KR20060117630A - A concentrate method of minerals from sea water, the mineral concentrate and its use - Google Patents

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Abstract

A method for preparing a mineral concentrate by separating and concentrating natural minerals contained in seawater, a mineral concentrate that is prepared by the method and can be properly added to desalinated seawater to replenish minerals to the desalinated seawater, and uses of the mineral concentrate including foods, especially isotonic drinks or nutritious drinks are provided. A method for concentrating minerals contained in seawater comprises the steps of: passing pretreated seawater through a nanofiltration system comprising at least one nanofiltration membrane one or more times to separate and store concentrated water that does not permeate the nanofiltration membrane; concentrating the stored concentrated water by evaporating 90% or more of water from the stored concentrated water; and centrifugally separating the evaporated and concentrated water to obtain a supernatant liquid having a hardness/TDS ratio of 0.5 to 1 and containing a hardness constituent of 200,000 to 400,000 mg/L.

Description

해수 중의 미네랄 농축방법 및 이를 이용하여 제조된 미네랄농축액과 그 용도 {A Concentrate Method of Minerals from Sea Water, the Mineral Concentrate and its Use}Method of Concentrating Minerals in Seawater and Mineral Concentrates Prepared Using the Same and Their Uses {A Concentrate Method of Minerals from Sea Water, the Mineral Concentrate and its Use}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미네랄 농축공정을 블록도로 나타낸 것이다. 1 is a block diagram illustrating a mineral concentration process according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2는 나노여과시스템에 의한 미네랄 성분의 분리, 농축 과정을 보여주는 모식도이다. Figure 2 is a schematic diagram showing the separation, concentration process of mineral components by the nanofiltration system.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발농축공정을 블록도로 나타낸 것이다. Figure 3 shows a block diagram of the evaporation concentration process according to a preferred embodiment of the present invention.

도 4는 증발농축공정에서의 수분증발율에 따른 경도 및 TDS농도의 변화를 나타낸 것이다. Figure 4 shows the change in hardness and TDS concentration according to the water evaporation rate in the evaporation concentration process.

도 5는 온도에 따른 염화칼슘, 탄산칼슘, 염화나트륨의 용해도 변화를 나타낸 것이다. Figure 5 shows the change in solubility of calcium chloride, calcium carbonate, sodium chloride with temperature.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 해수 중의 미네랄 성분을 농축하는 공정 및 장치를 나타낸 것이다. 6 shows a process and apparatus for concentrating mineral components in seawater according to a preferred embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 각 단위공정에서의 생산수 및 농축수의 TDS와 경도를 나타낸 것이다. Figure 7 shows the TDS and hardness of the production water and the concentrated water in each unit process according to a specific embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1 : 원수탱크 4,5 : 전처리필터1: Raw water tank 4,5: Pretreatment filter

6 : 고압펌프 9,10,11 : 나노여과막모듈 6: high pressure pump 9,10,11: nano filtration membrane module

17 : 나노여과농축수탱크 21 : 나노여과생산수탱크17: nano filtration concentrate tank 21: nano filtration production tank

23 : 증발농축기 24 : 원심분리기23: evaporator 24: centrifuge

본 발명은 해수 중의 미네랄성분을 농축하는 방법 및 이를 이용하여 제조된 미네랄농축액과 그 용도에 관한 것으로, 특히 해수 중의 미네랄성분을 별도로 분리·농축함으로써 해수를 담수화한 물에 첨가하거나 천연 미네랄의 보급원으로서 다양한 분야에 이용될 수 있도록 한 해수 중의 미네랄 농축액에 관한 것이다. The present invention relates to a method for concentrating mineral components in seawater, and to mineral concentrates prepared using the same, and the use thereof, in particular, by separating and concentrating the mineral components in seawater separately, adding seawater to desalted water or supplying natural minerals. The present invention relates to mineral concentrates in seawater which can be used in various fields.

현재 사용하고 있는 수돗물은 오염된 하천이나 호소수를 여러 수단을 통해 정수한 것이다. 그러나 한번 오염된 수자원을 원래로 되돌리기 위해서는 방대한 에너지와 많은 시간이 소요되며, 그나마 현재의 한정된 수자원으로는 전세계적으로 심각한 물부족 문제가 발생될 가능성이 있는 것으로 예상되고 있다. 이에 따라 최근에는 지구면적의 약 71%를 점하는 해양에 대한 관심이 고조되고 있다. 실제 우리나라도 3면이 바다에 접해 있어 앞으로 물부족 문제를 해결하기 위한 방안으로 그 적극적인 이용이 검토되고 있다. 특히 해양심층수는 최근 자연순환형의 지속 가능한 대체 수자원으로 인식되고 있으며, 현재 여러 산업분야에서 그 적용이 연구, 검토되고 있다. The tap water currently in use is purified polluted rivers or lake water by various means. However, it takes a lot of energy and time to restore the polluted water to its original state. However, current limited water resources may cause serious water shortages worldwide. In recent years, interest in the ocean, which occupies about 71% of the earth's area, has been increasing. In fact, Korea has three sides facing the sea, and its active use is being considered as a way to solve the water shortage problem in the future. In particular, deep sea water has recently been recognized as a sustainable alternative to natural circulation, and its application is being studied and reviewed in various industries.

일반적으로 해수를 먹는 물로 사용하기 위한 담수화 공정에는, 종래에 역삼투법, 증발법 등이 널리 이용되고 있다. 특히 역삼투법이 해수 담수화 기술로 폭넓게 사용되고 있는데, 역삼투법에 의해 생산된 물은 인체에 필요한 미네랄 성분까지 대부분 제거된다는 문제점이 있다. In general, the reverse osmosis method, the evaporation method and the like have been widely used in the desalination process for use as water for drinking seawater. In particular, the reverse osmosis method is widely used as a seawater desalination technology, there is a problem that the water produced by the reverse osmosis method is mostly removed to the mineral components required by the human body.

한편, 해양심층수 및 해수에는 여러 종류의 미네랄성분이 함유되어 있으며 특히 칼슘, 마그네슘 등의 경도성분이 지표수에 비해 다량 함유되어 있다. 그러나 해수 및 해양심층수의 경우 염분이 상당한 비중을 차지하고 있어 염분의 분리가 요구되는 바 염분만을 분리하고 유용한 경도 및 미네랄 성분을 취할 수 있는 기술이 개발될 수 있다면, 무한한 수자원이자 칼슘, 마그네슘 등의 천연 미네랄을 공급할 수 있는 우수한 수자원으로서 해수는 그 개발효과가 엄청날 것으로 기대된다. On the other hand, deep sea water and sea water contain various kinds of minerals, especially hardness components such as calcium and magnesium are contained in large amounts compared to surface water. However, in the case of seawater and deep sea water, salt is a significant part, and if the separation of salts is required, a technology capable of separating only salts and taking useful hardness and mineral components can be developed. As an excellent water resource to supply minerals, seawater is expected to have tremendous development effects.

대한민국 공개 특1995-0029195호 및 실용신안등록 제0309654호 등에서는 전기분해를 이용한 해수의 담수화 장치에 관해 기술하고 있으며, 공개 특2001-0106805호 및 공개 특2003-0021027호 등에서는 증발법을 이용한 해수의 담수화 장치를 기술하고 있으며, 실용신안등록 제0373511호 등에서는 역삼투법을 이용한 해수의 담수화 장치에 대해 기술하고 있다. 상기 대한민국 공개 특2001-0106805호에 서는 담수화과정에서 얻어지는 고농도의 염수를 이용하여 소금을 제조하는 방법을 함께 제시하고 있다. 그러나, 칼슘, 마그네슘 등과 같이 해수 중에 포함되어 있는 천연의 미네랄성분을 효과적으로 분리, 농축하는 기술에 대해서는 아직 충분한 연구가 이루어지지 않고 있다. Korean Unexamined Patent Publication No. 1995-0029195 and Utility Model Registration No. 0309654 describe the desalination apparatus of seawater using electrolysis, and Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-0106805 and Japanese Patent Publication No. 2003-0021027 disclose seawater using an evaporation method. The desalination apparatus of the present invention is described, and Utility Model Registration No. 0373511 et al describes the desalination apparatus of seawater using reverse osmosis. Korean Patent Laid-Open No. 2001-0106805 proposes a method of preparing salt using a high concentration of brine obtained during desalination. However, sufficient research has not yet been conducted on techniques for effectively separating and concentrating natural minerals contained in seawater such as calcium and magnesium.

본 발명은 현재의 해수 담수화 기술(특히 역삼투법)에 의해 염분은 물론 해수 중의 미네랄성분까지 제거되는 문제점과 해수에 포함된 천연 미네랄 성분이 제대로 활용되고 있지 못한 점에 착안한 것이다. 본 발명의 일차적인 목적은 해수 중에 포함된 천연 미네랄을 분리, 농축하여 미네랄농축액의 형태로 제공하는 것이다. 본 발명에서 제공하고자 하는 미네랄농축액은 담수화된 해수에 적절하게 첨가되어 미네랄을 보급하는 1차적인 용도를 갖는다. 그러나 본 발명의 미네랄농축액의 용도가 이에 한정되는 것은 아니고 생체에의 보급을 목적으로 미네랄이 이용되는 다양한 분야, 예를 들어, 식품, 특히 이온전해질 음료나 영양제 등에도 활용될 수 있다. The present invention focuses on the problem of eliminating salts as well as mineral components in seawater by current seawater desalination technology (especially reverse osmosis) and the fact that natural mineral components contained in seawater are not properly utilized. The primary object of the present invention is to provide a mineral concentrate by separating and concentrating natural minerals contained in seawater. The mineral concentrate to be provided in the present invention has a primary use of replenishing minerals by appropriate addition to desalted seawater. However, the use of the mineral concentrate of the present invention is not limited thereto, and may be used in various fields in which minerals are used for the purpose of dissemination to a living body, for example, foods, particularly ion electrolyte drinks or nutrients.

본 발명의 또 다른 목적은, 인체에 필요한 해수 중의 미네랄성분을 별도로 분리·농축하여 놓았다가 해수를 담수화한 물에 첨가함으로써 기존 담수화방법의 문제점이었던 미네랄 제거 문제를 해결하고, 나아가 해수가 우수한 수자원으로서 적극 활용될 수 있도록 하는데 본 발명의 목적이 있다. Another object of the present invention is to separate and concentrate the mineral components in the seawater necessary for the human body and add the seawater to the desalted water to solve the problem of mineral removal, which was a problem of the existing desalination method, and furthermore, as the excellent water resource for seawater. It is an object of the present invention to be actively utilized.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 더 잘 알게 될 것이다. Other objects and advantages of the invention will be described below, and will be better understood by practice of the invention.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 전처리된 해수를 1 이상의 나노여과막으로 구성된 나노여과시스템에 1회 이상 통과시켜 나노여과막을 투과하지 못하는 농축수를 분리·저장하는 단계와; 저장된 농축수의 수분을 90% 이상 증발 농축시키는 단계와; 상기 단계에서 증발 농축된 것을 원심분리하여 경도/TDS 비가 0.5∼1 범위이고 경도성분이 20만∼40만 ㎎/L인 상등액을 얻는 단계를 포함하는 해수 중의 미네랄 농축방법이 제공된다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of passing through the pre-treated seawater at least one nanofiltration system consisting of one or more nanofiltration membrane to separate and store the concentrated water that does not penetrate the nanofiltration membrane; Evaporating and concentrating at least 90% moisture in the stored concentrated water; Centrifuging the evaporated concentrated in the above step is provided a mineral concentration method in seawater comprising the step of obtaining a supernatant having a hardness / TDS ratio of 0.5 to 1 and a hardness component of 200,000 to 400,000 mg / L.

본 발명에서 "해수"는 일반적인 바닷물, 해양심층수, 지하암반해수 등 채취가 이루어지는 장소나 방법에 관계없이 모든 종류의 바닷물을 의미한다. 일반적으로 해양심층수는 태양광이 도달하지 않는 수심 200m 이상의 깊은 바다에 존재하며 수온이 연중 2℃ 이하로 안정되어 있는 청정한 해수로 정의된다. 또, 일반적으로 지하암반해수는 연안지역의 지층심도 수백 미터에 침투되어 존재하며 양수시에 지층을 통과하여 토출되므로 해양심층수 및 표층수와는 비교되는 수질특성을 가진 해수로 정의할 수 있다. In the present invention, "sea water" refers to all kinds of seawater regardless of the place or method of harvesting such as general seawater, deep seawater, underground rock and seawater. In general, deep sea water is defined as clean seawater that exists in deep seas with a depth of 200m or more that sunlight does not reach and the water temperature is stable below 2 ℃ throughout the year. In general, the underground rocky seawater penetrates hundreds of meters deep in the coastal region and is discharged through the ground at the time of pumping. Therefore, it can be defined as seawater having water quality characteristics that are comparable with deep seawater and surface water.

일반적으로 분리막법은 분리막의 세공크기에 따라 정밀여과(microfiltration), 한외여과(ultrafiltration), 나노여과(nanofiltration), 역삼 투여과(reverse osmosis)로 나뉘어 진다. 나노여과막도 넓은 의미로는 역삼투막의 한 종류라고 볼 수 있으나, 역삼투막에 비해 저압에서 운전하면서도 다량의 물을 생산할 수 있다. 특히 역삼투막이 수중의 모든 이온에 대해 90% 이상의 배제율을 가지는데 비해, 나노여과막을 사용하는 나노여과시스템은 2가이온에 대해서는 약 50∼80% 이상의 배제율을 가지고 1가이온에 대해서는 20∼50% 정도의 상대적으로 낮은 배제율을 갖는 특성이 있다. 따라서, 나노여과시스템을 구성하는 나노여과막의 세공크기는 한외여과막 보다는 작고 역삼투여과 보다는 크며, 막표면이 하전적인 특성를 지닌다. 본 발명의 나노여과시스템은 1 이상의 나노여과막으로 구성되며, 나노여과막으로는 2가이온에 대해서는 약 50∼80% 이상의 배제율을 갖고 1가이온에 대해서는 20∼50% 정도의 상대적으로 낮은 배제율을 갖는 것이면 본 발명의 목적으로 사용 가능하다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 나노여과시스템는 3개의 나노여과막모듈로 구성되며, 고압펌프를 이용하여 해수를 가압하여 나노여과막모듈에 유입시켜 나노여과막을 투과하는 투과수와 투과하지 못하고 배제되는 농축수로 분리시킨다. In general, the membrane method is divided into microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration, reverse osmosis according to the pore size of the membrane. Nanofiltration membrane can be seen as a kind of reverse osmosis membrane in a broad sense, but it can produce a large amount of water while operating at low pressure than reverse osmosis membrane. In particular, the reverse osmosis membrane has a rejection rate of 90% or more for all ions in water, whereas a nanofiltration system using a nanofiltration membrane has a rejection rate of about 50 to 80% or more for divalent ions and 20 to 1 ion for ions. It has a characteristic of having a relatively low rejection rate of about 50%. Therefore, the pore size of the nanofiltration membrane constituting the nanofiltration system is smaller than the ultrafiltration membrane and larger than the reverse osmosis filtration, and the surface of the membrane has a charged characteristic. The nanofiltration system of the present invention is composed of one or more nanofiltration membranes and has a relatively low exclusion rate of about 50 to 80% for divalent ions and about 20 to 50% for monovalent ions. If it has a can be used for the purpose of the present invention. In a preferred embodiment of the present invention, the nanofiltration system is composed of three nanofiltration membrane modules, and pressurized seawater using a high pressure pump to flow into the nanofiltration membrane module and permeated water that passes through the nanofiltration membrane and concentrated water that is not permeable. To be separated.

이하, 본 발명에서 "농축수"는 유입수 중 나노여과막을 투과하지 못하고 배제되는 부분을 가리키며, "투과수"는 유입수 중 나노여과막을 투과하는 부분을 가리킨다. 또한 유입수 중 나노여과막을 투과하는 부분을 "생산수"로도 표현한다. Hereinafter, in the present invention, "concentrated water" refers to a portion of the influent that is not permeable to the nanofiltration membrane and is excluded, and "permeate" refers to a portion of the influent that permeates the nanofiltration membrane. In addition, the portion of the influent passing through the nanofiltration membrane is also referred to as "production water".

상기 나노여과막을 투과하지 못하고 분리·저장된 농축수는, 총경도 25,000∼35,000mgCaCO3/L, TDS(Total Dissolved Solid: 총 용존 고형물질) 30,000∼40,000 mg/L, 총경도/TDS의 비율 0.6∼1.0의 범위를 갖게 된다. The concentrated water separated and stored without permeation of the nanofiltration membrane may have a total hardness of 25,000 to 35,000 mg CaCO3 / L, TDS (Total Dissolved Solid) of 30,000 to 40,000 mg / L, and a ratio of total hardness / TDS of 0.6 to 1.0. It will have a range of.

본 발명에서 해수의 전처리는, 해수 중의 이물질을 제거하는 공정을 의미한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 적당한 크기의 세공을 갖는 여과막을 사용하여 해수를 전처리한다. Pretreatment of seawater in this invention means the process of removing the foreign material in seawater. In a preferred embodiment of the present invention, seawater is pretreated using a filtration membrane having pores of the appropriate size.

본 발명에서는 나노여과로 해수 중의 2가 미네랄 성분을 농축한 후 증발농축시킴으로써 단순한 증발로 만들어지는 농축액에 비하여 2가의 경도성분이 다량으로 함유된 농축액을 제조할 수 있게 된다. In the present invention, by concentrating the divalent mineral component in the seawater by nanofiltration, it is possible to prepare a concentrate containing a large amount of bivalent hardness components compared to the concentrate made by simple evaporation.

본 발명에서 나노여과시스템을 거친 농축수는 바람직하게는 수분의 95%까지 증발시킨 후 원심분리하여 상등액을 취하게 되는데, 이 상등액이 목적하는 최종 미네랄농축액이 된다. In the present invention, the concentrated water passed through the nanofiltration system is preferably evaporated to 95% of water and then centrifuged to take a supernatant, which is the final mineral concentrate.

본 발명의 미네랄농축액은 액상의 혼합물 형태로 얻어진다. 그러나 본 발명의 미네랄농축액이 이러한 형태로 한정되는 것은 아니며, 공지의 공정을 추가하여 액상 혼합물을 다른 형태(예를 들어, 분말, 그래뉼, 연질캅셀 등)로 만드는 것도 가능하다. The mineral concentrate of the present invention is obtained in the form of a mixture of liquids. However, the mineral concentrate of the present invention is not limited to this form, and it is also possible to add a known process to make the liquid mixture into another form (for example, powder, granule, soft capsule, etc.).

또한, 본 발명에서는 전처리된 해수를 1 이상의 나노여과막으로 구성된 나노여과시스템에 1회 이상 통과시켜 나노여과막을 투과하지 못하는 농축수를 얻고, 이 농축수의 수분을 90% 이상 증발시킨 후 원심분리하여 상등액으로 얻은 경도/TDS 비가 0.5∼1 범위이고 경도성분이 20만∼40만 ㎎/L인 해수 중의 미네랄농축액을 제공한다.In addition, in the present invention, the pretreated seawater is passed through a nanofiltration system composed of one or more nanofiltration membranes at least once to obtain concentrated water that does not penetrate the nanofiltration membrane. A mineral concentrate in seawater having a hardness / TDS ratio of 0.5 to 1 and a hardness component of 200,000 to 400,000 mg / L obtained as a supernatant is provided.

본 발명의 미네랄농축액은 특히 해수를 담수화한 물에 첨가되어 부족한 미네랄 성분을 보충해 주는 용도로 사용될 수 있다. 이러한 미네랄농축액의 활용은 기 존 담수화 방법의 문제점이었던 미네랄 제거 문제를 해결하여 해수가 우수한 수자원으로 활용될 수 있는 방안을 제공하는 것이다. In particular, the mineral concentrate of the present invention may be used for supplementing insufficient mineral components by adding to desalted water. The use of these mineral concentrates is to solve the problem of mineral removal, which was a problem of the existing desalination method, to provide a way that seawater can be used as an excellent water resource.

또한, 본 발명의 미네랄농축액은 천연 미네랄 성분의 공급원으로서 이온전해질 음료와 같은 각종 식품이나 미네랄 보급용 영양제 등에 이용될 수 있다.In addition, the mineral concentrate of the present invention can be used as a source of natural mineral components, such as various foods such as ionic electrolyte beverages and nutritional supplements for mineral supplementation.

이하, 본 발명에 따른 해수 중의 미네랄 농축방법을 단계별로 상세히 설명한다. Hereinafter, the method for concentrating minerals in seawater according to the present invention will be described in detail step by step.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 미네랄 농축공정을 블록도로 나타낸 것이다. 공정은 크게 나노여과공정과 증발농축공정, 원심분리공정으로 나누어진다. 1 is a block diagram showing a mineral concentration process according to an embodiment of the present invention. The process is divided into nanofiltration process, evaporation concentration process and centrifugation process.

1. 나노여과공정 1. Nanofiltration Process

전처리된 해수를 1 이상의 나노여과막으로 구성된 나노여과시스템에 1회 이상 통과시켜 나노여과막을 투과하지 못한 농축수를 분리, 저장한다. The pretreated seawater is passed through a nanofiltration system consisting of one or more nanofiltration membranes one or more times to separate and store concentrated water that has not passed through the nanofiltration membrane.

먼저 해수는 적당한 크기의 세공을 갖는 여과막에 통과시켜 이물질을 제거하는 전처리 공정을 거치게 된다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 3∼5㎛의 여과막을 통과시키는데, 이보다 세공이 크거나 작은 여과막도 가능하다. 또, 해수 중의 이물질을 제거하기 위해 막분리법 외에 공지된 다른 방법을 사용할 수도 있으며, 해수의 특성에 따라서는 막분리법에 다른 이물질 제거공정을 추가하는 것이나 또는 전처리 공정 자체를 생략하는 것이 모두 가능하다. First, seawater is subjected to a pretreatment step of removing foreign matter by passing through a filtration membrane having a pore of a suitable size. In a preferred embodiment of the present invention, a filtration membrane of 3 to 5 μm is passed, and larger or smaller pores are also possible. In addition, other known methods may be used in addition to the membrane separation method to remove foreign substances in seawater, and depending on the characteristics of the seawater, it is possible to add another foreign matter removal step to the membrane separation method or to omit the pretreatment process itself.

전처리된 해수는 고압펌프를 이용하여 나노여과시스템에 유입되어 나노여과막을 투과하는 투과수와 투과하지 못하고 배제되는 농축수로 분리된다. 나노여과시스템에 의해 미네랄이 농축되는 원리는 다음과 같다. The pretreated seawater is separated into permeate that enters the nanofiltration system using a high pressure pump and permeates that pass through the nanofiltration membrane and concentrates that do not permeate. The principle of mineral concentration by nanofiltration system is as follows.

나노여과막은 수중에서 하전을 띄고 있으므로 입자의 하전성에 긴밀한 관계를 갖고 이온성분에 대해 특징 있는 제거특성을 나타낸다. 이에 따라 1가이온과 2가이온의 제거율에 현저한 차이를 나타내게 되는데, 구체적으로 Na+, K+, Cl- 같은 1가이온 성분은 막을 잘 투과하나 Ca2+, Mg2+ 등의 2가 이온성분은 막을 잘 투과하지 않고 농축된다. 도 2는 해수 중의 이온성분의 비율이 나노여과시스템을 통과하면서 농축수와 생산수에서 변화되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다. 칼슘, 마그네슘 등의 2가 양이온 성분들은 생산수에는 적게 존재하고 농축수에는 많이 존재한다. 반면, 나트륨, 칼륨 등의 1가 양이온 성분들은 생산수 중에는 많이 존재하고 농축수 중에는 적게 존재한다. Since nanofiltration membranes are charged in water, they are closely related to the chargeability of particles and exhibit characteristic removal characteristics for ionic components. As a result, there is a significant difference in the removal rate of monovalent and divalent ions. Specifically, monovalent ions such as Na + , K + , and Cl - penetrate the membrane well, but divalent ions such as Ca 2+ and Mg 2+ The component concentrates without permeating the membrane well. Figure 2 conceptually shows that the ratio of ionic components in seawater changes in concentrated and produced water as they pass through the nanofiltration system. Divalent cation components, such as calcium and magnesium, are present in the production water and abundant in the concentrated water. On the other hand, monovalent cation components such as sodium and potassium are present in the production water and less in the concentrated water.

나노여과에 의해서 제조되는 농축수는 총경도의 범위가 약 25,000∼35,000mgCaCO3/L이며, TDS(Total Dissolved Solid: 총 용존 고형물질)의 범위가 30,000∼40,000 mg/L이고, 총경도/TDS의 비율은 0.6 이상 1.0 이하가 된다. The concentrated water produced by nanofiltration has a total hardness of about 25,000 to 35,000 mg CaCO3 / L, a total dissolved solid (TDS) of 30,000 to 40,000 mg / L, and a total hardness of TDS. The ratio is 0.6 or more and 1.0 or less.

2. 증발농축공정2. Evaporative Concentration Process

상기 공정에서 저장된 농축수의 수분을 90% 이상 증발, 농축시킨다. 본 발명에서는 나노여과시스템에 의해 얻어진 농축수의 경도 농도를 보다 고농도로 농축 하기 위해 증발법을 도입하고 있다. 이와 같이 본 발명은 나노여과와 증발농축법을 함께 적용함으로써, 단순하게 증발법만 사용한 경우에 비해 2가의 경도성분이 훨씬 많이 포함된 농축액을 얻을 수 있다. 바람직하게는, 나노여과시스템을 거친 농축수의 수분을 95%까지 증발시킨다. 농축수의 수분을 70% 증발시킨 후부터 TDS, 경도성분의 농축 속도가 급격히 상승하므로, 더욱 바람직하게는 수분을 70% 정도 증발시킨 후 상등수를 모아서 다시 수분 95%까지 증발시킴으로써 증발공정을 보다 효율적으로 운영할 수 있다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증발농축공정을 블록도로 나타낸 것이다. The water of the concentrated water stored in the process is evaporated and concentrated at least 90%. In the present invention, the evaporation method is introduced to concentrate the hardness concentration of the concentrated water obtained by the nanofiltration system to a higher concentration. As described above, the present invention can be obtained by applying the nanofiltration and the evaporation concentration method together, thereby obtaining a concentrate containing much more bivalent hardness components than the case of simply using the evaporation method. Preferably, the water of the concentrated water which has passed through the nanofiltration system is evaporated to 95%. Since the rate of concentration of TDS and hardness increases rapidly after evaporating the water of the concentrated water by 70%, more preferably, the evaporation process is more efficient by evaporating the water about 70% and collecting the supernatant water and evaporating again to 95% of the water. Can operate. Figure 3 shows a block diagram of the evaporation concentration process according to a preferred embodiment of the present invention.

3. 원심분리공정3. Centrifugation process

상기 공정에서 증발 농축된 것을 원심분리하여 경도/TDS 비가 0.5∼1 범위이고 경도성분이 20만∼40만 ㎎/L인 상등액을 얻는다. Centrifuging the evaporated and concentrated in the above process to obtain a supernatant having a hardness / TDS ratio of 0.5 to 1 and a hardness component of 200,000 to 400,000 mg / L.

상기 공정의 증발농축 후 액상농축액에 존재하는 대부분의 성분은 염화칼슘 혹은 염화마그네슘이다. 특히, 염화칼슘의 거동은 온도변화에 따른 용해도의 영향으로 설명 할 수 있다. 도 5는 온도에 따른 염화칼슘, 탄산칼슘, 염화나트륨의 용해도 변화를 나타낸 것이다. 염화칼슘의 경우 온도가 100℃부근에서도 용해도가 100mL에 80g 이상 녹으므로, 침전하는 물질은 대부분 염화나트륨이며 상등액에 잔류하는 물질은 대부분 염화칼슘성분이 된다. 한편, 100℃에서 탄산성분은 거의 대기 중으로 방출되므로 탄산칼슘의 성분 중 침전되는 양은 극히 미량이 된다. Most of the components present in the liquid concentrate after evaporative concentration of the process are calcium chloride or magnesium chloride. In particular, the behavior of calcium chloride can be explained by the effect of solubility with temperature changes. Figure 5 shows the change in solubility of calcium chloride, calcium carbonate, sodium chloride with temperature. In the case of calcium chloride, the solubility is dissolved in 100 mL or more at a temperature of around 100 ° C. or more, so that the precipitated material is mostly sodium chloride and the remaining material in the supernatant is mostly calcium chloride. On the other hand, since the carbonate component is almost released into the atmosphere at 100 ° C, the amount of precipitation of the component of the calcium carbonate becomes extremely small.

따라서 상기 공정에서 증발 농축된 것을 최종적으로는 원심분리기에서 1000 ∼5,000rpm으로 20∼2시간 원심분리시킨 후 상등액을 취하면, 경도/TDS의 비율이 0.5∼1 범위이고 경도성분이 20만∼40만 ㎎/L인 액상 혼합물의 형태로 본 발명의 미네랄농축액을 얻을 수 있다. Therefore, the supernatant is finally evaporated and concentrated in the above process for 20 to 2 hours at 1000 to 5,000 rpm in a centrifuge, and the hardness / TDS ratio is in the range of 0.5 to 1 and the hardness component is 200,000 to 40. The mineral concentrate of the present invention can be obtained in the form of a liquid mixture of 10,000 mg / L.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 해수 중의 미네랄 성분을 농축하는 공정 및 장치를 나타낸 것이다. 그러나 본 발명이 도시된 장치로 한정되는 것은 아니다. 6 shows a process and apparatus for concentrating mineral components in seawater according to a preferred embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to the apparatus shown.

먼저 해수(지하염수)를 원수탱크(1)에 집수하고 공급펌프(3)에 의해 전처리필터 5㎛(4)와 전처리필터 3㎛(5)로 공급한다. 전처리된 공급수는 나노여과고압펌프(6)에 의해 나노여과 공급수라인(14)을 통해 나노여과막모듈(9)로 공급된다. 공급수의 유량 및 TDS는 공급수관(14)의 공급수의 유량계(8)와 TDS계(7)에 의해서 측정된다. 나노여과시스템은 총 3개의 나노여과막모듈(9,10,11)로 구성되고, 바람직하게는 10∼15kgf/cm2의 조건으로 운전될 수 있다. 나노여과막모듈1(9)의 농축수가 농축수관(12)을 통해 나노여과막모듈2(10)로 공급되고, 나노여과막모듈2(10)의 농축수는 다시 농축수관(13)을 통해서 나노여과막모듈3(11)으로 공급된다. 나노여과막모듈(9,10,11)을 투과한 나노여과생산수는 나노여과막모듈(9, 10, 11)과 연결된 최종생산수관(20)을 통하여 나노여과생산수탱크(21)로 이동, 저장된다. 나노여과생산수의 생산유량 및 TDS는 유량계(19)와 TDS계(18)에 의해서 측정된다. 한편, 나노여과막모듈을 투과하지 못한 1차농축수에는 원수 중의 공존금속물질 등이 농축되어 있을 우려가 있으므로, 바람직하게는 최종농축수관(15)의 저장밸브(16)를 닫 고 통과시켜 버린다(by-pass). First, seawater (underground brine) is collected in the raw water tank 1 and supplied to the pretreatment filter 5 탆 (4) and the pretreatment filter 3 탆 (5) by the feed pump (3). The pretreated feed water is supplied to the nanofiltration membrane module 9 through the nanofiltration feed water line 14 by the nanofiltration high pressure pump 6. The flow rate of the feed water and the TDS are measured by the flow meter 8 and the TDS meter 7 of the feed water of the feed water pipe 14. Nanofiltration system is composed of a total of three nanofiltration membrane modules (9, 10, 11), preferably can be operated under the conditions of 10 ~ 15kgf / cm 2 . The concentrated water of the nanofiltration membrane module 1 (9) is supplied to the nanofiltration membrane module 2 (10) through the concentrated water pipe 12, and the concentrated water of the nanofiltration membrane module 2 (10) again through the concentrated water pipe (13). 3 (11). The nanofiltration production water passing through the nanofiltration membrane modules 9, 10 and 11 is moved to and stored in the nanofiltration production water tank 21 through the final production pipe 20 connected to the nanofiltration membrane modules 9, 10 and 11. do. The production flow rate and TDS of the nanofiltration production water are measured by the flow meter 19 and the TDS meter 18. On the other hand, since there is a possibility that coexistent metal substances in raw water or the like may be concentrated in the primary concentrated water that does not penetrate the nanofiltration membrane module, the storage valve 16 of the final concentrated water pipe 15 is preferably passed through ( by-pass).

나노여과생산수탱크(21)에 나노여과생산수(1차)를 가득 채운 후에는 원수공급조절밸브(2)를 닫고, 상기 공정에서 얻은 나노여과생산수(1차)를 나노여과공급관(25)을 통해 공급한다. 공급된 나노여과생산수(1차)는 공급펌프(3)에 의해 전처리필터(4,5)로 공급되어 전처리 된 후, 고압펌프(6)에 의해 공급수관(14)을 통해 나노여과막모듈(9)로 공급된다. 나노여과생산수(1차)의 공급유량 및 TDS는 공급수관(14)의 유량계(8)와 TDS계(7)에 의해서 측정된다. 나머지는 상기 공정과 동일한 방법으로 진행하며, 나노여과막모듈(9,10,11)을 투과한 나노여과생산수(2차)는 나노여과생산수탱크(21)로 이동, 저장된다. 나노여과생산수(2차)의 생산유량 및 TDS는 유량계(19)와 TDS계(18)에 의해서 측정된다. 여기서, 나노여과농축수(2차)는 나노여과농축수관(15)의 저장밸브(16)를 열어 나노여과농축수탱크(17)에 저장한다. After the nanofiltration production tank 21 is filled with the nanofiltration production water (primary), the raw water supply control valve (2) is closed, and the nanofiltration production water (primary) obtained in the above process is filled with the nanofiltration supply pipe (25). Supply through). The supplied nanofiltration water (primary) is supplied to the pretreatment filters 4 and 5 by the supply pump 3 and pretreated, and then the nanofiltration membrane module through the supply water pipe 14 by the high pressure pump 6 ( 9) is supplied. The supply flow rate and the TDS of the nanofiltration production water (primary) are measured by the flow meter 8 and the TDS meter 7 of the supply water pipe 14. The rest proceeds in the same manner as the above process, and the nanofiltration production water (secondary) passing through the nanofiltration membrane modules 9, 10, and 11 is moved to and stored in the nanofiltration production water tank 21. The production flow rate and TDS of the nanofiltration production water (secondary) are measured by the flowmeter 19 and the TDS meter 18. Here, the nanofiltration concentrate water (secondary) is stored in the nanofiltration concentrate tank 17 by opening the storage valve 16 of the nanofiltration concentrate pipe (15).

원수공급조절밸브(2)를 닫고 상기 공정에서 얻은 나노여과농축수(2차)를 나노여과공급관(26)을 통해 공급한다. 나노여과농축수(2차)는 공급펌프(3)에 의해 전처리필터(4,5)로 공급되어 전처리된 후 고압펌프(6)에 의해 공급수관(14)을 통해 나노여과막모듈(9)로 공급된다. 나노여과농축수(2차)의 공급유량 및 TDS는 공급수관(14)의 유량계(8)와 TDS계(7)에 의해서 측정된다. 나머지는 상기 공정과 동일하게 진행된다. 나노여과막모듈을 투과한 나노여과생산수는 나노여과생산수관(20)을 통해서 나노여과생산수탱크(21)로 이동, 저장되며, 이때 나노여과최종생산수의 생산유량 및 TDS는 유량계(19)와 TDS계(18)에 의해서 측정된다. 나노여과농축수(3차)는 나노여과최종농축수관(15)의 저장밸브(16)를 열어 나노여과농축수탱크(17)에 저장된다. The raw water supply control valve 2 is closed and the nanofiltration concentrate water (secondary) obtained in the above process is supplied through the nanofiltration supply pipe 26. The nanofiltration concentrated water (secondary) is supplied to the pretreatment filters (4, 5) by the supply pump (3) and pretreated, and then supplied to the nanofiltration membrane module (9) through the supply water pipe (14) by the high pressure pump (6). Supplied. The supply flow rate and the TDS of the nanofiltration concentrated water (secondary) are measured by the flow meter 8 and the TDS meter 7 of the supply water pipe 14. The rest proceeds in the same manner as the above process. The nanofiltration production water that has passed through the nanofiltration membrane module is transferred to and stored in the nanofiltration production tank 21 through the nanofiltration production pipe 20, where the production flow rate and TDS of the nanofiltration final production water is measured by a flow meter (19). And by TDS system 18. The nanofiltration concentrate (third) is stored in the nanofiltration concentrate tank 17 by opening the storage valve 16 of the nanofiltration final concentration pipe 15.

상기 공정에서 얻은 나노여과농축수(3차)를 증발장치(23)로 보내 총 수분의 95%를 증발·농축시킨 후 원심분리기(24)로 3,000rpm으로 1시간 정도 원심분리하여 상등수을 얻는다. 이 상등액이 목적하는 최종 미네랄농축액이 된다. 이렇게 얻어진 해수의 미네랄농축액은 경도/TDS의 비가 0.5∼1의 범위를 가지며, 경도성분이 20만∼40만 mg/L 인 액상 혼합물의 형태가 된다. The nanofiltration concentrated water (tertiary) obtained in the above process is sent to the evaporator 23 to evaporate and concentrate 95% of the total water, and then centrifuged at 3,000 rpm for about 1 hour using a centrifuge 24 to obtain supernatant. This supernatant is the desired final mineral concentrate. The mineral concentrate of the seawater thus obtained has a hardness / TDS ratio in the range of 0.5 to 1, and forms a liquid mixture having a hardness component of 200,000 to 400,000 mg / L.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 다음의 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1Example 1

지하해수를 이용한 미네랄농축액의 제조Preparation of Mineral Concentrate Using Underground Seawater

각 단위공정별 운전조건 및 회수율은 다음의 표 1과 같다. 지하해수를 원수로 하여 다음의 표 1과 같은 운전조건으로, 도 6에 도시된 바람직한 실시예의 방법에 따라 미네랄농축액을 제조하였다. 나노시스템을 구성하는 나노여과막으로는 일본 토레이사(TORAY)의 SU-610을 사용하였다. 증발농축공정에서의 수분증발율에 따른 경도 및 TDS농도의 변화를 도 4에 나타내었으며, 각 단위공정에서의 생산수 및 농축수의 TDS와 경도를 도 7에 나타내었다. The operating conditions and recovery rates for each unit process are shown in Table 1 below. Underground seawater was used as raw water, and the mineral concentrate was prepared according to the method of the preferred embodiment shown in FIG. As a nano filtration membrane constituting the nano-system was used SU-610 of TORAY, Japan. The change in hardness and TDS concentration according to the water evaporation rate in the evaporation concentration process is shown in FIG. 4, and the TDS and hardness of the produced water and the concentrated water in each unit process are shown in FIG. 7.

Figure 112005025105114-PAT00001
Figure 112005025105114-PAT00001

제조된 최종 미네랄농축액과 원수인 지하해수를 분석하여 비교한 결과를 다음의 표 2에 나타내었다. 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 지하해수는 암반지층 800m에 존재하는 지하해수로서 칼슘성분이 해수성분에 비해서 3.5배, 경도가 1.3배로 함유되어 있다. 따라서 지하해수는 칼슘 및 마그네슘성분을 주요 성분으로 하는 미네랄농축액의 원수로 특히 적합하다. Table 2 shows the results of analyzing the prepared final mineral concentrate and underground seawater as raw water. As can be seen from Table 2, the underground seawater is an underground seawater existing in the rock layer 800m and contains 3.5 times the calcium content and 1.3 times the hardness of the seawater components. Therefore, underground seawater is particularly suitable as raw water of mineral concentrates containing calcium and magnesium as main components.

Figure 112005025105114-PAT00002
Figure 112005025105114-PAT00002

본 발명에 따른 미네랄농축액은 천연 미네랄의 공급원으로서 생체에의 미네랄 보급을 목적으로 하는 다양한 분야, 예를 들어, 식품, 특히 이온전해질 음료나 영양제 등에 활용될 수 있으며, 특히 본 발명은 인체에 필요한 해수 중의 미네랄성분을 별도로 분리·농축하여 담수화된 해수에 첨가할 수 있도록 함으로써 종래의 해수 담수화의 문제를 해결하고, 나아가 해수의 이용을 적극 활성화할 수 있는 방안으로 활용될 수 있다. Mineral concentrate according to the present invention can be used as a source of natural minerals in various fields for the purpose of mineral replenishment to the living body, for example, food, in particular ion electrolyte drink or nutrient, etc., in particular the present invention By separating and condensing the mineral components in the water to be added to the desalted seawater can be used as a way to solve the problem of conventional seawater desalination, and further active use of seawater.

Claims (11)

전처리된 해수를 1 이상의 나노여과막으로 구성된 나노여과시스템에 1회 이상 통과시켜 나노여과막을 투과하지 못하는 농축수를 분리·저장하는 단계와; 저장된 농축수의 수분을 90% 이상 증발 농축시키는 단계와; 상기 단계에서 증발 농축된 것을 원심분리하여 경도/TDS 비가 0.5∼1 범위이고 경도성분이 20만∼40만 ㎎/L인 상등액을 얻는 단계를 포함하는 해수 중의 미네랄 농축방법.Passing the pretreated seawater through a nanofiltration system consisting of one or more nanofiltration membranes one or more times to separate and store concentrated water that does not penetrate the nanofiltration membrane; Evaporating and concentrating at least 90% moisture in the stored concentrated water; Centrifuging the evaporated concentrated in the step to obtain a supernatant having a hardness / TDS ratio of 0.5 to 1 and a hardness component of 200,000 to 400,000 mg / L. 제1항에 있어서, 상기 분리·저장된 농축수는 총경도 25,000∼35,000mgCaCO3/L, TDS 30,000∼40,000 mg/L, 총경도/TDS의 비율이 0.6∼1.0 인 것을 특징으로 하는 방법. The method of claim 1, wherein the separated and stored concentrated water has a total hardness of 25,000 to 35,000 mg CaCO3 / L, a TDS of 30,000 to 40,000 mg / L, and a total hardness / TDS ratio of 0.6 to 1.0. 제1항에 있어서, 상기 증발 농축 단계는 농축수의 수분을 70% 이상 증발시킨 후 상등수를 분리하여 계속 증발시켜 90% 이상 증발 농축시키는 것임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the evaporating and concentrating step comprises evaporating and condensing the supernatant water after evaporating more than 70% of the water in the concentrated water and concentrating the evaporation. 제3항에 있어서, 상기 상등수를 분리한 후 95% 이상 증발 농축시키는 것임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 3, wherein the supernatant is separated and concentrated by evaporation of at least 95%. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 농축수의 분리·저장 단계 는, 전처리된 해수를 나노여과시스템에 통과시켜 나노여과막을 투과하지 못한 1차농축수는 버리고 나노여과막을 투과한 1차생산수는 다시 나노여과시스템에 통과시켜 농축수(2차)를 분리, 저장하는 것임을 특징으로 하는 방법.The method of any one of claims 1 to 4, wherein the separating and storing of the concentrated water passes the pretreated seawater through the nanofiltration system to discard the primary concentrated water that has not permeated the nanofiltration membrane and permeates the nanofiltration membrane. One primary production water is passed through a nanofiltration system to separate and store concentrated water (secondary). 제5항에 있어서, 상기 농축수(2차)를 다시 나노여과시스템에 통과시켜 농축수(3차)를 분리, 저장하는 것임을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 5, wherein the concentrated water (secondary) is passed through a nanofiltration system to separate and store the concentrated water (third). 전처리된 해수를 1 이상의 나노여과막으로 구성된 나노여과시스템에 1회 이상 통과시켜 나노여과막을 투과하지 못하는 농축수를 얻고, 이 농축수의 수분을 90% 이상 증발시킨 후 원심분리하여 상등액으로 얻은 경도/TDS 비가 0.5∼1 범위이고 경도성분이 20만∼40만 ㎎/L인 해수 중의 미네랄농축액.Pass the pretreated seawater one or more times through a nanofiltration system consisting of one or more nanofiltration membranes to obtain concentrated water that does not penetrate the nanofiltration membrane. Mineral concentrate in seawater with a TDS ratio in the range of 0.5 to 1 and a hardness component of 200,000 to 400,000 mg / L. 해수를 담수화한 물에 제7항의 미네랄농축액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 식수의 제조방법.A method for producing drinking water, comprising adding mineral concentrate of claim 7 to desalted water. 제8항의 방법으로 얻은 식수.Drinking water obtained by the method of claim 8. 제7항의 미네랄농축액을 포함하는 이온전해질 음료.An ion electrolyte drink comprising the mineral concentrate of claim 7. 제7항의 미네랄농축액을 유효성분으로 포함하는 미네랄 보급용 영양제.A nutritional supplement for mineral supplementation comprising the mineral concentrate of claim 7 as an active ingredient.
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