KR100896733B1

KR100896733B1 - 미네랄함량이 높은 목탄의 제조방법과 이를 이용하는 방법

Info

Publication number: KR100896733B1
Application number: KR1020070110903A
Authority: KR
Inventors: 서희동
Original assignee: 서희동
Priority date: 2007-11-01
Filing date: 2007-11-01
Publication date: 2009-05-14
Also published as: KR20090044691A

Abstract

본 발명은 간수(Bittern)를 이용하여 미네랄(Mineral)함량이 높은 목탄(木炭)을 제조하는 방법과 이를 이용하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수를 농축하여 소금을 제조하면서 생산되는 간수를 목재에 함침(含浸)한 다음에 탄화하여 미네랄함량이 높은 목탄을 제조하는 방법과 이를 음료수나 알코올음료 등에 공급하여 이용하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 목재를 벌채하여 해수를 농축하여 소금을 제조하면서 생산되는 간수에 염화칼슘(CaCl₂)을 주입하여 Ca/Mg의 중량비가 2∼6의 비율로 미네랄밸런스를 조정한 수용액에 함침(含浸)하여, 목재에 미네랄성분을 침투토록 한 것을 700∼1,000℃로 탄화하여 미네랄함량이 높은 목탄을 제조한다.

그리고 상술한 미네랄함량이 높은 목탄은 음료수, 생수, 수돗물, 소주와 청주의 알코올음료, 발효용수, 식품제조공정의 용수 등에 공급하여 미네랄을 공급하는 광화작용(Mineralization)과 흡착 및 흡수작용에 의해서 수질을 개질(改質) 하는 용도로 이용한다.

목탄. 목재, 해수, 간수(Bittern), 미네랄(Mineral), 탄화

Description

미네랄함량이 높은 목탄의 제조방법과 이를 이용하는 방법{A manufacturing method of the charcoal that a mineral content is high and use thereof}

본 발명은 간수를 이용하여 미네랄함량이 높은 목탄을 제조하는 방법과 이를 이용하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 목재를 벌채하여 해수를 농축하여 소금을 제조하면서 생산되는 간수에 염화칼슘(CaCl₂)을 주입하여 Ca/Mg의 중량비가 2∼6의 비율로 미네랄밸런스를 조정한 수용액에 침적(沈積)하여, 목재에 미네랄성분을 침투토록 한 것을 700∼1,000℃로 탄화하여 미네랄함량이 높은 목탄을 제조하는 방법과 이를 음료수, 생수, 수돗물, 소주와 청주 같은 알코올음료, 발효용수 또는 식품제조공정의 용수에 이용하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 음료수, 생수, 수돗물, 소주와 청주 같은 알코올음료, 발효용수 또는 식품제조공정의 용수를 목탄을 사용하여 수질을 개질(改質) 하는 방법은 문헌 1에서처럼 단순히 대나무를 탄화한 죽탄(竹炭)을 희석된 주류 원액에 0.001 내지 0.05%(w/v)의 양으로 투입하여 희석식 또는 증류식 소주의 제조방법이 제시되어 있으나, 종래의 일반적으로 제조된 목탄(죽탄)의 경우는 충분한 미네랄성분이 함유되 어 있지 않아 물 분자의 집단을 소집단화하여 표면장력이 떨어지면서 청량감이 향상되는 수질의 개질 효과가 떨어지는 문제점이 있다.

[문헌 1] 대한민국 특허등록번호 제10-0288102호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 목재를 해수를 농축하여 소금을 제조하면서 생산되는 간수에 염화칼슘(CaCl₂)을 주입하여 Ca/Mg의 중량비가 2∼6의 비율로 미네랄밸런스(Mineral balance)를 조정한 것을 용수에 희석한 수용액에 함침하여 목재에 미네랄성분을 침투토록 한 것을 탄화하여 미네랄함량이 높은 목탄을 제조하는 방법과 이를 음료수나 알코올음료 등에 이용하는 방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

본 발명은 목탄의 제조를 해수로부터 생산된 간수(Bittern)의 미네랄밸런스 조정단계, 목재에 미네랄성분을 함침(含浸)하는 단계, 건조단계, 탄화단계, 분쇄단계, 목탄을 이용하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은, 미네랄함량이 높은 목탄은 수중에서 미네랄성분이 공급되면서 광화작용(鑛化作用)으로 물 분자집단을 소집단화하여 표면장력이 감소하면서 청량감이 향상하는 수질 개질 효과가 있기 때문에 음용수의 수질 개질에 널리 이용되는 효과가 있을 것으로 기대된다.

표층해수와 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수에는 동·식물 의 생육에 필요한 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 규소(Si), 철(Fe), 아연(Zn)과 같은 동·식물의 생육에 필요한 다양한 미네랄성분을 함유하고 있다.

해수를 농축하여 소금을 제조하면서 생산되는 간수(苦鹽, 苦汁, 露水라 하기도 함)는, 소금의 제조방법과 조건에 따라서 다소 차이가 있으며, 염전에서 소금을 생산하는 경우, 여름 철에 채취한 간수는 온도가 낮은 겨울철에 생산된 간수에 비해서 황산 마그네슘의 석출량이 많으며, 겨울철에 생산된 간수 중에는 황산 마그네슘 농도가 낮아지며, 이러한 간수를 월동 간수라 한다.

이온교환 격막제염에서 생산되는 간수에는 염화칼슘(CaCl₂)의 형태로 칼슘함량이 높으면서 황산 마그네슘(MgSO₄)이 존재하지 않는다. 소금의 제조방법에 따른 간수의 성분조성은 다음 표1의 내용과 같다.

표1 소금의 제조방법에 따른 간수의 조성

간수의 종류	NaCl	KCl	MgCl₂	MgSO₄	MgBr₂	CaCl₂	비 고
염전제염간수 (wt%)	2∼11	2∼4	12∼21	2∼7	0.2∼0.4	-	황산 마그네슘계 간수
이온교환격막제염간수(wt%)	1∼8	4∼11	9∼21	-	0.5∼1	2∼10	염화 칼슘계 간수

본 발명에서 미네랄함량이 높은 목탄의 제조에 사용하는 간수는 소금의 제조공정에 관계없이 생산하는 간수를 사용할 수 있다.

그리고 음용수의 경우, 물맛이 좋은 물은 다음 식①의 물맛의 지수(OI)의 비가 2.0 이상인 물이 맛이 좋으며, 그리고 건강에 좋은 물은 다음 식②의 건강의 지수(KI)의 값이 5.2 이상인 물이 건강에 좋은 것으로 알려져 있다.

물맛의 지수(OI) = (Ca + K + SiO₂) / (Mg + SO₄ ² ^-) ……………………①

건강의 지수(KI) = Ca- 0.87Na ……………………………………………②

그러나 해수의 경우는 NaCl의 농도가 높으면서 마그네슘(MgCl₂와 MgSO₄)의 농도가 칼슘(Ca) 염에 비해서 약 3배 정도 높게 함유되어 있는 문제점이 있으면서 여기서 생산된 간수 중에는 칼슘함량이 적은 문제점이 있다.

수질 개질에서 미네랄성분을 조정하기 위해서 사용하는 미네랄조정제는 Ca/Mg의 중량비가 2.0 이상이 되는 것이 바람직 하지만, 표 1에서 보는 바와 같이 간수에는 칼슘농도가 매우 낮거나 거의 존재하지 않기 때문에 칼슘성분을 보충하여 Ca/Mg의 중량비가 2.0 이상으로 조정할 필요가 있다.

음용수 중에서 NaCl은 짠맛을 나게 하며, 마그네슘(MgCl₂, MgSO₄)은 쓴맛을, 칼륨(KCl)은 신맛을 나게 하여 물맛을 떨어뜨리게 하는 반면에 칼슘성분은 물맛을 부드럽게 하여 물맛을 좋게 하는 특성이 있다.

그래서 음용수 중에는 미네랄성분 중에서 Ca/Mg의 중량비가 2.0 이상으로 조정하면 물맛이 좋으면서 건강에도 좋다.

숯(Charcoal)은 목재를 공기의 공급을 차단하고 가열하거나, 또는 공기의 공급을 적게 하여 탄화(炭化)한 생성물로 미세한 구멍이 많아 표면적이 넓어 흡수 및 흡착 효과가 뛰어나며, 활성화된 미네랄성분을 함유하고 있으면서 원적외선과 마이너스 이온을 방사(放射)하는 능력이 있어 수질개질(水質改質)에 널리 이용되고 있다.

본 발명에서 해수와 같은 액체의 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

본 발명에서는 간수를 이용하여 물의 개질 효과가 우수한 미네랄함량이 높은 목탄(木炭)을 제조하는 방법을 이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

그리고 각 물질의 혼합 또는 첨가에서 "부"는 중량 부를 의미하며, wt%는 중량의 백분율을 의미한다.

Ⅰ. 간수(Bittern)의 미네랄밸런스 조정단계

염화칼슘을 주입하여 Ca/Mg의 중량비를 2∼6 범위로 조정하는 단계

해수의 농축은, 표층해수나 해수면에서 수심 200m보다 깊은 곳의 해양 심층수를 취수하여 태양열과 바람에 의해서 농축하는 방법, 가열증발농축에 의한 농축, 이온교환막을 이용한 전기투석법에 의해서 농축하는 방법, 나노여과와 역삼투 여과에 의해서 담수를 생산하면서 1차 농축된 염수를 태양열과 바람에 의해서 농축하는 방법, 가열증발농축에 의해서 농축하는 방법, 이온교환막을 이용한 전기투석법에 의해서 농축하는 방법 중에서 단독 또는 2가지 이상을 조합한 농축공정에 의해서 NaCl의 농도가 낮은 간수를 생산하기 위해서 보메도 비중이 33.3∼36°Be 범위까지 농축하여 소금을 석출(析出)한 다음, 액상의 간수를 생산한다.

도 2 "해수농축에 따른 용존 염류의 농도변화"에서 보는 바와 같이 해수를 농축하여 보메도 비중 13.1°Be이 되면 용해도가 낮은 석고(CaSO₄)가 석출하기 시작하며, 보메도 비중 24.8°Be이 되면 NaCl이 석출하기 시작하고, 보메도 비중이 33.3∼36°Be가 되면 용액 중에 NaCl농도가 1∼25g/㎏로 되면서 NaCl농도가 낮은 간수(苦汁)가 생산된다.

[실시 예1]

천일 염전 결정지(結晶池)의 함수(鹹水)를 보메도 비중이 35°Be까지 증발농축하여 석출되는 소금을 침전제거하고 용액의 간수 1,000㎏을 생산하였을 때 주요성분 분석 치는 다음 표3의 내용과 같았다.

표3 보메도 비중 35°Be에서 생성된 간수의 주요성분 분석표

항목	NaCl	MgCl₂	MgSO4	KCl	총 고형물
농도(wt%)	1.52	22.15	6.12	1.82	33.6

상기의 생산된 간수에 염화칼슘(CaCl₂)을 Ca/Mg의 중량비가 2∼6의 범위가 되게 주입하여 미네랄밸런스(Mineral balance)를 조정한다.

[실시 예2]

실시 예1에서 생산된 간수에 1,000㎏(Mg 함량; 38.2㎏)에 순도 96wt%인 염화칼슘 분말 80㎏을 가하여 20분간 교반·용해하여 미네랄밸런스를 조정한 것 1,080㎏을 제조하였다.

Ⅱ. 목재에 미네랄성분을 함침하는 단계

벌채(伐採)한 목재(木材)는 목탄 가마(窯)의 구조를 감안하여 일정한 크기로 잘라서 재단(裁斷)한 것을, 용수(用水)에 보메도 비중이 3∼10°Be 범위가 되게 간수에 염화칼슘(CaCl₂)을 주입하여 Ca/Mg의 중량비를 2∼6 범위로 조정한 것을 주입한 용액에 15∼30일간 침지(浸漬)하여 목재 속에 미네랄성분을 침투(浸透)되도록 한다.

목탄의 재료는 일반적으로 재질(材質)이 단단한 나무가 사용되며, 상수리나무, 갈참나무, 굴참나무, 물참나무, 졸참나무, 물참나무, 떡갈나무, 신갈나무, 밤나무, 너도밤나무, 구실잣밤나무, 자작나무, 단풍나무, 대 나무, 굴피 나무 또는 털가시나무 중에서 한 종류의 목재(木材)를 벌채하여 일반적으로 40∼120㎝ 길이로 일정하게 잘라 재단한다.

Ⅲ. 건조단계

미네랄성분 함침이 완료된 목재는 20∼30㎏이 되게 다발로 묶어 함수율이 12∼15wt%로 건조하여 미네랄성분이 함침된 건조된 목재를 만든다.

건조하는 방법은 통풍이 잘되는 창고에 쌓아서 3∼4개월간 자연건조(自然乾燥)하거나, 건조기(乾燥機)에서 90∼110℃의 열풍공기에 의해서 1∼2시간 동안 건조한다.

[실시 예3]

직경이 10∼15㎝범위의 상수리나무를 벌채하여 길이 90㎝ 크기로 잘라서 재단한 것 1,040㎏를 실시 예2에서 제조된 간수에 염화칼슘분말을 가하여 미네랄밸런스를 조정한 것을 보메도 비중이 6.2°Be로 지하 광천수에 희석한 용액에 30일간 침지(浸漬)하여 상수리 속에 미네랄성분을 침투토록 한 다음, 20㎏이 되게 102다발을 묶어 창고에서 110일간 방치하여 자연건조하였다. 이때 상수리나무의 함수율은 12.4wt%까지 건조되었다.

Ⅴ. 탄화단계

건조된 목재 다발을 목탄 가마에 세로로 차곡차곡 쌓은 다음, 가마 입구에 불붙이기를 하고, 장작을 태워 열을 가마 내부로 보내어 굴뚝의 온도가 30∼80℃까지는 서서히 온도를 오린 다음, 굴뚝의 온도가 80℃가 되면 시큼한 자극취(刺戟臭)가 나면서 탄화의 화학반응이 일어나게 되면서 자발탄화가 일어나면 장작 태우는 것을 그만두고 서서히 가마입구를 좁혀서 온도가 150℃까지 올리면서 목초액(木草液)을 채취하고, 굴뚝의 온도가 150℃에 도달하면 가마입구와 굴뚝의 출구를 열어 공기를 많이 보내면서 6∼9시간 동안 굴뚝의 온도를 400∼450℃까지 올리며 이때 가마의 온도는 800∼1,000℃에 도달하면서[이 과정을 정련(精鍊) 과정이라 함] 목재는 탄화(炭化)하여 목탄(木炭)을 만든 다음, 굴뚝의 온도가 450℃에 도달하면 가마의 입구와 굴뚝을 닫고, 상온으로 냉각되면 가마에서 꺼내어 미네랄함량이 높은 목탄(木炭)을 제조한다.

Ⅴ. 분쇄단계

분말상태의 목탄을 만들고자 할 때는 분쇄기에서 300∼400메시(Mesh)로 분쇄하여 분말목탄(粉末木炭)을 제조한다.

[실시 예4]

실시 예3의 상수리나무 다발을 기존 목탄 가마에, 상수리나무를 벌채하여 90㎝로 재단하여 평균 20㎏의 무게로 묶어 120일간 건조한 상수리나무 다발과 함께 쌓은 다음, 가마 입구에 불붙이기를 하고, 장작을 태워 열을 가마 내부로 보내어 굴뚝의 온도가 30∼80℃까지는 서서히 온도를 오린 다음, 굴뚝의 온도가 80℃가 되면서 장작 태우는 것을 그만두고 서서히 가마입구를 좁혀서 온도가 150℃까지 올리면서 목초액(木草液)을 채취하고, 굴뚝의 온도가 150℃에 도달하면서 가마입구와 굴뚝의 출구를 열어 공기를 많이 보내면서 8시간 동안 굴뚝의 온도를 430℃까지 올리며 이때 가마의 온도는 980℃에 도달토록 하여 정련(精鍊)을 한 다음, 가마의 입구와 굴뚝을 닫고, 상온으로 냉각하여 가마에서 꺼내어 목탄을 제조하였다. 이 목 탄을 분쇄기에서 350메시(Mesh)로 분쇄하여 주요미네랄성분을 분석한 결과는 다음 4표와 같았다.

표4 목탄에 함유된 주요미네랄성분의 분석표

성 분	건조된 상수리나무를 탄화한 목탄	간수수용액에 침지한 상수리나무를 탄화한 목탄
칼슘(Ca)(㎎/ℓ)	930.2	66,802.6
마그네슘(Mg)(㎎/ℓ)	362.2	26,863.4
칼륨(K)(㎎/ℓ)	12,420.3	16,702.2
실리카(Si)(㎎/ℓ)	1,820.4	28,118.6
철(Fe)(㎎/ℓ)	172.3	264.2

Ⅵ. 목탄을 이용하는 단계

상술한 방법에 의해서 생산된 목탄을 음료수, 먹는 물(생수), 수돗물, 소주(燒酒)와 청주(淸酒)의 알코올음료, 발효공정의 발효용수, 식품제조공정의 용수에 주입하여 미네랄용해에 의한 광화작용(Mineralization)과 흡착 및 흡수작용에 의해서 물 분자의 집단(Cluster)을 소집단화(小集團化)에 의한 표면장력(表面張力)을 감소하여 침투성(浸透性)이 향상되어 청량감을 향상하는 수질개질용(水質改質用)으로 이용한다.

[실시 예5]

핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance, NMR) ¹⁷O-NMR반치폭(半値幅)의 값이 136㎐이면서 경도가 52, 표면장력이 70.2dyne/㎝인 광천수에 단순히 상수리나무를 탄화한 목탄과 실시 예4에서 제조된 목탄을 각각 0.03wt%을 주입하고, 프로펠러 교반기(Propeller agitator)로 30분간 360rpm으로 교반한 다음, 셀룰로오스계 여과지(AVANTEC 2)로 여과한 여과수의 수질 분석표는 다음 표5의 내용 과 같다.

표5 광천수에 목탄을 처리한 수질의 분석

항 목	원수(광천수)	상수리나무를 단순히 탄화한 목탄을 첨가 후 여과한 여과수	실시 예4에서 제조된 목탄을 첨가 후 여과한 여과수
경도(㎎/ℓ)	52	62.3	168.5
pH	7.3	7.6	8.2
핵자기공명의 O-NMR의 반치폭의 값(㎐)	136	110.2	58.5
표면장력(dyne/㎝)	70.2	68.4	60.5

[참고, 수용액의 물 분자가 수소결합에 의해서 집단(Cluster)을 이루고 있는 집단(集團)의 수(數)를 간접적으로 측정하는 방법으로 상술한 핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance, NMR) ¹⁷O-NMR 반치폭(半値幅)의 값(㎐)을 측정하는 방법이 이용되고 있으며, 이 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭 값(㎐)의 1/10이 물 분자의 집단의 수로로 알려져 있다.]

상술한 실시 예5에서 보는 바와 같이 본 발명의 해수를 농축하여 소금을 만들면서 생산된 간수에 염화칼슘을 첨가한 수용액에 침지(浸漬) 한 목재를 탄화하여 생산된 미네랄함량이 높은 목탄으로 음료수 등에 첨가하였을 때는 미네랄성분의 공급과 물 분자의 집단(Cluster)을 소집단화하여 표면장력을 적게 하여 청량감이 향상되는 소집단수(Microclustered water)로 물을 개질 하는 효과가 우수한 것으로 확인되었다.

도 1은 목탄을 제조하는 공정도

도 2는 해수의 농축에 따른 용존 염류의 농도변화도

Claims

간수(Bittern)에 염화칼슘을 주입하여 Ca/Mg의 중량비를 2∼6 범위로 미네랄밸런스를 조정하는 단계와,

상기 간수에 염화칼슘을 주입하여 Ca/Mg의 중량비를 2∼6 범위로 미네랄밸런스를 조정한 것을 용수에 보메도 비중이 3∼10°Be 범위로 희석한 용액에 목재를 15∼30일간 침지(浸漬)하여 목재에 미네랄성분을 함침(含浸)하는 단계와,

상기 목재를 15∼30일간 침지(浸漬)하여 목재에 미네랄성분을 함침한 것을 함수율이 12∼15wt%로 건조하여 미네랄성분이 함침된 건조된 목재를 만드는 건조단계와.

상기 미네랄성분이 함침된 건조된 목재를 목탄 가마에 쌓은 다음, 가마 입구에 불붙이기를 하고, 굴뚝의 온도가 30∼80℃까지는 서서히 온도를 오린 다음, 굴뚝의 온도가 80℃가 되면 장작 태우는 것을 그만두고 서서히 가마입구를 좁혀서 온도가 150℃까지 올리면서 목초액을 채취하고, 굴뚝의 온도가 150℃에 도달하면 가마입구와 굴뚝의 출구를 열어 공기를 많이 보내면서 6∼9시간 동안 굴뚝의 온도를 400∼450℃까지 올리며, 이때 가마의 온도는 800∼1,000℃에 도달하면서 목재는 탄화(炭化)되어 목탄(木炭)이 되며, 굴뚝의 온도가 450℃에 도달하면 가마의 입구와 굴뚝을 닫고, 상온으로 냉각되면 가마에서 꺼내어 미네랄함량이 높은 목탄(木炭)을 제조하는 탄화단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미네랄함량이 높은 목탄의 제조방법.
제1항에서 제조된 목탄을 분쇄기에서 300∼400메시(Mesh)로 분쇄하여 분말목탄(粉末木炭)을 제조하는 방법.
제1항 또는 제2항 중에서 제조된 한 종류의 목탄을, 음료수, 생수, 수돗물, 소주와 청주의 알코올음료, 발효용수 또는 식품제조공정의 용수에 수질개질용(水質改質用)으로 이용하는 방법.