KR100686963B1 - 해양 심층수로부터 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 심층수(海洋深層水)로부터 미네랄(Minerals) 함량이 높은 식염을 생산하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 수심이 200m이하의 해양 심층수로부터 청정 심해수를 취수하여 20∼30℃로 가온 및 물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화된 소집단수(Microclustered water)로 처리를 하여 물의 표면장력(表面張力)이 적게 처리한 것을 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Microfilter), 한외여과( Ultrafilter) 중에서 한 종류이상을 조합한 여과공정으로 전처리를 하여 수중의 부유고형물질(Suspended solid)을 제거한다.

부유고형물질이 제거된 해양 심층수는 붕소제거효율을 향상하기 위해서 pH를 4.5∼6.5로 처리한 것을 1차 역삼투염농축공정으로 보내어 보메도(Baume degree) 비중이 5∼6Be로 농축한 염수를 중화처리공정으로 보내어 pH를 6.5∼7.5 범위로 중화처리한 다음, 다중효용증발(多重效用蒸發)이나 전기투석(電氣透析)에 의해 보메도 비중이 10∼12Be 범위로 2차 농축한 다음에 증발 및 염석출공정으로 보내어 미네랄함량이 높은 소금을 석출하면 탈수처리 후 건조하여 미네랄함량이 높은 식염을 생산한다.

해양 심층수에서 생산된 미네랄함량이 높은 소금은 해양 표층수에서 생산된 천일염에 비해서 청정성과 영양염이 풍부한 특성이 있기 때문에 식염으로 널리 이용될 것으로 기대된다.

해양 심층수, 미네랄(Minerals), 식염, 역삼투농축, 전기투석, 다중효용증발, 소집단수

Description

해양 심층수로부터 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는 방법{Method for producing table-salt contained high concentration of minerals, from the deep sea water}

도 1은 해양 심층수로부터 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는 전체공정도

도 2는 물 분자의 집단을 소집단화처리공정도

도 3은 중화 및 다중효용증발관에 의한 염의 농축공정도

도 4는 중화 및 전기투석에 의한 염의 농축공정도

도 5는 농축염수를 대기공기로 증발 및 염을 석출하여 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는 공정도

도 6은 농축염수를 가열공기로 증발 및 염을 석출하여 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는 공정도

도 7은 35℃에서 해양 심층수의 농축에서 비중변화에 따른 각종 염의 석출율도

도 8은 80℃에서 해양 심층수의 농축에서 비중변화에 따른 각종 염의 석출율도

도 9는 해양 심층수의 농축에 의한 농축염수의 비중에 따른 각종 염분의 농도변화도

도 10은 해양 심층수의 농축과정에서 함유염류의 석출량(析出量)의 관계도

도 11은 전기투석공정에서 함유염류의 농도변화도

도 12는 해수, 농축염수(鹹水), 간수의 관계도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1; 전자처리수조 2; 전극

3; 절연체(絶緣體) 4; 스테인리스강판(導體)

5; 기초 콘크리트(Concrete)구조물 6; 접지

7; 정전압(靜電壓)발생장치(Electron charger)

7a; 가변저항 7b; 접지

7c; 1차 권선 7d; 철심

7e; 2차 권선 8; 중간처리수 저장조

9; 자화기공급펌프 10; 정전압도전관자화기(靜電壓導電管磁化器)

11; 소집단수 저장조 12: 소집단수 이송펌프

13: 중화조 14: 중화조 교반기

15: 염수 이송펌프 16: 제1다중효용증발기

16a: 제1다중효용증발기 증발부 16b: 제1다중효용증발기 가열부

17: 제2다중효용증발기 17a: 제2다중효용증발기 증발부

17b: 제2다중효용증발기 가열부 18: 최종 다중효용증발기

18a: 최종 다중효용증발기 증발부 18b: 최종 다중효용증발기 가열부

19: 응축기 20: 진공펌프

21: 대기각(大氣脚; Barometric leg) 22: 실 핏트(Seal pit)

23: 농축 염수 저장조 24: 농축 염수 이송펌프

25: 전기투석장치 26: 음이온교환막

27: 양이온교환막 28: 양극실

29: 음극실 30: 탈염실

31: 염농축실 32: 양극

33: 음극 34: 정류기

35: 염석출조(鹽析出槽) 36: 염석출조 레이크(Rake)

37: 대기공기에 의한 증발탑 38: 분무노즐(Spray nozzle)

39: 배기 팬(Fan) 40: 순환농축염수 저장조

41: 농축염수 반송펌프 42: 석출염이송스크루컨베이어(screw conveyer)

43: 탈수여액저장조 44: 탈수여액이송펌프

45: 열풍공기에 의한 증발탑 46: 데미스터(Demister)

47: 송풍기 48: 버너(Burner)

49: 열교환기

N: N극(N-Pole) S: S극(S-Pole)

ⓢ: 솔레노이드밸브(Solenoid valve) M: 모터(Motor)

pH: 수소 이온농도

pHIS; 수소 이온농도지시제어기(pH indicating switch)

BI: 보메도비중지시계(Baume indicator)

BIS: 보메도비중지시제어기(Baume indicating switch)

TIC: 온도지시제어기(Temperature indicating controller)

ECIS: 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)

본 발명은 해양 심층수로부터 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양 심층수를 취수하여 가온 처리와 물 분자의 집단(集團; Cluster)을 소집단화하여 물의 표면장력(表面張力)을 낮게 하여 여과효율을 향상토록 한 다음에, 1차 역삼투농축에 의해서 보메도 비중이 5∼6°Be로 염을 농축하고, 2차 다중효용증발(多重效用蒸發)이나 전기투석(電氣透析)에 의해 보메도 비중이 10∼12Be 범위로 농축한 다음에 증발 및 염석출공정으로 보내어 미네랄함량이 높은 소금을 석출(析出)하면 탈수처리 후 건조하여 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는 방법에 관한 것이다.

인체의 구성요소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N)의 4가지 원소가 전체의 약 96%와 미네랄성분이 나머지의 4%에 해당하는 원소로 구성되어 있으며, 미네랄은 단백질, 지방질, 탄수화물, 비타민과 5대 영양소의 하나로 신체의 일부의 구성요소로 되어 있으며, 미네랄은 체액 량이나 산·알칼리도의 조정, 근육이나 신경의 기능의 조절에도 빠뜨릴 수 없으며, 비타민과 함께 탄수화물이나 단백질, 지방질 등의 대사에도 깊게 관련되고 있으며, 미네랄의 필요량은 극히 미량이지만 생 명 유지에는 필요불가결한 영양소의 하나로, 만약 미네랄 섭취가 부족하면 다양한 질병을 야기할 수 있으며, 특히 칼슘의 부족은 골다공증, 지능발달의 지연, 충치, 허리나 관절의 통증, 근육 경련, 발작, 불면증, 정서불안, 고혈압 등을 일으킬 가능성이 있다.

다시 말해서 미네랄은 신진대사나 호르몬 생성, 조골작용(造骨作用) 등, 몸의 기능을 부드럽게 움직이게 하는 필요불가결한 영양소로서 「몸의 윤활유」 라고도 말할 수 있는 중요한 역할을 하고 있으며, 미네랄이 부족하면 몸이 원활한 기능을 할 수 없게 되며, 미네랄은 체내에서 만들어 낼 수 없기 때문에 음식, 음용수, 소금 등으로부터 보충할 수밖에 없으며, 섭취량이 부족하면 결핍증이 일어나 다양한 병을 야기할 수 있으며, 원활한 생명유지를 하기 위해서는 밸런스(Balance)가 적절하면서 필요한 미네랄을 섭취하여야 한다.

인체의 구성 원소는 산소가 65%, 탄소 18%, 수소 10%, 질소 3%와 중요미네랄성분으로는 칼슘 1.5∼2.1%, 인 0.8∼1.2%, 칼륨 0.3∼0.4% , 유황 0.25∼0.3%, 나트륨 0.15∼0.2%, 염소 0.15∼0.2%, 마그네슘 0.05∼0.1% 이외에 미량미네랄성분으로 철 0.006%, 아연 0.002%, 셀렌 0.0003%, 망간 0.0003%, 동 0.00015%, 요도 0.00004%, 기타 몰리브덴, 코발트, 크롬 등이 초 미량으로 되어 있다.

미네랄의 1일 필요소요량은 칼슘 600∼700㎎, 인 700㎎, 칼륨 2000㎎, 나트륨 1.5g, 마그네슘 250∼320㎎과 미량미네랄인 철 10∼12㎎, 아연 10∼12㎎, 동 1.6∼1.8㎎, 망간 3.0∼4.0㎎, 요도 150㎍, 셀렌 45∼60㎍, 몰리브덴 25∼30㎍, 크롬 30∼35㎍이다.

특히 미네랄성분 중에서 칼슘이 부족하면 골다공증이 유발될 수 있으며, 칼슘(Ca)이 섭취부족이 제일 문제시되고 있으며, 필요한 칼슘 섭취량은 600~700㎎/일이며, 마그네슘은 250~320㎎/일로 칼슘과 마그네슘을 밸런스가 2.1∼2.4：1의 비율로 섭취하는 것이 중요하다.

해수로부터 소금의 생산방법으로는 태양열을 이용한 천일염(天日鹽), 가열 증발에 의한 전오염(煎熬鹽), 전기투석에 의한 이온교환염 등이 있으며, 해수를 증발농축하는 천일염과 전오염은 보메도비중 25∼26°Be에서 소금(NaCl)이 석출하는데, 칼슘성분은 대부분 보메도비중 25°Be이전에 석출되어 제거됨으로써 칼슘성분은 거의 존재하지 않으며, 전기투석에 의한 이온교환염의 경우는 선택성 이온교환막을 사용하여 소금을 농축하므로 미네랄성분의 농도가 낮은 문제점이 있다.

그리고 소금의 NaCl은 짠맛을 나게 하며, 마그네슘(MgCl₂, MgSO₄)은 쓴맛을, 칼슘(KCl)은 신맛을 나게 하여 소금의 맛을 떨어뜨리게 하는데, 반면에 칼슘성분은 소금의 맛을 부드럽게 하여 소금의 맛을 순하게 하는 특성이 있다.

그래서 본 발명에서는 칼슘성분의 함량이 높으면서 다량 섭취하면 인체에 해로운 물질로 알려진 브롬(Br)과 붕소(硼素; B) 함량이 적은 소금을 생산하는 방법을 제시하는 것이다.

해양 심층수는 표층 해수에 비해서 다음 표 1에서 보는 바와 같이 표층 해수에 비해서 온도가 낮은 저온성(低溫性), 인산·규소·질산성 질소 등의 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높으며, 환경오염물질, 부유물질(浮遊物質)과 현탁물질(懸濁物 質)의 농도가 낮으면서 미생물의 농도가 낮은 청정성(淸淨性) 등의 특성이 있다.

표 1 해양 심층수와 표층 해수의 성분 분석표

분 류	항 목	해 양 심 층 수	표 층 해 수
일 반 항 목	수온（℃）	0∼12	16.5∼24.0
	pH 산성도	7.98	8.15
	DO 용존산소 (mg/ℓ)	7.80	8.91
	TOC 유기 탄소 (mg/ℓ)	0.962	1.780
	용해성 증발잔류물(mg/ℓ)	40750	37590
	M-알칼리도(mg/ℓ)	114.7	110.5
주 요 원 소	Cℓ-염화물이온(%)	2.237	2.192
	Na 나트륨 (%)	1.080	1.030
	Mg 마그네슘 (%)	0.130	0.131
	Ca 칼슘 (mg/ℓ)	456	441
	K 칼륨 (mg/ℓ)	414	399
	Br 브롬 (mg/ℓ)	68.8	68.1
	Sr 스트론튬 (mg/ℓ)	7.77	7.61
	B 붕소 (mg/ℓ)	4.44	4.48
	Ba 바륨 (mg/ℓ)	0.044	0.025
	F 불소 (mg/ℓ)	0.53	0.56
	SO4 2 - (mg/ℓ)	2833	2627
영 양 염 류	NH4 +암모니아태질소(mg/ℓ)	0.05	0.03
	NO3 - 질산태질소 (mg/ℓ)	1.158	0.081
	PO4 3 - 인산태인 (mg/ℓ)	0.177	0.028
	Si 규소 (mg/ℓ)	1.89	0.32
미 량 원 소	Pb 납 (μg/ℓ)	0.102	0.087
	Cd 카드뮴 (μg/ℓ)	0.028	0.008
	Cu 구리 (μg/ℓ)	0.153	0.272
	Fe 철 (μg/ℓ)	0.217	0.355
	Mn 망간 (μg/ℓ)	0.265	0.313
	Ni 니켈 (μg/ℓ)	0.387	0.496
	Zn 아연 (μg/ℓ)	0.624	0.452
	As 비소 (μg/ℓ)	1.051	0.440
	Mo 몰리브덴 (μg/ℓ)	5.095	5.555
균 수	생균 수(개/mℓ)	102	103∼104

주) 상기 표 1의 분석표는 일본 고지현 무로도시 무로도등대(高知縣 室戶市 室戶岬) 동쪽의 해저 374m의 해양 심층수와 표층 해수의 성분을 분석한 수치임.

그라고 해양 심층수는 인체에 필요한 다양한 필수 미량원소가 함유되어 있으면서 장기간 고압 하에서 물 분자의 집단수(集團數)는 핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance)의 ¹⁷O-NMR 반치폭(半値幅)의 값이 70∼80㎐(¹⁷O-NMR 반치폭의 값의 1/10에 해당하는 수가 물 분자의 집단수임)로 고도로 소집단화되어 있지 않기 때문에, 본 발명에서는 물 분자의 집단수를 5∼6개의 소집단수(Microclustered water)로 처리한다.

해양 심층수를 취수하여 식염을 생산할 때 고려하여야 할 사항을 검토하면 다음과 같다.

① 인체에 유해한 브롬(Br)과 붕소(B)는 최대한 제거되어야 한다.

② 역삼투염농축공정에서는 운전 중에 스케일(Scale)생성으로 인한 막의 막힘 현상(Fouling)을 유발시켜 압력손실계수의 상승, 공급원수의 편류(偏流) 및 역삼투막의 성능저하를 초래하지 않은 운전조건에서 운전하여야 한다.

③ 역삼투농축에서 막 저항을 감소토록 하여 운전비(전력비)를 절감할 수 있는 방법을 강구해야 한다.

④ 자화처리(磁化處理)를 하여 활성화된 염을 생산토록 한다.

해양 심층수에서 종래의 식염생산방법으로는 일본 특허공개 평(平) 10-150947호의 경우는 가열을 하지 않고 상온에서 농축 염수(鹹水)를 생산하는 경우에는 생산시간이 길어 장치의 규모와 부지면적이 커지면서, 기후와 일기조건에 따라서 염 생산에 제약을 받는 문제점이 있다.

그리고 종래의 식염생산방법에서는 발암물질로 알려진 취소(Br)와 장기간 다량섭취할 경우에는 인체의 소화기나 신경계통에 장애를 야기하는 물질로 알려진 붕 소(硼素: B)를 제거한 건강에 좋은 소금의 합리적인 생산방법은 아직까지 제시되지 않고 있다.

본 발명에서 해수의 비중을 나타내는 보메도비중계(Baume's hydrometer)의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메도비중계를 액체에 띄웠을 때의 눈금의 수치로 나타낸 것으로, 물의 비중보다 무거운 중액용(重液用)의 무거운 보메도(중보메도)와 물의 비중보다 가벼운 경액용(輕液用)의 가벼운 보메도(경보메도)가 있으며, 이 중에서 중액용은 순수(純水)를 0°Be로 하고, 15% 식염수를 15°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 가지며, 경액용은 10% 식염수를 0°Be로 하고, 순수(純水)를 10°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 매기고 있으며, 보메도(°Be)는 해수의 경우 염 농도(wt%)와 근사(近似)하기 때문에 농도를 표시하는 척도로도 널리 사용되고 있다.

보메도(°Be)와 액체의 비중(d)과의 관계는 다음과 같다.

액체의 비중이 물의 비중보다 무거운 중보메도의 경우

d = 144.3/(144.3-Be) ………………………………………………①

액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우

d = 144.3/(134.3+Be) ………………………………………………②

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하면서 붕소와 브롬의 농도가 낮으면서 미네랄 함량이 높은 식염을 생산하는 방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수심 200m이하의 해양 심층수를 취수하여 온도를 20∼30℃로 가온하는 단계, 모래여과, 물 분자의 집단을 소집단화하는 단계, 정밀여과, 한외여과 등에 의한 수중의 부유고형물질을 여과하는 단계, 붕소화합물을 제거하기 위해 pH를 4.5∼6.5로 조정하는 단계, 염을 1차 역삼투에 의한 농축하는 단계, 염수를 중화처리하는 단계, 중화처리된 염수를 2차로 다중효용증발관이나 전기투석에 의해 염을 농축하는 단계, 농축 염수를 증발 및 염을 석출하는 단계, 석출된 염을 탈수 및 건조하는 단계, 포장 및 검사 단계로 이루어진 공정에 의해서 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는 것에 특징이 있다.

먼저, 해양 심층수의 특징을 검토하면, 수심 200m이하의 해양 심층수는 표층의 해수와는 달리 태양 광이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton)을 증식하지 못하기 때문에 표층의 해수에는 없는 고영양성(高榮養性), 청정성(淸淨性), 저온안정성(低溫安定性), 미네랄밸런스특성 등의 특징이 있다.

1. 고영양성(高榮養性)

태양 광이 닿지 않는 심해에서는 표층의 해수와는 달리 플랑크톤에 의한 광합성은 거의 행해지지 않기 때문에 표층의 해수에서는 광합성에 의해서 소비되는 무기 영양염류(질소, 질산염, 인산염, 규소)의 소모가 없으며, 광합성 활동을 할 수 없기 때문에 유기물이 적고 표층으로부터 침강한 생물의 사체 등의 유기물로부터 다량의 영양염류가 분해·용출되며, 이를 이용하는 플랑크톤이 없기 때문에 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높게 존재한다.

2. 청정성(淸淨性)

태양 광이 닿지 않는 심해에서는 플랑크톤이 적기 때문에 어류 등의 생물이 적으면서 병원성 미생물이 거의 존재하지 않으며, 또한, 육지나 대기로부터의 오염물질에 의한 오염의 가능성도 표층수에 비해 극히 적기 때문에 매우 깨끗하다.

3. 저온안정성(低溫安定性)

해양 심층수는 온도와 염분농도의 차이로부터 표층수와 서로 섞이는 일이 없이 저온 고압상태에서 수온의 변화가 지극히 안정되어 있는 특징이 있다.

4. 미네랄 특성

해양 심층수에는 다양한 필수 미량원소가 함유되어 있다.

해양 심층수에 용해되어 있는 염은 상기와 같은 특징이 있기 때문에 표층 해수로부터 생산된 천일염에 비해서는 위생적으로 안전하면서 인체에 유용한 다양한 미네랄성분이 함유되어 있기 때문에 양질의 소금을 생산할 수 있다.

표 1에서 보는 바와 같이 인체에 유해한 납(Pb), 카드뮴(Cd), 구리(Cu), 비소(As)와 같은 중금속성분과 불소(F) 등은 미량으로 존재하기 때문에 인체건강에 별문제가 되지 않으나, 발암성 물질로 알려진 브롬(Br)과 위장 및 피부장애를 주는 붕소(B)는 최대한 제거하여야 한다.

그래서 본 발명에서는 브롬(Br)과 붕소(B)를 최대한 제거하여 위생적으로 안전한 소금을 생산토록 하면서, 인체에 흡수효율이 좋게 활성화된 고순도의 청정소금을 생산하는 방법을 제시한다.

해양 심층수에는 붕소가 4∼5㎎/ℓ가 함유되어 있으면서 붕산(H₃BO₃)의 형태로 존재하며, 붕산은 산성상태에서는 B(OH)₃의 상태로 이온반경이 0.23Å 정도로 입자의 크기가 적기 때문에 역삼투염농축공정에서 농축되지 않는다.

붕산(硼酸)은 산성상태에서는 B(OH)₃의 상태로 존재하지만, pH가 중성 내지 알칼리(Alkali) 상태에서는 다음 반응식 ③에서와 같이 붕산은 겔(Gel) 상태의 폴리(Poly) 붕산으로 전환한다.

B(OH)₃ + OH^_ → Poly Boric acid([B(OH)₄]^- , [B₃O₃(OH)₄]^- , [B₄O₅(OH)₄]^2-, [B₅O₆(OH)₄]^- ) ………………………………………………………………………………③

따라서 본 발명에서는 해양 심층수를 20∼30℃로 가온 처리 후 모래여과, 정밀여과, 한외여과 등에 의해서 수중의 부유고형물질(SS; Suspended solid)을 제거한 다음에, pH를 4.5∼6.5 범위의 약산성의 상태로 조정하여 붕산은 입자의 크기가 적은 B(OH)₃의 상태로 처리를 한 후 역삼투농축을 하여 붕산이 제거된 염수를 얻도록 한다.

표 2와 표 3에서 보는 봐와 같이 브롬(臭素; Br)은 해수 중에서 주로 MgBr₂의 형태로 존재하며, 수중에서 용해도가 NaCl보다 높으면서, 고온(40∼100℃)에서 NaCl은 용해도의 차이가 미약한데 반해서 MgBr₂는 고온에서는 용해도가 증가하는 특성이 있다.

그래서 본 발명에서는 소금의 증발·석출공정에서 보메도 30∼32°Be범위 이하에서 소금을 석출(析出) 하도록 하여 석출된 소금 중에서 취소(Br)의 함량이 적은 소금이 생산되도록 한다.

표 2 해수 중에 함유된 주요염의 온도에 따른 물에 용해도(단위; g/100ℓ물)

염의 종류	0℃	10℃	20℃	30℃	40℃	50℃	60℃	70℃	80℃	90℃	100℃
CaSO4	0.1759	0.1928	-	0.2090	0.2097	-	0.2047	0.1966	-	-	0.1619
MgBr2 6H2O	91.0	94.5	96.5	99.2	101.6	104.1	107.5	-	113.7	-	120.2
MgSO4 6H2O	40.8	42.2	44.5	45.3	-	50.4	53.5	59.5	64.2	69.0	74.0
KCℓ	27.6	31.0	34.0	37.0	40.0	42.6	45.5	48.3	51.1	54.0	56.7
NaCℓ	35.7	35.8	36.0	36.3	36.6	37.0	37.3	37.8	38.4	39.0	39.8

도 9의 "해양 심층수의 농축에 의한 농축염수의 비중에 따른 각종 염분의 농도변화도"와 도 10의 "해양 심층수의 농축과정에서 함유염류의 석출량(析出量)의 관계도" 및 표 3의 "해수의 증발농축에서 석출물"에서 보면, 보메도 비중이 3∼4°Be정도인 해수를 증발농축하여 11.5°Be가 되면 CaSO₄가 석출(析出)하기 시작하며, NaCl은 25∼26°Be에서부터 석출하기 시작하며, 32°Be이상이 되면 MgSO₄, MgCl₂ 가 석출하게 되며, 이어서 MgBr₂이 석출하기 시작한다.

농축된 농축 염수를 증발농축하여 25∼26°Be에서부터 NaCl이 석출하기 시작하면서 32°Be이상이 되면 MgSO₄, MgCl₂ 등이 석출하며, 이어서 MgBr₂도 석출하기 때문에 32°Be이하에서 브롬(Br)성분의 농도가 낮은 염이 석출되도록 한다.

표 3 해수의 증발농축에서 석출물(g/ℓ)

비중 (°Be)	부피 (cc)	Fe2O3	CaCO3	CaSO4	MgSO4	MgCℓ2	NaCℓ	MgBr2	KCℓ
3.4	1,000
7.1	533	0.0030	0.0642
11.5	316		Trace
14.0	245		Trace
16.75	190		0.0530	0.5600
20.60	145.5			0.5020
22.00	131.0			0.1600
25.00	112.0			0.1508
26.25	95.0			0.1476	0.0040	0.0078	3.2614
27.0	64.0			0.1440	0.0130	0.0356	9.6500
28.50	39.0			0.0700	0.0260	0.0437	7.8960	0.0728
32.30	30.0			0.0144	0.0174	0.0150	2.6240	0.0358
32.40	23.0				0.0254	0.0240	2.2720	0.0518
35.0	16.2				0.5382	0.0274	1.4040	0.0620
전석출량	-	0.0030	0.1172	1.7488	0.6240	0.1535	27.1074	0.2224
간수 중 잔존량	-				1.8548	3.1640	0.5885	0.3300	0.5335
합 계	-	0.0030	0.1172	1.7488	2.4788	3.3175	27.6959	0.5524	0.5335

이하 도면을 중심으로 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 해양 심층수는 수심 200m이하의 해저심층에서 취수를 하며, 취수방법은 선상(船上)에서 해저 200m이하에 배관을 내려 취수하던가, 해저 수심 200m이하까지 배관을 설치하여 펌프(Pump)로 취수하던가, 해저 수심 200m이하까지 배관을 설치하여 취수정을 해수면 이하로 설치하여 사이펀(siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.

집수조에 취수된 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점도가 높아 여과효율이 떨어지기 때문에 20∼30℃로 가온 처리를 한다.

가온 방법은 보일러(Boiler)에서 열을 공급받거나, 여름철에는 해양 표층수를 이용할 수도 있다.

가온 처리된 해양 심층수는 물 분자의 집단을 소집단화처리공정의 고압정전 압처리(高壓靜電壓處理)와 정전압도전관자화기(靜電壓導電管磁化器)나 영구자석으로 자화처리를 하여 물 분자의 집단(Cluster)을 소집단화하여 소집단수(Microclustered water)로 처리를 한 다음에 전처리여과공정으로 보낸다.

고압정전압처리와 정전압도전관자화기에서 자화처리를 조합한 공정에 의해서 물 분자의 집단을 소집단화하는 처리공정은, 가온한 해양 심층수를 물 분자의 집단을 소집단화처리공정의 전자처리수조(1)에 주입하고, 정전압발생장치(7)로부터 고압의 교류 정전압(靜電壓)을 전극(2)에 3,000∼5,000Volt(전계강도 0.3∼15KV/m)의 전압과 0.4∼1.6μA의 전류를 인가하여 전극(2)을 중심으로 +와 -의 정전장(靜電場)을 교대로 반복해서 물 분자에 4∼10시간 동안 인가(印加)하면, 이로 인하여 물 분자 자체가 진동ㆍ회전을 되풀이하면서 물 분자의 수소결합(水素結合)이 부분적으로 절단(切斷)되면, 중간처리수저장조(8)로 보내어 자화기공급펌프(9)로 정전압도전관자화기(靜電壓導電管磁化器; 10)로 보내어 도전관에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5V 범위의 교류 또는 직류의 저전압(低電壓)을 인가하여 자화처리를 한 후에 일부는 전자처리수조(1)로 반송하면서 핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance, NMR)의 ¹⁷O-NMR의 반치폭(半値幅)이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水; microclustered water)가 생산되면 나머지는 소집단수 저장조(11)로 보내었다가 소집단수 이송펌프(12)에 의해 전처리여과공정으로 보낸다.

중간처리수저장조(8)에서 자화기공급펌프(9)로 정전압도전관자화기(10)로 보내어 전자처리수조(1)로 반송하는 유량은 유입수 유량의 1∼4배로 한다.

이와 같이 생성된 소집단화된 물은 약알칼리성의 고유진동수가 높은 고에너지의 산화환원전위(酸化還元電位; Oxidation Reduction Potential, ORP) 값이 +100∼-200㎷ 범위의 환원수로 처리된다.

정전압발생장치(7)에서 전자처리수조(1)의 전극(2)에 인가전압은 중간처리수저장조(8)에 설치된 pHI(7.4∼7.8) 및 ORPI(+100㎷ 이하)의 값에 따라서 조정한다.

전자처리수조(1)의 재질은 스테인리스 스틸(Stainless steel)을 사용하며, 내부에는 전도도(電導度)가 높은 목탄(木炭)을 충전(充塡)한 스테인리스 스틸(stainless steel)의 전극(2)의 망을 설치하고, 하부에는 절연체(3)인 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화비닐(PVC), 스티로폼(Styrofoam) 중에서 한 종류를 선택하여 설치하고, 절연체(3) 하부에는 도체이면서 내식성 재질인 스테인리스강판(4)을 기초 콘크리트(Concrete) 구조물(5) 사이에 설치하며, 스테인리스강판(4)은 땅에 접지(6)한다.

정전압도전관자화기(靜電壓導電管磁化器; 10)는 합성수지(PVC, PE, 스티렌 수지 등), 에보나이트 (Ebonite), FRP, 베이클라이트(Bakelite)와 같은 절연성 재료의 원통형 도전관에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5V 범위의 교류 또는 직류의 저전압을 인가하면 코일의 내부에는 자기장(磁氣場)이 형성되며, 여기에 물(유체)을 통과하면 물은 소집단수(小集團水)로 처리된다.

그리고 정전압도전관자화기(10) 대신에 12,000∼15,000G(Gauss)범위로 착자(着磁)된 영구자석을 설치하여도 된다.

그리고 처리수의 용량이 대용량인 경우에는 목탄(木炭)을 충전한 스테인리스 스틸(stainless steel)의 전극(2)의 망이 내장된 전자처리수조(1)를 다단설치하여 처리를 한다.

본 발명에서와 같이 고압정전압처리와 자화기에 의한 물 분자의 집단을 소집단화한 소집단수(小集團水)로 처리를 하면 물의 표면장력(表面張力)과 점도(粘度)가 적어지면서 침투력(浸透力)이 향상되어 역삼투염농축공정에서 염농축효율이 향상되면서 각종 미네랄성분은 자화처리되면서 활성화되어 섭취를 하였을 때 흡수율이 우수한 활성미네랄(Activated minerals)이 생성되는 특성이 있다.

전처리여과공정은 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter ), 한외여과(限外濾過; Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 1차 역삼투염농축(逆渗透鹽濃縮)에서 막 막힘(Fouling) 현상이 야기될 수 있는 부유고형물질(SS; Suspended solid)을 제거하는 전처리여과를 한다.

취수된 해양 심층수의 탁도(濁度)가 2㎎/ℓ이하인 경우는 모래여과를 할 필요가 없다.

이때 여과압력은 운전조건에 따른 여과기의 압력손실과 배관의 압력손실을 고려하여 결정하며, 모래여과의 여과속도는 6∼10m/시간으로 하고, 여과사(濾過砂)의 유효경(有效徑)은 0.3∼0.45㎜, 균등계수(均等係數)는 2.0 이하로 하며, 여층(濾層)의 두께는 0.5∼1.0m로 한다.

그리고 정밀여과와 한외여과는 여과 막의 종류에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.

전처리여과공정에서 수중의 부유고형물질이 제거된 해양 심층수는 pH조정공정으로 보내어 1차 염분을 역삼투염농축공정에서 스케일(Scale)의 억제 및 붕소(B)제거 효율을 향상하기 위해서 pH를 4.5∼6.5 범위의 약산성으로 조정하며, 이때 pH조정제로는 무기산 중에서 5∼10wt%의 염산(HCl) 수용액을 사용한다.

pH조정 방법은 교반시간(체류시간)을 15∼30분간, 180∼360RPM(회전속도)의 프로펠러 교반기(Propeller Agitator)로 교반하면서 전처리 여과된 해양 심층수에 pH조정제를 주입하면서 pH를 4.5∼6.5로 조정한 다음에 2차 염 농축공정으로 보낸다.

역삼투염농축의 막 모듈(Module) 형태는 관형(管形; tubular), 중공사형(中空絲形; hollow fiber), 나선형(螺旋形; spiral wound), 평판형(平板形; plate and frame) 등 어떠한 형태를 사용하여도 상관이 없으며, 그리고 막(膜)의 재질(材質)도 특별히 제한하지는 않는다.

pH가 4.5∼6.5로 조정된 해양 심층수가 1차 역삼투염농축공정에 공급되면 운전압력을 50∼60기압으로 여과 막에 공급하며, 나선형 여과 막의 경우 막 투과수량(膜透過水量)은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 염분은 99.0 ∼ 99.85wt% 범위로 회수되며, 염분이 탈염된 탈염수는 음용수제조공정으로 보내고, 염수는 중화조(13)로 보낸다.

이때 염수의 회수율은 50∼60%이며, 염 농도는 5∼6wt%가 된다.

중화처리공정의 중화조(13)에 유입된 염수는 중화제로 NaOH, NaHCO₃, Na₂CO₃ 중 한 종류의 5∼10wt%의 수용액을 공급하면서 중화조 교반기(14)로 교반하면서 pH를 6.5∼7.5의 범위로 중화처리를 하여 염수이송펌프(15)에 의해서 2차 염농축공정으로 보낸다.

2차 염농축공정은 다중효용증발기(Multiple-effect evaporator)나 전기투석장치(電氣透析裝置)에 의해서 CaSO₄가 석출(析出)하기 시작하는 보메도 비중이 10∼12°Be 범위까지 농축한다.

다중효용증발기(多重效用蒸發器)에 의한 증발농축은 1차 역삼투염농축공정에서 보메도비중이 3∼3.5°Be인 해양 심층수를 5∼6°Be로 농축된 염수를 중화처리공정에서 pH를 6.5∼7.5로 중화처리된 염수를 염수이송펌프(15)에 의해서 제1다중효용증발기(16)의 증발부(16a)로 보내면 가열부(16b)를 통과하면서 보일러 시스템에서 공급되는 열원에 의해서 증발된 증기는 제1다중효용증발기(16)의 증발부(16a) 상부를 통해서 제2다중효용증발기(17)의 가열부(17a)에 열원으로 공급되고, 제1다중효용증발기 (16)에서 증발된 염수는 제2다중효용증발기(17)의 증발부(17b)로 공급되어 증발된 증기는 다음 단의 다중효용증발기의 가열부에 열원으로 공급되고, 증발된 염수는 다음 단 증발부로 공급된다.

최종 다중효용증발기(18)의 증발부(18a)에서 증발된 증기는 진공펌프(20)의 흡입에 의해서 응축기(19)로 이송되어 냉각수에 의해 응축된 응축수(탈염수)는 대기각(Barometric leg; 21)을 통해서 실 핏트(Seal pit; 22)로 이송된 후 음용수제조공정으로 보내고, 증발된 염수는 가열부(18b)을 통해서 농축염수저장조(23)로 보 낸다.

농축염수저장조(23)의 농축염수는 농축염수이송펌프(24)에 의해서 제1다중효용증발기(16)의 증발부(16a)로 반송하면서 보메도비중지시제어기(Baume indicating switch: BIS)나 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch; ECIS)에 의해서 솔레노이드밸브(Solenoid valve; ⓢ)의 작동에 의해서 증발 및 염석출공정으로 보낸다.

여기서 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해서 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하는 경우에는 보메도비중이 10∼12°Be의 범위로 조정하며, 전기전도율지시제어기 (ECIS)에 의해서 조정하는 경우는 130∼138㎳/㎝의 범위로 조정한다.

여기서 전기전도율지시제어기(ECIS)에서 측정되는 전기전도율(Electric conductivity)은 수용액이 전기를 전도하는 정도를 나타내는 지표로서 수중의 염류농도를 나타내는 기준으로 단위는 수용액의 전기저항율의 역수에 상당하는 ㎳/㎝(Siemens/m)이며, 전기전도도(EC)와 수중의 가용성염(TSS)과의 관계는 다음 식④와 같다.

　TSS(ppm)=640 X EC (mS/cm) …………………………………………………④

다중효용증발기의 경제단수는 처리용량 및 기타조건에 따라서 결정되지만 3∼4으로 하면 무난하며, 재질은 내염성의 재질인 티타늄이나 스테인리스 스틸 (SUS-316L)을 사용한다.

2차 염농축을 전기투석(電氣透析)에 의한 이온교환막농축을 하는 경우는 1차 역삼투염농축공정에서 보메도비중이 3∼3.5°Be인 해양 심층수를 5∼6°Be로 농축 된 염수를 중화처리공정에서 pH를 6.5∼7.5로 중화처리된 염수를 염수이송펌프 (15)에 의해서 전기투석공정의 탈염실(30)로 보낸다.

전기투석공정의 전기투석장치(電氣透析裝置: 25)는 정류기(34)로부터 직류전원의 전위차(電位差)를 구동력(Driving force)로 하여 이온성 용질의 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 양이온교환막(27)은 고정부전하(固定負電荷)를 가지는 양이온을 선택적으로 투과하고, 음이온교환막(26)은 고정정전하(固定正電荷)를 가지는 음이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막을 사용한다.

도 4에서와 같이 전기투석장치(25)는 스케일 트러블(Scale trouble)을 억제하며, 염 농축 효율을 향상하면서 한계전류밀도(限界電流密度)를 크게 하여 처리효율이 향상되도록 양이온교환막(27)과 음이온교환막(26)을 양극(32)과 음극(33) 사이에 교호적(交互的)으로 일열로 다단(多段)을 설치하고, 양단의 양극실(28)의 양극(32)과 음극실(29)의 음극(33)에 정류기(34)로부터 직류전류를 인가(印加)하면서 중화처리된 염수를 염수이송펌프(15)로 탈염실(30)에 공급하여 염류의 농도를 400∼800㎎/ℓ범위로 탈염처리를 하면서 일부는 중화조(13)로 반송하고, 탈염된 탈염수는 전기전도율지시제어기(ECIS)에 의해서 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해 탈염수는 음용수제조공정으로 보내고, 염농축실(31)에는 농축염수저장조(23)의 농축염수를 농축염수이송펌프(24)에 의해 순환·공급하면 염수 중의 양이온은 전기적인 인력에 의해서 양이온교환막(27)을 투과하여 음극(33) 쪽의 염농축실(31)로 이동하고, 음이온은 음이온교환막(26)을 투과하여 양극(32) 쪽의 염농축실(31)로 이동하면서 염의 농축이 일어나 농축염수저장조(23)의 보메도 비중이 10∼12°Be범 위로 농축된 농축염수는 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 증발 및 염석출공정으로 보낸다.

전기투석장치(25)는 처리성능을 높이기 위해서는 전류밀도(電流密度)를 한계전류밀도(限界電流密度) 이하의 범위에서 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하지만, 한계전류밀도는 염류농도에 비례해 확산층(擴散層)의 두께에 반비례하므로, 확산층의 두께가 일정한 경우, 배수(排水)되는 탈염수 중의 염농도와 농축염수의 염농도에 의해 좌우되므로, 본 발명에서는 양이온교환막(27)과 음이온교환막(26)을 양극(32)과 음극(33) 사이에 교대로 배열한 탈염실(30)과 염농축실(31)을 형성하는 전기투석장치(25)에 중화처리된 염수는 염수이송펌프(15)로 탈염실(30)에 보내어 탈염 후 일부는 순환하며, 농축염수는 농축염수이송펌프(24)에 의해 염농축실(31)로 보내어 순환함으로써 염농축효율을 향상하면서 염농축실(31)에서 스케일성분이 염농축실(31)에서 생성되지 않도록 염농축실(31)에 통수하는 농축염수를 다량으로 공급하면, 스케일 트러블을 확실히 방지할 수 있으며, 염농축실(31)에 염 농도가 높은 농축염수를 공급함으로써 전류의 액저항(液抵抗) 적어지므로 한계전류밀도를 높일 수 있으므로, 전기투석 장치(25)의 처리성능을 향상시킬 수 있다.

전기투석장치(25)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트러블을 억제하기 위해서는 탈염실(30)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10~30 ㎝/초 범위로 탈염된 탈염수를 중화조(13)로 반송하며, 염농축실(31)에 공급하는 농축 염수의 유량은 막면선속도가 1~3 cm/초 범위가 유지되도록 농축염수를 농축염수저장조(23)로 반송한다.

본 발명에서 사용하는 양이온교환막(27)은 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene) 계의 주 사슬(主鎖: Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO₃ ^-를 고정하고 있는 부전하막(負荷電膜)을 사용하고, 음이온교환막(26)은 양이온교환막(3)과는 반대로 음이온을 교환할 수 있는 막으로 정전하(正電荷) R-NH₃ ⁺를 폴리머사슬(Polymer chain)에 고정하고 있으며, 정전하를 막에 고정하고 있는 정하전막(正荷電膜)을 사용하여 2가 이상의 다가(多價) 이온도 통과할 수 있는 막을 사용하여 NaCl과 KCl과 같은 1가 이온은 물론이고, MgCl₂과 MgSO₄와 같은 2가 이상의 염도 동시에 농축할 수 있는 막을 사용한다.

다시 말해서 1가 이온만 선택적으로 투과는 이온교환막을 사용하면 NaCl와 같은 1가 이온의 염(鹽)만 농축되어 다가(多價)의 미네랄염은 농축할 수 없기 때문에 다가의 미네랄염도 동시에 농축될 수 있는 이온교환막을 사용해야 한다.

전기투석장치(25)의 양극실(28)의 양극(32)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 수소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용하여 음극실(29)를 통과한 용액을 주입하여 양극(32) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(33)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니니켈(Ranney nickel)이나 스테인리스 스틸(Stainless steel) 강판을 사용하고, 음극실(28)에 가장 인접한 양이온교환막(27)은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜)이나 1가음이온투과막을 이용하는 것에 의해서 음극(33) 표면에서의 수소 이온의 발생량을 저감도록하여 전력효율의 향상과 악취발생이 저감되도록 하는 것이 좋다.

그리고 염농축실(31)에서 스케일의 생성이나 유기물 등의 슬라임(Slime)이 부착되어 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기(34)에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 양극(32)과 음극(33)의 전원을 전환하여 부착된 스케일과 슬라임을 탈리(脫離) 시키도록 한다.

전극실의 전해질 용액은 음극실(29)로 공급하여 음극실(29)에서 배출되는 전해질 용액을 양극실(28)에 공급하며, 음극실(29)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해양 심층수 원수를 이용할 수 있으나, 3∼10wt%의 Na₂SO₄ 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(32)에서 염소(Cl₂)가스의 발생을 억제할 수 있다.

전기투석공정의 농축염수저장조(23)에서 보메도비중이 10∼12°Be 범위로 농축된 농축염수는 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 증발 및 염석출공정으로 보낸다.

2차 염농축공정의 다중효용증발기나 전기투석에 의해서 보메도비중이 10∼12°Be까지 농축된 염수가 증발 및 염석출공정에 공급되어 수분증발을 계속하여 보메도비중이 12°Be이상이 되면서 칼슘염은 석출하기 시작하여 보메도비중이 26°Be가 되면 NaCl이 석출하기 시작하여 보메도비중이 30∼32Be부터는 MgCl₂ 및 MgSO₄가 본격적으로 석출하기 시작하며, 이어서 MgBr₂, KCl …등이 석출하게 된다.

증발 및 염석출공정은, 하절기(夏節氣)에는 대기공기에 의해서 수분을 증발 하는 공정을 적용하고, 동절기(冬節氣)나 우기(雨氣)에는 가열공기에 의해서 수분을 증발하는 공정을 적용한다.

증발 및 염석출공정에서 대기공기에 의해서 수분을 증발하는 경우는 2차 염농축공정에서 보메도비중이 10∼12°Be까지 농축된 농축염수를 반송농축염수와 함께 대기공기에 의한 증발탑(45) 상부로 분무노즐(38)을 통해 분무하면서 배기 팬 (39)의 작동에 의해서 대기 중의 건조공기가 대기공기에 의한 증발탑(37) 하부로부터 흡입되어 농축염수와 향류접촉(向流接觸)하면서 농축염수 중의 수분이 증발된 후 염석출조(35)로 떨어져 상부로 익류하는 익류수는 순환농축염수저장조(40)로 보낸 다음, 농축염수반송펌프(41)에 의해 대기공기에 의한 증발탑(45) 상부로 반송하고, 석출된 염은 염석출조(35) 하부로 침전되면 염석출조레이크(36)에 의해서 염석출조(35) 하부중앙의 콘(Cone) 부분으로 모이면 석출염이송스쿠루컨베이어(42)에 의해서 탈수공정에 공급하여 탈수여액은 탈수여액저장조(43)로 보낸 다음. 탈수여액이송펌프 (44)에 의해서 염석출조(35) 센터 웰(Center well)로 반송하고, 탈수여액저장조(43)에서 탈수여액의 보메도비중이 30∼32°Be가 되면 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 간수(苦汁)제품을 배출하고, 탈수된 염은 건조공정으로 보내어 건조 후 미네랄함량이 높은 소금을 생산한다.

대기공기에 의한 증발탑(45)의 구조는 산업공장의 냉각탑의 구조와 동일하며, 재질은 방부처리한 목재, FRP(Fiber glass reinforced plastic), 슬레이트(slate) 등을 사용하며, 나머지 기기장치의 사양과 운전 및 설계조건은 후술하는 열풍공기에 의한 증발탑(45)의 공정과 동일하다.

그리고 기온이 낮은 동절기나 습도가 높은 우기에는 2차 염농축공정에서 보메도비중이 10∼12°Be까지 농축된 농축 염수를 염석출조(35)의 농축 염수(鹹水)를 농축염수반송펌프(41)에 의해 반송되는 반송 농축 염수와 압축공기를 함께 열풍공기에 의한 증발탑(45) 상부로 보내어 분무 노즐(38)을 통해 분무하면서 송풍기(47)에서 공급된 공기가 버너(48)에 의해서 가열한 열교환기(49)를 통해 하부로 공급되면, 열풍공기와 향류접촉(向流接觸)하면서 증발된 수분은 데미스터(23)를 통해 대기로 방출되고, 증발농축된 농축염수는 염석출조(35)의 센터 웰(Center well)로 보내어 석출된 염이 침전되면 염석출조 레이크(36)에 의해서 하부 중앙 콘 부분으로 모이면 석출염 이송스크루 컨베이어(42)에 의해서 탈수공정으로 보내어 탈수 여액은 탈수 여액 저장조(43)로 보내어 탈수 여액 이송펌프(44)에 의해서 염석출조(35) 센터 웰(Center well)로 반송하면서, 탈수 여액 저장조(43)의 탈수 여액의 보메도 비중이 30∼32°Be 범위가 되면 보메도 비중지시제어기(BIS)에 의해서 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해서 간수(苦汁)제품으로 배출하며, 석출된 염은 탈수처리하여 탈수 후 건조공정으로 보내어 건조하여 미네랄함량이 높은 소금을 생산하며, 건조된 미네랄함량이 높은 소금은 포장한 다음 검사 후 제품화한다.

열풍공기에 의한 증발탑(45)의 재질은 내염성 재질인 티타늄이나 SUS-316L을 사용하는 것이 바람직하지만 경제성을 감안하여 스틸(Steel) 강판에 FRP(Fiber reinforced plastics) 수지나 에폭시 수지(Epoxy resin)를 라이닝(Lining) 또는 코팅(Coating)을 한다.

분부 노즐(38)의 분무효율을 향상하기 위해서 공급하는 압축공기는 입구(Up- stream) 측에 1∼6기압(atm)의 압력으로, 공기와 액체의 질량비가 1.1∼1.2의 비율로 공급한다.

송풍기(47)에서 공급되는 열풍공기의 가열은 버너(48)에서 중유나 경유를 사용하나 천연가스(LNG; Liquid Natural Gas )나 LPG(Liquid Petroleum Gas)를 사용할 수도 있으며, 열풍의 온도는 150∼400℃로 하고, 데미스터(46)를 통해서 대기로 배기되는 습윤공기의 온도는 60∼80℃로, 그리고 열풍공기에 의한 증발탑(45)에서 건조증발은 항율건조(恒率乾燥)만 진행되며, 하부에서 염석출조(35)로 배출되는 증발농축된 농축염수의 온도는, 열에 약한 성분이 열 분해되지 않도록 80℃이하가 되게 탑의 높이를 설계한다.

염석출조(35)의 익류수가 순환농축염수저장조(40)로 익류되어 농축염수반송 펌프(41)의 반송농축염수의 유량은 중화처리된 농축 염수 및 농축미네랄수의 유입수량에 2∼4배의 유량으로 한다.

건조증발에 필요한 송풍기(47)에서 공급되는 열풍공기의 유량은 장치출입구의 엔탈피(Enthalpy) 및 물질수지(Material balance)에서 구한 값에 열손실을 5∼10%감안하여 결정한다.

송풍기(47)에서 공급되는 열풍공기의 유량이 결정되면 열풍공기에 의한 증발탑(45)의 탑경(塔徑)은 열풍공기의 유속이 3∼5m/sec의 범위로 한다.

열풍공기에 의한 증발탑(45)의 하부 콘(Cone)의 각도(α)는 10°≤α≤60°로 설계하고, 배출 부의 관경( D。)과 탑의 관경(D)의 비(比)는 0.3≤D。/D≤0.7의 범위로 설계한다.

염석출조(35), 순환농축염수저장조(40)와 탈수여액저장조(43) 의 재질은 철근 콘크리트(Reinforced concrete)에 에폭시 코팅을 한 조나 티타늄이나 SUS-316L 또는 스틸 강판에 FRP수지나 에폭시 수지를 라이닝 또는 코팅을 한 것을 사용한다.

염석출조(35)의 직경은 석출염의 고형물부하가 60∼90㎏/㎡·일의 범위로, 깊이는 3∼4m로, 하부 바닥의 경사는 1.5/10∼2.5/10 범위의 구배(句配)가 되게 설계한다.

염석출조 레이크(36)의 재질도 전술한 내염성 재질을 사용하던가, 스틸 강판에 에폭시 수지를 코팅하여 사용하며, 회전속도는 0.02∼0.05rpm으로 하며, 감속기의 동력은 염석출조(35)의 직경과 침전된 염의 상태를 고려하여 토르크(Torque)를 계산하여 결정한다.

농축염수반송펌프(41), 석출염이송스크루컨베이어(42), 탈수여액이송펌프(44) 및 탈수기의 재질은 티타늄이나 SUS-316L 을 사용하며, 모든 염수배관은 티타늄, SUS-316L 이나 PE(Poly ethylene), PVC(Poly vinyl chlorde) 수지관을 사용한다.

2차 염농축공정에서 보메도비중이 10∼12°Be까지 농축된 농축염수가 증발 및 염석출공정에 보내어 지면 증발탑(37 및 45)에서 수분이 증발한 농축염수를 염석출조(35)로 보내면 도 7, 도 8, 도 9, 도 10 및 표 4에서 보는 봐와 같이 농축염수(鹹水)가 증발농축되어 보메도 비중이 25∼26°Be가 되면 NaCl이 석출하기 시작한다.

증발농축을 계속하여 농축염수의 보메도비중이 30∼32 °Be가 되면 MgCℓ₂과 MgSO₄가 석출하게 되며, 이어서 MgBr₂도 석출(析出)하기 시작한다.

따라서 본 발명에서는 보메도 비중이 30∼32°Be에서 탈수한 여액은 간수제품으로 배출하여 브롬(臭素)농도가 낮은 소금이 생산되도록 한다.

그리고 상술한 이온교환막전기투석법에 의한 해양 심층수의 농축에서는, 해양 심층수 중의 Na⁺, K⁺, Ca^{2 +}, Mg^{2 +} 등의 양이온은 양이온교환막을 통과하며, Cl^-, Br^-, SO₄ ^{2 -} 등의 음이온은 음이온교환막을 통과하는 것에 의해서 염은 농축되며, 이때, 2가 이온보다는 1가의 양이온(Na⁺, K⁺)과 음이온(Cl^-)이 통과하기 쉬우며, 이것은 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, SO₄ ^{2 -} 등의 이온의 농도가 낮은 농축염수(鹹水)가 생성되는 것을 의미하고 있으며, 특히 이온의 크기가 큰 황산이온(SO₄ ^2-)은 통과하기 어렵기 때문에 황산이온농도는 낮게 되어 남은 Ca^{2 +}는 염화물이온(Cl^-)과 결합하여 염화칼슘(CaCl₂)이 되어, 도 11의 "전기투석공정에서 함유염류의 농도변화도"에서와 같이 각 염류 농도는 변화하게 되어 간수 중에 염화칼슘이 함유된 간수가 생성되는 특성이 있다.

일반 시중에서 판매되고 있는 천일염의 경우는, 칼슘염은 증발지에서 석출하여 침전제거된 다음에 결정지에서 석출한 소금이기 때문에 칼슘성분은 거의 함유되어 있지 않으며, 1가 이온선택성교환막을 사용하여 전기투석에 의해서 생산되는 소 금은 NaCl의 함량이 99wt%이상인 고순도의 소금으로 미네랄성분은 거의 존재하지 않기 때문에 식염으로부터 미네랄을 섭취한다는 것은 불가능한 실정에 있다.

인간을 포함한 대부분의 동물은 NaCl을 제외한 미네랄성분 중에서 칼슘성분의 미네랄 필요량이 제일 높으며, 이 칼슘성분은 대부분 식품으로부터 섭취하고 있는 실정에 있으나, 칼슘성분의 미네랄섭취가 부족한 경우는 골다공증 등 여러 질병을 초래할 수 있다.

그래서 본 발명에서는 특히 칼슘함량이 높은 미네랄을 해양 심층수로부터 생산하는 방법을 제시하게 되었다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 염농축공정에서는 칼슘염이 석출하기 직전까지 해양 심층수를 농축하여 증발 및 염석출공정으로 보내어 칼슘염을 포함한 소금을 석출침전토록 하였음으로 특히 칼슘미네랄성분의 함량이 높은 소금을 생산할 수 있는 특성이 있다.

칼슘미네랄 함량이 높은 소금은 맛을 순하게 하기 때문에 소금의 맛을 향상하는 특성도 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 해양 심층수는 무한한 양이 있으면서 청정성(淸淨性)과 인체에 유용한 다양한 미네랄이 함유되어 있는 특징이 있기 때문에 해양 지표수에서 생산된 천일염(天日鹽)에 비해서는 위생적으로 안전하면서 양질의 식염을 생산할 수 있음으로 앞으로 식염생산에 널리 보급될 수 있는 효과가 있을 것으로 기대된다.

Claims (4)

1. 수심 200m이하에서 취수한 해양 심층수를 20∼30℃로 가온 처리한다.

2. 가온 처리한 해양 심층수는 고압정전압처리(高壓靜電壓處理)와 정전압도전관자화기(靜電壓導電管磁化器)나 영구자석으로 자화처리를 하여 물 분자의 집단(Cluster)을 핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance, NMR)의 ¹⁷O-NMR의 반치폭(半値幅)이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水; microclustered water)로 처리를 한다.

3. 물 분자의 집단을 소집단화한 소집단수는 모래여과, 정밀여과, 한외여과를 단독 또는 2종류 이상을 조합한 전처리여과를 한다.

4. 전처리 여과를 한 여과 수에 5∼10wt%의 염산수용액을 주입하여 pH를 4.5∼6.5로 조정하여 1차 역삼투염농축공정으로 보내어 탈염수는 음료수생산공정으로 보내고, 보메도 비중을 5∼6°Be까지 염수를 농축한 염수는 중화제로 NaOH, NaHCO₃, Na₂CO₃ 중 한 종류의 5∼10wt%의 수용액을 공급하여 pH를 6.5∼7.5의 범위로 중화처리를 한다.

5. 중화처리된 1차 농축한 염수는 2차 염농축공정의 다중효용증발기(多重效用蒸發器)로 보내어 칼슘염이 석출하기 직전인 보메도 비중이 10∼12°Be의 범위나 전기전도율이 130∼138㎳/㎝의 범위까지 농축한다.

6. 다중효용증발기에서 농축된 염수는 증발 및 염석출공정의 대기공기에 의한 증발탑(45) 상부의 분무노즐(38)을 통해 분무하면서 배기 팬 (39)의 작동에 의해서 대기 중의 건조공기가 대기공기에 의한 증발탑(37) 하부로부터 흡입되어 농축 염수와 향류접촉(向流接觸)하면서 농축 염수 중의 수분이 증발된 후 염석출조(35)로 떨어져 상부로 익류하는 익류수는 순환농축염수저장조(40)로 보내면서 농축염수반송펌프(41)에 의해 대기공기에 의한 증발탑(45) 상부로 반송하고, 석출된 염은 염석출조(35) 하부로 침전되면 염석출조레이크(36)에 의해서 염석출조(35) 하부중앙의 콘(Cone) 부분으로 모이면 석출염이송스쿠루컨베이어(42)에 의해서 탈수공정으로 보낸다.

7. 석출된 염을 탈수공정에 공급하여 탈수된 탈수 여액은 탈수 여액 저장조(43)로 보내어 탈수 여액 이송펌프(44)에 의해서 염석출조(35) 센터 웰(Center well)로 반송하고, 탈수 여액 저장조(43)에서 탈수여액의 보메도비중이 30∼32°Be가 되면 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 간수(苦汁)제품을 배출하고, 탈수된 염은 건조공정으로 보내어 건조 후 미네랄함량이 높은 소금을 생산한다.

상술한 과정에 의해서 해양 심층수로부터 미네랄함량이 높은 식염을 생산하는 방법.

제1항에 있어서, 기온이 낮은 동절기나 습도가 높은 우기에는, 제1항의 6번에서, 다중효용증발기에서 농축된 염수(鹹水)를 농축염수반송펌프(41)에 의해 반송되는 반송농축염수와 압축공기를 함께 열풍공기에 의한 증발탑(45) 상부로 보내어 분무 노즐(38)을 통해 분무하면서 송풍기(47)에서 공급된 공기가 버너(48)에 의해서 가열한 열교환기(49)를 통해 하부로 공급되면, 열풍공기와 향류접촉(向流接觸)하면서 증발된 수분은 데미스터(23)를 통해 대기로 방출되고, 증발농축된 농축염수는 염석출조(35)의 센터 웰(Center well)로 보내어 석출된 염이 침전되면 염석출조 레이크(36)에 의해서 하부 중앙 콘 부분으로 모이면 석출염이송스크루컨베이어(42)에 의해서 탈수공정으로 보내어 탈수 여액은 탈수여액저장조(43)로 보내어 탈수여액이송펌프(44)에 의해서 염석출조(35) 센터 웰(Center well)로 반송하면서, 탈수여액저장조(43)의 탈수여액의 보메도비중이 30∼32°Be 범위가 되면 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해서 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해서 간수(苦汁)제품으로 배출하며, 석출된 염은 탈수처리하여 탈수 후 건조공정으로 보내어 건조하여 미네랄함량이 높은 소금을 생산하는 방법.

제1항에 있어서, 제1항 6번의 2차 염농축공정의 다중효용증발기(多重效用蒸發器) 대신에 양이온교환막(27)은 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene)계의 주 사슬(主鎖: Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO₃ ^-를 고정하고 있는 부전하막(負荷電膜)을 사용하고, 음이온교환막(26)은 양이온교환막(3)과는 반대로 음이온을 교환할 수 있는 막으로 정전하(正電荷) R-NH₃ ⁺를 폴리머사슬(Polymer chain)에 고정하고 있으며, 정전하를 막에 고정하고 있는 정하전막(正荷電膜)을 사용하여 2가 이상의 다가(多價) 이온도 통과할 수 있는 막을 사용하여 NaCl과 KCl과 같은 1가 이온은 물론이고, 2가 이상의 염인 MgCl₂과 MgSO₄도 동시에 농축할 수 있는 양이온교환막(27)과 음이온교환막(26)을 양극(32)과 음극(33) 사이에 교호적(交互的)으로 일열로 다단(多段)을 설치하고, 양단의 양극실(28)의 양극(32)과 음극실(29)의 음극(33)에 정류기(34)로부터 직류전류를 인가(印加)하면서 중화처리된 염수를 염수이송펌프(15)로 탈염실(30)에 공급하여 염류의 농도를 400∼800㎎/ℓ범위로 탈염처리를 하면서 일부는 중화조(13)로 반송하고, 탈염된 탈염수는 전기전도율지시제어기(ECIS)에 의해서 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해 탈염수는 음용수제조공정으로 보내고, 염농축실(31)에는 농축염수저장조(23)의 농축염수를 농축염수이송펌프(24)에 의해 순환·공급하면 염수 중의 양이온은 전기적인 인력에 의해서 양이온교환막(27)을 투과하여 음극(33) 쪽의 염농축실(31)로 이동하고, 음이온은 음이온교환막(26)을 투과하여 양극(32) 쪽의 염농축실(31)로 이동하면서 염의 농축이 일어나 농축염수저장조(23)의 보메도 비중이 10∼12°Be범위로 농축된 농축염수는 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 증발 및 염석출공정으로 보내는 공정에 의해서 미네랄함량이 높은 소금을 생산하는 방법.

삭제

Images