KR101099872B1 - 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법 - Google Patents

경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 천연 모데나이트 분말을 담체로 하여 기공을 통해 나트륨화합물과 칼륨화합물을 함침시키고, 기공이 물리적 필터 기능을 수행하며, 경도성 물질인 칼슘 이온 및 마그네슘 이온 등과 이온치환함으로써 물 속의 경도성 물질 및 잔류염소 제거의 효율성을 극대화할 수 있는 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 (a) 천연 모데나이트를 분쇄하는 단계; (b) 나트륨화합물과 칼륨화합물 중 적어도 하나를 증류수에 용해시키는 단계; (c) 상기 (a)단계에서 얻어진 천연 모데나이트 분말과 상기 (b)단계의 용액을 반응조에 넣고 반응시켜, 상기 천연 모데나이트를 담체로 하여 상기 천연 모데나이트의 기공에 상기 나트륨화합물과 칼륨화합물 중 적어도 하나를 함침시키는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계의 생성물을 고체화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법을 제공한다.

Description

경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법{Method for making reducer of dissolved solid}
본 발명은 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 천연 모데나이트 분말을 담체로 하여 기공을 통해 나트륨화합물과 칼륨화합물을 함침시키고, 기공이 물리적 필터 기능을 수행하며, 경도성 물질인 칼슘 이온 및 마그네슘 이온 등과 이온치환함으로써 물 속의 경도성 물질 및 잔류염소 제거의 효율성을 극대화할 수 있는 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법에 관한 것이다.
물의 경도(hardness)는 용존하고 있는 다가의 금속이온인 칼슘, 마그네슘 등에 의해 야기된다. 이러한 경도성 물질 중 마그네슘의 황산염은 설사증을 일으키는 수가 있고, 대략 200 mg/L 이상의 경도는 pH나 알칼리 등의 요인에 의해 배수관에 스케일(scale)로 침착되거나 비누의 거품이 잘 일지 않도록 하여 생활용수로 사용하기에 부적합한 측면이 있다.
경도는 대부분 양이온에 기인하지만 탄산염 경도(1차 경도)와 비탄산염 경도(영구 경도)로 분류되기도 한다. 1차 경도는 자비에 의해 침전 제거할 수 있지만 급탕관이나 주전자에 관석을 부착시키는 원인이 된다. 영구 경도는 황산염, 염산염, 초산염과 양이온이 결합한 것으로, 자비하더라도 제거할 수 없는 특성을 가진다. 이러한 수중의 경도 성분은 퇴적암이나 토양, 특히 석회암으로부터의 침출물과 유출물에서 연유한다.
또한, 수도물은 정수 과정에서 잔류염소가 존재할 수 있다. 잔류염소는 물을 염소로 소독했을 때 특정한 형태로 존재하는 염소로서, 하이포아염소산과 하이포아염소산 이온의 형태로 존재하는 염소를 말한다. 이러한 잔류염소가 수도물에 과량으로 존재할 경우에는 염소냄새가 강하고, 금속 등을 부식시키며, 발암물질이 생성되는 것으로 알려져 있다.
이러한 수중의 경도성 물질과 잔류염소를 제거하기 위해 다양한 기법들이 적용되고 있으며, 역삼투압 방식과 이온교환수지 필터 방식이 주로 사용되고 있다.
역삼투압 방식은 평형상태에서 고농도 용액 측에 삼투압 이상의 압력을 가하면 고농도 용액의 용매는 막을 통과하여 저농도 용액쪽으로 이동하고 용질은 막을 통과하지 못하는 현상을 이용하여, 가압된 용액에서 용매와 용질을 분리하는 방식이다.
이온교환수지는 이온교환을 할 수 있는 이온을 지닌 불용성 합성수지로, 양이온 교환수지, 음이온 교환수지, 양쪽성 수지, 전자교환수지 등이 있다. 이들은 다공성의 합성수지로, 통상 입자상으로 만들어져 필터 형태로 적용하고 있다.
그러나, 이러한 일반적인 방식은 효율성에 한계를 보이고 있어, 수처리 효율과 경제성을 담보할 수 있는 수처리 기술개발 필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 천연 물질을 이용하여 경도성 물질을 제거하고 잔류염소 성분을 제거하는 등 수처리 효율을 극대화할 수 있는 경도성 물질 및 잔류염소 제거제의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법은 (a) 천연 모데나이트를 분쇄하는 단계; (b) 나트륨화합물과 칼륨화합물 중 적어도 하나를 증류수에 용해시키는 단계; (c) 상기 (a)단계에서 얻어진 천연 모데나이트 분말과 상기 (b)단계의 용액을 반응조에 넣고 반응시켜, 상기 천연 모데나이트를 담체로 하여 상기 천연 모데나이트의 기공에 상기 나트륨화합물과 칼륨화합물 중 적어도 하나를 함침시키는 단계; 및 (d) 상기 (c)단계의 생성물을 고체화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (d)단계에서 고체화된 형상은 분말 타입, 그래뉼(granule) 타입, 볼(ball) 타입, 필터 타입, 블록 타입, 허니컴 타입 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 나트륨 화합물은 탄산나트륨을 포함하고, 상기 칼륨 화합물은 탄산칼륨을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 천연 모데나이트 분말을 담체로 하여 기공을 통해 나트륨화합물과 칼륨화합물을 함침시키고, 기공이 물리적 필터 기능을 수행하며, 경도성 물질인 칼슘 이온 및 마그네슘 이온 등과 이온치환함으로써 물 속의 경도성 물질 및 잔류염소 제거의 효율성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법에서 담체로 사용되는 천연 모데나이트 분말의 결정구조도,
도 2는 천연 모데나이트의 원자 골격을 도시한 화학구조도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법에서 담체로 사용되는 천연 모데나이트 분말의 결정구조도이다. 도 2는 천연 모데나이트의 원자 골격을 도시한 화학구조도이다.
천연 모데나이트는 규소(Si)와 알루미늄(Al)이 산소(O)를 통해 결합된 구조를 취하고 있다. 골격구조 내에 +3가의 알루미늄과 +4가의 규소가 -2가인 산소를 공유하기 위해 규소 주위는 전기적으로 중성이 되고 알루미늄 주위는 -1가가 된다. 이러한 음전하를 보상하기 위해 골격중에 나트륨 이온(Na+)과 같은 양이온이 필요하다. 이러한 양이온은 칼슘, 마그네슘과 같은 다른 금속이온과 쉽게 이온교환이 가능하기 때문에, 물 속의 경도성 물질과 이온교환을 수행함으로써 경도성 물질을 제거하게 된다.
도 1을 참조하면, 천연 모데나이트의 골격구조에는 활성탄의 기공에 비해 대략 30배 정도 큰 기공이 다수 존재하여 이러한 기공이 물리적 필터 기능을 수행할 뿐만 아니라, 나트륨 화합물 또는 칼륨 화합물과 같은 이온교환성이 높은 금속 화합물이 함침되기에 적합하다.
도 2를 참조하면, 천연 모데나이트는 Si-O-Al-O-Si 구조가 삼차원적으로 조합되어 형성된다. 이러한 삼차원 구조에 분자 수준의 기공이 구비되어 물이나 유기분자, 금속이온 등이 흡착될 수 있다. 이러한 수분 흡착능력을 이용하여 실내의 습도조절 등에 이용되기도 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 경도성 물질과 잔류염소 제거제는 이러한 천연 모데나이트 분말을 기본담체로 활용한다. 이 담체는 기공이 크고 이온교환성(CEC)이 우수한 광물로, 기공을 이용한 물리적 필터 기능과 기공에의 양이온 함침기능을 이용한다. 경도성 양이온을 제거하고 안정화시키기 위하여 이러한 기공에 탄산화합물 중에서도 해리도가 높은 화합물을 함침시킨다.
함침된 분말은 적정 조건하에서 이온치환된다. 예컨대, 분말 상의 화합물 중에서 이온교환성이 높은 나트륨으로 치환시키게 된다. 마지막으로 이러한 분말을 경도성 물질 제거제로 그대로 사용하거나, 저온(200도씨 이하) 성형 바인더로 성형하여 다양한 형상의 제품으로 성형시킨다.
수도물 등에 존재하는 잔류염소 제거는 상기 경도성 물질 제거와 동일하나, 함침 및 이온치환 시키는 화합물에만 차이가 있다. 염소 이온을 제거하기 위해 나트륨 화합물을 이용한다. 티오황산나트륨과 같은 수용성 물질을 함침 및 이온치환 방법으로 분말에 주입시켜서 이를 잔류염소 제거제로 그대로 사용하거나, 저온 성형 바인더로 성형하여 서서히 용출되게 하면서 염소 이온을 제거하게 된다.
가정의 수도물에서 경도성 물질과 잔류염소를 제거하는 메카니즘은 다음과 같다. 가정의 수도물에는 경도성 물질인 칼슘 2가 이온, 마그네슘 2가 이온, SiO2 음이온 등과, 잔류염소인 염소 음이온 등이 존재하게 된다. 이와 같이 양이온과 음이온이 공존하는 상황에서 양이온인 칼슘 이온과 마그네슘 이온은 반응성이 높은 나트륨 이온이나 칼륨 이온과 이온치환을 하게 되고, 음이온은 양이온인 나트륨 및/또는 칼슘과 만나 화학결합으로 안정화된다. 이때, 양이온의 이온치환은 연속적이고 반복적으로 일어나게 되고, 음이온의 화학결합은 순간적으로 반응이 일어난다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 경도성 물질과 잔류염소 제거제는 다음과 같은 과정으로 제조된다.
먼저, 천연 모데나이트 원석을 분쇄하여 천연 모데나이트 분말을 제조한다(제1 단계). 이때, 천연 모데나이트 분말은 가능한 미세한 것이 표면적 증가의 측면에서 바람직하다. 예컨대 325메쉬 이상인 것이 바람직하고, 입경이 1마이크로미터 이하인 것이 더욱 바람직하다. 이와 같이 천연 모데나이트가 미세하게 분쇄될수록 표면적이 증가하여 반응속도가 빠르고 함침효율이 향상된다.
다음으로, 나트륨화합물과 칼륨화합물 중 적어도 하나를 증류수에 용해시킨다(제2 단계). 나트륨화합물로는 탄산나트륨, 칼륨화합물로는 탄산칼륨이 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 천연 모데나이트 분말과 상기 제2 단계의 용액을 반응조에 넣고 반응시킨다(제3 단계). 이러한 반응을 통해 천연 모데나이트를 담체로 하여 천연 모데나이트의 기공에 나트륨화합물과 칼륨화합물 중 적어도 하나가 함침된다. 이때, 제2 단계와 제3 단계는 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 천연 모데나이트 분말과 나트륨화합물 및/또는 칼륨화합물을 증류수에 액화시킨 후, 일정 조건하에서 반응시킬 수 있다.
다음으로, 제3 단계의 생성물을 고체화시킨다. 고체화는 분말 타입, 그래뉼(granule) 타입, 볼(ball) 타입, 필터 타입, 블록 타입, 허니컴 타입 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 분말 이외의 형상으로 성형하기 위해서는 접착제 역할을 수행하는 저온 성형 바인더가 필요하다.
나트륨 화합물로 탄산나트륨을 사용한 경우의 실시예는 다음과 같다.
천연 모데나이트 원석을 325메쉬로 분쇄한다.
탄산나트륨 20~45g을 증류수 100mL에 넣고 60~80도씨에서 중탕 용해시킨다.
탄산나트륨 용액 30~50mL를 분쇄된 모데나이트 분말 100g과 함께 반응조에 넣어 60~80도씨 하에서 1000~3000rpm의 속도로 8~10시간 동안 반응시킨다.
반응이 완료되면 분말 형태 또는 다양한 여러가지 형태로 고체화한다.
이와 같이 제조된 경도성 물질 제거제가 수도물에 투입되면 수도물 중의 칼슘 이온 및 마그네슘 이온과 경도성 물질 제거제 중의 나트륨 이온 및 칼륨 이온이 서로 이온치환되고, 수도물 중의 염소 이온은 나트륨 이온과 칼륨 이온을 만나 화학결합으로 안정화된다.
탄산나트륨을 이용하여 칼슘 이온과 마그네슘 이온을 제거하는 과정의 화학반응식은 다음과 같다.
Na2CO3 + Ca2+ → 2Na+ + CaCO3
Na2CO3 + Mg2+ → 2Na+ + MgCO3
탄산나트륨을 이용하여 잔류염소를 제거하는 과정의 화학반응식은 다음과 같다.
Na2CO3 + 2HClO → 2NaCl + H2CO4
통상적인 경도성 물질 및 잔류염소 제거장치들은 주로 필터 등에 의한 물리적 방법에 의존하는 데 반해, 본 발명은 물리적인 방법에 화학적 방법을 접목시켜 수처리 효율을 극대화한다. 기존의 역삼투압 방식의 필터나 이온교환수지 필터, 유에프, 케이디에프 등의 막을 이용한 기술들은 효율성 등에 많은 문제점을 노출하고 있다. 본 발명에 따른 수처리 기술은 효율과 기능과 경제성 면에서 우수하고, 음용수뿐만 아니라 공업용, 농수축산업용의 플랜트 분야에도 광범위하게 적용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 - 기공

Claims (3)

  1. (a) 천연 모데나이트를 분쇄하는 단계;
    (b) 나트륨화합물과 칼륨화합물 중 적어도 하나를 증류수에 용해시키는 단계;
    (c) 상기 (a)단계에서 얻어진 천연 모데나이트 분말과 상기 (b)단계의 용액을 반응조에 넣고 반응시켜, 상기 천연 모데나이트를 담체로 하여 상기 천연 모데나이트의 기공에 상기 나트륨화합물과 칼륨화합물 중 적어도 하나를 함침시키는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계의 생성물을 고체화시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (d)단계에서 고체화된 형상은 분말 타입, 그래뉼(granule) 타입, 볼(ball) 타입, 필터 타입, 블록 타입, 허니컴 타입 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나트륨 화합물은 탄산나트륨을 포함하고, 상기 칼륨 화합물은 탄산칼륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 경도성 물질과 잔류염소 제거제의 제조방법.


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