KR101207125B1 - 물 분자를 작게 나누어주는 세라믹 볼. - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다공성 세라믹을 활용하여 제조한 정수 정제(물, 술, 기름 등을 포함한 액체)용 필터에 관한 것이다. 본 발명은 산화규소(SiO2) 중량45~49％, 산화알루미나(Al2O3) 중량8~12％, 산화철(Fe2O3+FeO) 중량2~5％, 산화칼슘(CaO) 중량15~19％, 산화나트륨(Na2O) 중량1％이하, 산화마그네슘(MgO) 중량14~18％, 산화칼륨 (K2O) 중량2％ 이하, 산화티타늄(TiO2) 중량1％이하, 산화지르콘(ZrO2) 중량1％이하에 첨가제(점력보강제)를 넣어서 성형 및 소성하여 얻어진 다공성 세라믹조성물 및 이를 이용한 세라믹 볼에 관한 것이다.
1~8mm의 크기와 1,000~1,300 ℃에서 소성한 세라믹 볼을 정수기 필터로 제작하여 액체가 세라믹필터를 통과하여 분자집단(Cluster)이 세라믹 에너지의 자극을 받으면서 분자집단이 적어지고 활성화되어 활동이 활발해지는 원리를 활용한 것이다.

Description

물 분자를 작게 나누어주는 세라믹 볼. {The Ceramic-ball, dividing water cluster smaller}
세라믹 에너지의 특성은 원적외선, 다공성 등 특성이 있다.
원적외선 [遠赤外線, far infrared ray]란 파장이 25㎛ 이상인 적외선이다. 가시광선보다 파장이 길어서 눈에 보이지 않고 열 작용이 크며 침투력이 강하다. 또, 유기화합물 분자에 대한 공진 및 공명 작용이 강하다. 이러한 특성을 살려서 다양한 산업, 의료 분야에 응용되고 있다.
적외선 중 파장이 긴 것을 말한다. 적외선은 가시광선의 적색 영역보다 파장이 길어 열 작용이 큰 전자파의 일종으로, 파장이 짧은 것은 근적외선이라 한다. 눈에 보이지 않고 물질에 잘 흡수되며 유기화합물 분자에 대한 공진(共振) 및 공명(共鳴) 작용이 강한 것이 특징이다.
빛은 일반적으로 파장이 짧으면 반사가 잘 되고, 파장이 길면 물체에 도달했을 때 잘 흡수되는 성질이 있으므로 침투력이 강해서 사람의 몸도 이 적외선을 쐬면 따뜻해진다. 예를 들어 30℃의 물속에서는 따뜻한 기운을 거의 느끼지 못하지만, 같은 온도의 햇볕을 쐬고 앉아 있으면 따스함을 느낄 수 있는데 그 이유는 햇볕 속에 포함되어 있는 원적외선이 피부 깊숙이 침투하여 열을 만들기 때문이다. 이러한 열 작용은 각종 질병의 원인이 되는 세균을 없애는 데 도움이 되고, 모세혈관을 확장시켜 혈액순환과 세포조직 생성에 도움을 준다. 또 세포를 구성하는 수분과 단백질 분자에 닿으면 세포를 1분에 2,000번씩 미세하게 흔들어줌으로써 세포조직을 활성화하여 노화방지, 신진대사 촉진, 만성피로 등 각종 성인병 예방에 효과가 있다. 그 밖에도 발한작용 촉진, 통증완화, 중금속 제거, 숙면, 탈취, 항균, 곰팡이 번식방지, 제습, 공기정화 등의 효과가 있어 주택 및 건축자재, 주방기구, 섬유?의류?침구류, 의료기구, 찜질방 등의 여러 분야에 쓰이고 있다.
물은 화학적으로는 산소와 수소의 결합물이며, 천연으로는 도처에 바닷물?강물?지하수?우물물?빗물?온천수?수증기?눈?얼음 등으로 존재한다. 지구의 지각이 형성된 이래 물은 고체?액체?기체의 세 상태로 지구표면에서 매우 중요한 구실을 해왔다.
물은 인류를 비롯한 모든 생물에게 물질 중에서 가장 중요한 것이며, 생체(生體)의 주요한 성분이 되고 있다. 인체는 약 70%, 어류는 약 80%, 그 밖에 물속의 미생물은 약 95%가 물로 구성되어 있다.
액체인 물은, 물 분자 H2O가 아니고, 물 분자들이 결합 된 (H2O)n으로 구성 구조로, 5~12개의 물 분자가 중합된 형태로 연견 된 집단(Cluster)을 형성하고 있으며 이것이 동적인 구조로 항상 변동하고 있다. 즉, 물은 물 분자가 수소결합으로 연결되어 있으며, 수소결합에너지는 0.056~0.2eV이다. 그런데, 원적외선의 에너지인 광량자는, 파장이 2.5~30에서 0.04~0.5eV로 수소결합에너지보다 높으므로 수소결합을 끊을 수 있다.
실제로, 물 분자의 파장대인 10μ전후의 원적외선이 조사되면 공명흡수현상으로 미약한 에너지의 광자의 전파에 의해 물의 각 원자, 분자가 에너지가 높은 공명상태로 유지되며, 물 분자의 중간인 수소결합이 절단되어 짧고 용적이 적은 물 분자집단으로 되어 물의 활성화가 이루어진다.
다공성(多孔性)이란, 물질의 내부나 표면에 작은 빈틈이 많이 있는 성질이다. 다공성 도자기로는 석회질 도기, 장석질 도기 등이 있으며, 식기류, 위생용기, 벽타일, 인형류에 쓰인다. 공업제품으로는 여과기(濾過器)? 격막용재(隔膜用材)?내열재 등으로 이용되며, 다소 착색되어 있지만 대량으로 생산되고 있는 것은 일반 내화물(耐火物)로서 샤모트(schamotte)벽돌, 규석벽돌, 돌로마이트 벽돌 등이 있다.
다공성은 흡착을 가져온다.
흡착(吸着, adsorption)이란, 2개의 상(相)이 접할 때, 그 상을 구성하고 있는 성분물질이 경계면에 농축되는 현상이다. 대표적인 예로는 오래전부터 쓰인 숯이 있는데, 간장에 넣어 불순물을 제거해 주는 역할을 한다.
용질이 두 상의 경계면을 지나 1개의 상으로부터 다른 상으로 이동하는 흡수(吸收)와는 구별되어 , 두 상의 경계면에서 그 상을 구성하고 있는 성분물질이 농축되는 현상을 말한다. 표면 또는 계면에 흡착이 일어날 때를 양 흡착, 그 반대로 계면 쪽이 내부보다 성분 농도가 엷어진 때를 음 흡착이라 하며, 다량의 양 흡착을 일으키는 물질을 흡착제(吸着劑)라 한다. 예를 들면, 숯은 가장 오래전부터 쓰인 흡착제이며 특히 흡착력을 강하게 한 활성탄 등으로 사용된다. 그 밖에 각종 금속의 산화물, 특히 활성알루미나, 실리카, 산화타이타늄 등이 있고, 천연적인 것으로는 벤토나이트, 산성백토, 규조토(珪藻土) 등이 알려져 있다.
우리 조상은 세라믹 에너지의 존재를 모르면서 오랜 옛날부터의 경험과 생활의 지혜로서 세라믹을 이용해 왔다.
항아리를 땅속에 묻어 겨우내 신선한 김치 맛, 돌로 눌러서 싱싱함을 유지하는 동치미 맛, 장맛을 더해지는 뚝배기 등의 비밀이 원적외선에 있다고 사료 된다. 또한, 개울물 혹은 우물물을 떠서 도자기용기에 넣어서 하룻밤 재운 후 음료수로 이용하였다. 물을 재우면 깨끗해지고 물때 냄새도 없어지며 시원해진다. 그리고 이 물로 요리를 하면 맛있으며 오랫동안 보전하여도 뷔페하지 않는다. 이러한 현상도 원적외선에 의해서 이루어진다.
세라믹 에너지는 물을 활성화하는 힘이 있다.
세라믹 에너지는 물 분자집단의 수소결합을 끊어준다. 하지만 원적외선 방사율이 높다고 해서 물 분자 집단을 더 작게 끊어주는 것은 아니다. 세라믹 에너지는 원적외선, 다공성 등의 특성이 있기 때문이다.
본 발명은 물 분자집단 크기를 최소화하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 산화규소(SiO2) 중량45~49％, 산화알루미나(Al2O3) 중량8~12％, 산화철(Fe2O3+FeO) 중량2~5％, 산화칼슘(CaO) 중량15~19％, 산화나트륨(Na2O) 중량1％이하, 산화마그네슘(MgO) 중량14~18％, 산화칼륨 (K2O) 중량2％ 이하, 산화티타늄(TiO2) 중량1％이하, 산화지르콘(ZrO2) 중량1％이하를 혼합하고, 보조 재료를 적당량 투입하여 반죽하고, 반죽된 점토를 구슬 형 기물로 만든다. 성형된 기물을 건조하여 1,100~1,300℃에서 소성한 세라믹으로 정수 정제용 다각형 필터를 제공한다.
본 발명은 물, 술, 기름 등의 액체의 분자집단(Cluster)이 세라믹 에너지의 자극을 받으면서 분자집단이 적어지고 활성화되어 활동이 활발해지는 원리를 활용한 세라믹 필터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 다공질 세라믹 필터는 물의 분자 간의 연결고리를 짧게 끊어 이온수로 변화시켜 동식물의 주요성분인 물 분자의 침투력을 향상시킴으로서 소화촉진 및 각종 성인병으로부터 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 유해 화학물질의 분해 능력까지도 크게 증진시킬 수 있다.
물 분자의 파장대인 10μ전후의 원적외선이 조사되면 공명흡수현상으로 미약한 에너지의 광자의 전파에 의해 물의 각 원자, 분자가 에너지가 높은 공명상태로 유지되며, 물 분자의 중간인 수소결합이 절단되어 짧고 용적이 적은 물 분자집단으로 되어 물의 활성화가 이루어진다.
즉, 세라믹 에너지는 물 분자집단의 수소결합을 끊어준다. 하지만 원적외선 방사율이 높다고 해서 물 분자 집단을 더 작게 끊어주는 것은 아니다. 원적외선의 특성은 방사와 흡수 등이 있기 때문이다. 따라서 본 발명은 물 분자집단 크기를 최소화하는 것이다.
인간이 생체활동을 할 때 필요로 하는 무기질 영양소의 대부분이 소량이며, 이는 꾸준히 물을 통해서 어느 정도 섭취되고 있다. 이는 몸에서 필요하는 양이 극히 적기 때문에 따로 먹지 않고 물속에 포함되어 있는 양으로 인간의 생명활동이 가능하다.
물은 주로 작은창자에서 흡수되는데 보통 성인은 하루에 7 - 8 리터의 물을 소장에서 흡수한다. 성인이 마시는 물은 음식물에 들어있는 것을 포함해서 2 리터 정도 이다. 나머지 5 - 6 리터는 위와 십이지장(췌장과 간)에서 분비된 것이다. 작은창자뿐 아니라 큰창자에서도 물을 흡수한다. 그러나 그 양은 그리 많지 않아서 1 리터가 약간 넘는 물을 흡수할 뿐입니다. 물론 큰창자에서 최대한 흡수할 수 있는 물의 양은 이보다 훨씬 많아 7 리터 정도 됩니다. 작은창자는 20 리터 넘게 흡수할 수도 있다. 작은창자와 큰창자에서 물이 흡수되는데, 확산과 삼투작용이 관여한다. 이때 물 분자가 작으면 흡수가 빨지 진행되고 물 분자가 크면 몸 밖으로 배설된다.
사람의 몸에 좋은 물의 기준은 여러 가지다. 물 분자가 작은 물은, 체내 흡수가 빠른 물 이런 물을 마시는 것이 신진대사 원활하게 한다.
상기 다공질 세라믹 필터를 구성하는 점토(粘土, Clay)란 여러 가지 소지의 혼합물, 또는 요업 상 특정한 목적을 달성하기 위하여 점토와 섞은 다른 흙의 무기물의 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.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 산화규소(SiO2), 산화알루미나(Al2O3), 산화철(Fe2O3+FeO), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O), 산화마그네슘(MgO) , 산화칼륨 (K2O), 산화티타늄(TiO2), 산화지르콘(ZrO2). 상기한 9가지 화합물을 주성분으로 하고 이에 각종 첨가제를 삽입하여 다공질 세라믹 필터를 제조한다.
상기한 세라믹 제조의 구성비는 실험을 통하여 가장 적합한 황금 비를 찾아낸 결과이다.
본 발명에서 사용하는 무기물의 입자의 크기는 모두 350메쉬(Mesh) 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 필요 시 첨가할 수 있다.
소성(燒成, firing) 가공이란 조합(調合)된 원료를 가열하여 경화성 물질(硬化性物質)을 만드는 조작을 의미한다. 다공질 세라믹을 완성하기 위하여 1,100 ~1300℃에서 소성 한다.
다공질 세라믹 필터의 제조과정을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
1단계, 위에 상술한 배합비율에 따라 원료들을 혼합한다.
혼합 위하여 ‘볼밀(Ball Mill)’에 재료를 적당량 투입하여 48시간 이상 습식으로 혼합한다. 혼합이 충분해야만 성형이 용이하다.
혼합을 마친 점토(Slip상태)는 ‘압력여과기(壓力濾過器, Filter Press)’를 이용하여 케이크(Cake)형태로 만들어 건조 후 분쇄(粉碎, Grinding)기를 이용하여 분말상 태로 만든다.
2단계, 볼 성형단계로 ‘분말성형기(Palletizer)’를 이용하여 볼을 성형한다. 볼의 크기는 1~8mm가 적당하다. 일정한 크기의 볼 보다는 다소 크기의 차이가 있는 것이 정수용 필터(통수)에 장착 시 용이하며 물과의 반응시간을 줄일 수 있다. 기물은 볼 형태 이외에 타원, 다각형까지 포함할 수 있다.
마지막으로, 성형을 마친 볼은 충분한 건조한 후 내화그릇에 담아서 소성 한다. 소성온도는 1,100 ~1,300℃가 적당하다.
이렇게 얻어진 세라믹의 크기와 상기 소성온도의 범위는 조절될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 기재한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명의 바람직한 실시 예일 뿐, 본 발명이 하기 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[비교예 1] 지표와 본 발명에서 사용된 점토비교
다공질 세라믹에서 사용되고 있는 점토와 지구표면으로부터 10km의 평균치의 구성과는 다소 차이가 있다. 물 분자를 작게 나누어주는 세라믹에서 점토와 지표의 산화물과의 비율을 비교하면 표1과 은 차이점을 볼 수 있다.
구분 지표(지구표면으로부터 10km의 평균치) 물 분자를 작게 나누어주는
세라믹 제조를 위한 점토		 비고
SiO2 59.14 48.34
Al2O3 15.34 11.18
Fe2O3+FeO 06.88 3.84
CaO 05.08 17.27
Na2O 03.84 0.73
MgO 03.49 16.38
K2O 03.13 1.37
H2O 01.15 -
TiO2 01.05 0.29
ZrO2 - 0.16
기타 99.10
00.90
100.00		 99.56
0.44
100.00
한국세라믹기술원, 2009-3266-1
[실험예 1] 핵자기공명분광기(NMR Spectrometer) 측정
본 발명에서 사용된 물 분자를 작게 나누어주는 세라믹 볼을 필터로 만들고, 이 필터를 통과한 물을 한국기초과학지원연구소에서 핵자기공명분광기(NMR Spectrometer) 측정하였다. NMR-500 모델을 사용하여 O17-NMR 반치폭(Half width)을 측정하였다. Hz의 수는 분자의 크기를 나타내는 수이기도 하다. Hz의 수가 작을 수 록 분자크기가 작다고 할 수 있다.
분석시험항목
(단위Hz)		 원수(수도물) R/O 정수기 본 발명에 사용된 세라믹
Half Width 132.50 120.73 65.24
한국기초과학지원연구소, 2010-ST-00310.
[실험예 2] 먹는물수질공정 시험
먹는물수질공정시험은 한국환경수도연구소에서 실시하였다. 시험방법은 환경부고시 제2009-233호 먹는물수질공정시험기준으로 실시하였으며 시험환경은 온도 18~24, 상대습도 18~33% R.N. 였다. 시험결과는 [표3]와 같다.
시험항목 단 위 먹는물수질기준 유입수농도 유출수 농도 시험조건
납 mg/L 0.05이하 불검출 불검출























수압:1kgf/
불소 mg/L 1.5이하 불검출 불검출
비소 mg/L 0.05이하 불검출 불검출
세레늄 mg/L 0.01이하 불검출 불검출
수은 mg/L 0.001이하 불검출 불검출
시안 mg/L 0.01이하 불검출 불검출
6가크롬 mg/L 0.05이하 불검출 불검출
암모니아성질소 mg/L 0.5이하 불검출 불검출
질산성질소 mg/L 10이하 2.0 2.0
카드뮴 mg/L 0.005이하 불검출 불검출
보론 mg/L 1.0이하 불검출 불검출
페놀 mg/L 0.005이하 불검출 불검출
1,1,1-트리클로로에탄 mg/L 0.1이하 불검출 불검출
테라클로로에틸 mg/L 0.01이하 불검출 불검출
트리클로로에틸 mg/L 0.03이하 불검출 불검출
디클로로메탄 mg/L 0.02이하 불검출 불검출
벤젠 mg/L 0.01이하 불검출 불검출
톨루엔 mg/L 0.7이하 불검출 불검출
에틸벤젠 mg/L 0.3이하 불검출 불검출
1,1-디클로로에틸렌 mg/L 0.5이하 불검출 불검출
사염화탄소 mg/L 0.002이하 불검출 불검출
다이아지논 mg/L 0.02이하 불검출 불검출
파라티온 mg/L 0.06이하 불검출 불검출
페니트로티온 mg/L 0.04이하 불검출 불검출
카바릴 mg/L 0.07이하 불검출 불검출
1,2-디브로모-3-클로로프로판 mg/L 0.003이하 불검출 불검출
총트리할로메탄 mg/L 0.1이하 0.0332 0.0324
클로랄하이드레이트 mg/L 0.03이하 0.006335 0.00579
디브로모아세토니트릴 mg/L 0.1이하 불검출 불검출
디크로로아세토니트릴 mg/L 0.09이하 0.00335 0.00316
트리클로로아세토니트릴 mg/L 0.004이하 불검출 불검출
할로아세틱에시이드 mg/L 0.1이하 불검출 불검출
일반세균 CFU/mL 100이하 수돗물 불검출
총대장균 - /100mL 불검출 수돗물 불검출
대장균 - /100mL 불검출 수돗물 불검출
경도 mg/L 300이하 수돗물 71.0
과망간산칼륨소비량 mg/L 10이하 수돗물 1.26
구리 mg/L 1이하 수돗물 불검출
세제(음이온계면활성제) mg/L 0.5이하 수돗물 불검출
수소이온농도(pH) - 5.8~8.5 수돗물 7.3
아연 mg/L 3이하 수돗물 0.0029
연소이온 mg/L 250이하 수돗물 22
증발잔류물 mg/L 500이하 수돗물 129.0
철 mg/L 0.3이하 수돗물 불검출
망간 mg/L 0.3이하 수돗물 불검출
황산이온 mg/L 200이하 수돗물 15
알루미늄 mg/L 0.2이하 수돗물 불검출
맛 - 무미 수돗물 없음
냄새 - 무취 수돗물 없음
한국수도환경연구소, 일반-0912063
μ/마이크로(Micro)는 SI 단위계에서 10-6을 나타내는 접두어이다. 로마자만 쓸 수 있는 환경에서는 u를 대신 사용하기도 한다. μm를 um로, μV를 uV로 적기도 한다. 경우에 따라서 μg을 mcg로 적기도 한다
Hz/진동수(振動數, Frequency)는 주기적인 현상이 단위 시간동안 몇 번 일어났는지를 뜻하는 말으로, 주파수(周波數)라고도 한다. SI단위로는 헤르츠(Hz)를 쓴다. 1 Hz는 1초에 1번 주기적인 현상이 일어나는 것이고, 2 Hz는 1초에 2번 주기적인 현상이 일어나는 것이다.
메쉬(Mesh)는 체의 구멍이나 입자의 크기를 나타내는 단위로 타일러 표준체(Tyler Standard Sieve)에서는 1 inch(인치) 길이 안에 들어 있는 눈금의 수로 나타낸다.

Claims (3)

  1. 산화규소(SiO2) 중량45~49％, 산화알루미나(Al2O3) 중량8~12％, 산화철(Fe2O3+FeO) 중량2~5％, 산화칼슘(CaO) 중량15~19％, 산화나트륨(Na2O) 중량1％이하, 산화마그네슘(MgO) 중량14~18％, 산화칼륨 (K2O) 중량2％ 이하, 산화티타늄(TiO2) 중량1％이하, 산화지르콘(ZrO2) 중량1％이하에 첨가제(점력보강제)를 넣어서 성형하여 1,000~1,300 ℃에 소성 하여 얻어진 다공성 세라믹 조성물로 제조되고 직경 1~8mm인 바이오세라믹 볼.

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