 유량조절밸브를 제어하는 제어부가 별도로 마련될 수 있다. 또한, 유량조절 밸브 대신 유량조절 컨트롤러를 통해 시간, 온도, 속도, 분당회전수, 가속, 감속에 따라 분사량을 정밀하게 조절할 수 있다.

공기와 수용액의 혼합비는 수용액 용기와 공기주입구 사이에 유량조절밸브를 조절함으로써 변동될 수 있다. 유량조절밸브 또는 콘트롤러는 관체를 경유하여 연결되나, 용기에 직접 연결될 수도 있다.

이러한 혼합비는 나노금속의 긍정적 촉매 효과와 연소온도를 낮추는 수증기에 의한 부정적인 효과를 함께 고려하여 결정한다. 연료/수용액의 혼합비는 바람직하게는 10000이다. 이는 연소시스템에 따라서 1000 ~ 50000의 범위에서 조절될 수도 있다.

아울러, 온도조절기 및/또는 초음파 진동기 및/또는 증발속도를 일정하게 유지하는 압력조절기에 의해 조절될 수 있다. 조절시스템은 연료첨가제 용기부에 설치될 수 있다. 이로써 혼합비가 안정화된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액을 미세공을 갖는 용기에 수용하고, 이를 공기주입구의 일측에 간단히 설치한 것을 나타내는 모식도이다.

도시된 바와 같이, 나노금속 수용액은 공기주입관 내의 압력에 의하여 용기로부터 미세공을 통하여 유출될 수 있으며, 이로부터 나노금속이 연료에 공급되도록 할 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 공기주입구를 통하여 주입하는 방법은 상기 공기주입구의 일측에 미세 기공채널이 마련된 함체를 마련하고, 상기 함체에 조성물을 수용하며, 상기 조성물에 진동을 가함에 따라서 상기 조성물이 상기 기공채널을 통하여 공기주입구로 공급되도록 하는 것이다. 여기서 진동은 예를 들어 엔진 또는 차량에 의해 발생되는 진동이나, 반드시 여기에 한정되는 것은 아니며, 인위적으로 진동을 가할 수도 있다.

한편, 상기 공기주입구를 통하여 주입하는 방법은 상기 함체 이외에도 수증기 생성장치 또는 연료분사장치에 의할 수도 있는데, 상기 함체, 수증기 생성장치 또는 연료분사장치는 공기주입구의 에어필터 박스 내에 설치되는 것이 바람직하다.

수증기 생성장치나 연료분사장치는 그 자체로 공지기술에 해당되므로 이에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 나노금속 수용액을 증기화 하여 연료를 버블러 방식으로 섞는 모식도이다. 이런 방식의 연료주입법이 캬뷰레터를 대체할 수 있으며, 특히 에탄올/메탄올 연료와 혼합하는 데 유리하다. 버블러에는 온도조절기, 연료의 높이를 유지하여 혼합비를 안정시키는 장치를 부착할 수 있다.

도 7의 우측상단 입구는 연료첨가제의 증기와 공기가 혼합되어 들어가고, 이 혼합된 가스가 연료(혹은 여기에 연료첨가제를 섞을 수도 있다)를 통과하면서 강한 유속에 의해 버블러 내에 Turbulence가 일어 기포를 일으킨다. 그 기포는 연료첨가제, 공기, 연료가 혼합된 상태이며, 도 7의 좌측상단의 출구를 통해 엔진 실린더로 빨려 들어간다. 이런 구조의 버블러가 연료통 대신 장착되는 경우는 보통 엔진의 공기주입구에 버블러의 출력단을 연결하고, 엔진의 연료주입구를 잠그면 엔진의 특별한 개조 없이 버블러의 최적화로 사용이 가능하다. 많은 가솔린 엔진은 캬뷰레터 또는 연료 주입장치의 공기/연료 복합비가 에탄올/메탄올과 달라서 에탄올/메탄올을 연료통에 주입할 수 없으나, 이런 버블러 구조를 쓰면 공기/연료 복합비를 버블러의 구조를 통해 다시 최적화 할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예로서, 720W 가솔린 발전기에 이런 버블러에 에탄올을 사용하고 본 발명에 의한 조성물을 증기를 통해 섞었을 경우, 섞지 않은 것과 비교해 138% 정도의 파워향상의 성능을 보였다.

나노금속 수용액이 연료와 직접 혼합되는 경우에는 연료가 연소스스템의 연료탱크에 주입되기 전단계 또는 주입단계에 혼합될 수 있다. 즉, 수용액은 보다 다양한 시점에 연료에 혼합될 수 있는데, 정유공장에서 첨가제를 제조하고 즉시 혼합될 수도 있으며, 정유사의 출고지에서도 혼합될 수 있다. 이는 고객의 니즈 또는 판매되는 제품의 품질에 따라서 연료첨가제의 주입량을 자유로이 조절할 수 있기 때문이다. 수용액은 주유소에서도 주입될 수도 있다.

한편, 본 발명의 나노금속 수용액 자체로부터 달성하려는 주된 목적 이외에도, 금속나노입자가 연료에 존재하면 디젤 입자 필터의 재생이 가능하다. 수용액은 이러한 재생이 보다 저온에서 이루어질 수 있도록 작용한다.

한편, 하기 표 3에서는 본 발명에 의해 제조된 나노금속 수용액을 연료첨가제로 하여 연료에 첨가하고 첨가하기 전과의 연비를 비교하여 나타낸 것이다.

차량	엔진유형	첨가지점	본발명 적용전 (L/100Km)	본발명 적용후 (L/100Km)	측정조건
A	디젤	공기주입구	4.6	3.7	일정속도 85 Km/h
B	디젤	연료탱크	5.4	4.6	일정속도 110 Km/h
C	디젤	연료탱크	5.4	4.8	평균속도 50 Km/h
D	가솔린	연료탱크	6.3	5.7	평균속도 50 Km/h
E	가솔린	공기주입구	8.6	6.6	일정속도 130 Km/h
F	디젤	공기주입구	5.9	4.9	일정속도 120 Km/h
G	디젤	연료탱크	5.9	5.3	일정속도 120 Km/h
H	디젤	공기주입구	31.2	27.2	평균속도 80 Km/h
I	디젤	연료탱크	31.2	27.9	평균속도 80 Km/h

위 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 나노금속 수용액을 연료첨가제로 사용하는 경우 위와 같은 연비개선의 효과가 입증되었다.

참고로,starcoach라는 영국의 버스회사에서 세리아를 이용하여 3개월간 연비의 절감 수준을 측정하였는데, 약 4.3%의 향상효과를 기대할 수 있었다(http://www.energenics.co.uk/case-studies/case-study-stagecoach-2007/)

그러나, 본 발명에 의하면, 다양한 첨가지점 및 엔진유형에 대하여 나노금속 수용액의 사용전후에 있어서 약 10% 이상의 연비향상효과를 나타내었음을 잘 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 나노금속 수용액은 세리아를 사용한 종래의 연료용 조성물 보다 연비 절감 효과가 더 우수함을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 나노금속 수용액을 자동차에 적용하고, 속도를 변수로 하여 연비를 측정하여 도 8에서와 같이 나타내었다.

도시된 바와 같이, 연료 첨가제의 효과가 두드러지는 속도구간이 있으며, 본 발명에 의한 연비 개선의 효과를 입증할 수 있었다. 다만, 이 속도구간은 차량의 종류 및 연식에 따라 가변적일 수 있다.

하기 표 4에서는 본 발명에 의해 제조된 나노금속 수용액을 연료첨가제로 하여 연료에 첨가하고 한국 표준 기준인 CVS 75모드로 테스트하여 첨가하기 전과의 유해물질 발생정도를 비교하여 나타낸 것이다.

	CO(g/km)	NOx(g/km)
첨가전	0.134	0.007
첨가후 1	0.114	0.003
첨가후 2	0.097	0.004

여기서, 첨가후 1은 공기주입구를 통하여 나노금속 수용액을 첨가한 경우이며, 첨가후 2는 연료에 나노금속 수용액을 직접 첨가한 경우를 말한다.위 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 나노금속 수용액을 연료첨가제로 사용하는 경우 위와 같은 유해물질 방출 개선의 효과가 입증되었다.

Claims

금속입자 형태의 연료첨가제용 조성물로서,
상기 조성물은 수 나노 내지 수백 나노 미터 크기의 금속입자가 알칼리성 용매에 분산된 수용액인 것을 특징으로 하는 연료용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물의 금속입자는 철 성분을 주요성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 용매는 물을 주요성분으로 하며, 여기에 규산과 NPK 무기질 비료와, 수용성 알코올 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 요소와 혼합한 조성물을 더 포함해 제조되는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물.
제3항에 있어서,
상기 용매는 염화나트륨, 마그네슘, 아연, 및 석영을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 소금은 조성물 전체중량대비 0 초과 2 중량% 이하, 마그네슘은 0 초과 0.5 중량% 이하, 아연은 0 초과 0.5중량% 이하, 석영은 0 초과 0.5 중량% 이하, 수용성 알코올은 0 초과 4 부피% 이하, 규산은 0 초과 2 중량% 이하, N, P, K를 포함하는 무기질 비료성분는 0 초과 5 중량% 이하, 요소는 0 초과 4 부피% 이하 함유되는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 용매는 금속입자의 함유공정이 완료된 이후의 상태에서 9 초과 13 이하의 pH값을 갖는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 용매는 금속입자의 함유공정이 완료된 이후의 상태에서 Total Dissolved Solid (TDS) 값이 2000 ~ 5000 ppm을 갖는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 조성물에 환원제 또는 부식방지제가 0 초과 20 부피% 이하 첨가되는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물.
제1항의 조성물은 전기분해방법에 의하여 제조되며, 상기 수 나노 내지 수백 나노 미터 크기의 금속입자는 전극으로부터 용출되어 용매내에 분산되는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물의 제조방법.
제9항에 있어서,
상기 전기분해방법은 조성물 5리터에 대하여 0.5 초과 5 W 이하의 전력을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물의 제조방법.
제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 조성물을,
공기주입구를 통하여 주입하거나, 연료에 직접 첨가하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료첨가제용 조성물의 사용방법.
제11항에 있어서,
상기 공기주입구를 통하여 주입하는 방법은 공기주입구에 관체를 연결하여 상기 관체를 통하여 공기주입구에 주입되도록 하는 방법임을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.
제12항에 있어서,
상기 관체는 튜브, 파이프 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.
제13항에 있어서,
상기 관체에는 유량조절밸브가 연결되며, 상기 유량조절밸브는 수동 메뉴얼 밸브이거나, 조성물의 정밀한 투입량을 조절하기 위한 제어부에 의하여 제어되며, 상기 제어부는 엔진의 분당 회전수, 차량의 속도, 가감속, 조성액의 온도 중 적어도 어느 하나의 변수에 의해 조성물의 투입량을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.
제12항에 있어서,
상기 관체를 통하여 공기주입구에 주입하는 방법은 조성물을 직접 분사하거나, 초음파 진동을 통하여 수증기화하여 주입하는 것임을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.
제11항에 있어서,
상기 공기주입구를 통하여 주입하는 방법은 상기 공기주입구의 일측에 미세 기공채널이 마련된 함체를 마련하고, 상기 함체에 조성물을 수용하며, 상기 조성물에 진동을 가함에 따라서 상기 조성물이 상기 기공채널을 통하여 공기주입구로 공급되도록 하는 것, 수증기 생성장치에 의한 것 또는 연료분사장치에 의한 것임을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.
제16항에 있어서,
상기 함체, 수증기 생성장치 또는 연료분사장치는 공기주입구의 에어필터 박스 내에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.
제12항에 있어서,
상기 연료와 조성물의 함량비가 중량 기준으로 1000 : 1 ~ 50000 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.
제18항에 있어서,
상기 조성물에서 금속입자의 함량은 조성물 1리터를 기준으로 30 ~ 300 밀리그램의 범위인 것을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.
제11항에 있어서,
연료용 조성물의 제조과정 중에서 발생되는 부산물을 일렉트렛(Electret)이나 미네랄 비료로 사용하는 것을 특징으로 하는 연료용 조성물의 사용방법.