KR20050010299A

KR20050010299A - 수질정화와 동식물성생물 부착 방지용 담체 세라믹 조성물및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050010299A
Application number: KR1020030049487A
Authority: KR
Inventors: 김해용; 황명환
Original assignee: 김해용; 황명환
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-01-27

Abstract

이 발명은 오염과 독성 없이 영구적으로 전기를 발생하는 전기석 광물과 미약방사선을 발생하는 모나자이트를 입자크기가 1㎛∼6㎛ 로 분체가공하고 수지(樹脂)류 점결재(소결재) 재료 15무게%∼30무게%를 위 2가지 분체와 함께 혼합, 배합, 교반, 성형 후 섭씨600∼800도씨 사이에서 6시간 이상 소결하여 1mm~30mm구(Ball)형, 직사각형, 기타 형태로 성형, 건조 후 해수나 담수에 모두 사용할 수 있는 해수, 담수 부착생물 방지용 세라믹(ceramics) 담체용으로 저온 소성한다. 해수, 담수 부착생물 방지용 세라믹(ceramics) 담체용 세라믹 조성 혼합물의 혼합비율은 전기석 분체 80무게%∼20무게%에 대하여 모나자이트 분체 20무게%-80무게%인 것이다. 그리고 2가지 분체 입자를 저온에서도 강하게 결합시키는 저온소결재료를 위 분체무게의 100무게% 중 15무게%~30무게% 혼합, 소결하며, 세라믹 담체 강도에 따라 소결재료의 배합률(%)을 달리하여 세라믹 조성물을 만드는 방법이다.

Description

수질정화와 동식물성생물 부착 방지용 담체 세라믹 조성물 및 그 제조방법{Composite of ceramic carrier for purification of water quality and prevention of organism(animality/plants) and its manufacturing method.}

기존에는 탁도가 떨어지는 수질을 개선하기 위하여 화학약품을 사용하였으나 이 발명은 부유물(미세입자)이 많아 탁도가 떨어지는 수질에 세라믹 담체 조성물에서 발생하는 다량의 음이온을 제공하여 부유물을 바닥으로 침전시킴으로써 짧은 시간내 물의 탁도를 개선한다.

또한 기존에는 해수나 담수인 강, 저수지, 연못, 양식장, 양어장, 수로, 수처리장 등의 시설물에 수중 생물의 부착을 예방하기 위하여 인공화합물에 의해 부착방지를 꾀했다. 이 화합물은 방오효과가 뛰어나다는 이유로 자주 사용하여 왔으나 이것은 2차 오염을 유발하고 2차 오염유발성물질인 환경호르몬을 용출시켜 피해를 발생시키고 있다. 이 화합물은 TBT가 첨가된 방오도료로서 각종 시설물 내외부 도장에 널리 사용하고 있는 실정이다. TBT는 바다의 제초제로 불리는 극독성 물질로서 원래 철선 밑창에 녹 방지와 파래 등이 붙지 못하도록 칠하는 방오제로 사용되었으나 지금은 목선, FRP선, 가두리양식용 어망 등에 바다 부착생물의 부착 방지제로 광범위하게 사용하고 있는 실정이다. 한 번 칠하면 약 반년 이상이나 배 밑창이나 그물에 부착생물의 서식을 거의 완전히 막을 수 있어서 보수의 번거로움이나 비용을 대폭 줄일 수 있어서 점점 사용이 보편화되고 있는 추세이다.

TBT는 해양 생물에 매우 독성이 강한 물질로서 물속에서 방오 페인트로부터 서서히 녹아 나와서 배와 그물에 부착생물이 서식하는 것을 막아 준다. 그래서 TBT는 부착생물뿐만 아니라 다른 해양생물에도 강한 독성을 나타낸다. 비록 바닷물 속에 미량의 TBT가 녹아 있다고 하더라도 먹이 연쇄에 따른 생물농축으로 갑각류와 어패류 내에 높은 농도로 누적 축적됨으로 사람은 이와 같은 식품을 통하여 높은 농도의 TBT에 노출될 수 있다. TBT는 어패류의 기형화는 물론 성장을 아주 더디게 한다. 또한 내분비계 교란물질(환경호르몬)로서 고등해양생물에 임포텐스를 일으켜 생물생산량을 감소시키기도 한다. 사람에게는 적은 양의 TBT일 경우 호흡곤란 및 피부에 이상증세 등을 일으키고, 높은 농도일 경우는 신경장애현상을 일으키는 것으로 알려져 있다.

이에 이 발명에서는 연근해 바다를 오염시키지도 않고 어패류에 악영향을 전혀 미치지 않고 다만 부착생물들이 싫어(기피)하는 전자파장 에너지를 발생하는 희토류 광물인 모나자이트 분체와 미끈 미끈한 천연 음이온계 계면활성 물질을 생성하는 전기석(Tourmaline) 분체를 이용하여 기존의 인공화합물에 의한 부착방지가 아니라 천연 무기광물의 물성적 특징을 응용한 담수 및 해수에 서식하는 해중부착생물들이 근본적으로 부착하지 않도록 하는 수중 담체용 세라믹 조성물 및 그 제조방법을 채택한 것이다.

이 발명의 기술적 과제는 기존에 사용하던 유기화합물에 의해 발생되는 2차 수질환경오염 없이 천연광물의 물성만으로 해수나 담수에 존재하는 수중 부착 동식물들이 스스로 부착을 기피하도록 하는 천연 희토류 광물인 모나자이트 광물과 전기석이 적절하게 함유된 동식물들의 부착 방지용 담체용 세라믹 조성물 원료배합과 그 제조방법으로서 적절하게 조절된 전자파장에너지 발생방법, 수치범위와 다량의 음이온발생, 그리고 전기석 입자 하나 하나에서 발생하는 천연 계면활성물질인 히드록실 이온 (H₃O₂)미끈거리는 성분생성으로 부착을 기피하도록 함과 이 담체용 세라믹 조성물을 수중에 투입함으로서 물의 악취감소(탈취효과)와 각종 세균에 대한 항균력(항균효과)을 갖도록 물을 약 알카리수로 변하게 하는 전기석의 물성을 최대한 발휘하게 하는 조건 등이 이 발명의 기술적 과제이다.

도1은 전기석, 희토류 모나자이트 혼합분체에서의 음이온발생 수치 그림

도2는 전기석, 희토류 모나자이트 혼합분체를 원료로 성형, 소성한 세라믹 수중 담체용 조성물에서의 음이온발생 수치 그림

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 전기석, 희토류 모나자이트 혼합분체

2. 혼합분체를 원료로 성형, 소성한 세라믹

3. 음이온 발생수

전기석의 물성적 특징을 최대한 살리기 위해 입자충돌방식 제트분쇄기로 4∼5차에 걸친 분극분리 방식으로 1㎛~6㎛ 의 크기로 전기석을 분체 가공한다. 전기석을 초미세 분체가공 한 것은 전기석을 아무리 작게 분체가공 하더라도 전기석이 갖고 있는 물성은 변하지 않으며, 입자크기와 관계없이 그 수에 비례하여 분체입자 하나 하나에서 0.06mA 미약전류를 발생시켜, 물과 접촉시 순간적인 미약전류작용에 의해 물을 전기분해화 하고 물의 클러스터를 작게 분해, 물분자 하나 하나에 음이온을 넣어 물을 음이온수, 또는 약알카리화 하는 성질로 인하여 세균이 번식하는 것을 막는 항균성을 갖게 되고, 물분자 속의 음이온 작용으로 물에서 발생하는 악취의 양이온과 음이온이 결합하여 악취가 사라지게 되는 원리이다. 수질정화와 해수 및 담수에 서식하는 동식물성 생물의 부착을 기피하도록 하는 수중 담체용 세라믹 조성물을 만들기 위해서는 원료의 선택이 매우 중요하다. 배합되는 무기광물인 전기석의 역할은 전기석이 갖고 있는 물성, 즉 전기석(Tourmaline)은 아무리 작게 초미세 분체 가공하더라도 입자 하나 하나에는 영구적으로 음(-)극과 양(+)극을 갖는 극성결정체로서 입자 하나 하나에서 항시0.06mA의 미약전류와 초전기(焦電氣 ; Thomon, W,. Math. Phys. Paper 1, p. 291-316), 압전기(壓電氣 ; Curie, J. et P,. 1880, Bull. soc. min. de France, T. 3. pp.90-93;Comp. Rend,. T. 91, pp 294-295), 마찰전기(摩擦電氣;일본 物理學辭典 p.1383 1992. 5. 20) 와 전기석 미약전류 작용에 의한 OH 기의 발생과 미약하지만 산소량 증대(일본 [物性科學辭典] 일본 동경학물성연구소 1996년 2월 29일 p. 648) 또한 주변의 자유전자를 흡수하는 흡착작용, 흡수된 전자를 다시 발산하는 발산작용을 한다. 상기 물성중 전기석 미약전류와 물과의 접촉으로 물은 전기분해되고, 물은 약알칼리수로 변하게 되고 세균이 번식할 수 없는 물로 변하기 때문에 항균력을 갖게된다. 또한 물의 탁도와 악취에 효과가 있는 것은 물이 전기분해되는 과정에서 발생하는 음이온전자에 의해 악취라는 양이온이 중화됨으로써 악취제거에 효과가 있는 것이며, 탁도개선 원리는 미약전류에 의해 작게 분리된 물분자 클러스터 마다 음이온 전자를 갖게 되고 물의 탁도 원인인 수중의 미세입자와 음이온과의 결합으로 무게질량에 의해 수중 바닥으로 이 물질이 가라앉게 하는 작용을 모두 전기석 입자 하나 하나에 의한 작용이다.

전기석(Tourmaline)은 6각 주상형의 결정을 갖는 붕규산염으로 육방정계에 속하는 천연광물이다. 토르마린 결정자체가 전기를 발생하는 특성을 지녀 전기석(電氣石)이라는 별칭을 갖고 있다. 토르마린의 결정은 대기중 전자를 흡수(흡착작용)와 발산(반발작용)를 반복하고 아무리 작게 분체가공하더라도 입자 하나 하나에서 끊임없이 0.06mA미약 전류를 계속 발생시키므로, 결정에 수분(H2O)이 닿으면 순간적으로 물을 전기분해하는 작용을 한다. 이때 물은 전기분해되고 물분자(H2O)는 수소이온(H+)과 수산이온(OH-)로 분리된다.

[식 1]

[식 2]

분리된 수소이온(H+)은 전기석 입자의 음(-)극에 끌려서 거기에서 방출되는 전자와 결합되어 중화되고 수소가스(H₂)가 되어 증발한다. 즉, 물이 알카리이온화가 된다. 또 수산이온(OH-)은 주변의 물 분자와 결합하여 히드록실(H₃O₂) 음이온이라고 하는 계면활성 물질이 된다. 이것이 음이온이다.

[식 3]

계면활성물질을 쉬운 예로 들면 비누와 같이 미끈 미끈한 성질을 갖는다. 즉 물과 기름 처럼 잘 섞이지 않는 물질을 결합하기 쉽게 하여 이 물질이 잘 씻겨 나가게 하는 물질이다. 아래 그림은 이 작용을 나타내는 것으로 플러스 전극과 마이너스 전극사이를 통과했을 때 수중에 생기는 히드록실 이온 H₃O₂는 전기분해 됐던 물 분자 H₂O와 0-H의 결합된 그림이다.

그림에서 친수기 부분에 해당하는 것은 H-0-H 부분이고, H가 외부로 향한 H-O 의 부분이 소수기이다. O-H의 마이너스 전하는 H-O-H의 2개의 H와 OH기의 O와의결합이 되며, 한편 수용액중의 양이온과 음이온의 전하량은 대등하여야 한다. 토르마린에 의해 수소원소가 떨어져 나간 Hydroxyl(히드록실) 이온, 즉 단독이온은 이 법칙에 반대로 존재하기 때문에 에너지 면에서 불안정한 상태가 된다. 그 때문에 Hydroxyl(히드록실) 이온은 물속에서 불안정한 상태로 존재하므로 급속하게 계면으로 이동하여 H-O-H기는 물의 안쪽을 향하고 O-H기의 H는 물의 바깥 쪽으로 향하여 배열하게 된다. 이와 같이 Hydroxyl(히드록실) 이온이 안정화되면서 계면활성물질로 작용하게 된다. 또한 전기석이 해수나 담수에 서식하는 수중생물들의 부착을 기피하는데 그 효과를 발휘하는 것은 전기석의 물성적 특징으로 아무리 작게 분쇄 가공하더라도 전기석 물성과 분자구조는 변하지 않으며, 특히 열(熱;초전효과-Brewster, D., 1824, Pogg. Ann., Bd. 2, ss. 297-307), 마찰(摩擦), 압력과 충격(壓力;압전효과-1881년 Hankel, W.G., 1881, Abh. Saechs, Bb. 12, ss. 457-548)을 가하면 오히려 음이온계 계면활성물질 생성이 극대화된다는 점이다. 수중에는 수압과 마찰작용이 수시로 발생하므로 전기석이 갖고 있는 물성적 특징을 잘 발휘한다. 이것은 이 발명의 수중 담체용 세라믹 조성물 제조에 반드시 필요한 물질이고, 상기 전기석과 더불어 함유되는 성분은 전기석과 같이 천연 무기광물로 희토류계열인 모나자이트 이다. 모나자이트는 분체 입자 하나 하나에서 수중 부착생물들이 싫어 하는 미약방사선을 발생시키는 역할과 다량의 음이온발생으로 물의 항균력과 탈취(소취)력을 갖게하는 작용을 하는 물성적 특징을 지니고 있다. 즉, 해수와 담수 수중 생물이 각종 시설물과 구조물, 또는 수처리시설, 강, 하천, 호수의 시설물에 부착을 기피하도록 다량의 음이온발생(1㎤ 당 1,000개∼35,000개(공기흡입방식으로측정))과 0.2μSv / hr ∼ 4.0μSv / hr 사이의 극히 미약한 방사선 전자파장을 수중에서 끊임없이 방사하는 희토류 광물인 모나자이트는 수중 부착 동식물들이 부착하지 못하도록 미끈 미끈한 음이온계 계면활성 물질을 생성하는 등 상호작용에 의해 수중 담체용 세라믹 조성물이 갖는 부착기피작용, 항균작용, 탈취작용, 탁도개선작용 등을 하는 것이 이 발명의 특징이다.

이 발명의 수질정화와 해수 및 담수에 서식하는 동식물성 부착을 기피하도록 하는 수중 담체용 세라믹 조성물 및 그 제조방법 및 원료배합, 그리고 그 구성은 아래와 같다.

전기석과 모나자이트 광물을 입자충돌방식의 제트분쇄기로 분체입자가 1㎛∼6㎛ 사이의 크기로 분체 가공한다. 수중 부착생물들의 부착기피 역할을 하는 담체용 세라믹 조성물 배합은 전기석 분체 80무게%~20무게%에 대하여 모나자이트 분체 20무게%~80무게%인 것이다. 또한 세라믹 소성시 각분체 입자끼리의 강한 결합력을 위해 저온에서도 입자끼리의 결합이 가능한 수지류 소결재료(바인다)의 혼합비율은 2가지 분체의 전체무게의 15무게%∼30무게%로 배합 및 교반, 성형 후 전기석의 물성변화가 없도록 섭씨600∼800도씨 사이에서 소성하여야 전기석이 갖고 있는 물성을 잃지 않는다.

〈실시예〉

〈실시예1〉

이 발명의 수중 담체용 세라믹 조성물의 효과에 대한 각종 시험을 아래와 같이 항균시험과 암모니아 농도 변화시험, 그리고 음이온 발생 검사(일본 신호전자(주)와 한국 건자재시험연구원), 세라믹 조성물의SOSA, 즉 항산화 환원전위(ORP) 능력시험(일본 생명의 물연구소), 계면활성물질 생성능력 시험(일본 생명의 물연구소) 등을 아래와 같이 실시하였다.

① 시험 항목 ; 수중 담체용 세라믹 조성물의 항균력 시험

가) 시험개요

감균 정제수에 검체를 1%가 되도록 첨가 후 여기에 레지올라, 또는 대장균(0157:H7)의 균액을 각각 첨가 실험액으로 하였다. 실험액을 소정 온도에서 흔들어 6시간 후의 시험액의 생균수를 측정하였다.

나) 시험결과

1* 균액 첨가 직후의 대조의 생균수를 측정 확인 후 시작시간으로 하였음.

2* 보존조건 : 35℃, 100rpm 회전 진동

3* 보존조건 : 25℃, 100rpm 회전 진동

다)시험방법

A.시험균

LEGIONELLA PNEUMOPHILLA GIFU 9134(레지올라)

ESCHERICHIA COLI ATCC 43888(대장균, 혈청형 0157:H7, 베로독소배산생주)

B.시험배지

B-CYE 알파 배지 : ,B-CYE 알파 한천배지[일본 영연화학(주)]

NA 배지 : 보통 한천 배지[일본 영연화학(주)]

SA 배지 : 표준 한천 배지[일본 영연화학(주)]

C.균액의 조제

a.레지올라

시험균을 B-CYE 알파 배지에 접종하여 35℃, 2일간 배양하였다. 배양 후 얻은 시험균의 균체를 감균정제수에 넣어 균수가 약 10,000,000/㎖가 되도록 조제하여 균액으로 하였다.

b.대장균

시험균을 NA 배지에 접종하여 35℃, 16∼20시간 배약하였다. 배양 후 얻은 시험균의 균체를 감균정제수에 넣어 균수가 약 10,000,000/㎖가 되도록 조제하여 균액으로 하였다.

D.시험액의 조제

감균 정제수에 검체를 1%가 되도록 첨가 후 균수가 약 100,000/㎖ 가 되도록 시험균의 균액을 첨가하여 시험액으로 하였다.

E.시험조작

시험액을 조제 후 곧 레지올라는 35℃, 대장균(0157:H7)은 25℃에서 100rpm 회전운동으로 6시간 후 시험액의 생균수를 측정하였다. 또한 첨체 무첨가의 시험액에 대해서는 같은 방법으로 시험하여 대조하였다.

F.생균수 특정

a. 레지올라

B-CYE 알파 배지를 사용한 평판 도말배양법(35℃, 5∼7일간 배양)에 의해 측정하였다.

b. 대장균(0157:H7)

SA 배지를 사용한 흔석평판배양법(35℃, 2일간 배양)에 의해 측정하였다.

(이 검사는 일본 후생노동성 생활위생국 기획과 감수, [레지올라 병방지 지침] 이상-

② 물 속에 녹아 있는 암모니아 정화능력 시험(일본 (주)동해분석화학연구소에서 분석)

A.시험목적

세라믹 조성물이 암모니아 분해능력을 테스트하기 위함이다.

B.실험방법

테트라 팩(5리터)에 세라믹 조성물을 투입하고 3.4ppm 농도의 암모니아 가스 5리터를 주입하였다. 그리고 타임머로 각각의 시료를 만들어0시간, 3시간, 6시간, 24시간동안 방치 후 세라믹 조성물를 넣은 암모니아 가스 시료와 넣지 않은 시료를 각각 프랑크 암모니아 가스 흡수포집, 흡광광도계에 의한 암모니아 농도를 측정, 아래와 같은 시험 결과를 얻었다.

C.측정결과

③ 음이온 발생수치 검사자료

A. 공기중 음이온 발생 수치검사

a. 공기흡입식 음이온 발생수치 검사 1㎤당14,590개/cc(한국 건자재 시험 연구원에서 검사)

b. 접촉식 음이온 발생수치 검사 1㎤당32,000개/cc 개(자체 측정)

c. 물 속에서 음이온 발생 수치 검사(일본 신호전자 주식회사)

③ 세라믹 조성물의SOSA, 즉 항산화 환원전위(ORP) 능력시험

A. 검사 목적

모든 만병과 산화의 원인이 되는 활성산소(活性酸素) 독성 중화능력 여부판정을 위한

a. 토르마린 슈퍼 세라믹볼의 항산화환원전위(ORP) 능력 검사

b. 측정장치 ; 일본전자주식회사 검사장비 JES-RE-IX(전자스핀공명)장치

c. 측정온도 ; 실온(23도씨)

d. 측정결과 ; 10g/100ml 1시간 침전

* SOSA(Superoxide Scavenging Activity=활성산소 슈퍼 옥키사이트의 청거활성)

B. 실험방법

역가(力價) Unite의 SOD(Superoxide Dismutare=활성산소제거 효소)를 각 시료수에 20배로 희석하고, SOSA를 측정했다. 따라서 항산화 전위능력 여부를 알 수 있는 규격화 실험 시료의 표준수치는 1.00은(100 Unite+20)5.00 Unite로 된다.

C. 실험결과

실험을 의뢰한 토르마린 세라믹 볼(10g/100ml)를 1시간 침적시킨 물의 SOSA는 실험 비교 시료인 동경시 수돗물과 비교해서 항산화전위 능력이 49% 상승하였다

④ 계면활성물 생성 능력 테스트(일본 생명의 물연구소에서 시험)

A. 검사 목적

H-NMR법을 이용한 저온 소결 토르마린 세라믹 볼의 실험수에 투입 후 계면활성(H3O2 ;Hydroxyl ion) 능력변화 실험

a. 검사일자 ; 2002년 9월 18일 (수요일)

b. 측정장치 ; 일본전자주식회사 검사 장비인 JNM-EX400형 FT-NMR 장치

c. 측정핵 ;¹H(수소원자핵)

d. 측정주파수 ; 400 MHz

e. 측정온도 ; 실온(21~22도씨)

f. 측정비교 ; 10g/100ml 1시간 침수

B. 실험방법

각 시료수에 2%量의 사라다 油(계면활성 분석용시약)을 첨가하고 1분간 교반하며, 5분 간 자연방치 침전시킨 뒤¹H(수소원자핵)을 측정, 각 시료수 속에 용해된 사라다 유의 量을 조사하였다.

C. 실험결과

토르마린 세라믹 볼(10g/100ml)을 1시간 침적시킨 검사 시료수와 동경도 수돗물 시료수에 계면활성력을 검사하는 시약인 사라다 油를 투입, 일정시간 경과 후에 사라다 油의 시료수에 녹아 있는 양을 측정한 결과 토르마린 세라믹 볼 투입 시료수가 1.62배(+62%) 물의 계면활성능력이 증대되었다.

이 발명은 다음과 같은 효과를 거두었다.

① 해수와 담수의 시설물 및 구조물 등에 수중부착생물들이 부착하지 않아시설물관리에 편리하였고 관리비용이 절감되었다.

② 효과가 장기간 지속적으로 유지되었다.

오염물질이 배출되지 않았다.

Claims

천연적으로 음이온을 발생하는 모나자이트 광물과 전기석을 입자크기 1∼6㎛ 로 미립자 분체가공 후 모나자이트 광물 분체 20무게%∼80무게% 와 전기석 분체80무게%~20무게%의 배합률(%)로 혼합한 후 세라믹으로 성형하고 열 소성시 전기석이 갖고 있는 물성이 변하지 않도록 섭씨600∼800도씨 사이에서 소성하여 그 물성을 유지한다. 또한 각 분체 입자와 입자들끼리의 강한 결합력으로 열소성하기 위해 저온에서도 강한 소결력을 갖는 수지류 분체15무게%∼30무게%의 수지분말과 함께 배합 및 교반 후 사용분야에 따라 성형모양을 달리할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 수질정화와 동식물성생물 부착 방지용 담체 세라믹 조성물 및 그 제조방법
제 1항에 있어서 모나자이트 광물과 기타 다른 광물혼합비율에 따라 분체에서 1㎤ 당 1,000-35,000개 다량의 음이온발생(공기흡입방식으로 측정)과 0.2μSv / hr ∼ 4.0μSv / hr이하 미약방사선 전자파장 에너지인 알파(α)선, 베타(β)선 0.2~4μSv/hr, 감마(γ)선0.2∼4μSv/hr 에 의해 수중부 착생물들이 부착하려는 성질을 기피하도록 하며 또한 전기석 광물의 미약전류가 물과 만났을 때 천연 음이온계 계면활성 물질을 형성하여 이 조성물이 도장된 면에 미끈 미끈한 보호막 때문에 해중 부착생물들의 부착을 막도록 한 것을 특징으로 하는 수질정화와 동식물성생물 부착 방지용 담체 세라믹 조성물 및 그 제조방법