KR100863893B1 - 광천수와 해양 심층수로부터 음료수를 제조하는 방법 - Google Patents

광천수와 해양 심층수로부터 음료수를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음료수를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하 암반에서 취수한 광천수에 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수에 함유된 미네랄성분으로 경도를 조정하여 음료수를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 가온 및 전처리여과를 한 다음에, 나노여과공정에서 미네랄 염수를 농축한 것을 전기투석장치에 의해서 NaCl과 KCl의 1가 염을 탈염처리한 미네랄 수에 칼슘제를 주입하여 미네랄밸런스를 조정한 것에 비환원성 이당류(非還元性二糖類)인 트레할로스(Trehalose)나 자당(蔗糖)을 주입하여 미네랄조정제를 제조하여, 지하광천수를 취수하여 모래여과, 활성탄여과, 정밀여과를 한 여과수의 경도를 조정하여 물 분자 집단의 소집단화처리, 살균처리를 하여 음료수를 제조하는 공정으로 이루어진 것에 특징이 있다.
광천수, 해양 심층수, 음료수, 나노여과, 전기투석장치, 미네랄조정제, 비환원성 이당류(非還元性二糖類), 소집단화처리

Description

광천수와 해양 심층수로부터 음료수를 제조하는 방법{A method to produce drinking water from a mineral water and deep-ocean water}
제1도는 음료수를 제조하는 공정도
제2도는 탈염처리 공정도
제3도는 경도조정 및 물 분자 집단을 소집단화처리공정도
제4도는 물 분자 집단체(集團體)의 모형도
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1; 미네랄 염수 저장조 2; 미네랄 염수 이송펌프
3; 전기투석장치 4; 양극
5; 음극 6; 양극실
7; 음극실 8; 음이온교환막
9; 1가 양이온선택교환막 10; 탈염실
11; 염농축실 12; 염수 저장조
13; 염수 이송펌프 14; 정류기
15; 미네랄밸런스 조정조 16; 미네랄밸런스 조정조 교반기
17; 미네랄조정제 이송펌프 18; 경도 조정조
19; 경도 조정조 교반기 20; 전자처리수조 공급펌프
21; 전자처리수조(電子處理水槽) 22; 전극
23; 절연체(絶緣體) 24; 스테인리스강판(導體)
25; 기초 콘크리트구조물 26; 접지
27; 정전압(靜電壓)발생장치(Electron charger)
27a; 변압기 27b; 가변저항
27c; 1차 권선 27d; 철심
27e; 2차 권선 27f; 접지
27g; 출력선 27h; 절연처리 단말
28; 중간처리수 저장조 29; 자화기 공급펌프
30; 자화기 31; 처리수 저장조
32; 처리수 이송펌프
ⓢ; 솔레노이드밸브(Solenoid valve) M; 모터(Motor)
FI; 유량지시계(Flow indicator)
pHI; 수소 이온농도지시계(pH indicator)
pHIS; 수소이온농도지시제어기(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)
본 발명은 음료수를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 가온 및 전처리여과를 한 다음에, 나노여과공정에서 미네랄 염수를 농축한 것을 전기투석장치에 의해서 NaCl과 KCl의 1가 염을 탈염처리한 미네랄 수에 칼슘제를 주입하여 미네랄밸런스를 조정한 것에 비환원성 이당류(非還元性二糖類)인 트레할로스(Trehalose)나 자당(蔗糖)을 주입하여 미네랄조정제를 제조하여, 지하광천수를 취수하여 모래여과, 활성탄여과, 정밀여과를 한 여과수에 경도를 조정하여 물 분자 집단의 소집단화처리, 살균처리를 하여 음료수를 제조하는 방법에 관한 것이다.
해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 음용수와 소금을 생산하는 공정에서 역삼투 여과공정에서 스케일이 생성되는 성분인 CaSO4성분을 제거하기 위해서 역삼투 여과공정의 전단에 황산 이온을 제거하기 위해 나노여과에 의해서 황산 이온을 함유한 농축된 미네랄 염수를 해역으로 방류하여 버리는 데, 이 농축된 미네랄 염수 중에는 인체에 유용한 미네랄성분이 다량 함유되어 있기 때문에, 본 발명에서는 버리는 농축된 미네랄 염수를 이용하여 건강에 좋은 음료수를 제조하는 방법을 제시코자 한다.
해양 심층수와 표층해수에 함유된 주요성분의 분석 치는 다음 표1과 같다.
표 1 해양 심층수와 표층해수의 주요성분 분석 치
구분 울릉도 현포 일본 고지현 무로도(高知縣室戶)
650m해양 심층수 표층해수 374m 해양 심층수 표층해수
일 반 항 목 수온(℃) 0.5 23 11.5 20.3
pH 7.98 8.15
DO 용존산소(㎎/ℓ) 6 8 7.80 8.91
TOC 유기 탄소(㎎/ℓ) - - 0.962 1.780
CODMn(㎎/ℓ) 0.2 0.6 - -
용해성 용발잔류물(㎎/ℓ) 47,750 37,590
M-알칼리도(㎎/ℓ) 114.7 110.5
주 요 원 소 Cl 염화물이온(wt%) NaCl로 3.41 NaCl로 3.45 2.237 2.192
Na 나트륨 (wt%) 1.080 1.030
Mg 마그네슘 (㎎/ℓ) 1,320 1,280 1,300 1,310
Ca 칼슘(㎎/ℓ) 393 403 456 441
K 칼륨(㎎/ℓ) 380 414 399
Br 취소(㎎/ℓ) 68.8 68.1
Sr 스트론튬(㎎/ℓ) 7.77 7.61
B 붕소(㎎/ℓ) 4.44 4.48
Ba 바륨(㎎/ℓ) 0.044 0.025
F 불소(㎎/ℓ) 0.53 0.56
SO4 2-(㎎/ℓ) 2,833 2,627
영 양 염 류 NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ) 0.05 0.03
NO3 -질산태질소(㎎/ℓ) 0.28 0.04 1.158 0.081
PO4 3-인산태인(㎎/ℓ) 0.06 0.012 0.177 0.028
Si 규소(㎎/ℓ) 2.8 0.44 1.89 0.32
미 량 원 소 Pb 납(㎍/ℓ) 0.11 0.102 0.087
Cd 카드뮴(㎍/ℓ) 0.05 0.028 0.008
Cu 구리(㎍/ℓ) 0.26 0.153 0.272
Fe 철(㎍/ℓ) 0.217 0.355
Mn 망간(㎍/ℓ) 0.265 0.313
Ni 니켈(㎍/ℓ) 0.36 0.387 0.496
Zn 아연(㎍/ℓ) 0.45 0.624 0.452
As 비소(㎍/ℓ) 0.04 1.051 0.440
Mo 몰리브덴(㎍/ℓ) 5.095 5.565
Cr 크롬(㎍/ℓ) 0.021
균 수 생균수(개/㎖) - 520 - 540
대장균수(개/㎖) 음성 음성 음성 음성
표1에서 보는 바와 같이 해양 심층수는 표층해수에 비해서 온도가 낮은 저온성, 인산·규소·질산성 질소 등의 영양염류의 농도가 높은 부영양성, 환경오염물질, 부유물질과 현탁물질의 농도가 낮으면서 미생물의 농도가 낮은 청정성, 인체에 유용한 다종다양한 미네랄성분이 함유되어 있는 등의 특성이 있다.
일반적으로 먹는 물은 수돗물이나 우물(Well)을 이용하고 있는 실정에 있으며, 수돗물의 경우는 유리염소, THM(Trihalomethanes)과 같은 인체에 유해한 물질이 함유되어 있는 문제점이 있으며, 우물의 경우는 세균 및 여러 유해물질이 오염될 수 있는 문제점이 있다.
해양 심층수에 함유되어 있는 미네랄성분으로 광천수에 경도(硬度)를 조정하여 음료수를 제조하는 경우에 유의해야 할 사항을 검토하면 다음과 같다.
① 해양 심층수에 함유되어 있는 미네랄성분 중에는 NaCl과 KCl이 과량으로 함유되어 있기 때문에 NaCl과 KCl은 탈염처리를 하여야 한다.
② 해양 심층수에는 붕소화합물이 음용수 기준치인 0.3㎎/ℓ보다 월등히 높은 4∼5㎎/ℓ정도로 함유되어 있으며, 붕소는 이온반경이 0.23Å 정도로 입자의 크기가 적기 때문에 단순한 나노여과 및 역삼투 여과에 의해서는 음료수 처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려우며, 해리정수(解離定數) pKa의 값이 9 정도로 해수 중에서는 거의 비해리(非解離) 상태로 존재하며, 이온상태로는 거의 존재하지 않기 때문에 전기투석법에 의해서도 음료수 처리기준치인 0.3㎎/ℓ이하로 처리되지 않기 때문에, 붕소의 농도를 0.3㎎/ℓ이하가 될 수 있는 방법을 강구해야 한다.
③ 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg)의 미네랄밸런스가 중량비로 Ca/Mg의 비가 2∼6의 범위가 바람직한데, 해양 심층수에는 표1에서 보는 바와 같이 Ca/Mg의 중량비가 0.35 비율로 마그네슘(Mg)의 함량이 칼슘(Ca) 함량에 비해서 높게 존재하기 때문에 미네랄밸런스를 조정할 필요가 있다.
식품이나 음료용수에 미네랄성분의 칼슘(K)은 신맛을 나게 하며, 마그네슘(Mg)은 쓴맛을 나게 하여 맛을 떨어뜨리는 반면에 칼슘(Ca) 맛을 부드럽게 하여 맛을 향상하는 효과가 있다.
먹는 물의 경우 좋은 물맛의 지수(OI)와 건강에 좋은 건강지수(KI)는 다음 식 ①, ②와 같다.
좋은 물맛의 지수(OI) = (Ca + K + SiO2) / (Mg + SO4) ………①
건강의 지수(KI) = Ca - 0.87Na ……………………………………②
물맛이 좋기 위해서는 좋은 물맛의 지수(OI)의 값이 2.0 이상인 물이 맛이 좋으며, 건강에 좋은 물은 건강의 지수(KI)의 값이 5.2 이상인 물이 건강에 좋다.
그래서 본 발명에서는 황산 이온(SO4 2 -)과 나트륨 이온(Na+)의 농도가 낮으면서 Ca/Mg의 중량비가 2.0∼6.0으로 미네랄밸런스(Mineral balance)를 조정한 미네랄조정제를 제조하여 경도를 조정한다.
세계적으로 유명한 명수로 알려진 프랑스(France)의 루르드(Lourdes) 및 에비앙(Evian), 독일의 노르데나우(Nordenau), 인도의 나다나(Nadana), 멕시코의 트라코테(Tlacote) 광천수는 핵자기공명 17O-NMR 반치폭(半値幅)의 값이 60∼70㎐인데 비해서, 일반광천수의 경우는 대부분 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값이 100㎐ 이상이 되며, 수돗물의 경우 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값은 130∼150㎐으로 물맛이 떨어진다.
상술한 명수가 용출되는 지역의 광천수는 자속밀도(磁束密度)가 500가우스(Gauss)이상 착자된 자철광과 마이너스 이온(Minus ion) 및 원적외선을 방사(放射) 하는 광물의 암반에서 용출되는 광천수로 밝혀졌다.
국내 포천시 관인면 고남산에 자철광광구(磁鐵鑛鑛區)에 자속밀도(磁束密度)가 50∼100가우스(Gauss) 범위로 착자(着磁)되어 있는 자철광과 마이너스 이온(Minus ion) 및 원적외선(遠赤外線)을 방사(放射)하는 광물이 매장되어 있는 광산의 광구암반에서 용출되는 암반수의 경우, 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값은 80∼90㎐ 범위로, 수돗물이나 우물물의 핵자기공명 17O-NMR 반치폭이 130∼150㎐에 비해서 낮아 청량감이 우수하면서 물맛이 좋다.
그래서 광천수의 취수지점은 자화된 자철광과 마이너스 이온 및 원적외선을 방사하는 광물이 매장되어 있는 암반에서 취수하여 음료수를 생산하는 것이 바람직하며, 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값을 60㎐ 이하로 처리하는 것이 바람직하다.
물 분자의 집단수(集團數)가 적은 물은 표면장력(表面張力)이 떨어지면서 침투력이 우수하여 청량감이 좋아 물맛을 좋은 특징이 있는 것으로 밝혀져 있다.
물 분자가 수소결합(水素結合)에 의한 집단수의 측정은 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값(㎐)을 측정하여 간접적으로 측정하는 데, 핵자기공명 17O-NMR 값의 약 1/10에 해당하는 값(㎐)이 물 분자 집단수로 밝혀져 있으며, 핵자기공명 17O-NMR 반 치폭(半値幅)의 값이 100㎐인 물의 경우는 약 10개의 물 분자가 집단체(Cluster)로 구성되어 있는 것이다.
해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수는 물 분자의 집단수(集團數)는 고압 하에서 숙성되어 있어, 핵자기공명(NMR) 17O-NMR 반치폭의 값이 70∼80㎐로 소집단화되어있는 특성이 있어 수돗물에 비해서 물맛이 좋다.
해양 심층수와 광천수를 생산하는 종래의 기술로는, 일본 특허공개 제2005-52130호의 경우는, 해양 심층수를 자기 처리하여 활성화한 음료용수를 소정 배합비로 혼합하여 활성화한 미네랄 수인 음료수제조방법이 제시되어 있으나, 미네랄밸런스가 적합하지 않기 때문에 물맛이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명에서 해수의 비중을 나타내는 보메도 비중계(Baume's hydrometer)의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메도 비중계를 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) ………………………………………………③
액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우
d = 144.3/(134.3+°Be) ………………………………………………④
전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch; ECIS)에서 측정되는 전기전도율(Electric conductivity)은 수용액이 전기를 전도하는 정도를 나타내는 지표로서 수중의 염류농도를 나타내는 기준으로 단위는 수용액의 전기저항률의 역수에 상당하는 ㎳/㎝(Siemens/meter)이며, 전기전도도(EC)와 수중의 총가용성염(TSS)과의 관계는 다음 식⑤와 같다.
　TSS(ppm)=640 X EC(㎳/㎝) …………………………………………⑤
그리고 이중의 염분농도(NaCl ppm)는 전기전도율(EC)과의 관계는 다음 식⑥에 의해서 간단히 추정할 수 있다.
염분농도(NaCl ppm) = 552×EC(㎳/㎝)-200 …………………………⑥
전기전도도 값은 국제단위계인 ㎳/m(millisimenss/meter), 또는 ㎲/㎝(microsiemens/centimeter) 단위로 표기하며, ㎳/m = 10㎲/㎝(또는 10μmhos/㎝)이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수에 함유된 다양한 미네랄성분의 미네랄밸런스를 조정한 미네랄조정제로 광천수에 경도를 조정하여 음료수를 제조하는 방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 전처리하는 단계, 농축된 미네랄 염수를 탈염처리하여 미네랄 수에 칼슘제와 첨가제를 주입하여 미네랄조정제를 생산하는 단계, 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계, 광천수에 미네랄조정제를 주입하여 경도를 조정하여 음료수를 제조하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
본 발명은, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 전처리하는 단계, 농축된 미네랄 염수를 탈염처리하여 미네랄 수에 칼슘제와 첨가제를 주입하여 미네랄조정제를 생산하는 단계, 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계, 광천수에 미네랄조정제를 주입하여 경도를 조정하여 음료수를 제조하는 단계로 이루지며, 각 단계는 다음의 각 공정이 순차적으로 이루어지는 음료수를 제조하는 방법으로, 이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
Ⅰ. 해양 심층수를 취수하여 전처리하는 단계
1. 취수 및 가온 처리공정
해양 심층수는, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해저심층에서 취수방법은 선상(船上)에서 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳에 배관을 내려 취수하거나, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳까지 배관을 설치하여 펌프(Pump)로 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳까지 배관을 설치하여 취수정을 해수면보다 낮게 설치하여 사이펀(Siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.
집수조에 취수된 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점도가 높아 여과효율이 떨어지기 때문에 20∼30℃로 가온 처리를 하여 전처리여과공정으로 보낸다.
가온 방법은 보일러(Boiler)에서 열을 공급받거나, 여름철에는 해양 표층수를 이용할 수도 있다.
2. 전처리여과공정
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)에서 막의 막힘(Fouling) 현상이 야기될 수 있는 부유고형물질(SS; Suspended solid)을 제거하여 미네랄조정제를 생산하는 단계의 농축된 미네랄 염수를 생산하는 나노여과기로 보낸다.
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 여과막의 종류에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.
정밀여과 또는 한외여과에서 여과는 나노여과에 공급하는 물의 FI(Fouling index) 값을 2∼4 범위로 처리한다.
FI값은 대상 수중의 미세한 탁질 농도를 나타내는 수치로 다음 식⑦로 표현된다.
FI = (1－T0/T15) × 100/15 …………………………⑦
여기서 T0는 0.45㎛의 정밀여과막을 이용해 시료수를 0.2㎫로 가압 여과했을 때에 최초의 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이며, T15는 T0와 동일한 상태에서 15분간 여과한 후에 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이다.
Ⅱ. 미네랄조정제를 생산하는 단계
1. 농축된 미네랄 염수를 생산하는 공정
전처리여과된 해양 심층수는 나노여과기에 공급하여 여과된 염수인 여과수는 음료수 및 소금제조공정으로 보내고, 여과되지 않고 농축된 미네랄 염수는 탈염공정으로 보낸다.
나노여과의 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 나노여과막의 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 치밀 층(緻密層)으로 되어 있으며, 치밀 층으로부터 막 내부 혹은 한 면의 막을 향해서 서서히 큰 구멍 지름의 미세 구멍을 가지는 비대칭막(非對稱膜)이나, 이러한 비대칭 막의 치밀 층 위에 다른 소재로 형성된 매우 얇은 분리기능 층(分離機能層)을 가지는 복합 막(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 나노여과기로 보내어 여과수인 염수는 해양 심층 음료수 및 소금제조공정으로 보내고, 여과되지 않고 농축된 미네랄 염수는 탈염공정으로 보낸다.
나노여과막에서 이온의 투과순서는 양이온의 경우는 Ca2 +≥Mg2 +＞Li+＞Na+＞K+＞NH4 + 이고, 음이온의 경우는 SO4 2 -≫HCO3 -＞F-＞Cl-＞Br-＞NO3 -＞SiO2 이며, 황산이온(SO4 2 -)의 경우는 Mg2 +와 Ca2 +보다도 투과하기 어렵다.
나노여과공정에서는 해양 심층수 중에 용해되어 있는 1가 염인 NaCl, KCl 및 붕소화합물과 같이 입경이 적은 물질은 쉽게 여과되며, Ca2 +, Mg2 +와 황산 이온(SO4 2-)과 같은 2가 이상의 이온은 입경이 크기 때문에 상당량 여과막을 투과하지 못하고 농축된 미네랄 염수로 배출된다.
본 발 명에서는 이 미네랄 염수를 전기투석에 의한 탈염공정으로 보내어 탈염된 미네랄 수를 생산하여 미네랄조정제(調整劑)의 제조에 사용한다.
나노여과에서 공급압력은 염 농도가 3.5wt%인 해양 심층수의 삼투압 25기압(atm)보다 낮은 15∼20기압(atm)으로 하며, 이때 나선형 막의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 이때 막 투과수량은 유입수량의 70∼80%가 된다.
2. 탈염처리공정
농축된 미네랄 염수에 함유된 NaCl, KCl 및 황산 이온을 탈염처리하는 전기투석장치(3)는 정류기(14)로부터 인가되는 직류전원의 전위차를 구동력으로 하여 이온성 용질을 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 양이온선택교환 막은 1가 이온만 선택적으로 투과하는 1가 양이온선택교환막(9)을 사용하고, 음이온 교환 막은 모든 음이온을 투과하는 음이온교환막(8)을 양극(4)과 음극(5) 사이에 교호적으로 일렬 다단(多段)으로 설치된 전기투석장치(3)를 사용한다.
나노여과에서 여과되지 않고, 농축된 미네랄 염수가 미네랄 염수 저장조(1)에 공급되면 미네랄 염수 이송펌프(2)에 의해 전기투석장치(3)의 탈염실(10)로 공급하여 미네랄 염수 저장조(1)로 순환하고, 염수 저장조(12)의 염수를 염수 이송펌프(13)에 의해서 염농축실(11)로 공급하여 염수 저장조(12)로 순환하면서 정류기(14)로부터 직류전기를 인가하면 미네랄 염수에 함유된 Na+, K+와 같은 1가 양이온은 1가 양이온선택교환막(9)을 투과하여 염농축실(11)로 이동하고, Cl-, SO4 2 -와 같은 모든 음이온은 음이온교환막(8)을 투과하여 염농축실(11)로 이동하게 되어 탈염실(10)의 미네랄 염수에 함유되어 있는 NaCl, KCl 및 황산 이온(SO4 2 -)이 제거하게 된다.
나노여과에서 미네랄 염수가 미네랄 염수 저장조(1)에 공급되면 미네랄 염수 이송펌프(2)로 전기투석장치(3)의 탈염실(10)에 공급하여 미네랄 염수 저장조(1)로 반송하고, 염수 저장조(12)의 염수를 염수 이송펌프(13)로 염농축실(11)에 공급하여 염수 저장조(12)로 반송하면서 정류기(14)로부터 10∼100Volt의 직류전기를 인가한다.
전기투석장치(3)에 정류기(14)로부터 직류전기를 인가하여 탈염실(10)의 미네랄 염수에 함유된 1가 양이온은 1가 양이온선택교환막(9)을 투과하여 염농축실(11)로 이동하고, 황산 이온을 포함한 음이온은 음이온교환막(8)을 투과하여 염농축실(11)로 이동하여 미네랄 염수 용액에 함유된 NaCl과 KCl의 염분 및 황산 이온이 제거되어 미네랄 염수 반송라인에 설치된 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 50∼150㎳/㎝로 떨어지면 솔레노이드밸브(Solenoid valve; ⓢ)를 작동하여 미네랄밸런스조정조(15)로 보낸다.
그리고 염농축실(11)로 염분이 이동하여 염수 저장조(12)의 보메도 비중이 10∼24°Be 범위로 농축된 염수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)로 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.
양이온은 1가 이온만 선택적으로 투과하는 1가 양이온선택교환막(9)과 음이온은 모든 음이온을 투과하는 음이온교환막(8)을 사용한 전기투석장치(3)를 사용하여 미네랄 염수 용액을 염분과 황산 이온을 제거하면, 미네랄 염수 용액 중에는 황산 이온과 결합한 MgSO4, CaSO4와 같은 황산염이 존재하지만, 미네랄 염수를 탈염 및 황산 이온을 제거한 미네랄 수 중에는 황산 이온이 제거되어 황산 이온이 적게 존재하기 때문에 칼슘 이온(Ca2 +)은 여분(餘分)의 염소 이온(Cl-)과 결합하여 염화칼슘(CaCl2)으로 되는 특징이 있다.
CaSO4 + 2NaCl → CaCl2 + Na2SO4 …………………………………………⑧
이와 같이 함수(鹹水)의 조성이 변화하는 이유는, 이온교환막 전기투석법에 의한 탈염과 황산 이온이 제거되는 현상을 이온의 선택투과성(選擇透過性)이라 한다.
그리고 염농축실(11)에서 스케일 생성에 의해서 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기(14)에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 부착된 스케일을 탈리(脫離) 시킬 수 있도록 한다.
전해질 용액은 음극실(6)로 공급하여 배출되는 음극실(6)의 전해질 용액을 양극실(6)에 공급하며, 음극실(7)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해양 심층수 원수를 이용할 수도 있으나, 3∼10wt%의 Na2SO4 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(4)에서 염소(Cl2)가스의 발생을 억제할 수 있다.
그리고 전기투석장치(3)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트러블(Trouble)을 억제하기 위해서는 탈염실(10)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10∼30 ㎝/초 범위로 미네랄 염수 용액을 미네랄 염수 저장조(1)로 반송하며, 염농축실(11)에 공급하는 염수의 유량은 막면선속도가 1∼3㎝/초 범위가 유지되도록 염수 저장조(12)로 반송한다.
전기투석장치(3)에 사용하는 1가 양이온선택교환막(9)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 부하전막(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 막 표면을 수식(修飾)처리된 이온교환막으로, 그래프트 폴리머의 주 사슬이 양이온교환막의 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 양이온교환막으로 구성된 고분자분자구조를 가진 주 사 슬 혹은 측쇄(側鎖)에 1가 양이온만 투과능(透過能)을 가지는 분자구조인 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine), 폴리비닐 아민(Polyethyleneamine) 또는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 막과 같은 1가 양이온선택교환막을 사용할 수 있으며, 특히, 폴리스티렌-디비닐벤젠계의 폴리스티렌-그래프트-에틸렌 이민을 가장 바람직하게 사용할 수 있다.
그리고 음이온교환막(8)은 기재(基材)의 폴리머 사슬(Polymer chain)에 １급으로부터 ３급의 아민(Amine)이나 암모늄기를 막에 고정하여 아미노화(Amination)하여 양이온을 도입한 정하전막(正荷電膜)의 표면을 수식처리하지 않은 막을 사용하여 모든 음이온을 투과할 수 있는 막으로, 이온교환기가 지방족 탄화수소(脂肪族炭化水素)에 의해서 가교(架橋) 되어 있어 막표면부(膜表面部)에는 양이온 교환기를 가지는 고분자물질의 박층(薄層)이 형성되고 있는 음이온교환막으로, 교환기의 도입 모노머(Monomer; 單位體)에 지방족 탄화수소로 가교와 동시에 4급화를 실시한 것이 좋다.
전기투석장치(3)의 양극(4)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 염소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용하며, 양극실 용액은 음극실을 통과한 용액을 주입하여 양극(4) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제되도록 한다.
그리고 음극(5)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니 니켈(Ranney nickel)이나 스테인리스 스틸(Stainless steel) 강판을 사용한다.
음극실(7)에 가장 인접한 양이온교환막은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜) 이나 1가 음이온투과막을 이용하는 것에 의해서 음극(5) 표면에서의 수소 이온(H+)의 발생량을 저감도록하여 전력효율의 향상과 악취발생이 저감 되도록 한다.
3. 칼슘제를 생산하는 공정
미네랄밸런스 조정용 칼슘제는 소뼈(牛骨)와 같은 동물의 뼈, 난각(卵殼), 굴 껍질(牡蠣殼)과 같은 조개 껍질(貝殼), 산호초(珊瑚礁)와 같이 칼슘성분이 많은 재료를 800∼1,200℃로 소성(燒成)한 것을 3∼10wt%의 염산(HCl)에 용해하여 미네랄밸런스조정용의 칼슘제를 만든다.
소뼈와 같은 동물의 뼈의 주성분은 인산칼슘 아파타이트(Apatite)형태로 구성되어 있으며, 계란 껍질(卵殼)의 주성분은 탄산칼슘(CaCO3)으로 구성되어 있으며, 굴 패각(貝殼)과 같은 조개껍질의 경우는 탄산칼슘(CaCO3)이 주성분으로 구성되어 있으면서 소량의 탄산마그네슘(MgCO3)이 함유되어 있다.
전술한 칼슘 소재(素材)를 800∼1,200℃로 소성(燒成)하게 되면 유기물질과 휘발성물질은 열분해 되며, 동물의 뼈의 경우는 수산화인회석(Ca5(PO4)3OH; Calcium phosphate hydroxide)의 형태로 전환되고, 난각(卵殼)이나 패각(貝殼)의 경우는 산화칼슘(CaO) 형태로 전환하여 가용성 칼슘으로 전환된다.
전술한 칼슘소재를 소성온도 800∼1,200℃에서 2∼3시간 동안 소성한 것을 3∼10wt%의 염산(HCl)에 용해하여 미네랄밸런스조정용의 칼슘제를 만든다.
4. 미네랄조정제를 생산하는 공정
미네랄 염수에서 NaCl, KCl과 황산 이온(SO4 2 -)이 탈염된 미네랄 수가 미네랄밸런스 조정조(15)에 공급되면 상술한 칼슘제를 Ca/Mg의 중량(무게)비가 2.0∼6.0의 비율이 되게 공급을 하고, 첨가제는 비환원성 이당류(非還元性二糖類)인 자당(蔗糖; Sucrose)이나 트레할로스(Trehalose, α-D-glucopyranosyl α-D-glucopyanoside)와 무기물(無機物) 상태의 미네랄염과 유기착화합물을 생성할 수 있는 유기산(有機酸)을 다음과 같이 공급한다.
① 비환원성 이당류인 자당(蔗糖)이나 트레할로스(Trehalose) 중에서 한 종류나 두 종류를 혼합한 것을 미네랄 수 중에 함유된 무기 미네랄성분에 0.01∼5wt%범위로 주입한다.
② 착화합물을 생성할 수 있는 유기산은 아스코르브산(Ascorbic acid), 구연산(Citric acid), 호박산(Succinic acid), 초산(Acetic acid), 이타콘산 (Itaconic acid), 주석산(Tartaric acid), 피루브산(Pyruvic acid), 사과산(Malic acid), 푸마르산(Fumaric acid), 시스-아코니틴산(Cis-aconitic acid ), 옥살호박산(Oxalsuccinic acid),α－케토글루타르산(α-Ketoglutaric acid), 카페인산(Caffeic acid), 신남산(Cinnamic acid, Sinapinic acid), 쿠마린산(Coumaric acid), 젖산(Lactic acid), 식초(Vinegar; 현미식초, 사과식초, 포도식초, 매실식초, 감식초), 목초산(Wood vinegar), 아스파라긴산(Aspartic acid), 트레오닌(Threonine), 세린(Serine), 글루타민산(Glutaminic acid), 프롤린(Proline), 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 시스틴(Cystine), 발린(Valine), 이소류 신(Isoleucine), 페닐알라닌(Phenylalanine), 히스티딘(Histidine), 리신(Lysine), 타우린(Taurine), 호스호에타노르아민, 아스파라긴산(Asparaginic acid), 트레오닌(Threonine), 세린(Serine), 프롤린(Proline), 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 페닐알라닌(Phenylalanine), 아미노낙산(Aminobutyric acid), 히스티딘(Histidine), 히드록시리신(Hydroxylysine), 오르니틴(Ornithine)을 단독 또는 2종류 이상 혼합한 것을 무기 미네랄 함량에 10∼50wt%의 비율로 첨가한다.
탈염된 미네랄 수가 미네랄밸런스 조정조(15)에 공급되면 칼슘제와 상술한 첨가제를 주입하고, 미네랄밸런스 조정조 교반기(16)로 0.5∼2시간 동안 교반하여 유기성 미네랄착염 상태의 미네랄조정제를 제조한다.
예를 들어 칼슘 미네랄염의 경우 젖산과 반응은 다음 ⑨의 반응식과 같이 반응하여 유기성 미네랄염인 젖산칼슘이 생성된다.
Ca2 + + 2CH2CHOHCOOH →Ca(CH3CHOHCOO)2 + 2H+ ……………………⑨
교반방법은 프로펠러 교반기로, 교반시간(체류시간)을 0.5∼2시간, 회전속도를 180∼360RPM으로 교반하여 미네랄밸런스조정제인 칼슘제가 완전히 용해되면서 첨가제가 혼합되면 미네랄조정제 이송펌프(17)에 의해서 경도 조정조(18)로 보내어 경도(硬度)를 조정한다. 그리고 잉여분은 미네랄조정제 제품으로 생산한다.
미네랄밸런스 조정조 교반기(16)의 재질은 내염성 재질인 티타늄, 브론즈(Bronze) 합금 중에서 한 종류를 사용한다.
Ⅲ. 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계
1. 광천수의 취수공정
본 발명에서는 전술한 물 분자의 집단체(集團體)가 적은 물을 취수하기 위해서는 자철광(磁鐵鑛)과 마이너스 이온(Minus ion) 및 원적외선을 발생하는 광물이 매장되어 있는 광산(鑛山)의 광구나 이들 광물의 암반(岩盤)을 굴착(掘鑿)하여 취수하는 것이 바람직하며, 취수공의 굴착은 충적층 부위는 250∼300㎜φ구경의 외부 케이싱(Casing)을 설치한 후에 견고한 암반까지 더 굴착하여 200∼300㎜φ구경의 내부 케이싱을 확보하며, 이때 최초 지층 굴착구경은 최초 그라우팅(Grouting) 두께를 확보할 수 있도록 외부 케이싱 구경보다 최소한 100㎜φ이상 크게 굴착한다.
그라우팅은 상부구간 착정(鑿井) 종료 후에 상부로부터 오염된 물의 유입을 방지하기 위해서 케이싱과 착정경(鑿井徑) 사이의 공간에 착정경 저부(低部)에서부터 역 순환식 압력 시멘트 그라우팅을 하며, 이때 그라우팅은 주입 제가 지표로 역류할 때까지 시행하며, 그라우팅 주입 제는 벤토나이트가 2∼4vol% 함유한 시멘트(Cement) 혼합물을 사용한다.
취수정은 그라우팅이 완전히 고결된 후에 150∼250㎜φ범위의 구경으로 하부 대수층까지 굴착한 후에 공 내 TV-카메라 검증을 하여 그라우팅 시공상태, 케이싱 설치상태, 대수층 상태 등을 확인하여 이상이 없으면 수중모터펌프를 설치하고, 취수 량을 자동으로 측정할 수 있는 계측기 및 보호장치를 설치한다.
그리고 취수정에는 감시정(監視井)과 연속 자동계측장치(원수의 수위, 전기진도도, 온도, pH 등)를 설치한다.
상술한 취수정에서 취수된 물은 광천수 저장조로 이송한다.
광천수 저장조는 2개조 이상으로 하며, 밀폐된 뚜껑을 설치하고 살균장치와 에어 필터(Air filter)를 설치한다.
광천수 저장조에 저장된 물은 모래를 충전(充塡)한 여과탑으로 보내어 수중의 고형물질(SS; Suspended solids)을 제거한다.
2. 전처리여과공정
① 모래여과
취수된 광천수 저장조의 광천수 중에 유기물질의 농도가 CODMn의 농도가 2㎎/ℓ 이하로 함유되어 있는 경우는 모래여과탑으로 보내어 수중의 부유고형물질을 제거한 다음, 정밀여과공정으로 보낸다.
그러나 수중에 유기물질의 농도가 CODMn의 농도가 2㎎/ℓ 이상 함유되어 있는 경우는 모래여과를 한 여과수를 활성탄여과탑으로 보낸다.
이때 취수된 광천수의 탁도(濁度)가 2㎎/ℓ이하인 경우는 모래여과는 할 필요가 없다.
모래여과탑에 충전(充塡)하는 모래는 유효경(Effective size)이 0.45∼0.7㎜, 균등계수(Uniformity coefficient)는 1.7 이하로 하고, 최대경은 2.0㎜를 넘지 못하게 하고, 최소경은 0.3㎜ 이하가 되지 않게 하며, 부득이한 경우에도 최대경을 초과하는 것과 최소경 이하인 것을 1% 이하가 되도록 한다.
모래여과탑은 급속여과나 완속여과를 하며, 수중의 고형물질의 양에 따라서 둘 중에서 하나를 선택하며, 급속여과의 경우에는 여과속도를 120∼200m/일, 여층의 두께는 60∼70㎝로 설계하며, 급속여과의 경우에는 여과속도를 4∼5m/일, 여층의 두께는 70∼90㎝로 설계한다.
② 활성탄여과
취수된 광천수에 유기물질의 농도가 CODMn의 농도가 2㎎/ℓ 이상 함유되어 있는 경우는 모래여과된 여과수를 활성탄이 충전된 활성탄여과탑으로 보내어 유기물질을 흡착제거한 다음, 정밀여과기로 보낸다.
활성탄 충전탑(充塡塔)은 선속도 4∼10m/시간으로 하고, 체류시간은 1시간 이상이 되도록 설계를 한다.
이때 취수된 광천수의 탁도(濁度)가 2㎎/ℓ이하이면서 유기물질의 농도가 CODMn의 농도가 2㎎/ℓ이하인 경우는, 모래여과와 활성탄여과를 할 필요가 없기 때문에 취수된 광천수를 경도조정공정의 경도 조정조(18)로 보내어 음료수를 제조한다.
③ 정밀여과
모래여과, 활성탄여과에서 부유고형물질과 유기물질을 제거한 여과수는 한외여과(Ultrafiltration)나 마이크로여과(Micro-filtration)와 같은 정밀여과공정으로 보내어 수중의 고형물질을 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 제거한 다음, 음료수제조단계의 경도조정공정으로 보낸다.
그리고 정밀여과(Micro-filter)와 한외여과(Ultra-filter)는 여과막의 종류 에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.
Ⅳ. 음료수를 제조하는 단계
1. 미네랄조정제로 경도를 조정하는 공정
정밀여과에서 여과된 광천수가 경도 조정조(18)에 공급되면 경도 조정조 교반기(19)로 교반하면서 미네랄조정제를 공급하여 경도를 50∼1,000㎎/ℓ 범위로 조정하여 전자처리수 공급펌프(20)로 전자처리수조(21)로 보낸다.
경도 조정조(18)의 교반방법은 프로펠러 교반기로, 교반시간을 0.5∼2시간, 회전속도를 180∼360RPM으로 교반하며, 경도 조정조 교반기(19)의 재질은 내염성 재질인 티타늄, 브론즈(Bronze) 합금 중에서 한 종류를 사용한다.
취수된 광천수의 경도가 150㎎/ℓ이상 되는 경우는 미네랄조정제를 공급할 필요가 없기 때문에, 미네랄조정제를 경도 조정조(18)에 공급하지 않고 음료수를 제조한다.
취수한 광천수의 핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR의 반치폭(半値幅) 값이 100㎐ 이하인 경우는, 경도 조정조(18)에서 경도를 조정한 용수는 처리수 저장조(31)로 보내어 음료수를 제조한다.
2. 물 분자 집단의 소집단화처리공정
경도를 50∼1,000㎎/ℓ 범위로 조정한 광천수가 전자처리수조 공급펌프(20) 에 의해 물 분자 집단을 소집단화처리공정의 전자처리수조(21)에 공급되면, 정전압발생장치(27)로부터 고압의 교류 정전압을 전극(22)에 3,000∼5,000Volt의 전압과 0.4∼1.6㎂의 전류를 인가하여 전극(22)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(28)로 보내어 자화기 공급펌프(29)로 자화기(30)로 보내어 자화처리를 한 후에 일부는 전자처리수조(21)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)로 처리하여 처리수 저장조(31)로 보내었다가 처리수 이송펌프(32)에 의해 제품생산공정으로 보낸다.
자화기(30)는, 합성수지(PVC, PE, 스티렌 수지 등), 에보나이트 (Ebonite), FRP, 베이클라이트(Bakelite)와 같은 절연성 재료의 원통형 도전관(導電管)에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5Volt의 직류 또는 교류 전원을 인가하여 인가하면 코일의 내부에는 자기장(磁氣場)이 형성되도록 한 정전압도전관 자화기(靜電壓導電管磁化器)나 10,000∼15,000가우스(Gauss) 범위로 착자(着磁)된 영구자석을 사용한다. 이 자기장 내로 물(유체)을 통과하면 물은 소집단수(小集團水)로 처리된다.
중간처리수 저장조(28)에서 자화기 공급펌프(29)로 자화기(30)로 보내어 전자처리수조(21)로 반송하는 유량은 유입수 유량의 1∼4배로 한다.
이와 같이 생성된 소집단수(小集團水)는 약알칼리성의 고유진동수가 높은 고 에너지의 산화환원전위(酸化還元電位; Oxidation Reduction Potential, ORP) 값이 +100∼-200㎷ 범위의 환원수로 처리된다.
정전압발생장치(27)에서 전자처리수조(21)의 전극(22)에 인가전압은 중간처리수 저장조(28)에 설치된 pHI(7.4∼7.8) 및 ORPI(+100㎷ 이하)의 값에 따라서 조정한다.
전자처리수조(21)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(22)의 망을 설치하고, 하부에는 절연체(23)인 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화비닐(PVC), 스티로폼(Styrofoam) 중에서 한 종류를 선택하여 설치하고, 절연체(23) 하부에는 도체이면서 내식성 재질인 스테인리스강판(24)을 기초 콘크리트 구조물(25) 사이에 설치하며, 스테인리스강판(24)은 땅에 접지(26)한다.
그리고 처리수의 용량이 대용량인 경우에는 목탄(木炭)을 충전한 스테인리스 스틸(stainless steel)의 전극(22)의 망이 내장된 전자처리수조(21)를 다단을 설치하여 처리한다.
정전압발생장치(27)의 변압기(20a)는 철심(20d), 1차 권선(20c), 2차 권선(20e), 2차 권선(20e)의 출력선(20g), 2차 코일(20e)의 절연처리 단말(20h)로 구성되어 있으며, 전압 조정기(20b)는 1차 권선(20c)에 접속하며, 2차 권선(20e)의 출력선(20g)은 절연(絶緣)된 절연체(23) 위에 설치된 전자처리수조(21)에 접속한다.
본 발명에서와 같이 고압정전압처리와 자화처리에 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.
3. 제품생산공정
처리수 저장조(31)에 공급된 처리수는 처리수 이송펌프(32)로 살균공정으로 보내어 수중의 미생물을 살균처리 한 다음, 음료수 저장조로 보내었다가 용기에 충전하여 검사 및 포장하여 음료수를 제조한다.
살균처리방법은 자외선살균을 하며, 살균공정은 2개라인(Line) 이상으로 한다.
살균처리된 물은 음료수 저장조로 보내며, 음료수 저장조는 밀폐된 구조로 하며, 공기유통이 필요한 경우에는 에어 필터(Air filter) 및 살균설비를 설치한다.
정수 저장조에 저장된 물은 용기 충전공정으로 보내어 병과 같은 용기에 충전한다.
용기 충전공정의 충전실(充塡室)은 청전실(Clean room)로 하며, 자외선공기살균설비를 설치한다.
검사실은 제조시설과 격리하여 설치하고, 법적으로 필요한 장비와 검사에 필요한 급수시설 및 환기시설을 갖춘다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 해양 심층수와 광천수를 음료수를 제조하는 경우, 해양 심층수에 함유된 미네랄의 특성을 이용하여 미네랄밸런스가 우수한 음료수를 제조할 수 있기 때문에 음료수제조에 널리 이용될 수 있는 효과가 있을 것으로 기대된다.

Claims (5)

  1. 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 전처리하는 단계, 미네랄조정제를 생산하는 단계, 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계, 음료수를 제조하는 단계로 이루지며, 각 단계는 다음의 각 공정이 순차적으로 이루어지는 음료수를 제조하는 방법.
    해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 전처리하는 단계, 농축된 미네랄 염수를 탈염처리하여 미네랄 수에 칼슘제와 첨가제를 주입하여 미네랄조정제를 생산하는 단계, 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계, 광천수에 미네랄조정제를 주입하여 경도를 조정하여 음료수를 제조하는 단계로 이루지며, 각 단계는 다음의 각 공정이 순차적으로 이루어지는 음료수를 제조하는 방법.
    Ⅰ. 해양 심층수를 취수하여 전처리하는 단계
    1. 취수 및 가온 처리공정
    해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 20∼30℃로 가온 처리를 하여 전처리여과공정으로 보낸다.
    2. 전처리여과공정
    전처리여과공정은 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter), 한외여과(限外濾過; Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상을 조합하여 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 여과하여 미네랄조정제를 생산하는 단계의 농축된 미네랄 염수를 생산하는 나노여과기로 보낸다.
    Ⅱ. 미네랄조정제를 생산하는 단계
    1. 농축된 미네랄 염수를 생산하는 공정
    전처리여과된 해양 심층수는 나노여과기에 공급하여 여과된 염수인 여과수는 음료수 및 소금제조공정으로 보내고, 여과되지 않고 농축된 미네랄 염수는 탈염공정으로 보낸다.
    2. 탈염처리공정
    나노여과에서 미네랄 염수가 미네랄 염수 저장조(1)에 공급되면 미네랄 염수 이송펌프(2)로 전기투석장치(3)의 탈염실(10)에 공급하여 미네랄 염수 저장조(1)로 반송하고, 염수 저장조(12)의 염수를 염수 이송펌프(13)로 염농축실(11)에 공급하여 염수 저장조(12)로 반송하면서 정류기(14)로부터 10∼100Volt의 직류전기를 인가하여, 염농축실(11)로 염분이 이동하여 염수 저장조(12)의 보메도 비중이 10∼24°Be 범위로 농축된 염수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)로 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보내면서, 미네랄 염수 용액에 함유된 NaCl과 KCl의 염분 및 황산 이온이 제거되어 미네랄 염수 반송라인에 설치된 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 50∼150㎳/㎝로 떨어지면 솔레노이드밸브(Solenoid valve)를 작동하여 미네랄밸런스 조정조(15)로 보낸다.
    3. 칼슘제를 생산하는 공정
    동물의 뼈, 난각(卵殼), 조개 껍질(貝殼) 또는 산호초(珊瑚礁) 중에서 한 종류를 800∼1,200℃에서 2∼3시간 동안 소성한 것을 3∼10wt%의 염산(HCl)에 용해하여 미네랄밸런스조정용의 칼슘제를 만든다.
    4. 미네랄조정제를 생산하는 공정
    미네랄 염수에 칼슘제를 Ca/Mg의 중량(무게)비가 2.0∼6.0의 비율이 되게 공급을 하고, 첨가제는 비환원성 이당류(非還元性二糖類)인 자당(Sucrose)이나 트레할로스(Trehalose) 중에서 한 종류나 두 종류를 혼합한 것을 미네랄 수 중에 함유된 무기 미네랄성분에 0.01∼5wt%범위로 주입하면서 미네랄 염과 유기착화합물을 생성할 수 있는 유기산(有機酸)을 무기 미네랄 함량에 10∼50wt%의 비율로 첨가하여 미네랄조정제를 제조한다.
    Ⅲ. 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계
    1. 광천수의 취수공정
    암반(岩盤)을 굴착(掘鑿)하여 취수한 광천수는 광천수 저장조로 보내었다가, 모래를 충전(充塡)한 여과탑으로 보낸다.
    2. 전처리여과공정
    취수된 광천수 저장조의 광천수는 모래여과탑으로 보내어 수중의 부유고형물질을 제거한 다음, 수중에 유기물질의 농도가 CODMn의 농도가 2㎎/ℓ 이상 함유되어 있는 경우는 활성탄여과탑으로 보내어 유기물질을 흡착제거한 것을 한외여과(Ultrafiltration)나 마이크로 여과(Micro-filtration)의 정밀여과공정으로 보내어 수중의 고형물질을 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 제거하여 음료수제조단계의 경도조정공정으로 보낸다.
    Ⅳ. 음료수를 제조하는 단계
    1. 미네랄조정제로 경도를 조정하는 공정
    정밀여과에서 여과된 광천수가 경도 조정조(18)에 공급되면 경도 조정조 교반기(19)로 교반하면서 미네랄조정제를 공급하여 경도를 50∼1,000㎎/ℓ 범위로 조정하여 전자처리수 공급펌프(20)로 전자처리수조(21)로 보낸다.
    2. 물 분자 집단의 소집단화처리공정
    경도를 50∼1,000㎎/ℓ 범위로 조정한 광천수가 전자처리수조 공급펌프(20)에 의해 물 분자 집단을 소집단화처리공정의 전자처리수조(21)에 공급하고, 정전압발생장치(27)로부터 고압의 교류 정전압을 전극(22)에 3,000∼5,000Volt의 전압과 0.4∼1.6㎂의 전류를 4∼10시간 동안 인가(印加)한 다음, 중간처리수저장조(28)로 보내어 자화기 공급펌프(29)로 자화기(30)로 보내어 자화처리를 한 후에 전자처리수조(21)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)로 처리하여 처리수 저장조(31)로 보내었다가 처리수 이송펌프(32)에 의해 제품생산공정으로 보낸다.
    3. 제품생산공정
    처리수 저장조(31)에 공급된 처리수는 처리수 이송펌프(32)로 살균공정으로 보내어 수중의 미생물을 살균처리 한 다음, 음료수 저장조로 보내었다가 용기에 충전하여 검사 및 포장하여 음료수를 제조한다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계의 광천수의 취수공정에서 취수한 광천수의 핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR의 반치폭(半値幅) 값이 100㎐ 이하인 경우는, 물 분자 집단의 소집단화처리공정을 생략하고, 미네랄조정제로 경도를 조정하는 공정에서 경도를 50∼1,000㎎/ℓ 범위로 조정한 것을 제품생산공정의 처리수 저장조(31)로 보내어 음료수를 제조하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계의 광천수의 취수공정에서 취수된 광천수에 유기물질농도인 CODMn의 농도가 2㎎/ℓ 이하로 함유되어 있는 경우는, 활성탄여과탑으로 보내는 것을 생략하고, 취수된 광천수 저장조의 광천수를 모래여과탑으로 보내어 수중의 부유고형물질을 제거한 다음, 정밀여과공정으로 보내어 음료수를 제조하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계의 광천수의 취수공정에서 취수된 광천수의 경도가 150㎎/ℓ이상 되는 경우는, 음료수를 제조하는 단계의 미네랄조정제로 경도를 조정하는 공정을 생략하고, 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계의 전처리여과공정에서 수중의 고형물질을 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 제거한 것을 물 분자 집단의 소집단화처리공정의 전자처리수조(21)로 보내어 음료수를 제조하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계의 광천수의 취수공정에서 취수된 광천수의 탁도(濁度)가 2㎎/ℓ이하이면서 유기물질의 농도가 CODMn의 농도가 2㎎/ℓ이하인 경우는, 광천수를 취수하여 전처리를 하는 단계의 전처리여과공정을 생략하고, 취수한 광천수를 음료수를 제조하는 단계의 미네랄조정제로 경도를 조정하는 공정의 경도 조정조(18)로 보내어 음료수를 제조하는 방법.
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