KR100390007B1 - 미네랄이 보존되는 나노여과 정수방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 식수에 포함된 미생물을 완전히 제거하는 정밀여과, 한외여과 및 나노여과의 막 분리공정을 적절히 조합하여 정수하는 종래의 정수방법에 상기 나노여과에서 배출되는 배출수의 일부를 순환시켜 식수에 포함된 미네랄 성분을 적정량 잔존토록 함으로써 정수의 효과가 우수할 뿐만 아니라 물맛도 좋은 식수의 정수방법에 관한 것으로, 공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 여과막으로 일부 고형물질과 원형생물을 포함한 미생물을 분리하는 단계, 공극 크기(pore size) 0.01 - 0.5 ㎛의 여과막으로 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리하는 단계, 공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎚의 나노여과막으로 바이러스를 분리하고 경도를 0-200㎎/ℓ으로 조절하는 단계 및 나노여과막에서 배출되는 배출수의 일부를 나노여과막으로 순환시켜 원수의 미네랄이 보존되고, 정수의 경도를 10-100㎎/ℓ으로 Ｏ index를 원수보다 상승 조절하는 단계를 포함하여서 된 것이다.
Description
본 발명은 식수에 포함된 미생물을 완전히 제거하고 나아가 식수에 포함된 미네랄 성분을 적정량 잔존토록 하여 물맛을 좋게 한 것으로, 정밀여과(Microfiltration), 한외여과 (Ultrafiltration) 및 나노여과(Nanofiltration)의 막 분리(membrane separation) 공정을 적절히 조합하는 종래의 정수방법에 나노여과의 배출수 일부를 나노여과로 순환시켜 칼슘의 농도를 높이고 황산염의 농도를 낮추어 맛있는 식수를 정수하는 방법에 관한 것이다.
좋은 물이란 첫째 오염되지 않아야 하고 둘째 물의 맛이 좋아야 하는 것으로서, 근래에는 좋은 물의 두가지 조건을 만족하는 물을 정수 할 수 있는 기술이 연구되고 있다.
도 1은 종래 재래식 정수방법 중 전형적인 일예를 도시한 것으로 그 공정을보면, 모래여과, 활성탄여과, 정밀여과, 자외선소독, 정밀여과, 자외선소독, 정밀여과의 공정으로 이루어져 있어, 두 차례의 자외선 소독과정과 세 차례의 정밀여과과정을 거치도록 되어있다. 그러나, 이러한 종래의 정수방법은 식수에 포함되어 있는 일정 크기 이상의 고형물질을 걸러내는데는 효과가 있으나, 기생충 등의 원생동물이나 병원균과 같은 미생물을 완전 제기할 수가 없다. 종래 재래식 방법은 이러한 과정 이외에, 화학약품 소독과정이나 오존처리과정 등의 살균을 위한 과정을 추가하기도 하나, 살균을 강화하기 위하여 소독제 등을 많이 투여하는 경우에는 미생물 제거의 효과는 미미하고 오히려 과다하게 발생하는 소독부산물로 인하여 2차 오염이 우려되고 또한 이로 인하여 음용수로서의 적합성을 잃게 된다.
이러한 미생물들이 완전히 제거되지 않고 식수로 공급하게 된다면 그 식수를 이용하는 사람들에게 해롭다는 것은 주지의 사실로서, 특히 면역성이 약한 유아, 임신부, 노인 또는 환자 등에게는 치명적인 위험이 초래될 수 있다. 따라서, 기존의 재래식 정수방법인 여과, 화학약품 소독, 자외선 소독, 오존 살균 등으로는 이러한 미생물을 완전히 제거할 수 없으므로 좋은 물의 첫째 조건인 오염되지 않아야 하는 것을 만족하지 못하였다.
한편, 재래식의 정수방법을 적용하는 경우에는 원수(原水)에 포함되어 있는 미네랄이 거의 걸러지지 않는다. 미네랄이란 칼슘, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 등의 무기물의 총칭으로서 뼈, 치아, 혈액, 모발, 손톱, 신경조직 등 신체의 구성 재료이며 체액의 산·알카리 평형에 관여하고, 효소의 활성기 부분으로 생화학 반응에 관여하는 것으로 인체에 필수적으로 요구되는 것이나, 과다하게 물에 함유된 경우에는 물맛이 나빠지며 노인과 유아 또는 과민성 체질인 사람들에게 부담을 주는 것으로서 물의 맛이 좋아야하는 좋은 물의 둘째 조건을 만족하지 못하였다.
따라서 재래식 정수방법의 문제점을 해소하기 위하여 근자에는 막분리(membrane separation) 기술을 정수공정에 적용하려는 연구가 많이 행해지고 있다. 막분리 기술은 분리막의 세공 크기(수㎚-수십㎛)와 막표면 전하에 따라 물 속에 존재하는 처리대상물질(유기, 무기 오염불질 및 미생물)을 분리 제거하는 기술이다. 이러한 막분리 기술은, 재래식의 정수방법에서 사용되던 화학적 처리를 지양하고 물리적 처리에 의존하는 것으로, 종래 화학제를 사용함으로써 발생되던 소독부산물 문제를 완전히 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 염소소독으로도 사멸되지 않던 병원성 원생동물을 비롯한 미생물들을 완전히 제거할 수 있다는 장점이 있다. 막분리 기술로 크게 정밀여과, 한외여과, 나노여과의 세 가지를 들 수 있다.
정밀여과는 크기가 0.1 - 10 ㎛ 정도인 용질을 분리하는 막분리 공정으로 정밀여과막은 대략 0.01 - 10 ㎛의 공극 크기(pore size)를 가지며, 막의 재료는 주로 폴리슬폰(polysulfone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌 (polypropylene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)과 같은 고분자이며 최근에는 세라믹을 사용하기도 한다. 정밀여과는 주로 부유물질을 제거대상으로 하며 분리원리는 크기 차에 따른 배제효과에 의하여 제거대상을 분리시킨다. 작동압력은 50-500 kPa이다.
한외여과는 매크로 몰리큘(macromolecule)이나 콜로이드를 분리하는 공정으로 한외여과막은 약 1 - 50 ㎚의 공극 크기(pore size)를 가진다. 정밀여과막과 분리 원리가 동일하고 전체적으로 유사해 서로 혼동하여 사용되기도 한다. 한외여과는 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리할 수가 있는 반면 암모니아성 질소나 불소와 같은 이온은 전혀 제거되지 못한다. 작동압력은 정밀여과막에 비해 조금 높은 편이다.
나노여과는 한외여과막과 역삼투막의 중간적인 성질을 갖는 것으로, 나노여과막은 약 0.1 - 5 ㎚의 공극 크기(pore size)를 가진다. 나노여과는 바이러스, 유기물, 중금속을 분리할 수 있어 오염물질 분리, 유용물질 회수, 농축 등에 다양한 농도로 사용된다. 정밀여과나 한외여과와의 차이점은 공극 크기(pore size) 뿐만 아니라 분리원리가 크기 차에 의한 체 거름(sieve) 효과 외에도 멤브레인 표면에서의 이온과의 반응이 함께 일어난다는 것이다.
막분리 기술은 종래 재래식 정수방법의 단점을 많이 해소할 수 있는 것이기 때문에, 이에 대하여 많은 연구가 행해지고 있으며, 각국의 정수시설에 실제 적용되어지고 있기도 하다.
그러나, 막분리 기술에 있어서 사용에 의하여 막이 오염됨에 따라 이의 운전비용이 증가하는 문제가 있다. 즉, 막의 오염도가 증가할 수록 운전에 필요한 에너지 비용이 증가하고, 오염된 막을 세척하여야 하는 경우에는 세척제의 비용, 막을 교환하여야 하는 경우에는 막 교환 비용이 소요된다.
위와 같은 문제점을 해소하고자 본 출원인은 도 2에 나타낸 바와 같이 정수대상인 원수에 대하여 정밀여과, 한외여과의 공정을 거친 후 나노여과의 공정으로 진입토록 함으로서, 막 오염의 진행속도를 최대한으로 지연시키고, 따라서 정수에소요되는 비용을 최소화하여 막분리 기술의 상용화를 도모할 수 있는 기술을 개발하여 특허출원번호 2001-60754호로 출원한바 있다.
그러나 상기 특허에 의하면 원수에 포함된 미생물을 완전히 제거하여 건강한 성인은 물론, 면역성이 약한 유아, 임산부, 노인, 환자 등이 안심하고 마실 수 있는 정수 즉, 좋은 물의 첫째조건을 만족하는 식수를 생산할 수 는 있지만 식수에 포함된 미네랄 성분을 적정량 잔존토록 함으로써 물의 맛을 좋게 하는데는 한계가 있었다.
상술한 좋은 물의 둘째 조건인 물맛을 좋게 하는 물질은 칼슘으로 알려져 있으며, 물맛의 만족정도를 나타내기 위하여 "경도"와 "Ｏ index"라는 개념이 사용되어지고 있다.
경도는 물속에 용해되어 있는 2가 양이온금속의 이온량에 대응하는 양을 탄산칼슘(CaCO3)으로 환산한 값을 나타내는 것으로서, 칼슘, 마그네슘 및 탄산칼슘의 당량을 이용하여 경도를 표시하면 수학식 1과 같다.
(상기 식에서 12 : 마그네슘의 당량, 20 : 칼슘의 당량, 50 : 탄산칼슘의 당량을 의미한다.)
경도가 150mg/ℓ이상이거나 10mg/ℓ이하일 경우에는 물맛을 나쁘게 하고 경도가 10-100㎎/ℓ경우에는 물맛을 좋게 하는 것으로서, 바람직하게는 경도가 75mg/ℓ이하가 적당하다.
Ｏ index는 물속에 용해된 칼슘, 칼륨, 규산염, 마그네슘 및 황산염 농도의 관계를 나타내는 것으로서, 값이 클수록 맛있는 물이며 그 값이 2이상이 될 때 물맛이 좋은 것으로 알려져 있다. 이는 일본의 오사카대학 환경학과 하시모토 쓰쓰무 교수가 발명한 개념으로서, 그 계산식은 수학식 2와 같다.
즉, Ｏ index는 물맛을 좋게 하는 3대 성분인 칼슘, 칼륨, 규산염이 많을수록, 그리고 물맛을 나쁘게 하는 마그네슘, 황산염이 적을수록 값이 높게 나타난다. 한편, 칼륨의 농도가 높으면 짠맛을 내지만 농도가 적당하면 물맛을 향상시키고, 규산염은 물맛을 좋게 하는 가장 중요한 작용을 하는 것으로서, 점토층을 지나는 물은 규산이 녹아 있어 물맛이 좋다. 반대로 마그네슘은 쓴맛으로 인하여 불쾌감을 느끼게 하고 황산염은 칼슘을 줄여주는 작용을 하여 물맛을 없게 만든다.
상술한 바와 같이 경도와 Ｏ index에 의하면 칼슘은 많을수록 황산염은 적을수록 물맛이 향상된다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하고자 창안된 것으로, 정밀여과, 한외여과 및 나노여과의 막 분리공정을 적절히 조합하는 종래의 정수방법에 나노여과의 배출수 일부를 나노여과로 순환시켜 칼슘의 농도를 높이고 황산염의 농도를 낮추어 맛있는 식수를 정수 할 수 있도록 하는 것이다.
도 1 및 도 2는 종래 사용되는 식수 생산 공정도.
도 3은 본 발명에서 개발한 식수생산 공정의 예시도.
도 4는 본 발명에서 개발한 다른 실시예의 식수생산 공정의 예시도.
본 발명은 정밀여과(Microfiltration), 한외여과 (Ultrafiltration) 및 나노여과(Nanofiltration)의 막 분리(membrane separation) 공정을 적절히 조합하여, 식수에 포함된 미생물을 완전히 제거하는 종래의 정수방법에 나노여과에서 배출되는 배출수의 일부를 나노여과로 순환시켜 식수의 경도 및 Ｏ index를 조절하여 좋은 물을 정수하는 것을 그 특징적 구성으로 한다.
상기 나노여과막은 대략 0.1 - 5 ㎚의 공극 크기(pore size)에 의하여 한외여과막과 역삼투막의 중간적인 성질을 가지며, 바이러스, 유기물, 중금속을 분리할 수 있다. 나노여과는 정밀여과나 한외여과와 비교하여 분리원리가 공극 크기 차에 의한 체 거름(sieve) 효과 외에도 멤브레인 표면에서의 이온과의 반응이 함께 일어난다는 점에서 차이가 있으며, 칼슘 제거율(30%-60%)보다 황산염 제거율(80%-90%)이 높다. 그리고, 이러한 특성에 의하여 나노여과로 2가 이온의 분리가 가능하여 물의 연수화에 사용되고 있기도 하다.
본 발명에서는 나노여과의 이러한 특성를 이용하여 나노여과막에서 배출되는 배출수의 일부를 나노여과막으로 순환시켜 정수에 포함된 칼슘의 농도는 증가시키고 황산염의 농도는 감소시켜 맛있는 물을 정수 할 수 있도록 한 것이다.
이하, 본 발명의 구성에 대하여 설명한다.
본 발명은 제 1단계에서는 모래여과로 입자가 큰 고형물질을 제거하고, 제 2단계에서는 활성탄 여과로 중금속과 유기물을 흡착하며, 제 3단계에서는 공극크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 정밀여과막으로 일부 고형물질과 원형생물을 포함한 미생물을 분리하며, 제 4단계에서는 공극 크기(pore size) 0.01 - 0.5 ㎛의 한외여과막으로 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리하며, 제 5단계에서는 공극 크기(pore size) 0.1- 5 ㎚의 나노여과막으로 바이러스를 분리하고 미네랄을 적정량으로 제거하며, 제 6단계에서는 나노여과막에서 배출되는 배출수의 일부를 나노여과막으로 순환시키거나 순환수에 포함된 황산염이 제거되도록 이온교환시킨 후 순환시켜 물의 경도를 0-200㎎/ℓ, 바람직하게는 10-100㎎/ℓ로 조절할 수 있고 Ｏ index를 원수보다 상승조절할 수 있다.
본 발명의 상기 단계에 있어서, 원수의 종류에 따라 모래여과 단계나 활성탄여과 단계 중의 하나 또는 모두를 생략할 수도 있다. 즉, 외부에서 어느 정도 정수 과정을 거친 물을 원수로 사용하는 경우에는, 모래여과나 활성탄여과 단계를 거칠 필요가 없기 때문이다.
또한, 본 발명을 적용함에 있어서 도 3 및 도 4에서 보듯이, 막분리 공정 사이에 자외선 소독 또는 오존 살균 장치를 설치하여 미생물 제거에 보조적인 역할을 수행하도록 할 수도 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의거 설명한다.
[실시 예 1]
지하수를 정수대상으로 하여 본 발명의 방법으로, 모래여과→ 활성탄 여과→ 0.5 ㎛ 정밀여과→ 자외선 소독→ 0.01 ㎛ 한외여과→ 자외선 소독→ 0.5 ㎚ 나노여과→ 나노여과에서 배출되는 배출수의 일부를 나노여과로 순환의 순으로 공정(도3 참조)을 배치하여 정수를 실시하였으며, 이때, 나노여과의 구동압력은 1 MPa이었고 모든 공정은 상온에서 실시되었다. 각 정수된 물에 대하여 미네랄 함량, 기타 물질 제거를 비교하였는바, 그 결과는 표1과 같았다.
[표 1] 미네랄 함량 비교
| 물질 | 유입원수 | 순환율(R=0) | 순환율(R=0.3) | 순환율(R=0.5) | 순환율(R=1.0) |
| 칼슘 | 26.0 | 16.0 | 18.0 | 22.0 | 25.8 |
| 칼륨 | 2.3 | 1.9 | 2.0 | 2.3 | 2.3 |
| 규산염 | 31.0 | 28.0 | 28.0 | 30.0 | 31.0 |
| 마그네슘 | 5.3 | 3.0 | 3.1 | 3.3 | 5.0 |
| 황산염 | 7.9 | 0.9 | 0.9 | 1.0 | 1.4 |
| 경도 | 87.1 | 52.5 | 57.9 | 68.8 | 85.3 |
| Ｏ index | 4.5 | 11.8 | 12.0 | 12.6 | 9.5 |
순환율(R)=순환수/유입원수
상기 표 1에 의하면 칼슘 제거율(30%-60%)보다 황산염 제거율(80%-90%)이 높은 나노여과의 특성에 의해서 칼슘이 농축된 순환수의 공급량이 증가되는 순환율(R)이 증가함에 따라서 칼슘의 농도는 큰 폭으로 증가하고 황산염의 농도는 동일하거나 적은 폭으로 증가함을 알 수 있는 것이다. 즉, 경도는 연수(경도 : 75㎎/ℓ)에 가깝고 Ｏ index는 원수보다 상승 조절되어 좋은 물의 둘째 조건인 맛있는 물이 정수 되는 것이다.
[실시 예 2]
본 발명의 다른 실시예는 지하수를 정수대상으로 하여 모래여과→ 활성탄 여과→ 0.5 ㎛ 정밀여과→ 자외선 소독→ 0.01 ㎛ 한외여과→ 자외선 소독→ 0.5 ㎚ 나노여과→ 나노여과에서 배출되는 배출수의 일부를 이온교환 후 나노여과로 순환의 순으로 공정(도 4 참조)을 배치하여 정수를 실시하였으며, 이때, 순환율(R)은 0.3이었고 나노여과의 구동압력은 1 MPa이었고 모든 공정은 상온에서 실시되었다.각 정수된 물에 대하여 미네랄 함량, 기타 물질 제거를 비교하였는바, 그 결과는 표2와 같았다.
[표 2] 미네랄 함량 비교
| 물질 | 유입원수 | 나노여과수 | 나노여과수+이온교환수 |
| 칼슘 | 26.0 | 16.0 | 19.0 |
| 칼륨 | 2.3 | 1.9 | 2.1 |
| 규산염 | 31.0 | 28.0 | 30.0 |
| 마그네슘 | 5.3 | 3.0 | 3.3 |
| 황산염 | 7.9 | 0.9 | 0.0 |
| 경도 | 87.1 | 52.5 | 61.3 |
| Ｏ index | 4.5 | 11.8 | 15.5 |
상기 표0 2에 의하면 배출수의 일부를 이온교환하여 황산염을 제거시킨 후 나노여과막으로 순환시킴에 따라서 칼슘의 농도는 큰 폭으로 증가하고 황산염은 존재하지 않는 것을 알 수 있다. 즉 경도는 연수(경도 : 75㎎/ℓ)에 가깝고 Ｏ index는 원수보다 상승 조절되어 좋은 물의 둘째 조건인 맛있는 물이 정수 되는 것이다.
본 발명은 나노여과에서 배출되는 배출수의 일부를 직접 또는 이온교환 후 나노여과로 순환시켜 정수의 경도 및 Ｏ index가 적정량으로 조절되어 오염되지 않고 맛있는 좋은 물을 정수 할 수 있게되는 특유의 효과가 있다.
Claims (4)
- 공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 여과막으로 일부 고형물질과 원형생물을 포함한 미생물을 분리하는 단계,공극 크기(pore size) 0.01 - 0.5 ㎛의 여과막으로 바이러스를 제외한 모든 미생물을 분리하는 단계,공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎚의 나노여과막으로 바이러스를 분리하고 경도를 0-200㎎/ℓ으로 조절하는 단계 및나노여과막에서 배출되는 배출수의 일부를 나노여과막으로 순환시켜 원수의 미네랄이 보존되고, 정수의 경도를 10-100㎎/ℓ으로 Ｏ index를 원수보다 상승조절하는 단계를 포함하는 미네랄이 보존되는 나노여과 정수방법.
- 제1항에 있어서, 나노여과막으로 순환되는 순환수에 포함된 황산염이 제거되도록 이온교환하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 미네랄이 보존되는 나노여과 정수방법.
- 제1항에 있어서, 각 여과막 분리공정의 직전 단계에, 자외선 소독단계, 오존 소독단계 중의 하나 또는 모두가 추가됨을 특징으로 하는 미네랄이 보존되는 나노여과 정수방법.
- 제1항에 있어서, 공극 크기(pore size) 0.1 - 5 ㎛의 여과막 분리공정의 직전 단계에, 모래여과로 입자가 큰 고형물질을 제거하는 단계, 활성탄 여과로 중금속과 유기물을 흡착하는 단계 중의 하나 또는 모두가 추가됨을 특징으로 하는 미네랄이 보존되는 나노여과 정수방법.
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