KR20060029945A

KR20060029945A - 나노여과시스템을 이용한 저염 미네랄 소금 제조방법

Info

Publication number: KR20060029945A
Application number: KR1020040078813A
Authority: KR
Inventors: 강신경
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2006-04-07

Abstract

나노여과막을 사용하여 염화나트륨(NaCl) 함유비율이 낮고 미네랄 성분을 다량 함유하는 저염 미네랄 소금(Mineral Salt)을 제조하는 방법에 관한 것으로, 염수에서 불순물을 제거하는 전처리 단계; 전처리된 염수를 나노여과시스템을 통해 여과하여 투과수와 농축수를 얻는 단계; 및 상기 농축수를 증발가열하는 단계;를 포함하는 저염 미네랄 소금 제조방법이 제공된다. 본 발명의 방법으로 제조된 저염 미네랄 소금은 염화나트륨의 섭취를 감소시킬 수 있다.

미네랄 소금, 저염 소금, 나노여과 시스템, 증발농축기

Description

나노여과시스템을 이용한 저염 미네랄 소금 제조방법{A MANUFACTURING METHOD OF LOW-SALINITY MINERAL SALT BY USING NANOFILTRATION}

도 1은 본 발명에 의한 저염 미네랄 소금 제조방법의 개략적인 공정을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 .... 염수 또는 해수 저장조 2 .... 공급펌프

3 .... 카트리지 필터 4 .... 고압펌프

5 .... 나노여과 시스템 6 .... 증발농축기

본 발명은 염화나트륨(NaCl) 함유비율이 낮고 미네랄 성분을 다량 함유하는 저염 미네랄 소금(Mineral Salt)을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노여과막 시스템을 이용하여 미네랄을 다량 함유하는 미네랄 소금을 제조하는 방 법에 관한 것이다.

소금은 일반적으로 태양열이나 증발기를 이용하여 해수로부터 물을 증발시킴으로써 제조된다. 따라서 소금의 제조과정 중에 별도의 첨가제를 사용하지 않는다면 소금의 조성은 필연적으로 해수의 조성과 동일하게 된다. 한편, 소금은 음식물 및 조리에 필수적인 요소이다. 그러나 소금의 주성분인 염화나트륨은 고혈압등 성인병에 나쁜 영향을 미치는 것으로 알려져 있어, 염화나트륨 함량이 적고 대신 미네랄 함량이 많은 미네랄 소금의 수요가 증가하고 있다.

종래, 소금을 제조하는 종래기술로는 동해 해양 심층수 소금에 관한 대한민국 특허공개 2003-93668, 순수한 미네랄 함유 소금의 제조방법에 관한 대한민국 특허공개 2002-42607, 순수한 소금을 제조하는 방법에 관한 대한민국 특허공개 2001-0069159, 저염 건강소금을 제조하는 방법에 관한 대한민국 특허공개 1996-0007453등이 알려져 있으며, 식수에 관한 종래기술로 미네랄이 보존되는 식수의 정수방법이 대한민국 특허공개 2002-67966에 개시되어 있다.

상기 국내특허출원중 대한민국 특허공개 2002-42607은 융해법을 사용하여 미네랄이 풍부한 소금을 제조하는 방법으로 4차례에 걸쳐 2000℃의 온도에서 소금을 융해시킴으로써 에너지 비용이 많이 소요되는 문제점이 있으며,대한민국 특허공개 1996-7453에는 천일염을 녹여 가열하면서 염화칼륨(KCl)을 투입하여 저염소금을 생산하는 방법이 개시되어 있으나, 미네랄 함량이 제한적이며, 에너지 비용이 많이 소요 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 나노여과시스템을 사용하여 염화나트륨(NaCl)을 저비율로 함유하고 미네랄 성분을 다량 함유하는 저염 미네랄 소금(Mineral Salt)을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면,

염수에서 불순물을 제거하는 전처리 단계;

전처리된 염수를 나노여과시스템을 통해 여과하여 투과수와 농축수를 얻는 단계; 및

상기 농축수를 증발가열하는 단계;

를 포함하는 저염 미네랄 소금 제조방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 염수 또는 해수를 나노여과시스템을 사용하여 나노여과함으로서 염 수중의 Na⁺및 Cl^-와 같은 1가 이온이 효과적으로 제거되고 Ca⁺² 및 Mg ⁺²등 인체에 유용한 미네랄 성분이 다량 함유되어 있는 저염 미네랄 소금을 얻을 수 있다.

막분리 기술은 크게 정밀여과, 한외여과, 나노여과 그리고 역삼투로 대별되며, 이중 나노여과는 한외여과막과 역삼투막의 중간적인 성질을 갖는 것으로, 나노여과막은 약 0.1-5nm의 공극크기를 갖는다. 나노여과는 바이러스, 유기물, 중금속을 분리할 수 있어 오염물질 분리, 유용물질 회수, 농축 등 다양한 용도로 사용된다. 나노여과막은 화학적으로 이들이 미세다공성 고분자 시트 지지체의 상층에 얇은 “스킨층”으로서 주형되어 혼성막 구조를 형성하는 가교된 방향족 폴리아미드를 갖는 구조로서, 막분리 특성은 ‘스킨층’의 기공크기 뿐만 아니라, 개개의 기공 내부의 이온과의 반응성에 의해 조절된다.

보다 구체적으로 이러한 나노여과막(Nano Filtration)은 Na⁺및 Cl^-등과 같은 1가 이온성분은 40~50%가 나노여과막을 통과하지 못하여 제거(배제)됨에 반하여, Ca⁺² 및 Mg⁺² 등과 같은 2가 이온 미네랄 성분은 약 70 ~ 98%가 나노여과막을 통과하지 못하여 제거(배제)되는 분리막의 일종으로 1가 이온과 2가 이온을 분리할 수 있는 특성을 갖는다. 이는 나노여과막을 "루즈 역삼투막(loose Reverse Osmosis)"라 하는 것으로 알 수 있듯이 역삼투막이 비공성 막으로 모든 이온성분에 대해 높은 배 제율을 보이는 반면 나노여과막은 10Å 범위의 미세세공을 갖음으로 이온 싸이즈가 큰 다가 이온에 대해서는 높은 배제율을 보이는 반면 이온 싸이즈가 작은 1가 이온에 대해서는 낮은 배제율을 보이는 것으로, 이는 나노여과막의 고유한 특성이다.

이러한, 나노여과막에 염수를 통과시킴으로써 염수중에서 필요로 하는 미네랄 성분은 나노여과막을 통과하지 않고 배제되어 보유되고 Na⁺및 Cl^-과 같은 1가 이온성분은 나노여과막을 통과하여 제거되어 상대적으로 미네랄 성분이 다량 함유되고 염도는 낮은 소금을 얻을 수 있다.

나노여과처리하고자 하는 염수는 나노여과처리하기 전에 불순물을 제거하기 위해 전처리된다. 전처리는 필터 등을 사용하여 여과하여 행할 수 있다. 염수 또는 해수를 나노여과시스템에 도입하기 전에 불순물을 제거함으로써 나노여과막의 오염이 방지되고 이온성분을 보다 효과적으로 그리고 선택적으로 여과분리할 수 있다.

전처리 장치로는 모래여과기와 카트리지 필터 등이 사용될 수 있으며, 조작 및 교체가 용이하고, 나노여과시스템의 원수 수질 유입조건 SDI(Silt Density Index) 5 이하를 만족시킬 수 있는 약 5㎛의 세공을 갖는 카트리지 필터가 효과적으로 사용될 수 있다.

본 명세서에서 염수는 소금을 용해시킨 염수 및 해수를 포함하는 의미로 사용된다.

전처리된 염수는 나노여과 시스템에 도입되어 나노여과막을 통과한 투과수와 나노여과막을 통과하지 못하고 배제된 농축수로 분리된다.

본 발명의 나노여과 시스템에 나노여과막은 평판형 모듈 및 나선형 모듈의 종류가 사용될 수 있으나, 평판형 모듈에 비하여 저압으로 운전가능하고 저렴한 나선형 모듈을 사용하는 것이 바람직하다. 나노여과막에 분리막으로는 복합고분자막을 사용하는 것이 바람직하다.

나노여과막을 투과한 투과수는 염수중의 2가 이온이 배제됨에 따라 농축수에 비하여 상대적으로 Na⁺및 Cl^-등의 1가 이온을 다량 함유하며, 나노여과막을 통과하지 못한 농축수는 미네랄성분인 Ca⁺² 및 Mg⁺² 등과 같은 2가 이온을 상대적으로 다량 함유한다.

나노여과막을 이용한 염수 여과시 나노여과시스템에 유입시키는 유량은 사용하는 나노여과막의 규격(예를들어, 2.5“, 4.0”, 8.0“등의 규격), 운전압력, 유입염수의 온도 및 염도등과 관련되어 달라진다. 나노여과막 제조사는 각 제조사에서 제조, 판매되어지는 나노여과막 시스템(장치의 크기, 나노막의 크기등)의 운전에 적합한 유량 및 압력등의 범위에 대하여 제시하고 있으며 사용자는 선택한 나노여과 막 시스템에 따라 이에 적합한 운전조건을 선택하여 적용할 수 있다. 이러한, 나노여과막시스템 운전조건의 선택등은 이 기술분야의 기술자에게 일반적인 것이다.

그 후, 상기 Ca⁺², Mg⁺² 등과 같은 2가 이온을 다량 함유하는 농축수에는 이온함량이 높기 때문에 더 이상 나노여과막을 이용하여 농축하게 되면 이온의 용해도 범위를 초과하여 장치내에, 특히 막에 스케일이 발생되어 조작이 불가능해진다. 따라서, 나노여과막 시스템을 이용한 여과는 농축수중 Ca⁺², Mg⁺² 등과 같은 2가 이온 함량이, 이로 인하여 장치가 폐쇄되지 않을 정도가 되도록 염수를 나노여과시스템에 적용하여 다량의 미네랄 성분을 함유하는 농축수를 얻을 수 있다.

상기 나노여과시스템에서 분리한 농축수는 증발농축기를 이용하여 증발가열함으로써 나트륨 및 염소 함량이 적고 유용한 미네랄 성분이 다량 함유되어 있는 저염 미네랄 소금이 얻어진다. 염수를 증발가열하여 소금을 얻는 방법은 일반적인 것으로 증발가열은 물을 제거할 수 있는 어떠한 온도로 행할 수 있다.

한편, 상기 나노여과시스템에서 발생하는 투과수에는 Ca⁺², Mg⁺² 등과 같은 2가 이온의 함량이 적고 나트륨 및 염소 이온을 상대적으로 다량 함유하고 있기 때문에, 투과수를 일반적인 역삼투법으로 처리하여 고순도의 염화나트륨을 얻을 수 있다. 역삼투는 투과수중의 용존이온 함량이 낮기 때문에 20 ~ 30bar의 운전압력으로 운전 할 수 있다.

역삼투 처리후, 역삼투 투과수는 장치외부로 배출하고 역삼투 농축수는 증발농축기에서 증발 가열함으로써 고순도의 염화나트륨을 얻을 수 있다.

나아가, 나노여과 투과수의 역삼투처리에 의해 얻어진 역삼투 투과수는 음용수 및 기타 음료 제조에 사용될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명하다. 도 1에 본 발명에 의한 저염 미네랄 소금을 제조하는 개략적인 방법을 장치와 함께 나타내었다.

도 1에 도시한 바와 같이, 소금이 용해된 염수 혹은 해수를 저장조(1)에 저장시킨 다음 공급펌프(2)를 통해 카트리지 필터(3)를 통과시켜 불순물이 제거되도록 전처리한다. 전처리된 염수는 고압펌프(4)를 통해 나노여과 시스템(5)에 공급되고, 나노여과 시스템(5)을 통과한 Na⁺및 Cl^-등 1가 이온성분을 다량 함유하는 투과수와 나노여과 시스템(5)을 통과하지 않은 미네랄을 다량 함유하는 농축수로 분리된다.

그 후, 농축수는 증발농축기(6)내에 도입되고 가열하여 증발농축함으로써 물은 상부로 증발되고 증발잔류물인 미네랄을 다량 함유하는 소금이 하부에 형성된다. 한편, 나노여과시스템(5)을 통과한 투과수는 배출되고, 상기 농축수중 일부는 회수율을 높이기 위해 나노여과 시스템으로 재순환될 수 있다.

상기 나노여과 시스템(5)을 통과한 투과수는 역삼투처리하여 고순도의 염화나트륨을 얻을 수 있다.

상기 본 발명에 의한 방법에 따라 나노여과막을 이용하여 염수를 처리함으로써 염수중 나트륨 및 염소이온의 함량이 상대적으로 감소되고 이와 동시에 마그네슘 및 칼슘과 같은 인체에 유용한 미네랄 성분을 다량 함유하는 저염 미네랄 소금이 얻어진다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

<실시예>

바닷물에서 물을 증발시켜 얻은 천일염을 3중량%로 용해시킨 염수를 도 1에 도시한 장치를 이용하여 나노여과하였다. 실시예에서 사용된 장치사양 및 운전조건은 다음과 같다. 불순물을 제거하는 전처리 장치로는 세공의 직경이 약 5㎛인 폴리프로필렌 카트리지 필터를 사용하였다. 전처리 장치에 염수를 유입유량 10㎥/hr로 유입하였으며, 전처리장치로 유입되는 공급펌프(2)의 운전압력은 2~3bar로 운전하였다.

전처리하여, 불순물을 제거한 다음 염수를 나노여과시스템에 유입하여 나노여과하였다. 나노여과 시스템은 8.0“ 직경의 규격을 갖는 NF90-400엘리먼트 2개를 직렬로 연결하여 사용하였다. 나선형 나노여과 엘리먼트 1개의 회수율은 10 ~ 20% 범위로 매우 낮다. 따라서 농축수의 농축배수를 높이기 위하여 농축수 순환시스템으로 운전하였다.

나노여과 시스템 운전시 원수(염수)의 보충량은 10㎥/hr, 나노여과 공급유량은 30㎥/hr으로 유지하였다. 이때 발생하는 투과수는 5㎥/hr로 배출시켰다. 농축수 25㎥/hr중 20㎥/hr은 나노여과 시스템으로 재순환시켰으며, 나머지 5㎥/hr의 농축수는 미네랄 소금을 생산하기 위해 증발기로 유입시켰다. 따라서 전체적으로 보면 염수 10㎥/hr을 공급하여 농축수와 투과수를 각각 5㎥/hr를 생산하여 회수율은 50%로 운전하였다. 고압펌프(4)의 운전압력은 58bar로 하였다.

나노여과 후, 분리된 농축수를 5㎥/hr의 유량으로 증발농축기로 유입하고 120~150℃ 범위로 가열하여 순수한 물은 증발시킨 후 증발잔류물인 미네랄 소금을 얻었다.

한편, 나노여과 후, 분리된 투과수는 상대적으로 Na⁺, Cl^-이온 함량이 높기 때문에 역삼투법으로 처리하여 역삼투 투과수는 배출하고 역삼투 농축수는 가열하여 증발농축함으로써 순도가 높은 염화나트륨을 생산할 수 있다.

상기, 원수(염수), 나노여과 시스템의 농축수 및 투과수의 수질을 분석하여 표 3에 각각 나타내었으며, 증발건조하여 얻어진 저염 미네랄 소금의 조성을 천일염과 비교하여 하기 표 4에 나타내었다.

본 발명의 방법으로 생산된 저염 미네랄 소금과 일반 소금의 조성을 비교하기 위해 상기 본 발명의 실시에 사용된 일반적인 소금인 천일염의 불순물을 제거한 후, 천일염의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1] 천일염의 조성

성분	조성(중량%)
Na⁺	33.19
Cl^-	60.64
Ca⁺²	0.44
Mg⁺²	1.65
SO₄ ^-2	3.73
K⁺	0.35
합계	100.00

상기 표 1에서와 같이 일반적인 소금인 천일염중의 미네랄 성분(Ca과 Mg의 합)은 2.09중량%이었으며, 염화나트륨(Na와 Cl의 합)은 93.87중량%이었다.

한편, 상기 불순물이 제거된 천일염을 순수에 용해시켜 해수와 비슷한 3.0중량%의 염수를 제조하였으며, 제조된 염수의 조성을 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2] 천일염을 용해시킨 염수의 조성

성분	농도(mg/l)
Na⁺	9,720
Cl^-	17,760
Ca⁺²	128
Mg⁺²	484
SO₄ ^-2	1,092
K⁺	102
합계	29,286

[표 3] 원수, 나노여과시스템의 농축수 및 투과수 수질 비교

성분	원수(염수)농도(mg/l)	농축수 농도(mg/l)	투과수 농도(mg/l)
Na⁺	9,720	12,018	1,097
Cl^-	17,760	22,266	2,674
Ca⁺²	128	216	0.3
Mg⁺²	484	806	0.3
SO₄ ^-2	1092	1,844	2.2
K⁺	102	168	7.3
합계	29,286	37,318	3781.1

상기 표 3에서 알 수 있듯이, 농축수와 투과수중의 Na⁺, Cl^-, Ca⁺² 및 Mg ⁺²의 농도를 비교하면, 투과수에 비하여 농축수에 미네랄 성분인 2가 이온은 상대적으로 다량 함유되어 있으며, 따라서 이러한, 농축수를 이용하여 저염 미네랄 함량이 큰 소금을 제조할 수 있다.

[표 4] 일반소금(천일염)과 미네랄 소금의 조성 비교

성분	일반소금의 조성 (중량%)	미네랄 소금의 조성 (중량%)
Na⁺	33.19	32.20
Cl^-	60.64	59.67
Ca⁺²	0.44	0.58
Mg⁺²	1.65	2.16
SO₄ ^-2	3.73	4.94
K⁺	0.35	0.45
합계	100.00	100.00

상기 표 4에서 알 수 있듯이, 천일염중 미네랄 성분은 2.09중량%이나 미네랄 소금의 경우 2.74중량%로 미네랄 소금중의 미네랄 함량은 일반소금보다 30% 이상 증대됨을 알 수 있었다.

또한, 일반소금인 천일염의 경우 염화나트륨의 함량은 93.83중량%인 반면, 미네랄 소금은 염화나트륨 함량은 91.87%로 상대적으로 낮아 저염 미네랄 소금을 제조할 수 있었다.

본 발명의 방법에 따라, 일반적인 소금에 비하여 상대적으로 염화나트륨의 함량이 적고 미네랄 성분의 함량이 많은 소금이 제공되며 이러한 저염 미네랄 소금을 사용함으로써 염화나트륨의 섭취를 감소시킬 수 있다. 따라서, 동일한 양의 소금을 섭취하더라도 고혈압 및 신장병 등의 성인병 치료 및 예방에 매우 효과적일 것으로 판단된다. 본 발명에 의한 저염 미네랄 소금 제조방법은 별도의 첨가제를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라, 비용면에서 효율적이다.

Claims

염수에서 불순물을 제거하는 전처리 단계;

전처리된 염수를 나노여과시스템을 통해 여과하여 투과수와 농축수를 얻는 단계; 및

상기 농축수를 증발가열하는 단계;

를 포함하는 저염 미네랄 소금 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 나노여과시스템의 나노여과막은 복합고분자막 재질의 나선형 모듈임을 특징으로 하는 저염 미네랄 소금 제조방법.