KR100927004B1 - 정수·정제용 다각형 필터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공질 세라믹을 활용하여 제조한 정수·정제(음표, 술, 기름 등을 포함한 액체)용 다각형 필터의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 정수기 필터를 원통형(다각형) 세라믹으로 제작하여 액체가 세라믹을 통과하여 정수·정제되는 원리를 활용한 것이다.

다공질, 세라믹, 무기미네랄, 알칼리 이온수

Description

정수·정제용 다각형 필터의 제조방법{The preparing method of polygonal filter for cleaing and refining water}

본 발명은 물, 술, 기름 등의 액체를 정수 및 정제하기 위한 새로운 다공질 세라믹 필터인 정수·정제용 다각형 필터의 제조방법에 관한 것이다.

세라믹이란 일반적으로 고순도의 천연 무기물이나 인공물로 합성한 무기화합물을 원료로 하여 고도의 기능을 갖게 한 제품을 말한다. 일반 세라믹은 도자기·시멘트·유리와 같이 규산염에 한정되며 기능이 용기적이고, 뉴세라믹, 바이오세라믹은 물질의 종류도 다양하고 용도도 공구나 전자재료 등으로 확대되었다. 그러나 소결조제(燒結助劑) 등으로 물질 자체가 나타내야할 뛰어난 특성을 살리지 못하는 단점이 있었다. 지속적인 세라믹 기술의 개발로 파인세라믹스가 개발되어 그 기능이 더 강화되었다.

세라믹의 사전적 용어는 '벽돌·기와·질그릇·사기그릇·법랑철기(琺瑯鐵器)·등, 흙을 구워서 만드는 공업·도업(陶業)'이지만, 현재에는 도자기에 과학을 접목시켜서 더 발전된 도자기라고도 할 수 있다.

도자기의 분류는 만들어지는 소지(素地), 소성온도와 수분흡수율 등으로 나누어지며, 그 분류를 보면 표 1과 같다.

[표 1] 도자기의 분류

위의 표 1을 보면, 수분흡수율이 있는데, 이것은 도자기의 기형(器形)속의 다공질에 수분이 흡수된다는 것이지 통과된다는 의미는 적다. 만약 수분이 통과한다면 토기나 석기로는 생활 용기(容器)로서의 가치가 없기 때문이다. 또 아주 소량물이 통과된다고 해서 수질용 필터로 사용할 수는 없다.

토기의 경우, 하루(24시간) 통과량이 멤브레인(25리터/24시간)의 250분의 1정도의 소량이 통과되어 수질용 필터로 사용할 수는 없다. 그 이유는, 점토의 물리적인 형태는 그 실제 입자 크기가 1마이크론(1mm의 1/1000)의 지름 보다 적어 매우 작은 크기의 미립자로 이루어졌기 때문이다.

한편, 도자기에 있어서 다공질은 도자기의 강도를 낮게 하며, 냉파(冷破)를 초래하므로, 이를 필터로 사용하는 것은 어려웠다. 따라서, 수년전부터 세라믹에 다공질을 만들려는 노력을 하고 있다. 그런데, 현재의 정수기, 기름 정제용 필터에 사용되고 있는 세라믹필터는, 액체를 통과하는 다공질의 세라믹 기형(奇形)을 만들 수 없기 때문에 일반적으로 볼(구슬)형상으로 이루어져 있다.

정수기 필터는 그 종류가 너무나 다양하다. 예를 들어 중공사막 필터를 살펴보면 다음과 같다.

1차 필터인 세드민트 필터(Sediment Filter)는 원수와 최초 접촉하여 녹이나 흙, 모래, 먼지를 비롯한 각종 찌꺼기 등을 제거하고, 2차 필터인 프리카본필터(Pre-Carbon Filter)는 활성탄의 흡착방식을 이용하여 염소성분, 세제, 농약과 같은 유기화학물질과 냄새를 제거하고, 3차필터인 UF멤브레인 필터(UF Membrane Filter)는 섬유형태의 여과막으로 표면기공이 많아 물속에 남아있는 각종 세균 및 불순물을 걸러내고 몸에 유익한 미네랄 성분이 그대로 함유된 깨끗한 물만을 여과시키고, 4차 필터는 정수기 마지막 단계로 물에 스며든 가스성분과 냄새성분을 제거한다고 하지만, 사실은 필터 성능이 떨어지고 물이 산성화되는 경향을 보여 많은 문제점을 지니고 있다.

정수기 필터용으로 멤브레인 필터를 사용하기도 하지만, 멤브레인 필터로 여과한 물은 약산성수이며, 음용수(먹는 물)로는 권장하지 않고 있는 문제점이 있다.

이처럼 기존의 정수기용 필터(멤브레인)는 물을 산성화하고 미네랄 성분을 제거하여 건강에 도움이 되기보다는 역효과를 보이는 경우가 허다하였다.

또한, 도자기는 다공질은 갖고 있지만 물을 통과하여 정수·정제용 필터로는 사용할 수 없다. 통과 한다고 해도 멤브레인(중공사막 보다 필터의 조직이 치밀하다.) 필터와 다른 점이 없다.

따라서, 본 발명은 상기 종래 문제를 다음과 같이 기술적으로 해결하려고 한다. 첫번째, 필터 성형시 세라믹에 물이 통과하려면, 물 분자 [물(H₂O)의 각 분자는 29.7ų의 체적을 갖는다(1Å= 10^-8cm=10^-4 μ)]보다 더 큰 연결통로를 만들어 준다. 다공질과 그 다공질이 만나서 연결통로를 만드는 것이다. 그렇다고 필터에 인위적인 구멍을 만들면 정수·정제는 안 된다. 또한 큰 연결 통로가 형성되면 불순물과 미생물, 세균을 걸러 줄 수 없다. 점토의 입자의 크기와 모양을 대기압으로 조절하여 필터의 형태를 만들어야 한다. 따라서, 이것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제이다.

두번째는 소성 때는 세라믹의 온도를 고온으로 했을 때 뮬라이트(Al₂O₃·2SiO₂ → 3Al₂O₃·SiO₂)형성으로 연결통로를 차단할 수 있고, 소성온도를 저온으로 했을 시는 액체의 압력을 견디지 못한다. 그러므로 정확한 소성온도가 필요하다. 또, 무기 미네랄과 원적외선, 음이온의 성분이 고온에서 화학변화를 일으킨다. 예를 들면, 전기석(電氣石, tourmaline) 경우 980℃ 이상에선 고유의 성질이 없어지고 일반적인 무기 광물로 된다. 모든 점토는 많은 양의 탄소와 같은 유기물질과 무기탄산염, 또는 유황물질을 포함한다. 이런 불필요한 물질을 정적온도가 넘어야만 산화된다. 다시말해, 소성은 일부 물질은 적정한 온도로 산화시키고, 또 어떤 물질은 화학변화가 일어나지 않는 범위까지 소성해야 한다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 바와 같은 다양한 문제점들을 극복하여 저렴한 가격으로 양산이 가능하며, 2차 환경오염의 위해성이 없으며 액체의 정수·정제 능력을 높이고 약알칼리 이온수를 제조하며, 인체 건강에도 유익한 액체정수용 필터 시스템을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 환경친화적인 화합물을 이용하여 정수기 필터를 제조함으로써 인체에 유익하고 환경에 대한 문제점이 전혀 없는 정수기 필터를 제조하는 것이 가능하다. 기름인 경우 완전연소를 촉진(促進)시킨다.

또한, 본 발명은 새로운 필터를 통하여 각종 세균과 불순물을 제거하는 동시에 건강에 이로운 알칼리 이온수를 생성하는 정수기용 필터시스템을 구현하고, 기름을 정제하여 연비를 절감하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 점토 35-45중량％, 산화아연(ZnO) 15-25중량％, 산화칼슘(CaO) 15-25중량％, 및 산화마그네슘(MgO) 15-25중량％에 첨가제를 넣어 성형 및 소성하여 얻어진 다공성(물통과량이 0.5리터/시간 이상)을 갖는 다각형 필터로서, 상기 다각형 필터는 물 또는 술을 통과하도록 이루어진 것이며, 상기 첨가제는 탄소분말 또는 광물을 파쇄하여 만든 광물세립질입자인, 정수·정제용 다각형 필터의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 다공질 세라믹 필터는 물을 알칼리화 시키고 물 분자의 산화/환원 능력을 증가시킴으로서 분자간의 연결고리를 짧게 끊어 이온수로 변화시켜 동식물의 주요성분인 물 분자의 침투력을 향상시킴으로서 소화촉진 및 각종 성인병 으로부터 자연치유능력을 갖도록 함은 물론 탈취작용, 물의 이온화, 무기미네랄 용출, 용존산소(DO)의 증가, 물의 알칼리화 등의 특성을 나타낸다. 기름인 경우 불순물을 제거하고, 분자간의 연결고리를 짧게 끊어서 완전 연소를 도와준다.

본 발명에 따른 다공질 세라믹 필터는 뛰어난 견고성과 내구성은 물론, 항균 및 살균효과, 그리고 유해화학물질의 분해 능력까지도 크게 증진시킬 수 있다.

본 발명에 따른 "다공질 세라믹 필터"는 점토(粘土)에 산화아연(ZnO), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO)을 주원료로 하고 여기에 첨가제를 넣어 제조하여 액체가 필터를 통과하는 정수·정제용 필터를 의미한다.

또한, 본 발명의 '다공질 세라믹 필터'는 세라믹 필터내에 다수의 공극이 형성되어 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 살균력과 유해물질의 분해 능력을 탁월한 정수, 정제용 필터를 의미한다. 따라서, 일반적으로 종래 점토만으로는 물이 통과되지 않았으나, 본 발명의 다공질 세라믹 필터는 물이 통과 가능하고 세균 등은 투과되지 않는 정수가 가능한 것이다.

상기 다공질 세라믹 필터는 무기미네랄이 풍부하며, 물을 알칼리화 시키고 물 분자의 산화/환원 능력을 증가시킴으로써 분자간의 연결고리를 짧게 끊어 이온수로 변화시켜 동식물의 주요성분인 물 분자의 침투력을 향상시킴으로써 소화촉진 및 각종 성인병으로부터 자연치유능력을 갖도록 함은 물론 세라믹이 갖고 있는 고유의 항균ㆍ탈취작용, 물의 이온화, 원적외선 방사, 용존산소(DO)의 증가 등의 특성을 나타낸다. 또한, 기름인 경우 기름 속의 불순물을 제거하고, 연결고리를 끊 어서 완전연소를 촉진(促進)시켜서 연비를 절감시킬 수 있다.

상기 다공질 세라믹 필터를 구성하는 점토(粘土, CLAY)란 여러 가지 소지의 혼합물, 또는 요업상 특정한 목적을 달성하기 위하여 점토와 섞은 다른 흙의 무기물들의 혼합이라고 정의할 수 있다. 자연에서 발견되는 많은 점토들은 자연 상태 그대로 쓰인다. 오늘날에는 원하는 결과를 얻기 위하여 대개 둘 또는 그 이상의 재료를 혼합하여 사용하기도 한다.

광물질로 점토는 다음과 같은 화학식을 갖는다.

[화학식 1]

Al₂O₃ㆍ2SiO₂ㆍH₂O

이 식에서 산화물의 양은 분자량이며 무게의 양은 아니다. 점토에서 한 분자의 알루미나(Al₂O₃)는 두 분자의 규사(2SiO₂)와 결합하고 두 분자의물(2H₂O)과 결합한다. 이 공식은 전형적인 것으로 실제의 샘플에 들어있는 복잡한 불순물을 고려하지 않은 것이다.

다공질 세라믹에서 사용되고 있는 점토와 지표(지구표면으로부터 10km의 평균치)의 구성과는 매우 흡사하다. 다공질 세라믹에서 점토와 지표의 산화물과의 비율을 비교하면 표 2와 같다.

[표 2] 지표와 다공질 세라믹 필터 제조를 위한 점토의 비교

상기 산화아연(酸化亞鉛, zinc oxide)은 산소와 아연의 화합물이다. 공업약품·의약품·안료(顔料)로서의 명칭은 아연화(亞鉛華)이다. 백색 안료로서 사용할 때는 아연백(亞鉛白:zinc white)이라고 한다. 가벼운 백색 분말로 녹는점 1,975℃(가압), 1,720℃(상압)이며, 비중 5.47(비결정성), 5.78(결정성)이다. 약 300℃로 가열하면 황색으로 변하지만, 식히면 원래의 빛깔이 된다. 물에는 거의 녹지 않지만, 묽은 산 및 진한 알칼리에는 녹는 양쪽성산화물이다.

천연으로는 홍아연석으로서 산출되며, 공업적으로는 금속아연을 가열하여 기화시켜서 공기로 연소시키거나, 황산아연 또는 질산아연을 태워서 만든다.

입자가 곱고, 연백(鉛白)보다 피복력(被覆力)은 떨어지지만 독성이 없고, 황화수소에 의하여 흑색으로 변하지 않기 때문에 백색 안료로서 중요하다. 이 밖에 아연화연고·아연화녹말 등의 의약품 또는 화장품의 원료로 사용된다.

산화칼슘(calcium oxide)은 산소와 칼슘의 화합물을 의미한다. 석회·생석회(生石灰)라고도 한다. 화학식은 CaO이다. 순수한 것은 등축정계(等軸晶系)의 백 색 결정으로, 녹는점 2,570 ℃이다. 공기 중에 방치하면 수분과 이산화탄소를 흡수하여 수산화칼슘(소석회)과 탄산칼슘으로 분해한다. 또, 물을 작용시키면 발열(發熱)하여 수산화칼슘이 된다. 석회석 또는 탄산칼슘 CaCO₃을 약 900℃ 이상으로 가열하면 생긴다.

CaCO₃ → CaO+CO₂

공업적으로는 가열로로서 유동배소로(流動焙燒爐)·윤요(輪窯) 등을 이용하여 하소하는데, 소성(燒成) 온도를 비롯하여 시간 등의 조건에 따라 생기는 것의 성질이 다르다. 1000∼1200℃에서 단시간에 소성한 것은 백색의 다공성이며, 비중 3.0∼3.2, 모스굳기 2∼3으로 굴절률은 작다. 1600℃ 정도에서 장시간에 걸쳐 소성한 것은 백색의 결정성이며, 비중 3.2∼3.4, 모스굳기 3∼4로 굴절률은 저온에서 소성한 것보다 크다.

용도는 극히 다양하여, 석회비료·산성토양 개량제, 수분 포집제(捕集劑)로서의 건조제, 석회 플라스터(석회모르타르)·혼합 시멘트 등 토목건축 재료, 표백제의 원료, 카바이드·석회질소 및 이것에서 유도되는 아세틸렌계·멜라민계 제품의 기본원료, 소다 공업 등에서의 산성 폐가스 포집제, 해수(海水) 마그네시아의 제조, 소독 등에 사용된다. 강한 알칼리성 물질이며 피부·점막을 상하게 하므로 흡입하면 위험하다.

산화마그네슘(magnesium oxide)은 마그네슘과 산소의 화합물이다. 화학식은 MgO이다. 고토(苦土)라고도 하며, 공업적으로는 마그네시아, 의약품으로서는 마그 네시아우스터라고도 한다. 백색의 비결정성 분말이지만, 붕산염과 융해한 용액에서 등축정계(等軸晶系)의 결정이 석출된다. 분자량 40.32, 녹는점 2,800 ℃, 끓는점 3,600 ℃, 비중 3.2∼3.7이다. 물에는 약간 녹아 알칼리성을 보이지만, 산·암모니아수에는 쉽게 녹는다.

공기 중에서는 물 및 이산화탄소를 흡수하여 서서히 히드록시탄산마그네슘이 된다. 금속마그네슘을 공기 속에서 가열하거나, 탄산마그네슘을 열분해하면 생긴다. 내화재료·도가니·마그네시아시멘트·촉매·흡착제로 사용하는 외에, 의약품으로서 제산제(制酸劑)·하제(下劑)로 사용된다.

상기한 4가지 화합물을 주성분으로 하고 이에 각종 첨가제를 삽입하여 다공질 세라믹 필터를 제조한다.

첨가제로는 탄소분말이나, 광물을 파쇄하여 만든 광물 세립질 입자를 내입하면 흡착하는 효율이 증진되어 정수능력이 향상된다.

광물입자는 단면적이 넓어 흡착력이 높아지므로 세균이나 바이러스 또는 각종 이물질을 빠른 속도로 흡착시킨다.

이러한 특성을 갖는 각 성분을 이용한 본 발명의 액체 정제, 정수용 다각형 필터는 점토 35-45중량％, 산화아연(ZnO) 15-25중량％, 산화칼슘(CaO) 15-25중량％, 및 산화마그네슘(MgO) 15-25중량％을 주원료로 혼합한 후, 첨가제를 넣어 성형 및 소성하여 다공성(물통과량이 0.5리터/시간 이상)을 갖도록 한다.

바람직하게, 상기 다각형 필터는 점토 40 중량%, 산화아연 20 중량%, 산화칼슘 20 중량%, 및 산화마그네슘 20 중량%를 포함한다.

상기한 다각형 필터 제조의 구성비는 실험을 통하여 가장 적합한 황금비를 찾아낸 결과로서, 상기 각 성분의 함량 범위를 벗어나면 세라믹 필터에 다공성이 생기지 않아 필터로서 사용하기 힘들기 때문에 본 발명의 범위에서 수행해야 한다.

본원에서 사용하는 점토, 산화아연, 산화칼슘, 및 산화마그네슘 입자의 크기는 모두 0.35mm(350메쉬)이하의 고운 정제입자이며 분말형태로 혼합 제조한다.

이렇게 제조하여 만든 혼합물에 가소성 첨가제를 적당량 혼합하여 건조·소성, 가공하여 다공질 세라믹 필터를 완성한다. 이때, 탄소분말 및 광물입자는 필요시 첨가할 수 있다.

소성(燒成, firing) 가공이란 조합(調合)된 원료를 가열하여 경화성물질(硬化性物質)을 만드는 조작을 의미한다. 다공질 세라믹을 완성하기 위하여 700∼1,100℃에서 소성하도록 한다. 즉, 소성온도가 1100 ℃를 초과하여 고온이면 다공질의 구멍이 막힐 수 있고 700℃미만이면 다공성이 생기지 않을 수 있기 때문에 본 발명의 범위에서 소성을 수행해야 한다.

다공질 세라믹 필터의 제조과정을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 1단계로 위에 상술한 배합비율에 따라 원료들을 혼합한다.

2단계로 혼합된 원료에 가소성(可塑性)을 높이기 위하여 보조 재료를 적당량 투입하여 반죽한다. 3단계로 반죽된 점토로 원통형(타원, 다각형까지 포함)기물을 만든다. 이때, 기물내부에 액체가 통과(0.5리터/시간)할 수 있는 다공(多孔)을 만들어준다. 4단계로 성형된 기물을 건조하여 700∼1,100℃에서 소성 가공한다.

이렇게 얻어진 필터의 다공질 크기는 상기 소성온도 범위에서 조절될 수 있 으며, 이를 액체(바람직하게 물)에 적용하면 물은 통과 가능하고, 세균등은 투과되지 않는 필터를 얻을 수 있는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

점토 40 중량%, 산화아연 20 중량%, 산화칼슘 20 중량% 및 산화마그네슘 20 중량%를 혼합하고, 보조 재료를 적당량 투입하여 반죽하고, 반죽된 점토를 원통형 기물로 만들었다. 이때, 기물내부에 액체가 통과(0.5리터/시간)할 수 있는 다공(多孔)을 만들어주고, 성형된 기물을 건조하여 700∼1,100℃에서 소성 가공하였다.

소성한 다공질 세라믹을 정수기 필량에 장착하면 수돗물은 다공질 세라믹 필터의 외경(S21)에서 내경(S22)쪽으로(혹은 반대 방향으로) 이동한다. 다공질 세라믹 필터는 다양한 형태로의 제작이 가능하다. 일례를 들어 원통으로 제작할 경우, 원통형 다공질 세라믹 필터를 통과하면서 물은 정수가 되고 동시에 세라믹 내의 미네랄 들이 물에 용출되어 정수된 최종 미네랄 함량이 많은 알칼리수가 되는 것이다. 다시 말해 액체는 다각형 세라믹 필터의 외부에서 내부로 이동하면서 정수가 이루어지는 구조인 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다공질 세라믹 필터의 제조과정을 나타낸 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 다공질 세라믹 필터의 일례를 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

S21: 다공질 세라믹 필터의 외경

S22: 다공질 세라믹 필터의 내경

Claims (5)

1. 점토, 산화아연, 산화칼슘 및 산화마그네슘을 포함하는 주원료에 첨가제를 첨가한 후 이를 성형하고 소성하여 얻어진 정수·정제용 다각형 필터의 제조방법에 있어서,

   상기 점토의 함량은 35-45중량％이고, 산화아연(ZnO)의 함량은 15-25중량％이고, 산화칼슘(CaO)의 함량은 15-25중량％이고, 산화마그네슘(MgO)의 함량은 15-25중량％이며,

   상기 다각형 필터는 물통과량이 0.5리터/시간 이상인 다공성을 가지며 물 또는 술을 통과하도록 이루어진 것이며,

   상기 첨가제는 탄소분말 또는 광물을 파쇄하여 만든 광물세립질입자이며,

   상기 소성은 700~1,100 ℃에서 이루어지는 것인 정수·정제용 다각형 필터의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 다각형 필터는 점토 40 중량%, 산화아연 20 중량%, 산화칼슘 20 중량%, 및 산화마그네슘 20 중량%를 포함하는 것인, 정수·정제용 다각형 필터의 제조방법.
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