KR100918273B1

KR100918273B1 - 경도 강하용 조성물

Info

Publication number: KR100918273B1
Application number: KR1020090013190A
Authority: KR
Inventors: 한애삼
Original assignee: 한애삼
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2009-09-18
Also published as: CA2751964A1; JP5513528B2; EP2399872A2; CO6420330A2; BRPI1006685A2; CL2011001949A1; MY156946A; UA99681C2; CN102317221A; EP2399872A4; ECSP11011271A; WO2010095825A3; WO2010095825A2; US8480921B2; MX2011008728A; RU2011134979A; ZA201106016B; EG26530A; CN102317221B; JP2012517897A

Abstract

본 발명은 수용성 실리카를 구성성분으로 함유하는 경도 강하용 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 경도 강하용 조성물은 대규모 정수설비를 갖추지 못한 지역에서 소규모로 간단하게 경도가 높은 상수원수의 경도를 음용하기에 적합한 수준으로 낮추어 줄 수 있는 효과가 있다.

경도강하, 수용성 실리카, 탄산나트륨, 일라이트, 칼슘실리케이트

Description

경도 강하용 조성물{Decreasing composition of waterhardness}

본 발명은 경도가 높아 음용수로서 적합하지 않은 음료수용 원수를 음용수로서 적합하도록 경도를 낮추어 주는데 사용되는 경도강하용 조성물에 관한 것이다. 본발명의 경도 강하용 조성물은 비교적 적은 용량의 가정용 정수기에서 경도 강하용으로 사용하기 적합한 것이다.

수처리 분야에서는 물의 깨끗한 정도에 따라 상수(上水), 중수(中水) 및 하수(下水)로 구분하고 있다. 상수는 음용수나 세정수로 사용할 수 있는 물을 말하고, 중수는 한번 사용한 물을 다시 사용할 수 있도록 한물을 말하여 하수는 사용하여 오염된 물을 말한다.

본 발명은 경도가 높은 상수용 원수를 음용하기에 적당한 경도를 갖는 음용수로 전환시켜주는데 사용되는 경도 강하용 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 물을 정수하는데는 물리적, 화학적, 생물학적 방법 등 다양한 방 법이 사용되고 있으며 정수제는 이와 같은 처리를 원활하게하여 주기 위해서 사용되는 약품이다.

상수도 정수장에서는 원수의 경도를 낮추어주기 위해서 대규모의 정수시설을 갖추고 있다. 미세 현탁물질을 응집시켜주기 위한 응집지, 응집물질을 침강작용으로 제거시키는 침강지, 침강물질을 체거름작용으로 여과시키는 여과지 등을 갖춘 정수장은 24시간 연속적으로 상수를 만들어 낼 수 있는 대규모 설비를 갖추어야 한다.

우리나라에서도 다수의 수처리제가 지정되어 있다. 응집제로서 폴리염화알미늄, 황산알미늄 등 7종, 살균소독제로서 액화염소 등 5종, 기타제제로서 활성탄, 제올라이트, 일라이트(illite)등 7종, 방청제 1종 등 20종이 지정되어있다. 응집제는 물속에 현탁, 분산되어 있는 미세입자, 콜로이드 입자를 응집시켜서 큰입자로 만들의 침전시켜 분리시켜주는데 사용되며 일라이트는 흡착성을 갖고 있어 탁도물질제거용으로 사용된다.

자연수(natural water)를 원수로 하는 상수용 원수에는 Mg, Ca, Fe등 다양한 미네랄성분이 함유되어 있는데 칼슘염과 마그네슘염을 비교적 많이 함유한 자연수를 경수(hard water)라고 하고 그 함유량이 적은 것을 연수(soft water)라고 한다. 수중의 마그네슘 및 칼슘이온은 주로 황산염, 탄산수소염, 염산염에서 온 것이다.

탄산수소염으로 존재하는 것은 끓여서 침전시켜 연수화 할 수 있으므로 이를 일시경수라하고 황산염으로 존재하는 것은 끓여도 침전되지 않으므로 영구 경수라한다. 영구경수는 이온교환수지로 처리하면 연수화 할 수 있다.

물 1ℓ중의 함유된 Mg 및 Ca의 mg수를 CaCO₃의 양으로 환산한 값을 경도라고 하는데 보통 경도 200이상의 것을 경수라하고 100이하의 것을 연수라고 한다.

물의 경도(硬度)가 높으면 쓴맛이 나고 음용시 미감(味感)이 경(硬)하다는 느낌을 주게 되므로 경도는 물의 맛이나 먹기에 부드러운 정도에 크게 영향을 미치므로 음용수의 품질을 평가하는데 있어서 매우 중요하다.

세계 여러나라에서는 음용수의 허용경도 기준을 정하고 있는데 세계보건기구(WHO)의 권장규격은 500이하이고 우리나라의 경우 300이하이다.

일본 후생성 산하 “맛있는 물 연구회”에서는 맛있는 물의 조건으로 경도 10~100㎎/ℓ, 유리산소 3~30㎎/ℓ, 규산(SiO₂)함유여부 등 9개 항목을 만들어 제시하고 있다.

경도는 수중에 함유된 2가의 양이온인 칼슘 및 마그네슘 이온의 함량과 비례되는 것이고 규산은 물맛을 좋게하는 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 또한 물맛을 나쁘게하는 성분으로는 황산이온, 염산이온 및 마그네슘이온인 것으로 알려여 있다.

수중의 칼슘이온이나 마그네슘이온은 주로 황산염(CaSO₄ 또는 MgSO₄), 염산염(CaCl₂ 또는 MgCl₂), 탄산수소염(CaHCO₃ 또는 MgHCO₃)에서 유래된 것이다.

상수 원수의 경도는 산지에 따라 다르나 일반적으로 80~500범위에 있으나 음용수로서의 적합한 경도 범위는 60~100이다. 특히 석회암지대에서 산출되는 원수는 경도 500이 넘는 경우도 많다.

대한민국 특허등록공보 10-0330255호에는 맥반석분, 석탄비산재, 탈황석고분 및 제올라이트의 혼합물을 소성, 분쇄하여 제조된 수처리용 무기물 응집제 조성물이 개시되어 있다.

이는 미세부유물질의 응집용으로 사용되는 것이고 탈황석고, 석탄비산제 등 인체에 유해한 성분이 함유되어 있어 음용수 처리제로서는 적합하지 않다.

대한민국 등록특허공보 10-0484561호에는 제올라이트, 황토, 일라이트 및 이산화티탄분말을 입상으로 성형하여서 된 탈취 및 중금속 제거용 수처리제 조성물이 개시되어 있다. 이는 원수의 경도를 낮추어주는 수처리제로서는 적합하지 않다.

그 밖에도 경수를 이온교환수지로 처리하여 경수중의 칼슘 및 마그네슘성분을 제거하는 방법이 알려져있다. 그러나 이온교환수지로 처리하여 Ca 및 Mg이온을 Na이온으로 이온 교환시켜 주게 되면 원수중의 경도성분을 거의 전부 제거시켜줄 수 있다.

원수중에서 경도성분이 전부 제거되면 수중에 있는 인체에 유용한 미네랄성분까지도 전부 제거되게되어 증류수와 같이 물맛이 없어지고 음용수로서 적합하지 않게 된다. 이 물을 음용수로 이용하기 위해서 미네랄성분을 별도로 보충시켜주기도 한다.

인체는 비타민과 같이 미량이지만 결핍되게되면 각종 질병을 유발하게 되는 다양한 미네랄성분을 필요로한다. 이를 필수미네랄(essential minerals)이라고 하는 데 이러한 미량의 필수 미네랄성분들은 주로 식품과 음용수에 함유되어 인체에 공급되게 된다.

칼슘과 마그네슘도 필수 미네랄의 일종이며 칼슘은 뼈와 이빨의 주요 구성성분이고 피의 응고작용을 돕는 역할을 한다. 칼슘이 부족하게되면 골다공증, 피의 응고지연 등의 부작용을 나타내게 된다. 마그네슘은 인체의 중요대사 물질인 아데노신 트리포스페이트(adenosine triphosphate)을 생산하는데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 즉, 원수의 경도가 지나치게 높으면 쓴맛이 나고 음용수로서 적합하지 않게되며, 경도가 너무 낮아도 물맛이 없어지게 되고 인체에 유용한 미네랄 성분의 공급도 차단되기 때문에 음용수로서 적합하기 위해서는 적정수준의 경도를 유지하는 것이 필요하다. 따라서 경도가 높은 자연수를 음용수로서 적합하도록 연수화하는데는 칼슘과 마그네슘의 함량이 경도가 100수준을 넘지 않으면서 음용수로서 적당한 적정수준의 경도를 유지시켜줄 필요가 있다. 또한 이에 적합한 정수제가 있다면 정수분야에서 매우 유용하게 이용될 수 있다.

본 발명의 목적은 경도가 높아 음용수로서 적합하지 않은 상수 원수를 음용수로서 적합하도록 경도를 낮추어줄 수 있는 경도강하용 조성물을 제공하는 데 있다.

본 발명자들은 용해성 실리카(soluble silica)가 원수중의 경도성분인 칼슘 및 마그네슘 이온과 쉽게 반응하여 불용성의 칼슘 실리케이트(3CaO,SiO₂) 및 마그네슘 실리케이트(2MgOSiO₂)를 형성하는 것을 알아내어 용해성 실리카를 이용하여 원수중의 경도성분을 용이하게 제거할 수 있는 것을 확인하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 경도 강하용 조성물은 대규모 정수설비를 갖추지 못한 지역에서 소규모로 간단하게 경도가 높은 상수용 원수의 경도를 음용하기에 적합한 수준으로 낮추어줄 수 있는 효과가 있다.

상수용 원수의 경도는 지역별로 차이가 있기는 하나 일반적으로 80~180 범위에 있는 것이 주로 이용되고 있다. 석회석 지대에서 산출되는 원수는 경도가 500이상인 경우도 많다. 경도가 지나치게 높은 경수를 음용수로 이용하기 위해서는 음용하기 적당한 수준인 경도 60~100수준으로 경도를 낮추어줄 필요가 있다. 본 발명은 용해성 실리카를 이용하여 상수 원수중의 경도를 낮추어줄 있는 경도 강하용 조성물에 관한 것이다. 이하 실시예를 들어 본발명을 구체적으로 설명한다.

실시예 1

충북 단양군 어상천면소재 정수장에서 취수한 상수원수를 대상으로 경도 경감성능 시험을 실시하였다. 상기 상수원수의 조성은 다음과 같았다.

경도 : 163.9

칼슘농도 : 49.5ppm
마그네슘농도 : 9.8ppm

황산이온(SO₄ ^-2)농도 : 검출되지 않음

경도 = 49.5(칼슘농도) × 2.5 + 9.8(마그네슘농도) × 4.1

용량 18ℓ의 음료수용 유리용기에 상기 상수원수 10ℓ를 주입하고 여기에 용해성 실리카 분말 20g이 내장된 면팩(cotton pack)을 넣고 2시간 방치 후 경도변화를 측정하고 그 결과를 다음 표1에 나타냈다. 상기 면팩을 수중에 넣고 10분정도 경과하면 백색 미세입자의 앙금이 형성되면서 용기바닥에 침전을 일으키기 시작한다. 상기 침전물을 여과 제거하면 음용하기 적합한 음용수로 이용할 수 있다. 상기 상수를 100℃로 가열하고 끓여준 경우의 경도변화는 비교적 작았다. 상기 백색 미세입자의 앙금은 분석결과 칼슘실리케이트와 마그네슘실리케이트의 혼합물임을 확인할 수 있었다.

본 발명에서 용해성 실리카는 실리카 광산에서 채굴하여 조쇄한 후 입도 300~400 메쉬로 분쇄한 분말을 사용하고, 일라이트는 일라이트 광산에서 채굴하여 수분을 제거하고 입도 100~200 메쉬로 분쇄한 것을 사용하였다.

자연에서 얻어지는 실리카(SiO₂)는 그 결정구조에 따라 다양한 종류가 존재하며 대부분의 실리카 물에 불용성이다. 그러나 용해성 실리카(3SiO₂·H₂0)는 용해도는 낮으나 물에 미량 용해된다. 본 발명에서 사용한 용해성 실리카는 강원도 횡성군 소재 규사광산에서 채취되는 것이다. 상기 용해성 실리카는 종래 일반적인 규사광물로 사용되고 있다. 용해성 실리카의 물에 대한 용해도는 0.15g/ℓ(20℃)수준이다.

[표 1]

구분	실리카처리	가열처리
상수의 경도	163.9	145
처리 후 잔류경도	79.75	105
저감된 경도	84.15	40
경도 저감율(%)	51.39	27.6

원수중의 경도 성분인 칼슘이온과 마그네슘이온 농도가 낮아질 수 있는 것은 수용성 규산과의 다음 반응식에 따라 반응하는 것으로 추정된다.

3SiO₂·H₂O ＋ H₂O → SiO₄ ^-4 ＋ H^＋

Ca^＋2 ＋ SiO₂ ^-4 ＋ H₂O → 3CaO·SiO₂(칼슘실리케이트)

Mg^＋2 ＋ SiO₂ ^-4 ＋H₂O → 2MgOSiO₂(마그네슘실리케이트)

칼슘실리케이트와 마그네슘실리케이트는 물에 불용성이므로 침전으로 분리시켜줄 수 있다.

실시예 2

강원도 영월군 북면소재 정수장에서 취수한 상수원수를 대상으로 경도 경감성능시험을 실시하였다. 상기 원수의 조성은 다음과 같았다.

경도 : 187.13

칼슘농도 : 55.5ppm

마그네슘농도 : 11.8ppm

황산이온(SO₄ ^-2)농도 : 152ppm

용해성 실리카 분말 20g, 탄산나트륨(분말) 1.0g, 일라이트(분말) 20g으로 조성된 경도 강하용 조성물 41g이 내장된 면팩을 준비하였다. 이는 중량비로서 용해성 실리카 48.8wt%, 탄산나트륨 2.4wt%, 일라이트 48.8wt%에 해당되는 것이다. 용량 1.8ℓ의 음료수용 유리용기에 상수원수 10ℓ를 주입하고 여기에 상기 면팩을 넣고 2시간 방치 후 경도변화를 측정하고 그 결과를 다음 표2에 나타냈다. 상기 상수를 100℃로 가열하여 끓여준 경우의 경도변화는 비교적 작았다.

Ca이온이 CaHCO₃ 형태로 수중에 존재하는 경우, 즉 일시경수의 경우 용해성 실리카와 반응하여 칼슘실리케이트의 침전을 일으킨다. 그러나 CaSO₄형태로 존재하는 경우, 즉 영구경수의 경우에는 용해성 실리카와의 반응성이 매우 낮다. 이런 경우 탄산나트륨(Na₂CO₃)을 가하여 CaSO₄를 CaHCO₃로 전환시킨 후 용해성 실리카와 반응시켜 줄 필요가 있다.

일라이트는 수처리제로서 이미 사용되고 있는 물질이다. 일라이트는 흡착성능이 높아 수중의 미세 부유물질 및 수중 미생물을 흡착제거 시키는 기능을 갖는다.

상수 원수도 자연상태에서 취수되는 것이기 때문에 미세 부유물질 및 수중미생물의 제거가 필요하다.

[표 2]

구분	경도 강하제조성물처리	가열처리
싱수의 경도	187.13	187.13
처리 후 잔류경도	93.04	136
저감된 경도	94.09	51.13
경도 저감율(%)	50.3	27.33

처리 후 Ca의 함량은 23.5ppm. Mg의 함량은 4.42ppm이었다.

실시예 3

실시예2에서 사용한 취수장에서 취수한 상수원수를 대상으로 실시하였다.

용해성 실리카 분말22g, 탄산나트륨 1.2g, 일라이트 20g으로 조성된 경도강하제 조성물이 내장된 면팩을 준비하였다. 이는 중량비로서 용해성 실리카 51wt%, 탄산나트륨 2.8wt%, 일라이트 46.2wt%에 해당한다. 용량 18ℓ의 음료수용 유리용기에 상수원수 10ℓ를 주입하고 여기에 상기 면팩을 넣고 2시간 방치 후 경도변화를 측정하고 그 결과를 다음 표3에 나타냈다. 상기 상수를 100℃로 가열하여 끓여준 경우의 경도변화는 비교적 낮았다.

[표 3]

구분	수처리제처리	가열처리
상수의 경도	120	120
처리 후 잔류경도	57	103
저감된 경도	63	17
경도 저감율(%)	52.5	14.2

경도 120~200범위의 원수는 대체적으로 칼슘이온농도 30~60ppm, 마그네슘이온농도 10~15ppm 범위에 있고, 수용성 실리카의 물에 대한 용해도는 0.15g/ℓ내외이므로 실리카이온(SiO₄ ^-4) 30~120ppm 수중에 유지시켜주면 물의 경도를 60~100 수준으로 낮추어 줄 수 있다.

따라서 수중의 칼슘이온과 마그네슘이온의 농도를 낮추어 주는데는 실리카이온(SiO₄ ^-4)의 농도를 30~120ppm정도 유지시킬 필요가 있다.

수용성 실리카분말, 탄산나트륨 및 일라이트로 조성되는 본 발명의 경도 강하용 조성물에서 실리카분말 및 탄산나트륨의 구성비는 원수의 경도 및 황산염 함량에 따라 결정될 수 있다. 수용성 실리카분말과 일라이트 같은 중량비로 구성되는 것이 바람직하다.

경도 120~200, 황산이온농도 100~200ppm 범위의 원수를 경도 60~100으로 유지시켜주는데는 물 10ℓ당 실리카분말 18~22g, 탄산나트륨 1~1.2g, 일라이트 18~22g 범위로 유지시키는 것이 필요하다. 이는 중량비로서 용해성 실리카 44~54wt%, 탄산나트륨 2.0~3.0wt%, 일라이트 44~54wt%에 해당된다.

Claims

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용해성 실리카 분말 44~54wt%, 탄산나트륨 2.0~3.0wt%, 일라이트 44~54wt%로 조성된 경도 강하용 조성물.