KR100821384B1 - 해양 심층수로부터 미네랄염을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 심층수(海洋深層水)로부터 미네랄밸런스가 적절한 미네랄염(Mineral salt)을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 수심이 200m이하의 해양 심층수로부터 청정 심해수를 취수하여 20∼30℃로 가온 및 물 분자의 집단(Cluster)을 소집단화한 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 1차 나노여과(Nanofiltration)에 의해서 황산 이온(SO₄ ^{2 -})이 농축된 함황산이온미네랄수는 미네랄밸런스조정공정으로 보내고, 황산 이온이 제거된 탈황산이온염수는 역삼투여과(Reverse osmosis filtration)공정으로 보내어 염분을 탈염처리하여 탈염수는 음용수제조공정으로 보내고, 농축된 미네랄염수는 2차 나노여과공정으로 보내어 2가 이상의 미네랄성분이 제거된 탈미네랄염수는 소금제조공정으로 보내고, NaCl이 탈염된 미네랄수는 1차 나노여과공정에서 배출되는 함황산이온미네랄수와 함께 미네랄수저장조로 보낸 다음 1가 양이온과 1가 음이온을 선택적으로 투과하는 이온교환막을 사용한 전기투석(電氣透析)에 의해 NaCl을 탈염처리한 다음, 미네랄밸런스조정공정으로 보낸다.

미네랄밸런스조정공정에 탈염된 미네랄수가 유입되면 칼슘염(소금제조공정에서 배출되는 CaSO₄나 CaCl₂ 등)을 주입하여 Ca/Mg의 중량비(重量比)를 0.8∼3.5의 범위로 조정한다.

미네랄밸런스가 조정된 미네랄수는 양이온교환막은 모든 양이온을 교환하는 막을 사용하고, 음이온교환막은 1가 음이온만 선택적으로 교환하는 교환막을 사용한 전기투석장치로 보내어 미네랄수 중 황산이온(SO₄ ^2-)을 제거하면서 농축한 미네랄수는 첨가제 혼합공정으로 보내어 트레할로스(Trehalose, α-D-glucopyranosyl α-D-glucopyanoside)와 젖산(Lactic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 글루콘산(Gluconic acid) 중에서 단독 또는 2종류 이상 혼합한 첨가제를 첨가한 다음 증발 및 미네랄염의 석출공정으로 보내어 수분을 증발농축하여 미네랄염이 석출(析出)하면 탈수공정으로 보내어 탈수한 다음 건조하여 미네랄염을 제조한다.

해양 심층수에는 동·식물의 생육에 필요한 다종다양한 미네랄이 함유하고 있기 때문에 다방면에 이용되는 효과가 있을 것으로 기대된다.

해양 심층수, 미네랄염, 나노여과(Nanofiltration), 역삼투여과(Reverse osmosis filtration), 전기투석(電氣透析), 소집단수(Microclustered water), 이온교환막, 황산이온, 미네랄밸런스

Description

해양 심층수로부터 미네랄염을 제조하는 방법{Manufacturing method of mineral salts from the deep sea water}

도 1은 해양 심층수로부터 미네랄염을 제조하는 전체공정도

도 2는 물 분자 집단을 소집단화처리공정도

도 3은 전기투석에 의한 NaCl 탈염처리 공정도

도 4는 미네랄밸런스조정 및 전기투석에 의한 미네랄 염의 농축 및 황산 이온제거공정도

도 5는 첨가제혼합 및 대기공기에 의한 증발 및 미네랄염의 석출공정도

도 6은 첨가제혼합 및 건조공기에 의한 증발 및 미네랄염의 석출공정도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1; 전자처리수조(電子處理水槽) 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; 미네랄수 저장조 14; 미네랄수 이송펌프

15; 탈염 전기투석장치 16; 양극

17; 음극 18; 양극실

19; 음극실 20; 1가 음이온선택교환격막

21; 1가 양이온선택교환격막 22; 탈염실

23; 염농축실 24; 염수저장조

25; 염수이송펌프 26; 정류기

27; 미네랄밸런스조정조 28; 미네랄밸런스조정조 교반기

29; 미네랄수 이송펌프 30; 미네랄농축 및 황산 이온제거 전기투석장치

31; 양극 32; 음극

33; 양극실 34; 음극실

35; 1가 음이온선택교환격막 36; 양이온선택교환격막

37; 탈미네랄실 38; 미네랄염농축실

39; 탈황산이온 미네랄수 저장조 40; 탈황산이온미네랄수 이송펌프

41; 정류기 42; 첨가제 혼합조

43; 첨가제 혼합조 교반기 44; 증발탑 미네랄수 공급펌프

45; 석출조 46; 석출조 레이크(Rake)

47; 대기공기에 의한 증발탑 48; 분무노즐(Spray nozzle)

49; 배기 팬(Fan) 50; 농축미네랄반송수저장조

51; 농축미네랄수 반송펌프

52; 석출미네랄염이송스크루컨베이어(screw conveyer)

53; 탈수여액 저장조 54; 탈수여액 이송펌프

55; 건조공기에 의한 증발탑 56; 데미스터(Demister)

57; 송풍기 58; 버너(Burner)

59; 열교환기

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

FI; 유량지시계(Flow indicator)

pHI; 수소 이온농도지시계(pH indicator)

pHIS; 수소 이온농도지시제어기(pH indicating switch)

ORPI; 산화환원전위지시계(Oxidation reduction potential indicator)

LS; 수위 제어기(Level switch)

PCV; 압력조절밸브(Pressure control valve)

BI; 보메도비중지시계(Baume indicator)

BIS; 보메도비중지시제어기(Baume indicating switch)

ECIS; 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)

TIC; 온도지시제어기(Temperature indicating controller)

본 발명은 수심이 200m이하의 해양 심층수(海洋深層水)를 취수하여 20∼30℃로 가온 및 물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화된 소집단수(Microclustered water)로 처리를 하여 물의 표면장력(表面張力) 및 점성을 적게 처리한 것을 모래여과, 정밀여과(Microfilter), 한외여과( Ultrafilter) 중에서 한 종류이상을 조합한 여과공정으로 전처리를 하여 수중의 부유고형물질(Suspended solid)을 제거한 다음, 1차 나노여과(Nanofiltration)을 하여 여과된 탈황산이온염수는 역삼투여과(Reverse osmosis filtration)공정으로 보내어 염분을 농축한 것을 2차 나노여과공정으로 보내어 2가 이상 다가(多價)의 미네랄염을 농축한 미네랄수를 1차 나노여과(Nanofiltration)을 하여 농축된 함황산이온미네랄염수와 함께 1가 이온을 선택투과하는 전기투석장치에서 잔류NaCl을 탈염처리 후 미네랄밸런스 조정공정으로 보내어 Ca/Mg의 중량비를 조정한 다음, 양이온교환격막은 모든 양이온을 교환하는 막을 사용하고, 음이온교환 격막은 1가 음이온만 선택적으로 교환하는 교환 격막을 사용한 전기투석장치로 보내어 미네랄수 중 황산이온(SO₄ ^2-)을 제거하면서 농축한 미네랄수는 첨가제 혼합공정으로 보내어 트레할로스(Trehalose)와 젖산(Lactic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 글루콘산(Gluconic acid) 중에서 단독 또는 2종류 이상 혼합한 첨가제를 첨가한 다음 증발 및 미네랄염의 석출공정으로 보내어 수분을 증발농축하여 미네랄염이 석출(析出)하면 탈수공정으로 보내어 탈수한 다음 건조하여 미네랄염(Mineral salt)을 제조하는 방법에 관한 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 필요한 주요원소가 70종류를 넘는 다종다양한 미네랄성분이 포함되어 있으면서 장시간 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 집단수(集團數)를 5∼6개의 소집단수(小集團水; Microclustered water)로 처리한다.

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 생명 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」 라고 도 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.

그리고 음료수의 경우 좋은 물맛의 지수(OI)인 (Ca + K + SiO₂) / (Mg + SO₄ ^2-)의 비가 2.0 이상인 물이 맛이 좋으며, 건강의 지수(KI)인 Ca- 0.87Na의 값이 5.2 이상인 물이 건강에 좋은 것으로 알려져 있다.

그러나 해양 심층수의 NaCl의 농도가 높으면서 마그네슘(MgCl₂와 MgSO₄)의 농도가 칼슘(Ca) 염에 비해서 높게 함유되어 있는 문제점이 있다.

다시 말해서 미네랄을 식품에 혼합하거나, 음료수에 미네랄조정액으로 사용하기 위해서는 Ca/Mg의 중량비가 2.0 이상이 되면서 황산 이온(SO₄ ^{2 -})의 농도가 낮은 것이 바람직 하지만, 표 1에서 보는 바와 같이 해양 심층수에는 Ca/Mg의 무게 비가 0.35이면서 황산 이온의 농도가 약 2,800㎎/ℓ정도로 높게 존재하기 때문에 Ca/Mg의 미네랄밸런스와 황산 이온을 최대한 제거한 미네랄염을 만들어야만 식품이나 음료수조정제로 사용할 수 있는 문제점이 있다.

음료수 중에서 NaCl은 짠맛을 나게 하며, 마그네슘(MgCl₂, MgSO₄)은 쓴맛을, 칼슘(KCl)은 신맛을, 황산 이온(SO₄ ^{2 -})은 산미(酸味)를 나게 하여 물맛을 떨어뜨리게 하는 반면에 칼슘성분은 물맛을 부드럽게 하여 물맛을 좋게 하는 특성이 있다.

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

① Ca/Mg의 중량비가 2.0 이상이면서, 황산 이온(SO₄ ^{2 -})농도가 적은 미네랄염을을 생산하여야 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 표면장력 및 점성을 적게 하여 역삼투농축에서 막 저항을 감소게 하는 방법을 강구하여야 한다.

④ 자화처리(磁化處理)를 하여 활성화된 미네랄염을 생산토록 한다.

⑤ 열에 약한 아미노산, 트레할로스(Trehalose)와 같은 열에 약한 물질이 열분해되지 않게 고온 증발 및 건조를 해서는 되지 않는다.

⑥ 무기미네랄염은 흡수효율이 떨어지기 때문에 유기착염(有機錯鹽) 형태의 미네랄이 좋다.

종래의 미네랄염의 제조 또는 생산방법으로는 일본 공개특허공보 2002-292248호의 경우는 해수를 역삼투에 의해 염을 농축한 다음, 나노여과 막과 전기투석을 조합한 공정에 의해서 미네랄염을 제조하는 방법이 제시되어 있으나 미네랄밸런스가 적절하지 못한 문제점이 있으며, 일본 공개특허공보 2004-65196호의 경우는 해수를 전기투석에 의해 음료제조에 미네랄조성물로 사용하는 방법이 제시되어 있으나 황산 이온(SO₄ ^{2 -})의 농도가 높으면서 미네랄밸런스가 적절하지 못하여 물맛이 없는 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

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 총가용성염(TSS)과의 관계는 다음 식③ 과 같다.

　TSS(ppm)=640 X EC(mS/cm) …………………………………………③

그리고 이중의 염분농도(NaCl ppm)는 전기전도율(EC)과의 관계는 다음 식④에 의해서 간단히 추정할 수 있다.

염분농도(NaCl ppm) = 552×EC(㎳/㎝)-200 …………………………④

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하면서 미네랄밸런스가 적절한 미네랄염을 생산하는 방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수심 200m이하의 해양 심층수를 취수하여 온도를 20∼30℃로 가온 및 물 분자 집단을 소집단화하여 표면장력과 점성을 떨어뜨리는 단계, 전처리 여과를 하여 수중의 부유고형물질을 여과하는 단계, 1차 나노여과에서 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 분리하는 단계, 역삼투여과공정에서 염분을 농축하는 단계, 2차 나노여과에서 미네랄염을 농축하는 단계, 전기투석장치에서 NaCl을 탈염(脫鹽)처리하는 단계, 미네랄밸런스를 조정하는 단계, 농축 및 황산이온을 제거하는 단계, 증발 및 미네랄염을 석출하는 단계, 석출된 미네랄염을 탈수하는 단계, 탈수된 미네랄염을 건조하는 단계, 건조된 미네랄염을 포장 및 검사하는 단계로 이루어진 공정에 의해서 미네랄염을 생산하는 것에 특징이 있다.

먼저, 해양 심층수의 특징을 검토하면, 수심 200m이하의 해양 심층수는 표층 의 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 70여 종류의 다종다양한 필수 미량원소가 함유되어 있다.

해양 심층수에 용해되어 있는 미네랄염은 상기와 같은 특징이 있기 때문에 위생적으로 안전하면서 인체에 유용한 다양한 미네랄성분이 함유되어 있기 때문에 양질의 미네랄염을 생산할 수 있다.

이하 도면을 중심으로 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 전처리공정

전처리공정에서는 수심 200m이하의 해양 심층수를 취수하여 나노여과, 역삼투여과, NaCl의 탈염처리, 농축 및 황산 이온의 제거처리 등의 후속처리를 원만하게 처리될 수 있도록 가온처리, 물 분자의 소집단화, 전처리여과를 한다.

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 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 소집단화하여 소집단수 (Microclustered water)로 처리를 하여 표면장력과 점성을 떨어뜨린 다음에 전처리여과공정으로 보낸다.

고압정전압처리와 정전압도전관자화기(10)에서 자화처리를 조합한 공정에 의해서 물 분자의 집단을 소집단화하는 처리공정은, 가온 처리를 한 해양 심층수를 물 분자의 집단을 소집단화처리공정의 전자처리수조(1)에 주입하고, 정전압발생장치(7)로부터 고압의 교류 정전압을 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 수소결합이 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 고에너 지의 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 다단을 설치하 여 처리한다.

본 발명에서와 같이 고압정전압처리와 자화기에 의한 물 분자의 집단을 소집단화하여 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 여과공정에서 여과효율이 향상되면서 각종 미네랄성분은 자화처리되면서 활성화되어 섭취를 하였을 때 흡수율이 우수한 활성미네랄(Activated mineral)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 후단 나노여과(Nanofiltration)와 역삼투여과(Reverse osmosis filtration)에서 막 막힘(Fouling) 현상이 야기될 수 있는 부유고형물질(SS; Suspended solid)을 제거한다.

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.

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

그리고 정밀여과(Micro-filter)와 한외여과(Ultra-filter)는 여과 막의 종류에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.

정밀여과 또는 한외여과에서 여과는 나노여과 및 역삼투여과공정에 공급하는 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 처리한다.

FI값은 대상 수중의 미세한 탁질농도를 나타내는 수치로 다음 ⑤식으로 표현된다.

FI = (1－T₀/T₁₅)×100/15 …………………………⑤

여기서 T₀는 0.45μm의 정밀 여과막을 이용해 시료수를 0.2 MPa로 가압 여과했을 때에 최초의 500 ml의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이며, T₁₅는 T₀와 동일한 상태에서 15분간 여과한 후에 500 ml의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이다.

Ⅱ. 나노여과 및 역삼투여과공정

이하 나노여과 및 역삼투여과의 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.

그리고 나노여과 막의 소재로서 폴리아미드(Polyamide)계, 폴리피페라진아미드(Polypiperazineamide)계, 폴리에스텔아미드(Polyesteramide)계, 혹은 수용성의 비닐폴리머(Vinylpolymer)를 가교 한 것 등을 사용할 수 있으며, 막 구조는 막의 한 면에 치밀층(緻密層)으로 되어 있으며, 치밀층으로부터 막 내부 혹은 한 면의 막을 향해서 서서히 큰 구멍 지름의 미세 구멍을 가지는 비대칭막(非對稱膜)이나, 이러한 비대칭막의 치밀층 위에 다른 소재로 형성된 매우 얇은 분리기능층(分離機能層)을 가지는 복합막(複合膜) 등을 사용할 수 있으며, 피페라진 폴리아미드계 복합막이 바람직하지만 본 발명에서는 막의 재질과 구조에는 특별히 제한하지는 않는다.

전처리여과공정에서 수중의 부유고형물질을 제거한 해양 심층수는 1차 나노여과공정으로 보내어 수중에 함유되어 있는 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 제거한 다음 역삼투여과공정으로 보낸다.

1차 나노여과공정에서는 1차 해양 심층수 중에 용해되어 있는 CaCO₃, CaSO₄, SrSO₄와 같이 용해도가 작아 역삼투여과공정에서 염을 농축하는 과정에, 막(膜)에서 스케일(Scale)이 생성되어 막 막힘(Fouling) 현상을 최대한 억제하기 위해서 2가 이상의 미네랄성분과 2가 음이온인 황산이온(SO₄ ^2-)을 제거한 탈황산이온염수를 역삼투여과공정으로 보내고, 함황산이온미네랄수는 미네랄밸런스조정공정으로 보낸다.

1차 나노여과공정에서 공급압력은 3.5wt%의 염 농도의 해양 심층수 삼투압 25기압(atm)이하의 15∼20기압(atm)으로 하며, 나선형의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 이때 막투과수량은 유입수량의 80∼90%가 된다.

1차 나노여과공정에서 여과된 탈황산이온염수가 역삼투여과공정에 공급되면, 운전압력을 50∼60기압(atm)으로 여과 막에 공급하며, 나선형여과막의 경우 막투과 수량은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 염분은 99.0 ∼ 99.85wt% 범위로 제거되며, 염분이 탈염(脫鹽)된 탈염수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과된 미네랄염수는 2차 나노여과공정으로 보낸다.

역삼투여과공정에서 농축된 미네랄염수가 2차 나노여과공정에 유입되면 공급압력을 20∼30기압으로 여과 막에 공급하여 1가 이온인 NaCl 및 KCl이 여과된 염수는 소금제조공정으로 보내고, 1가 이온의 염이 탈염되면서 농축된 다가(多價) 이온의 미네랄수는 미네랄밸런스조정공정으로 보내며, 이때 나선형의 경우 막투과수량을 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 막투과수량은 유입수량의 80∼90%가 된다.

1차 나노여과공정에서 배출되는 함황산이온미네랄수와 2차 나노여과공정에서 배출되는 미네랄수가 미네랄수 저장조(13)에 유입되면 미네랄수 이송펌프(14)에 의해 NaCl탈염처리공정의 탈염실(22)에 공급한다.

Ⅲ. NaCl탈염처리공정

NaCl탈염처리공정의 탈염 전기투석장치(電氣透析裝置: 15)는 정류기(26)로부터 인가(印加)되는 직류전원의 전위차(電位差)를 구동력(Driving force)로 하여 이온성 용질을 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 1가 양이온선택교환격막(21)은 고정(固定)부전하(負電荷)를 가지는 1가 양이온을 선택적으로 투과하고, 1가 음이온선택교환격막(20)은 고정 정전하(正電荷)를 가지는 1가 음이온을 선택적으로 투과하는 이온교환격막을 사용한다.

도 3에서와 같이 탈염 전기투석장치(15)는 스케일 트러블(Scale trouble)을 억제하며, 염 농축 효율을 향상하면서 한계전류밀도(限界電流密度)를 크게 하여 처리효율이 향상되도록 1가 양이온선택교환격막(21)과 1가 음이온선택교환격막(20)을 양극(16)과 음극(17) 사이에 교호적(交互的)으로 일열로 다단(多段)으로 설치를 하고, 양단의 양극실(18)의 양극(16)과 음극실(19)의 음극(17)에 정류기(26)로부터 직류전류를 인가(印加)하면서 미네랄수를 미네랄수 이송펌프(14)에 의해 탈염실(22)에 공급하여 염류의 농도를 400∼800㎎/ℓ범위로 탈염처리를 하면서 일부는 미네랄수 저장조(13)로 반송하고, 탈염 미네랄수(탈염수)는 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)에 의해서 솔레노이드밸브(Solenoid valve; ⓢ)를 작동하여 미네랄밸런스 조정조(27)로 보내고, 염농축실(23)에는 염수저장조(24)의 염수를 염수 이송펌프(25)에 의해서 순환하면 미네랄수 중의 Na⁺ 및 K⁺와 같은 1가 양이온은 전기적인 인력에 의해서 1가 양이온선택교환격막(21)을 투과하여 음극(17) 쪽의 염농축실(23)로 이동하고, Cl^-이온은 1가 음이온선택교환격막(20)을 투과하여 양극(16) 쪽의 염농축실(23)로 이동하면서 염(NaCl, KCl)이 제거되면서 염수 저장조(24)의 보메도 비중이 18∼20°Be범위로 농축된 염수는 보메도비중계 BIS(Baume indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해서 소금제조공정으로 보낸다.

그리고 염수 저장조(24)의 수위가 떨어지면 음용수제조공정의 탈염수를 용수로 염수 저장조(24)에 설치된 수위 제어기(Level switch; LS)에 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해 공급한다.

탈염 전기투석장치(15)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(散層層)의 두께에 반비례하므로, 확산층의 두께가 일정한 경우, 배수(排水)되는 미네랄수 중의 염 농도와 염수의 농도에 의해 좌우되므로, 본 발명에서는 1가 양이온선택교환격막(21)과 1가 음이온선택교환격막(20)을 양극(16)과 음극(17) 사이에 교대로 배열한 탈염실(22)과 염농축실(23)을 형성하는 탈염전기투석장치(15)에 미네랄수는 미네랄수 이송펌프(15로 탈염실(22)에 보내어 탈염 후 일부는 순환하며, 염수는 염수이송펌프(25)에 의해 염농축실(23)로 보내어 순환함으로써 탈염 및 염농축효율을 향상하면서 염농축실(23)에서 스케일성분이 생성되지 않도록 염농축실(23)에 통수하는 염수를 다량으로 공급하면, 스케일 트러블을 확실히 방지할 수 있으며, 염농축실(23)에 염 농도가 높은 염수를 공급함으로써 전류의 액저항(液抵抗) 적어지므로 한계전류밀도를 높일 수 있으므로, 탈염전기투석장치(15)의 처리성능을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

탈염 전기투석장치(15)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트러블을 억제하기 위해서는 탈염실(22)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10~30 ㎝/초 범위가 되게 탈염된 미네랄수를 미네랄수 저장조(13)로 반송하며, 염농축실(23)에 공급하는 염수의 유량은 막면선속도가 1~3 cm/초 범위가 유지되도록 염수를 염수 저장조(24)로 반송한다.

해양 심층수에는 CaSO₄, CaCO₃와 같이 물에 용해도가 낮아 농축시 스케일(Scale)이 생성되어 역삼투여과막의 오염(fouling)으로 인하여 처리효율을 저하할 수 있기 때문에 본 발명에서는 전술한 1차 나노여과에서 2가 이상의 다가(多價)의 이온성물질(CaSO₄, CaCO₃, MgCl₂, MgSO₄, SrSO₄ …등)과 황산 이온을 1차 제거하였으며, 탈염 전기투석장치(15)에서 CaSO₄, CaCO₃, SrSO₄ … 등에 의해서 스케일의 생성을 최대한 억제하기 위해서 2가 이상의 이온성 물질은 난투과성(難透過性)이면서 1가 이온성 물질만 선택적으로 투과하는 이온교환격막을 사용한다.

본 발명에서 사용하는 1가 양이온선택교환격막(21)은 2가 이상 다가(多價) 의 양이온투과는 억제하면서 1가 양이온만을 선택적으로 투과하는 교환 막으로, 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)에 측쇄(側鎖: side chain)과 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 또는 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine) 등의 그래프트 폴리머(Graft polymer)나 주 사슬이 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐 피리딘으로 된 측쇄가 폴리스티렌인 그래프트 폴리머로 합성된 이온교환막으로, 그래프트 폴리머의 주 사슬이 양이온 교환막의 주 사슬 또는 측쇄와 동일한 분자구조를 하고 있는 것이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리염화비닐(Polyvinylchlorde), 폴리스티렌(polystyrene) 등에 부전하 R-SO₃ ^-를 고정한 양이온 교환막으로 구성된 고분자와 동일한 분자구조를 가진 주 사슬 혹은 측쇄에 1가 양이온만 투과능(透過能)을 가지는 분자구조인 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine), 폴리비닐 아민(Polyethyleneamine) 또는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 막과 같은 양이온선택교환막을 사용할 수 있으며, 특히, 폴리스티렌-디비닐벤젠계의 폴리스티렌-그래프트-에틸렌 이민이 가장 바람직하게 사용할 수 있다.

그리고 1가 음이온선택교환격막(20)은 1가 양이온선택교환격막(21)과는 반대로 1가 음이온만 선택적으로 교환할 수 있는 막으로 정전하(正電荷) R-NH₃ ⁺를 폴리머사슬(Polymer chain)에 고정하고 있으며, 정전하를 막에 고정하고 있으므로 정하전막(正荷電膜)이라고도 하며, 이온교환기가 지방족탄화수소(脂肪族炭化水素)에 의해서 가교(架橋)되고 있어 막표면부(膜表面部)에는 양이온교환기를 가지는 고분자물질의 박층(薄層)이 형성되고 있는 음이온교환격막으로, 교환기의 도입 모노머(Monomer; 單位體)에 지방족탄화수소로 가교와 동시에 4급화를 실시한 것이 좋으며, 양이온교환기를 가지는 고분자물질로서는 양이온교환기를 가지는 고분자전해질 및 선상고분자전해질(線高分子電解質)이나 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등으로, 구체적으로는, 리그닌설폰산염(Ligninsulfonate)과 같은 설폰산염(Sulfonate), 고급 알코올인산에스테르와 같은 인산에스테르염 등에서 분자량 500 이상의 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질, 메타크릴산(methacrylic acid), 스틸렌설폰산(Styrene sulfonic acid)과 같은 카르본산기(-COOH)나 설폰산기(-SO₃H)를 가지는 단량체(單量體) 유닛(Unit)을 다수개(多數個) 포함한 선상고분자 전해질, 양이온교환기를 포함한 페놀류와 알데히드류를 축합(縮合)시킨 것과 같은 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등의 1가 음이온을 선택적으로 교환하는 막을 사용한다.

탈염 전기투석장치(15)의 양극실(18)의 양극(16)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 수소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용하여 음극실(19)를 통과한 용액을 주입하여 양극(16) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(17)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니니켈(Ranney nickel)이나 스테인레스 스틸(Stainless steel) 강판을 사용하고, 음극실(19)에 가장 인접한 양이온교환막은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜)이나 1가 음이온선택투과격막을 이용하는 것에 의해서 음극(17) 표면에서의 수소 이온의 발생량을 저감도록하여 전력효율의 향상과 악취발생이 저감토록 하는 것이 좋다.

그리고 염농축실(23)에서 스케일이 부착되어 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기(27)에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 양극(16)과 음극(17)의 전원을 전환하여 부착된 스케일이 탈리(脫離) 되도록 한다.

전극실의 전해질 용액은 음극실(19)로 공급하여 배출되는 전해질 용액을 양극실(18)에 공급하며, 음극실(19)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해수(해양 심층수 원수)를 이용할 수도 있으나, 3∼10wt%의 Na₂SO₄ 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(16)에서 염소(Cl₂)가스의 발생을 억제할 수 있다.

전술한 탈염전기투석장치(16)에서 미네랄수를 탈염한 염수는 소금제조공정으로 보내고, 1가 이온(NaCl 및 KCl)이 탈염된 미네랄수는 미네랄밸런스 조정조(27)로 보낸다.

NaCl이 탈염처리된 미네랄수는 칼슘(CaSO₄, CaCO₃), 마그네슘(MgSO₄, MgCl₂), 칼륨(KCl) 및 기타 미량 미네랄성분이 다량 함유되어 있기 때문에 농업용, 양어용 등으로 사용은 지장이 없기 때문에 액상의 미네랄염 제품으로 포장하여 검사 후 제품화한다.

그리고 농업용으로 미네랄염을 사용하는 경우에는 미네랄밸런스의 조정과 황산 이온(SO₄ ^2-)을 제거할 필요가 없기 때문에 미네랄밸런스조정공정과 농축 및 황산 이온제거공정을 생략하고, NaCl탈염처리공정에서 NaCl이 탈염된 미네랄수를 증발 및 미네랄염석출공정으로 보내어 처리한다.

Ⅳ. 미네랄밸런스조정공정

NaCl성분이 탈염처리된 미네랄수가 미네랄밸런스조정공정의 미네랄밸런스 조정조(27)에 유입되면 소금제조공정에서 배출되는 CaSO₄나 CaCl₂ 인 칼슘염을 Ca/Mg의 중량비(重量比)가 0.8∼3.5의 범위로 주입하면서 미네랄밸런스 조정조 교반기(28)로 20∼60분간 교반하면서 용해혼합한 다음, 미네랄수 이송펌프(29)로 농축 및 황산 이온제거공정의 탈미네랄실(37)에 공급한다.

해양 심층수 중에 함유된 미네랄성분은 표 1에서 보는 바와 같이 Ca/Mg의 중량비는 약 0.35인데 반해서, 육상의 대부분의 동물들은 마그네슘(Mg)에 비해서 칼 슘(Ca)의 섭취요구량이 많으며, 특히 미네랄성분 중에서 칼슘이 부족하면 골다공증이 유발될 수 있으며, 칼슘(Ca)이 섭취부족이 제일 문제시되고 있으며, 성인의 경우 필요한 칼슘 섭취량은 600~700㎎/일이며, 마그네슘은 250~320㎎/일로 칼슘과 마그네슘을 밸런스가 2.1∼2.4：1의 비율로 섭취하는 것이 중요하다.

그리고 음료수의 경우 좋은 물맛의 지수(OI)인 (Ca + K + SiO₂) / (Mg + SO₄ ^2-)의 비가 2.0 이상인 물이 맛이 좋으며, 건강의 지수(KI)인 Ca- 0.87Na의 값이 5.2 이상인 물이 건강에 좋은 것으로 알려져 있다.

그러나 해양 심층수의 NaCl의 농도가 높으면서 마그네슘(MgCl₂와 MgSO₄)의 농도가 칼슘(Ca) 염에 비해서 높게 함유되어 있는 문제점이 있기 때문에 미네랄을 식품에 혼합하거나, 음료수에 미네랄조정액으로 사용하기 위해서는 Ca/Mg의 중량비가 2.0 이상이 되면서 황산 이온(SO₄ ^{2 -})의 농도가 낮게 제거한 미네랄염이 바람직 하지만, 표 1에서 보는 바와 같이 해양 심층수에는 Ca/Mg의 무게 비가 0.35이면서 황산 이온의 농도가 약 2,800㎎/ℓ정도로 높게 존재하기 때문에 Ca/Mg의 미네랄밸런스의 조정과 황산 이온을 최대한 제거한 미네랄염을 만들어야만 식품이나 음료수조정제로 사용할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 사용목적에 따라서 Ca/Mg의 밸런스를 0.8∼3.5의 범위가 되게 소금제조공정에서 배출되는 CaSO₄나 정제된 CaCl₂와 같은 칼슘염을 주입하여 조정한다.

음료수제조공정에 미네랄조정제(액), 사료첨가제나 식품첨가제로 사용하는 경우는 Ca/Mg의 중량비가 2.0∼3.5의 범위로 조정하며, 농업용으로 사용하는 경우는 0.8∼1.2의 비율로 조정한다.

교반방법은 교반시간(체류시간)을 20∼60분간, 180∼360RPM(회전속도)의 프로펠러 교반기(Propeller Agitator)로 교반하며, 재질은 내염성 재질인 SUS-316L, 티타늄(Titanium), 브론즈(Bronze) 합금을 사용한다.

Ⅴ. 농축 및 황산 이온제거공정

미네랄밸런스 조정조(27)의 미네랄밸런스가 조정된 미네랄수는 미네랄수 이송펌프(29)로, 양이온교환막(36)은 1가 및 2가 이상 다가(多價)의 양이온 모두를 투과하는 양이온 선택교환격막(36)을 사용하고, 음이온 교환막은 탈염 전기투석장치(15)에서와 같이 1가 음이온만을 선택적으로 투과하는 1가 음이온선택교환격막(35)을 양극(31)과 음극(32) 사이에 교호적으로 일열로 다단을 설치한 미네랄농축 및 황산 이온제거 전기투석장치(30)의 탈미네랄실(37)에 공급하면서, 탈황산이온미네랄수 저장조(39)의 탈황산이온미네랄수를 탈황산이온미네랄수 이송펌프(40)에 의해 미네랄 농축실(38)로 공급하여 탈황산이온미네랄수 저장조(39)로 순환하면서 정류기(41)로부터 직류전류를 인가하면, 미네랄수 중 Ca^{2 +}와 잔류 Na⁺, K⁺와 같은 양이온 모두가 양이온선택교환막(36)을 통과하여 음극(31) 쪽의 미네랄염농축실(38)로 이동하며, 음이온은 1가 음이온선택교환격막(35)을 사 용하였기 때문에 황산 이온(SO₄ ^2-)과 같은 2가 이상의 다가 이온은 1가 음이온선택교환격막(35)을 통과하지 못하고 1가 음이온(Cl)만 1가 음이온선택교환격막(35)을 통과하여 양극(31) 쪽의 미네랄염농축실(38)로 이동하면서 미네랄염은 농축되면서 미네랄수 중 황산 이온은 제거하게 된다.

NaCl을 탈염처리한 미네랄수 중에는 황산 이온과 결합한 MgSO₄, CaSO₄와 같은 황산염이 존재하지만 양이온교환막(36)은 모든 양이온을 투과하는 양이교환막을 사용하고, 음이온교환막은 1가 음이온만을 선택적으로 투과하는 음이온교환막을 양극(31)과 음극(32) 사이에 교호적으로 일열로 다단을 설치한 이온교환막 전기투석장치에서는 황산 이온은 음이온교환막을 투과하기 어렵기 때문에 탈미네랄실(37)에 남으므로, 미네랄염농축실(38)에서는 황산 이온이 적기 때문에 칼슘 이온(Ca^{2 +})은 여분의 염소 이온(Cl^-)과 결합하여 염화칼슘(CaCl₂)이 된다.

이와 같이 함수의 조성이 변화하는 이유는, 이온 교환막 전기투석법에 의한 미네랄수의 농축은 1가 음이온선택교환막을 SO₄ ^{2 -}이온이 통과하기 어렵기 때문이며, 이와 같은 현상을 이온의 선택투과성(選透過性)이라고 한다.

미네랄밸런스가 조정된 미네랄수가 미네랄수 이송펌프(29)에 의해서 탈미네랄실(37)로 공급하여 미네랄밸런스 조정조(27)로 반송하면서, 탈황산이온미네랄수 저장조(39)의 탈황산이온수를 탈황산이온미네랄수 이송펌프(40)로 미네랄 농축실(38)에 공급하여 탈황산이온미네랄수 저장조(39)로 순환하면서 정류기(41)로부터 직류전류를 인가하면 탈미네랄실(37)의 미네랄수 중의 모든 양이온은 전기적인 인력(引力)에 의해서 양이온선택교환 격막(36)을 투과하여 음극(32) 쪽의 미네랄 농축실(38)로 이동하고, 음이온은 황산이온과 같은 2가 이상의 이온을 제외한 1가 음이온만 선택적으로 미네랄 농축실(38)로 이동하여 미네랄수 중 미네랄성분과 1가 음이온이 제거되어 전기전도율이 6∼12㎳/㎝로 떨어 지면 전기전도율지시제어기(ECIS; Electric conductivity indicating switch)에 의해 솔레노이드 밸브(ⓢ)를 작동하여 함황산이온수는 방류하고, 미네랄 농축실(38)로 미네랄염이 분리농축되어 탈황산이온미네랄수 저장조(39)의 보매도비중이 18∼22°Be 범위로 농축되면 보메도비중지시제어기(BIS; Baume indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 첨가제 혼합조(42)로 보낸다.

그리고 탈황산이온미네랄수 저장조(39)의 수위가 떨어지면 음용수제조공정의 탈염수를 용수로 탈황산이온미네랄수 저장조(39)에 설치된 수위 제어기(LS)에 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해 공급한다.

상술한 미네랄농축 및 황산 이온제거 이온교환막전기투석법의 경우는 해양 심층수의 농축에서는, 해양 심층수 중의 Na⁺, K⁺, Ca^{2 +}, Mg^{2 +} 등의 모든 양이온은 양이온교환막을 통과하며, Cl^-, Br^-, SO₄ ^{2 -} 등의 음이온 중에서 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 제외한 1가 음이온만 선택적으로 교환 막을 통과하는 것에 의해서 미네랄 염은 농축되 며, 이온의 크기가 큰 황산 이온(SO₄ ^{2 -})은 통과하기 어렵기 때문에 황산 이온농도는 낮게 되어 남은 Ca^{2 +}이온은 염화물이온(Cl^-)과 다음 ⑥식과 같은 복분해(複分解; double decomposition)반응이 일어나 염화칼슘(CaCl₂)이 생성되는 특징이 있다.

CaSO₄ + MgCl₂ → CaCl₂ + MgSO₄ ………………………………⑥

농축 및 황산이온제거공정의 전기투석장치(30)의 양극(31)도 내식성(耐蝕性) 재질이면서 수소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용하여 음극실(34)를 통과한 용액을 주입하여 양극(31) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(32)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니니켈(Ranney nickel)이나 스테인레스 스틸(Stainless steel) 강판을 사용하고, 음극실(34)에 가장 인접한 양이온교환격막은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜)이나 1가 음이온투과격막을 이용하는 것에 의해서 음극(32) 표면에서의 수소 이온의 발생량을 저감하도록하여 전력효율의 향상과 악취발생이 저감토록 하는 것이 좋다.

그리고 미네랄염농축실(38)에서 스케일 생성에 의해서 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기(41)에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 부착된 스케일을 탈리(脫離) 시키도록 한다.

전극실의 전해질 용액은 음극실(34)로 공급하여 배출되는 전해질 용액을 양극실(33)에 공급하며, 음극실(34)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해양 심 층수 원수를 이용할 수 있으나, 3∼10wt%의 Na₂SO₄ 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(31)에서 염소(Cl₂)가스의 발생을 억제할 수 있다.

미네랄농축 및 황산 이온제거 전기투석장치(30)도 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 확산층의 두께에 반비례하므로, 확산층의 두께가 일정한 경우, 배수되는 함황산이온수 중의 염류 농도와 탈황산농축미네랄수의 염류 농도에 의해 좌우되므로, 본 발명에서는 양이온선택교환격막(36)과 1가 음이온선택교환격막(35)을 양극(31)과 음극(32) 사이에 교대로 배열한 탈미네랄실(37)과 미네랄염농축실(38)을 형성하는 전기투석장치(30)에 미네랄수는 미네랄수 이송펌프(29)로 탈미네랄실(37)에 보내어 탈미네랄 후 일부는 순환하며, 탈황산이온농축미네랄수는 탈황산이온미네랄수 이송펌프(40)에 의해 미네랄염농축실(38)로 보내어 순환함으로써 미네랄염농축효율을 향상하면서 미네랄염 농축실(38)에서 스케일성분이 생성되지 않도록 미네랄염농축실(38)에 통수하는 탈황산이온농축미네랄수를 다량으로 공급하면, 스케일 트러블을 확실히 방지할 수 있으며, 미네랄염농축실(38)에 미네랄염 농도가 높은 탈황산농축미네랄수를 공급함으로써 전류의 액저항(液抵抗) 적어지므로 한계전류밀도를 높일 수 있으므로, 미네랄농축 및 황산 이온제거 전기투석 장치(30)의 처리성능을 향상시킬 수 있다.

그리고 미네랄농축 및 황산 이온제거 전기투석장치(30)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트 러블을 억제하기 위해서는 탈미네랄실(37)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10~30 ㎝/초 범위로 미네랄수를 미네랄밸런스조정조(27)로 반송하며, 미네랄염농축실(38)에 공급하는 농축염수의 유량은 막면선속도가 1~3 cm/초 범위가 유지되도록 탈황산이온농축미네랄수를 탈황산이온 미네랄수 저장조조(39)로 반송한다.

본 발명에서 사용하는 양이온교환막(36)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)인 모든 양이온을 투과할 수 있는 막을 사용하고, 음이온교환막(26)은 상술한 NaCl탈염처리공정의 탈염 전기투석장치(15)의 1가 음이온선택교환격막(20)과 동일한 것을 사용한다.

Ⅵ. 첨가제혼합공정

무기물(無機物) 상태의 미네랄염은 섭취를 하였을 흡수효율이 낮기 때문에 유기착화합물을 생성할 수 있으면서 인체에 무해한 트레할로스(Trehalose, α-D-glucopyranosyl α-D-glucopyanoside)와 아스코르브산(Ascorbic acid), 젖산(Lactic acid)과 같은 유기물질을 공급하여 유기미네랄염의 상태로 제조한다.

미네랄수 중 황산이온(SO₄ ^2-)이 제거된 농축한 미네랄수는 첨가제 혼합공정의 첨가제 혼합조(42)에 유입되면 트레할로스(Trehalose)를 미네랄수 중의 총미네랄함량에 0.3∼5wt%범위로 주입하고, 젖산(Lactic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 글루콘산(Gluconic acid) 중에서 단독 또는 2종류 이상 혼합한 5∼40wt%의 수용액을 첨가제 혼합조교반기(43)로 0.5∼2시간동안 교반하면서 pH가 4.5∼5.5의 범위로 첨가한 다음 증발탑 미네랄수 공급펌프(44)로 증발탑(47 또는 55)으로 보낸다.

예를 들어 칼슘미네랄의 경우 젖산과 반응은 다음 ⑦의 반응식과 같이 반응하여 유기미네랄염을 샐성한다

Ca²⁺ + 2CH₂CHOHCOOH →Ca(CH₃CHOHCOO)₂ + 2H⁺ ……………………⑦…

교반방법은 프로펠러 교반기로 교반시간(체류시간)을 0.5∼2시간, 회전속도를 180∼360RPM으로 교반하며, 재질은 내염성 재질인 SUS-316L, 티타늄, 브론즈(Bronze) 합금 중에서 한종류를 사용한다.

Ⅶ. 증발 및 미네랄염의 석출, 탈수, 건조, 포장 및 검사공정

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

증발 및 미네랄염의 석출공정에서 대기공기에 의해서 수분을 증발하는 경우는 첨가제 혼합조(42)에서 미네랄수에 첨가제를 혼합 것을 농축미네랄수 반송수와 함께 대기공기에 의한 증발탑(47) 상부의 분무노즐(48)을 통해 분무하면서 배기 팬 (49)의 작동에 의해서 대기 중의 건조공기가 대기공기에 의한 증발탑(47) 하부로부 터 흡입되어 미네랄수와 향류접촉(向流接觸)하면서 미네랄수 중의 수분이 증발된 후 석출조(35)로 떨어져 상부로 익류하는 익류수는 농축미네랄반송수 저장조(50)로 보낸 다음, 농축미네랄수 반송펌프(51)에 의해 대기공기에 의한 증발탑(47) 상부로 반송하고, 석출된 미네랄염은 석출조(45) 하부로 침전되면 석출조레이크(46)에 의해서 석출조(45) 하부중앙의 콘(Cone) 부분으로 모이면 석출미네랄염이송스쿠루컨베이어(52)에 의해서 탈수공정에 공급하여 탈수여액은 탈수여액 저장조(53)로 보낸 다음. 탈수여액 이송펌프 (54)에 의해서 석출조(45) 센터 웰(Center well)로 반송하며, 탈수처리된 미네랄염은 건조공정으로 보내어 건조 후 포장 및 검사를 한 다음 미네랄염을 제조한다

대기공기에 의한 증발탑(47)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(55)의 공정과 동일하다.

그리고 기온이 낮은 동절기나 습도가 높은 우기에는 첨가제 혼합조(42)에서 미네랄수에 첨가제를 혼합 것을 석출조(45)의 농축미네랄수를 농축미네랄수반송펌프(51)에 의해 반송되는 반송농축미네랄수와 압축공기를 함께 열풍공기에 의한 증발탑(55) 상부로 보내어 분무 노즐(48)을 통해 분무하면서 송풍기(57)에서 공급된 공기가 버너(58)에 의해서 가열한 열교환기(59)를 통해 하부로 공급되면, 열풍공기와 향류접촉(向流接觸)하면서 증발된 수분은 데미스터(56)를 통해서 대기로 방출되고, 증발농축된 농축미네랄수는 석출조(45)의 센터 웰(Center well)로 보내어 석출 된 염이 침전되면 염석출조 레이크(46)에 의해서 하부 중앙 콘 부분으로 모이면 석출미네랄염이송스크루컨베이어(52)에 의해서 탈수공정으로 보내어 탈수된 여액은 탈수여액 저장조(53)로 보내어 탈수여액 이송펌프(54)에 의해서 석출조(45) 센터 웰(Center well)로 반송하며, 탈수처리된 미네랄염은 건조공정으로 보내어 건조 후 포장 및 검사를 한 다음 미네랄염을 제조한다.

열풍공기에 의한 증발탑(55)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(48)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(57)에서 공급되는 열풍공기의 가열은 버너(58)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(55)에서 건조증발은 항율건조(恒率乾燥)만 진행되며, 하부에서 석출조(45)로 배출되는 증발농축된 농축미네랄수의 온도는, 열에 약한 성분이 열 분해되지 않도록 80℃이하가 되게 탑의 높이를 설계한다.

석출조(45)의 익류수가 순환농축미네랄수 저장조(50)로 익류되어 농축미네랄 수 반송펌프(51)의 반송농축미네랄수의 유량은 공급유량(증빌탑 미네랄수공급펌프의 유량)에 2∼4배의 유량으로 한다.

건조증발에 필요한 송풍기(57)에서 공급되는 열풍공기의 유량은 장치출입구의 엔탈피(Enthalpy) 및 물질수지(Material balance)에서 구한 값에 열손실을 5∼10%감안하여 결정한다.

송풍기(57)에서 공급되는 열풍공기의 유량이 결정되면 열풍공기에 의한 증발탑(55)의 탑경(塔徑)은 열풍공기의 유속이 3∼5m/sec의 범위로 한다.

열풍공기에 의한 증발탑(55)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.

석출조(45), 순환농축미네랄수 저장조(50)와 탈수여액 저장조(53) 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.

석출조(45)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.

석출조 레이크(46)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 계 산하여 결정한다.

농축미네랄수 반송펌프(51), 석출미네랄염이송스크루컨베이어(52), 탈수여액이송펌프(54) 및 탈수기의 재질은 티타늄이나 SUS-316L 을 사용하며, 모든 염수배관은 티타늄, SUS-316L 이나 PE(Poly ethylene), PVC(Poly vinyl chlorde) 수지관을 사용한다.

미네랄수는 MgCl₂, CaCl₂가 주성분이며, 기타 미네랄성분은 미량으로 존재하며, 이를 증발농축하여 결정이 석출하기 전(석출 농도는 MgCl₂와 CaCl₂의 농도에 따라서 차이가 있음)에 액상상태의 미네랄염으로 포장하여 검사 후 제품화한다.

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 위생적으로 안전하면서 양질의 미네랄염을 생산할 수 있음으로 앞으로 미네랄염생산에 널리 이용될 수 있는 효과가 있을 것으로 기대된다.

Claims (7)

1. 수심 200m 이하의 해양 심층수로부터 전처리공정, 나노여과 및 역삼투여과공정, NaCl탈염처리공정, 미네랄밸런스조정공정, 농축 및 황산 이온제거공정, 첨가제혼합공정, 증발 및 미네랄염의 석출, 탈수, 건조, 포장 및 검사공정으로 이루어지며, 다음의 각 공정이 순차적으로 이루어지는 미네랄염을 제조하는 방법.

   Ⅰ. 전처리공정

   수심 200m이하에서 취수한 해양 심층수를 20∼30℃로 가온처리한 후 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 한 다음에, 모래여과, 정밀여과, 한외여과를 단독 또는 2종류 이상을 조합한 전처리여과를 하여 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 처리한 것을 1차 나노여과공정으로 보낸다.

   Ⅱ. 나노여과 및 역삼투여과공정

   전 처리된 해양 심층수가 1차 나노여과공정에 유입되면 압력을 15∼20기압(atm)으로 여과 막에 공급하여 여과되지 않은 함황산이온 미네랄수는 미네랄수 저장조(13)로 보내고, 여과된 탈황산이온염수는 역삼투여과공정에 공급되면, 압력을 50∼60기압(atm)으로 여과 막에 공급하며, 염분이 탈염(脫鹽)된 탈염수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과된 미네랄염수는 2차 나노여과공정으로 보내어 압력을 20∼30기압으로 여과 막에 공급하여 1가 이온인 NaCl 및 KCl이 여과된 염수는 소금제조공정으로 보내고, 1가 이온의 염이 탈염되면서 농축된 다가(多價) 이온의 미네랄수는 1차 나노여과공정에서 배출되는 함황산이온미네랄수와 함께 미네랄밸런스조정공정으로 보낸다.

   Ⅲ.NaCl탈염처리공정

   1차 나노여과공정에서 배출되는 함황산이온미네랄수와 2차 나노여과공정에서 배출되는 미네랄수가 미네랄수 저장조(13)에 유입되면 미네랄수 이송펌프(14)에 의해 1가 양이온선택교환격막(21)과 1가 음이온선택교환격막(20)을 양극(16)과 음극(17) 사이에 교호적(交互的)으로 일열로 다단(多段)으로 설치한 탈염 전기투석장치(15)의 탈염실(22)에 공급하여 미네랄수 저장조(13)로 반송하면서, 염농축실(23)에는 염수저장조(24)의 염수를 염수 이송펌프(25)에 의해서 순환하면서 양단의 양극실(18)의 양극(16)과 음극실(19)의 음극(17)에 정류기(26)로부터 직류전류를 인가(印加)하여 염농축실(23)에 염분이 이동되어 염수 저장조(24)의 보메도 비중이 18∼20°Be범위로 농축된 염수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해서 소금제조공정으로 보내고, 탈염실(22)의 미네랄수 중 염류의 농도가 400∼800㎎/ℓ범위로 탈염처리되면 탈염 미네랄수는 전기전도율지시제어기(ECIS)에 의해서 솔레노이드밸브(Solenoid valve; ⓢ)를 작동하여 미네랄밸런스 조정조(27)로 보낸다.

   Ⅳ. 미네랄밸런스조정공정

   NaCl성분이 탈염처리된 미네랄수가 미네랄밸런스조정공정의 미네랄밸런스 조정조(27)에 유입되면 소금제조공정에서 배출되는 CaSO₄나 CaCl₂ 인 칼슘염을 Ca/Mg의 중량비(重量比)가 0.8∼3.5의 범위로 주입하면서 미네랄밸런스 조정조 교반기(28)로 20∼60분간 교반하면서 용해혼합한 다음, 미네랄수 이송펌프(29)로 농축 및 황산 이온제거공정의 탈미네랄실(37)에 공급한다.

   Ⅴ. 농축 및 황산 이온제거공정

   미네랄밸런스가 조정된 미네랄수가 미네랄수 이송펌프(29)에 의해서 탈미네랄실(37)로 공급하여 미네랄밸런스 조정조(27)로 반송하면서, 탈황산이온미네랄수 저장조(39)의 탈황산이온수를 탈황산이온미네랄수 이송펌프(40)로 미네랄 농축실(38)에 공급하여 탈황산이온미네랄수 저장조(39)로 순환하면서 정류기(41)로부터 직류전류를 인가하면 탈미네랄실(37)의 미네랄수 중의 모든 양이온은 전기적인 인력(引力)에 의해서 양이온선택교환격막(36)을 투과하여 음극(32) 쪽의 미네랄 농축실(38)로 이동하고, 2가 이상의 음이온을 제외한 1가 음이온만 선택적으로 미네랄 농축실(38)로 이동하여 미네랄수 중 미네랄성분과 1가 음이온이 제거되어 전기전도율이 6∼12㎳/㎝로 떨어 지면 전기전도율지시제어기(ECIS)에 의해 솔레노이드 밸브(ⓢ)를 작동하여 함황산이온수는 방류하고, 미네랄 농축실(38)로 미네랄염이 분리농축되어 탈황산이온미네랄수 저장조(39)의 보매도비중이 18∼22°Be 범위로 농축되면 보메도비중지시제어기(BIS; Baume indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 첨가제 혼합조(42)로 보낸다.

   Ⅵ. 첨가제혼합공정

   미네랄수 중 황산이온(SO₄ ^2-)이 제거된 농축한 미네랄수가 첨가제 혼합공정의 첨가제 혼합조(42)에 유입되면 트레할로스(Trehalose)를 미네랄수 중의 총미네랄함량에 0.3∼5wt%범위로 주입하고, 젖산(Lactic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 글루콘산(Gluconic acid) 중에서 단독 또는 2종류 이상 혼합한 5∼40wt%의 수용액을 첨가제 혼합조교반기(43)로 0.5∼2시간동안 교반하면서 pH가 4.5∼5.5의 범위로 첨가한 다음 증발탑 미네랄수 공급펌프(44)로 증발탑(47 또는 55)으로 보낸다.

   Ⅶ. 증발 및 미네랄염의 석출, 탈수, 건조, 포장 및 검사공정

   첨가제 혼합조(42)에서 미네랄수에 첨가제를 혼합 것을 농축미네랄수 반송수와 함께 대기공기에 의한 증발탑(47) 상부의 분무노즐(48)을 통해 분무하면서 배기 팬 (49)의 작동에 의해서 대기 중의 건조공기가 대기공기에 의한 증발탑(47) 하부로부터 흡입되어 미네랄수와 향류접촉(向流接觸)하면서 미네랄수 중의 수분이 증발된 후 석출조(35)로 떨어져 상부로 익류하는 익류수는 농축미네랄반송수 저장조(50)로 보낸 다음, 농축미네랄수 반송펌프(51)에 의해 대기공기에 의한 증발탑(47) 상부로 반송하고, 석출된 미네랄염은 석출조(45) 하부로 침전되면 석출조레이크(46)에 의해서 석출조(45) 하부중앙의 콘(Cone) 부분으로 모이면 석출미네랄염이송스쿠루컨베이어(52)에 의해서 탈수공정에 공급하여 탈수여액은 탈수여액 저장조(53)로 보낸 다음. 탈수여액 이송펌프 (54)에 의해서 석출조(45) 센터 웰(Center well)로 반송하면서, 탈수처리된 미네랄염은 건조공정으로 보내어 건조 후 포장 및 검사를 하여 미네랄염을 제조한다.
2. 제1항에 있어서, 기온이 낮은 동절기나 습도가 높은 우기에는 대기공기에 의한 증발탑(47) 시스템 대신 첨가제 혼합조(42)에서 미네랄수에 첨가제를 혼합 것을 석출조(45)의 농축미네랄수를 농축미네랄수반송펌프(51)에 의해 반송되는 반송농축미네랄수와 압축공기를 함께 열풍공기에 의한 증발탑(55) 상부로 보내어 분무 노즐(48)을 통해 분무하면서 송풍기(57)에서 공급된 공기가 버너(58)에 의해서 가열한 열교환기(59)를 통해 하부로 공급되면, 열풍공기와 향류접촉(向流接觸)하면서 증발된 수분은 데미스터(56)를 통해서 대기로 방출되고, 증발농축된 농축미네랄수는 석출조(45)의 센터 웰(Center well)로 보내어 석출된 염이 침전되면 염석출조 레이크(46)에 의해서 하부 중앙 콘 부분으로 모이면 석출미네랄염이송스크루컨베이어(52)에 의해서 탈수공정으로 보내어 탈수된 여액은 탈수여액 저장조(53)로 보내어 탈수여액 이송펌프(54)에 의해서 석출조(45) 센터 웰(Center well)로 반송하며, 탈수처리된 미네랄염은 건조공정으로 보내어 건조 후 포장 및 검사를 한 다음 미네랄염을 제조하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 농업용으로 미네랄염을 사용하는 경우에는 NaCl탈염처리공정에서 NaCl이 탈염된 미네랄수를 증발 및 미네랄염석출공정으로 보내어 미네랄염을 제조하는 방법.
4. 제1항에 있어서, NaCl이 탈염처리된 미네랄수를 액상의 미네랄염으로 제조하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 증발 및 미네랄의 석출공정에서 미네랄수를 증발농축하여 결정이 석출하기 전에 액상상태의 미네랄염을 제조하는 방법.
6. 제2항에 있어서, 증발 및 미네랄의 석출공정에서 미네랄수를 증발농축하여 결정이 석출하기 전에 액상상태의 미네랄염을 제조하는 방법.
7. 제2항에 있어서, 농업용으로 미네랄염을 사용하는 경우에는 NaCl탈염처리공정에서 NaCl이 탈염된 미네랄수를 증발 및 미네랄염 석출공정으로 보내어 미네랄염을 제조하는 방법.

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