KR102596051B1 - 토르말린을 포함하는 머드볼 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 머드와 부성분 7:3 내지 5:5의 비율로 이루어지는 머드볼로서, 상기 부성분은 머드볼 100 중량부 대비 토르말린 6 내지 10 중량부, 제올라이트 7 내지 15 중량부, 벤토나이트 4 내지 12 중량부, 맥반석 4 내지 8 중량부, 및 칼슘 4 내지 8 중량부를 포함하는 머드볼과 이의 제조방법을 제공한다.

Description

토르말린을 포함하는 머드볼 및 이의 제조방법 {MUDBALL CONTAINING TOURMALINE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 토르말린을 포함하는 머드볼 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 특정 비율의 머드와 부성분을 포함하여 크랙 발생을 최소화하고, 부성분에 토르말린을 포함함으로써 미세기공과 중기공을 확보하면서도 식품이나 음료에 첨가되어도 안전한 머드볼에 관한 것이다.
머드는 물과 흙, 실트, 점토와 모래 등이 혼합된 퇴적물로, 우리나라에서는 충남 보령산 머드가 타지역 머드 대비 알루미늄(Al), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 규소(Si), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 및 철(Fe)과 피부노화를 방지하는 유효 성분을 다량 함유하고 있어, 화장품, 입욕 제품, 헤어 제품 등에 적용되고 있으며, 모래보다 더 작은 입자를 가지는 바, 건축자재로 활용되거나 원예업에 사용되는 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.
최근 보령 머드의 구체적인 적용례로, 정수기나 가습기 항균필터, 친환경 세탁볼, 목욕볼, 찜질볼에 적용될 수 있는 머드볼이 제안되었다. 대한민국 등록특허 제1508932호에 의하면 제올라이트 씨드와, 상기 제올라이트 씨드를 감싸는 머드 외피로 구성되며, 상기 머드 외피는 머드파우더, 자철광분말, 굴폐각분말, 금속은분말을 포함하고, 3 ~ 20 kg/cm2의 압력에서 성형된 후 소성된 것을 특징으로 하는 머드볼이 개시되어 있다.
상기 종래 기술은 보령 머드의 천연 미네랄 용출, 항균작용, 알칼리화, 원적외선 방사, 음이온 방출, 탈취, 용존산소 증가의 효능을 기재하는 한편, 가열이나 건조에 의해 머드볼이 재사용할 수 있는 효과가 있음을 주장하나, 자철광분말을 포함하는 바, 소성 과정에서 자철광이 산화되면서 기공을 폐쇄하거나 확장하고, 가압에 의한 성형을 하여 실질적으로 머드볼 내 균질한 기공을 확보하기 어려운 문제점을 가진다.
더욱이, 상기 개시된 방법에 의해 제조된 머드볼은 제올라이트 씨드와 머드 외피를 가지는 코어-쉘 구조를 가지는 바, 머드볼 전체적으로 고른 효과 구현이 어려우며, 인체 및 유익 박테리아에 대한 유해성이 보고되어 미국환경청에서 규제하고 있는 은나노 물질을 포함할 수 있어, 식품이나 음료에 적용되기 어려운 측면이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 본 발명은 자철광 및 은 분말을 포함하지 않고 토르말린을 포함함으로써 1000 ℃이상의 고온 소성시에도 화학적으로 안정하여 미세기공과 중기공을 다양하게 유지하면서도 유기물을 분해하여 수처리에 적합한 머드볼을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 가압 성형 없이 회전기기에서 회전시킴으로써 구형입자를 형성하여 입자 내 다양하고 균질한 기공이 유지되고, 소성 후 자연 건조를 하는 바, 친환경적이고 가공 에너지 효율이 높은 머드볼 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 머드볼은 머드와 부성분 7:3 내지 5:5의 비율로 이루어지며, 상기 부성분은 머드볼 100 중량부 대비 토르말린 6 내지 10 중량부, 제올라이트 7 내지 15 중량부, 벤토나이트 4 내지 12 중량부, 맥반석 4 내지 8 중량부, 및 칼슘 4 내지 8 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 크랙 발생을 최소화함과 동시에 머드볼 내측에 기공을 고르게 분포시킬 수 있는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 상기 제올라이트 및 벤토나이트의 총 함량은 머드볼 100 중량부 대비 13 내지 20 중량부일 수 있다.
또한, 상기 맥반석, 토르말린, 및 칼슘의 총 함량은 머드볼 100 중량부 대비 15 내지 20 중량부일 수 있다.
또한, 상기 머드볼은 100 중량부 대비 2 중량부 이하의 활성탄을 추가로 포함할 수 있으며, 건조와 소성 과정 중 활성탄의 일부가 연소되어 미세기공과 중기공이 더욱 증가할 수 있는 효과가 있다.
한편, 상기 머드볼은 직경이 10 내지 40 mm일 수 있으며, 위와 같은 직경을 가지는 크기를 가짐에도 내부에 기공이 고르게 분포될 수 있는 머드볼을 제공한다.
상기 머드볼은 0.1 내지 5nm의 미세기공과 100 내지 2000nm의 중기공을 포함할 수 있으며, 미세기공을 통해 머드볼의 흡착 능력을 더욱 높일 수 있는 효과를 가진다.
상기 미세기공과 중기공 내 질소 가스가 충진되어 있을 수 있으며, 머드볼이 액체와 접촉하거나 특정 조건을 만족할 때 질소 가스가 외부로 배출될 수 있는 효과를 가진다.
또한 머드볼 내 균질한 기공이 유지되면서도, 친환경적이고 가공 에너지 효율이 향상되는 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 머드볼의 제조방법은, 제 1 머드 혼합물과 물을 회전기기에 투입하고 회전시킴으로써 직경 0.1 내지 0.5 mm의 구형 1차 입자를 형성시키는 1차 입자 성형단계, 상기 1차 입자에 제 2 머드 혼합물과 물을 회전기기에 투입하여 1차입자를 성장시키는 2차 입자 성형단계, 상기 2차 입자를 200 내지 1200 ℃에서 가열하는 소성단계 및 상기 소성된 2차 입자를 상온에서 건조하는 건조단계를 포함할 수 있으며, 크랙 발생을 최소화함과 동시에 머드볼 내측에 기공을 고르게 분포시킬 수 있는 제조방법에 대한 것이다.
또한, 상기 제 1 머드 혼합물 및 제 2 머드 혼합물은 머드를 포함하고, 토르말린, 제올라이트, 벤토나이트, 맥반석, 또는 칼슘을 포함하며, 자철광과 같은 요소 없이 토르말린 만으로도 머드볼의 기공확보가 용이하고 머드볼의 pH를 적절하게 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 머드볼은 머드볼 100 중량부 대비 머드 50 내지 70 중량부, 토르말린 6 내지 10 중량부, 제올라이트 7 내지 15 중량부, 벤토나이트 4 내지 12 중량부, 맥반석 4 내지 8 중량부, 및 칼슘 4 내지 8 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 머드볼로 하여금 적절한 미네랄 성분을 함유하되 머드볼의 강도 또한 일정 수준 이상으로 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 제 1 머드 혼합물은 제 1 머드 혼합물 100 중량부 대비 1 내지 15 중량부의 활성탄을 추가로 포함할 수 있고, 상기 머드볼은 머드볼 100 중량부 대비 2 중량부 이하의 활성탄을 추가로 포함할 수 있으며, 건조와 소성 과정 중 활성탄의 일부가 연소되어 미세기공과 중기공이 더욱 증가할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 머드볼 제조방법은 건조단계 이후 세척단계를 추가로 포함할 수 있으며 머드볼에서 발생할 수 있는 분진을 줄이거나 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 머드볼은 머드와 부성분을 최적 비율로 포함하여 성형성과 가공성을 향상시키고, 크랙 발생을 최소화하며, 머드와 토르말린을 동시에 포함하여 수처리에 의한 유기물 분해시에도 완충작용에 의한 pH 유지 효과를 가지며, 고온 소성시에도 미세기공과 중기공을 안정적으로 유지하는 바, 미세기공의 흡착력과 유기물 분해를 통해 식음수를 안전하게 정화하는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따른 머드볼에 질소 가스를 충진하여 맥주캔에 삽입하는 경우, 맥주캔의 뚜껑을 여는 순간 머드볼의 중기공과 미세기공에 충진되어 있던 질소가 방출되어 보다 하얗고 미세한 거품을 형성시키는 부가적인 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따른 머드볼 제조방법은, 일체화된 구형 입자를 형성하므로, 전체적으로 고른 효과 구현을 하면서도 가압 성형을 하지 않더라도 소정의 강성을 띄며, 친환경적이고 가공 에너지 효율이 높은 이점을 가진다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시예 1에 따른 머드볼의 외관 및 단면 사진이다.
도 2는 도 1의 단면 사진을 현미경으로 확대하여 촬영한 사진이다.
도 3은 비교예 1의 단면 사진을 현미경으로 확대하여 촬영한 사진이다.
도 4는 비교예 2의 단면 사진을 현미경으로 확대하여 촬영한 사진이다.
도 5는 시간의 흐름에 따른 실험2(감초) 사진이다.
도 6은 맥아의 당도 측정에 대한 실험3 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 머드볼 처리수에 대한 수질검사 성적서이다.
본 발명의 특징과 효과는 첨부된 도면과 이하에서 설명되는 실시예에 의해 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 이미 공지된 기능이나 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명확하게 설명하기 위해 생략한다. 또한, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범주는 이들만으로 한정되어 해석되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 기술사상 내 균등한 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능하다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 머드볼은 머드와 부성분 7:3 내지 5:5의 비율로 이루어진다. 머드와 부성분의 비율은 7:3 내지 5.5:4.5, 7:3 내지 6:4, 7:3 내지 6.5:3.5, 6.5:3.5 내지 5:5, 또는 6:4 내지 5:5일 수 있으며, 7:3 내지 5:5의 범위 이내에서 부성분의 세부비율 조절에 의해 8만 가지 이상의 조합이 가능하다. 상기 조합은 머드볼의 용도 및 용법에 따라 효과, 제조 편의성, 제조 원가를 고려하여 조절될 수 있다.
상기 비율을 벗어나 머드볼의 부성분 함량이 절반을 초과하는 경우 머드 성분으로부터 유래되는 유익 효과가 저하될 수 있고, 머드의 함량이 70%를 초과하는 경우 건조와 소성 과정에서 크랙이 발생하며, 강성이 저하되는 문제점이 있다.
상기 머드는 특별히 제한되는 것은 아니나 보령산 머드일 수 있으며, 보다 구체적으로 대한민국 등록특허 제0901998호에 개시된 제조방법으로부터 제조된 보령산 머드 파우더일 수 있다.
구체적으로 상기 머드 파우더는 (a) 보령산 머드를 채취하는 단계; (b) 상기 (a)단계를 거친 머드의 염분을 제거하기 위하여 세척하는 단계; (c) 상기 (b)단계를 거친 머드를 함수율 25% 내지 30%의 범위의 머드케이크 상태로 하기 위한 1차 실외건조단계; (d) 상기 (c)단계를 거친 머드케이크와 물을 각각 4 : 6의 비율로 혼합하고 72시간이상 볼밀을 통하여 분쇄하는 단계; (e) 상기 (d)단계를 거친 머드의 이물질을 제거하기 위하여 160mesh 내지 165mesh의 진동스크린을 통한 선별단계; (f) 상기 (e)단계를 거친 머드를 여과하기 위한 필터프레스 단계; (g) 상기 (f)단계를 거친 머드를 2차 실내에서 건조하는 단계; (h) 상기 (g)단계를 거친 머드를 325mesh를 통과할 수 있는 미세분말 상태로 만들기 위하여 최종 분쇄하는 단계; 및 (i) 상기 (h)단계를 거친 머드를 감마선을 이용하여 멸균 처리하는 단계를 거쳐 제조될 수 있다. 상기 방법은 세척 단계를 통해 염분을 제거하는 바, 머드볼이 음용수에 적용되는 경우에도 맛의 변동을 야기하지 않는 이점이 있다.
보령산 머드는 포항산 머드, 이스라엘 사해산 머드, 러시아 바이칼 머드 대비 우수한 미네랄 조성을 가지며, 특히 신진대사 촉진 및 노폐물 제거 효능이 있는 알루미늄, 체내 삼투압을 조절하고 수분균형 및 진정 효과가 있는 칼륨 및 나트륨의 함량이 상대적으로 높다. 따라서 화장품 또는 팩에 주로 사용되며, 항균 및 억균 작용의 효과가 있어 외상치료에도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 머드볼은 상기 보령산 머드 파우더를 주성분으로 사용함으로써 보령산 머드의 뛰어난 항균 및 억균 효과를 가질 수 있으며, 이러한 머드는 다양한 이온과 고형물을 포함하는 바, 후술하는 바와 같이 토르말린과 혼합 사용함으로써 pH가 급격하게 변화하지 않는 완충 효과를 갖는다.
상기 머드와 7:3 내지 5:5 비율로 혼합되는 부성분은 머드볼 100 중량부 대비 토르말린 6 내지 10 중량부, 제올라이트 7 내지 15 중량부, 벤토나이트 4 내지 12 중량부, 맥반석 4 내지 8 중량부, 및 칼슘 4 내지 8 중량부를 포함한다.
이하에서는 상기 부성분의 구체적인 구성에 대해 서술한다.
상기 토르말린(tourmaline)은 전기석으로도 불리며, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Al3+, Fe3+, Mn3+, Li+ 등 다양한 원소의 결합으로 구성되어 있다. 토르말린 광석은 일반적으로 육방정계 결정형을 가지며, 마찰에 의해 전기가 발생하고, 가열하면 결정의 양끝이 양극과 음극으로 대전되는 성질을 지닌다.
토르말린은 주성분에 따라 철이 많은 경우 철전기석(scorl), 마그네슘이 많은 경우 드라바이트(dravite), 리튬 등의 알칼리 금속이 많은 경우엔 엘바이트(elbaite)로 나누며, 그 중에서도 홍색의 홍전기석(rubellite), 남청색의 남전기석(indicolite), 녹색의 녹전기석(verdelite 또는 brazil emerald)으로 분류될 수 있다. 본 발명에 따른 머드볼에는, 특별히 제한되는 것은 아니나 철이 다량 함유된 흑색의 내몽고산 토르말린이 사용될 수 있다. 철이 다량 함유된 흑색의 내몽고산 토르말린을 사용할 경우 최종 제작되는 머드볼의 성능(강도, 기공 등)이 가장 우수하다.
상기 토르말린은 머드볼 100 중량부 대비 6 내지 10 중량부로 포함되며, 상기 범위를 벗어나 토르말린의 함량이 지나치게 많은 경우 머드볼의 제조원가가 증가하고, 성형 가공성이 저하되는 문제점을 가지며, 토르말린의 함량이 지나치게 적은 경우, 토르말린의 전기적 특성에 의한 미네랄 용출 효과와, 미생물의 막표면에 전자를 공급함으로써 발휘되는 물의 정화 작용을 기대하기 어려울 수 있다.
본 발명에 따른 머드볼은 이러한 토르말린과 머드를 혼합 사용함으로써 가공 과정에서 급격한 pH의 변화 없이 최종 형태의 머드볼에서 토르말린이 안정적으로 물의 정화 효능을 발휘할 수 있도록 한다. 토르말린은 구조적으로 자발적이고 영구적인 전기 극성이 나타나는 바, 물과 반응하여 수산화 이온(OH-) 농도가 증가하고, pH가 변화할 수 있으며, 이러한 pH의 변화는 최종 형태의 머드볼에서 기공이 균질하게 형성되지 않거나, 구성 성분의 부반응을 일으키는 등의 문제점을 초래한다.
그러나 머드와 토르말린을 혼합 사용하는 경우, 머드내 다양한 이온과 고형물이 토르말린의 전기장을 중화시키며, 이러한 완충작용에 의해 토르말린을 단독으로 사용하였을 때 나타날 수 있는 가공과정에서의 문제점을 해소하는 이점이 있다.
상기 제올라이트(zeolite)는 불석이라고도 칭하며 일반적으로 규산염과 알루미늄염을 포함하는 광물로써, 천연 암석권에서 자연적으로 채취하는 천연 제올라이트와 인공적으로 합성된 제올라이트를 포함한다. 본 발명에서 제올라이트는 사전적인 의미에서의 제올라이트의 범주 내에서 특별히 제한되는 것은 아니며, 아날심(analcime), 나트롤라이트(natrolite), 스틸바이트(stilbite), 캐바자이트(chabazite) 클리놉틸롤라이트(clinoptilolite), 휼랜다이트(heulandite), 필립사이트(phillipsite) 등의 천연 제올라이트일 수 있다.
상기 벤토나이트(bentonite)는 층상 규산염 광물로서, 몬모릴로나이트(montmorillonite) 광물의 점토를 주성분으로 함유한다. 벤토나이트는 물과의 친화력이 강하여, 물과 접촉시 콜로이드를 형성하는 바, 점도를 조절하거나 결착력을 증진시키는 기능을 가진다.
본 발명에 따른 머드볼에 투입되는 제올라이트 및 벤토나이트의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니나, 분말 또는 플레이크의 형태일 수 있다.
한편, 상기 제올라이트 및 벤토나이트의 총 함량은 머드볼 100 중량부 대비 13 내지 20 중량부인 것이 바람직하다. 상기 범위를 벗어나, 제올라이트 및 벤토나이트의 함량이 지나치게 적은 경우 머드볼 성형시 가공성이 떨어지며, 상기 범위를 벗어나 제올라이트 및 벤토나이트의 함량이 지나치게 많거나 적은 경우, 머드볼의 강성을 유지하기 어려워 바람직하지 않다.
상기 맥반석은 석영과 장석이 혼합된 구조로 안산반암(andesite porphyry)을 의미하며, 규산염, 산화알루미늄, 산화철 등을 함유하고, 일반적으로 원적외선의 발현 등의 효능이 알려져 있다. 맥반석은 또한, 중금속과 이온 교환작용을 하는 바, 물에서 유해금속을 제거하는 효과를 가진다. 다만, 상기 범위를 벗어나 맥반석의 함량이 지나치게 많은 경우 성형성이 떨어져 머드볼의 불량률이 높아질 수 있으며, 함량이 지나치게 적은 경우 소망하는 효과를 얻지 못하는 바 바람직하지 않다.
상기 칼슘은 물의 미네랄 성분을 증가시키며, 머드볼 내 중기공을 형성하여 머드볼 내 다양한 기공 형성에 기여한다. 이러한 중기공 형성능 및 비수용성 특성 때문에, 칼슘의 함량이 본 발명의 범위를 벗어나 지나치게 많은 경우, 과다하게 형성되는 중기공에 의한 강도 저하가 문제될 수 있으며, 이에 따라 성형 가공성 또한 저하된다. 반대로 칼슘의 함량이 지나치게 적은 경우, 중기공이 충분히 형성되지 않고 미네랄 성분 증진 효과를 기재하기 어려울 수 있다. 칼슘 재료로는 탈염된 폐각분말을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 맥반석, 토르말린, 및 칼슘의 총 함량은 머드볼 100 중량부 대비 17 내지 20 중량부일 수 있다. 상기 구성들은 볼 성형과 가공성 보다는 부가적인 기능을 부여하며, 상기 범위를 벗어나 맥반석, 토르말린, 및 칼슘의 함량의 함량이 지나치게 많은 경우 바람직한 머드볼의 강성과 형태를 얻기 어렵다.
본 발명에 따른 머드볼은 부성분으로 활성탄을 추가로 포함할 수 있으며, 활성탄이 포함될 경우 머드볼 100 중량부 대비 2 중량부 이하의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 활성탄은 전체 머드볼에서 1 중량부 내외로 포함될 수 있다.
상기 활성탄은 구의 성형 과정에서 시드(seed) 역할을 하는 1차 입자 제조시 사용되는 제 1 머드 혼합물에 포함되며, 1차 입자의 성형 가공성을 향상시킬 수 있다. 이러한 활성탄은 건조와 소성 과정에서 일부 연소되어 미세 기공과 중기공을 증가시키며, 특히 미세기공은 이산화탄소 및 각종 이물질 흡착에 뛰어난 효과를 발휘하는 바, 물의 정화에 유리한 효과를 가진다. 본 발명에 따른 머드볼에 포함되는 활성탄의 종류 및 형태는 특별히 제한되는 것은 아니나, 야자수 활성탄이 적용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 머드볼의 직경은 1mm 내지 50mm의 범위에서 용도에 따라 다양하게 제작될 수 있다. 특히 본 발명은 부성분의 세부 비율을 조정하여 최적의 가공성과 머드볼의 강성, 다양한 기공을 확보하는 바, 상대적으로 대구경의 머드볼을 제조하는 경우에도 안정적으로 효과를 발휘할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 머드볼은 10 내지 40 mm일 수 있고, 보다 구체적으로 20 내지 30 mm일 수 있다. 20 내지 30 mm의 머드볼은 맥주캔 삽입용 머드볼로 용이하게 적용될 수 있다.
한편 대구경의 머드볼로 제조되더라도 머드와 부성분 사이의 최적 조합을 통해 최종 제조된 머드볼의 내구성이 일정 이상 유지될 수 있으며 미세기공 및/또는 중기공들이 머드볼 내에 골고루 분포될 수 있는 효과를 가진다.
본 발명에 따른 머드볼은 앞서 설명한 바와 같이 토르말린과 머드의 상호보완 효과, 제올라이트와 벤토나이트의 구 형상 유지능, 칼슘의 중기공 형성능 등에 의해 미세기공과 중기공을 동시에 포함할 수 있으며, 이로 인해 미네랄 용출, 정화 효과, 질소 포집을 위한 머드볼 내 표면적을 극대화하는 효과를 가진다.
상기 미세기공은 0.1 내지 5 nm이고, 중기공은 100 내지 2000 nm이며, 이와 같이 다양한 종류의 기공을 포함하는 경우, 단일 종류의 기공만을 포함하는 경우 보다 동일 부피 대비 조밀하고 큰 기공을 포함할 수 있다.
미세기공과 중기공은 각각 주요 수행 역할이 상이할 수 있다. 특히 미세기공은 이산화탄소 등 각종 이물질을 흡착하는 능력이 중기공보다 월등히 뛰어나다. 한편, 중기공은 대형의 머드볼로 제조되기 위해 투입되는 재료비를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 기공 내에 질소 등과 같은 기체를 저장할 수 있는 공간을 제공하기도 한다. 즉, 본 발명은 미세기공과 중기공을 적절히 머드볼 내부에 분포시켜 목표하는 다양한 효과를 구현할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 머드볼의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 머드볼의 제조방법은,
제 1 머드 혼합물과 물을 회전기기에 투입하고 회전시킴으로써 직경 0.1 내지 0.5 mm의 구형 1차 입자를 형성시키는 1차 입자 성형단계;
상기 1차 입자에 제 2 머드 혼합물과 물을 회전기기에 투입하여 1차입자를 성장시키는 2차 입자 성형단계;
상기 2차 입자를 200 내지 1200 ℃에서 가열하는 소성단계; 및
상기 소성된 2차 입자를 상온에서 건조하는 건조단계를 포함한다.
이하에서는 각 단계를 구체적으로 서술한다.
상기 1차 입자 성형단계는 제 1 머드 혼합물과 물을 회전기기에 투입하고 회전시킴으로써 시드 역할을 하는 구형의 1차 입자를 형성하는 단계이다. 상기 제 1 머드 혼합물은 머드, 제올라이트, 및 벤토나이트를 포함하거나; 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 및 활성탄을 포함하거나; 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 맥반석, 토르말린, 및 칼슘을 포함하거나; 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 활성탄, 맥반석, 토르말린, 및 칼슘을 포함하거나; 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 활성탄, 맥반석, 및 토르말린을 포함하거나; 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 활성탄, 토르말린, 및 칼슘을 포함할 수 있다.
물과 제 1 머드 혼합물은 회전기기에 동시에 투입될 수도 있고, 순차적으로 투입될 수 있으며, 투입 순서는 제한되지 않으나, 제 1 머드 혼합물 투입 후 물 분사를 통해 물을 투입할 수 있다.
상기 1차 입자 성형단계는, 2차 입자 성형단계 이전에, 1차 입자를 건조하기 위한 건조 단계를 포함할 수 있으며, 이러한 건조 단계는 상온에서의 자연 건조를 통해 수행될 수 있다.
상기 2차 입자 성형단계는, 상기 제조된 1차 입자에 제 2 머드 혼합물과 물을 회전기기에 투입하여 1차 입자를 성장시킴으로써 2차 입자를 형성시키는 단계이다.
상기 제 2 머드 혼합물은 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 맥반석, 토르말린, 및 칼슘을 포함하거나; 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 맥반석, 토르말린, 및 칼슘을 포함하거나; 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 맥반석, 및 토르말린을 포함하거나; 머드, 제올라이트, 벤토나이트, 토르말린, 및 칼슘을 포함할 수 있다. 상기 머드는 보령산 머드가 사용될 수 있으나 기타 다른 머드가 적용될 수도 있다.
제 1 머드 혼합물과 제 2 머드 혼합물의 조성은 동일하거나 상이할 수 있으나, 전체적으로 균질한 구형 입자를 형성하기 위해 주성분인 머드는 반드시 포함되어야 한다.
상기 2차 입자 성형단계는, 건조 및 소성 과정에서 수분 증발 및 열수축을 고려하여 최종 머드볼의 타겟 지름보다 약 5% 정도 크게 성장할 때까지 수행되는 것이 바람직하며, 1차 입자 성형단계와 마찬가지로, 소성단계 이전에 2차 입자를 건조하기 위한 자연 건조 단계를 포함할 수 있다.
상기 소성단계는, 상기 제조된 2차 입자를 200 내지 1200 ℃에서 가열하여 머드볼의 다공성 및 강도를 향상시킨다.
소성단계는 건조된 2차 입자를 소성로에 넣어 소성함으로써 수행될 수 있으며, 이러한 소성단계는 200 내지 400 ℃에서 수행되는 1차 소성, 500 내지 700 ℃에서 수행되는 2차 소성, 1,000 내지 1,200 ℃에서 수행되는 3차 소성을 포함할 수 있고, 1차 소성 및 2차 소성 이후, 상온에서의 자연 건조 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 건조단계는 상기 소성된 2차 입자를 상온에서 건조하는 건조단계를 포함한다.
최종 건조단계를 수행함으로써 제조된 머드볼은 머드볼 100 중량부 대비 머드 50 내지 70 중량부, 토르말린 6 내지 10 중량부, 제올라이트 7 내지 15 중량부, 벤토나이트 4 내지 12 중량부, 맥반석 4 내지 8 중량부, 및 칼슘 4 내지 8 중량부를 포함한다.
한편, 상기 머드볼은 머드볼 100 중량부 대비 2 중량부 이하의 활성탄을 추가로 포함할 수 있으며, 이때 활성탄은 제 1 머드 혼합물에 투입된다. 활성탄은 최종 머드볼 내 상기 함량을 가지도록, 제 1 머드 혼합물 100 중량부 대비 1 내지 15 중량부로 포함되며, 보다 구체적으로 5 내지 10 중량부로 포함될 수 있다.
최종 건조단계를 거친 머드볼은 미세기공 및 중기공을 확보하고 각 공정에서 발생할 수 있는 분진, 먼지 등으로부터 청결함을 유지하기 위해 세척단계를 추가로 포함할 수 있고, 특히 맥주캔 삽입용 머드볼의 경우 맥주캔 내에 투입되기 직전에 세척단계를 수행하는 것이 바람직하다.
실시예 1.
S1. 1차 입자 성형단계
실린더형 회전 성형기에 300 내지 500 mesh 크기의 토르말린, 제올라이트, 벤토나이트, 맥반석, 칼슘 분말 각각 8%, 9%, 6%, 6%, 6%과, 보령 머드 파우더 65%를 혼합한 머드 혼합물 150㎏를 투입한 후 분당 30회 속도로 회전한다.
회전하고 있는 원료에 스프레이 건을 사용하여 아지랑이 형태의 물을 미세하게 30분 간 분사한 후, 물 분사를 중지하고 이후 10분간은 회전 공정만 수행한다.
약 0.3mm의 1차 입자자가 생길 때까지 상기 물 분산 및 회전 공정과 회전 공정을 약 일주일간 지속적으로 반복한다.
상기 제조된 1차 입자를 상온에서 자연 건조시킨다.
S2. 2차 입자 성형단계
건조된 1차 입자를 실린더형 회전 성형기에 다시 투입한 후 분당 30회 속도로 회전시키면서 스프레이건을 사용하여 물을 미세하게 분사하고, 상기 1차 입자 성형단계에서 제조된 머드 혼합물과 동일한 조성의 혼합물을 머드볼 전체 중량의 10%씩 미세하게 뿌린다. 물 분사시간 및 머드 혼합물의 투입량은 머드볼의 성형 진행율 및 함수율을 고려하여 조절한다.
23 내지 25mm의 입경의 구형 입자로 성장했을 때, 물 분사는 더 이상 하지 않는 상태에서 머드 혼합물을 투입하며, 27mm의 입경을 가질 때까지 지속한 후 상온에서 건조시킨다.
S3. 소성 및 건조단계
상기 제조된 2차 입자를 소성 레일에 적재시킨 후, 소성로에 넣어 1차 소성으로 200 내지 400℃의 저온에서 1차 소성을 수행한 후 자연 건조시킨다. 이후 600 내지 800℃에서 2차 소성을 수행한 후 자연 건조시킨다. 마지막으로 1,000 내지 1,200℃에서 3차 소성을 수행한 후 최종 자연 건조단계를 수행함으로써 약 26mm의 머드볼을 제조하였다.
비교예 1.
머드 혼합물의 조성을 제올라이트, 벤토나이트, 맥반석, 칼슘 분말 각각 10%, 7%, 7%, 7%과, 보령 머드 파우더 69%를 혼합하여, 토르말린 분말을 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 머드볼을 제조하였다.
비교예 2.
비교예 1에서 토르말린 대신 자철광분말을 사용하였으며, 실시예 1의 방법 중 회전 방식을 종래 방식인 가압 방식으로 가공한 머드볼을 제조하였다.
<실험1: 기공 분포>
상기 제조된 실시예 1, 비교예 1 및 2에 따른 머드볼의 단면 사진을 도 1 내지 도 4에 각각 나타내었다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제작된 머드볼의 외관 및 단면 사진에 대한 것이며, 도 2는 도 1의 단면 사진을 현미경으로 확대한 사진이며, 도 3은 비교예 1에 따라 제작된 머드볼의 단면 사진을 도 4는 비교예 2에 따라 제작된 머드볼의 단면 사진에 대한 것이다.
도 1을 참조하면, 내측에 색이 다른 부분은 시드볼 부분이며 제1 머드 혼합물을 포함한다. 도 2는 도 1의 머드볼 단면을 현미경으로 확대하여 찍은 사진이다. 비교예 1 단면 사진인 도 3과 비교하였을 때 표면이 균질하고 기공의 크기가 상당히 작은 것을 알 수 있다. 즉, 적절한 배합의 토르말린이 최종 제작되는 머드볼의 성능 향상에 기여가 된 것을 알 수 있다.
한편, 도 4의 머드볼은 도 3의 머드볼에 비해 표면이 더 거칠고 중기공의 숫자도 훨씬 많은 것을 알 수 있다. 첫째, 가압 방식이 아닌 회전 방식으로 머드볼을 제작할 때 더 나은 성능 향상을 보임을 알 수 있다. 둘째, 제작 과정 중 자철광 산화에 의해 적철석이 확인되며 이에 따라 표면이 매끄럽지 못한 것을 확인할 수 있다. 또한 연소에 의해 생성된 적철석은 이론적으로 고온의 소성 과정에서 환원되어야 하지만 전기로를 사용하는 일반적인 가공환경에서 적철석에서 산소가 빠져나오기가 쉽지 않다. 즉, 중기공 및 이보다 큰 대형 기공이 발생한다.
<실험2 : 감초 용출 실험>
본 발명의 일 실시예에 따른 머드볼은 식품의 가공이나 음용수 가공에도 사용될 수 있도록 만들어졌다. 이러한 식용 분야에 본 발명의 일 실시예에 따른 머드볼이 어떠한 효과를 가지는지 확인해보았다. 실내 상온에서 실험을 하였으며 준비물은 다음과 같다.
1. 대조군 : 시판정제수 500ml
2. 실험군 : 대조군과 동일한 시판 정제수에 머드볼을 침지한 정제수 500ml
대조군과 실험군에 각각 감초 40g을 투입하여 시간대별로 감초의 용출 속도 및 용출 정도를 비교하였다. 또한 외부로부터 오염 및 상호 교차오염을 방지할 수 있도록 실험실 내의 온도, 습도를 유지하였으며 미세먼지, 초미세먼지 및 TVOC 농도 또한 일정 미만을 유지하였다. 도 5는 감초 투입 후 시간대별 용출 속도 및 용출 정도를 비교한 사진이다.
도 5에서 확인가능한 바와 같이, 감초 투입 후 1분 후 및 5분 후에서 이미 실험군에 감초의 용출 정도가 훨씬 높은 것을 알 수 있었다. 또한, 감초 투입 후 72시간이 지났을 때, 대조군과 실험군 모두 표면에 오염물질(백태)이 발생하였으나 실험군에 비해 대조군의 오염물질이 현저히 많음을 확인할 수 있었다.
이와 같은 실험을 통해 다음과 같은 사실을 확인할 수 있었다. 첫째, 본 발명의 일 실시예에 따른 머드볼이 가지는 다양한 미네랄 성분을 통해 용출 속도를 상당히 촉진할 수 있다. 둘째, 토르말린의 전기적 특성과 머드볼이 함유한 머드볼을 통해 향균 및 억균 효과가 현저히 상승한다.
<실험3 : 당화 실험>
실험2와 동일한 실내 조건 속에서 실험을 진행하였으며, 맥아가 투입되었을 때 각 사용수의 최종 당도(Brix)를 측정하였다. 실험조건 및 결과는 아래 표와 같이 정리된다. 맥아는 독일의 WEYERMANN 제품을 사용하였으며, 사용수는 동일한 생수 2L를 사용하였다.
사용수(L) 맥아(g) 당화반응조건(분) 당도(Brix) 비고
생수 2L 620g <다음 순서로 연속가열>
1. 64℃에서 40분,
2. 72℃에서 40분,
3. 78℃에서 10분

27.1
머드볼 수처리 생수 2L 620g 31.8
머드볼 수처리 생수 2L 496g 25.9 맥아 620g의 80%인 496g 사용
실험 결과, 머드볼 수처리가 되지 않은 생수(생수+맥아 620g)의 당화도는 맥아 g당 0.0437Brix로 나타난 반면, 머드볼 수처리가 완료된 생수(머드볼 수처리 생수+맥아 620g)의 당화도는 0.0500Brix로 나타났다. 즉, 머드볼 수처리가 완료되었을 때 동일한 맥아량 대비 더 높은 당도를 달성할 수 있음을 확인하였다.
한편, 머드볼 수처리가 된 생수 2L+맥아 496g와 같은 실험조건일 때 당도가 무려 25.9Brix(맥아 g당 0.0522Brix)에 이르는 것을 확인하였다. 맥아 사용량이 20%나 감소했음에도 불구하고 맥아 g당 당화도가 더욱 높아졌으며 머드볼 수처리가 된 생수의 당도와 거의 유사하였다.
맥주 생산 시 일정 수준 이상의 당도를 달성하기 위하여 수많은 맥아가 사용된다. 만약 본 발명의 일 실시예에 따른 머드볼이 맥주 생산 공정에 상용화될 경우, 맥주 생산 시 소요되는 맥아 사용량을 기존 대비 최저 12%에서 최대 18%까지 감소시킬 수 있다는 점에서 기술적 의의가 상당히 높다고 볼 수 있다. 또한 맥아 사용량이 줄어듦으로 인해 최종 부산물(찌꺼기) 감소 효과가 발생하며, 이를 처리하기 위한 비용감소 및 환경오염을 줄일 수 있다.
위와 같은 실험결과를 통해 다음과 같은 사실을 확인할 수 있었다. 첫째, 실험 2와 마찬가지로 머드볼이 가지는 다양한 미네랄 성분이 맥아의 당 성분 용출 속도를 상당히 높였다. 둘째, 본 발명의 일 실시예에 따른 머드볼은 비교예 1 및 비교예 2과의 비교를 통해 확인할 수 있는 것처럼 기존에 비해 미세기공이 많고 머드볼 내에 구성성분들이 고르게 퍼져 있어 수처리 효과가 더욱 높다. 즉, 머드볼 수처리된 생수는 생수 내에 이물질이 미세기공에 원활하게 흡착이 되기 때문에 머드볼 내의 미네랄이 생수 내로 더욱 잘 녹아들 수 있으며 이를 통해 맥아g당 당 성분의 더욱 많이 용출될 수 있다. 머드볼 내에 구성성분이 고르게 퍼져있다는 점은 머드볼 내의 미네랄이 생수 내로 더욱 잘 녹도록 유도한다.
머드볼의 성분 뿐만 아니라 독특한 제작방식 덕분에 실험 1 내지 실험 3과 같은 우수한 효과를 획득할 수 있다.
본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다. 또한, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

  1. 머드와 부성분 7:3 내지 5:5의 비율로 이루어지는 머드볼(mudball)로서,
    0.1 내지 5nm의 미세기공과 100 내지 2000nm의 중기공을 포함하고,
    상기 부성분은 머드볼 100 중량부 대비 토르말린 6 내지 10 중량부, 제올라이트 7 내지 15 중량부, 벤토나이트 4 내지 12 중량부, 맥반석 4 내지 8 중량부, 및 칼슘 4 내지 8 중량부를 포함하고,
    상기 제올라이트 및 벤토나이트의 총 함량은 머드볼 100 중량부 대비 13 내지 20 중량부이고,
    상기 맥반석, 토르말린, 및 칼슘의 총 함량은 머드볼 100 중량부 대비 17 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 머드볼.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 직경이 10 내지 40mm인 것을 특징으로 하는, 머드볼.
  6. 삭제
  7. 삭제
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