KR101058336B1 - 해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 콩나물을재배하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콩나물을 재배하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(苦汁)에 과잉으로 함유된 NaCl이 제거된 간수를 담수로 희석한 용수로 콩나물을 재배하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 농축하여 보메도 비중이 30∼34°Be 범위까지 소금을 석출(析出)하고 해양 심층수로부터 간수를 생산하는 단계와, 간수에 함유된 NaCl을 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기투석공정, 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기추출공정 또는 냉동공정 중에서 선택된 한가지의 NaCl을 제거하는 공정으로 NaCl이 제거된 간수를 만드는 단계와, NaCl이 제거된 간수에 지하수, 하천수, 수돗물 또는 해양 심층수를 역삼투 여과공정에서 여과된 탈 염수와 같은 담수(淡水)를 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값이 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 혼합하여 간수를 콩나물재배용수로 이용하는 단계로 이루어지는 것에 특징이 있다.
Figure R1020080044210
해양 심층수, 콩나물, 간수, 재배용수, 소금

Description

해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 콩나물을 재배하는 방법{A method to cultivate a bean sprouts using a bittern produced by deep-ocean water}
본 발명은 콩나물을 재배하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(苦汁)에 과잉으로 함유된 NaCl이 제거된 간수를 담수로 희석한 용수로 콩나물을 재배하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 콩나물 재배용수는 지하수나 수돗물과 같은 담수(淡水)를 이용하고 있으나, 이들 담수에는 충분한 미네랄성분이 함유되어 있지 않다.
그래서 문헌 1의 기술에서는 콩나물 재배용수를 해양 심층수에 과잉으로 함유되어 있는 NaCl을 일부 또는 전체를 제거하여 처리된 해양 심층수의 경도가 25㎎/ℓ 내지 50㎎/ℓ되도록 이루어진 해양 심층수를 이용하여 콩나물을 재배하는 방법이 제시되어 있으나, 이와 같은 방법은, 콩나물을 재배하는 지역이 내륙에 있는 경우는 해양 심층수를 수송하는데 막대한 비용이 소요되면서 해양 심층수를 저장하는데도 상당한 시설비가 소요되는 문제점이 있다. 또한, NaCl을 탈염처리를 하면서 해양 심층수에 함유된 유용미네랄성분과 영양염류가 동시에 제거되는 문제점이 있어 해양 심층수의 특성을 십분 발휘할 수 없는 문제점이 있다.
종래기술의 문헌정보
[문헌 1] 대한민국특허 등록번호 제10-0626715호(2006.09.14)
본 발명은 콩나물을 재배하는 용수를 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(苦汁)에 과잉으로 함유된 NaCl이 제거된 간수를 담수로 희석한 용수로 콩나물을 재배하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 콩나물의 재배에 있어서, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 농축하여 보메도 비중이 30∼34°Be 범위까지 소금을 석출하고 해양 심층수로부터 간수를 생산하는 단계와, 간수에 함유된 NaCl을 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기투석공정, 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기추출공정 또는 냉동공정 중에서 선택된 한가지의 NaCl을 제거하는 공정으로 NaCl이 제거된 간수를 만드는 단계와, NaCl이 제거된 간수에 지하수, 하천수, 수돗물 또는 해양 심층수를 역삼투 여과공정에서 여과된 탈 염수와 같은 담수(淡水)를 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값이 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 혼합하여 간수를 콩나물재배용수로 이용하는 단계로 이루어지는 것에 특징이 있다.
본 발명은 해양 심층수에 함유된 미네랄성분의 농축 물에 해당되는 간수를 이용하여 콩나물을 재배하였을 때는 생산수율이 향상되면서 인체에 유용한 미네랄 성분을 다량 함유된 콩나물을 재배할 수 있는 효과가 있기 때문에 콩나물 재배에 널리 이용될 것으로 기대된다.
먼저, 해양 심층수의 특성을 검토하면, 해양 심층수(海洋深層水)는 통상 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해수(海水)를 해양 심층수라고 부르며, 표층해수(表層海水)와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식(增殖)하지 못하기 때문에 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높으면서 수온에 따른 밀도차이(密度差異)로 표층해수(表層海水)와 혼합되지 않아 해양 심층수는 다음 표1에서 보는 바와 같이 표층해수에 존재하는 유해 잡균(有害雜菌)이 없으면서 동·식물의 생장(生長)에 유용한 다양한 미네랄성분(Mineral components)이 함유되어 있는 미네랄특성과 부영양성(富榮養性)의 특성이 있으면서 저온안정성(低溫安定性), 청정성(淸淨性), 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있다.
표 1 표층해수와 해양 심층수 중에 함유된 중요성분 분석 치
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 심층수 이용의 역사는 짧고, 지금까지 수산 분야를 시작으로 식품이나 의료, 건강산업, 음료수, 화장품 등의 비 수산 분야에 있어도, 다양한 연구를 하고 있으며, 해양 심층수의 특성을 구체적으로 검토하면 다음과 같다.
1. 저온 안전성(低溫 安全性)
표층해수의 수온은 계절에 의해서 큰 폭으로 변동하는데 비해서, 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 수심 300m보다 깊은 해저심층에서는 연간을 통해서 수온이 1∼2℃로 하와이나 일본 태평양 연안의 코우치현(高知縣)의 무로토(室戶) 앞바다의 해양 심층수 등에 비해서 8∼11℃ 정도 낮은 특성이 있다.
2. 청정성(淸淨性)
심층에 있으므로 육상의 하천수, 대기로부터의 오염을 받기 어렵고, 화학물질, 오염물질과 세균수가 적다.
① 물리적 청정성
물리적 청정성은 부유물질(浮游物質)과 현탁물질(懸濁物質)이 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 것이 많은데, 해양 심층수는 플랑크톤, (병원성) 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 다이옥신이 나 PCB, 유기 염소화합물, 유기주석 등 이른바 환경오염물질에 오염되어 있지 않은 특성이 있다.
3. 부영양성(富營養性)
해양 심층수는 표층해수에 비해서 해저심층의 해양 심층수에는 식물의 생장에 필요한 질소, 인산염, 규산염과 같은 영양염류(營養鹽類)가 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 무기영양염의 농도가 높다.
4. 미네랄의 특성
해수는 70종류를 넘는 원소를 포함하고 있으며, 해양 심층수도 이와 같이 다종 다양한 원소를 포함하고 있는 특성이 있다.
동·식물의 생육에 필요한 주요원소가 많으면서 필요하기는 하지만 다량으로 섭취하면 해가 되는 필수 미량원소인 동, 아연과 같이 사람의 건강에 깊은 관계가 있는 것은 극히 소량 포함되어 있다고 하는 특성이 있다.
5. 숙성성(熟成性)
해양 심층수는 표층해수에 비해 pH가 낮으며(pH 7∼8), 유기물 함량이 적으면서 해양 심층수는 표층해수로부터 분리되어 장시간 동안 저온 고압 하에 있으면서 성질이 안정된 물로 숙성되어 있다.　
상기 해양 심층수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(Bittern)의 성분조성은 소금을 생산하는 방법에 따라서 약간의 차이가 있으나, 염전에서 해양 심층수를 증발하여 소금을 석출(析出) 하면서 생산된 간수와 이온교환막법인 전기투석법으로 해수를 1차 농축 후 2차 증발농축하여 생산된 간수의 주요 성분의 조성은 표2의 내용과 같다.
표2 간수의 주요성분조성(wt%)
간수의 종류 NaCl KCl MgCl2 MgSO4 MgBr2 CaCl2
염전에서 생산된 간수 2∼11 2∼4 12∼21 2∼7 0.2∼0.4 -
이온교환막법에서 생산된 간수 1∼8 4∼11 9∼21 - 0.5∼1 2∼10
본 발명에서 염분의 농도를 파악하기 위한 용액의 비중의 측정은 보메 비중계(Baume's hydrometer)로 측정하며, 보매 비중계의 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 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
그리고 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 식③와 같다.
　TSS(ppm)=640 X EC(㎳/㎝) ………………………………………③
전기전도도 값은 국제단위계인 ㎳/m(millisimenss/meter), 또는 ㎲/㎝(microsiemens/centimeter) 단위로 표기하며, ㎳/m = 10㎲/㎝(또는 10μmhos/㎝)이다.
본 발명에서 사용하는 간수는 제염법에 따른 간수의 성분조성이 다소 차이가 있는 것에는 특별히 제한하지 않으며, 상술한 특성이 있는 해수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물 생산된 간수(苦汁, Bittern)에는 식물재배에 유용한 미네랄성분과 영양염류가 다량 함유되어 있는 특성이 있기 때문에 간수를 이용하여 콩나물재배에 이용하는 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
Ⅰ. 해양 심층수로부터 간수를 생산하는 단계
본 발명은, 해양 심층수를 취수하여 가온 처리, 모래여과, 정밀여과 또는 한 외여과와 나노여과처리 한 다음, 역삼투 여과에서 여과된 여과 수는 음료수를 만들고, 여과되지 않고 농축된 염수는 소금제조공정으로 보내어 계속 농축하면 도 4에서 보는 바와 같이 보메도 비중이 25∼26°Be가 되면 NaCl이 석출(析出)하기 시작하며, 이를 계속 농축하여 보메도 비중이 30∼34°Be 범위까지 소금을 석출하고 액체인 간수를 생산한다.
그리고 상기 역삼투 여과 대신에 전기투석장치에 의해서 농축된 염수를 소금제조공정으로 보내어 소금을 제조하면서 간수를 생산할 수도 있으며, 해양 심층수를 직접농축하여 소금을 제조하면서 간수를 생산할 수 있다.
그리고 소금의 농축방법은, 천일 염전에서 태양 광과 바람에 의한 농축방법, 가열에 의한 방법, 진공증발에 의한 방법, 냉동에 의한 방법 등을 적용할 수 있으며, 가열방법 또한 특별히 제한하지는 않는다.
Ⅱ. NaCl이 제거된 간수를 만드는 단계
간수는 소금제조공정에 따라서 간수성분의 조성이 차이가 있는데, 본 발명에서 사용하는 간수는 소금제조방법에 따라서 다소의 조성의 차이에는 특별히 제한하지는 않는다.
상기의 간수를 콩나물재배에 이용하기 위해서 간수에 함유된 NaCl의 제거는 다음의 전기투석공정, 전기추출공정 또는 냉동공정에 의해서 NaCl이 제거된 간수를 생산하여 염분이 없는 지하수, 하천수, 호소수(湖沼水) 또는 수돗물과 같은 담수(淡水)로 희석한 용수를 콩나물 재배용수로 사용한다.
간수에 함유된 NaCl의 제거는 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기투석공정, 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기추출공정 또는 냉동공정 중에서 선택된 한가지의 NaCl을 제거하는 공정으로 NaCl이 제거된 간수를 만든다.
1. 간수 중에 함유된 NaCl을 전기투석공정으로 제거하는 방법
본 발명에서 전기투석(電氣透析)에 의해서 간수에 함유된 NaCl의 제거는 도 1 "간수 중에 함유된 NaCl을 전기투석공정으로 제거하는 공정도"와 같은 전기투석장치(電氣透析裝置: 3)에 직류전원의 전위차(電位差)를 구동력(Driving force)으로 하여 이온성 용질의 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 양이온교환 격막은 고정부전하(固定負電荷)를 가지는 1가 양이온을 선택적으로 투과하는 격막을 사용하고, 음이온교환 격막은 고정정전하(固定正電荷)를 가지는 1가 음이온을 선택적으로 투과하는 격막을 사용한다.
전기투석장치(3)는 스케일 트러블(Scale trouble)을 억제하며, NaCl제거 효율을 향상하면서 한계전류밀도(限界電流密度)를 크게 하여 처리효율이 향상되도록 1가 음이온선택교환 격막(8)과 1가 양이온선택교환 격막(9)을 양극(4)과 음극(5) 사이에 교호적(交互的)으로 일렬 다단(多段)을 설치하고, 양단의 양극실(6)의 양극(4)과 음극실(7)의 음극(5)에 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하면서 간수 저장조(1)에 공급된 간수를 간수 이송펌프(2)로 탈염실(10)에 공급하여 염류의 농도를 400∼800㎎/ℓ범위로 NaCl을 제거하면서 일부는 간수 저장조(1)로 반송하고, 탈염된 간수는 전기전도도지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도도 값을 6∼12㎳/㎝ 범위로 솔레노이드밸브(Solenoid valve: ⓢ) 작동하여 탈염된 간수를 생산한다.
염농축실(11)에는 농축 염수 저장조(12)의 농축 염수를 농축 염수 이송펌프(13)에 의해 염농축실(11)로 공급하여 농축 염수 저장조(12)로 순환하면 간수 중의 Na+이온은 전기적인 인력에 의해서 1가 양이온선택교환 격막(9)을 투과하여 음극(5) 쪽의 염농축실(11)로 이동하고, Cl-이온은 1가 음이온선택교환 격막(8)을 투과하여 양극(4) 쪽의 염농축실(11)로 이동하여 농축 염수 저장조(12)의 보메도 비중이 12∼20°Be범위로 농축된 염수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.
전기투석장치(3)의 처리효율을 높이기 위해서는, 전류밀도(電流密度)를 한계전류밀도(限界電流密度) 이하의 범위에서 가능한 크게 하는 것이 바람직하지만, 한계전류밀도는 염류농도에 비례하며, 확산 층(擴散層)의 두께에 반비례하므로, 확산 층의 두께가 일정한 경우, 배출되는 NaCl이 제거된 간수 중의 염류농도와 농축 염수의 NaCl농도에 의해 좌우되므로, 본 발명에서는 1가 음이온선택교환 격막(8)과 1가 양이온선택교환 격막(9)을 양극(4)과 음극(5) 사이에 교대로 배열한 탈염실(10)과 염농축실(11)을 형성하는 전기투석장치(3)에 간수 저장조(1)의 간수를 간수 이송펌프(2)로 탈염실(5)에 보내어 NaCl을 제거한 후 일부는 간수 저장조(1)로 순환하고, 농축 염수 저장조(12)의 농축 염수는 농축 염수 이송펌프(13)에 의해 염농축실(11)로 보내어 농축 염수 저장조(12)로 순환한다. NaCl제거효율을 향상하면서 염 농축실(11)에서 스케일성분이 생성되지 않도록 염농축실(11)에 통수하는 농축 염수를 다량으로 공급하면, 스케일 트러블(Trouble)을 방지할 수 있다. 또한, 염농축실(11)에 NaCl농도가 높은 농축 염수를 공급함으로써 전류의 액저항(液抵抗) 적어지므로 한계전류밀도를 높일 수 있음으로, 전기투석장치(3)의 처리성능을 향상시킬 수 있다.
전기투석장치(3)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상되며, 스케일 트러블(Trouble)을 억제하기 위해서는, 탈염실(10)에 공급하는 유량은, 막면선속도(膜面線速度)가 10∼30㎝/초 범위가 유지되도록 NaCl이 제거된 간수를 간수 저장조(1)로 반송하고, 염농축실(11)에 공급하는 농축 염수의 유량은, 막면선속도가 1∼3㎝/초 범위가 유지되도록 농축 염수를 농축 염수 저장조(12)로 반송한다.
본 발명에서 사용하는 1가 양이온선택교환 격막(9)은 2가 이상 다가(多價) 양이온의 투과는 억제하면서 1가 양이온만을 선택적으로 투과하는 격막으로, 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene)계의 주 사슬(主鎖: Main chain)에 부전하(負電荷) -SO3 -를 고정하고 있는 부전하막(負荷電膜)에 측쇄(側鎖: Side chain)가 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 또는 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine) 등의 그래프트 폴리머(Graft polymer)나 주 사슬이 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐 피리딘으로 된 측쇄가 폴리스티렌인 그래프트 폴리머로 합성된 이온교환 격막으로, 그래프트 폴리머의 주 사슬이 양이온교환막의 주 사슬 또 는 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 고분자와 동일한 분자구조를 가진 주 사슬 혹은 측쇄에 1가 양이온만 투과능(透過能)을 가지는 분자구조인 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine), 폴리비닐 아민(Polyethyleneamine) 또는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 막과 같은 양이온교환 격막을 사용할 수 있으며, 특히, 폴리스티렌-디비닐벤젠계의 폴리스티렌-그래프트-에틸렌 이민이 가장 바람직하게 사용할 수 있다.
그리고 1가 음이온선택교환 격막(8)은 1가 양이온선택교환 격막(9)과는 반대로 1가 음이온을 선택교환할 수 있는 격막으로 정전하(正電荷) R-NH3 +를 폴리머사슬(Polymer chain)에 고정하고 있으며, 정전하를 막에 고정하고 있으므로 정하전막(正荷電膜)이라고도 하며, 이온교환기가 지방족 탄화수소(脂肪族炭化水素)에 의해서 가교(架橋) 되고 있어 막표면부(膜表面部)에는 양이온교환기를 가지는 고분자물질의 박층(薄層)이 형성되고 있는 음이온교환 격막으로, 교환기의 도입 모노머(Monomer: 單位體)에 지방족 탄화수소로 가교와 동시에 4급화를 실시한 것이 좋으며, 양이온교환기를 가지는 고분자물질로서는 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질 및 선상고분자전해질(線狀高分子電解質)이나 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등으로, 구체적으로는, 리그닌설폰산염(Ligninsulfonate)과 같은 술폰산염(Sulfonate), 고급알코올 인산에스테르와 같은 인산에스테르염 등에서 분자량이 500 이상의 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질, 메타크릴산(Methacrylic acid), 스틸렌설폰산(Styrene sulfonic acid)과 같은 카르본산 기(-COOH)나 설폰산기(-SO3H)를 가지는 단량체(單量體) 유닛(Unit)을 다수 개(多數個) 포함한 선상고분자 전해질, 양이온교환기를 포함한 페놀류와 알데히드류를 축합(縮合)시킨 것과 같은 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등의 1가 음이온을 선택적으로 교환하는 격막을 사용한다.
전기투석장치(3)의 양극실(5)의 양극(4)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 수소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극 또는 나 백금도금 전극을 사용하여 음극실(7)를 통과한 용액을 주입하여 양극(4) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(5)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니 니켈(Raney nickel) 또는 스테인리스강(Stainless steel) 강판을 사용하고, 음극실(7)에 가장 인접한 1가 양이온선택교환 격막(9)은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜) 또는 1가 음이온투과 격막을 이용하는 것에 의해서 음극(5) 표면에서의 수소 이온의 발생량을 적게 하여 전력효율의 향상과 악취발생이 감소 되도록 하는 것이 좋다.
그리고 염농축실(11)에서 스케일의 생성이나 유기물 등의 슬라임(Slime)이 부착되어 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기에는 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 양극(4)과 음극(5)의 전원을 전환하여 부착된 스케일과 슬라임(Slime)을 탈리(脫離) 시키도록 한다.
전극실의 전해질 용액은 음극실(7)로 공급하여 음극실(7)에서 배출되는 전해질 용액을 양극실(6)에 공급하며, 음극실(7)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해수 또는 해양 심층수를 이용할 수 있으나, 3∼10wt%의 Na2SO4 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(4)에서 염소(Cl2)가스의 발생을 억제할 수 있다.
농축 염수 저장조(12)에서 보메도 비중이 12∼20°Be 범위로 농축된 염수는 소금제조공정으로 보낸다.
2. 간수 중에 함유된 NaCl을 전기추출공정으로 제거하는 방법
간수에 함유된 NaCl을 제거하기 위한 전기추출장치(14)는, 염추출실(15) 내부에 양극(4)과 음극(5) 사이에 1가 양이온선택교환 격막(9)과 1가 음이온선택교환 격막(8)으로 격리된 탈염실(10)을 다단(多段)으로 설치한 NaCl을 함유한 간수를 전기추출에 의해서 NaCl을 제거하는 장치로, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 "간수 중에 함유된 NaCl을 전기추출공정으로 제거하는 공정도"로 염추출실(15) 내부에 설치된 양극(4)과 음극(5) 사이에 음극(5) 쪽은 1가 양이온선택교환 격막(9)을, 양극(4) 쪽은 1가 음이온선택교환 격막(8)을 설치하여 격리된 탈염실(10)을 다단으로 설치한 것으로 구성된 전기추출에 의한 NaCl을 제거하는 장치에 의해서 간수 중에 함유된 NaCl을 제거하는 경우, 염추출실(15)에는 해양 심층수 를 공급하고, 간수 저장조(1)의 간수를 간수 이송펌프(2)로 탈염실(10)에 공급하여 간수 저장조(1)로 순환하면서, 송풍기(16)로부터 대기 중의 공기를 염추출실(15) 바닥에 설치된 산기관(17)을 통해서 폭기(Aeration) 하면서, 정류기로부터 4∼50볼트(Volt)의 직류전기를 인가(印加)하여 전기장(電氣場: Electric field)을 형성하면 전기영동(電氣泳動: Electrophoresis)에 의해서 탈염실(10)의 간수에 함유된 Na+이온은 음극(5) 쪽의 1가 양이온선택교환 격막(9)을 투과하여 염추출실(15)로 이동하게 되며, Cl-이온은 양극(4) 쪽의 1가 음이온선택교환 격막(8)을 투과하여 염추출실(15)로 이동하게 되면서 농축된 염수는 보메도 비중 지시제어기(BIS: Baume's hydrometer indicating switch)의 보메도 비중이 12∼20°Be로 농축된 염수는 솔레노이드밸브(ⓢ: Solenoid valve)를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.
탈염실(10) 내의 간수 중에서 NaCl이 제거되어 간수 라인에 설치된 전기전도도지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도도를 6∼12㎳/㎝범위로 NaCl이 제거된 간수는 솔레노이드밸브를 작동하여 NaCl이 제거된 간수를 생산한다.
상기 간수의 NaCl을 제거하는 전기추출장치(14)의 염추출실(15) 내부에 양극(4)과 음극(5) 사이에 탈염실(10)은 처리용량에 따라서 교호적(交互的)으로 병렬로 다단을 설치한다.
상술한 간수 중의 NaCl이 전기추출에 의한 NaCl이 제거되는 반응메커니즘(Reaction mechanism)을 검토하면 다음과 같다.
간수 중에 함유되어 있는 NaCl은, 수용액 중에서 가수분해반응에 의해서 Na+이온과 Cl-이온으로 다음 반응식 ④와 같이 해리(解離)되어 있다.
NaCl ―H2O→ Na+ + Cl- …………………………………………………④
정류기로부터 양극(4)과 음극(5)에 직류전기를 인가하여 탈염실(10) 내부에 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 탈염실(10) 내의 간수에 함유된 Na+이온은 음극(5) 쪽의 1가 양이온선택교환 격막(9)을 투과하여 염추출실(15)로 이동하게 되며, Cl-이온은 양극(4) 쪽의 1가 음이온선택교환 격막(8)을 투과하여 염추출실(15)로 이동하게 되면서 탈염실(10)의 간수로부터 NaCl이 제거하게 된다.
Na+ ―― 격막 ―→ Na+ …………………………………………………⑤
Cl- ―― 격막 ―→ Cl- …………………………………………………⑥
염추출실(15)로 이동한 Na+이온과 Cl-이온은 원래의 NaCl상태로 인사이투(in situ) 반응이 일어나게 된다.
Na+ + Cl- ―→ NaCl …………………………………………………⑦
그리고 염추출실(15)의 양극(4)과 음극(5) 측에서는 다음과 같은 부반응(副反應)이 일어나면 악취발생과 전력소모량이 증가할 우려가 있기 때문에 송풍기(Air blower: 16)로부터 대기 중의 공기를 산기관(Diffuser: 17)을 통해서 폭기(曝氣)하 여 다음과 같은 부반응(副反應)을 최대한 억제되도록 한다.
2Cl- → Cl2 ( aq ) + 2e- ………………………………………………………⑧
Cl2 ( aq ) → Cl2 (g)↑ …………………………………………………………⑨
Cl2 ( aq ) + H2O → HClO( aq ) + HCl ……………………………………………⑩
2HClO( aq ) + 2H+ + 2e- → Cl2 (g)↑ + 2H2O ………………………………⑪
2H2O + 2e- → 2OH- + H2 (g)↑ ………………………………………………⑫
이때 송풍기(16)로부터 산기관(17)을 통해서 공급하는 공기의 공급량은 폭기강도(Intensity of aeration)가 1.2∼2.0공기(㎥)/조 용적(㎥)이 되도록 한다.
전기추출장치(14)와 탈염실(10)의 재질은 내염성 스테인리스강, 티타늄(Titanium)을 사용하던가, 카본 스틸(Carbon steel)에 에폭시(Epoxy) 코팅(Coating)이나 라이닝(Lining)을 하던가 또는 유리섬유강화플라스틱(FRP: Fiber glass reinforced plastic)을 라이닝 한 것을 사용한다.
양극(4), 음극(5), 1가 음이온교환 격막(8)과 1가 양이온교환 격막(9)은 전기투석장치(3)에서와 동일한 것을 사용한다.
NaCl이 제거된 간수에는 미네랄성분의 농도가 높기 때문에 콩나물재배용수로 사용하는 경우는, 염분이 없는 지하수, 하천수 또는 수돗물과 같은 담수(淡水)로 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값을 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 희석 하여 사용한다.
3. 간수에 함유된 NaCl을 냉동법에 의해서 제거하는 공정
간수를 보온처리된 냉각코일이 내장된 냉각장치에 공급하고, 냉각을 하면 도 3 "H2O-NaCl계의 상평형도"에서 보는 바와 같이, 냉동기로부터 냉매를 냉각코일을 통해서 순환하면서 냉각장치 내의 간수의 온도를 냉각하면 셔벗(Sherbet) 상태의 얼음 생산되기 시작하며(얼음이 결빙을 시작하는 온도는 간수의 농도에 따라서 차이가 있음), 더욱더 냉각하여 온도를 공정점(共晶點, Cryohydric point, 含氷晶이라 하기도 함) -22.40℃에 도달하면 단사정계(單斜晶系, Monoclinic system)의 이수화물 NaCl·2H2O를 생성하며, 본 발명에서는 -23∼-26℃까지 냉각하면 용액 중에 NaCl이 제거된 간수가 생산된다. 이때 간수의 보메도 비중은 25∼26°Be가 된다.
[실시 예1]
표1에서와 같은 해양 심층수를 역삼투 여과를 하여 여과 수인 탈 염수는 음료수를 제조하고, 여과되지 않고 보메도 비중이 5.6°Be로 농축된 해양 심층수를 천일염전에서 보메도 비중이 22∼23°Be로 농축된 염수를 가열기에 주입하여 보메도 비중 32°Be까지 소금을 석출(析出)하고 남은 용액인 간수를 생산하였다. 이때 생산된 간수의 주요성분의 분석 치는 다음 표3과 같았다.
표3 해양 심층수를 증발농축하여 소금을 제조하면서 생산된 간수의 조성
항목 NaCl KCl MgCl2 MgSO4 수분 기타
조성(wt%) 6.52 2.98 16.82 8.98 64.32 0.38
유효통전면적(有效通電面積)이 236㎜(세로)×220㎜(가로)의 두께 0.2㎜인 양 이온교환 격막은 1가 양이온만 선택적으로 투과하는 1가 양이온선택교환 격막(9: Aciplex(등록상표) K-102, 일본 旭化成工業株式會社 제품)과 음이온교환 격막은 1가 음이온만 선택적으로 투과하는 1가 음이온선택교환 격막(8: Aciplex Ａ－102, 일본 旭化成工業株式會社 제품)을 각각 50매를 티타늄 판에 RuO2-TiO2를 코팅한 DSA전극인 양극(4)과 스테인리스강 전극인 음극(5) 사이에, 도 1과 같이 교호적으로 50단을 설치한 전기투석장치(3)의 탈염실(10)로 50ℓ의 간수 저장조(1)에 상기의 간수를 주입하고, 다이어프램(Diaphragm)형 정량펌프인 간수 이송펌프(2)로 막면선속도(膜面線速度)가 10㎝/초가 되게 탈염실(10)에 공급하여 간수 저장조(1)로 순환하고, 20ℓ의 농축 염수 저장조(12)의 염수를 다이어프램형 정량펌프인 농축 염수 이송펌프(13)로 막면선속도가 3㎝/초가 되게 염농축실(11)에 공급하여 농축 염수 저장조(12)로 순환하면서, 정류기로부터 직류전기를 전류밀도가 3∼4A/dm2로 인가하여(이때 인가전압은 55∼60Volt이었다.) 미네랄 수 순환라인의 전기전도도지시제어기(ECIS)의 전기전도도 값이 8∼10㎳/㎝로 NaCl을 제거하였을 때 간수의 중요성분 분석 치는 다음 표4와 같았다.
이때 농축 염수 저장조(12)의 염수의 비중은 12°Be조정하였으며, 음극실(7) 용액은 5wt%의 Na2SO4수용액을 50㏄/min로 음극실(7) 하부로 공급하여 상부로 배출되는 것을 양극실(6) 하부로 공급하였다.
표4 전기투석공정에서 배출되는 NaCl이 제거된 간수의 조성
항목 NaCl KCl MgCl2 MgSO4 수분 기타
조성(wt%) 0.78 0.44 15.47 8.80 74.15 0.36
Ⅲ. 간수를 콩나물재배에 이용하는 단계
상기 NaCl이 제거된 간수에는 미네랄성분의 농도가 높기 때문에 콩나물재배용수로 사용하는 경우는, 염분이 없는 지하수, 하천수, 수돗물 또는 해양 심층수를 역삼투 여과공정에서 여과된 탈 염수와 같은 담수(淡水)를 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값이 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 혼합하여 콩나물재배용수로 이용한다.
경비절감을 위해서 상기 NaCl이 제거된 간수 대신에 NaCl이 제거되지 않은 원 간수(Crude bittern)를 지하수, 하천수, 수돗물 또는 해양 심층수를 역삼투 여과공정에서 여과된 탈 염수와 같은 담수를 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값이 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 혼합하여 콩나물재배용수로 이용할 수 있다.
그리고 상기 NaCl이 제거된 간수 대신에 해양 심층수를 지하수, 하천수, 수돗물 또는 해양 심층수를 역삼투 여과공정에서 여과된 탈 염수와 같은 담수를 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값이 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 혼합하여 콩나물재배용수로 이용할 수도 있다.
[실시 예2]
대두를 15wt%의 소금물에 종자를 넣고 3분 동안 종자를 저어주면 떠있는 부실한 콩을 제거한 충실한 대두 3㎏을 3회 물로 씻어낸 다음, 1.5㎏는 시험구로 지하수에 상기 실시 예1에서 NaCl이 제거된 간수를 첨가하여 전기전도도가 0.8㎳/㎝로 조정된 20℃의 용수에 12시간 침지(浸漬)하고, 나머지 1.5㎏는 대조구로 20℃의 지하수에 12시간 동안 침지하여 불린 콩을 꺼내어 각각 콩나물재배용 시루(재배기)에 주입하고, 발아 후 대기온도는 23℃, 습도는 80%로 유지하면서 시험구에서는 지하수에 상기 실시 예1에서 NaCl이 제거된 간수를 첨가하여 전기전도도가 0.8㎳/㎝로 조정된 20∼23℃의 용수를 4시간 마다 1회씩 1일 6회 물주기를 하면서 7일간 콩나물을 재배한 결과 시험 구에서는 8.31㎏의 콩나물이 생산되었다.
대조구에서는 20∼23℃의 지하수를 4시간 마다 1회씩 1일 6회 물주기를 하면서 7일간 콩나물을 재배한 결과 시험 구에서는 8.31㎏의 콩나물이 생산되었으며, 대조구에서는 7.7㎏의 콩나물이 생산되었다.
그리고 시험구의 콩나물과 대조구의 콩나물에 함유된 중요무기물성분의 분석 치는 다음 표5의 내용과 같았다.
표5 콩나물에 함유된 중요무기물성분 분석치(단위: ppm)
구분 Na Ca K Mg P Fe Zn Cu Mn
시험구 52 183 112 369 62 0.62 0.64 0.24 0.42
대조구 3 160 23 23 51 0.50 0.40 0.12 0.30
상기 실시 예2에서 보는 바와 같이 시험구의 콩나물이 대조구에 비해서 생산수율이 8% 정도 높으며, 그리고 표5에서 보는 바와 같이 시험구의 콩나물에 함유된 미네랄성분 함량이 대조구에 비해서 월등히 높은 것을 알 수 있다.
도 1은 간수 중에 함유된 NaCl을 전기투석공정으로 제거하는 공정도
도 2는 간수 중에 함유된 NaCl을 전기추출공정으로 제거하는 공정도
도 3은 냉동에 따른 H2O-NaCl계의 상평형도
도 4는 해양 심층수의 농축에 의한 농축 함수(鹹水)의 비중에 따른 각종 염분의 농도변화도
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1: 간수 저장조 2: 간수 이송펌프
3: 전기투석장치 4: 양극
5: 음극 6: 양극실
7: 음극실 8: 1가 음이온선택교환 격막
9: 1가 양이온선택교환 격막 10: 탈염실
11: 염농축실 12: 농축 염수 저장조
13: 농축 염수 이송펌프 14: 전기추출장치
15: 염추출실 16: 송풍기(Air blower)
17: 산기관 ⓢ: 솔레노이드밸브(Solenoid valve)
BI: 보메비중지시계(Baume indicator) M: 모터(Motor)
BIS: 보메비중지시제어기(Baume indicating switch)
LS: 수위 제어기(Level switch)
ECIS: 전기전도도지시제어기(Electric conductivity indicating switch)

Claims (3)

  1. 해양 심층수를 농축하여 보메도 비중이 30∼34°Be 범위까지 소금을 석출하고 해양 심층수로부터 간수를 생산하는 단계와,
    상기 간수에 함유된 NaCl을 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기투석공정, 1가 양이온선택교환 격막과 1가 음이온선택교환 격막을 사용한 전기추출공정 또는 냉동공정 중에서 선택된 한가지의 NaCl을 제거하는 공정으로 NaCl이 제거된 간수를 만드는 단계와,
    상기 NaCl이 제거된 간수에 지하수, 하천수, 수돗물 또는 해양 심층수를 역삼투 여과공정에서 여과된 탈 염수와 같은 담수(淡水)를 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값이 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 혼합하여 간수를 콩나물재배용수로 이용하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 콩나물을 재배하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 NaCl이 제거된 간수 대신에 NaCl이 제거되지 않은 원간수(Crude bittern)를 지하수, 하천수, 수돗물 또는 해양 심층수를 역삼투 여과공정에서 여과된 탈 염수와 같은 담수를 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값이 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 혼합하여 콩나물재배용수로 이용하는 것을 특징으로 하는 해양 심층수로부터 생산된 간수를 이용하여 콩나물을 재배하는 방법.
  3. 제1항의 NaCl이 제거된 간수 대신에 해양 심층수를 지하수, 하천수, 수돗물 또는 해양 심층수를 역삼투 여과공정에서 여과된 탈 염수와 같은 담수를 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity) 값이 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 혼합하여 콩나물재배용수로 이용하는 방법.
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KR101447472B1 (ko) 2012-12-13 2014-10-06 재단법인 제주테크노파크 탈염 용암해수 미네랄 또는 그 발효물을 이용한 식물의 재배 방법

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JP2002058368A (ja) 2000-08-22 2002-02-26 Shimamoto Shokuhin:Kk 海洋深層水を利用したカイワレ大根及びその栽培方法
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