KR100470246B1 - 심층해수 탈염 동결빙의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동결빙 중의 염분주입량을 최소한으로 억제하는 동시에 생산성을 향상시키고, 게다가 동결 불균일이 없는 심층해수 탈염 동결빙의 제조방법에 관한 것이다.

용기에 넣은 심층해수를, 빙결이 시작되기까지의 냉각초기에는 냉각매체의 온도를 해수의 공정점에 가까운 저온도로 유지하여 냉각시키고, 빙결이 시작된 후에는 냉각매체의 온도를 공정점 근방 온도에서 점차 상승시켜 완만동결을 실시하고, 동결종기에는 냉각매체 온도를 소요 동결률에 상당하는 농축용액의 동결온도까지 더욱 상승시키고, 이것을 일정시간 유지하도록 하였다.

Description

심층해수 탈염 동결빙의 제조방법 {METHOD OF PRODUCING DESALINIZED ICE FROM DEEP SEAWATER}

본 발명은 심층해수를 탈염된 빙으로 동결시키고, 그 동결빙을 융해하여 저염분수를 얻을 수 있도록 한 심층해수의 탈염 동결빙의 제조방법에 관한 것이다.

심층해수는 미네랄 성분을 풍부하게 함유하고 있으므로, 퍼올린 심층해수는 음료수, 화장수 원료 등 다용도로의 이용이 가능하다.

그러나, 용도에 따라서는 염분농도를 저감할 필요가 있어, 염분농도를 저감시키는 한 수법으로서 동결탈염법이 있다.

동결탈염법은 심층해수를 서서히 동결시킴으로써, 염분농도가 희박한 빙결부와 염분이 농축된 용액부로 분리하고, 염분농도가 희박한 빙결부는 융해되어 저염분액으로서 음료수나 화장수 원액으로서, 또한 염분농도가 높은 농축용액은 어류의 염장재료용 등으로 이용한다.

동결탈염법은 탈염조작에 의한 품질저하가 없어 유용하나, 종래의 동결탈염법은 냉각매체의 온도를 일정하게 하거나, 또는 진행되는 대로 방치하여 동결함으로써, 이렇다할 특별한 제어는 행해지지 않았다.

그런데, 동결진행에 수반되는 빙내로의 염분주입량은 용액농도가 비교적 희박한 동결초기단계에서는 적으며, 동결이 진행됨에 따라 미동결 용액부분에 염분이 농축되어 도 4 와 같이 용액농도가 급격히 높아져, 빙내로 스며드는 염분량도 상대적으로 도 5 와 같이 많아진다.

동결진행과정에 있어서의 빙내로의 염분주입량은 완만동결, 즉 냉각매체온도를 올려 동결시킴으로써 최소한으로 억제할 수 있으므로, 종래의 동결탈염법에서는 냉각매체온도를 동결초기에서 종기까지, 예를 들면 -10℃ 로 높게 설정하고, 동결진행과정 종기에서의 빙내로의 염분주입량을 최소한으로 억제하도록 하고 있는데, 냉각온도가 높기 때문에 최종동결까지는 장시간을 요하며, 생산성이 낮다는 문제가 있었다.

또한, 동결이 시작되기까지의 냉각초기에 있어서, 냉각매체 온도가 비교적 높은 온도에서 냉각되는 완만냉각에서는, 용액이 액체에서 고체로의 상전이 (동결) 가 일어나는 온도 (해수에서는 약 -2℃) 이하로 냉각되어도 동결이 일어나지 않고, 그 상태의 액상을 유지하고 있는 과냉각상태를 일으킨다.

또한, 과냉각의 정도를 수치적으로 표현하는 것인, 동결이 일어나는 온도와 과냉각액의 온도와의 온도차인 과냉각도도 커지고, 그 결과, 과냉각상태가 해제될 때의 급격한 동결에 의한 빙내로의 염분주입량이 많아진다는 문제가 있었다.

또한, 동결종기에 있어서, 피동결용액의 초기온도나 처리량의 변화에 따라, 또는 예를 들면, 다수의 용기에서 배치동결처리하는 경우에는 냉각매체의 유량, 온도분포의 변동으로 인하여, 각 용기내의 심층해수를 균일한 동결률로 하기는 어렵다.

도 5 에 있어서, 평균적인 최종동결률을 40% 정도 이하로 억제하면, 각 용기내의 심층해수의 동결률이 예를 들면 30% 내지 50% 까지 편차가 생겨도, 빙내로 스며드는 염분량은 각 용기의 것으로 큰 차이는 없으나, 생산성이 나쁘다는 단점이 있다.

한편, 평균적인 최종동결률을 예를 들면 70% 정도 이상으로 하면, 생산성은 향상된다. 그러나, 각 용기의 심층해수의 동결률이 예를 들면 60% 내지 80% 까지 균일해지면, 빙내로 스며드는 염분량이 급격히 증가하는 것이 있어, 그 결과, 각 용기에서 생성된 빙을 융해혼합하여 얻어진 용액의 농도가 높아진다는 문제가 있었다.

본 발명은 이들 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명과 관련된 심층해수 탈염 동결빙의 제조방법은 용기에 넣은 심층해수를, 빙결이 시작되기까지의 냉각초기에는 냉각매체의 온도를 해수의 공정점(共晶点)에 가까운 저온도로 유지, 냉각시킴으로써 과냉각을 방지하여, 빙결이 시작될 때의 빙내로의 염분혼입을 억제하고, 이어서 빙이 성장하는 냉각중기 (동결진행과정) 에는 냉각매체의 온도를 공정점 근방 온도에서 점차 상승시켜 완만동결을 실시함으로써, 빙내로의 염분주입량을 최소한으로 억제하는 동시에 생산성을 올리고, 동결종기에는 목적으로 하는 동결률에 상당하는 농축용액의 동결온도까지 냉각매체 온도를 더욱 상승시키며, 이것을 일정시간 유지함으로써 각 용기의 심층해수의 동결 불균일을 없게 하여 목적으로 하는 동결률의 빙이 얻어지도록 동결시키도록 하고 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 온도제어의 실시예를 나타내는 도이다.

도 2 는 동결장치의 구체예를 나타내는 도이다.

도 3 은 본 발명에 의한 동결상태의 일례를 나타내는 표이다.

도 4 는 동결률에 따른 미동결 심층해수 중의 염분농도 변화를 나타내는 그래프이다.

도 5 는 동결률에 따른 동결빙 중의 염분농도 변화를 나타내는 그래프이다.

도 6 은 동결률에 따른 미동결 심층해수의 동결온도 변화를 나타내는 그래프이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 : 동결고

2 : 냉각기

3 : 송풍기

4 : 동결실

5 : 차륜

6 : 이동랙

7 : 용기

8 : 해수

9 : 가열기

10 : 빙막

11 : 동결빙

실시예

이하, 본 발명의 실시예를 도 2 에 일례로 든 동결장치를 참조하여 설명한다.

동 도에 있어서 부호 1 은 동결고를 나타내며, 동 동결고내에는 냉각기 (2), 송풍기 (3) 를 구비하며, 냉각기에 의하여 냉각된 냉각매체인 냉각풍은 송풍기에 의하여 동결실 (4) 내로 순환되고, 동결실내의 차륜 (5) 이 장착된 이동랙 (6) 에 놓여져 있는 용기 (7) 내의 심층해수 (8) 를 냉각시킨다.

냉각기로부터의 냉각풍 순환로에는 가열기 (9) 도 설치되어 있어, 냉각풍의 온도를 올릴 때에는 가열기를 작동시킴으로써 단시간에 온도를 상승시키고, 소정온도가 되면 가열기는 정지시키고, 이후에는 냉각기에 의하여 냉각풍의 온도를 유지시켜 냉각시킨다.

본 발명은 상기 기술한 일례의 동결장치로 심층해수를 탈염동결시키는 것으로, 그 공정을 도 1 에 나타내는 온도제어의 일례에 기초하여 설명한다. 또한, 도 3 은 각 공정의 동결상태를 모식적으로 나타낸 것이다.

본 발명은 심층해수를 초기냉각, 중기냉각, 종기냉각의 3 공정으로 냉각시킨다. 초기냉각은 냉각기 (2) 에 의하여 심층해수의 공정점 (약 -21℃) 에 가까운 온도 (예를 들면, -22℃) 로 냉각된 냉각기로부터의 냉각매체인 냉각풍을 도 2 의 동결실 (1) 로 보내 용기 (7) 내의 심층해수 (8) 를 도 1 과 같이 급속냉각시킨다.

이 급속냉각에 의하여, 용액의 과냉각을 막고, 과냉각이 해제되어 동결이 시작될 때의 급속한 동결에 의한 빙내로의 염분혼입을 억제하고, 용기내의 심층해수의 표면에 도 3 과 같이 빙막 (10) 을 형성하고, 이후의 공정에 있어서는 이 빙막을 핵으로 하여 빙을 성장시킨다.

빙막 (10) 이 형성된 후에는 가열기 (9) 를 작동시킴으로써 냉각풍의 온도를 예를 들면 약 -17℃ 까지 상승시켜 급속냉각을 종료하고, 그 후 가열기의 작동은 정지시키는 반면, 냉각기 (2) 를 작동시켜 냉각풍의 온도를 약 -17℃ 로 유지하고, 중기냉각에 들어간다.

이 중기냉각은 동결진행기로서, 용액농도에 알맞은 완만동결에 의하여 빙내로의 염분주입량을 최소한으로 억제하고, 또한 생산성을 올리기 위하여, 예를 들면 1 차, 2 차, 3 차로 냉각매체인 냉각풍의 온도를 순차적으로 상승시켜 3 단계의 냉각제어를 한다.

중기 1 차 냉각에서는, 용액의 염분농도가 희박하므로, 급속하게 냉각시켜도 빙내로의 염분주입량은 중기 2 차, 3 차 냉각에 비하여 상대적으로 적다.

따라서, 중기 1 차 냉각에서는 냉각기로부터의 냉풍을 예를 들면 중기 2 차, 3 차 냉각에 비하여 저온도인 -17℃ 로 설정하여 급속히 냉각시킴으로써, 생산성을 향상시킬 수 있다.

이어서, 미동결용액의 염분농도가 상승함에 따라 빙내로의 염분주입량이 상대적으로 상승하므로, 완만동결의 정도를 올려 빙내로의 염분주입량을 억제하기 위하여, 중기 1 차 냉각을 종료하고 2 차 냉각에 들어가는데, 이것은 냉각기에 의한 냉각은 일시 정지시키고, 가열기를 작동시켜 냉각풍의 온도를 상승시키고, 예를 들면 약 -13℃ 가 되었을 때 가열기의 작동은 정지시키고, 이후 냉각기에 의하여 냉각풍을 약 -13℃ 로 유지시켜 냉각시킨다.

마찬가지로, 중기 2 차 냉각 후에는 냉각기의 작동을 일시 정지시키고, 가열기에 의하여 예를 들면, 약 -10℃ 까지 냉각풍의 온도를 상승시키고, 이후에는 가열기는 정지시키고, 냉각기로 약 -10℃ 로 유지하여 중기 3 차 냉각을 실시한다.

이 중기냉각의 1 차, 2 차, 3 차로 냉각매체 온도를 단계적으로 상승시킴으로써, 빙내로의 염분주입량을 최소한으로 억제하면서 생산성이 높은 동결조작이 가능하게 된다.

여기서, 용기내의 심층해수는 랙 (6) 에 놓여 있는 위치에 따라, 예를 들면 냉각풍의 상류측에 있거나 하류측에 있거나, 랙의 하단에 있거나 상단에 있거나, 냉각풍이 잘 도달하는 부분이거나, 그다지 도달하지 않는 부분에 있는 등에 따라 동결진행도 (동결률) 를 달리 하는데, 그 일례로서 랙의 냉각풍 입구측 용기 (7a) 의 심층해수와 랙의 냉각풍 출구측 용기 (7b) 의 심층해수의 동결진행도를 도 3 의 예로 설명한다.

이 예에서는 중기 1 차 냉각에 의한 용기 (7a) 내의 심층해수의 동결률은 30% 이나, 용기 (7b) 내의 심층해수의 동결률은 약 26% 이다.

또한, 중기 2 차 냉각에서는 용기 (7a) 내의 심층해수는 약 60% 동결되며, 용기 (7b) 내의 심층해수는 약 52% 동결된다.

이렇게 하여 중기 3 차 냉각에서는, 용기 (7a, 7b) 내의 각 심층해수의 동결률은 약 80%, 약 65% 로 동결률에 불균일이 있으며, 이를 목표로 하는 동결률, 예를 들면 75% 로 균일화하기 위하여 종기냉각을 실시한다.

종기냉각은 냉각기의 작동을 일시 정지시키고, 가열기로 냉각풍을 약 -6℃ 까지 올린 시점에서 가열기를 정지시키고, 이후 냉각기로 약 -6℃ 로 냉각풍을 유지시켜 냉각을 실시한다.

도 6 에 동결률에 따른 미동결 심층해수의 동결온도를 나타내었는데, 이 종기냉각에 있어서의 약 -6℃ 의 냉각풍 온도는 염분함유율이 희박한 동결빙의 부분을 효율적으로 생성하기 위한 빙의 동결률 (약 75%) 에 대응하는 소위 한계 동결온도이다.

이렇게 하여 이 종기냉각으로 냉각풍 온도를 약 -6℃ 로 유지함으로써, 과동결된 용기 (7a) 내의 빙은 약간 융해되고, 반면 동결이 부족한 용기 (7b) 내의 빙은 더욱 동결되어, 양 용기내의 해수는 거의 동일한 동결률 (약 75%) 로 조정됨으로써, 동결 불균일이 없는 빙 (11) 이 된다.

저염분 동결빙으로 하려면, 본 발명의 종기냉각에 상당하는 약 -10℃ ∼ -6℃ 의 일정온도로 처음부터 냉각시키거나, 또는 초기의 급속냉각을 실시한다 하더라도, 그 후에는 -10℃ ∼ -6℃ 의 일정온도로 냉각시키면 되나, 그렇게 되면 시간이 너무 많이 걸려 생산성이 낮다.

본 발명은 약 -6℃ 에 의한 종기냉각 전에, -6℃ 보다 낮은 몇 단계로 나눈 중기냉각을 실시하므로, 이 중기냉각은 완만냉각이라 하더라도 -10℃ ∼ -6℃ 에서 전체 공정을 완만냉각하는 경우보다 훨씬 동결시간을 단축할 수 있으며, 게다가 염분함유량이 낮은 동결빙을 제조할 수 있다.

또한, 중기냉각에 있어서는 동결률이 낮은 단계에서는 미동결 해수부분의 염분농도가 그다지 높지 않기 때문에 동결빙내로 스며드는 염분량도 적으나, 동결률이 높아져 60% 를 초과하면 도 4 에 나타나는 바와 같이 미동결 해수부분의 염분농도가 급격히 높아진다.

본 발명에서는 동결률이 60% 이하인 중기 1 차 냉각 및 동 2 차 냉각에 있어서는 냉각풍의 온도를 비교적 낮게 유지하여 동결에 걸리는 시간을 가능한 한 단축시키고, 중기 3 차 냉각에 있어서는 동결빙내로 스며드는 염분량을 낮게 억제할 수 있도록 약 -10℃ 로 비교적 높은 온도로 유지하여 동결을 진행시킨다.

따라서, 본 발명에서는 중기냉각에 있어서도 1 차, 2 차, 3 차로 단계적으로 냉각온도를 상승시키므로, 동결빙내로 스며드는 염분량을 낮게 억제하고, 게다가 동결시간을 단축할 수 있다.

이상과 같이 하여 저염분의 동결빙을 제조하는데, 제조된 빙을 이동랙으로 동결고외 (또는 동결고내) 의 쇄빙작업장으로 이동하여, 동결빙을 용기에서 쇄빙대상에 올려 분쇄하여, 쇄빙과 미동결 염수로 분리하고, 쇄빙은 융해되어 진수에 가까운 저염분수로서 사용하고, 미동결 염수는 예를 들면 물고기의 염장수용으로 사용한다.

본 발명에 의하여 동결빙 중의 염분주입량을 최소한으로 억제하는 동시에 생산성을 향상시키고, 게다가 동결 불균일이 없는 심층해수 탈염 동결빙을 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 용기에 넣은 심층해수를, 빙결이 시작되기까지의 냉각초기에는 냉각매체의 온도를 해수의 공정점에 가까운 저온도로 유지하여 냉각시키고, 빙결이 시작된 후에는 냉각매체의 온도를 공정점 근방 온도에서 점차 상승시켜 완만동결을 하고, 동결종기에는 냉각매체 온도를 소요 동결률에 상당하는 농축용액의 동결온도까지 더욱 상승시키고, 이것을 일정시간 유지하는 것을 특징으로 하는 심층해수 탈염 동결빙의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 동결종기의 냉각매체 온도를 동결률이 40 내지 80% 에 상당하는 농축용액의 동결온도까지 상승시키고, 이것을 일정시간 유지하는 것을 특징으로 하는 심층해수 탈염 동결빙의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 동결종기의 냉각매체 온도를 동결률이 60 내지 80% 에 상당하는 농축용액의 동결온도까지 상승시키고, 이것을 일정시간 유지하는 것을 특징으로 하는 심층해수 탈염 동결빙의 제조방법.