KR101574327B1 - 용암해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용암해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 해수에 함유된 다양한 미네랄들의 물에 대한 용해도 차이를 이용하여, 미네랄 중에서도 황산칼슘이 고순도로 석출될 수 있는 농도로 해수를 농축함으로써, 해수에서 황산칼슘을 고순도로 분리할 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

용암해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법 {(Method for Separation of High Purity Minerals from Magma Seawater}

본 발명은 용암해수로부터 고순도로 미네랄을 분리하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 해수를 처리하여 담수를 제조하는 방법에는 증발법, 역삼투막법, 전기투석법 등이 있다. 그 어떤 방식을 택하든 제조된 물은 원수의 특성 및 제조된 물의 성분 특성에 의하여 그 사용처가 제한이 되어 왔다. 그 중에서도 차이를 결정하는 대표적인 것이 함유된 미네랄 성분과 그 양이다.

그런데 상기의 방법들은 그 미네랄의 조절이 자유롭지 않고 미네랄 성분 조성에 대한 법적 규제가 까다롭기 때문에 소비자의 요구와 법적 기준에 따른 물을 제조하는 것이 쉽지 않다.

특히 먹는 물 및 먹는 해양심층수는 인간이 음용수로서 섭취하기 때문에 그 함유성분 및 양에 있어서 엄격한 규제를 받고 있다. 그 중에 대표적인 것이 염소이온과 황산이온이다. 현행 먹는 물 관리법의 수질기준을 보면 염소이온은 250mg/L, 황산이온은 200mg/L이 넘지 않도록 되어 있다. 먹는 물의 경도는 300mg/L, 먹는 샘물은 500mg/L, 먹는 해양심층수는 120mg/L로 되어 있어 다량의 미네랄을 포함시킬 수 있는 것으로 되어 있지만, 대표적인 음이온인 염소이온과 황산이온의 규제로 인하여 이를 제거하지 않을 경우에는 경도 200이 넘는 미네랄 워터도 제조가 쉽지 않은 실정이다.

먹는 해양심층수는 심층수를 원료로 만들어지는데, 심층수란 해양심층수개발 및 관리에 관한 법에서 규정한 태양광이 도달하지 않는 수심 200m 이상의 깊은 곳에 위치하는 바닷물을 의미하는 것으로, 일본 수산청의 수산 심층수 협의회에서는 광합성에 의한 유기물 생성이 없고, 겨울철에 연직 혼합작용이 발생하지 않는 수심 이하의 해수를 심층수라고 정의하고 있다. 이러한 해양심층수는 생명활동에 필요한 무기 영양염이 다량 포함된 부영양성, 화학물질에 의한 오염이 없는 청정성, 온도의 변화가 거의 없는 저온안정성, 20기압 이상의 수압에서 오랜 세월에 걸쳐 숙성된 숙성성 등의 특성을 가진 해양자원으로서, 수산분야(양식), 에너지 분야(냉방), 제품 분야(식품, 소금, 술, 생수, 화장품), 의료분야(아토피성 피부치료) 등에 광범위하게 이용되고 있다. 특히, 해양 심층수에는 4대 미네랄(마그네슘, 칼슘, 칼륨, 나트륨)을 비롯하여, 아연, 셀렌, 망간 등의 각종 미네랄 성분이 포함되어 있으므로, 담수화를 통한 미네랄 워터의 제조에 유용한 것으로 알려져 있다. 하지만 염소이온 및 황산이온에 대한 규제로 인하여 이를 제거하지 않으면 고경도의 미네랄 워터를 제조하는 것이 어렵게 되어 있다.

미네랄은 인간에게 필요한 5대 영양소 중의 하나로서, 신체 구성, 신체 기능 조절 등의 역할을 수행하고 있다. 미네랄의 결핍 및 과잉은 신체적, 정신적 발달을 저해하고, 각종 질병을 야기하는 원인이 되므로, 체내의 미네랄 밸런스를 유지하는 것이 중요하다. 미네랄 성분 중에서 칼슘은 뼈와 치아 형성, 근육, 신경 및 심장의 기능 조절, 혈액응고 촉진 등의 기능을 하며, 결핍 시에는 변비, 골다공증, 발육장애, 경련, 충치, 신경 불안증 등이 발생하고, 비타민 D와 함께 과량 복용시 고칼슘혈증, 관절이나 신장에 칼슘침착 등의 증상이 발생한다. 마그네슘은 에너지 생성, 신경기능 조절, 비타민 B, E 대사의 촉진 등의 기능을 수행하며, 결핍 시에는 심장병, 고혈압, 신결석, 불면증, 부정맥, 저혈압, 식욕상실, 근육통, 빈혈 등이 발생하고, 과량 복용 시에는 신기능 이상 환자에게 위험하다. 칼륨은 세포내 산염기 평형 조절, 수분조절, 신경기능 유지, 세포기능 보존, 혈관확장, 뇌의 산소공급 등의 기능을 수행하며, 결핍 시에는 부정맥, 식욕감퇴, 근육경련, 변비, 피로, 무력증, 저혈당증 등이 발생하고, 과량 섭취시 신부전 환자에게 위험하다.

해양 심층수에 포함된 미네랄 성분은 100% 수용성이므로 체내 흡수가 용이한 장점이 있다. 따라서 해양 심층수에 포함된 미네랄 성분은 잘못된 식이습관, 환경오염 등으로 인해 미네랄 밸런스가 무너진 현대인에게 매우 유용한 미네랄 공급원이 될 수 있다.

따라서 미네랄은 많이 포함시키되 염소이온 및 황산이온을 경제적이고 효율적으로 제거한 미네랄 워터를 만드는 것이 무엇보다도 중요하다.

그러나 해수의 경우, 상당량의 염분(NaCl)을 포함하므로, 염분을 제거하는 담수화 과정에서, 유용한 미네랄 성분인 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등이 함께 제거되는 문제가 있다. 또한 양이온, 음이온으로 나누어져 있고 이들 이온은 또 1가 이온, 2가 이온으로 나누어져 있는 등 다양한 특성을 가지고 있어 개별적으로 분리 추출하는 것이 쉽지 않게 되어 있다.

해수의 담수화 방법으로는 증발법, 역삼투막법, 전기투석법 등이 일반적으로 알려져 있는데, 증발법은 해수를 증발시켜 용매인 물은 증발시키고, 용질은 잔류시키는 원리를 이용하는 것이며, 역삼투막법은 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 배제하고 ,순수한 물만 통과시키는 막(반투막)을 이용하여 해수 중에 용해된 이온성 물질을 여과하는 방법이며, 전기투석법은 음이온막과 양이온막을 교대로 배치한 후, 음이온막과 양이온막의 양단에 위치한 전극에 직류전압을 걸어 양이온 및 음이온을 제거하며, 순수한 담수를 얻는 방법이다.

그러나, 이들 담수화 방법을 사용할 경우에는, 어떤 경우에는 미네랄 함량이 없는 증류수 제조에 만족하거나 미네랄이 함유된다고 해도 그 조성비가 불균형하여 원하는 물을 만드는 것이 어렵다. 또한, 해수에 포함된 각종 미네랄 성분을 효율적으로 분리하기 어려우므로, 미네랄 성분의 회수율이 낮고 포함된 미네랄에서 염소이온 및 황산이온을 제거하는 것이 어려운 단점 또한 가지고 있다.

따라서, 해수에 포함된 미네랄 성분을 고순도로 분리하는 방법에 대한 기술개발이 시급한 실정이다.

본 발명은 용암해수로부터 미네랄을 고순도로 효율적으로 분리하는 방법을 제공하고자 한다.

이에 본 발명은 바람직한 제1 구현예로서 (a) 해수를 전처리 후 역삼투막에 통과시켜 농축수를 제조하는 단계; (b) 상기 농축수를 증발기를 이용하여 24 ~ 27 Brix로 증발농축시켜 황산칼슘 미네랄을 석출시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 석출된 황산칼슘 미네랄과 (b) 단계의 증발농축 과정에서 생성된 증류수를 혼합한 후 필터링하여, 염화나트륨 함유수를 분리해낸 다음, 고순도의 황산칼슘을 제조하는 단계를 포함하는, 해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법을 제공한다.

상기 구현예에 의한 (a) 단계의 해수의 전처리는 모래여과, 급속여과막, 마이크로필터(MF), 나노필터(NF) 및 울트라필터(UF)로 구성된 군에서 선택되는 전처리법에 의해 수행되는 것일 수 있다.

상기 구현예에 의한 (c) 단계에서 분리된 염화나트륨 함유수를 증발농축하여 염화나트륨을 석출시킨 다음, 필터하여 염화나트륨과 간수로 분리하는 단계를 추가로 포함하는 것일 수 있다.

상기 구현예에 의한 (c) 단계에서 분리된 염화나트륨 함유수는 24 ~45 Brix의 농도로 증발농축되는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 증발기를 이용하여 해수를 농축할 때 해수에 포함된 미네랄의 용해도를 차에 의해 황산칼슘만을 선별하여 석출할 수 있는 최적의 농도에 의해 고순도의 황산칼슘을 석출할 수 있다.

도 1은 해수에 포함된 미네랄의 농도에 따른 석출률을 나타낸 그래프이다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 해수에 포함되어 있는 다양한 미네랄의 물에 대한 용해도 차를 이용하여, 미네랄 중에서도 황산칼슘을 고순도로 분리해내는 방법에 관한 것으로서, (a) 해수를 전처리 후 역삼투막에 통과시켜 농축수를 제조하는 단계; (b) 상기 농축수를 증발기를 이용하여 24 ~ 27 Brix로 증발농축시켜 황산칼슘 미네랄을 석출시키는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 석출된 황산칼슘 미네랄과 (b) 단계의 증발농축 과정에서 생성된 증류수를 혼합한 후 필터링하여, 염화나트륨 함유수를 분리해낸 다음, 고순도의 황산칼슘을 제조하는 단계를 포함하는, 해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법에 관한 것이다.

본 발명에 따라 해수로부터 황산칼슘을 분리해내기 위하여 우선, 상기 (a) 단계와 같이 해수를 전처리한 다음 역삼투막(RO, Reverse Osmosis)에 통과시켜 농축수와 투과수를 얻을 수 있다.

해수의 전처리는 모래여과, 급속여과막, 마이크로필터(MF), 나노필터(NF), 울트라필터(UF) 여과 등을 통해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

농축수는 해수가 역삼투막을 통과한 뒤 해수 내의 염 성분이 용해되어 있는 상태로 얻어질 수 있다.

투과수는 해수가 역삼투막을 통과한 뒤 해수에 포함된 염이 제거된 탈염수를 의미한다.

상기 역삼투막을 통과하여 제조된 농축수는 상기 (b) 단계에 나타난 바와 같이, 증발기(EV, Evaporator)에 의해 증발농축되며, 이에 따라 황산칼슘이 석출될 수 있다.

농축수를 증발기를 이용하여 농축시킬 때, 농도가 24 ~ 27 Brix 이 되도록 농축시키는 것이 바람직하다. 농축 온도가 24 Brix 미만이면, 해수 중에 포함된 염 중 탄산칼슘이 함께 석출되는 문제점이 있고, 27 Brix를 초과하면 해수 중에 포함된 염 중 황산마그네슘, 염화마그네슘, 염화나트륨, 염화칼륨 등의 다른 염들이 탄산칼슘과 같이 석출되는 문제점이 있다. 따라서, (a) 단계에서 제조된 농축수를 증발기를 이용하여 24 ~ 27 Brix로 농축시킬 경우, 고순도의 황산칼슘을 석출시킬 수 있다.

그러나, 이와 같이 석출된 황산칼슘에도 염화나트륨과 기타 염성분들이 일부 함유될 수 있는데, 염화나트륨과 기타 염 성분들이 함유되어 있으면 추후 미네랄워터 제조시에 짠맛과 기타 불쾌한 취식감을 유발하며 미네랄워터 내에 함유될 미네랄 성분의 비율을 조정할 때에도 방해 요인이 되므로, 고순도의 탄산칼슘을 얻기 위해서는 상기 석출된 황산칼슘을 정제하는 것이 바람직하다.

상기 (c) 단계에 나타난 바와 같이, 상기 (b) 단계에서 석출된 황산칼슘을 석출할 경우 상기 (b) 단계에서 증발농축 과정에서 생성된 증류수와 혼합한 후, 필터링하여 염화나트륨 함유수(NaCl rich water)를 분리해낼 수 있다. 이때, 정제 공정의 기본적인 원리 역시 황산칼슘과 염화나트륨 및 기타 염들의 물에 대한 용해도 차이를 이용할 수 있다.

황산칼슘은 물에 대한 용해도가 0.2% 정도인 반면, 염화나트륨 및 기타 염들은 25% 이상의 높은 용해도 값을 가지는 바, 이러한 용해도 차이를 이용하여 필터링함으로써 상기 (b) 단계에서 석출된 황산칼슘에 포함된 염화나트륨 및 기타 염들을 분리해낼 수 있다.

한편, 상기 (c) 단계에서 분리된 염화나트륨 함유수(NaCl rich water)는 증발농축시켜 염화나트륨을 석출시킬 다음, 필터링하여 염화나트륨과 간수로 분리할 수 있으며, 이때, 석출되는 염화나트륨의 순도를 고려하여 염화나트륨 함유수를 24~45 Brix의 농도로 농축하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에 따라 해수로부터 분리된 황산칼슘은 고순도로 분리되는 바, 향후 미네랄 워터 제조시 불순물을 제거하기 위한 정제공정을 거치지 않고도 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

해수에 포함되어 있는 다양한 미네랄 성분들의 물에 대한 용해도 차를 확인하기 위하여, 해수를 농축시켜 미네랄 성분들이 석출되어 나오는 농도 및 석출률에 대한 실험을 실시하였다.

제주 용암해수를 마이크로필터에 의해 전처리한 후, 역삼투막에 통과시켜 RO 처리하였다.

제주 용암해수 RO 처리한 후 얻은 농축수 50L를, Glass Evaporator를 이용하여 농축시켜 석출되는 미네랄 성분, 미네랄 성분들이 석출되어 나오는 농도 및 석출률을 확인하였다.

그 결과, 도 1에 나타난 바와 같이, 탄산칼슘, 황산칼슘, 황산마그네슘, 염화마그네슘, 염화나트륨, 염화칼륨의 순서대로 미네랄이 석출되는 것으로 나타났다.

또한, 해수의 농축 농도가 24~27 Brix에서는 황산칼슘만이 석출되는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2

제주 용암해수를 마이크로필터에 의해 전처리한 후, 역삼투막에 통과시켜 RO 처리하였다.

제주 용암해수 RO 처리한 후 얻은 농축수 50L를, Glass Evaporator를 이용하여 25 Brix의 농도로 증발농축시켜 황산칼슘을 석출하였다. 이때, Glass Evaporator에 의해 증발된 증발량은 40.3L이고, RO 농축수의 농도는 4.6 Brix였다.

석출된 황산칼슘과 증발농축 과정에서 생성된 증류수를 혼합한 후, 필터링하여, 염화나트륨을 다량 함유하는 물을 분리해내어, 고순도의 황산칼슘을 제조하였다.

Claims (4)

1. (a) 해수를 전처리 후 역삼투막에 통과시켜 농축수를 제조하는 단계;
   (b) 증발기를 이용하여 상기 농축수를 24 ~ 27 Brix의 범위 내로 증발농축시켜 증류수를 획득하고 황산칼슘 미네랄을 석출시키는 단계; 및
   (c) 상기 (b) 단계에서 석출된 상기 황산칼슘 미네랄과 (b) 단계의 증발농축 과정에서 생성된 상기 증류수를 혼합한 후 황산칼슘과 염화나트륨의 물에 대한 용해도 차이를 이용한 필터링으로 염화나트륨 함유수를 분리하여 고순도의 황산칼슘을 제조하는 단계를 포함하는, 해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 (a) 단계의 해수의 전처리는 모래여과, 급속여과막, 마이크로필터(MF), 나노필터(NF) 및 울트라필터(UF)로 구성된 군에서 선택되는 전처리법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 단계에서 분리된 염화나트륨 함유수를 증발농축하여 염화나트륨을 석출시킨 다음, 필터하여 염화나트륨과 간수로 분리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 (c) 단계에서 분리된 염화나트륨 함유수는 24~45 Brix의 농도로 증발농축되는 것을 특징으로 하는 해수로부터의 고순도 미네랄 분리방법.
   

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