KR20070022986A

KR20070022986A - 해양 심층수나 해저 심층암반수로부터 음료수의 제조방법

Info

Publication number: KR20070022986A
Application number: KR1020050077092A
Authority: KR
Inventors: 서희동
Original assignee: 서희동
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-02-28
Also published as: KR100688636B1

Abstract

본 발명은 수심 200m 이하의 해양 심층수(海洋深層水)나 해저(海底) 심층암반수(深層巖盤水)를 이용하여 청량감이 우수하면서 건강에 좋은 먹는 심층소집단수(深層小集團水)를 제조하는 방법을 제시하는 것이 목적이다.

이를 위하여 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수나 해저 심층암반수를 취수하여 20∼30℃로 가온 처리 후 모래여과, 정밀여과(Micro filter), 한외여과(Ultra Filter)와 같은 전처리 여과공정으로 수중의 부유고형물질(SS; Suspended solid)을 제거한 다음에 1차 pH를 4.5∼6.5의 약산성으로 조정하여, 1차 역삼투여과공정(逆渗透濾過工程)으로 보내어 운전압력을 50∼60기압(atm)에서 역삼투여과막(Reverse osmosis membrane)에 공급하면 염분은 99.0∼99.7% 제거되어 여과된 탈염수는 제2 pH조정공정으로 보내고, 여과되지 않은 염수는 나노 여과공정(Nano-filtration process)으로 보내어 운전압력 20∼25기압에서 여과 막에 공급하여 2가 이상의 미네랄(Minerals)인 Mg² ⁺, Ca² ⁺, Fe² ⁺, Fe³ ⁺ … 등과 1가 물질인 NaCl, KCl 등을 분리하여 2가 이상의 미네랄성분이 많은 농축미네랄수는 농축미네랄수저장조와 활성미네랄제조공정으로 보내고, 여과되어 2가 이상의 미네랄성분이 최대한(80wt% 이상) 제거된 탈미네랄수는 염수농축역삼투여과공정으로 보내어 운전압력을 80∼120기압에서 역삼투여과막에 보내어 농축된 농축염수는 제염공정으로 보내고, 여과수인 탈염수는 1차 pH조정공정으로 반송한다.

1차 역삼투여과공정에서 탈염처리된 탈염수가 2차 pH조정공정에 유입되면 pH를 9∼11로 조정하여 붕소화합물을 폴리(Poly)붕산으로 전환한 것을 운전압력 10∼15기압에서 여과 막에 공급하여 붕소의 농도가 0.3㎎/ℓ이하로 처리하여 미네랄혼합 및 최종pH조정공정으로 보내고, 염수는 pH를 중성으로 조정 후 배수(배출) 한다.

미네랄혼합 및 최종pH조정공정에서는 농축미네랄수저장조에서 농축미네랄수를 공급받아 경도를 100∼300㎎/ℓ로 조정하면서 pH를 5.0∼8.5의 범위로 조정하여 물 분자의 소집단화 처리공정으로 보낸다.

물 분자의 소집단화 처리공정에서 물 분자의 소집단화처리는 고압정전압처리와 자화처리에 의해서 핵자기공명(NMR; Nuclear magnetic resonance)의 ¹⁷O-NMR 반치폭이 48∼60Hz 범위의 소집단수(microclustered water)로 처리 후 먹는 심층소집단수 저장조로 보내어 멸균처리를 한 다음에 용기에 충전한 후 포장하여 검사를 한 다음에 먹는 심층소집단수(음료수)로 출하한다.

본 발명에서 생산된 먹는 심층소집단수는 지금까지 문제가 된 붕소를 0.3㎎/ℓ이하로 처리를 하면서 미네랄밸런스(Balance)가 적합하며, 물 분자의 집단체(集團體; Cluster)가 소집단화되어 표면장력이 떨어지면서 청량감이 향상되어 물맛이 좋기 때문에 먹는 심층수제조공정에 널리 이용될 것으로 기대된다.

해양 심층수, 먹는 심층소집단수, 나노여과, 역삼투 여과, 소집단수, 핵자기공명

Description

해양 심층수나 해저 심층암반수로부터 먹는 심층소집단수의 제조방법{Manufacturing method of deep sea drinking microclustered water from the deep-sea water or the deep-sea rock floor water}

도 1은 해양 심층수나 해저 심층암반수로부터 먹는 심층소집단수의 제조공정도

도 2는 농축미네랄수의 미네랄밸런스를 조정하는 공정도

도 3은 물 분자의 소집단화처리공정도

도 4는 물 분자의 집단체(集團體) 모형도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1; 농축미네랄수저장조 2; 미네랄반응탑

3; 충전물 4; 산기관

5; 미네랄밸런스를 조정한 농축미네랄수 이송펌프

10; 전자처리수조 11; 전극

12; 절연체(絶緣體) 13; 스테인리스강판(導體)

14; 기초 콘크리트(Concrete)구조물 15; 접지

16; 정전압(靜電壓)발생장치(Electron charger)

16a; 가변저항 16b; 접지

16c; 1차 권선 16d; 철심

16e; 2차 권선 17; 중간 처리수저장조

18; 중간 처리수이송펌프 19; 충전탑(充塡塔)

20; 충전물

21; 정전압도전관자화기(靜電壓導電管磁化器)

22; 먹는 심층소집단수 저장조 23; 먹는 심층소집단수이송펌프

FI; 유량 지시계(Flow indicator)

PCV; 압력조절밸브(Pressure control valve)

pHI; pH 지시계(pH indicator)

pHIS; pH 지시 스위치(pH indicating switch)

ORPI; 산화환원전위 지시계(Oxidation Reduction Potential indicator)

본 발명은 수심 200m이하의 해양 심층수(海洋深層水)나 해저(海底) 심층암반수(深層巖盤水)를 취수하여 모래여과(sand filter), 정밀여과(Micro filter), 한외여과(Ultra filter) 등에 의해서 수중의 부유고형물질(SS; Suspended solid)을 제거한 다음에, 1차 pH를 4.5∼6.5로 조정한 것을 역삼투여과(RO filter)를 하여 염분을 제거하고, 여과되지 않은 염수는 나노여과(Nano filter)를 하여 2가 이상의 미네랄성분이 여과되지 않고 농축된 농축미네랄수는 활성미네랄제조공정으로 보내 고, 여과된 탈미네랄염수는 염수농축역삼투여과공정으로 보내어 여과되지 않고 농축된 염수는 제염공정으로 보내고, 여과된 탈염수는 1차 pH조정공정으로 반송하면서 2차 pH조정공정에 유입된 탈염수는 pH를 9∼11로 조정하여 붕산을 폴리붕산으로 전환하여 2차 역삼투공정으로 보내어 붕산을 0.3㎎/ℓ 이하로 처리를 한 것을 미네랄혼합 및 최종pH조정공정으로 보내어 미네랄밸런스(Minerals balance)와 pH를 5.5∼8.5로 조정한 다음, 물 분자의 소집단화처리공정으로 보내어 핵자기공명(核磁氣共鳴)의 ¹⁷O-NMR의 반치폭이 48∼60Hz범위로 처리를 한 다음에 살균처리를 하여 먹는 심층소집단수를 제조방법에 관한 것이다.

수심 200m 이하의 해양 심층수와 표층해수는 표 1의 "해양 심층수와 표층해수의 성분 분석치"에서 보는 봐와 같이 염분(NaCl)의 농도와 대부분의 미네랄 농도는 비슷하나, 영양염류(질산태질소, 인산, 규소), 생균수, 수온은 상당한 차이가 있다.

표 1 해양 심층수와 표층해수의 성분 분석치

	항목	해양 심층수	표층 해수
일반항목	수온（℃）	9	16.5～24.0
	pH	7.80	8.15
	DO 용존산소 (mg/L)	7.80	8.91
	TOC 유기 탄소 (mg/L)	0.962	1.780
	용해성 증발잔류물(mg/L)	40750	37590
	M-알칼리도 (mg/L)	114.7	110.5
주요원소	Cℓ 염화물이온(wt%)	2.237	2.192
	Na 나트륨 (wt%)	1.080	1.030
	Mg 마그네슘 (wt%)	0.130	0.131
	Ca 칼슘 (mg/L)	456	441
	K 칼륨 (mg/L)	414	399
	Br 취소 (mg/L)	68.8	68.1
	Sr 스트론튬 (mg/L)	7.77	7.61
	B 붕소 (mg/L)	4.44	4.48
	Ba 바륨(mg/L)	0.044	0.025
	F 불소 (mg/L)	0.53	0.56
	SO₄(mg/L)	2833	2627
영양염류	NH₄ 암모니아태질소 (mg/L)	0.05	0.03
	NO₃ 질산태질소 (mg/L)	1.158	0.081
	PO₄ 인산태인 (mg/L)	0.177	0.028
	Si 규소 (mg/L)	1.89	0.32
미량원소	Pb 납 (μg/L)	0.102	0.087
	Cd 카드뮴 (μg/L)	0.028	0.008
	Cu 구리 (μg/L)	0.153	0.272
	Fe 철 (μg/L)	0.217	0.355
	Mn 망간 (μg/L)	0.265	0.313
	Ni 니켈 (μg/L)	0.387	0.496
	Zn 아연 (μg/L)	0.624	0.452
	As 비소 (μg/L)	1.051	0.440
	Mo 몰리브덴(μg/L)	5.095	5.555
균수	생균수(개/ml)	10²	10³∼10⁴

※상기 분석치는 일본 고우치현(高知縣)의 무로도 등대(室戶岬) 동쪽 해저 374m의 해양 심층수와 표층해수를 취수하여 분석한 분석치 이다.

해양 심층수의 수온은 계절을 통해서 연중 거의 일정하며, 해면 표층수의 수온은 16℃~28℃이지만, 수심 374m 심층수의 수온은 9℃로 저온 안정성을 나타내는 특성으로 플랑크톤, 미생물, 특히 병원성 세균 등이 적은 청정성(淸淨性)이 있다.

해양 심층수는 일반 세균 외 병원성 대장균과 병원성 바이러스 등 10종류의 세균의 검사에서도 검출되지 않았으며, 총생균수는 표층수의 10분의 1에서 100분의 1 정도로 깨끗한 물이다.

또한, 해양 심층수에는 표층수의 약 5∼10배의 무기영양염류가 포함되어 있으면서 사람에게 필요한 주요원소가 70종류를 넘는 다종다양한 미네랄성분이 포함되어 있으면서, 필요하기는 하지만 다량으로 섭취하면 해가 될 수 있는 필수 미량원소인 동, 아연과 같이 사람의 건강에 깊은 관계가 있는 것은 극히 소량 포함되어 있는 미네랄밸런스(Mineral balance)가 좋은 점이 해양 심층수의 특성이다.

그리고 섬지역이나 해안지역의 200m이하의 해저 암반을 굴착하여 취수한 해저 암반수(海底巖盤水, 海洋深層巖盤水 또는 海底深層化石海水라 하기도 함)의 경우는 해수가 암반이나 토양으로 침투되면서 암반과 토양의 성상에 따라서 다소 차이는 있으나 Na⁺이온, Mg² ⁺이온 등이 암반이나 토양의 칼슘(Ca)과 치환되면서 Na⁺이온과 Mg² ⁺이온의 농도는 다소 떨어지면서 Ca² ⁺이온이 증가한 현상 이외에는 해양 심층수와 거의 동일한 특성이 있으며, 부산 영도 해저 260m 해저암수의 무기질함유량의 성분분석은 표 2의 내용과 같다.

표 2 부산 영도 해저 260m 해저암수의 무기질함유량 분석표

성 분	해 저 암 반 수
K(칼륨) (mg/ℓ)	175.5
Ca(칼슘)(mg/ℓ)	11185
Na(나트륨）(mg/ℓ)	1827
Mg(마그네슘）(mg/ℓ)	518.4

따라서 해양 심층수나 해저 심층암반수는 염분만 적절히 제거하면 양질의 음 료수가 될 수 있다.

해양 심층수나 해저 심층암반수를 이용하여 양질의 음료수로 제조하기 위한 조건을 검토하면 다음과 같다.

1. 건강에 해로운 물질이 함유되어 있지 않아야 한다.

건강에 해로운 유기 염소화합물, 농약, 중금속이온(비소, 납, 카드뮴, 수은, 크롬 … 등), 세균, 바이러스 … 등과 같은 유해성 물질이 함유되어 있지 않아야 한다.

2. 인체에 필요한 미네랄밸런스가 적합하여야 한다.

① 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg)의 농도를 나타내는 경도(硬度)가 10∼100㎎/ℓ범위의 물이 좋다.

② 좋은 물맛의 지수(OI)인 (Ca + K + SiO₂) / (Mg + SiO₄)의 비가 2.0 이상인 물이 맛이 좋다.

③ 건강의 지수(KI)인 Ca- 0.87Na의 값이 5.2 이상인 물이 건강에 좋다.

④ 증발잔류물(蒸發殘留物)의 농도가 30∼200㎎/ℓ이어야 한다.

3. pH는 7.2∼7.4 범위의 약알칼리성의 물이 건강에 좋다.

인체 혈액의 pH는 7.3∼7.45의 약알칼리성으로 체내에서 수소 이온의 농도는 항상 약알칼리성을 유지하면서 생리적 조절을 하므로 약알칼리성 물은 체내에 흡수가 쉬우며, 만약 혈액의 pH가 산성으로 된다면 체내에 박테리아(Bacteria) 및 바이러스(Virus)의 증식이 쉽기 때문에 pH가 7.3 이하인 산성식품의 섭취는 피하는 것 이 좋으나, 본 발명에서는 최종 pH의 조정은 음료수의 기준치인 5.8∼8.5로 조정한다.

4. 물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화된 소집단수(microclustered water)의 물이 좋다.

물 분자의 집단이 소집단화되면 표면장력(表面張力)이 떨어지면서 세포 내에 침투력이 향상되어 신진대사(新陳代謝)를 활발하게 하며, 또한 침투력이 좋은 물은 청량감이 향상되어 물맛이 좋기 때문에 핵자기공명(NMR) ¹⁷O - NMR 반치폭을 60Hz이하로 처리된 물이 좋다.

5. 산화환원전위(ORP; Oxidation Reduction Potential) 값이 +100∼-200㎷의 물이 건강에 좋다.

산화환원전위가 높다는 것은 산화력이 강하다는 의미이며, 반면에 산화환원전위가 낮다는 것은 환원력이 강하다는 의미이다.

물은 수소와 산소의 화합물로서 수소는-420 mV의 전위로 강한 환원력을 가지며, 산소는＋820 mV의 전위로 강한 산화력을 나타내며, 이로부터 물은, －420 mV~＋820mV의 전위를 나타내며, 산화도 환원도 되어 있지 않은 상태의 물의 전위는 수소와 산소의 전위의 중간으로＋200 mV가 된다.

생체수의 전위는 개인에 따라서 약간의 차이가 있으나, 인체 부위나 건강 상태에 따라서 다르지만, 대개 0 mV이하의 마이너스(Minus) 전위를 나타내고 있으며, 통상은 호흡이나 식사(체내에서 연소…즉 산화하는 것) 등에 의해서 전위는 올라가 며, 그 결과, 체외에 배설된 직후의 요(尿)의 전위는, 건강한 사람의 경우 0~＋100 mV정도이다.

생체수의 수질은, 인체의 건강 상태를 좌우하는 큰 요인이 되며, 음료수도 마시면, 몇 초 후에는 생체수로 바뀌기 때문에, 산화되어 있지 않은 양질의 물을 섭취하는 것이 좋다.

통상, 수돗물의 전위는＋300~＋600 mV대로 높은 산화상태이며, 건강한 사람의 혀는－100 mV전후의 전위이므로 －100~＋100 mV의 범위의 물이 맛있게 느끼게 되며, －100 mV이하의 환원수를 섭취하면 이뇨 작용이 늘어나 혈액이 정화하며, 물의 삼투압이 높아져 미네랄의 용해도가 현저히 증가하므로 미네랄 흡수효율이 향상되며, 다량으로 음용 하면 체내의 산화부분에 작용하여 체질의 개선효과가 있다.

산화환원전위(ORP) 값이 적은 환원성 물은 체내 세포를 산화하여 노화를 촉진하는 활성산소(活性酸素)를 소거(消去)하는 능력이 있기 때문에 건강에 좋으며, 특히 산화환원전위 값이 +100∼-200㎷ 범위의 물이 좋다.

6. 파동이 높은 물이어야 하며, 특히 면역파동(免疫波動)이 높은 물이 건강에 좋다.

7. 유리 탄산(遊離炭酸)이 3∼30㎎/ℓ, 용존산소의 농도가 5∼6㎎/ℓ용해되어있으면 물맛이 좋다.

8. 유기물 함량을 나타내는 COD_Mn의 농도가 3 ㎎/ℓ이하, 유리잔류염소(遊離殘留鹽素)의 농도가 0.4 ㎎/ℓ이하, 취기도(臭氣度)가 3 이하, 색도(色度)는 5도 이하, 탁도(濁度)는 2도 이하, 철(鐵)은 0.05㎎/ℓ이하, 망간(Mn)은 0.01㎎/ℓ이하의 물이어야 한다,

9. 수온은 20℃ 이하이어야 한다.

수온은 물맛과 상관관계에 있으며, 10∼14℃의 수온이 물맛이 최적이다.

일반적으로 해양 심층수나 해저 심층암반수의 특성은 저온안전성(低溫安全性), 청정성(淸淨性), 부영양성(富榮養性), 미네랄의 특성, 숙성성(熟成性) 등을 언급하고 있으나, 우선 음료수 측면에서 특성을 검토하면 다음과 같다.

1. 매우 청정(淸淨)하면서 인체에 필요한 다양한 미네랄을 함유하고 있다.

심해에는 인체에 필요한 다양한 미네랄성분을 함유하고 있으며, 햇빛이 투과되지 않으면서 저온·고압상태로 병원성 미생물이 거의 존재하지 않으면서 생활폐수나 환경호르몬과 같은 오염물질이 없는 청정(淸淨)한 상태의 물이다.

2. 해양 심층수나 해저 심층암반수는 육상의 광천수(鑛泉水)나 하천수(河川水)에 비해서 무한한 양이 존재하면서 위생적으로 양질의 음료수를 만들 수 있다.

3. 대식세포(大食細胞; Macrophage)의 증식을 활성화하는 것으로 밝혀졌다.

4. 장시간 동안 미네랄과 저온·고압 하에서 숙성되어 핵자기공명(Nuclear magnetic resonance; NMR) ¹⁷O - NMR 반치폭이 75∼80Hz로, 일반 수돗물의 ¹⁷O - NMR 반치폭이 130∼150Hz에 비해서는 물 분자의 집단이 소집단화되어 있다.

5. 산화환원전위(Oxidation Reduction Potential; ORP) 값이 일반 수돗물에 비해서는 다소 낮은 편이다.

일반 수돗물의 산화환원전위 값 +500∼+700㎷에 비해서 다소 낮은 +165∼+175㎷의 값을 나타낸다.

6. 표층수에 비해서 심층수에서는 산화-환원반응을 반복하면서 2가-3가철(二價-三價鐵)이 다량 존재하기 때문에 자화처리를 하였을 때 파동이 높은 물로 처리되면서 물 분자의 소집단화 효율이 높은 물로 처리를 될 수 있다.

그리고 해양 심층수나 해저 심층암반수를 음료수로 처리에서 상술한 내용에서와 같은 특성만 있는 것이 아니고, 다음과 같은 문제점도 있다.

1. 붕산과 같은 분자입자가 작은 물질은 단순한 나노여과 및 역삼투 여과, 전기투석방법으로는 완벽하게 제거될 수 없다.

붕소는 이온반경이 0.23Å 정도로 입자의 크기가 적기 때문에 단순한 나노여과 및 역삼투 여과에 의해서는 음료수 처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려우며, 붕소화합물은 해양 심층수나 해저 심층암반수 중에서 붕산(H₃BO₃)의 형태로 존재하며, 해리정수(解離整數) pKa의 값이 9 정도로 해수 중에서는 거의 비해리(非解離) 상태로 이온상태로는 거의 존재하지 않기 때문에 전기투석법에 의해서도 음료수 처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려운 문제점이 있다.

2. 해양 심층수에 함유되어 있는 미네랄성분 중에는 마그네슘(Mg)성분이 칼슘(Ca)에 비해서 월등히 높게 존재한다.

3. 산화환원전위 값이 수돗물과 같은 일반 음료수의 +500∼+700㎷에 비해서 는 +165∼+175㎷로 다소 낮은 편이나, 적정치 +100∼-200㎷에 비해서는 높은 편이다.

4. 핵자기공명(NMR) ¹⁷O - NMR의 반치폭이 75∼80Hz으로 물 분자의 소집단화율(小集團化率)이 그리 높지 않은 편이다.

일본 특허공개 2005-52130호 및 일본 특허공개 2002-369671호의 경우는 전술한 해양 심층수 중에 함유된 붕소의 문제를 해결하기 위해서 해양 심층수와 하천의 원류(源流)에서 채취한 신선한 물, 용수(湧水), 광천수(鑛泉水), 수돗물 등의 물을 혼합하는 방법이 제시되어 있으나, 이와 같은 음료수는 해양 심층수의 특성을 십분 발휘하지 못하는 문제점이 있다.

일본 특허공개 2004-65196g의 경우는 1가 이온만을 선택적으로 투과하는 막을 이용한 전기투석(電氣透析; Electrodialysis) 장치에서 전기전도율(電氣傳導率)을 10 mS/㎝ 미만으로 조정하면서 처리를 하였으나, 붕소를 0.2㎎/ℓ이하(일본은 음용수의 붕소기준치가 한국의 0.3㎎/ℓ보다 낮은 0.2 ㎎/ℓ이하로 되어 있음)로 처리가 불가능하였으며, 또한, Ca이온농도에 비해서 Mg이온의 농도가 높은 문제점이 있었으며, 일본 공개특허 2002 - 238515호의 경우 해수를 전기투석에 의해 전기전도율을 조정하면서 처리를 하였으나 이 방법 역시 전술한 문제점을 해결하지 못하였다.

붕소화합물을 제거하기 위한 일본 특허공개 2002-361246호의 암벌라이트 (Amberite)수지와 역삼투 여과처리를 하는 방법과 일본 특허공개 2001-300264호는 3단 역삼투 여과를 하면서 최종 단의 역삼투공정 전단에 pH를 조정하는 방법이 제시되어 있으나 이들 역시 미네랄밸런스, 물 분자의 소집단화 및 산화환원전위 등은 적절하게 해결하지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 해양 심층수나 해저 심층암반수로부터 붕소화합물의 농도를 음료수 기준치 0.3㎎/ℓ 이하로 처리, 최적의 미네랄밸런스의 조정, 물 분자의 집단을 5∼6개의 소집단수로 처리, 산화환원전위 값을 -200∼+100㎷ 범위의 환원수로 처리를 하여 건강에 좋으면서 물맛이 우수한 먹는 심층소집단수(음료수)를 제조하는 방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수나 해저 심층암반수를 취수하여 20∼30℃로 가온하는 단계, 모래여과 - 정밀여과 - 한외여과에 의한 전처리 여과단계, l차 pH를 4.5∼6.5의 약산성으로 조정하는 단계, 1차 역삼투여과공정에서 염분을 탈염하는 단계, 1차 역삼투여과공정의 염수를 나노여과(Nano filtration) 공정에서 여과하는 단계, 나노여과공정에서 농축된 농축미네랄수의 미네랄밸런스를 조정하는 단계, 나노여과공정에서 여과된 탈미네랄염수를 염수농축역삼투여과공정에서 염수를 농축하는 단계, 1차 역삼투공정에서 여과된 탈염수를 2차 pH조정공정으로 보내어 pH를 9∼11로 조정하는 단계, 2차 pH조정공정에서 pH가 조정된 염수를 2차 역삼투 여과공정으로 보내어 여과하는 단계, 미네랄혼합 및 최종pH를 조정하는 단계, 물 분자를 소집단화하는 단계, 살균단계, 용기충전단계, 포장단계, 검사단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

먼저, 해양 심층수나 해저 심층암반수를 이용하여 양질의 먹는 심층소집단수를 제조하기 위해서 고려하여야 할 사항을 고려하면 다음과 같다.

1. 붕소화합물을 음용수기준치 0.3㎎/ℓ 이하로 처리를 하여야 한다.

해양 심층수에는 붕소가 4∼5㎎/ℓ가 함유되어 있으면서 붕산(H₃BO₃)의 형태로 존재하며, 이온반경이 0.23Å 정도로 입자의 크기가 적기 때문에 나노여과 및 역삼투여과에 의해서는 음료수처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어렵기 때문에 수지흡착법, 응집침전법, pH를 9∼11로 알칼리(Alkali)처리를 하여 붕산을 겔(Gel) 상태의 폴리(Poly)붕산으로 전환하여 역삼투 여과(Reverse osmosis filtration)에 의해서 처리하는 방법이 있는데, 본 발명에서는 알칼리처리를 하여 폴리붕산으로 전환된 것을 역삼투 여과하여 제거하는 방법을 선택한다.

수중의 붕산은 알칼리처리를 하면 다음과 같은 반응에 의해서 겔 상태의 폴리붕산으로 전환된다.

B(OH)₃ + OH^_ → [B(OH)₄]^-→ [B₃O₃(OH)₄]^- → [B₄O₅(OH)₄]^2-→ [B₅O₆(OH)₄]^-…①

2. 미네랄밸런스(Mineral balance)가 적합하여야 한다.

해양 심층수에 함유된 염(미네랄성분)의 성분은 소금(NaCl)이 77.9wt%, 염화마그네슘(MgCl₂) 9.6wt%, 황산마그네슘(MgSO₄) 6.1wt%, 염화칼륨(KCl) 2.1wt%, 기타 2.1wt%으로 되어 있으며, 마그네슘(Mg)성분의 농도는 1,250∼1,300㎎/ℓ이며, 칼슘(Ca)은 460∼480㎎/ℓ으로 칼슘에 비해서 마그네슘의 함량이 월등히 높기 때문에 물맛이 떨어지는 문제가 있다.

수중에서 칼슘은 순하면서 부드러운 맛을 나게 하는 반면에 마그네슘은 쓴맛을, 칼륨은 신맛을, 소금은 짠맛을 나게 한다.

본 발명에서 미네랄밸런스(Mineral balance)는 경도(硬度)를 10∼100㎎/ℓ범위로, 증발잔류물(蒸發殘留物)의 농도는 30∼200㎎/ℓ범위로 맞추면서 좋은 물맛의 지수(OI)는 2.0 이상, 건강의 지수(KI)는 5.2 이상이 되도록 미네랄밸런스를 조정한다.

좋은 물맛의 지수(OI) = (Ca + K + SiO₂) / (Mg + SiO₄) ………… ②

건강의 지수(KI) = Ca- 0.87Na ………………………………………… ③

3. 산화환원전위(ORP; Oxidation Reduction Potential) 값을 +100∼-200㎷ 범위로 조정한다.

산화환원전위 값이 +200㎷ 이하인 물을 환원수라 하며, 환원수는 체내의 활성산소(活性酸素)를 소거(消去)하는 능력이 있어 건강에 좋으며, 산화환원전위 값이 -200㎷ 이하인 경우에는 물맛을 떨어뜨리기 때문에 본 발명에서는 산화환원전위 값을 +100∼-200㎷ 범위로 조정한다.

해양 심층수의 산화환원전위 값은 수돗물의 경우는 +500∼+700㎷인데 비해서 +165∼+175㎷로 다소 낮은 편이나, 적정치 +100∼-200㎷에 비해서는 높은 편이다.

4. 핵자기공명(NMR; Nuclear Magnetic Resonance) ¹⁷O - NMR 반치폭이 48 ∼60Hz 범위의 소집단수(小集團水; Microclustered water)로 처리한다.

물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화되면 표면장력(表面張力)이 떨어지면서 침투력이 향상되면서 세포에 흡수력이 증가하여 대사활동을 활발하게 한다.

핵자기공명(核磁氣共鳴; NMR) ¹⁷O - NMR 반치폭의 1/10에 해당하는 값이 물 분자의 집단수(集團數)와 같으며, ¹⁷O - NMR의 반치폭이 60Hz 인 물 분자의 집단수는 6개인 소집단수(小集團水)이다.

수돗물의 경우 핵자기공명 ¹⁷O - NMR의 반치폭은 130∼150Hz이며, 세계에서 유명한 명수로 알려진 프랑스(France)의 루르드(Lourdes) 및 에비앙(Evian)의 광천수, 독일의 노르데나우(Nordenau), 인도의 나다나(Nadana), 멕시코의 트라코테(Tlacote), 백두산의 이명수(鯉明水) 등은 핵자기공명 ¹⁷O - NMR의 반치폭이 60∼70Hz으로 일반 수돗물에 비해서는 적은 값을 나타내고 있으며, 해양 심층수나 해저 심층암반수의 경우는 75∼80Hz으로 소집단화율이 그리 높지 않은 편이다.

수돗물과 같이 핵자기공명 ¹⁷O - NMR의 반치폭이 130∼150Hz인 물 분자의 집단수는 13∼15개이며, 이와 같이 물 분자의 집단이 큰물을 대집단수(Bound water)라 하며, 반면에 ¹⁷O - NMR의 반치폭이 60Hz이하인 물 분자의 집단이 6개 이하로 적은 물 분자의 물은 소집단수(小集團水; Microclustered water)라 한다.

본 발명에서는 물 분자의 집단을 핵자기공명 ¹⁷O - NMR의 반치폭이 48∼60Hz 범위의 소집단수로 처리를 한다.

이하 도면을 중심으로 본 발명의 내용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 해양 심층수는 수심 200m이하의 해저심층에서 취수를 하며, 취수방법은 선상(船上)에서 해저 200m이하에 배관을 내려 취수하던가, 해저 수심 200m이하까지 배관을 설치하여 펌프(Pump)로 취수하던가, 해저 수심 200m이하까지 배관을 설치하여 취수정을 해수면 이하로 설치하여 사이펀(siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.

그리고 해저 심층암반수를 취수하는 경우는 취수정으로 오염된 해양 표층수가 유입될 우려가 있기 때문에 취수정의 배관을 해저 200m까지는 밀폐되게 설치를 하여 해양 표층수가 유입되지 않게 취수정을 설치하여야 한다.

집수조에 취수된 해양 심층수나 해저 심층암반수는 온도가 낮으면서 점도가 높아 여과효율이 떨어지기 때문에 20∼30℃로 가온 처리를 한다.

가온 방법은 보일러에서 열을 공급받거나, 여름철에는 해양 표층수를 이용할 수도 있다.

가온 처리된 해양 심층수나 해저 심층암반수는 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter ), 한외여과(限外濾過; Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 후단의 나노여과(Nano filter)와 역삼투여과(Reverse Osmosis filter)에서 막 막힘(Fouling) 현상이 야기될 수 있는 부유고형물(SS; Suspended solid)을 제거하는 전처리 여과공정이다.

이때 여과압력은 운전조건에 따른 여과기의 압력손실과 배관의 압력손실을 고려하여 결정하며, 모래여과의 여과속도는 6∼10m/시간으로 하고, 여과사(濾過砂)의 유효경(有效徑)은 0.3∼0.45㎜, 균등계수(均等係數)는 2.0 이하로 하며, 여층(濾層)의 두께는 0.5∼1.0m로 한다.

그리고 정밀여과와 한외여과는 여과 막의 종류에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 공급압력을 결정한다.

전처리여과공정에서 수중의 부유고형물질이 제거된 해양 심층수나 해저 심층암반수는 1차 pH조정공정으로 보내어 나노여과막이나 역삼투여과막에서 스케일(Scale)이 생성되지 않도록 pH를 4.5∼6.5로 조정하며, 이때 pH조정제로는 무기산(無機酸) 중에서 5∼10wt%의 염산(HCl) 수용액을 사용한다.

pH조정 방법은 교반시간(체류시간)을 15∼30분간, 180∼360RPM(회전속도)의 프로펠러 교반기(Propeller Agitator)로 교반하면서 전처리 여과된 해양 심층수나 해저 심층암반수에 pH조정제를 주입하면서 pH를 4.5∼6.5로 조정한 다음에 1차 역삼투여과공정으로 보낸다.

이하 사용하는 나노여과(Nano filter)와 역삼투여과(Reverse Osmosis filter)의 막 모듈(Module) 형태는 관형(管形; tubular), 중공사형(中空絲形; hollow fiber), 나선형(螺旋形; spiral wound), 평판형(平板形; plate and frame) 등 어떠한 형태를 사용하여도 상관이 없으며, 그리고 막(膜)의 재질(材質)도 특별 히 제한하지는 않는다.

1차 pH조정공정에서 pH를 4.5∼6.5로 조정하여 1차 역삼투여과공정에 공급되면 운전압력을 50∼60기압(atm)으로 여과 막에 공급하며, 나선형여과막의 경우 막투과수량은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 염분은 99.0 ∼ 99.85wt% 범위로 제거되며, 염분이 탈염(脫鹽)된 탈염수는 2차 pH조정공정으로 보내며, 염수는 나노여과공정으로 보낸다.

나노여과(Nano filter)공정에서는 해양 심층수나 해저 심층암반수 중에 용해되어 있는 CaCO₃, CaSO₄ 와 같이 용해도가 작아 염수농축역삼투여과공정에서 염을 농축하는 과정에, 막(membrane)에서 스케일(Scale)이 생성되어 막 막힘(Fouling) 현상을 최대한 억제하기 위해서 CaCO₃, CaSO₄, MgCl₂, MgSO₄ 와 같은 2가 이상의 미네랄성분을 90wt%이상 제거되도록 공급압력을 15∼25기압(atm)으로 하며, 나선형의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하며, 이때 막투과수량은 유입수량의 80∼90%가 된다.

나노여과공정에서 CaCO₃, CaSO₄, MgCl₂, MgSO₄ 와 같은 2가 이상의 미네랄성분이 농축된 농축미네랄수는 활성미네랄제조공정으로 보내고, 2가 이상의 미네랄성분이 제거된 탈미네랄염수는 염수농축역삼투여과공정으로 보낸다.

염수농축역삼투여과공정에 공급된 탈미네랄염수는 운전압력을 80∼120기압 (atm)으로 여과막에 공급하며, 나선형여과막의 경우 막투과수량은 0.7∼0.8㎥/㎡·일로 운전하여 염분농도가 10∼ 15wt% 범위로 농축된 농축염수는 제염공정으로 보 내며, 탈수 여액인 탈염수는 1차 pH조정공정으로 반송한다.

나노여과공정에서 배출되는 농축미네랄수는 제염공정으로 보내면서, 일부는 농축미네랄수저장조(1)로 보내어 미네랄밸런스를 조정한 후 미네랄혼합 및 최종 pH조정공정으로 보내어 미네랄조정용으로 사용한다.

농축미네랄수저장조(1)에는 응회암(凝灰岩; tuff), 녹색 응회암(green tuff), 유문암(流紋巖) 또는 대사이드(Dacite)질의 부석(浮石; Pumice) 중에서 단독 또는 2종류 이상을 혼합한 충전물(3)을 농축미네랄수저장조(1)의 용량 100㎥당 20∼40kg을 충전(充塡)한 미네랄반응탑(2)과 pH조정시스템(System)을 설치한다.

미네랄반응탑(2)에 충전하는 응회암, 녹색 응회암, 유문암 또는 대사이드질의 부석은 자연의 암석을 채굴하여 사용하며, 크기와 형태는 성능에 거의 영향을 주지 않기 때문에 크기와 형태는 별도로 제한하지 않는다.

나노여과공정에서 배출되는 농축미네랄수가 농축미네랄수저장조(1)에 공급되면 송풍기로부터 공기를 농축미네랄수저장조(1)에는 폭기강도가 1.5∼2.0 N㎥(공기)/㎥(조용량)로, 미네랄반응탑(2) 하부에는 충전물 20kg당 공기를 0.25∼0.5 N㎥로 공급하여 폭기를 하면서 1차 pH조정공정에 공급하는 염산을 공급하여 pH를 4.5∼6.5의 약산성으로 유지하면서 미네랄밸런스가 전술한 식 ②와 ③의 좋은 물맛의 지수(OI)인 (Ca + K + SiO₂)/(Mg + SiO₄) 비가 2.0 이상, 건강의 지수(KI)인 Ca- 0.87Na 값이 5.2 이상이 되도록 폭기를 한다.

2차 pH조정공정에 공급된 1차 탈염수는 미제거된 붕산성분을 폴리붕산으로 처리하기 위해서 알칼리(Alkali)제로 NaOH, NaHCO₃, Na₂CO₃ 중 한 종류의 5∼10wt%의 수용액을 공급하여 pH를 9∼11의 범위로 조정하여 2차 역삼투여과공정으로 보낸다.

2차 pH조정공정의 운전조건도 1차 pH조정공정에서와 같이 pH조정 방법은 교반시간(체류시간)을 15∼30분간, 180∼360RPM(회전속도)의 프로펠러 교반기로 교반하면서 1차 역삼투공정의 탈염수와 pH조정제를 주입하면서 pH를 9∼11로 조정한다.

2차 pH조정공정에서 pH를 9∼11로 조정하여 2차 역삼투여과공정에 공급되면, 운전압력은 10∼20기압(atm)으로 여과막에 공급하며, 나선형여과막의 경우 막투과수량은 0.6∼0.8㎥/㎡·일로 운전하여 붕소농도를 음료수 기준치인 0.3㎎/ℓ이하로 여과된 탈염수는 미네랄혼합 및 최종pH조정공정으로 보내고, 여과되지 않은 염수(농축수)는 중화처리 후 해저 200m이하의 원래의 위치로 방류한다.

2차 역삼투여과공정에서는 pH가 9∼11의 알칼리상태로 공급되어도 스케일을 생성하는 CaCO₃, CaSO₄와 같은 물질을 1차 역삼투여과공정에서 제거되었기 때문에 스케일의 생성은 크게 문제되지 않는다.

2차 역삼투여과공정에서 여과된 탈염수가 미네랄혼합 및 최종pH조정공정에 유입되면, 농축미네랄수저장조(1)에서 미네랄밸런스를 조정한 농축미네랄수를 공급받아 경도를 50∼300㎎/ℓ 범위로 조정하면서, 1차 pH조정공정에 주입하는 산수용액을 공급하여 pH는 음료수의 기준치인 5.8∼8.5로 조정하여 물 분자의 소집단화처리공정의 전자처리수조(10)로 보낸다.

미네랄혼합 및 최종pH조정공정에서 미네랄혼합 및 최종pH조정조의 용량은 체류시간을 20∼30분이 되게 하고, 180∼360RPM(회전속도)의 프로펠러 교반기로 교반을 하면서 농축미네랄수저장조(1)에서 미네랄밸런스를 조정한 농축미네랄수를 공급받아 전기전도도계(電氣傳導度計)의 전기전도율에 의해서 경도를 50∼300㎎/ℓ 범위로 조정한다.

전기전도율(電氣傳導率; electric conductivity)은 총용존물질(TDS: total Dissolved Solids)과 다음과 같은 관계에 있다.

전기전도율 = (0.5∼0.8) × TDS ………………………………………… ④

전기전도율이 5∼20mS/cm 일 때 경도는 100∼200㎎/ℓ이 된다.

미네랄혼합 및 최종pH조정공정에서 경도 및 pH를 조정하여 물 분자의 소집단화처리공정의 전자처리조(10)에 유입되면, 정전압발생장치(Electron charger; 16)로부터 고압의 교류 정전압(靜電壓)을 전극(11)에 3,000∼5,000Volt(전계 강도 0.3∼15KV/m)의 전압과 0.4∼1.6μA의 전류를 인가하여 전극(11)을 중심으로 +와 -의 정전장을 교대로 반복해서 물 분자에 4∼10시간 동안 가해지면, 이로 인하여 물 분자 자체가 진동ㆍ회전을 되풀이하면서 물 분자의 수소결합이 부분적으로 절단(切斷)되면, 중간처리수저장조(17)로 보내어 중간처리수이송펌프(18)로 원적외선을 방사(放射)하는 광물, 마이너스이온을 방사(放射)하는 광물, 200G(Gauss)이상 착자된 자철광(또는 200G이상 착자된 자성세라믹스)을 각각 동일한 무게 비로 혼합한 충전물(20)을 충전한 충전탑(充塡塔; 19)으로 보내어 처리를 한 다음에, 정전압도전관자화기(靜電壓導電管磁化器; 21)로 보내어 도전관에 감은 코일(Coil)에 0.5 ∼5V 범위의 교류 또는 직류의 저전압(低電壓)을 인가하여 자화처리를 한 후에 일부는 전자처리수조(10)로 반송하면서 핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance)의 ¹⁷O-NMR의 반치폭이 48∼60Hz 범위의 소집단수(小集團水; micro - clustered water)가 생산되면 나머지는 먹는 심층소집단수저장조(22)로 보내었다가 먹는 심층소집단수이송펌프(23)로 살균공정으로 보낸다.

중간처리수저장조(17)에서 중간처리수이송펌프(18)로 충전탑(19)과 정전압도전관자화기(21)로 보내어 전자처리조(10)로 반송하는 유량은 유입유량의 1∼4배로 한다.

이와 같이 생성된 소집단화된 물은 약알칼리성의 고유진동수가 높은 고에너지의 산화환원전위(酸化還元電位) 값이 +100∼-200mV 범위의 환원수로 처리된다.

정전압발생장치(16)의 인가전압은 중간처리수저장조(17)에 설치된 pHI(7.4∼7.8) 및 ORPI(+100mV이하)의 값에 따라서 조정한다.

충전탑(19)에 충전하는 충전물(20)의 용량은 접촉시간이 30분 이상 되도록 충전한다.

전자처리수조(10)의 재질은 스테인리스 스틸(Stainless steel)을 사용하며, 내부에는 전도도(電導度)가 높은 목탄(木炭) 또는 활성탄(活性炭)을 충전(充塡)한 스테인리스 스틸(stainless steel)의 전극(11)의 망을 설치하고, 하부에는 절연체(12)인 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화비닐(PVC), 스티로폼(Styrofoam) 중에서 한 종류를 선택하여 설치하고, 절연체(12) 하부에는 도체이면서 내식성 재질인 스테인리스강판(13)을 기초 콘크리트(Concrete)구조물(14) 사이에 설치하며, 스테인리스강판(12)은 땅에 접지(15)한다.

정전압도전관자화기(21)는 합성수지(PVC, PE, 스티렌 수지 등), 에보나이트 (Ebonite), FRP, 베이클라이트(Bakelite)와 같은 절연성 재료의 원통형 도전관에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5V 범위의 교류 또는 직류의 저전압을 인가하면 코일의 내부에는 자기장(磁氣場)이 형성되며, 여기에 물을 통과하면 물은 먹는 심층소집단수(음료수)로 처리된다.

그리고 처리수의 용량이 대용량인 경우에는 목탄(木炭) 또는 활성탄(活性炭)을 충전한 스테인리스 스틸(stainless steel)의 전극(11)의 망이 내장된 전자처리수조(10)와 충전물(20)이 충전된 충전탑(19)을 다단으로 설치하여 처리를 한다.

전술한 물 분자의 소집단화처리공정에서 처리된 먹는 심층소집단수(음료수)로 처리된 물은 먹는 심층소집단수이송펌프(23)에 의해서 살균공정으로 보내어 120∼135℃에서 0.5∼10분간 고온살균처리를 하거나 자외선 살균처리를 한다.

살균처리된 먹는 심층소집단수는 용기충전공정으로 보내어 용기(캔이나 플라스틱병)에 충전한 다음, 검사 후 포장하여 제품으로 출하한다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 해양 심층수나 해저 심층암반수는 무한한 양이 있으면서 청정성(淸淨性)과 인체에 유용한 다양한 미네랄이 함유되어 있으면서 긴 세월 동안 고 수압에 의해서 핵자기공명의 ¹⁷O-NMR의 반치폭이 75∼80Hz 로 물 분자의 집단이 7∼8개로 숙성되어 있는 특성이 있기 때문에 염분과 붕소를 음료수 기준치 이내로 처리를 하면 음료수[먹는 물, 먹는 심층(소집단)수]로 널리 이용되는 효과가 있을 것으로 기대된다.

Claims

수심 200m이하에서 취수한 해양 심층수나 해저 심층암반수를 20∼30℃로 가온 처리한 후 모래여과, 정밀여과, 한외여과를 단독 또는 2종류 이상을 조합한 전처리여과를 하고, 이를 1차 pH를 4.5∼6.5로 조정하여 1차 역삼투여과공정으로 보내어 탈염수는 2차 pH조정공정으로 보내고, 염수는 나노여과공정으로 보내어 농축된 농축미네랄수는 활성미네랄 제조공정으로 보내면서 일부는 응회암(凝灰岩; tuff), 녹색 응회암(green tuff), 유문암(流紋巖) 또는 대사이드(Dacite)질의 부석(浮石; Pumice) 중에서 단독 또는 2종류 이상을 혼합한 충전물(3)을 충전한 미네랄반응탑(2)이 내장된 농축미네랄수저장조(1)로 보내어 염산을 주입하여 pH를 4.5∼6.5로 조정하면서 폭기를 하여 미네랄밸런스(Mineral balance)를 조정한 농축미네랄수는 미네랄혼합 및 최종 pH조정공정으로 보내고, 2차 pH조정공정에서는 붕소를 제거하기 위해서 pH를 pH를 9∼11로 조정하여 2차 역삼투여과공정으로 보내어 여과되지 않은 염수는 중화처리 후 방류하고, 탈염수는 농축미네랄수저장조(1)에서 미네랄밸런스를 조정한 농축미네랄수를 공급받아 경도를 50∼300㎎/ℓ로 조정하면서 pH를 5.8∼8.5로 조정한 것을 물 분자의 소집단화처리공정의 전자처리조(10)로 보내어 정전압발생장치(Electron charger; 16)로부터 고압의 교류 정전압(靜電壓)을 전극(11)에 3,000∼5,000Volt(전계 강도 0.3∼15KV/m)의 전압과 0.4∼1.6μA의 전류를 4시간 이상 가하여 물 분자의 수소결합이 부분적으로 절단(切斷)된 것을 중간처리수저장조(17)로 보내어 중간처리수이송펌프(18)로 원적외선을 방사(放射)하는 광물, 마이너스이온을 방사하는 광물, 자철광(또는 자성 세라믹스)을 각각 동일한 무게 비로 혼합한 충전물(20)을 충전(充塡)한 충전탑(19)으로 보내어 처리를 한 다음에 정전압도전관자화기(靜電壓導電管磁化器; 21)로 보내어 도전관에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5V 범위의 교류 또는 직류의 저전압(低電壓)을 인가하면서 자화처리를 한 후에 일부는 전자처리수조(10)로 반송하면서 핵자기공명(核磁氣共鳴; Nuclear magnetic resonance)의 ¹⁷O-NMR의 반치폭이 48∼60Hz 범위의 소집단수(小集團水; microclustered water)로 처리된 물을 살균처리하여 먹는 심층소집단수를 생산하는 방법.