KR20080079846A - 해양 심층수 또는 해저 심층암반수로부터 유기물을 농축하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 심층수나 해저 심층암반수로부터 유기물을 농축하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양 심층수로부터 화장품 및 화장수, 비누, 목욕용수, 의약품 등의 제조용수로 사용할 수 있는 유기물을 농축하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수나 해저 심층암반수를 취수하여 음료수를 제조하는 과정에서 역삼투여과공정으로부터 여과되지 않고 배출되는 농축수를 탈염처리하는 단계, 탈염처리된 탈염수를 2차 역삼투여과공정에서 1차 농축하는 단계, 1차 농축된 유기물을 2차 증발·농축공정에서 고도로 유기물을 농축하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

해양 심층수, 유기물, 농축, 탈염, 역삼투 여과, 전기추출, 전기투석

Description

해양 심층수나 해저 심층암반수로부터 유기물을 농축하는 방법{A concentration method of the organic matter from deep sea water and deep sea rock-floor water}

제1도는 해양 심층수로부터 유기물을 농축하는 공정도

제2도는 전기추출법에 의한 탈염처리 메커니즘 설명도

제3도는 전기추출법에 의한 탈염처리 공정도

제4도는 전기투석법에 의한 탈염처리 공정도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1; 염수 저장조 2; 염수 이송펌프

3; 염 추출장치 4; 염추출실

5; 탈염실 6; 양극

7; 음극 8; 음이온교환격막

9; 양이온교환격막 10; 격막 서포터(supporter)

11; 송풍기 12; 산기관

13; 전기투석장치 14; 양극실

15; 음극실 16; 염농축실

17; 농축염수 저장조 18; 농축염수 이송펌프

ⓢ; 솔레노이드 밸브(Solenoid valve) LS; 레벨 스위치(Level switch)

BIS; 보메도 비중 지시제어기(Baume's hydrometer indicating switch)

ECIS; 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)

본 발명은 해양 심층수로부터 유기물을 농축하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수심 200m이하의 해양 심층수나 해저 심층암반수를 취수하여 음료수를 제조하는 과정에서 역삼투여과공정으로부터 여과되지 않고 배출되는 농축된 염수를 탈염처리한 다음에, 2차 역삼투 여과와 증발·농축에 의해서 유기물을 농축하는 방법에 관한 것이다.

해양 심층수는 통상 200m이하 심층의 해수를 해양 심층수라고 부르며, 표층 해수와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식하지 못하기 때문에 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높으면서 수온에 따른 밀도차이로 표층해수와 혼합되지 않아 표층해수에 존재하는 오염물질이 거의 존재하지 않으며, 표층의 해수와 비교하였을 때 저온안정성(低溫安定性), 부유물질의 농도가 낮으면서 오염물질과 유해세균이나 유기물이 매우 적은 청정성(淸淨性), 식물의 성장에 매우 중요한 무기영양염류가 풍부한 부영양성(富榮養性)과 다양한 미네랄성분이 균형(均衡)있게 존재하는 미네랄밸런스특성과 고압 저온상태에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화(小集團化)되어 표면장력이 적어 침투성이 좋은 물로 숙성 된 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있는 것으로 알려져 있으며, 해양 심층수와 표층 해수에 함유되어 있는 주요성분의 분석은 표1의 내용과 같다.

표1 해양 심층수와 표층해수의 주요성분 분석표

구 분		울릉도 현포		일본 고지현 무로도(高知縣室戶)
		650m해양 심층수	표층해수	374m 해양 심층수	표층해수
일 반 항 목	수온(℃)	0.5	23	11.5	20.3
	pH	7.15	8.1	7.98	8.15
	DO 용존산소(㎎/ℓ)	6	8	7.80	8.91
	TOC 총유기 탄소(㎎/ℓ)	1.023	1.547	0.962	1.780
	CODMn(㎎/ℓ)	0.2	0.6	-	-
	용해성 증발잔류물(㎎/ℓ)	37,000	-	47,750	37,590
	M-알칼리도(㎎/ℓ)	-	-	114.7	110.5
주 요 원 소	Cl 염화물이온(wt%)	NaCl로 3.41	NaCl로 3.40	2.237	2.192
	Na 나트륨(wt%)			1.080	1.030
	Mg 마그네슘(㎎/ℓ)	1,320	1,280	1,300	1,310
	Ca 칼슘(㎎/ℓ)	393	403	456	441
	K 칼륨(㎎/ℓ)	380	356	414	399
	Br 취소(㎎/ℓ)	65	-	68.8	68.1
	Sr 스트론튬(㎎/ℓ)	9.9	-	7.77	7.61
	B 붕소(㎎/ℓ)	4.7	-	4.44	4.48
	Ba 바륨(㎎/ℓ)	0.01	-	0.044	0.025
	F 불소(㎎/ℓ)	1.2	-	0.53	0.56
	SO4 2 -황산 이온(㎎/ℓ)	2,630	-	2,833	2,627
영 양 염 류	NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ)	0.05	-	0.05	0.03
	NO3 -질산태질소(㎎/ℓ)	0.28	0.04	1.158	0.081
	PO4 3 -인산태인(㎎/ℓ)	0.16	0.026	0.177	0.028
	Si 규소(㎎/ℓ)	2.8	0.44	1.89	0.32
미 량 원 소	Pb 납(㎍/ℓ)	0.11	-	0.102	0.087
	Cd 카드뮴(㎍/ℓ)	0.05	-	0.028	0.008
	Cu 구리(㎍/ℓ)	0.26	-	0.153	0.272
	Fe 철(㎍/ℓ)	0.20	-	0.217	0.355
	Mn 망간(㎍/ℓ)	0.45	-	0.265	0.313
	Ni 니켈(㎍/ℓ)	0.36	-	0.387	0.496
	Zn 아연(㎍/ℓ)	0.45	-	0.624	0.452
	As 비소(㎍/ℓ)	0.04	-	1.051	0.440
	Mo 몰리브덴(㎍/ℓ)	7.60	-	5.095	5.565
	Cr 크롬(㎍/ℓ)	0.021	-
균 수	생균 수(개/㎖)	0	520	0	540
	대장균 수(개/㎖)	음성	음성	음성	음성

해양 심층수 중에는 상기 표1에 나타난 바와 같이 생물의 생육에 필요한 다종다양한 미네랄성분이 함유되어 있으며, 아직까지 과학적으로 정확한 근거가 입증 되고 있지는 않았지만, 최근의 연구에 의하면, 해양 심층수(海洋深層水)나 해저 심층암반수(深層岩盤水)에는 해양성 미생물인 쥬드아르테로모나스·데니트리피칸스(Pseudoalteromonas denitrificans), 아르테로모나스 마크레오디(Alteromonas macleodii) 등은 대식세포(大食細胞; Macrophage)의 증식을 활성화하여 아토피성 피부염(Atopic dermatitis) 등에 효과가 있는 시크로프로지기오신 염산염(Cycloprodigiosin hydrochloride)과 같은 유기물질을 대사산물(代謝産物)로 배설하는 것으로 알려져 있으며, 그리고 갑각류(甲殼類)와 같은 어류로부터는 보습성이 우수한 트레할로스(Trehalose) 및 키토산(Chitosan)과 같은 당류를, 해조류로부터는 알긴산(Alginic acid)과 같은 유기물을 배설하여 올리고머(Oligomer) 상태의 유기물이 표1에서 보는 바와 같이 총유기 탄소(TOC; Total organic carbon) 기준으로 1㎎/ℓ정도 함유되어 있다.

상기의 해양 심층수에 함유되어 있는 유기물은 생물의 생육에 유용한 작용을 하면서 아토피성 피부염 등에 효과가 있는 것으로 밝혀져 화장품, 목욕용수 등에 이용되고 있으며, 근간에는 이와 같은 유기물 중에는 항암작용을 하는 미량요소(Oligoelement)도 함유되어 있는 것이 발표되고 있다.

해양 심층수나 해저 심층암반수에 함유된 유기물질을 농축하는 종래의 기술은 조사된 바가 없으며, 본 발명에서는 해양 심층수나 해저 심층암반수에서 음료수제조과정의 역삼투여과공정에서 여과되지 않고 농축된 염수로부터 유기물을 농축하는 방법을 제시코자 한다.

본 발명`은 해양 심층수나 해저 심층암반수에서 음료수제조과정의 역삼투여과공정에서 여과되지 않고 농축된 염수로부터 유기물을 농축하는 방법을 제공하는 데 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해양 심층수나 해저 심층암반수를 취수하여 음료수를 제조하는 과정에서, 역삼투여과공정으로부터 여과되지 않고 농축된 염수를 탈염처리하는 단계, 탈염처리된 탈염수를 2차 역삼투여과공정에서 1차 농축하는 단계, 1차 농축된 유기물을 2차 증발·농축공정에서 최종적으로 유기물을 농축하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 수심 200m이하의 해양 심층수(海洋深層水)나 해저(海底) 심층암반수(深層巖盤水)를 취수하여 20∼30℃로 가온 처리를 한 것을 모래여과, 정밀여과(Microfiltration), 한외여과(Ultrafiltration), 나노여과(Nanofiltration) 중에서 한 종류 또는 2종류 이상을 조합한 여과공정에 의해서 전처리 여과를 한 다음, 1차 역삼투여과공정으로 보내어 여과된 여과수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과되지 안고 농축된 염수로부터 유기물을 농축하는 데, 이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 염수를 탈염처리하는 단계

수심 200m이하의 해양 심층수나 해저 심층암반수를 취수하여 가온 처리와 전처리여과를 한 다음, 1차 역삼투여과공정으로 보내어 여과된 여과수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과되지 않고 농축된 염수가 염수 저장조(1)에 공급되면 다음의 전기추출법(電氣抽出法)에 의한 탈염처리방법(脫鹽處理方法)과 전기투석법(電氣透析法)에 의한 탈염처리방법 중에서 한 방법에 의해서 염수 중에 함유되어 있는 염분을 탈염처리 한다.

1. 전기추출법에 의한 탈염처리방법

본 발명에서 전기추출법에 의한 염추출장치(3)는 도 2에서와 같이 염추출실(4) 내부에는 양극(6)과 음극(7) 사이에 탈염실(5)을 설치하고, 탈염실(5)은 양극(6) 쪽에는 모든 음이온을 투과하는 음이온교환격막(8)을 설치하고, 음극(7) 쪽에는 모든 양이온을 투과하는 양이온교환격막(9)을 설치하며, 처리용량이 큰 경우에는 도 3에서와 같이 양극(6)과 음극(7) 사이에 탈염실(5)을 교호적(交互的)으로 다단(多段)을 설치한 구조로 구성되어 있다.

다시 말해서 본 발명에서 사용하는 음이온교환격막(8)과 양이온교환격막(9)은 염수 중에 함유되어 있는 1가 염(NaCl, KCl, KBr 등)과 다가염(多價鹽, MgCl₂, MgSO₄, CaSO₄, FeCl₂, FeCl₃, SrSO₄ …등)을 모두를 제거(탈염)할 수 있는 격막을 사용한다.

본 발명의 전기추출법에 의한 탈염방법은, 도 2에서와 같이 염추출실(4) 내에 양극(6)과 음극(7) 사이에 음이온교환격막(8)은 모든 음이온을 투과하는 막을 사용하고, 양이온교환격막(9)은 모든 양이온을 투과하는 막을 사용하여 격리된 탈염실(5)로 구성된 전기추출법에 의한 탈염장치에 염추출실(4)에 해양 심층수나 해저 심층암반수를 공급하고, 염수 저장조(1)의 염수를 염수 이송펌프(2)에 의해서 탈염실(5)에 공급하여 염수 저장조(1)로 반송하면서 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하면 다음과 같은 전기화학적 반응 메커니즘(Mechanism)에 의해서 탈염실(5)의 염수에 함유된 염분이 제거(탈염)하게 된다.

탈염실(5) 내의 염수에 함유된 염분은 가수분해반응에 의해서 반응식①과 같이 이온화되어 있다.

MmXn ⇔ mM^{n +} + nX^{m -} …………………………………………………………①

여기서 M^{n +}는 모든 양이온이고, X^{m -}는 모든 음이온이며, m는 음이온의 원자가이고, n는 양이온의 원자가이다.

탈염실(5)의 염수에 함유된 모든 양이온(M^{n +})은 반응식②와 같이 음극(7) 쪽의 양이온교환격막(9)을 투과하여 염추출실(4)로 이동하고, 모든 음이온(X^{m -})은 반응식③과 같이 양극(6) 쪽의 음이온교환격막(8)을 투과하여 염추출실(4)로 이동하게 된다.

mMⁿ⁺(탈염실) ――양이온교환격막→ mM^{n +}(염추출실) …………………②

nX^{m -}(탈염실) ――음이온교환격막→ nX^{m -}(염추출실) …………………③

결과적으로 탈염실(5)의 염수에 함유된 모든 양이온(M^{n +})과 음이온(X^{n -})은 격막을 투과하여 반응식④와 같이 염추출실(4)로 추출제거되어 탈염처리된다.

mM^{n +} + nX^{m -} → MmXn …………………………………………………………④

상술한 설명에서와 같이 본 발명의 특징은, 탈염실(5) 내의 염수에 함유되어 있는 염분이 전기투석장치(13)의 양단(兩端)의 양극실(14)과 음극실(15)에서 일어나는 전기분해반응이 전혀 일어나지 않으면서 염추출실(4)로 원래의 염의 상태로 분리제거(추출)되어 농축됨으로써 염분이 분해되면서 소요되는 전류(電流)가 없으면서, 양극(6)과 음극(7)의 거리가 가깝게 설치될 수 있기 때문에 인가전압이 3∼6볼트(Volt)로 적은 전압을 인가되기 때문에 전력소모가 적다.

도 3의 탈염공정은 전기추출법에 의한 탈염장치(脫鹽裝置)로 염추출실(4) 내에 양극(6)과 음극(7)을 교호적(交互的)으로 다단(多段)를 설치하고, 양극(6)과 음극(7) 사이에는 음이온교환격막(8)은 모든 음이온을 투과할 수 있도록 표면을 수식처리(修飾處理)하지 않은 격막을 사용하고, 양이온교환격막(9)은 모든 양이온을 투과할 수 있도록 표면을 수식처리하지 않은 격막을 사용하여 격리(隔離)한 탈염실(5)로 구성된 전기추출법에 의한 염 추출장치(3)의 공정도이다.

상기의 음료수제조공정에서 1차 역삼투여과공정에서 여과되지 않은 염수가 염수 저장조(1)에 유입되면, 염수 이송펌프(2)로 염 추출장치(3)의 염추출실(4)로 공급하고, 탈염실(5)로도 공급하여 염수 저장조(1)로 순환한다.

송풍기(11)로부터 대기 중의 공기를 산기관(12)을 통해서 폭기하면서 정류기로부터 3∼10볼트(Volt)의 직류전기를 인가(印加)하여 탈염실(5) 내부에 전기장(電氣場; Electric field)을 형성하면, 전기영동(電氣泳動; Electrophoresis)에 의해서 탈염실(5) 내의 염수에 함유된 양이온(+)은 음극(7) 쪽의 양이온교환격막(9)을 투과하여 염추출실(4)로 이동하게 되며, 음이온(-)은 양극(6) 쪽의 음이온교환격 막(8)을 투과하여 염추출실(4)로 이동하게 되면서 염추출실(4)에서 염분의 농도가 농축된 농축 염수의 보메도 비중 지시제어스위치(BIS; Baume's hydrometer indicating switch)의 보메도 비중이 10∼12°Be가 되면 솔레노이드 밸브(ⓢ; Solenoid valve)를 작동하여 농축된 농축 염수는 소금제조공정으로 배출한다.

그리고 탈염실(5) 내의 염수 중에서 염분이 제거되어 염수 라인의 전기전도율지시제어스위치(ECIS; Electric conductivity indicating switch)의 전기전도도 값이 5∼15㎳/㎝ 범위로 탈염된 탈염수는 솔레노이드 밸브(ⓢ)를 작동하여 2차 역삼투여과공정으로 보낸다.

이때 유의할 사항은 염추출실(4) 내의 농축된 농축염수의 보메도 비중 지시제어스위치(BIS)의 보메도 비중이 12°Be이상 되면 CaSO₄, SrSO₄, CaCO₃와 같은 물질이 석출하여 스케일(Scale)이 생성될 우려가 있기 때문에 보메도 비중은 12°Be이하에서 운전해야 한다.

이때 송풍기(11)로부터 산기관(12)을 통해서 공급하는 공기의 공급량은 폭기강도(Intensity of aeration)가 1.2∼2.0공기(㎥)/조 용적(㎥)이 되도록 한다.

모든 양이온을 투과하는 양이온교환격막(9)은 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene) 계의 주 사슬(主鎖; Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO₃ ^-를 고정하고 있는 부하전막(負荷電膜)으로 막 표면에 1가 양이온만을 선택적으로 투과시키기 위해 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine)과 같은 양이온성 고분자 전해질을 박층상(薄層狀)으로 부착(Coating) 또는 결합하여 수식(修飾)처리를 하지 않은 양이온교환격막을 사용한다.

그리고 모든 음이온을 투과하는 음이온교환격막(8)은 기재의 폴리머 사슬(Polymer chain)에 １급으로부터 ３급의 아민(Amine)이나 암모늄기를 막에 고정하여 아미노화(Amination)하여 양이온을 도입한 정하전막(正荷電膜)의 표면에 1가 음이온을 선택적으로 투과하도록 막 표면을 수식처리(修飾處理)하지 않은 막을 사용한다.

또는, 양극(6) 쪽과 음극(7) 쪽의 양이온교환격막(9)과 음이온교환격막(8)을 동일하게 석면(石綿)이나 나이론(Nylon, Polyamide), 폴리플루오로올레핀(Polyfluoroolefin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리오레핀(Polyolefin), 폴리에스텔(Polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(ＰＴＦＥ; Polytetrafluoroethylene), 폴리불화비닐리덴(poly vinylindene fluoride), 헥사플루오르프로필렌(Hexafluoropropylene)과 테트라플루오르에틸렌(TFE; Tetrafluoroethylene)의 공중합체(共重合體) 막을 사용할 수도 있다.

염추출실(4)과 탈염실(5)의 재질은 내염성 스테인리스강, 티타늄(Titanium), PVC(Poly vinyl chloride), PE(Polyethylene), SBS(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer), PP(Polypropylene), FRP(Fiber glass reinforced plastic), 베이클라이트(Bakelite), 에보나이트(Ebonite)을 사용하던가 카본 스틸(Carbon steel)에 에폭시(Epoxy) 코팅(Coating)이나 라이닝(Lining)을 하던가, 유리섬유강화플라스틱(FRP; Fiber glass reinforced plastic)을 라이닝(Lining) 한다.

음극(7) 판의 재질은 수소발생과전압(水素發生過電壓))이 높은 재질인 스틸 강판에 레이니 니켈(Ranney nickel)을 라이닝(Lining)한 것이나 내염성 스테인리스강, 티타늄(Titanium)판을 사용하며, 양극(6) 판은 내식성이 우수하면서 산소(酸素) 및 염소 발생과전압이 높은 재질인 티타늄판(Titanium plate)에 TiO₂-RuO₂를 소부(燒付) 코팅(Coating)한 디에스에이(DSA; Dimensionally Stable Anode) 전극을 사용한다.

격막을 지지(支持)하기 위한 격막 서포터(9)는 음이온교환격막(8)과 양이온교환격막(9)의 외부에 1∼10㎜ 두께의 비스코스레이온(Viscose rayon)이나 나이론 등의 합성수지의 부직포(不織布) 위에 내염성 스테인리스강, 티타늄, PVC, PE, SBS, PP, FRP, 베이클라이트, 에보나이트 중에서 한 종류의 다공판(多孔板)이나 격자판(格子板)으로 지지고정시킨다.

[실시 예1]

표1의 내용과 같은 해양 심층수를 취수하여 25℃로 가온 처리하여 모래여과와 나선형(Spiral wound type)의 한외여과를 하여 FI(Fouling index) 값을 3.2로 여과한 여과수를 일본 도레이주식회사(東レ株式會社) 모델번호 SU-610의 나선형 나노여과 막을 사용하여 압력을 20㎏/㎠G로 막에 공급하여 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 제거한 여과수를 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 고압용 역삼투막 모델번호 SU-810의 나선형 역삼투 여과 막을 사용하여 압력을 60㎏/㎠G로 막에 공급하여 막 투과수량은 0.72㎥/㎡·일로 하였을 때 막 투과수량은 유입수량의 52%가 되었으며, 이때 여과된 탈염수와 여과되지 않은 염수의 주요성분 분석치는 다음 표 2의 내용과 같 다.

표2 1차 역삼투여과에서 여과수와 염수의 주요성분 분석치

항 목	여과수인 탈염수	여과되지 않은 염수
pH	6.2	7.9
총유기물농도(TOC; ㎎/ℓ)	nil	2.01
Na+(㎎/ℓ)	38.7	21,470
Cl-(㎎/ℓ)	71.6	52,540
Ca2 +(㎎/ℓ)	0.6	856
Mg2 +(㎎/ℓ)	1.9	2,445
K+(㎎/ℓ)	1.7	822
SO4 2 -(㎎/ℓ)	4.7	2,368

[실시 예2]

실시 예1의 1차 역삼투여과공정에서 배출되는 여과되지 않은 염수를 4㎥/hr로 10㎥ 용량의 염수 저장조(1)에 공급하면서, 염추출장치의 사양이, 탈염실(5)은 용량이 0.1㎥(25㎜×1,000㎜×4,000㎜)×11실, 염추출실(4)의 용량은 4.2㎥(875㎜×1,200㎜×4,000㎜), 양극은 1,000㎜×1,200㎜ 티타늄판에 TiO₂-RuO₂를 소부 코팅한 DSA전극을 3×6매, 음극은 1,000㎜×1,200㎜ 티타늄판 전극을 3×6매, 양극(6) 쪽의 음이온교환격막(8)은 일본 아사히카세이 주식회사(旭化成株式會社)의 Aciplex A-101 3,600㎜×1,000㎜ 크기의 11매를 을 사용하고, 음극(5) 쪽의 양이온교환격막(9)은 아사히카세이 주식회사의 Aciplex K-101 3,600㎜×1,000㎜ 크기의 11매를 사용한 탈염실(5)로 구성된 염 추출장치(3)에, 10㎥ 용량의 염수 저장조(1)의 염수를 염수 이송펌프(2)로 염추출실(4)에 주입하고, 4㎥/hr의 유량으로 탈염실(5)에도 공급하여 염수 저장조(1)로 반송하면서 정류기로부터 4.2볼트의 직류전기를 인가하여 염추출실(4)의 농축염수는 보베도 비중을 12°Be로 배출하면서 탈염수 라인의 전기전도도 값이 6㎳/㎝에서 탈염수를 배출하였을 때, 탈염수의 주요성분 분석치는 표3의 내용과 같았으며, 이때 인가되는 전류는 52암페어(Ampere)가 인가되었다.

표3 염수를 전기추출에 의해서 탈염처리한 탈염수의 주요성분 분석치

항 목	성 분
pH(수소 이온 농도)	7.8
TOC(총유기물농도; ㎎/ℓ)	2.0
나트륨(Na; ㎎/ℓ)	579.7
염소(Cl; (㎎/ℓ)	1,431.2
칼슘(Ca; ㎎/ℓ)	32.4
마그네슘(Mg; ㎎/ℓ)	92.5
칼륨(K; ㎎/ℓ)	22.2
황산 이온(SO4 2 -; ㎎/ℓ)	89.5

2. 전기투석법에 의한 탈염처리방법

염수에 함유된 염분을 전기투석에 의한 탈염처리는 정류기로부터 직류전기를 인가하면 직류전원의 전위차(電位差)를 구동력(Driving force)로 하여 이온성 용질을 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 양이온교환격막(9)은 고정부전하(固定負電荷)를 가지는 모든 양이온을 투과하고, 음이온교환격막(8)은 고정정전하(固定正電荷)를 가지는 모든 음이온을 투과하는 이온교환격막을 사용한다.

전기투석장치(13)는 도 4서와 같이 모든 양이온을 투과하는 양이온교환격막(9)과 모든 음이온을 투과하는 음이온교환격막(8)으로 격리된 탈염실(5)과 탈염실(5) 사이사이에 염농축실(16)이 교호적(交互的)으로 일열로 다단(多段)을 설치하고, 양단의 양극실(14)에는 양극(6)이. 음극실(15)에는 음극(7)이 설치된 구조로 되어 있다.

염수 저장조(1)의 염수를 염수 이송펌프(2)로 전기투석장치(13)의 탈염실(5) 에 공급하여 염수 저장조(1)로 반송하고, 농축염수 저장조(17)의 농축염수를 농축염수 이송펌프(18)로 염농축실(16)로 공급하여 농축염수 저장조(17)로 반송하면서 양극실(14)의 양극(6)과 음극실(15)의 음극(7)에 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하면, 탈염실(5) 내의 염수 중에 함유되어 있는 모든 양이온(M^{n +}; M는 양이온, n는 양이온 원자가의 수)은 전기적인 인력에 의해서 음극(7) 쪽의 양이온교환격막(9)을 투과하여 염농축실(16)로 이동하고, 모든 음이온(X^{m -}; X는 음이온, m는 음이온 원자가의 수)은 양극(6) 쪽의 음이온교환격막(8)을 투과하여 염농축실(16)로 이동하게 되면서, 탈염실(5) 내의 염수에 함유되어 있는 염분은 염농축실(16) 이동하여 농축되면서 탈염실(5) 내의 염수는 탈염처리된다.

이때 음극실(15)과 양극실(14)의 전해질 용액은 해양 심층수 원수를 이용할 수 있으나, 양극(6)에서 염소(Cl₂)가스의 발생을 방지하면서 양극(6)의 부식을 억제하기 위해서 3∼10wt%의 Na₂SO₄ 수용액을 음극실(15)로 공급하여, 음극실(15)에서 배출되는 전해질 용액을 양극실(14)에 공급한다.

상기의 1차 역삼투여과공정에서 여과되지 않은 염수가 염수 저장조(1)에 공급되면, 염수 이송펌프(2)로 전기투석장치(13)의 탈염실(5)에 공급하여 염수 저장조(1)로 반송하고, 농축염수 저장조(17)의 농축염수를 농축염수 이송펌프(18)로 염농축실(16)로 공급하여 농축염수 저장조(17)로 반송하면서 양극실(14)의 양극(6)과 음극실(15)의 음극(7)에 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하면, 탈염실(5)의 염 수 중의 모든 양이온은 전기적인 인력에 의해서 양이온교환격막(9)을 투과하여 음극(7) 쪽의 염농축실(16)로 이동하고, 모든 음이온은 음이온교환격막(8)을 투과하여 양극(6) 쪽의 염농축실(16)로 이동하면서 농축염수 저장조(17)의 보메도 비중이 10∼12°Be범위로 농축된 농축염수는 보메도비중지시제어기(BIS; Baume's hydrometer indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보내고, 탈염실(5)에서 염수 중에 염분이 탈염되어 염수 반송라인에 설치된 전기전도율지시제어기(ECIS; Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율의 값이 5∼15㎳/㎝ 범위로 탈염처리된 탈염수는 솔레노이드밸브(Solenoid valve)를 작동하여 2차 역삼투여과공정으로 보낸다.

염농축실(16)에는 농축염수 저장조(17)의 농축염수를 농축염수 이송펌프(24)에 의해 순환·공급하면 염수 중의 양이온은 전기적인 인력에 의해서 양이온교환격막(9)을 투과하여 음극(7) 쪽의 염농축실(16)로 이동하고, 음이온은 음이온교환격막(8)을 투과하여 양극(6) 쪽의 염농축실(16)로 이동하면서 염의 농축이 일어나 농축염수 저장조(17)의 보메도 비중이 10∼12°Be범위로 농축된 농축염수는 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.

전기투석장치(13)는 처리성능을 높이기 위해서는 전류밀도(電流密度)를 한계전류밀도(限界電流密度) 이하의 범위에서 가능한 한 크게 하는 것이 바람직하지만, 한계전류밀도는 염류농도에 비례해 확산층(擴散層)의 두께에 반비례하므로, 확산층의 두께가 일정한 경우, 배수(排水)되는 탈염수 중의 염 농도와 농축염수의 염농도 에 의해 좌우되므로, 본 발명에서는 양이온교환격막(9)과 음이온교환격막(8)을 양극(6)과 음극(7) 사이에 교대로 배열한 탈염실(5)과 염농축실(16)을 형성하는 전기투석장치(13)에 염수는 염수 이송펌프(2)로 탈염실(5)에 보내어 탈염 후 일부는 순환하며, 농축염수는 농축염수 이송펌프(24)에 의해 염농축실(16)로 보내어 순환함으로써 염농축효율을 향상하면서 염농축실(16)에서 스케일성분이 염농축실(16)에서 생성되지 않도록 염농축실(16)에 통수하는 농축염수를 다량으로 공급하면, 스케일 트러블을 확실히 방지할 수 있으며, 염농축실(16)에 염 농도가 높은 농축염수를 공급함으로써 전류의 액저항(液抵抗) 적어지므로 한계전류밀도를 높일 수 있으므로, 전기투석장치(13)의 처리성능을 향상시킬 수 있다.

전기투석장치(13)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트러블(Trouble)을 억제하기 위해서는 탈염실(5)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10∼30㎝/초 범위로 탈염된 탈염수를 염수 저장조(1)로 반송하며, 염농축실(16)에 공급하는 농축 염수의 유량은 막면선속도가 1∼3 cm/초 범위가 유지되도록 농축염수를 농축염수 저장조(17)로 반송한다.

본 발명에서 사용하는 양이온교환격막(9)은 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene) 계의 주 사슬(主鎖: Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO₃ ^-를 고정하고 있는 부전하막(負荷電膜)을 사용하고, 음이온교환격막(8)은 양이온교환막(3)과는 반대로 음이온을 교환할 수 있는 막으로 정전하(正電荷) R- NH₃ ⁺를 폴리머사슬(Polymer chain)에 고정하고 있으며, 정전하를 막에 고정하고 있는 정하전막(正荷電膜)을 사용하여 2가 이상의 다가(多價) 이온도 통과할 수 있는 막을 사용하여 NaCl과 KCl과 같은 1가 이온은 물론이고, MgCl₂과 MgSO₄와 같은 2가 이상의 염도 동시에 탈염할 수 있는 막을 사용한다.

다시 말해서 1가 이온만 선택적으로 투과는 이온교환막을 사용하면 NaCl와 같은 1가 이온의 염(鹽)만 농축되어 다가(多價)의 미네랄염은 농축할 수 없기 때문에 다가의 미네랄염도 동시에 탈염될 수 있는 이온교환막을 사용해야 한다.

전기투석장치(13)의 양극실(14)의 양극(6)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 수소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용하여 음극실(15)를 통과한 용액을 주입하여 양극(6) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(7)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니니켈(Ranney nickel)이나 스테인리스 스틸(Stainless steel) 강판을 사용하고, 음극실(28)에 가장 인접한 양이온교환격막(9)은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜)이나 1가 음이온투과막을 이용하는 것에 의해서 음극(7) 표면에서의 수소 이온의 발생량을 저감도록하여 전력효율의 향상과 악취발생이 감소하도록 하는 것이 좋다.

그리고 염농축실(16)에서 스케일(Scale)의 생성이나 유기물 등의 슬라임(Slime)이 부착되어 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 양극(6)과 음극(7)의 전원을 전환하여 부착된 스케일과 슬라임(Slime)이 탈리(脫離) 되도록 한다.

전기투석공정의 농축염수 저장조(17)에서 보메도비중이 10∼12°Be 범위로 농축된 농축 염수는 보메도 비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.

[실시 예3]

유효통전면적(有效通電面積)이 236 mm(세로)×220 mm(가로)의 두께 0. 2 mm인 양이온교환격막(9)은 모든 양이온을 투과하는 일본 아사이가세이(주)[旭化成工業株式會社]의 Aciplex K-101을 사용하고, 음이온교환격막(8)은 아사이가세이(주)의 Aciplex A-101을 각각 50매를 티타늄 판에 RuO₂-TiO₂를 코팅한 DSA전극인 양극(16)과 스테인리스강 전극의 음극(17) 사이에 도4와 같이 교호적으로 다단(50단)을 설치한 전기투석장치(13)의 탈염실(5)로 50ℓ의 염수 저장조(1)에 실시 예1의 제1 역삼투여과공정에서 여과되지 않은 배출된 25℃의 염수를 공급한 다음, 다이어프램(Diaphragm)형 정량펌프인 염수 이송펌프(2)로 막면선속도(膜面線速度)가 10㎝/초가 되게 탈염실(24)에 공급하여 염수 저장조(1)로 순환하고, 20ℓ의 농축 염수 저장조(28)의 염수를 다이어프램형 정량펌프인 농축염수 이송펌프(18)로 막면선속도가 3㎝/초가 되게 염농축실(16)에 공급하여 농축염수 저장조(1)로 순환하면서, 정류기로부터 직류전기를 전류밀도가 3∼4A/dm²로 인가하여(이때 인가전압은 55∼60V이었다.) 염수 순환라인의 전기전도율지시제어기(ECIS)의 전기전도도 값이 8㎳/㎝로 탈염처리하였을 때 탈염된 탈염수의 주요성분 분석치는 다음 표4의 내용과 같다.

이때 농축염수 저장조(18)의 농축염수의 비중은 12°Be조정하였으며, 음극실 용액은 5wt%의 Na₂SO₄수용액을 50㏄/min로 음극실(15) 하부로 공급하여 상부로 배출되는 것을 양극실(14) 하부로 공급하였다.

표4 염수를 전기투석에 의해서 탈염처리한 탈염수의 주요성분 분석치

항 목	성 분
pH(수소 이온 농도)	7.8
TOC(총유기물농도; ㎎/ℓ)	2.0
나트륨(Na; ㎎/ℓ)	644.1
염소(Cl; (㎎/ℓ)	1,590.0
칼슘(Ca; ㎎/ℓ)	36.2
마그네슘(Mg; ㎎/ℓ)	102.7
칼륨(K; ㎎/ℓ)	24.7
황산 이온(SO4 2 -; ㎎/ℓ)	99.5

Ⅱ. 탈염처리된 탈염수를 2차 역삼투여과공정에서 유기물을 농축하는 단계

상기의 전기추출법에 의한 탈염처리방법과 전기투석법에 의한 탈염처리방법에서 탈염처리된 염수가 2차 역삼투여과공정에 공급되면 역삼투여과막에 공급하여 투과수의 투과율이 95∼99.5% 범위로 여과된 여과수는 음용수제조공정으로 보내어 음료수제조에 이용하고, 여과되지 않고 유기물이 농축된 해양 심층수나 해저 심층 암반수는 0.5∼5%를 생산한다.

이때 역삼투여과공정의 운전압력은 염분이 제거되어 삼투압이 낮기 때문에 5∼20기압의 저압으로 운전된다.

그리고 역삼투 여과 막의 재질이나 형태는 1차 역삼투 여과 막과 동일한 것을 사용하여도 상관없으나, 저압에서 운전되기 때문에 저압용의 역삼투막을 사용하 는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명의 특징은, 2차 역삼투여과공정에서 여과된 여과수를 음료수제조공정으로 보내어 음료수로 처리할 수 있기 때문에 음료수생산 수율을 향상할 수 있는 이점도 있다.

[실시 예4]

실시 예2에서 탈염처리된 탈염수를 실시 예1의 역삼투 여과장치를 이용하여 운전압력을 8㎏/㎠G 으로 하여, 6㎥/시간으로 공급하였을 때 여과수는 5.92㎥/시간으로 배출되었으며, 여과되지 않고 농축된 농축수는 0.08㎥/시간으로 배출되었는 데, 이때 배출된 농축수의 주요 성분 분석치는 다음 표5와 같다.

표5 2차 역삼투여과공정에서 농축된 농축수의 주요성분 분석치

항 목	성 분
pH(수소 이온 농도)	7.82
TOC(총유기물농도; ㎎/ℓ)	148.2
나트륨(Na; ㎎/ℓ)	41,303.6
염소(Cl; (㎎/ℓ)	101,973.0
칼슘(Ca; ㎎/ℓ)	2,357.1
마그네슘(Mg; ㎎/ℓ)	6,729.4
칼륨(K; ㎎/ℓ)	1,581.8
황산 이온(SO4 2 -; ㎎/ℓ)	6,511.1

Ⅲ. 1차 농축된 유기물을 증발·농축공정에서 고도로 유기물을 농축하는 단계

상기의 2차 역삼투여과공정에서 유기물을 농축한 해양 심층수나 해저 심층 암반수를 용량(체적)을 더 이상 줄여, 고도로 농축하는 경우에는 유기물이 분해되지 않게 40℃ 이하에서 진공증발을 하거나 동결건조를 하여 고도로 유기물이 농축 된 해양 심층수를 생산한다.

상기의 해양 심층수에 함유된 유기물은 피부에 유용한 물질과 생물의 생육에 유용한 다종 다양한 물질이 함유되어 있는 것으로 밝혀져 있기 때문에 화장품, 의약품, 식품 및 사료첨가제 등의 다양한 분야에 이용될 것으로 본다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 해양 심층수를 취수하여 음료수를 제조하는 공정에서 배출되는 염수로부터 유기물을 농축하는 경우에는 음료수의 생산수율을 향상하는 효과가 있으면서 유용한 유기물을 농축할 수 있기 때문에 해양 심층수로부터 음료수를 제조하는 공정에 널리 적용되는 효과가 있을 것을 기대된다.

Claims (3)

1. 수심 200m이하의 해양 심층수(海洋深層水)나 해저(海底) 심층암반수(深層巖盤水)를 취수하여 20∼30℃로 가온 처리를 한 것을 모래여과, 정밀여과(Microfiltration), 한외여과(Ultrafiltration), 나노여과(Nanofiltration) 중에서 한 종류 또는 2종류 이상을 조합한 여과공정에 의해서 전처리 여과를 한 다음, 1차 역삼투여과공정으로 보내어 여과된 여과수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과되지 안고 농축된 염수로부터 다음의 염수를 탈염처리하는 단계와 탈염처리된 탈염수를 2차 역삼투여과공정에서 유기물을 농축하는 단계를 순차적으로 이루어지는 해양 심층수로부터 유기물을 농축하는 방법.

   Ⅰ. 염수를 탈염처리하는 단계

   해양 심층수(海洋深層水)나 해저(海底) 심층암반수(深層巖盤水)를 취수하여 음료수제조공정의 1차 역삼투여과공정에서 여과되지 않은 염수가 염수 저장조(1)에 유입되면, 염수 이송펌프(2)로 염 추출장치(3)의 염추출실(4)로 공급하고, 탈염실(5)로도 공급하여 염수 저장조(1)로 순환한다.

   송풍기(11)로부터 대기 중의 공기를 산기관(12)을 통해서 폭기하면서 정류기로부터 3∼10볼트(Volt)의 직류전기를 인가(印加)하여 염추출실(4)에서 염분의 농도가 보메도 비중 지시제어스위치(BIS; Baume's hydrometer indicating switch)의 보메도 비중이 10∼12°Be가 되면 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)를 작동하여 농축된 농축 염수는 소금제조공정으로 배출한다.

   그리고 탈염실(5) 내의 염수 중에서 염분이 제거되어 염수 라인의 전기전도율지시제어스위치(ECIS; Electric conductivity indicating switch)의 전기전도도 값이 5∼15㎳/㎝ 범위로 탈염된 탈염수는 솔레노이드 밸브를 작동하여 2차 역삼투여과공정으로 보낸다.

   Ⅱ. 탈염처리된 탈염수를 2차 역삼투여과공정에서 유기물을 농축하는 단계

   상기의 전기추출법에 의한 탈염처리방법에서 탈염처리된 염수가 2차 역삼투여과공정에 공급되면 역삼투여과막에 공급하여 투과수의 투과율이 95∼99.5% 범위로 여과된 여과수는 음용수제조공정으로 보내면서 유기물은 여과되지 않고 농축된다.
2. 청구항 1에 있어서, 상기의 1차 역삼투여과공정에서 여과되지 않은 염수가 염수 저장조(1)에 공급되면, 염수 이송펌프(2)로 전기투석장치(13)의 탈염실(5)에 공급하여 염수 저장조(1)로 반송하고, 농축염수 저장조(17)의 농축염수를 농축염수 이송펌프(18)로 염농축실(16)로 공급하여 농축염수 저장조(17)로 반송하면서 양극실(14)의 양극(6)과 음극실(15)의 음극(7)에 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하여 농축염수 저장조(17)의 보메도 비중이 10∼12°Be범위로 농축된 농축염수는 보메도비중지시제어기(BIS; Baume's hydrometer indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.

   그리고 탈염실(5)에서 염수 중에 염분이 탈염되어 염수 반송라인에 설치된 전기전도율지시제어기(ECIS; Electric conductivity indicating switch)의 전기전 도율의 값이 5∼15㎳/㎝ 범위로 탈염처리된 탈염수는 솔레노이드밸브(Solenoid valve)를 작동하여 2차 역삼투여과공정으로 보내어 해양 심층수나 해저 심층암반수로부터 유기물을 농축하는 방법.
3. 청구항 1과 2에 있어서, 상기의 2차 역삼투여과공정에서 유기물을 농축한 해양 심층수나 해저 심층 암반수를 고도로 농축하는 경우에는 유기물이 분해되지 않게 40℃ 이하에서 진공증발을 하거나 동결건조를 하여 해양 심층수나 해저 심층암반수로부터 유기물을 농축하는 방법.

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