KR100951538B1 - 해양 심층수를 이용하여 미네랄함량이 높은 죽탄의제조방법과 이를 이용하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미네랄함량이 높은 죽탄(竹炭)을 제조하는 방법과 이를 이용하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수(海洋深層水)와 대나무를 이용하여 미네랄(Mineral) 함량이 높은 죽탄을 제조하는 방법과 이를 이용하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 처리하는 단계, 해양 심층수에 대나무를 침적하여 대나무 속에 미네랄성분을 함침(含浸) 시키는 단계, 죽탄을 제조하는 단계, 죽탄을 이용하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

해양 심층수(海洋深層水), 대나무, 죽탄(竹炭), 미네랄(Minerl), 해저심층(海底深層)

Description

해양 심층수를 이용하여 미네랄함량이 높은 죽탄의 제조방법과 이를 이용하는 방법{A manufacturing method of the bamboo charcoal that a mineral content is high using deep-ocean water, and a method using the same}

본 발명은 미네랄함량이 높은 죽탄(竹炭)을 제조하는 방법과 이를 이용하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수(海洋深層水)와 대나무를 이용하여 미네랄(Mineral) 함량이 높은 죽탄을 제조하는 방법과 이를 음료수, 생수, 수돗물, 소주와 청주의 알코올음료, 발효용수, 식품제조공정의 용수 등에 공급하여 이용하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 죽탄제조(竹炭製造)는 대나무를 탄화하여 죽탄을 제조하여 주류, 음료 등에 미네랄성분의 공급용으로 사용하였으나, 죽탄에는 다양한 미네랄성분이 함유되어 있다고는 하나, 미네랄 농도가 낮아 죽탄의 소모량이 많은 문제점이 있었다.

아래 문헌 4의 대한민국 특허등록번호 제10-0288102호에서는 잡미가 없고 맛이 부드러우면서 미네랄이 풍부한 주류의 제조 방법에 관한 것으로, 주류 원액에 첨가 물료를 가하여 블렌딩(Blending)하고, 주조용수로 희석한 후 탈취제로 후 탈 취하고 여과하여 희석식 또는 증류식 소주를 제조함에 있어서, 탈취제로서 죽탄(竹炭)을 희석된 주류 원액에 0.001 내지 0.05%(w/v)의 양으로 투입하고 교반한 후 탈취시키는 것을 특징으로 하는 희석식 또는 증류식 소주의 제조방법이 제시되어 있으나, 종래의 일반적으로 제조된 죽탄의 경우는 충분한 미네랄성분이 함유되어 있지 않아 수질의 개질 효과가 우수하지 않은 문제점이 있다.

종래기술의 문헌정보

[문헌 1] 대한민국 특허공개번호 제10-1996-0022962호(1996.07.18)

[문헌 2] 일본 특허공개번호 제2007-261918(2007.10.11)

[문헌 3] 일본 특허공개번호 제2005-238453(2005.09.08)

[문헌 4] 일본 특허공개번호 제1996-143868(1996.06.04)

[문헌 5] 대한민국 특허등록번호 제10-0288102호(2001.02.02)

본 발명은 음용수, 주류, 미생물배양액, 식품 등에 미네랄성분의 공급으로 미네랄함량이 높은 죽탄을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 음용수, 주류, 미생물배양액, 식품 등에 미네랄성분의 공급효율이 높은 죽탄의 제조에 있어서, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 처리하는 단계, 해양 심층수에 대나무를 침적하여 대나무 속에 미네랄성분을 함침(含浸) 시키는 단계, 죽탄을 이용하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 종래의 죽탄에 비해서 미네랄함량이 높은 죽탄을 사용하였을 때는 죽탄의 소모량이 적어 비용절감 효과가 있기 때문에 음용수, 주류, 미생물배양액, 식품 등에 미네랄 공급용으로 널리 이용될 것으로 전망된다.

먼저, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수(海洋深層水)의 특성을 검토하면, 해양 심층수는 다음 표 1 "해양 심층수와 표층해수(表層海水) 중에 함유된 중요성분 분석치"에서 보는 바와 같이 다종다양한 미네랄성분이 함유되어 있으면서 유해(有害)한 중금속성분(重金屬成分)은 극히 미량 함유되어 있으며, 유해미생물과 오염물질(汚染物質)의 농도가 낮은 면서 영양염류(營養鹽類: Nutritive salts)의 농도가 높으면서 미네랄밸런스(Mineral balance) 좋은 특성이 있다.

표 1 해양 심층수와 표층해수 중에 함유된 중요성분 분석치

구 분		울릉도 현포
		수심 650m 해양 심층수	표층해수
일 반 항 목	수온(℃)	1.2	20.3
	pH	7.8	8.15
	DO 용존산소(㎎/ℓ)	6	8
	TOC 유기 탄소(㎎/ℓ)	0.962	1.780
	CODMn(㎎/ℓ)	0.2	0.6
	용해성 증발잔류물(㎎/ℓ)	47,750	37,590
	M-알칼리도(㎎/ℓ)	114.7	110.5
주 요 원 소	NaCl(wt%)	2.69	2.75
	Mg 마그네슘(㎎/ℓ)	1,270	1,280
	Ca 칼슘 (㎎/ℓ)	406	405
	K 칼륨 (㎎/ℓ)	414	399
	Br 취소 (㎎/ℓ)	68.2	68.1
	Sr 스트론튬 (㎎/ℓ)	7.76	7.61
	B 붕소 (㎎/ℓ)	4.45	4.48
	Ba 바륨(㎎/ℓ)	0.044	0.025
	F 불소 (㎎/ℓ)	0.52	0.56
	SO4 2 -황산 이온(㎎/ℓ)	2,836	2,627
영 양 염 류	NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ)	0.050	0.030
	NO3 -질산태질소(㎎/ℓ)	1.158	0.081
	PO4 3 -인산태인(㎎/ℓ)	0.177	0.028
	Si 규소 (㎎/ℓ)	2.800	0.320
미 량 원 소	Pb 납 (㎍/ℓ)	0.110	0.087
	Cd 카드뮴 (㎍/ℓ)	0.050	0.008
	Cu 구리 (㎍/ℓ)	0.260	0.272
	Fe 철 (㎍/ℓ)	0.230	0.355
	Mn 망간 (㎍/ℓ)	0.265	0.313
	Ni 니켈 (㎍/ℓ)	0.360	0.496
	Zn 아연 (㎍/ℓ)	0.450	0.452
	As 비소 (㎍/ℓ)	0.401	0.440
	Mo 몰리브덴(㎍/ℓ)	5.110	5.565
	Cr 크롬(㎍/ℓ)	0.020	-
균 수	생균 수(개/㎖)	0	520
	대장균 수(개/㎖)	음성	음성

해양 심층수는 통상 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해수를 해양 심층수라고 부르며, 표층해수와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식(增殖)하지 못하기 때문에 영양염류(Nutritive salts)의 농도가 높으면서 수온(水溫)에 따른 밀도차이(密度差異)로 표층해수와 혼합되지 않아 표층해수 에 존재하는 오염물질과 유해 잡균이 없기 때문에 표층의 해수와 비교하였을 때 저온안정성(低溫安定性), 청정성(淸淨性), 부영양성(富營養性), 미네랄밸런스특성, 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있으며, 구체적인 내용은 다음과 같다.

1. 저온 안전성(低溫安全性)

표층해수의 수온은 계절에 의해서 큰 폭으로 변동하는 데 대해, 해양 심층수는 계절에 따라서 수온의 변화가 없으면서 저온으로 안정되어 있다.

특히 한국 동해의 해양 심층수는 오호츠크해(Sea of Okhotsk)의 유빙(流氷)이 녹은 찬 해수가 밀도차로 침강(沈降)하여 사할린섬(Ostrov Sakhalin)과 홋카이도(北海道) 사이의 블라디보스토크(Vladivostok) 앞바다로 유입된 심층수로 일본열도가 가로 막혀 흐름이 느려 해수면에서 300m보다 깊은 해저심층에서는 연간을 통해서 수온이 1∼2℃로, 하와이나 일본 태평양 연안의 코우치현(高知縣) 무로토(室戶) 앞바다의 해양 심층수 등에 비해서 수온이 8∼11℃ 정도 낮은 특성이 있다.

2. 청정성(淸淨性)

해저심층에 있으므로 육상의 하천수, 대기로부터의 오염을 받기 어렵고, 화학물질, 오염물질과 세균수가 적다.

① 물리적 청정성

물리적 청정성은 현탁물(懸濁物)된 부유물이 적다고 하는 것으로 해양 심층수는 표층해수에 비해서 부유고형물질의 함량이 적다.

② 생물학적 청정성

해수의 취수에서 제일문제가 되는 것은 부착생물의 번식인데, 일반적으로, 표층해수의 취수장치에서는 취수 관 내에 부착생물이 번식하는 것으로, 관의 저항이 늘어나 취수불능이 되는 경우가 많은데, 해양 심층수는 플랑크톤, 미생물, 클로렐라 등의 총 생균 수는 표층수의 10분의 1에서 100분의 1로 적은 특성이 있다.

③ 화학적 청정성

해양 심층수는 오염된 표층해수와 혼합이 일어나지 않기 때문에 다이옥신(Dioxin)이나 PCB(Poly chlorinated biphenyls), 유기염소화합물(Organochlorine compounds), 유기주석화합물(Organotin compounds) 등 이른바 환경오염물질에 오염되어 있지 않은 특성이 있다.

3. 부영양성(富營養性)

해양 심층수는 표층해수에 비해서 바다생물의 근원이 되는 조류(藻類), 식물성 플랑크톤(주로, 엽록소를 가지는 미소의 단세포 식물인 규조)의 영양원이 되는 질소, 인, 규산 등이 표층해수의 약 5∼10배의 무기영양염류가 풍부하게 포함되어 있는 특성이 있다.

해수면에서 수심 150m보다 깊은 해저심층에서 광량은 1% 이하로, 더 이상의 깊이에서는 식물성 플랑크톤은 광합성을 할 수 없기 때문에, 영양소는 식물성 플랑크톤에 의해서 소비되지 않고 아래의 깊은 층으로 가라앉아 축적되어 있어 무기영양염의 농도가 높다.

4. 미네랄의 특성

해수는 70여 종류를 넘는 원소를 포함하고 있으며, 해양 심층수도 이와 같이 다종다양의 원소를 포함하고 있는 특성이 있다.

동·식물의 생육에 필요한 주요원소가 많으면서 필요하기는 하지만 다량으로 섭취하면 해가 되는 필수 미량원소인 구리(Copper), 아연(Zinc), 크롬(Chromium)과 같은 중금속은 극히 소량 포함되어 있다고 하는 미네랄밸런스(Mineral balance)가 좋은 특성이 있다.

5. 숙성성(熟成性)

해양 심층수는 표층해수에 비해 pH가 낮으며(pH 7.8 전후), 유기물 함량이 적으면서, 해양 심층수는 표층해수로부터 분리되어 저온 고압 하에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 적은 소집단화(小集團化)된 소집단수(小集團水, Micro-clustered water)로 수질이 안정되어 있다.

물 분자는 수소결합(水素結合)에 의해서 집단(Cluster)을 형성하고 있으며, 이와 같은 물 분자 집단의 수(數)를 측정하는 방법은, 현재 핵자기공명(核磁氣共鳴, Nuclear magnetic resonance, NMR)의 ¹⁷O-NMR 스펙트럼(Spectrum) 반치폭(半値幅)의 값(㎐)을 측정하여 간접적으로 추정하고 있으며, 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭 값(㎐)의 약 1/10이 물 분자의 집단수(集團數)로 알려져 있다.

물 분자의 수소결합이 부분적으로 절단(切斷)되면서 소집단화(小集團化)되면 표면장력(表面張力)이 떨어지면서 침투성(浸透性)이 향상되며, 이와 같이 물 분자의 집단이 적은 물을 미생물이나 조류의 배양공정에 용수로 사용하면 배양효율이 향상되는 것으로 밝혀져 있다.

일반적으로 하천수로부터 생산된 경우 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값은 130∼150㎐로, 13∼15개의 물 분자가 집단체를 형성하고 있으며, 이와 같은 물을 결합수(Bound water)라 하며, 해양 심층수의 경우는 장소에 따라서 상당한 차이가 있으며, 일본 오키나와현(沖繩縣) 우라소에시(浦添市) 앞바다 수심 1,400m에서 취수한 해양 심층수의 경우 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값은 78㎐ 이였으며, 울릉도 현포 앞바다 수심 650m에서 취수한 해양 심층수의 경우는 65.5㎐이었다. 이와 같이 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값(㎐)이 적은 물을 소집단수(Microclustered water)라 한다.

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 뛰어나면서 활성화된 미네랄성분을 함유하고 있으면서 원적외선과 마이너스 이온을 방사(放射)하는 능력이 있어 수질 개질(改質)에 널리 이용되고 있다.

특히 대나무 숯인 죽탄(竹炭)은 일반 목탄(木炭)에 비해서 미세한 구멍이 많아 숯의 표면적이 넓어 흡수 및 흡착 효과가 더욱더 뛰어난 특성이 있다.

그래서 본 발명에서는 상술한 해양 심층수의 특성 중에서 미네랄의 특성과 죽탄의 특성을 이용하여 미네랄함량이 높은 죽탄을 생산하여 물의 개질 효과가 우수하면서 재사용할 수 있는 죽탄(竹炭) 제조방법을 제시코자 한다.

그리고 본 발명에서 염분의 농도를 파악하기 위한 용액의 비중의 측정은 보메 비중계(Baume's hydrometer)로 측정하며, 보매 비중계의 보메도(°Be)는 액체 의 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 염분농도를 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

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명에서 혼합의 비를 나타내는 "부"는 특별한 언급이 없는 한 "중량 부"를 의미한다.

Ⅰ. 해양 심층수를 처리하는 단계

해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하여 가온 처리와 모래여과를 하여 전처리한 해양 심층수 또는 전처리한 해양 심층수를 나노여 과와 역삼투여과에서 농축된 해양 심층수를 대나무 침적용수로 사용한다.

그리고 상기 전처리한 해양 심층수 또는 역삼투여과에서 농축된 해양 심층수에 소금제조공정에서 생산된 간수(苦汁)를 첨가한 해양 심층수를 대나무 침적용수로 사용할 수도 있다.

1. 해양 심층수의 취수 및 가온 처리 공정

해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하여 후속처리를 원만하게 처리될 수 있도록 가온 처리를 한다.

해양 심층수는, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하며, 취수방법은 선상(船上)에서 해저 200m보다 깊은 곳까지 배관을 내려 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층까지 배관을 설치하여 펌프(Pump)로 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층까지 배관을 설치하고, 취수정을 해수면보다 낮게 설치하여 사이펀(Siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.

집수조에 취수된 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점성이 높아 처리효율이 떨어지기 때문에 보일러(Boiler)에서 열을 공급받아(여름철에는 표층해수의 수온을 이용할 수도 있음) 20∼30℃로 가온하여 전처리여과공정으로 보낸다.

2. 전처리여과공정

전처리여과공정은 모래여과, 정밀여과(Microfiltration) 또는 한외여과(限外 濾過: Ultrafiltration)를 단독 또는 2가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 수중의 부유고형물질(SS: Suspended solid)을 제거한 다음, 대나무 속에 미네랄성분을 함침(含浸) 시키는 단계로 보내거나, 음료수를 제조하는 경우는, 나노여과처리를 한 후 역삼투여과공정으로 보내어 여과된 탈염수(淡水)는 음료수제조공정으로 보내고, 여과되지 않고 농축된 해양 심층수를 대나무 속에 미네랄성분을 함침(含浸) 시키는 단계로 보낸다.

전처리여과공정에서 여과압력은 운전조건에 따른 여과기의 압력손실과 배관의 압력손실을 고려하여 결정하며, 모래여과의 경우 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 없으며, 역삼투여과를 하여 농축된 해양 심층수를 대나무 침적용수로 사용하지 않은 경우는 다음의 정밀여과(Microfiltration)와 한외여과(Ultrafiltration)는 할 필요가 있다.

농축된 농축 해양 양심층수를 생산하는 경우, 정밀여과(Microfiltration)와 한외여과(Ultrafiltration)는 여과 막의 종류에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.

정밀여과 또는 한외여과에서 여과는 여과수의 FI(Fouling index) 값을 2∼4 범위로 처리한다.

FI 값은 대상 수중의 미세한 탁질농도를 나타내는 수치로 다음 ③식으로 표현된다.

FI = (1－T₀/T₁₅)×100/15 ……………………………………………………③

여기서 T₀는 0.45㎛의 정밀여과(Microfiltration) 막을 이용하여 시료 수를 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 하는 시간이다.

나노여과공정에서는 후처리의 역삼투여과에서 스케일(Scale)생성의 원인이 되는 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 제거하는 것이 주목적으로, 상기 정밀여과(Microfiltration) 또는 한외여과(Ultrafiltration)를 단독 또는 2가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 수중의 부유고형물질(SS: Suspended solid)을 제거한 해양 심층수는 나노여과(Nanofiltration) 공정으로 보내어 여과되지 않은 황산 이온 함유수는 방류(放流)하고, 여과된 여과수는 역삼투여과(Reverse osmosis)공정으로 보낸다.

나노여과 막에서 이온의 투과순서는 양이온의 경우는 Ca^{2 +}＞Mg^{2 +}＞Li⁺＞Na⁺＞K⁺＞NH₄ ⁺ 이고, 음이온의 경우는 SO₄ ^{2 -}≫HCO₃ ^-＞F^-＞Cl^-＞Br^-＞NO₃ ^-＞SiO₂ 이며, 황산 이온(SO₄ ^{2 -})의 경우는 Mg^{2 +}와 Ca^{2 +}보다도 투과하기 어렵다.

나노여과공정에서 공급압력은 염 농도가 3.5wt%인 해양 심층수의 삼투압 25㎏/㎠보다 낮은 15∼20㎏/㎠으로 하며, 나선형(螺旋形)의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 이때 막 투과수량은 유입수량의 70∼80%가 된다.

[실시 예1]

표1에서와 같은 해양 심층수를 25℃로 가온 처리를 한 다음, 한외여과(Ultrafilter)에서 FI값을 3.2로 전처리한 여과수를 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 가교폴리아미드(Cross-linked polyamide) 재질인 모델번호 SU-610의 나선형 나노여과 막을 사용하여 압력을 20㎏/㎠G로 막에 공급하여 막 투과수량은 1.2㎥/㎡·일로 하였을 때 막 투과수량은 유입수량의 80%가 되었으며, 이때 여과되지 않은 황산 이온(SO₄ ^{2 -}) 함유수와 여과된 여과수의 주요성분 분석치는 다음 표2의 내용과 같다.

표2 나노여과에 의한 여과되지 않은 황산 이온 함유수와 여과된 여과수의 주요성분 분석치

항목	전 처리된 해양 심층수(원수)	여과된 여과수	여과되지 않은 황산이온함유수
pH	7.80	7.24	7.82
Na+(㎎/ℓ)	10,800	9,650	15,400
Cl-(㎎/ℓ)	22,370	17,300	42,650
Ca2 +(㎎/ℓ)	456	338	928
Mg2 +(㎎/ℓ)	1,300	1,060	2,260
K+(㎎/ℓ)	414	355	650
SO4 2 -(㎎/ℓ)	2,833	319	12,890

표2의 내용에서 보는 바와 같이 해양 심층수를 나노여과처리를 한 결과, Na 는 28.5%, 칼슘(Ca)은 41%, 마그네슘(Mg)은 35%로 제거되었으나 황산 이온은 90% 이상 제거되었다.

3. 역삼투여과공정

상기 나노여과공정에서 황산 이온(SO₄ ^{2 -})이 제거된 여과수가 역삼투여과(Reverse osmosis)공정에 공급되면, 운전압력을 50∼70㎏/㎠으로 역삼투여과 막에 공급하여 여과된 탈염수인 여과수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과되지 않고 농축된 해양 심층수는 대나무 속에 미네랄성분을 함침(含浸) 시키는 단계로 보낸다.

역삼투여과공정의 역삼투여과 막이 나선형 여과 막의 경우 운전압력을 55∼56㎏/㎠에서 막 투과수량은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 여과수인 탈염수에는 염분이 99.0∼99.85wt% 범위로 제거되었으며, 유입수량의 40∼60%가 여과되면서 해양 심층수에 함유된 염분과 미네랄성분은 농축된다.

상기 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, 폴리에스테르 아미드(Polyesteramide)계, 혹은 수용성 의 비닐폴리머(Vinylpolymer)를 가교(架橋) 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 구멍에서 미세 구멍으로 구성되어 있는 비대칭 막(非對稱膜)이나, 이러한 비대칭 막의 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.

[실시 예2]

실시 예1의 나노여과(Nanofilter)에서 여과된 여과수(濾過水)를 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 고압용 역삼투여과(Reverse osmosis) 막에서 가교(架橋) 폴리아미드(Polyamide)계 복합막(複合膜)인 모델번호 SU-810의 나선형 역삼투여과 막을 사용하여 압력을 60㎏/㎠G로 막에 공급하여 막 투과수량은 0.72㎥/㎡·일로 하였을 때 막 투과수량은 유입수량의 52%가 되었으며, 이때 여과된 탈염수와 여과되지 않고 농축된 해양 심층수의 주요성분 분석치는 다음 표3의 내용과 같다.

표3 역삼투여과공정에서 여과된 탈염수와 여과되지 않고 농축된 해양 심층수의 주요성분 분석치

항목	유입수	여과된 탈염수	농축된 해양 심층수
pH	7.24	7.20	7.28
Na+(㎎/ℓ)	9,650	38.7	20,063
Cl-(㎎/ℓ)	17,300	71.6	35,478
Ca2 +(㎎/ℓ)	338	0.6	703
Mg2 +(㎎/ℓ)	1,060	1.9	2,206
K+(㎎/ℓ)	355	1.7	737
SO4 2 -(㎎/ℓ)	319	3.7	1,584

Ⅱ. 대나무 속에 미네랄성분을 함침(含浸) 시키는 단계

상기 전처리한 해양 심층수 또는 농축된 해양 심층수에, 벌채한 대나무는, 죽탄 가마(窯)의 구조를 감안하여 일정한 크기로 잘라서 재단한 대나무를 20일 이상 침적하여 대나무 속에 미네랄성분을 함침(含浸) 시킨다.

여기서 대나무를 해양 심층수에 침적하는 상한기간은 수년을 하여도 상관이 없기 때문에 특별히 제한하지는 안는다.

상기 해양 심층수 또는 농축된 해양 심층수에 소금제조공정에서 생산되는 간수(Bittern)을 추가한 해양 심층수를 사용할 수도 있다.

그리고 상기 벌채한 대나무를 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수에 20일 이상 침적하여 대나무 속에 미네랄성분을 함침 시킨 것을 사용할 수도 있다.

이때도 해양 심층수에 침적하는 상한기간은 수년을 하여도 상관이 없기 때문에 특별히 제한하지는 안는다.

죽탄의 재료가 되는 대나무는 5∼7년 된 대나무를 벌채하여 일반적으로 40∼120㎝ 길이로 일정하게 잘라 재단한다.

Ⅲ. 죽탄을 제조하는 단계

1. 건조공정

상기 대나무 속에 미네랄성분을 함침(含浸) 시키는 단계에서 대나무에 미네 랄성분 함침이 완료된 대나무는 20∼30㎏의 다발로 묶어 함수율이 12∼15wt% 범위로 건조하여 건조된 대나무를 만든다.

건조하는 방법은 통풍이 잘되는 창고에 쌓아서 3∼4개월간 자연건조하거나, 건조기에서 90∼110℃의 열풍공기에 의해서 건조한다.

[실시 예3]

6년생 대나무를 벌채하여 90㎝ 크기로 잘라서 재단한 것 520㎏를 실시 예2에서 만든 해양 심층수에 30일간 침지(浸漬)하여 대나무 속에 미네랄성분을 침투토록 한 다음, 20㎏이 되게 51다발을 묶어 창고에서 112일간 방치하여 자연건조하였다. 이때 대나무의 함수율은 12.6wt%까지 건조된 대나무를 만들었다.

2. 탄화공정

상기 건조된 대나무를 다발로 묶어 죽탄 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 죽초액(竹草液)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] 대나무는 탄화(炭化)하여 미네랄함량이 높은 죽탄(竹炭)이 되며, 굴뚝의 온도가 450℃에 도달하면 가마의 입구와 굴뚝을 닫고, 상온으로 냉각되면 가마에서 꺼내어 탄화상태의 죽탄(竹炭)을 제조한다.

3. 분쇄공정

상기 탄화상태의 죽탄(竹炭)을 분말상태의 죽탄으로 만들고자 할 때는 분쇄기에서 300∼400메시(Mesh)로 분쇄하여 분말죽탄(粉末竹炭)을 제조한다.

탄화상태의 죽탄을 분쇄하는 방법은, 볼밀(Ball mill), 로드밀(Rod mill), 롤러밀(Roller mill), 조크러셔(Jaw crusher), 임팩트크러셔(Impact crusher), 휠러밀(Wheeler mill), 자이러토리크러셔(Gyratory crusher), 콘크러셔(Cone crusher), 해머밀(Hammer mill), 케이지밀(Cage mill), 유체에너지밀, 전단력에 의한 분쇄기, 마쇄력에 의한 자생분쇄밀, 진동밀, 유성밀 또는 교반밀 중에서 한 종류의 분쇄기로 분쇄를 한다.

[실시 예4]

실시 예3의 대나무를 기존 죽탄 가마에, 6년생 대나무를 벌채하여 90㎝로 재단하여 평균 20㎏의 무게로 묶어 120일간 건조한 대나무 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 죽초액을 채취하고, 굴뚝의 온도가 150℃에 도달하면서 가마입구와 굴뚝의 출구를 열어 공기를 많이 보내면서 8시간 동안 굴뚝의 온도를 430℃까지 올리며 이때 가마의 온 도는 980℃에 도달토록 하여 정련(精鍊)을 한 다음, 가마의 입구와 굴뚝을 닫고, 상온으로 냉각하여 가마에서 꺼내어 탄화상태의 죽탄을 제조하였다. 이 탄화상태의 죽탄을 볼밀 분쇄기에서 352메시(Mesh)로 분쇄하여 주요미네랄성분을 분석한 결과는 다음 4표와 같았다.

표4 죽탄에 함유된 주요미네랄성분의 분석표

성분	일반 대나무를 탄화한 죽탄	해양 심층수에 침적한 대나무를 탄화한 죽탄
칼슘(㎎/ℓ)	936	9,469
마그네슘(㎎/ℓ)	369	27,120
칼륨(㎎/ℓ)	12,394	21,114
실리카(㎎/ℓ)	1,868	1,926
철(㎎/ℓ)	174	272

Ⅳ. 죽탄을 이용하는 단계

상술한 방법에 의해서 제조된 죽탄을 음료수, 생수, 수돗물, 소주와 청주의 알코올음료, 발효용수, 식품제조공정의 용수에 주입하여 미네랄의 공급에 의한 광화작용(Mineralization)에 의한 물 분자의 집단(Cluster)을 소집단화에 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 78㎐이면서 경도가 52, 표면장력이 70.2dyne/㎝인 광천수에 실시 예4에서 제조된 죽탄을 각각 0.03wt%을 주입하고, 프로펠러 교반기(Propeller agitator)로 30분간 360rpm으로 교반한 다음, 셀룰로오스계 여과지(AVANTEC 2)로 여과한 여과수의 수질의 분석치는 다음 표5의 내용과 같다.

표5 광천수에 죽탄을 처리한 수질의 분석

항 목	원수(광천수)	실시 예4에서 제조된 죽탄을 첨가 후 여과한 여과수
경도(㎎/ℓ)	52	168.7
pH	7.3	8.2
핵자기공명의 O-NMR의 반치폭의 값(㎐)	78	68.5
표면장력(dyne/㎝)	70.2	58

[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-NMR반치폭(半値幅)의 값(㎐)을 측정하는 방법이 이용되고 있으며, 이 핵자기공명 ¹⁷O-NMR반치폭 값(㎐)의 1/10이 물 분자의 집단의 수로로 알려져 있다.]

상술한 실시 예5에서 보는 바와 같이 본 발명에서 제조된 죽탄으로 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 죽탄을 제조하는 공정도

도 2는 지하광천수의 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭 값의 측정도

도 3은 지하광천수를 죽탄처리한 물의 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭 값의 측정도

Claims (4)

1. 취수된 해양 심층수를 가온 처리와 여과를 하여 전처리한 해양 심층수 또는 전처리한 해양 심층수를 역삼투여과에서 농축된 해양 심층수로 해양 심층수를 처리하는 단계와,

   상기 전처리한 해양 심층수 또는 농축된 해양 심층수에 벌채한 대나무를 침적하여 대나무 속에 미네랄성분을 함침 시키는 단계와,

   상기 대나무 속에 미네랄성분을 함침 시킨 것을 함수율이 12∼15wt% 범위로 건조한 대나무를 죽탄가마에 넣고 탄화하여 탄화상태의 죽탄(竹炭)을 분쇄하여 분말죽탄(粉末竹炭)으로, 죽탄을 제조하는 단계로 이루어지는 지는 것을 특징으로 하는 해양 심층수를 이용하여 미네랄함량이 높은 죽탄의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전처리한 해양 심층수 또는 농축된 해양 심층수에 간수를 첨가하여 해양 심층수를 이용하여 미네랄함량이 높은 죽탄의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 전처리한 해양 심층수 또는 농축된 해양 심층수에 벌채한 대나무를 침적하여 대나무 속에 미네랄성분을 함침 시키는 대신에, 벌채한 대나무를 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수에 침적하여 대나무 속에 미네랄성분을 함침 시킨 것으로 대체하여 해양 심층수를 이용하여 미네랄함량이 높은 죽탄의 제조방법.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중에서 선택된 한 방법으로 제조된 죽탄을 음료수, 생수, 수돗물, 소주와 청주의 알코올음료, 발효용수 또는 식품제조공정의 용수에 주입하여 수질개질용(水質改質用)으로 이용하는 방법.

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