KR101788228B1 - 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법 - Google Patents

난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소, 산소 가스와 같이 물속에 용해시키기 어려운 난용해성 가스를 물속에 용해시킬 때, 물과 가스의 마찰로 인한 물과 가스의 접촉면적을 확대시켜 용해율을 극대화하도록 물속에 가스를 마이크로버블로 혼합시켜 마이크로버블 혼합수를 형성하여 물에 가스를 용해시키고, 상기 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 함으로써 용존 가스수가 오랜 기간 동안 유지할 수 있게 하여 고품질의 음용수 또는 산업용 가스수를 제공하고, 간단한 장치를 통해 제조함으로써 소비되는 가스의 양과 에너지를 최소화할 수 있는 우수한 경제적 효과가 있는 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법에 관한 것이다.

Description

난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법{Poorly water-soluble gas disolved gas water manufacturing system and method}
본 발명은 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소, 산소 가스와 같이 물속에 용해시키기 어려운 난용해성 가스를 물속에 용해시킬 때, 물과 가스의 마찰로 인한 물과 가스의 접촉면적을 확대시켜 용해율을 극대화하도록 물속에 가스를 마이크로버블로 혼합시켜 마이크로버블 혼합수를 형성하여 물에 가스를 용해시키고, 상기 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 한 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법에 관한 것이다.
최근 인체 내의 여러 가지 질환의 발생 원인이 활성산소의 영향에 의하여 작용한다는 연구보고가 사이언스지에 실리게 되면서 활성산소에 대한 관심이 고조되었으며, 이후에도 활성산소는 분자수소에 의해 중화(항산화력)된다는 연구결과가 네이쳐-메디신 저널에 소개되면서 분자수소 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 분자수소의 효과는 최근에 당뇨, 고혈압, 고지혈증과 등과 같은 대사성증후군 질환에 대해서도 긍정적인 효과가 있는 것으로 보고되고 있을 뿐만 아니라, 다이어트와 운동선수에게도 효과가 높은 것으로 임상 실험 결과 나타났다.
특히, 나노버블 기술과 접목한 나노버블수소수의 경우 물분자의 크기가 작아져서 체내로 유입되는 물의 흡수율이 상대적으로 높아짐에 따라 수소분자의 인체 내 흡수 효과가 높아져 결과적으로 항산화능력이 크게 향상될 뿐만 아니라, 음용 시 입안의 감각기관도 예민하게 만들기 때문에 맛의 깊이가 달라지게 하고, 마실 때 부드럽기 때문에 기타 건강식품과 같이 복용하는 경우에도 맛에서 확연한 차이를 느낄 수 있다.
또한, 마실 때 목 넘김이 달라 거부감이 낮아져 계속해서 복용하고자 하는 욕구가 상승하며 소변을 보는 주기가 짧아지게 되며, 이러한 효과는 물 분자의 결합이 변화되어 그 영향으로 흡수율이 달라져 체내에 긍정적인 효과가 나타난 좋은 사례라고 할 수 있다.
또한, 수소를 물에 용해시켜 비타민C와 같은 항산화식품 등과 함께 복용할 경우 체내에서 상승작용이 나타나는 것으로 보고되고 있으며, 이는 수소수 만을 단독으로 음용하였을 때보다 효과가 더 좋게 된다.
이러한 기능성 음용수의 하나로 수소가 다량으로 용존되어 있는 수소수가 현재 시장에서 판매되고 있다. 현재까지 수소가 신체 내에서 이로운 작용을 하는 연구결과는 수백편의 논문의 결과가 보여주듯이 활성산소 제거에 탁월한 것으로 나타났다.
특히, 분자수소(수소가스 형태)는 인체 대사에 꼭 필요한 일반적인 산소, 즉, 삼중항산소(3O2), 그리고 산화력이 비교적 약해 백혈구와 함께 면역력에도 긍정적으로 작용하는 슈퍼옥사이드(O2 －), 과산화수소(H2O2), 일중항산소(1O2)와는 쉽게 반응하지 않고, 하이드록시라디칼(-OH)에만 선택적으로 반응하여 이를 무독화시키는 작용을 한다고 알려져 있다.
활성산소는 기저상태의 삼중항산소(3O2)보다 반응성이 크고 활성이 풍부한 산소종을 말하며 넓은 의미에서는 유기-하이드로퍼옥사이드(ROOH), 천이금속-이온과 산소와의 결합체나 하이드로퍼옥사이드로부터 발생하는 알콕시라디칼(RO). 퍼옥시라디칼(ROO) 또는 오존(O3), 이산화질소(NO2) 등의 반응성이 높은 산소화합물도 포함된다.
이와 같이, 활성산소는 체내에 잔류하여 세포나 유전자의 DNA 염기서열과 직접 작용하여 질병 또는 노화 등을 일으키는 원인으로 알려져 있고, 식품 중에서 만들어진 활성산소 종은 식품성분에 대해 다양한 산화적 열화를 일으키는 것으로도 최근 보고되고 있다.
이와 같은 원인으로 발생하는 체내의 각종 질병들에 대해 수소는 항산화 작용과 항염증 작용들이 보다 효과적으로 작용할 수 있도록 도와주는 것으로 알려져 있다.
또한, 산소수의 경우에는 최근 수소수보다 인기가 낮아지고 있는 추세이지만, 산소가 물속에 고농도로 용해되어 있을 때 체내에서는 지방 소비를 촉진시키는 촉매제의 역할 등과 같은 유효한 효과를 주어 다이어트 등에 도움이 되는 것으로 알려져 있고, 과도한 운동으로 생성되는 젖산의 생성을 억제하는데도 도움이 되는 등 인체에 유익한 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다.
최근, 연구에 따르면 고농도 산소를 물속에 용해시킨 산소수를 이용하여 지방간 또는 간염과 같이 손상된 간을 치료하는데도 효과가 있다는 연구결과도 찾아볼 수 있다.
수소수와 산소수의 유용한 효과를 보려면 분자상, 즉, 가스상으로 일정 농도 이상이 물속에 존재하여야만 그 기능성을 나타낸다. 통상, 수소의 경우 최소 400ppb 이상에서 효과를 나타내는 것으로 보고되고 있으나, 다양한 임상실험 결과를 종합해볼 때 최소 1000 ppb, 즉 1 ppm 정도는 수소가 물속에 용해될 때 그 효과를 기대할 수 있는 것으로 보고되고 있다.
산소수의 경우는 일반적인 수돗물과 지하수에 약 4 ~ 6ppm정도 함유되어 있고, 계곡물과 강물 등에는 약 7 ~ 10ppm정도의 산소가 함유되어 있는 것으로 알려져 있으므로 우리가 일반적으로 계곡물과 맑은 강물이 건강에 이롭다고 하는 근거가 용존산소 농도가 높을 때 그 물이 몸에 좋은 물로 평가하는 근거가 된다.
이와 같은 점에서 산소수는 적어도 10 ppm 수준에서 신체에 긍정적인 효과를 나타내는 것으로 알려져 있지만 충분한 효과를 보기 위해서는 적어도 30 ppm 이상은 되어야 그 효과가 확실하게 나타나는 것으로 보고되고 있다.
한편, 수소와 산소와 같은 난용해성 가스를 물에 용존시키는 방법에는 2가지 방법이 있는 데, 첫 번째 방법은 높은 압력을 가하여 강제로 물에 녹아들게 하는 방법이다.
이 방법으로 물에 용해된 가스와 물은 상호 이질적인 물질로 인식해 서로 밀쳐내는 작용을 하게 되어 압력이나 온도가 상승하면 이탈되어 가스가 물표면 밖으로 배출된다.
두 번째 방법은 가스를 아주 작은 나노기포를 형성하여 물속에 안착시키는 방법이다. 나노기포를 형성하는 지금까지의 일반적인 방법은 물과 가스가 만나는 표면을 굴곡을 많이 주어 닿는 면적을 넓게 하고 좁은 공간을 통과시키게 하는 방법이 사용되고 있다.(등록특허 제10-1647107호).
물속에서 나노기포화 된 가스는 물 분자와 상호 배척하지 않고 친화적이 되어 증발 시에도 같이 증발할 정도로 상호 붙들고 있는 상태를 오래도록 유지하여 용존성이 매우 좋은 상태로 존재하게 된다.
상기 첫 번째 방법으로 기능성 음료수를 제조하려면 1.0 bar 이상의 높은 가스압력과 낮은 수온을 유지하면서 물과 가스가 닿는 면적을 최대한 넓혀야 가스용해율이 높아진다.
두 번째 방법은 0.5bar 이하의 낮은 가스 압력과 5℃ 이하의 낮은 온도에서 물과 가스를 섞어 접촉면을 최대한 넓게 하여 반복하여 접촉시키면 나노기포가 형성되어 부드러운 물맛을 띠게 된다.
이상과 같이 1.0 bar 이상의 높은 가스압력 하에서는 가스용해율은 높아지나 나노기포 형성이 이루어지지 않는 문제가 있으며, 낮은 기체 압력 하에서는 나노기포 형성율을 높일 수는 있으나 가스 용해율이 낮아지는 문제가 있다.
한편, 난용해성 가스를 물속에 용존시키는 종래 기술들을 살펴 보면, 한국등록특허 10-0485813(2005년04월19일)에 대기중에서 유입된 원료 가스로서의 공기를 사용하여 오존을 발생시키는 방전관; 상기 방전관과 기계적으로 연결되며, 방전관에 주입되는 공기 속에 함유되어 있는 수분을 제거하기 위한 제습장치; 상기 방전관과 기계적으로 연결되며, 방전관에서 생성된 오존의 일정량을 원수에 주입 및 혼합시켜 오존 용존수를 생성하는 인젝터; 상기 방전관과 인젝터 사이에 마련되며, 인젝터에 의해 생성된 오존 용존수가 고압이 인가된 방전관으로의 역류를 막기 위한 체크 밸브; 상기 제습장치의 전방에 설치되며, 상기 방전관 내부로 일정량의 원료가스를 공급하기 위한 펌프; 상기 인젝터와 기계적으로 연결되며, 인젝터에서의 오존 용존수 생성과 관련하여 공급되는 원수의 압력에 따라 스위치 온/오프하는 수압제어 스위치; 상기 펌프의 일측에 설치되며, 상기 방전관 내부에 남아있는 오존 및 상기 인젝터 내부에 남아있는 오존 용존수를 외부로 배출하기 위한 지연 타이머; 및 상기 방전관을 비롯하여 전원공급을 필요로 하는 제 구성요소들에 필요한 전원을 공급하기 위한 전원공급장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 오존 용존수 제조장치가 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1024323(2011년03월16일)에는 원수가 유입되는 제1 배관; 가스를 발생시켜 공급하는 가스 발생장치; 상기 제1 배관 및 가스 발생장치와 각각 연결되어 제1 배관을 통해 공급되는 원수와, 가스 발생장치를 통해 공급되는 가스를 혼합시키는 인젝터; 상기 인젝터에서 혼합된 원수와 가스의 재혼합을 위해 구비되는 반응탱크; 상기 반응탱크 내부에 설치되어 반응탱크 내부를 내부 유로와 외부 유로로 구획하는 순환 유도배관; 상기 인젝터에 연결된 상태로 반응탱크 내부에 설치되며, 인젝터에서 공급되는 가스와 원수를 상기 순환 유도배관에 의해 형성되는 내부 유로로 분사함으로써 가스와 원수가 내부 유로와 외부 유로를 연속적으로 순환하며 혼합되도록 하는 혼합노즐; 상기 반응탱크 내부 둘레면에서 순환 유도배관의 상측으로 연장되어 외부 유로를 따라 유동하는 원수와 가스가 내부 유로로 다시 유입되도록 하는 와류 유도판 그리고, 상기 반응탱크에 연결되어 가스와 균일하게 혼합된 원수를 외부로 배출시키는 제2 배관을 포함하여 이루어지는 가스 용해반응장치가 공지되어 있다.
또한, 한국공개특허 10-2011-0132361(2011년12월07일)에는 활성 수소 용존수의 제조 방법으로서, 적어도 칼슘 이온과 마그네슘 이온 중 어느 하나 또는 양쪽을 함유하는 하기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 물, 수용액 중에서 수소 분자를 활성 수소로 분해하는 수소 분자 해리 흡착 촉매, 및 상기 수소 분자 해리 흡착 촉매를 수용하는 촉매 수용 용기를 구비하거나, 또는 적어도 칼슘 이온과 마그네슘 이온 중 어느 하나 또는 양쪽을 함유하는 하기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 물, 및 수용액 중에서 수소 분자를 활성 수소로 분해하고, 일정 기간 상기 물을 유지하는 수소 분자 해리 흡착 촉매를 구비하며, 상기 수소 분자 해리 흡착 촉매와 상기 물을 접촉시키는 것을 특징으로 하는 활성 수소 용존수의 제조 방법: (1) 금속 마그네슘과 접촉된 물; (2) 수소 가스를 버블링 또는 고압 인가에 의해 용해시킨 물; (3) 전기 분해한 물이 공지된 바 있다.
또한, 한국공개특허 10-2016-0022754(2016년03월02일)에는 당류 및/또는 폴리페놀로 이루어진 용존 수소분자 안정화제와 수소분자를 함유하는 전해 환원수를 상호작용시키는 것을 특징으로 하는 용존 수소분자 농도가 0.8ppm 이상인 수소분자 용존수의 제조 방법이 공지되어 있다.
그러나, 상기 특허 기술들은 수소 또는 산소를 물에 용해시키기 위해 복잡한 장치를 설계해야 하고, 별도의 촉매처리 또는 용존 안정화제를 사용함에도 불구하고 고농도의 가스수를 제조하기에는 불가능한 문제점이 있었다.
이에, 본 발명자들은 수소, 산소 가스와 같이 물속에 용해시키기 어려운 난용해성 가스를 물속에 용해시킬 때, 물과 가스의 마찰로 인한 물과 가스의 접촉면적을 확대시켜 용해율을 극대화하도록 물속에 가스를 마이크로버블로 혼합시켜 마이크로버블 혼합수를 형성하여 물에 가스를 용해시키고, 상기 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 함으로써 용존 가스수가 오랜 기간 동안 유지할 수 있게 하여 고품질의 음용수 또는 산업용 가스수를 제공하고, 간단한 장치를 통해 제조함으로써 소비되는 가스의 양과 에너지를 최소화할 수 있는 장치를 개발하고 본 발명을 완성하게 되었다.
한국등록특허 10-0485813(2005년04월19일) 한국등록특허 10-1024323(2011년03월16일) 한국공개특허 10-2011-0132361(2011년12월07일) 한국공개특허 10-2016-0022754(2016년03월02일)
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여, 수소, 산소 가스와 같이 물속에 용해시키기 어려운 난용해성 가스를 물속에 용해시킬 때, 물과 가스의 마찰로 인한 물과 가스의 접촉면적을 확대시켜 용해율을 극대화하도록 물속에 가스를 마이크로버블로 혼합시켜 마이크로버블 혼합수를 형성하여 물에 가스를 용해시키고, 상기 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 함으로써 용존 가스수가 오랜 기간 동안 유지할 수 있게 하여 고품질의 음용수 또는 산업용 가스수를 제공하고, 간단한 장치를 통해 제조함으로써 소비되는 가스의 양과 에너지를 최소화할 수 있는 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
특히, 본 발명은 수소와 산소 등 최근 인체에 긍정적인 효과를 보이는 난용해성 가스를 용해한 기능성 음료수를 제조함에 있어서 가스용해율과 나노기포 형성율을 동시에 높일 수 있는 것으로서, 기존 기술과 달리 0.5 bar 이내의 낮은 가스공급 압력에서도 가스용해율을 높일 수 있고 1.0 bar 수준의 높은 압력에서도 나노기포 형성을 높일 수 있으며, 낮은 수온유지를 위한 냉각기를 사용하지 않는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 물속에 용해시키고자 하는 가스를 가스분산기를 통하여 물속에 마이크로버블로 분사하고 교반, 혼합하여 마이크로가스버블 혼합수를 형성하여 물속에 포함된 잡가스를 탈기함과 동시에 물속에 가스를 1차로 용해시키기 위한 1차 가스용해조와; 상기 1차 가스용해조로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 배관을 통해 이송하면서 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하기 위한 마찰혼합기와; 상기 마찰혼합기로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 물속에 용해시키고자 하는 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 하기 위한 2차 가스용해조;를 포함하여 구성되는 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치를 과제의 해결수단으로 한다.
상기 1차 가스용해조는 물속에 용해시키고자 하는 가스를 물속에 마이크로버블로 분사하도록 하부에 설치되는 가스분산기와; 물과 마이크로가스버블을 교반, 혼합하고 탈기를 촉진하도록 하부에 설치되는 교반기와; 탈기된 잡가스가 배출되도록 상부에 형성되는 가스배출기;를 포함하여 구성되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 마찰혼합기는 배관을 통해 이송된 마이크로버블 혼합수의 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 물과 마이크로버블의 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하도록 배관 단면적보다 큰 단면적을 가지도록 형성되며, 배관을 사이에 두고 2개 이상 직렬로 연결되어 마찰혼합이 반복되도록 구성되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 마찰혼합기에는 상기 마이크로버블 혼합수에 0.5bar 이내의 저압의 가스를 분사, 혼합하여 용해도를 높이도록 가스분산기를 추가로 구성하는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 2차 가스용해조는 내부에 물속에 용해시키고자 하는 가스가 충진되어 있으며, 상기 마찰혼합기로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하도록 상부에 설치되는 미스트 분산기와; 최종적으로 가스수가 배출되도록 하부에 설치되는 가스수 배출구;를 포함하여 구성되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 물속에 용해시키고자 하는 가스는 수소, 산소로부터 선택되는 1종의 가스인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 본 발명은 물속에 용해시키고자 하는 가스를 가스분산기를 통하여 물속에 마이크로버블로 분사하고 교반, 혼합하여 마이크로가스버블 혼합수를 형성하여 물속에 포함된 잡가스를 탈기함과 동시에 물속에 가스를 1차로 용해시키기 위한 1차 가스용해단계와; 상기 1차 가스용해단계에서 형성된 마이크로버블 혼합수를 배관을 통해 이송하면서 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하기 위한 마찰혼합단계와; 상기 마찰혼합단계를 거친 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 물속에 용해시키고자 하는 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 하기 위한 2차 가스용해단계;를 포함하여 구성되는 난용해성 가스 용존 가스수 제조방법을 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명의 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치 및 이를 이용한 용존 가스수 제조방법은 수소, 산소 가스와 같이 물속에 용해시키기 어려운 난용해성 가스를 물속에 용해시킬 때, 물과 가스의 마찰로 인한 물과 가스의 접촉면적을 확대시켜 용해율을 극대화하도록 물속에 가스를 마이크로버블로 혼합시켜 마이크로버블 혼합수를 형성하여 물에 가스를 용해시키고, 상기 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 함으로써 용존 가스수가 오랜 기간 동안 유지할 수 있게 하여 고품질의 음용수 또는 산업용 가스수를 제공하고, 간단한 장치를 통해 제조함으로써 소비되는 가스의 양과 에너지를 최소화할 수 있는 우수한 경제적 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치의 개략 구성도
도 2는 본 발명의 수소용존 가스수의 버블크기 및 버블수를 나타내는 그래프
도 3은 본 발명의 산소용존 가스수의 버블크기 및 버블수를 나타내는 그래프
본 발명은, 물속에 용해시키고자 하는 가스를 가스분산기를 통하여 물속에 마이크로버블로 분사하고 교반, 혼합하여 마이크로가스버블 혼합수를 형성하여 물속에 포함된 잡가스를 탈기함과 동시에 물속에 가스를 1차로 용해시키기 위한 1차 가스용해조와; 상기 1차 가스용해조로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 배관을 통해 이송하면서 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하기 위한 마찰혼합기와; 상기 마찰혼합기로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 물속에 용해시키고자 하는 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 하기 위한 2차 가스용해조;를 포함하여 구성되는 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치를 기술구성의 특징으로 한다.
상기 1차 가스용해조는 물속에 용해시키고자 하는 가스를 물속에 마이크로버블로 분사하도록 하부에 설치되는 가스분산기와; 물과 마이크로가스버블을 교반, 혼합하고 탈기를 촉진하도록 하부에 설치되는 교반기와; 탈기된 잡가스가 배출되도록 상부에 형성되는 가스배출기;를 포함하여 구성되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 마찰혼합기는 배관을 통해 이송된 마이크로버블 혼합수의 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 물과 마이크로버블의 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하도록 배관 단면적보다 큰 단면적을 가지도록 형성되며, 배관을 사이에 두고 2개 이상 직렬로 연결되어 마찰혼합이 반복되도록 구성되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 마찰혼합기에는 상기 마이크로버블 혼합수에 0.5bar 이내의 저압의 가스를 분사, 혼합하여 용해도를 높이도록 가스분산기를 추가로 구성하는 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 2차 가스용해조는 내부에 물속에 용해시키고자 하는 가스가 충진되어 있으며, 상기 마찰혼합기로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하도록 상부에 설치되는 미스트 분산기와; 최종적으로 가스수가 배출되도록 하부에 설치되는 가스수 배출구;를 포함하여 구성되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 물속에 용해시키고자 하는 가스는 수소, 산소로부터 선택되는 1종의 가스인 것을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 물속에 용해시키고자 하는 가스를 가스분산기를 통하여 물속에 마이크로버블로 분사하고 교반, 혼합하여 마이크로가스버블 혼합수를 형성하여 물속에 포함된 잡가스를 탈기함과 동시에 물속에 가스를 1차로 용해시키기 위한 1차 가스용해단계와; 상기 1차 가스용해단계에서 형성된 마이크로버블 혼합수를 배관을 통해 이송하면서 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하기 위한 마찰혼합단계와; 상기 마찰혼합단계를 거친 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 물속에 용해시키고자 하는 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 하기 위한 2차 가스용해단계;를 포함하여 구성되는 난용해성 가스 용존 가스수 제조방법을 기술구성의 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 도면에 한정되지 않는다.
우선, [도 1]을 참조하여 설명하면, 본 발명의 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치는 물속에 용해시키고자 하는 가스를 가스분산기(102)를 통하여 물속에 마이크로버블로 분사하고 교반, 혼합하여 마이크로가스버블 혼합수를 형성하여 물속에 포함된 잡가스를 탈기함과 동시에 물속에 가스를 1차로 용해시키기 위한 1차 가스용해조(10)와; 상기 1차 가스용해조(10)로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 배관을 통해 이송하면서 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하기 위한 마찰혼합기(20)와; 상기 마찰혼합기(20)로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 물속에 용해시키고자 하는 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 하기 위한 2차 가스용해조(30);를 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명의 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치는 1차 가스용해조(10)를 이용하여 물속에 이미 포함된 잡가스를 제거와 동시에 용해시키고자 하는 가스를 저농도로 용해시킨 후, 저농도로 용해된 가스수를 0.5bar 이하의 기체 압력과 모터 동력에 의하여 흐르는 배관에서 합쳐진 후 마찰혼합기(20)를 이용하여 내부에 굴곡진 스쿠루 형태의 마찰 면을 가진 입구가 오목한 관과 이후 다시 확대된 관을 2번 이상 통과시키며, 2차 가스용해조(30)를 이용하여 상부에서 미스트를 통해 체표면적을 최대화하여 가스의 용해 효율을 높이고, 분사시 발생하는 압력 차이에 의해 초미세 나노버블 형성시킨다.
상기 1차 가스용해조(10)는 물속에 용해시키고자 하는 가스를 물속에 마이크로버블로 분사하도록 하부에 설치되는 가스분산기(102)와; 물과 마이크로가스버블을 교반, 혼합하고 탈기를 촉진하도록 하부에 설치되는 교반기(101)와; 탈기된 잡가스가 배출되도록 상부에 형성되는 가스배출기(103);를 포함하여 구성된다.
즉, 상기 1차 가스용해조(10)는 하부에 교반기(101)를 설치하여 저류된 물을 교반시키는데 이는 탈기 효율을 높이기 위한 방법이다. 이때 하부에는 가스 분산기(102)를 통해 용해시키고자하는 가스를 물속에 분산시켜면 가스의 용해와 동시에 탈기가 일어난다. 이후 상부에 모인 가스는 주기적으로 배출하여 잡가스가 재차 혼합되지 않도록 한다. 기체 분산 작업 후 상부에 모인 가스의 처리를 위해서는 0.2~0.3bar의 압력이 되면 자동적으로 가스배출기(103)을 통하여 가스가 배출되도록 하여 잡가스의 탈기가 완전하고 충분히 효과적일 수 있도록 한다.
여기서, 인체에 유용한 가스를 충분히 용해시킨 가스수를 만드는데 있어서 가장 중요한 요소는 생산단계에서의 포함하고 있는 잡가스를 생산단계 공정에서 제품이 포장되는 최종 단계 이전에 충분히 제거시켜야한다.
상기 마찰혼합기(20)는 배관을 통해 이송된 마이크로버블 혼합수의 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 물과 마이크로버블의 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하도록 배관 단면적보다 큰 단면적을 가지도록 형성되며, 배관을 사이에 두고 2개 이상 직렬로 연결되어 마찰혼합이 반복되도록 구성된다.
즉, 상기 1차 가스용해조(10)에서 형성된 마이크로버블 혼합수는 물속에 용해된 가스의 양이 아직 충분하지 않기 때문에 본격적으로 물과 마이크로버블이 상기 마찰혼합기(20)를 통과하면서 소용돌이 쳐져서 마찰혼합을 통해 재차 용해하게 된다. 이때, 물과 가스가 합쳐진 혼합물이 좁은 관을 통과하다가 다시 넓은 관을 통과하면서 강제적으로 압력 용해가 이루어졌다 넓은 관을 통과하면서 미세버블로 확대되기를 반복한다.
상기 2차 가스용해조는 내부에 물속에 용해시키고자 하는 가스가 충진되어 있으며, 상기 마찰혼합기로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하도록 상부에 설치되는 미스트 분산기(301)와; 최종적으로 가스수가 배출되도록 하부에 설치되는 가스수 배출구(302);를 포함하여 구성된다.
즉, 상기 2차 가스용해조에서는 물과 가스가 맞닿는 표면적을 최대화 시키기 위해 미스트 형태로 분사하는 방법을 사용하는데, 미스트의 직경은 최대한 작은 것이 표면적이 넓어지는 효과가 있고, 중력의 영향을 덜 받아 낙하하는 속도가 줄어들어 가스와 장시간 접촉할 수 있는 효과가 생기지만 경제성과 생산시간 등을 고려할 때 0.1 ~ 0.4 mm의 미스트가 적정한 것으로 평가되며, 미스트가 분사될 때 가스의 추가 용해효과와 함께 초미세 나노 버블도 함께 형성된다.
본 발명의 상기 장치에 의해 만들어진 가스수는 산소, 수소, 등의 난용해성 기체가 하나 이상의 기능성 기체를 포함하며 산소의 경우 50 ppm 이상과 2억개 이상의 나노버블개체수, 수소의 경우 1.5 ppm 이상과 2억개이상의 나노버블개체수를 가진 기능수를 만들 수 있고, 전용용기에 보관 할 경우에는 1년 이상 이 상태를 유지시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치의 1차 가스용해조(10)와; 마찰혼합기(20)와; 2차 가스용해조(30);의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.
1. 1차 가스용해조(10)
난용성 가스류가 고농도 고순도로 포함되게 하기 위해서 공정의 물의 유입단계에서 탱크로 유입된 물과 이미 용해되어 있는 가스류를 분리하기 위하여 하부에 교반장치와 용해시키고자하는 기체분산기를 설치하여 물속에 용해되어 있는 잡가스들을 상부로 이동케 하여 주기적으로 퍼지하여 제거한다. 이때 탱크에 저류된 물은 최대한 탱크의 상부까지 가득차게 하여 용해시키고자 하는 가스의 낭비를 최소화 시킬 수 있다. 물과 맞닿는 경계면에서는 시간이 지남에 따라 물속에 이미 용존되어 있는 잡가스들과 용해시키고자 가스와의 반복적인 접촉을 통해 용해시키고자하는 가스로의 치환이 이루어진다. 한편 밀도차에 의한 가스의 부력으로 상부에 모인 가스 들은 용해시키고자 하는 가스의 순도가 낮기 때문에 일정시간 주기로 상부에 설치된 가스배출구를 통해 밖으로 배출된다.
2. 마찰혼합기(20)
1차 가스용해조(10)의 다음 장치는 용해시키고자하는 가스와 공급되는 물과의 혼합과정이다. 급수 모터의 동력으로 배관을 통해 공급되는 마이크로버블 혼합수를 0.5bar 이내의 저압압력으로 혼합하여 크기가 좁아졌다 넓어졌다하는 혼합장치를 2개 이상 연속으로 통과시키면 혼합장치 내부에는 기체와 물이 서로 심하게 부딪치면서 회전하며 섞이게 된다. 이때, 선택적으로 상기 마찰혼합기에서는 상기 마이크로버블 혼합수에 추가로 0.5bar 이내의 저압의 가스를 분사, 혼합하여 용해도를 높일 수 있다.
3. 2차 가스용해조(30)
상기 마찰혼합기(20)의 다음 장치는 전 단계에서 혼합된 마이크로버블화 된 버블수를 초미세 나노버블화 시키는 장치이다. 이 공정에서 미세버블화와 가스를 용해시키는 방법은 탱크에 미리 용해시키고자하는 가스를 채우고 상부에서 미스트(안개) 분무기를 이용하여 상부 분무 방식을 통해 가스의 용해가 이루어진다. 펌프에 의해 이송되는 과정에서 미스트 분무기 노즐 입구까지 가압되다가 노즐에서 압력이 해방되면 가스가 수중에서 용해될 수 있는 한계를 벗어나면서 순식간에 버블을 형성시킨다. 이후 미스트 형태로 체표면적을 최대화시킨 물방울들은 서서히 낙하하면서 탱크 내부에 미리 용해시키고자 충진된 가스 분위기에 노출되어 충분한 초미세 나노버블 형성이 이루어진다.
[수소수의 제조]
초순수를 사용하여 수중에서 수소수를 제조하였다. 우선, 수소수 제조에 사용된 1차 가스용해조 용기는 2리터 스테인레스 재질의 용기이며 상부가 뚜껑 형태로 완전히 밀폐되게 하였고, 하부에 기체분산기와 프로펠러 교반기를 설치하였다. 용기 뚜껑 부분상부에는 가스배출구를 설치하여 압력이 0.2bar를 초과하면 개방하여 외부로 가스가 배출되게 하였다. 마찰혼합기는 배관 단면적보다 큰 용기를 2개 직렬로 연결하여 사용하였으며, 2차 가스용해조 용기는 스테인레스 재질의 용기이며, 상부에 미스트 노즐(0.1mm)을 설치하여 미세한 물방이 분출되도록 하였다. 이때 용기는 완전히 밀폐되게 하였으며 수소의 순도를 높일 수 있도록 진공펌프 사용하여 내부의 공기를 완전히 배제시키고, 수소를 주입하였으며 이상의 처리를 3회 반복하여 용기 내부에 있는 수소의 순도를 더 높였다. 실험에 사용된 수소는 일반적으로 사용하는 붐베(Bombe)통 40리터에 담겨있는 초고순도 99.9999%의 순도의 수소를 사용하여 본 발명의 수소수를 제조하였다.
[수소수 측정장비 및 조건]
물속 수소를 측정하기 위해 사용한 장비는 DH-35A를 사용하여 측정하였으며 용존 수소의 측정을 위해서는 ORION STAR A2135(Orion Star A213) 탁상형 DO 측정기를 사용하였다. 총 5회 측정을 실시하고, 그 평균값을 결과값으로 사용하였다. 실험에 사용된 용기(저류 용기)에 유입된 물의 평균 온도는 5℃ 였고, 일반대기압하에서 실험을 실시하였다. 실험 결과 수소수 생성에 사용될 물속에는 이미 산소가 6.3 ppm으로 용해되어 있는 것으로 나타났다.
[수소수 측정결과]
1차 가스용해조에서는 10분간 마이크로버블 분사 및 탈기과정을 거치면서 수소농도가 0 ppm에서 1.2 ppm로 높아졌으며 산소농도는 6.3 ppm에서 0.02 ppm이하의 물이 생성되었다. 2차 가스용해조에서는 미스트 공정을 통하여 최종 생성된 물의 산소농도 0.01ppm, 수소농도 2.6 ppm, 평균직경 117nm크기의 나노버블이 cc당 4.22억개 이상 존재하는 것을 확인하였다.[도 2 참조]
[산소수의 제조]
초순수를 사용하여 수중에서 산소수를 제조하였다. 우선 산소수 제조에 사용된 1차 가스용해조 용기는 2리터 스테인레스 재질의 용기이며 상부가 뚜껑 형태로 완전히 밀폐되게 하였고, 하부에 기체분산기와 프로펠러 교반기를 설치하였다. 용기 뚜껑 부분상부에는 가스배출구를 설치하여 압력이 0.2bar를 초과하면 개방하여 외부로 가스가 배출되게 하였다. 마찰혼합기는 배관 단면적보다 큰 용기를 2개 직렬로 연결하여 사용하였으며, 2차 가스용해조 용기는 스테인레스 재질의 용기이며, 상부에 미스트 노즐(0.1mm)을 설치하여 미세한 물방이 분출되도록 하였다. 이때 용기는 완전히 밀폐되게 하였으며 산소의 순도를 높일 수 있도록 진공펌프 사용하여 내부의 공기를 완전히 배제시키고, 산소를 주입하였으며 이상의 처리를 3회 반복하여 용기 내부에 있는 산소의 순도를 더 높였다. 실험에 사용된 산소는 일반적으로 사용하는 붐베(Bombe)통 40리터에 담겨있는 초고순도 99.9999%의 순도의 산소를 사용하여 본 발명의 산소수를 제조하였다.
[산소수 측정장비 및 조건]
물속 산소를 측정하기 위해 사용한 장비는 DH-35A를 사용하여 측정하였으며 용존 산소의 측정을 위해서는 ORION STAR A2135(Orion Star A213) 탁상형 DO 측정기를 사용하였다. 총 5회 측정을 실시하고, 그 평균값을 결과값으로 사용하였다. 실험에 사용된 용기(저류 용기)에 유입된 물의 평균 온도는 5℃ 였고, 일반대기압하에서 실험을 실시하였다. 실험 결과 산소수 생성에 사용될 물속에는 이미 산소가 6.3 ppm으로 용해되어 있는 것으로 나타났다.
[산소수 측정결과]
1차 가스용해조에서는 10분간 10분간 마이크로버블 분사 및 탈기과정을 거치면 수소농도가 0 ppm에서 0 ppm로 변화가 없었으며 산소농도가 6.3 ppm에서 20 ppm의 물이 생성되었다. 2차 가스용해조에서는 미스트 공정을 통하여 최종 생성된 물의 산소 농도 64 ppm, 평균직경 118 nm크기의 나노버블이 cc당 5.31억개 이상 존재하는 것을 확인하였다.[도 3 참조]
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 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 : 1차 가스용해조 20 : 마찰혼합기 30 : 2차 가스용해조
101 : 교반기 102 : 가스분산기 103 : 가스배출구
301 : 미스트 분산기 302 : 가스수 배출구

Claims (7)

  1. 물속에 용해시키고자 하는 가스를 가스분산기를 통하여 물속에 마이크로버블로 분사하고 교반, 혼합하여 마이크로가스버블 혼합수를 형성하여 물속에 포함된 잡가스를 탈기함과 동시에 물속에 가스를 1차로 용해시키기 위한 1차 가스용해조와; 상기 1차 가스용해조로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 배관을 통해 이송하면서 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하기 위한 마찰혼합기와; 상기 마찰혼합기로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하여 물속에 용해시키고자 하는 가스에 노출시킴으로써 나노버블 혼합수를 형성하여 물분자 사이에 가스를 용존시키도록 하기 위한 2차 가스용해조;를 포함하여 구성되되,
    상기 1차 가스용해조는 물속에 용해시키고자 하는 가스를 물속에 마이크로버블로 분사하도록 하부에 설치되는 가스분산기와; 물과 마이크로가스버블을 교반, 혼합하고 탈기를 촉진하도록 하부에 설치되는 교반기와; 탈기된 잡가스가 배출되도록 상부에 형성되는 가스배출기;를 포함하여 구성되고,
    상기 마찰혼합기는 배관을 통해 이송된 마이크로버블 혼합수의 물과 마이크로버블을 마찰혼합하여 물과 마이크로버블의 접촉면적을 확대시키고 용해율을 극대화하도록 배관 단면적보다 큰 단면적을 가지도록 형성되며, 배관을 사이에 두고 2개 이상 직렬로 연결되어 마찰혼합이 반복되도록 구성되며,
    상기 마찰혼합기에는 상기 마이크로버블 혼합수에 0.5bar 이내의 저압의 가스를 분사, 혼합하여 용해도를 높이도록 가스분산기를 구성하는 것을 특징으로 하는 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2차 가스용해조는 내부에 물속에 용해시키고자 하는 가스가 충진되어 있으며, 상기 마찰혼합기로부터 이송되는 마이크로버블 혼합수를 미스트로 분사하도록 상부에 설치되는 미스트 분산기와; 최종적으로 가스수가 배출되도록 하부에 설치되는 가스수 배출구;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물속에 용해시키고자 하는 가스는 수소, 산소로부터 선택되는 1종의 가스인 것을 특징으로 하는 난용해성 가스 용존 가스수 제조장치
  7. 삭제
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