KR20080108191A - 해양 심층수를 이용하여 음료 또는 식품을 만드는 데사용하는 용수를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수심 200m 이하의 해양 심층수를 이용하여 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수로부터 탄산청량음료, 알코올음료, 야채나 과일추출음료, 유산균음료(乳酸菌飮料), 아이소토닉음료(Isotonic drink), 유성음료(乳性飮料) 등의 음료와 식품의 제조에 사용할 수 있는 용수의 제조를, 취수된 해양 심층수를 전 처리하는 단계, 염분 및 붕소를 제거하는 단계, 염분 및 붕소가 제거된 담수에 경도조정제를 주입하여 경도(硬度)를 조정한 다음, 물 분자의 집단(Cluster)을 소집단화(小集團化)하여 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR 스펙트럼(Spectrum) 반치폭(半値幅) 값이 45∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水: Microclustered water)로 처리하여 음료 또는 식품제조에 사용하는 용수를 제조하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
해양 심층수, 음료, 식품, 용수, 경도, 집단(Cluster), 핵자기공명(核磁氣共 鳴: Nuclear magnetic resonance), 소집단수(Microclustered water)
Description
제1도는 해양 심층수를 이용하여 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 공정도
제2도는 전기추출에 의한 해양 심층수의 탈염처리 메커니즘 설명도
제3도는 전기추출에 의한 해양 심층수의 탈염처리공정도
제4도는 전기투석에 의한 해양 심층수의 탈염처리공정도
제5도는 경도조정 및 물 분자 집단의 소집단화처리공정도
제6도는 해양 심층수를 탈염처리한 담수의 핵자기공명 17O-NMR의 반치폭 측정도
제7도는 음료 또는 식품 제조용수로 처리한 용수의 핵자기공명 17O-NMR의 반치폭 측정도
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1: 전 처리된 해양 심층수 저장조 2: 해양 심층수 이송펌프
3: 염추출실 4: 탈염실
5: 양극 6: 음극
7: 격막(膈膜) 8: 격막 서포터(Supporter)
9: 송풍기 10: 산기관
11: 전기투석장치 12: 양극
13: 음극 14: 양극실
15: 음극실 16: 음이온교환 격막
17: 양이온교환 격막 18: 탈염실
19: 염농축실 20: 농축 염수 저장조
21: 농축 염수 이송펌프 22: 경도(硬度) 조정조
23: 경도 조정조 교반기 24: 전자처리조 공급펌프
25: 전자처리조(電子處理槽) 26: 스테인리스 철망(전극)
27: 절연체(絶緣體) 28: 스테인리스 강판(導體)
29: 기초 콘크리트구조물 30: 접지(接地)
31: 정전압발생장치(靜電壓發生裝置, Electron charger)
31a: 변압기(變壓器) 31b: 전압조정기(電壓調整器)
31c: 1차 권선 31d: 철심(鐵心, Iron core)
31e: 2차 권선 31f: 출력선
31g: 절연처리 단말 32: 중간 처리조
33: 자화기 공급펌프 34: 자화기
35: 코일 포머(Coil former) 36: 코일(Coil)
37: 충전물 38: 용수 저장조
39: 용수 이송펌프 M: 모터(Motor)
LS: 레벨 스위치(Level switch) ⓢ:솔레노이드밸브(Solenoid valve)
BIS: 보메도 비중 지시제어기(Baume's hydrometer indicating switch)
ECI: 전기전도율지시계(Electric conductivity indicator)
ECIS: 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)
본 발명은 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수심 200m 이하의 해양 심층수를 염분 및 붕소를 제거한 담수에 경도조정제로 경도(硬度)를 조정한 물의 집단(Cluster)을 소집단화하여 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR 스펙트럼(Spectrum) 반치폭(半値幅) 값이 45∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水: Microclustered water)로 처리하여 탄산청량음료, 알코올음료, 야채나 과일추출음료, 유산균음료(乳酸菌飮料), 아이소토닉음료(Isotonic drink), 유성음료(乳性飮料) 등의 음료와 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법에 관한 것이다.
탄산청량음료, 알코올음료, 야채나 과일추출음료, 유산균음료, 아이소토닉음료, 유성음료 등의 음료 또는 식품제조에 사용한 용수는 지하광천수를 정수한 것이 나 수돗물을 사용하였으며, 지하광천수의 경우는 환경오염 등으로 인하여 위생적으로 안전할 수 없는 문제점이 있을 수 있으며, 수돗물의 경우는 소독으로 사용한 염소로 인하여 유리잔류염소(Free available residual chlorine)가 존재하면서 산화환원전위(Oxidation reduction potential, ORP) 값이 높은 등의 문제점이 있었다.
해양 심층수(海洋深層水)는 통상 200m이하 심층의 해수를 해양 심층수라고 부르며, 표층해수(表層海水)와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식하지 못하기 때문에 영양염류(營養鹽類)의 농도가 높으면서 수온에 따른 밀도차이로 표층해수와 혼합되지 않아, 표층해수에 존재하는 오염물질(汚染物質)이 없으며, 표층해수와 비교하였을 때 저온안정성(低溫安定性), 오염물질과 유해성 세균이나 유기물이 매우 적은 청정성(淸淨性), 생물의 성장에 매우 중요한 무기영양염류(無機營養鹽類)가 풍부한 부영양성(富營養性)과 다양한 미네랄성분이 균형 있게 존재하는 미네랄밸런스(Mineral balance) 특성과 고압·저온상태에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화(小集團化)되어 표면장력(表面張力)이 적어 침투성(浸透性)이 좋은 소집단수로 숙성된 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있다.
해양 심층수는 표층해수에 비해서 오염물질 및 유해세균이 전혀 함유되어 있지 않으면서 표1의 "해양 심층수와 표층해수의 성분 분석 치"에서 보는 바와 같이 생물의 생육(生育)에 필요한 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 아연(Zn), 나트륨(Na) 등 70종류를 넘는 다종다양한 미네랄성분(Mineral components)이 포함되어 있으면서 영양염류(營養鹽類), 생균 수, 수온 등은 상당한 차이가 있는 특성이 있 다.
표1 해양 심층수와 표층해수의 성분 분석 치
| 구분 | 울릉도 현포 | 일본 고지현 무로도 (高知縣 室戶) | |||
| 650m 해양 심층수 | 표층해수 | 374m 해양 심층수 | 표층해수 | ||
| 일 반 항 목 | 수온(℃） | 0.5 | 23 | 11.5 | 20.3 |
| pH | 7.98 | 8.15 | |||
| DO 용존산소(㎎/ℓ) | 6 | 8 | 7.80 | 8.91 | |
| TOC 유기 탄소(㎎/ℓ) | - | - | 0.962 | 1.780 | |
| CODMn(㎎/ℓ) | 0.2 | 0.6 | - | - | |
| 용해성 증발잔류물(㎎/ℓ) | 47,750 | 37,590 | |||
| M-알칼리도 (㎎/ℓ) | 114.7 | 110.5 | |||
| 주 요 원 소 | Cl 염화물이온(wt%) | NaCl로 3.41 | NaCl로 3.45 | 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 | 414 | 399 | ||
| Br 취소(㎎/ℓ) | 68.8 | 68.1 | |||
| Sr 스트론튬(㎎/ℓ) | 7.77 | 7.61 | |||
| B 붕소 (㎎/ℓ) | 4.45 | 4.48 | 4.44 | 4.48 | |
| Ba 바륨(㎎/ℓ) | 0.044 | 0.025 | |||
| F 불소 (㎎/ℓ) | 0.53 | 0.56 | |||
| SO4 2 -(㎎/ℓ) | 2,833 | 2,627 | |||
| 영 양 염 류 | NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ) | 0.05 | 0.03 | ||
| NO3 -질산태질소(㎎/ℓ) | 0.28 | 0.04 | 1.158 | 0.081 | |
| PO4 3 -인산태인(㎎/ℓ) | 0.06 | 0.012 | 0.177 | 0.028 | |
| Si 규소 (㎎/ℓ) | 2.80 | 0.44 | 1.890 | 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) | 0.217 | 0.355 | |||
| Mn 망간(㎍/ℓ) | 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) | 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(海洋深層水)의 이용 역사는 매우 짧고, 지금까지는 수산분야(水産分野)를 시작으로 식품(食品)이나 의료(醫療), 건강산업(健康産業), 음료수(飮料水), 화장품(化粧品) 등의 비수산분야(非水産分野)에 있어도, 다양한 연구를 하고 있다.
수심 200m이하 심해의 해양 심층수 특성을 구체적으로 검토하면 다음과 같다.
1. 저온 안전성(低溫 安全性)
표층해수의 수온은 계절에 의해서 큰 폭으로 변동하는 데 대해, 해양 심층수는 계절에 따라서 수온의 변화가 거의 없으면서 저온으로 안정되어 있다.
특히 한국 동해의 해양 심층수는 오호츠크해(Sea of Okhotsk)의 유빙(流氷)이 녹은 찬 해수가 밀도차이로 침강(沈降)하여 사할린섬(Ostrov Sakhalin)과 홋카이도(北海道) 사이의 블라디보스토크(Vladivostok) 앞바다로 유입된 심층수로 일본열도가 가로 막혀 흐름이 느려 300m이하에서는 연간을 통해서 수온이 1∼2℃로, 하와이나 일본 태평양 연안의 코우치현(高知縣)의 무로토(室戶) 앞바다의 해양 심층수 등에 비해서 8∼11℃ 정도 낮은 저온으로 존재하는 특성이 있다.
2. 청정성(淸淨性)
심층에 있으므로 육상의 하천수, 대기로부터의 오염되기 어렵기 때문에 오염물질과 세균수가 적은 특성이 있다.
① 물리적 청정성
물리적 청정성은 부유물, 현탁물(懸濁物)이 적다고 하는 것으로 해양 심층수는 표층해수에 비해서 부유고형물질의 함량이 적은 특성이 있다.
② 생물학적 청정성
해수의 취수에서 제일문제가 되는 것은 부착생물의 번식인데, 일반적으로, 표층해수의 취수장치에서는 취수 관 내에 부착생물이 번식하는 것으로, 관의 저항이 증가하여 취수불능이 되는 것이 많은데, 해양 심층수에는 플랑크톤, 미생물, 클로렐라 등의 총 생균 수가 표층수의 10분의 1에서 100분의 1로 적은 특성이 있다.
③ 화학적 청정성
해양 심층수는 오염된 표층해수와 혼합이 일어나지 않기 때문에 다이옥신이나 PCB, 유기성 염소화합물, 유기성 주석 등, 이른바 환경오염물질에 오염되어 있지 않은 특성이 있다.
3. 부영양성(富榮養性)
해양 심층수는 표층해수에 비해서 바다생물의 근원이 되는 식물플랑크톤(주로, 엽록소를 가지는 미소의 단세포 식물인 규조류 등)의 영양원이 되는 질소, 인, 규산 등이 표층해수에 비해서 약 5∼10배의 무기영양염류가 풍부하게 포함되어 있는 특성이 있다.
수심 150m 이하에서 광량은 표층해수에 비해서 1% 이하로 되며, 더 이상의 깊이에서는 식물성 플랑크톤(Phytoplankton)은 광합성(Photosynthesis)을 할 수 없기 때문에, 영양소가 식물성 플랑크톤에 의해서 소비되지 않고 아래의 깊은 층으로 가라앉아 축적되어 무기영양염의 농도가 높은 특성이 있다.
4. 미네랄(Mineral)의 특성
해수에는 70여 종류가 넘는 다종다양한 원소를 포함하고 있으며, 해양 심층수도 이와 같은 원소들을 포함하고 있는 특성이 있다.
동·식물의 생육에 필요한 주요원소가 많으면서 필요하기는 하지만 다량으로 섭취하면 해가 되는 필수 미량원소인 동, 아연과 같이 사람의 건강에 깊은 관계가 있는 것은 극히 소량 포함되어 있는 특성이 있다.
그러나 다량섭취할 경우에 인체의 소화기나 신경계통에 장애를 야기하는 물질로 알려진 붕소가 표1에서 보는 바와 같이 해양 심층수 중에는 4∼5㎎/ℓ 범위로 함유되어 있으며, 붕소는 분자입자가 작은 물질로 단순한 나노여과 및 역삼투 여과방법, 전기추출방법, 전기투석방법으로는 완벽하게 제거될 수 없는 문제점이 있다.
붕소는 이온반경이 0.23Å 정도로 입자의 크기가 적기 때문에 단순한 나노여과 및 역삼투 여과에 의해서는 음료수 처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려우며, 붕소화합물은 해양 심층수 중에서는 붕산(H3BO3)의 형태로 존재하며, 해리정수(解離定數) pKa의 값이 9 정도로 해양 심층수 중에서는 거의 비해리(非解離) 상태로, 이온상태로는 거의 존재하지 않기 때문에 전기추출법이나 전기투석법에 의해서도 음료수 처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려운 문제점이 있다.
5. 숙성성(熟成性)
해양 심층수는 표층해수에 비해 pH가 낮으며(pH 7.8 전후), 유기물함량이 적으며, 해양 심층수는 표층해수로부터 분리되어 저온·고압 하에서 긴 세월동안 물 분자의 집단체(Cluster)가 핵자기공명(核磁氣共鳴) 17O-NMR 반치폭(半値幅)의 값이 60∼80㎐ 범위로 소집단화(小集團化)된 소집단수(小集團水: Microclustered water)로 안정되어 있는 특성이 있다.
물 분자는 수소결합(水素結合)에 의해 집단체(Cluster)를 형성하고 있으며, 집단체(集團體)의 수(數)는, 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값(㎐)을 측정하여 간접적으로 측정한다.
일반적으로 하천수나 수돗물의 경우의 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값은 130∼150㎐인데 반해서, 해양 심층수의 경우는 수심과 장소에 따라서 다소 차이는 있으나 핵자기공명 17O-NMR 반치폭 값이 60∼80㎐ 범위로 소집단화되어 있는 특성이 있다.
물의 핵자기공명 17O-NMR 반치폭 값(㎐)의 1/10이 물 분자의 집단수로 알려져 있으며, 하천수나 수돗물과 같이 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값이 130∼150㎐인 물은 13∼15개의 물 분자가 수소결합(水素結合)에 의해서 집단을 형성하고 있으며, 이와 같이 집단이 큰물을 결합수(Bound water)라 하며, 반면에 핵자기공명 17O-NMR 반치폭의 값(㎐)이 적으면서 물 분자의 집단이 적은 물을 소집단수(小集團水: Microclustered water)라 한다.
특히 해양 심층수에 존재하는 철분은 2가-3가철염(二價-三價鐵鹽)의 상태로 존재하기 때문에 자화처리를 하였을 때 파동이 높은 물로 처리되면서 물 분자의 소집단화처리효율이 높은 물로 처리가 될 수 있는 특성이 있다.
그리고 해양 심층수의 산화환원전위(酸化還元電位: Oxidation-reduction potential) 값은 수심과 장소에 따라서 다소 차이는 있으나, +90∼+120㎷의 범위로 일반 수돗물이나 지하광천수에 비해서는 낮은 환원상태의 물로 존재하는 특성이 있다.
음료 또는 식품제조에 사용하는 용수의 조건을 검토하면 다음과 같다.
1. 사용하는 용수에는 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∼500㎎/ℓ범위의 물이 좋다.
② 좋은 물맛을 내기 위해서는, 다음의 물맛지수(OI) 값이 2.0 이상인 물이 맛이 좋다.
물맛지수(OI) = (Ca + K + SiO2)/(Mg + SO4) ………………………(1)
③ 건강에 좋은 물은, 다음의 건강지수(KI)의 값이 5.2 이상인 물이 건강에 좋다.
건강지수(KI) = Ca- 0.87Na ……………………………………………(2)
④ 증발잔류물(蒸發殘留物)의 농도가 30∼300㎎/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 이하인 산성상태의 물은 좋지 않다.
4. 물 분자의 집단체(Cluster)가 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 반치폭(半値幅)의 값을 60㎐ 이하로 처리된 물이 좋다.
5. 산화환원전위(ORP: Oxidation Reduction Potential) 값은 100∼-250㎷ 범위의 환원성 물이 좋다.
산화환원전위 값이 높다는 것은 산화력이 강하다는 의미이며, 반면에 산화환원전위가 낮다는 것은 환원력이 강하다는 의미이다.
물은 수소와 산소의 화합물로서 수소의 전위 값은 -420㎷으로 강한 환원력을 가지며, 산소의 전위 값은 ＋820㎷의 전위로 강한 산화력을 나타내며, 이로부터 물은, －420∼＋820㎷의 산화환원전위 값을 나타내며, 산화도 환원도 되어 있지 않은 상태에 있는 물의 전위는 수소와 산소 전위 값의 중간인 ＋200㎷가 된다.
생체수의 전위는 개인에 따라서 약간의 차이가 있으나, 인체 부위나 건강 상태에 따라서 다르지만, 대개 0㎷ 이하의 마이너스(Minus) 전위를 나타내고 있으며, 통상은 호흡이나 식사(체내에서 연소, 즉 산화하는 것) 등에 의해서 전위는 올라가며, 그 결과, 체외로 배설된 직후의 요(尿)의 전위는, 건강한 사람의 경우 0∼＋100㎷ 정도이다.
생체수의 수질은, 인체의 건강상태를 좌우하는데 큰 요인이 되며, 음료수도 마시면 몇 초 후에는 생체수로 바뀌기 때문에 산화되어 있지 않은 양질의 물을 섭취하는 것이 좋다.
통상, 수돗물의 전위는＋300∼＋600㎷대로 높은 산화상태이며, 건강한 사람의 혀는－100㎷ 전후의 전위이므로 －100∼＋100㎷의 범위의 물이 맛있게 느끼게 되며, －100㎷ 이하의 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∼-250㎷ 범위의 물이 좋다.
6. 파동이 높은 물이 좋다. 특히 면역파동(免疫波動)이 높은 물이 건강에 좋다.
7. 유기물 함량을 나타내는 CODMn의 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㎎/ℓ이하 의 물이어야 한다,
해양 심층수에는 유해물질이 함유되어 있지 않으면서 상기에서 언급한 바와 같이 다양한 특성이 있기 때문에 과잉으로 함유되어 있는 염분을 탈염처리한 담수(淡水)에, 해양 심층수로부터 소금을 제조하는 공정에서 생산된 간수(苦汁)에서 NaCl을 탈염처리한 것에는 칼슘성분에 비해서 마그네슘농도가 높기 때문에 칼슘성분을 공급하여 미네랄밸런스를 Ca/Mg의 중량비가 2∼6 범위로 혼합하고, 미네랄성분으로 인한 금속 맛을 마스킹(Masking)처리를 하기 위해서 비환원성당류(非還元性糖類)인 자당(蔗糖: Sucrose), 트레할로스(Trehalose), 라피노오스(Raffinose), 비환원성 당알코올(Nonreducing sugar alcohol)인 말티톨(Maltitol), 자일리톨(Xylitol), 솔비톨(Sorbitol), 에리쓰리톨(Erythitol), 락티톨(Lactitol), 만니톨(Mannitol) 중에서 한 종류 또는 2종류 이상을 혼합한 첨가제(添加劑)와 미네랄성분과 착염(錯鹽)을 생성하는 유기산을 혼합한 경도조정제를 주입하여 경도를 30∼1,000㎎/ℓ 범위로 조정한 용수는, 탄산청량음료, 알코올음료, 야채나 과일추출음료, 유산균음료(乳酸菌飮料), 아이소토닉음료(Isotonic drink), 유성음료(乳性飮料) 등의 음료 또는 식품제조에 양질의 용수로 사용할 수 있다.
본 발명에서 해수의 비중을 나타내는 보메도 비중계(Baume's hydrometer)의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메도 비중계를 액체에 띄웠을 때 눈금의 수치를 나타낸 것으로, 물의 비중보다 무거운 중액용(重液用)의 보메도(중보메도)와 물의 비중보다 가벼운 경액용(輕液用)의 가벼운 보메도(경보메도)가 있으며, 이 중에서 중액용은 순수(純水)를 0°Be로 하고, 15% 식염수를 15°Be로 하 여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 가지며, 경액용은 10% 식염수를 0°Be로 하고, 순수(純水)를 10°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 매기고 있으며, 보메도(°Be)는 해수의 경우 염 농도(wt%)와 근사(近似) 하기 때문에 농도를 표시하는 척도로도 널리 사용되고 있다.
보메도(°Be)와 액체의 비중(d)과의 관계는 다음과 같다.
액체의 비중이 물의 비중보다 무거운 중보메도의 경우
d = 144.3 / (144.3 - °Be) ………………………………………………(3)
액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우
d = 144.3 / (134.3 + °Be) ………………………………………………(4)
전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch, ECIS)에서 측정되는 전기전도율(Electric conductivity)은 수용액이 전기를 전도하는 정도를 나타내는 지표로서 수중의 염류농도를 나타내는 기준으로 단위는 수용액의 전기저항률의 역수에 해당하는 ㎳/㎝(Siemens/meter)이며, 전기전도도(EC)와 수중의 총가용성염(TSS)과의 관계는 다음 식 (5)와 같다.
TSS(ppm)=640 X EC(㎳/㎝) …………………………………………(5)
그리고 이중의 염분농도(NaCl ppm)는 전기전도율(EC)과의 관계는 다음 식(6)에 의해서 간단히 추정할 수 있다.
염분농도(NaCl ppm) = 552×EC(㎳/㎝)-200 …………………………(6)
전기전도도 값은 국제단위계인 ㎳/m(millisimenss/meter), 또는 ㎲/㎝(microsiemens/centimeter) 단위로 표기하며, ㎳/m = 10㎲/㎝(또는 10μmhos/㎝) 이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 오염물질과 유해물질이 함유되어 있지 않은 수심 200m 이하의 해양 심층수로부터 위생적으로 안전하면서 맛이 좋은 음료 또는 식품제조에 사용하는 용수를 제조하는 방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수를 취수하여 가온 및 부유고형물질제거를 위한 전 처리단계, 과잉으로 함유되어 있는 염분의 염분 및 붕소를 제거하는 단계, 염분 및 붕소가 제거된 담수에 경도조정제를 주입하여 경도를 조정한 다음, 물 분자의 집단을 소집단화하여 음료 또는 식품제조에 사용하는 용수를 제조하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수(海洋深層水)로부터 사이다(Cider), 콜라(Cola drinks), 소다수(Soda water), 레모네이드(Lemonade), 스쿼시(Squash)와 같은 탄산청량음료(炭酸淸凉飮料), 막걸리, 소주(燒酒), 약주(藥酒), 청주(淸酒), 맥주(麥酒)와 같은 알코올음료, 커피(Coffee), 녹차(綠茶), 홍차(紅茶), 우룽차(烏龍茶), 감차, 대추차, 유자차(柚子茶), 두충차(杜沖茶), 인삼차(人蔘茶), 결명차(決明茶), 계피차(桂皮茶), 당귀차(當歸茶), 모과차(木瓜茶)와 같은 식물추출음료, 청주(淸酒), 약주(藥酒), 막걸리(濁酒), 과실주(果實酒)와 같은 주류(酒類), 요구르트(Yoghurt)와 같은 유산균음료(乳酸菌飮料), 아이소토닉음 료(Isotonic drink), 우유와 같은 유성음료(乳性飮料), 오미자화채(五味子花菜), 꿀화채, 식혜(食醯), 식해, 수정과(水正果)와 같은 음료와 된장찌개, 순두부찌개, 두부찌개, 버섯찌개, 고추장찌개, 김치찌개, 동태 찌개, 부대 찌개, 해물탕, 신선로(神仙爐), 갈비탕, 삼계탕, 백숙, 우거지탕, 감자탕, 콩나물국밥, 쇠고기 국밥, 순대 국밥, 떡국, 만둣국과 같은 국과 찌개류, 국수, 메밀, 냉면과 같은 면류, 시루떡, 인절미, 흰떡, 절편, 송편, 경단(瓊團), 단자(團子), 약식(藥食)과 같은 떡류, 강정, 유밀과(油蜜果), 숙실과(熟實果), 다식(茶食), 정과(正果), 엿과 같은 조과류(造果類), 전골·볶음, 고추장, 된장, 간장, 빵, 밥, 죽과 같은 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법에 관한 것이다.
수심 200m 이하의 해양 심층수를 취수하여 전 처리단계, 염분 및 붕소(硼素)를 제거하는 단계, 음료 또는 식품제조에 사용하는 용수를 제조하는 단계로 이루어지며, 각 단계는 다음의 각 공정이 순차적으로 이루어지는 음료 또는 식품제조에 사용하는 용수를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용하는 해양 심층수는, 수심 200m 이하의 해양 심층수를 사용하며, 해양 심층수의 취수방법은 선상(船上)에서 해저 200m이하에 배관을 내려 취수하던가, 해저 수심 200m 이하까지 배관을 설치하여 펌프(Pump)로 취수하던가, 해저 수심 200m 이하까지 배관을 설치하여 취수정을 해수면 이하로 설치하여 사이펀(siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.
Ⅰ. 전 처리단계
1. 가온 처리공정
상기 수심 200m 이하에서 취수된 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점도가 높아 여과효율이 떨어지기 때문에 20∼30℃로 가온 처리를 한다.
역삼투 여과에서 수온이 1℃ 상승하면 막 투과수량은 3% 정도 증가하기 때문에 수온을 20∼30℃로 가온 처리하며, 가온 방법은 보일러(Boiler)에서 열을 공급받거나, 여름철에는 해양 표층수를 이용할 수도 있다.
2. 전 처리여과공정
전 처리여과공정은 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter), 한외여과(限外濾過: Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상 조합한 여과를 한 다음, 나노여과(Nanofiltration)와 역삼투여과(Reverse osmosis filtration)에서 막의 막힘(Fouling) 현상이 야기될 수 있는 부유고형물질(SS: Suspended solid)을 제거한 다음 염분 및 붕소제거단계로 보낸다.
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.
이때 취수된 해양 심층수의 탁도(濁度)가 2㎎/ℓ이하인 경우는 모래여과는 할 필요가 없다.
그리고 정밀여과(Micro-filter)와 한외여과(Ultra-filter)는 여과 막의 종류에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.
정밀여과 또는 한외여과는, 나노여과 및 역삼투 여과공정에서 막 막힘을 야기하는 고형물질을, 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 여과한다.
FI값은 대상 수중의 미세한 탁질 농도를 나타내는 수치로 다음 (7)식으로 표현 된다.
FI = (1－T0/T36)×100/15 …………………………………………………(7)
여기서 T0는 0.45㎛의 정밀여과 막을 이용해 시료수를 0.2㎫로 가압 여과했을 때에 최초의 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이며, T15는 T0와 동일한 상태에서 15분간 여과한 후에 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이다.
Ⅱ. 염분 및 붕소제거단계
1. 탈염공정
상기의 전 처리된 해양 심층수에 함유된 염분을 탈염처리하는 공정은, 다음의 나노여과와 역삼투 여과에 의한 탈염처리공정, 전기추출에 의한 탈염처리공정, 전기투석에 의한 탈염처리공정 중에서 한 공정을 선택하여 탈염처리한 탈염수를 pH 조정공정으로 보낸다.
(1) 나노여과 및 역삼투 여과에 의한 탈염공정
가. 나노여과(Nanofiltration)
상기 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter), 한외여과(限外濾過: Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 수중의 부유고형물질(浮游固形物質)을 제거한 해양 심층수는 나노여과장치로 보내어 여과되지 않고 황산 이온이 농축된 것은 방류하고, 여과 수인 탈황산이온염수는 1차 역삼투 여과공정으로 보낸다.
나노여과 막에서 이온의 투과순서는 양이온의 경우는 Ca2 +≥Mg2 +＞Li+＞Na+＞K+＞NH4 + 이고, 음이온의 경우는 SO4 2 -≫HCO3 -＞F-＞Cl-＞Br-＞NO3 -＞SiO2 이며, 황산이온(SO4 2 -)의 경우는 Mg2 +와 Ca2 +보다도 투과하기 어렵다.
나노여과공정에서는 해양 심층수 중에 용해되어 있는 CaCO3, CaSO4, SrSO4와 같이 용해도가 작아 역삼투 여과공정에서 염을 농축분리하는 과정에, 막(膜)에서 스케일(Scale)이 생성되어 막 막힘(Fouling) 현상을 최대한 억제하기 위해서 황산 이온(SO4 2 -)을 제거한 탈황산이온염수를 1차 역삼투 여과공정으로 보낸다.
나노여과공정에서 공급압력은 염 농도가 3.5wt%인 해양 심층수의 삼투압 25 기압(atm)보다 낮은 15∼20기압(atm)으로 하며, 이때 나선형 막의 경우 막 투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 이때 막 투과수량은 유입수량의 70∼80%가 된다.
그리고 나노여과 막의 소재는, 폴리아미드(Polyamide)계, 폴리피페라진아미드(Polypiperazineamide)계, 폴리에스텔아미드(Polyesteramide)계, 혹은 수용성의 비닐폴리머(Vinylpolymer)를 가교 한 것 등을 사용할 수 있으며, 막 구조는 막의 한 면에 치밀 층(緻密層)으로 되어 있으며, 치밀 층으로부터 막 내부 혹은 한 면의 막을 향해서 서서히 큰 구멍에서 미세 구멍으로 된 비대칭막(非對稱膜)이나, 이러한 비대칭 막의 치밀 층 위에 다른 소재로 형성된 매우 얇은 분리기능층(分離機能層)을 가지는 복합 막(複合膜) 등을 사용할 수 있으며, 피페라진 폴리아미드계 복합 막이 바람직하지만, 본 발명에서는 막의 재질과 구조에는 특별히 제한하지는 않는다.
[실시 예1]
표1의 해양 심층수를 25℃로 가온 처리 후 한외여과(限外濾過)에서 FI값이 3.2인 전 처리한 여과수를 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 가교폴리아미드(Cross-linked polyamide) 재질의 모델번호 SU-610의 나선형 나노여과 막을 사용하여 압력을 20㎏/㎠G로 막에 공급하여 막 투과수량은 1.2㎥/㎡·일로 하였을 때 막 투과수량은 유입수량의 80%가 되었으며, 이때 여과한 결과 황산 이온(SO4 2 -) 함유 미네랄수와 여과된 탈황산이온수의 주요성분의 분석 치는 다음 표 2의 내용과 같다.
표 2 나노여과공정의 유입수인 원수와 여과수의 주요성분 분석 치
| 항 목 | 전 처리된 해양 심층수(원수) | 탈황산이온염수(여과수) | 제거율(%) |
| pH | 7.80 | 7.24 | - |
| Na+(㎎/ℓ) | 10,800 | 9,645 | 10.50 |
| Cl-(㎎/ℓ) | 22,370 | 17,328 | 22.54 |
| Ca2 +(㎎/ℓ) | 456 | 339 | 25.66 |
| Mg2 +(㎎/ℓ) | 1,300 | 1,062 | 18.31 |
| K+(㎎/ℓ) | 414 | 355 | 14.25 |
| SO4 2 -(㎎/ℓ) | 2,833 | 610 | 78.47 |
| B(㎎/ℓ) | 4.44 | 4.43 | 0.23 |
표 2의 내용에서 보는 바와 같이 해양 심층수를 나노여과처리를 한 결과, 붕소화합물은 거의 제거되지 않았으며, 염분과 칼슘, 마그네슘 등은 제거율이 10∼26% 정도로 낮았지만, 황산 이온은 78.48%로 제거율이 상당히 높았다.
나. 역삼투 여과(Reverse osmosis filtration)
상기 나노여과장치에서 여과된 탈황산이온염수가 고압 역삼투 여과장치에 공급되면, 운전압력을 50∼60기압(atm)으로 여과 막에 공급하며, 나선형여과 막의 경우 막 투과수량은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 염분은 99.0 ∼ 99.85wt% 범위로 제거되며, 염수는 소금 및 미네랄제조공정으로 보내면서 일부는 증발농축공정의 황산칼슘제조용으로 보내고, 염분이 탈염(脫鹽)된 탈염수는 pH조정공정으로 보낸다.
[실시 예2]
실시 예1의 나노여과에서 여과된 여과수(濾過水)인 탈황산이온염수를 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 여과한 결과, 여과된 탈염수의 수질의 주요성분 분석 치는 다음 표 3의 내용과 같다.
표3 고압 역삼투 여과에서 유입수와 여과수인 탈염수의 주요성분 분석 치
| 항 목 | 유입수(탈황산이온염수) | 여과수(탈염수) | 제거율(%) |
| pH | 7.9 | 7.34 | - |
| Na+(㎎/ℓ) | 9,645 | 38.4 | 99.60 |
| Cl-(㎎/ℓ) | 17,328 | 71.2 | 99.59 |
| Ca2 +(㎎/ℓ) | 339 | 0.6 | 99.82 |
| Mg2 +(㎎/ℓ) | 1,062 | 1.9 | 99.82 |
| K+(㎎/ℓ) | 355 | 1.7 | 99.52 |
| SO4 2 -(㎎/ℓ) | 610 | 4.7 | 99.23 |
| B(㎎/ℓ) | 4.43 | 1.8 | 59.37 |
표 3의 내용에서 보는 바와 같이 해양 심층수를 역삼투 여과에서는 대부분의 물질은 99% 이상 고도로 제거되었으나 붕소화합물은 1.8㎎/ℓ으로 제거율이 60% 이하로 매우 낮았으며, 음용수 수질 기준치 0.3㎎/ℓ의 6배를 초과하기 때문에 이를 음료 또는 식품제조에 사용하는 용수로 사용은 불가능하였다.
(2) 전기추출에 의한 탈염공정
전기추출에 의한 탈염장치는 염추출실(3) 내부에 양극(5)과 음극(6)을 설치하고, 양극(5)과 음극(6) 사이에는 격막(7)으로 격리된 탈염실(4)에 해양 심층수를 공급하면서 정류기로부터 직류전기를 인가하여 탈염실(4)에 전기장(電氣場: Eelectric field)을 형성하면 전기영동(電氣泳動: Electrophoresis)에 의해 염추출실(3)로 염분을 추출하여 탈염처리 하는 탈염장치이다.
제2도는 "전기추출에 의한 해양 심층수의 탈염처리 메커니즘의 설명도"로 염추출실(3) 내부에 설치된 양극(5)과 음극(6) 사이에 격막(7)으로 격리된 탈염실(4)로 구성된 탈염장치에 의해서 해양 심층수를 탈염처리(脫鹽處理)하여 담수화(淡水化) 하는 경우, 염추출실(3)에 용수(또는 해양 심층수)를 공급하고, 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)에 유입된 해양 심층수를 해양 심층수 이송펌프(2)로 탈염실(4)에 공급하여 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)로 순환하면서, 송풍기(9)로부터 대기 중의 공기를 산기관(10)을 통해서 폭기하고, 정류기로부터 3∼10볼트(Volt)의 직류전기를 인가(印加)하여 전기장(電氣場: Electric field)을 형성하면 전기영동에 의해서 탈염실(4)의 해양 심층수에 함유된 모든 양이온(Na+, K+, Ca2 +, Mg2 +, Fe2+, Fe3 +, Zn2 + …등)은 음극(6) 쪽의 격막(7)을 투과하여 염추출실(3)로 이동하게 되며, 모든 음이온(Cl-, Br-, NO3 -, SO4 2 -, HCO3 -, CO3 2 -, HPO4 2-, PO4 3 - …등)은 양극(5) 쪽의 격막(7)을 투과하여 염추출실(3)로 이동하게 되어 농축 염수 저장조(20)의 농축된 염수의 보메도 비중 지시제어스위치(BIS: Baume's hydrometer indicating control switch)의 보메도 비중이 12∼20°Be가 되면 솔레노이드밸브(Solenoid valve)를 작동하여 농축된 염수는 소금제조공정으로 배출하고, 탈염실(4) 내의 해양 심층수 중에서 염분이 제거되어 해양 심층수 라인의 전기전도율지시제어스위치(ECIS: Electric conductivity indicating control switch)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝범위로 탈염된 탈염수는 솔레노이드밸브(Solenoid valve)를 작동하여 pH 조정공정으로 보낸다.
제3도는 전기추출에 의한 탈염장치로, 염추출실(3) 내에 양극(5)과 음극(6)을 교호적(交互的)으로 다수를 설치하고, 이들의 양극(5)과 음극(6) 사이에는 격막(7)으로 분리된 다수의 탈염실(4)로 구성된 탈염장치에 용수(또는 해양 심층수)를 염추출실(3)로 공급하고, 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)의 해양 심층수를 해양 심층수 이송펌프(2)에 의해서 각 탈염실(4)에 공급하여 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)로 반송하면서, 송풍기(9)로부터 대기 중의 공기를 산기관(10)을 통해서 폭기하면서 정류기로부터 3∼10볼트(Volt)의 직류전기를 인가하여 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 탈염실(4)의 해양 심층수에 함유된 모든 양이온은 음극(6) 쪽의 격막(7)을 투과하여 염추출실(3)로 이동하게 되며, 모든 음이온은 양극(5) 쪽의 격막(7)을 투과하여 염추출실(3)로 이동하게 되면서 농축된 염수는 보메도 비중 지시제어스위치(BIS)의 보메도 비중이 12∼20°Be가 되면 솔레노이드밸브를 작동하여 농축된 염수는 소금제조공정으로 배출하고, 탈염실(4) 내의 해양 심층수 중에 함유된 염분이 제거되어 전기전도율지시제어스위치(ECIS)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝범위로 탈염된 탈염수는 솔레노이드밸브를 작동하여 pH조정공정으로 보낸다.
음극(5) 쪽의 격막(7)은 모든 양이온을 투과하는 양이온교환 격막을 사용하고, 양극(5) 쪽의 격막(7)은 모든 음이온을 투과하는 음이온교환 격막을 사용한다.
모든 양이온을 투과하는 양이온교환 격막은 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 선택적 으로 투과시키기 위해 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine)과 같은 양이온성 고분자 전해질을 박층상(薄層狀)으로 부착(Coating) 또는 결합하여 수식(修飾)처리를 하지 않은 양이온교환 격막을 사용한다.
그리고 모든 음이온을 투과하는 음이온교환 격막은 기재의 폴리머 사슬(Polymer chain)에 １급으로부터 ３급 아민(Amine)이나 암모늄 기를 막에 고정하여 아미노화(Amination)하여 양이온을 도입한 정하전막(正荷電膜)의 표면에 1가 음이온을 선택적으로 투과하도록 막 표면을 수식(修飾)처리하지 않은 막을 사용한다.
그리고 격막(7)은 양극(5) 쪽과 음극(6) 쪽을 동일하게 석면(石綿)이나 나이론(Nylon, Polyamide), 폴리플루오로올레핀(Polyfluoroolefin), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리오레핀(Polyolefin), 폴리테트라플루오로에틸렌(ＰＴＦＥ: Polytetrafluoroethylene), 폴리에스텔(Polyester), 폴리불화비닐리덴(poly vinylindene fluoride), 헥사플루오르프로필렌(Hexafluoropropylene), 테트라플루오르에틸렌(TFE: Tetrafluoroethylene)의 공중합체(共重合體) 막을 사용하여도 된다.
격막 서포터(4)는, 격막(7) 외부에 1∼10㎜ 두께의 비스코스레이온(Viscose rayon)이나 나이론 등의 합성수지의 부직포(不織布) 위에 내염성 스테인리스강이나 티타늄의 다공판(多孔板)이나 격자판(格子板)으로 지지고정시킨다.
상기의 전기추출에 의한 탈염장치에서 해양 심층수를 탈염처리를 하면 해양 심층수 중에 함유되어 있는 1가 염(NaCl, KCl, KBr 등) 및 다가염(多價鹽, MgCl2, MgSO4, CaSO4, FeCl2, FeCl3, SrSO4 …등)의 모든 염이 탈염처리 된다.
상술한 해양 심층수 중의 염분이 전기추출에 의한 탈염장치에 의해서 탈염처리 되는 전기화학적 반응메커니즘(Reaction mechanism)을 검토하면 다음과 같다.
해양 심층수 중에 함유되어 있는 염류 중에서 NaCl의 경우를 고려하면, 해양 심층수 중에서 가수분해반응에 의해서 Na+과 Cl-이온으로 다음 반응식 (8)과 같이 해리(解離)된다.
NaCl ―H2O→ Na+ + Cl- …………………………………………………(8)
정류기로부터 양극(5)과 음극(6)에 직류전기를 인가하여 탈염실(4) 내부에 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 탈염실(4)의 해양 심층수에 함유된 Na+이온과 같은 양이온은 음극(6) 쪽의 격막(7)을 투과하여 염추출실(3)로 이동하게 되며, Cl-이온과 같은 음이온은 양극(5) 쪽의 격막(7)을 투과하여 염추출실(3)로 이동하게 되면서 탈염실(4)의 해양 심층수로부터 염(NaCl, KCl, CaSO4, CaCO3, MgCl2, MgSO4, MgBr2, SrSO4 …등)이 제거(탈염) 하게 되며, NaCl의 경우 반응 메커니즘을 검토하면 다음과 같다.
Na+ ―― 격막 ―→ Na+ …………………………………………………………(9)
Cl- ―― 격막 ―→ Cl- …………………………………………………………(10)
염추출실(3)로 이동한 Na+이온과 Cl-이온은 원래의 NaCl상태로 인사이투(in situ) 반응이 일어나게 되면서 염분이 추출된다.
Na+ + Cl- ―H2O→ NaCl …………………………………………………………(11)
그리고 양극(5)과 음극(6) 측에서는 다음과 같은 부반응(副反應)이 일어나면 악취발생과 전력소모량이 증가할 우려가 있기 때문에 송풍기(Air blower: 9)로부터 대기 중의 공기를 산기관(Diffuser: 10)을 통해서 폭기하여 다음과 같은 부반응(副反應)을 최대한 억제되도록 한다.
2Cl- → Cl2 ( aq ) + 2e- ……………………………………………………………(12)
Cl2 ( aq ) → Cl2 (g)↑ ………………………………………………………………(13)
Cl2 ( aq ) + H2O → HClO( aq ) + HCl …………………………………………………(14)
2HClO( aq ) + 2H+ + 2e- → Cl2 (g)↑ + 2H2O ……………………………………(15)
2H2O + 2e- → 2OH- + H2 (g)↑ ……………………………………………………(16)
이때 송풍기(9)로부터 산기관(10)을 통해서 공급하는 공기의 공급량은 폭기강도(Intensity of aeration)가 1.2∼2.0공기(㎥)/조 용적(㎥)이 되도록 한다.
전기추출에 의한 탈염방법의 특칭은 전기분해(電氣分解)나 전기투석(電氣透析)에 의한 탈염방법에 비해서 염분(NaCl 등)이 분해반응(分解反應)에 의한 탈염이 전혀 일어나지 않고, 탈염실(4)의 해양 심층수에 함유되어 있는 염분을 정류기로부터 양극(5)과 음극(6)에 직류 전류를 인가하여 전기장을 형성하면 전기영동에 의해서 양이온(Na+ 등)은 양극(5) 쪽의 격막(7)을 투과하여 염추출실(3)로 이동하게 하고, 음이온(Cl- 등)은 양극(5) 쪽의 격막(7)을 투과하여 염추출실(3)로 이동하게 하므로 원래의 염의 상태로 인사이투(in situ) 반응이 일어나게 하여 추출제거되므로 염의 분해에 의한 전류소비가 되지 않기 때문에 전력소모가 적은 특징이 있다.
그리고 양극(5)과 음극(6)의 거리가 일정하며, 어느 특정부분이 가깝게 존재하지 않기 때문에 전술한 반응식 (12)에서 (16)과 같은 부반응이 일어날 우려가 적으면서, 전극 판에서 균일한 전류밀도(電流密度)를 유지할 수 있기 때문에 탈염처리 효율이 높은 특징이 있다.
염추출실(3)과 탈염실(4)의 재질은 내염성 스테인리스강, 티타늄(Titanium)을 사용하던가 카본 스틸(Carbon steel)에 에폭시(Epoxy) 코팅(Coating)이나 라이닝(Lining)을 하던가, 유리섬유강화플라스틱(FRP: Fiber glass reinforced plastic)을 라이닝 한다.
음극판(6)의 재질은 수소발생과전압(水素發生過電壓))이 높은 재질인 스틸 판에 레이니 니켈(Raney nickel)을 라이닝한 것이나 내염성 스테인리스강, 티타늄(Titanium)판을 사용하며, 양극(5) 판은 내식성이 우수하면서 산소(酸素) 및 염소발생과전압(鹽素發生過電壓)이 높은 재질인 티타늄판에 TiO2-RuO2를 소부(燒付) 코팅(Coating)한 디에스에이(DSA: Dimensionally Stable Anode) 전극을 사용한다.
[실시 예3]
전기추출법에 의한 탈염장치의 사양이, 탈염실(4) 용량은 0.1㎥(25㎜×1,000㎜×4,000㎜), 염추출실(3)의 용량 3.24㎥(750㎜×1,200㎜×3,600㎜), 양극은 1,000㎜×1,200㎜ 티타늄판에 TiO2 - RuO2를 소부 코팅한 DSA전극과 음극은 1,000㎜×1,200㎜ 티타늄판 전극을 사용하고, 양극 쪽의 격막과 음극 쪽의 격막의 재질 및 크기가 동일한 폴리에스테르 3㎜ 두께의 3,600㎜×1,000㎜ 크기의 격막을 사용한 탈염실(4)에 염분 함량이 3.45wt%인 해양 심층수를 30℃로 가온한 다음, 나노여과를 하여 FI값을 3.2로 여과된 여과 수를 1톤/hr을 공급하면서 정류기로부터 직류전압 10볼트(Volt)를 인가하여 인가되는 전류(電流)와 염분제거율을 측정한 결과는 다음 표3의 내용과 같았다.
표4 해양 심층수를 전기추출에 의한 탈염처리한 탈염수의 주요성분 분석 치
| 항 목 | 유입수(해양 심층수수) | 탈염수 | 제거율(%) |
| pH | 7.98 | 7.35 | - |
| Na+(㎎/ℓ) | 10,800 | 218 | 97.98 |
| Cl-(㎎/ℓ) | 22,370 | 461 | 97.94 |
| Ca2 +(㎎/ℓ) | 456 | 13.4 | 97.06 |
| Mg2 +(㎎/ℓ) | 1,300 | 39.2 | 96.99 |
| K+(㎎/ℓ) | 414 | 8.2 | 98.02 |
| SO4 2 -(㎎/ℓ) | 2,833 | 113.1 | 96.01 |
| B(㎎/ℓ) | 4.44 | 1.77 | 60.13 |
상기 표4의 내용에서 보는 바와 같이 전기추출에 의한 탈염장치에 의한 해양 심층수의 탈염처리는 나노여과와 역삼투 여과에 의한 탈염처리 효율이 다소 떨어지면서 붕소의 제거율도 60% 정도로, 음료수 기준치 0.3㎎/ℓ보다 약 6배의 농도로 존재하였다.
(3) 전기투석에 의한 탈염공정
염수에 함유된 염분을 전기투석에 의한 탈염처리는 정류기로부터 직류전기를 인가하면, 직류전원의 전위차(電位差)를 구동력(Driving force)으로 하여 이온성 용질을 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 양이온교환 격막(17)은 고정부전하(固定負電荷)를 가지는 모든 양이온을 투과하고, 음이온교환 격막(16)은 고정정전하(固定正電荷)를 가지는 모든 음이온을 투과하는 이온교환 격막을 사용한다.
전기투석장치(11)는 도 4에서 모든 양이온을 투과하는 양이온교환 격막(17)과 모든 음이온을 투과하는 음이온교환 격막(16)으로 격리된 탈염실(18)과 탈염실(18) 사이사이에 염농축실(19)이 교호적(交互的)으로 일렬로 다단(多段)을 설치하고, 양단의 양극실(14)에는 양극(12)이. 음극실(15)에는 음극(13)이 설치된 구조로 되어 있다.
전 처리된 해양 심층수 저장조(1)의 해양 심층수를 해양 심층수 이송펌프(2)로 전기투석장치(11)의 탈염실(18)에 공급하여 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)로 반송하고, 농축 염수 저장조(20)의 농축 염수를 농축 염수 이송펌프(21)로 염농축실(19)로 공급하여 농축 염수 저장조(20)로 반송하면서 양극실(14)의 양극(12)과 음극실(15)의 음극(13)에 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하면, 탈염실(18) 내의 염수 중에 함유되어 있는 모든 양이온(Mn +: M는 양이온, n는 양이온 원자가의 수)은 전기적인 인력에 의해서 음극(13) 쪽의 양이온교환 격막(17)을 투과하여 염 농축실(19)로 이동하고, 모든 음이온(Xm -: X는 음이온, m는 음이온 원자가의 수)은 양극(12) 쪽의 음이온교환 격막(16)을 투과하여 염농축실(19)로 이동하게 되면서 탈염실(18) 내의 해양 심층수에 함유되어 있는 염분은 염농축실(19)로 이동하여 농축되면서 탈염처리 된다.
이때 음극실(15)과 양극실(14)의 전해질 용액은 해양 심층수를 이용할 수도 있으나, 양극(12)에서 염소(Cl2)가스의 발생을 방지하면서 양극(12)의 부식을 억제하기 위해서 3∼10wt%의 Na2SO4 수용액을 음극실(15)로 공급하여, 음극실(15)에서 배출되는 전해질 용액을 양극실(14)에 공급하는 것이 바람직하다.
상기의 전 처리 여과공정에서 여과된 해양 심층수가 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)에 공급되면, 해양 심층수 이송펌프(2)로 전기투석장치(11)의 탈염실(18)에 공급하여 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)로 반송하고, 농축 염수 저장조(20)의 농축 염수는 농축 염수 이송펌프(21)로 염농축실(19)로 공급하여 농축 염수 저장조(20)로 반송하면서 양극실(14)의 양극(12)과 음극실(15)의 음극(13)에 정류기로부터 직류전기(直流電氣)를 인가(印加)하면, 탈염실(18)의 해양 심층수 중의 모든 양이온은 전기적인 인력(引力)에 의해서 양이온교환 격막(17)을 투과하여 음극(13) 쪽의 염농축실(19)로 이동하고, 모든 음이온은 음이온교환 격막(16)을 투과(透過)하여 양극(12) 쪽의 염농축실(19)로 이동하면서 농축 염수 저장조(20)의 보메도 비중이 10∼12°Be범위로 농축된 농축 염수는 보메도비중지시제어기(BIS: Baume's hydrometer indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(Solenoid valve)를 작동하여 소금제조공정으로 보내고, 탈염실(18)에서 해양 심층수 중에 염분이 탈염처리되어 해양 심층수 반송라인에 설치된 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율(電氣傳導率)의 값이 5∼15㎳/㎝ 범위로 탈염처리된 탈염수는 솔레노이드밸브(Solenoid valve)를 작동하여 pH조정공정으로 보낸다.
염농축실(19)에는 농축 염수 저장조(20)의 농축 염수를 농축 염수 이송펌프(24)에 의해 순환·공급하면서, 탈염실(18)의 해양 심층수에 함유된 양이온은 전기적인 인력에 의해서 양이온교환 격막(17)을 투과하여 음극(13) 쪽의 염농축실(19)로 이동하고, 음이온은 음이온교환 격막(16)을 투과하여 양극(12) 쪽의 염농축실(19)로 이동하면서 염의 농축이 일어나 농축 염수 저장조(20)의 보메도 비중이 10∼12°Be범위로 농축된 농축 염수는 보메도비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.
전기투석장치(11)는 처리성능을 높이기 위해서는 전류밀도(電流密度)를 한계전류밀도(限界電流密度) 이하의 범위에서 가능한 운전하는 것이 바람직하지만, 한계 전류밀도는 염류농도에 비례하며, 확산 층(擴散層)의 두께에 반비례하므로, 확산 층의 두께가 일정한 경우, 배출되는 탈염수 중의 염 농도와 농축 염수의 염 농도에 의해 좌우되므로, 본 발명에서는 양이온교환 격막(17)과 음이온교환 격막(16)을 양극(12)과 음극(13) 사이에 교대로 배열한 탈염실(18)과 염농축실(19)을 형성하는 전기투석장치(11)에 해양 심층수는 해양 심층수 이송펌프(2)로 탈염실(18)에 보내어 탈염 후 일부는 순환(循環)하며, 농축 염수는 농축 염수 이송펌프(24)에 의 해 염농축실(19)로 보내어 순환함으로써 염농축효율을 향상하면서 염농축실(19)에서 스케일(Scale)성분이 염농축실(19)에서 생성되지 않도록 염농축실(19)에 통수하는 농축 염수를 다량으로 공급하면, 스케일 트러블(Scale trouble)을 방지할 수 있으며, 염농축실(19)에 염 농도가 높은 농축 염수를 공급함으로써 전류의 액저항(液抵抗) 적어지므로 한계전류밀도를 높일 수 있으므로, 전기투석장치(11)의 처리성능을 향상시킬 수 있다.
전기투석장치(11)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트러블(Trouble)을 억제하기 위해서는 탈염실(18)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10∼30㎝/초 범위로 탈염된 탈염수를 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)로 반송하며, 염농축실(19)에 공급하는 농축 염수의 유량은 막면선속도가 1∼3㎝/초 범위가 유지되도록 농축 염수를 농축 염수 저장조(20)로 반송한다.
본 발명에서 사용하는 양이온교환 격막(17)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, 음이온교환 격막(16)은 양이온교환막(3)과는 반대로 음이온을 교환할 수 있는 격막으로 정전하(正電荷) R-NH3 +를 폴리머사슬(Polymer chain)에 고정하고 있으면서, 정전하를 막에 고정하고 있는 정하전막(正荷電膜)을 사용하여 2가 이상의 다가(多價) 이온도 통과할 수 있 는 격막을 사용하여 NaCl과 KCl과 같은 1가 이온은 물론이고, MgCl2과 MgSO4와 같은 2가 이상의 염도 동시에 탈염될 수 있는 격막을 사용한다.
다시 말해서 1가 이온만 선택적으로 투과는 이온교환 격막을 사용하면 NaCl와 같은 1가 이온의 염(鹽)만 농축되어 다가(多價)의 미네랄 염(Mineral salts)은 농축할 수 없기 때문에 다가의 미네랄염도 동시에 탈염될 수 있는 이온교환 격막을 사용해야 한다.
전기투석장치(11)의 양극실(14)의 양극(12)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 염소 및 산소 발생과전압(發生過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용하여 음극실(15)를 통과한 용액을 주입하여 양극(12) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(13)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니니켈(Raney nickel)이나 스테인리스 스틸(Stainless steel)을 사용하고, 음극실(28)에 가장 인접한 양이온교환 격막(17)은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜)이나 1가 음이온투과 격막을 이용하는 것에 의해서 음극(13) 표면에서의 수소 이온의 발생량을 저감도록하여 전력효율의 향상과 악취발생이 저감 되도록 하는 것이 좋다.
그리고 염농축실(19)에서 스케일(Scale)의 생성이나 유기물 등의 슬라임(Slime)이 부착되어 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 양극(12)과 음극(13)의 전원을 전환하여 부착된 스케일과 슬라임(Slime)이 탈리(脫離) 되도록 한다.
전기투석공정의 농축 염수 저장조(20)에서 보메도 비중이 10∼12°Be 범위로 농축된 농축 염수는 보메도 비중지시제어기(BIS)에 의해 솔레노이드밸브를 작동하여 소금제조공정으로 보낸다.
[실시 예4]
전기투석장치의 사양이, 유효통전면적(有效通電面積)이 236㎜(세로)×220 ㎜(가로)의 두께 0.2㎜인 양이온교환 격막(17)은 모든 양이온을 투과하는 일본 아사이가세이(주)[旭化成工業株式會社]의 Aciplex K-101을 사용하고, 음이온교환 격막(16)은 아사이가세이(주)의 Aciplex A-101을 각각 50매를 티타늄 판(Titanium plate)에 RuO2-TiO2를 코팅(Coating) 한 DSA전극인 양극(12)과 스테인리스강(Stainless steel)의 음극(13) 사이에, 도 4에서와 같이 교호적으로 다단(50단)을 설치한 전기투석장치(11)의 탈염실(18)로 50ℓ의 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)에 전 처리된 25℃의 해양 심층수를 공급한 다음, 다이어프램(Diaphragm)형 정량펌프인 해양 심층수 이송펌프(2)로 막면선속도(膜面線速度)가 10㎝/초가 되게 탈염실(24)에 공급하여 해양 심층수 저장조(1)로 순환하고, 20ℓ의 농축 염수 저장조(20)의 염수를 다이어프램형 정량펌프인 농축 염수 이송펌프(21)로 막면선속도가 3㎝/초가 되게 염농축실(19)에 공급하여 농축 염수저장조(20)로 순환하면서, 정류기(整流器)로부터 직류전기를 전류밀도(電流密度)가 3∼4A/dm2로 인가하여(이때 인가전압은 55∼60Volt이었다.) 염수 순환라인의 전기전도율지시제어기(電氣傳導率指示制御器, ECIS)의 전기전도도(電氣傳導度) 값이 8㎳/㎝로 탈염처리하였을 때 탈염 된 탈염수의 주요성분 분석 치는 다음 표5의 내용과 같다.
이때 농축 염수 저장조(18)의 농축 염수의 비중은 12°Be조정하였으며, 음극실 용액은 5wt%의 Na2SO4수용액을 50㏄/min로 음극실(15) 하부로 공급하여 상부로 배출되는 것을 양극실(14) 하부로 공급하였다.
표5 해양 심층수를 전기투석에 의해서 탈염처리한 탈염수의 주요성분 분석치
| 항 목 | 유입수(해양 심층수수) | 탈염수 | 제거율(%) |
| pH | 7.98 | 7.35 | - |
| Na+(㎎/ℓ) | 10,800 | 640.2 | 94.07 |
| Cl-(㎎/ℓ) | 22,370 | 1590.2 | 92.89 |
| Ca2 +(㎎/ℓ) | 456 | 36.2 | 92.06 |
| Mg2 +(㎎/ℓ) | 1,300 | 102.7 | 92.10 |
| K+(㎎/ℓ) | 414 | 24.7 | 94.03 |
| SO4 2 -(㎎/ℓ) | 2,833 | 120.1 | 95.76 |
| B(㎎/ℓ) | 4.44 | 1.92 | 56.76 |
상기 표5의 내용에서 보는 바와 같이 전기투석에 의한 해양 심층수의 탈염처리는 전기추출에 의한 탈염처리 효율보다도 떨어지면서 붕소의 제거율도 56% 정도로, 음료수 기준치 0.3㎎/ℓ보다 6.4배의 농도로 존재하였다.
2. pH조정공정
해양 심층수에는 표1에서 보는 바와 같이 붕소가 4∼5㎎/ℓ범위로 함유되어 있으면서 붕산(H3BO3 , B(OH)3)의 형태로 존재하며, 붕소는 이온반경이 0.23Å 정도로 입자의 크기가 작으면서 해리 정수(解離定數) pKa의 값이 9 정도로 수중에서는 거의 비해리(非解離) 상태로 존재하기 때문에 상기 실시 예1에서 실시 예4에서 보는 바와 같이 단순히 나노여과 및 역삼투 여과방법, 전기추출법이나 전기투석법에 의 해서는 음료수기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어렵기 때문에 최종 여과처리는 pH를 9∼11로 알칼리(Alkali)처리를 하여 붕산을 겔(Gel) 상태의 폴리(Poly) 붕산으로 전환하여 역삼투 여과에 의해서 여과처리를 하여야 한다.
수중의 붕산은 알칼리상태로 처리를 하면 다음과 같은 (17)의 반응에 의해서 겔 상태의 폴리 붕산으로 전환된다.
B(OH)3+OH_ → [B(OH)4]- → [B3O3(OH)4]- → [B4O5(OH)4]2-→ [B5O6(OH)4]- …(17)
그래서 상기 1차 역삼투 여과공정에서 여과된 탈염수나, 전기추출법이나 전기투석법에 의한 탈염수가 pH조정공정에 공급되면, NaOH, NaHCO3, Na2CO3 중 한 종류의 알칼리(Alkali)제를 공급하여, pH를 9∼11의 범위로 조정하여 수중의 붕산 성분을 폴리 붕산으로 처리하여 붕소제거공정으로 보낸다.
pH조정공정의 운전조건은, 상기의 탈염수가 pH조정공정의 pH조정조에 공급되면 교반시간(체류시간)을 15∼30분간, 180∼360RPM(회전속도)의 프로펠러 교반기로 교반하면서 알칼리제를 주입하여 pH를 9∼11로 조정한다.
3. 붕소제거공정
상기 pH조정공정에서 pH를 9∼11로 조정하여 붕소제거공정의 2차 역삼투 여과장치에 공급되면, 운전압력은 10∼20기압(atm)으로 여과 막에 공급하며, 나선형여과 막의 경우 막 투과수량은 0.6∼0.8㎥/㎡·일로 운전하여 여과되지 않은 붕소 함유수는 중화처리 후 해저 200m이하의 원래의 위치로 방류하고, 붕소농도를 음료 수 기준치인 0.3㎎/ℓ이하로 여과된 탈 붕산수인 담수(淡水)는 담수 저장조로 보내었다가 음료 또는 식품제조에 사용하는 용수제조단계의 경도조정공정으로 보낸다.
차 음료의 용수에서와 같이 경도가 낮은 연수(軟水)를 용수로 사용하는 경우는 경도조정공정으로 보내지 않고, 물 분자집단의 소집단화공정으로 보내며, 또한, 물 분자집단이 소집단화된 소집단수도 필요로 하지 않은 경우는, 붕소제거공정의 2차 역삼투 여과장치에서 여과된 담수를 용수 저장조(38)로 보내어 음료 또는 식품제조에서 용수로 사용한다.
붕소제거공정에서는 pH가 9∼11의 알칼리상태로 공급되어도 스케일(Scale)을 생성하는 CaCO3, CaSO4와 같은 물질은 나노여과공정에서 제거되었기 때문에 스케일의 생성은 크게 문제되지 않는다.
[실시 예5]
실시 예2의 1차 역삼투 여과에서 여과된 여과수(濾過水)인 탈염수를 pH조정공정에서 pH를 9.5로 조정하여 수중의 붕소화합물을 폴리 붕산의 형태로 전환한 다음, 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 저압용 역삼투막 모델번호 SU-710의 나선형 역삼투 여과 막을 사용하여 압력을 25㎏/㎠G로 막에 공급하여 막 투과수량은 0.72㎥/㎡·일로 하였을 때 막 투과수량은 유입수량의 82%가 되었으며, 제2역삼투 여과 막을 여과한 여과수인 담수의 주요성분 분석 치는 표5와 같다.
표6. 붕소제거공정의 2차 역삼투 여과에서 여과된 담수의 수질 분석 치
| 항 목 | 제2역삼투 여과 막의 여과수(담수) | 비고 (먹는 물 기준치) |
| pH | 8.4 | 5.8∼8.5 |
| 전기전도율 (㎲/㎝) | 82 | |
| 17O-NMR (㎐) | 78 | |
| 산화환원전위 값 (㎷) | 210 | |
| 경도 (㎎/ℓ) | 14.8 | 300 이하 |
| Na+ (㎎/ℓ) | 28.96 | 200 이하(WHO기준) |
| Cl- (㎎/ℓ) | 50.82 | 250 이하 |
| Ca2 + (㎎/ℓ) | 0.86 | |
| Mg2 + (㎎/ℓ) | 3.08 | |
| K+ (㎎/ℓ) | 0.98 | |
| SiO2 (㎎/ℓ) | 0.25 | |
| SO4 2 - (㎎/ℓ) | 3.32 | 200 이하 |
| B (㎎/ℓ) | 0.12 | 0.3 이하 |
표6의 붕소제거공정의 2차 역삼투 여과에서 여과된 담수의 수질 분석 치에서 보는 바와 같이 붕소(B)농도가 음료수 기준치 0.3㎎/ℓ이하인 0.12㎎/ℓ로 처리되었으며, 나머지 성분도 음료 또는 식품제조공정에서 용수로 사용할 수 있도록 처리가 되었다.
3. 음료 또는 식품제조에 사용하는 용수제조단계
1) 경도조정공정
총경도(總硬度: Total hardness)는 수중에 함유되어 있는 칼슘과 마그네슘의 양을 나타내는 것으로 전경도(全硬度)라 하기도 하며, 일반적으로 경도라 하면 총경도를 의미한다.
해수 중에는 1가 염인 NaCl 성분을 제외한 나머지 염인 미네랄성분은 마그네슘과 칼슘성분이 주류를 이루고 있으며, 광천수나 하천수와 같은 담수에 함유된 미 네랄성분의 경우도 칼슘과 마그네슘성분이 주류를 이루고 있기 때문에 수용액 중에 미네랄성분의 함량을 나타내는 지표로서 주로 경도를 측정하여 미네랄함량을 추정하고 있다.
총경도는 물 1리터(ℓ)당의 칼슘과 마그네슘의 양(㎎/ℓ)을 탄산칼슘(CaCO3)으로 환산하여 나타내며, 총경도는 다음 식(18)에 의해서 계산된다.
(총)경도 = (칼슘량×2.5) ＋ (마그네슘량×4) (㎎ as CaCO3/ℓ)……(18)
본 발명에서 경도조정을 위한 경도조정제는 상기 해양 심층수를 농축하여 소금을 제조하는 공정에서 생산된 간수(苦汁)를 1가 양이온만 선택적으로 교환하는 격막과 1가 음이온을 선택적으로 교환하는 격막을 사용한 전기투석장치(電氣透析裝置)에서 NaCl을 탈염처리한 간수용액에 칼슘 제를 Ca/Mg의 중량비가 2∼6 범위로 혼합하고, 비환원성당류(非還元性糖類)인 자당(蔗糖: Sucrose), 트레할로스(Trehalose), 라피노오스(Raffinose), 비환원성당알코올(Nonreducing sugar alcohol)인 말티톨(Maltitol), 자일리톨(Xylitol), 솔비톨(Sorbitol), 에리쓰리톨(Erythitol), 락티톨(Lactitol), 만니톨(Mannitol) 중에서 한 종류 또는 2종류 이상을 혼합한 첨가제(添加劑)를 탈염된 간수 중에 함유된 고형물의 양을 기준으로 5∼20wt%을 첨가하고, 금속염과 착염(錯鹽)을 생성하는 구연산(Citric acid), 주석산(Tartaric acid), 사과산(Malic acid), 호박산(Succinic acid), 아스코르브산(Ascorbic acid), 젖산(Lactic acid) 중에서 한 종류 또는 2종류 이상을 혼합한 유기산을 5∼20wt%을 첨가하고, 교반·용해한 것을 경도조정제(硬度調整劑)로 사용 한다.
상기 염분 및 붕소제거단계의 붕소제거공정에서 여과된 담수인 용수가 경도조정공정의 경도 조정조(22)에 공급되면 경도 조정조 교반기(23)로 교반·혼합하면서 경도 조정제를 주입하여 경도(硬度)를 조정한 다음, 물 분자집단의 소집단화공정으로 보낸다.
경도(硬度)를 조정한 용수(用水)의 핵자기공명(核磁氣共鳴) 17O-NMR 반치폭의 값이 적은 소집단수(小集團水)의 경우나 소집단수를 필요로 하지 않은 용수를 음료 또는 식품제조에 사용하는 경우는 물 분자집단의 소집단화공정으로 보내지 않고, 경도를 조정한 용수를 용수 저장조(39)로 보내었다가 음료 또는 식품제조공정의 용수로 사용한다.
경도의 조정은 음료 또는 식품의 종류에 따른 레시피(Recipe)에 따라서 조정하는 데, 일반적으로 경도는 30∼1,000㎎/ℓ범위로 조정한다.
교반방법은 프로펠러 교반기로 교반시간(체류시간)을 0.5∼2시간, 회전속도를 180∼360RPM으로 교반하며, 재질은 내염성 재질인 SUS-316L, 티타늄, 브론즈(Bronze) 합금 중에서 한 종류를 사용한다.
차 음료에서와 같이 경도가 낮은 연수(軟水)를 용수로 사용하는 경우는, 경도조정공정을 생략한다.
2) 물 분자집단의 소집단화공정
상기 경도조정공정에서 경도를 조정한 용수가 전자처리조 공급펌프(24)로 물 분자집단의 소집단화공정의 전자처리조(25)에 공급되면, 정전압발생장치(31)로부터 고압의 교류 정전압을 목탄(木炭)이 충전(充塡)된 스테인리스 철망(전극: 26)에 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압과 0.4∼1.6㎂의 전류를 인가하여 스테인리스 철망(26)을 중심으로 +와 -의 정전장(靜電場)을 교대로 반복해서 물 분자에 4∼10시간 동안 인가(印加)하면, 이로 인하여 물 분자 자체가 진동ㆍ회전을 되풀이하면서 물 분자의 수소결합(水素結合)이 부분적으로 절단(切斷)되면, 중간 처리조(32)로 보내어 자화기 공급펌프(33)로 자화기(磁化器: 34)로 보내어 자화처리를 한 후에, 유입 유량의 1∼4배의 유량을 전자처리조(25)로 반송하면서 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR의 반치폭(半値幅) 값이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水: microclustered water)로 처리되면 용수 저장조(38)로 보내었다가 음료 또는 식품제조공정으로 보내어 용수로 사용한다.
그리고 핵자기공명 17O-NMR의 반치폭 값이 낮은 용수인 경우와 고도로 소집단화 소집단수를 필요로 하지 않은 경우는 물 분자집단의 소집단화공정을 생략하고, 경도가 조정된 용수를 용수 저장조(38)로 보내어 음료 또는 식품제조에서 용수로 사용한다.
이와 같이 생성된 소집단수는 약알칼리성의 고유진동수가 높은 고에너지의 산화환원전위(酸化還元電位: Oxidation Reduction Potential, ORP) 값이 100∼-250㎷ 범위의 환원수로 처리된다.
전자처리조(25)의 재질은 스테인리스 스틸(Stainless steel)을 사용하며, 내부에는 전도도(電導度)가 높은 목탄(木炭)이 충전(充塡)된 스테인리스 철망(26)을 설치하고, 하부에는 절연체(27)는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화비닐(PVC), 스티로폼(Styrofoam) 중에서 한 종류를 선택하여 설치하고, 절연체(27) 하부에는 도체이면서 내식성 재질인 스테인리스강판(28)을 기초 콘크리트 구조물(29) 사이에 설치하며, 스테인리스 강판(28)은 땅에 접지(30) 한다.
정전압발생장치(31)의 변압기(31)는 철심(31d), 1차 권선(31c), 2차 권선(31e), 2차 권선(31e)의 출력선(31f), 2차 권선(31e)의 절연처리 단말(31g)로 구성되어 있으며, 전압조정기(31b)는 1차 권선(31c)에 접속하며, 2차 권선(31e)의 출력선(31f)은 절연체(27) 위에 설치된 전자처리조(25) 내에 내장된 스테인리스 철망(전극: 26)에 접속한다.
전자처리조(25)에 내장된 스테인리스 철망(26)에 변압기(31b)의 2차 권선(31e)의 출력선(31f)를 접속하는 것과 동시에, 2차 권선(31e)의 절연처리 단말(31g)을 변압기(31a) 내의 절연물 안에 절연상태로 하고, 전자처리조(25)를 절연체(27)에 의해서 접지(30)와 절연상태로 한 절연체(27) 위에 설치하고, 스테인리스 강판(28)은 접지(30) 측에 어스(Earth)를 하고, 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)으로 접지와의 사이에 콘덴서를 형성한다.
변압기(31a) 내의 고압 측인 2차 권선(31e)의 일단인 절연처리 단말(31g)을 변압기(31a) 내의 절연물 안에서 절연상태로 한 콘덴서를 형성함 동시에, 고압 측의 2차 권선(31e)에 남는 일단의 출력선(31f)을 절연체(27)로 접지(30)와 절연한 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)에 접속하여 콘덴서를 형성하며, 그 결과, 출력선(31f)과 접지(30) 간의 전압은 250∼3,500볼트(Volt), 전류는 10∼150㎂의 미약 전류가 되므로 접지상태에서 사람이 전자처리조(25)에 접촉해도 위험은 없다.
정전유도는 전기적으로 중성인 물질에 대전한 대전체에 접근하면 대전체에 가까운 물질의 표면(表面)에 대전체와는 반대의 극성을 가지는 전하가 나타나 먼 쪽의 대전체와 같은 전하가 나타난다. 또, 대전체가 아니고 외부에 전기장이 존재하는 경우에도 외부전하와 반대의 전하가 나타난다. 이때 나타나는 전하를 유도전하(誘導電荷)라 하며, 중성물질은 유도전하를 가지게 되어 접촉하고 있지 않은 외부의 전기작용에 의해서 물질에 전하가 유도되어 +전하와 -전하가 분극(分極)하는 현상이 일어나며, 이 현상을 정전유도(靜電誘導)를 받고 있다고 하며, 이 현상을 응용하여 물질에 교류전압을 인가하면 물질의 분자에 회전과 진동이 가해져 분자의 이합집산(離合集散)을 촉진하며, 물질에 물리적인 특성(特性)을 변화시키는 것을 정전유도처리(靜電誘導處理)라 한다.
다시 말해서, 본 발명은, 정전압발생장치로서 변압기(31a)는 성층(成層)의 철심(31d)을 이용한 외철형의 원형코일변압기 타입(Type)의 것이며, 변압기(31a)의 1차 측 회로의 1차 권선(31c)을 전압조정기(31b)를 개입시켜 교류 전원에 접속하여 변압기(31a)의 2차 측 회로의 2차 권선(31e) 일단의 절연처리 단말(31g)을 변압기(31a) 내의 절연물 안에서 절연처리한 것과 동시에 2차 측 회로의 2차 권선(31e)의 출력선(31f) 측의 절연체(27)를 접지(30)에 연결하여 절연한 절연체(27) 위에 배치된 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)에는 250∼3,500볼트(Volt)의 전압과 10∼150㎂의 전류를 흐르게 하는 것에 의해서 정전유도처리를 하면 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)에서는 물 분자의 집단이 소집단화되어 침투성이 높은 물로 된다.
변압기(31a)는, 철심(31d)의 중앙부에 통 모양의 절연필름을 끼워 넣고, 다시 절연필름의 외주 면에 1차 권선(31c)과 2차 권선(31e)을 감고, 1차 권선(31c)은, 예를 들어 직경 0.6㎜의 폴리에스테르(Polyester)로 피복 한 동선을 사용하여 220∼240권으로 하고, 2차 권선(31e)은, 예를 들어 직경이 0.09㎜의 에나멜로 피복 한 동선을 사용하여 40,000회권으로 하지만, 이 2차 권선(31e)의 40,000회 중, 제1의 2차 권선(31e)을 22,000회권으로 하고, 제2의 2차 권선(31e)을 18,000회권으로 하여도 좋고, 이러한 동선코일의 직경, 종류, 동선의 권수 등은 처리용량과 치리시간, 인가전압 등의 조건에 따라서 결정한다.
통상의 경우, 이러한 동선코일(Coil)은 0.03∼3㎜의 것을 이용할 수 있으며, 동선의 종류는 폴리에스테르이나 에나멜로 피복 한 동선을 사용하여 동선코일의 권수는 1차 권선(31c)은 200∼250회권으로 하고, 2차 권선(31e)은 28,000∼40,000회권으로 하거나 2차 권선(31e) 내에서 제1의 2차 권선(31e)을 16, 800∼22,000권으로 하고, 제2의 2차 권선(31e)을 11,200∼18,000권으로 해도 좋다.
2차 권선(31e)의 절연처리 단말(31g)은 변압기(31a) 내에 있고, 그 첨단 부분을 절연테이프로 감은 후, 타르 피치(Tar pitch) 등의 절연물을 변압기(31a) 내에 충전해서 2차 권선(31e)의 절연처리 단말(31g)을 가려 싸도록 해서 절연하지만, 절연물은 타르 피치 이외에도 절연유, 불포화폴리에스테르, 폴리우레탄 수지 등도 이용할 수 있다.
스테인리스 철망(26)은 SUS-316이나 SUS-304 재질의 철망 상의 상자가 최적이지만, 이외에도, 슬릿(Slit)상의 다공 판 모양이나 그 외의 그릿(Grit) 형상의 것도 상관없다.
변압기(31a)에 교류를 흐르게 하여 변압기(31a)의 1차 전압을 전압조정기(31b)로 조작하여 100∼220볼트(Volt)로 조정하면, 2차 측의 2차 권선(31e)의 단말(31g 및 31f) 사이에는 12,000∼18,000볼트(Volt)의 전압이 발생하지만, 2차 측 회로의 2차 권선(31e)의 절연처리 단말(31g)을 절연하고 있으므로, 절연체(27)로 절연된 전자처리조(25) 내의 출력선(31f)과 접속하고 있는 스테인리스 철망(26)과 접지(30) 사이에는 약 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압과 10∼150㎂의 전류가 흐르게 된다.
상술한, 2차 측에 발생한 12,000∼18,000볼트(Volt)의 전압이, 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)과 접지(30) 사이에는 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압과 10∼150㎂의 전류가 흐르게 되는 것은 2차 권선(31e)의 절연처리 단말(31g) 부위의 콘덴서와 절연체(27) 하부 부위에 형성된 콘덴서인 절연체(27), 2차 권선(31e)의 저항, 코일의 교류저항회로에 의한 것이다.
즉, 전술한 회로는, 2차 권선(31e)의 일단인 절연처리 단말(31g) 부위에 형성된 콘덴서와 2차 권선(31e)의 출력선(31f)을 절연체(27)로 절연되고 있는 부위의 콘덴서에 의한 출력전압으로부터의 방전에 의한 공진 주파수에 의해서 정전유도를 일어나게 한다.
전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26) 크기, 그리고 전자처리조(25)의 용량, 절연체(27)의 높이에 따라서 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)과 접지(30) 사이의 전압은 3,500∼5,000볼트(Volt)로 변동하며, 전류도 10∼150㎂ 범위로 변화한다. 또한, 입력 전원을 전압조정기(31b)로 0∼220볼트(Volt) 범위로 조정하는 것에 따라서 전압과 전류를 변동시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 교류저항회로에 의해서 발생시킨 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)의 전압은 무 부하(無負荷) 시에 3,500∼5,000볼트(Volt)이지만, 전류는 10∼150㎂ 범위의 미약한 전류이므로 인체에 대해서 안전하고, 감전이나 화재 등의 트러블(Trouble)을 일으킬 우려는 없으며, 또한, 스테인리스 철망(26)에 인가되는 전압과 전류는 전자처리조(25)의 용량, 정전유도처리조건에 따라서 전압조정기(31b)에 의해서 전압을 조정하지만, 통상의 경우는 스테인리스 철망(26)과 접지(30) 간의 전압이 550∼1,600볼트(Volt), 전류 30∼100㎂ 범위로 하는 것에 의해서 전자처리조(25)에 정전유도를 하는데 적절한 교류 전계(電界)를 구성할 수 있다.
그리고 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)에 대해서는, 스테인리스 철망(26)이 +전하가 되면, 접지(30) 측에서는 -전하가 유전(誘電)되며, 반대로 스테인리스 철망(26)이 -전하가 되면 접지(30) 측에서는 +전하가 유전되며, 이후 교류 전원의 주파수에 따라서 스테인리스 철망(26)은 1초간에 주파수(50 내지 60회)만큼 +전하와 -전하가 바뀌게 되며, 이것에 따라서 접지(30) 측의 전하도 유전되어 +전하와 -전하가 바뀌게 된다.
일반적으로 물질은 원자에 의해 성립되고 있으며, 이 원자는 원자핵과 전자에 의해 구성되고 있으며, 다시 원자핵은 중성자와 양자로 구성되어 있으며, 그리고 원자핵의 주위에는 부(-)의 전하를 가지는 전자가 원운동을 하고 있고, 외부 전계가 작용하지 않는 정상상태에서는 양자의 +전하와 전자의 -전하가 동량으로 안정된 상태로 되어 있으나, 외부에서 높은 전압을 인가하면 이것에 의해서 전자는 한 편으로 이동하면서, 또한 양자도 한편으로 이동하기 때문에 원자의 전기적 중심이 일치하지 않게 되어 원자는 한 개의 전기쌍극자(電氣雙極子)를 형성하게 되면서 전하의 밸런스(Balance)에 의해서 내부전계(內部電界)가 발생하면서 분극(分極)을 일으키게 된다.
이와 같은 경우 원자(분자)가 외부전계(外部電界)에 의해서 분극 하므로 이를 전자분극(電子分極) 혹은 원자분극(原子分極) 이라고 하며, 전자처리조(25) 내의 스테인리스 철망(26)에 높은 정전압을 인가하면 모든 분자는 정전유도에 의해서 +전하와 -전하의 교체에 따라서 순응하려고 하지만, 분자 간의 결합력의 강한 것과 약한 것의 차이가 생겨 물 분자 집단(Cluster)은 수소결합(水素結合)이 부분적으로 절단(切斷)되어 소집단화(小集團化)하여 소집단수(Microclustered water)로 처리되면서 표면장력(表面張力)이 적게 되면서 점성이 적게 되어 침투성이 좋은 물로 처리된다.
그리고 처리용량이 큰 경우에는 목탄이 충전된 스테인리스 철망(26)이 내장된 전자처리조(25)를 복수로 여러 개 설치하여 처리한다.
그리고 상술한 정전압발생장치(31)의 변압기(31a)로부터 고압의 교류 정전압을 전자처리조(25)에 인가하면 전자처리조(25) 내의 수용액에 미생물이 존재하는 경우에는 고압의 정전압에 의해서 멸균처리된다.
자화기(34)는 두 개의 평행한 원형(Ring type)의 코일 포머(Coil former: 25)에 두 개의 동축코일(Coaxial coil)을 그 반경만큼 서로 떨어뜨려 코일을 감아 위치시킴으로써 직류전기를 인가(印加)될 때 그 공간에서 균일한 자기장(磁氣場)을 일정하게 유도하는 코일(Coil: 36)을 감은 원형 베셀(Vessel) 내부에는 자성체인 자철광 또는 자성 세라믹스(Magnetic ceramics) 충전물(37)을 충전(充塡)한 장치로 구성되어 있다.
자화기(34)의 코일 포머(Coil former: 35)의 재질은 비자성체인 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), ABS수지(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 플루오르수지(Fluororesin), 아크릴수지(Acrylic resin), 베이클라이트(Bakelite), 에보나이트(Ebonite), 유리섬유강화플라스틱(Fiber glass reinforced plastic), 티타늄(Titanium), 비자성강(非磁性鋼), 세라믹스(Ceramics)의 무기질재료 중에서 한 종류를 선택하여 사용한다.
정류기로부터 코일(36)에 인가하는 전압과 전류는 처리용량에 따라서 차이가 있지만, 자화기(34) 내에서 보자력(保磁力)이 5,000∼20,000가우스(Gauss) 범위가 되게 인가하며, 전류의 주파수는 30∼350㎐의 범위로 하며, 이때 전류가 5암페어(Ampere) 이상 인가되는 경우는 열이 발생하기 때문에 공랭식(空冷式) 또는 수랭 식(水冷式)의 냉각설비를 하여야 한다.
자화기(34) 베셀(Vessel)의 재질은 비자성체인 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), ABS수지(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 플루오르 수지(Fluororesin), 아크릴수지(Acrylic resin), 베이클라이트(Bakelite), 에보나이트(Ebonite), 유리섬유강화플라스틱(Fiber glass reinforced plastic), 티타늄(Titanium), 비자성강(非磁性鋼), 세라믹스(Ceramics)의 무기질재료 중에서 한 종류를 선택하여 사용한다.
자화기(34) 내부의 자장을 통과하는 물의 분자 집단은 피코초(Picosecond)에 순간적으로 소집단화되기 때문에 체류시간은 별 의미가 없다.
본 발명에서는 자화기(34)의 높이(길이)는 50∼120㎝로 하고, 유체의 통과 속도(유속)는 자장의 통과속도는 빠를수록 처리효율이 향상되지만, 1.5∼4m/sec 범위로 유로의 단면적(斷面的)을 결정한다.
자화기(34) 내부에 충전하는 자성체는 자철광 또는 자성 세라믹스를 2∼10㎜φ 크기로 것을 충전한다.
그리고 처리수의 용량이 대용량인 경우에는 목탄(木炭)을 충전한 스테인리스 스틸 철망(26)이 내장된 전자처리조(25)를 다단으로 설치하여 처리한다.
본 발명에서와 같이 고압 정전압처리와 자화기에 의한 물 분자의 집단이 소집단화처리를 하면 물의 표면장력(表面張力)과 점도(粘度)가 적어지면서 침투력(浸透力)이 향상되어 청량감이 뛰어난 환원성 물로 처리된다.
[실시 예6]
실시 예5에서 생산된 담수의 핵자기공명(核磁氣共鳴) 17O-NMR spectrum 반치폭의 값을 측정한 결과는 도 6에서와 같이 78㎐이며, 총경도가 14.47㎎ as CaCO3/ℓ인 담수에 경도조정제를 주입하여 총경도를 132㎎ as CaCO3/ℓ로 조정한 용수를, 1㎥ 용량의 스테인리스 철망(26)에 참숯을 충전한 것이 내장된 2㎥ 용량의 전자처리조(25) 1.5㎥을 주입하고, 1.5㎥ 용량의 중간 처리조(32)에 1.2㎥을 주입하였다.
그리고 전자처리조(25)에 내장된 참숯이 충전된 스테인리스 철망(26)에 정전압발생장치로부터 3,500볼트(Volt)의 전압과 0.56㎂의 전류를 인가하고, 자화기(34) 내부에는 보자력이 10,000가우스(Gauss)가 유지되도록 정류기로부터 코일(36)에 0.8볼트(Volt)의 전압과 1.5암페어(Ampere)의 전류를 인가하면서 자화기 공급펌프(33)로 자화기에 2.5 ㎥/시간의 유량으로 공급하여 100%전자처리조(25) 로 4시간 동안 반송하면서 회분식 운전(Batch operation)하여 물 분자의 집단이 소집단화한 다음, 핵자기공명(NMR) 17O-NMR의 반치폭의 값은 도 7에서와 같이 58㎐로 물 분자 집단이 소집단화되었으며, 산화환원전위(ORP) 값은 -100㎷인 환원성 용수가 제조되었다,
[실시 예7]
20잔의 컵에 녹차 팩을 주입하고, 실시 예6에서 생산된 용수와 일반 수돗물을 100℃로 각각 가열한 온수를 주입하여 녹차를 추출한 녹차 음료를 10인 시음(試飮) 하도록 한 결과 10인 모두가 실시 예6에서 생산된 용수로 추출한 녹차 음료의 맛과 향미가 우수하다는 평가를 하였다.
[실시 예8]
420g 닭 10마리를 핏기가 완전히 빠지도록 뱃속까지 깨끗이 씻은 후 다리 안쪽에 칼집을 넣은 다음, 각각 불린 찹쌀 100g, 수삼 한 뿌리, 대추 3개, 통 마늘 4개를 뱃속에 넣고, 다리가 서로 엇갈리도록 끼워 아물린 것을 각각 뚝배기에 넣고, 5개의 뚝배기에는 실시 예6에서 생산된 용수를 주입하고, 나머지 5개의 뚝배기에는 수돗물을 넣고 100℃로 끓인 다음, 약한 중 불에서 30분간 계속 끓여서 삼계탕을 만들어, 이들을 10인에 공급하여 시식하도록 한 결과 모두가 실시 예6에서 생산된 용수로 만든 삼계탕이 맛과 향미가 우수하다는 평가를 하였다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수는 수돗물이나 광천수에 비해서 오염물질과 유해미생물에 전혀 오염되어 있지 않기 때문에 위생적으로도 안전한 특성이 있으며, 탈염처리한 탈염수인 담수를 경도조정과 물 분자집단을 소집단화한 용수는, 음료 또는 식품제조에 용수로 사용하였을 때는 맛과 향미가 향상되는 효과가 있기 때문에 음료 또는 식품제조에서 용수로 널리 보급 될 것으로 기대된다.
Claims (10)
- 해양 심층수를 취수하여 20∼30℃로 가온 처리와 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter), 한외여과(限外濾過: Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상 조합한 전 처리 여과를 한 해양 심층수를 나노여과 및 역삼투 여과에 의한 탈염공정에서 1차 염분을 탈염처리한 탈염수를 pH조정공정으로 보내어 pH를 9∼11로 조정한 것을 붕소제거공정의 2차 역삼투 여과장치에 공급하여 염분 및 붕소를 제거한 담수를 생산하고, 상기 담수에 경도조정제를 주입하여 경도를 조정한 것을 정전유도처리에 의해서 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR의 반치폭(半値幅) 값이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水: microclustered water)로 처리를 하여 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 나노여과 및 역삼투 여과에 의한 탈염공정 대신에, 염추출실(3) 내에 양극(5)과 음극(6)을 교호적(交互的)으로 다수를 설치하고, 이들의 양극(5)과 음극(6) 사이에는 격막(7)으로 분리된 다수의 탈염실(4)로 구성된 전기추출장치에 용수 또는 해양 심층수를 염추출실(3)로 공급하고, 전 처리 여과를 한 여과수인 해양 심층수를 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)에 공급하고, 해양 심층수 이송펌프(2)에 의해서 각 탈염실(4)에 공급하여 전 처리된 해양 심층수 저장 조(1)로 반송하면서, 송풍기(9)로부터 대기 중의 공기를 산기관(10)을 통해서 폭기하면서 정류기로부터 3∼10볼트(Volt)의 직류전기를 인가하여 농축 염수 저장조(20)의 농축된 염수의 보메도 비중 지시제어 스위치(BIS)의 보메도 비중이 12∼20°Be가 되면 솔레노이드밸브를 작동하여 농축된 염수는 소금제조공정으로 배출하고, 탈염실(4) 내의 해양 심층수 중에 함유된 염분이 제거되어 전기전도율지시제어스위치(ECIS)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝범위로 탈염된 탈염수를 pH조정공정으로 보내어 pH를 9∼11로 조정한 것을 붕소제거공정의 2차 역삼투 여과장치에 공급하여 염분 및 붕소를 제거한 담수를 생산하고, 상기 담수에 경도조정제를 주입하여 경도를 조정한 것을 정전유도처리에 의해서 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR의 반치폭(半値幅) 값이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水: microclustered water)로 처리를 하여 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 나노여과 및 역삼투 여과에 의한 탈염공정 대신에 전 처리 여과를 한 해양 심층수가 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)에 공급되면, 해양 심층수 이송펌프(2)로 전기투석장치(11)의 탈염실(18)에 공급하여 전 처리된 해양 심층수 저장조(1)로 반송하고, 농축 염수 저장조(20)의 농축 염수는 농축 염수 이송펌프(21)로 염농축실(19)로 공급하여 농축 염수 저장조(20)로 반송하면서 양극실(14)의 양극(12)과 음극실(15)의 음극(13)에 정류기로부터 직류전기(直流電 氣)를 인가(印加) 하여 농축 염수 저장조(20)의 보메도 비중이 10∼12°Be범위로 농축된 농축 염수는 보메도비중지시제어기(BIS: Baume's hydrometer indicating switch)에 의해 솔레노이드밸브(Solenoid valve)를 작동하여 소금제조공정으로 보내고, 탈염실(18)에서 해양 심층수 중에 염분이 탈염처리되어 해양 심층수 반송라인에 설치된 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율(電氣傳導率)의 값이 5∼15㎳/㎝ 범위로 탈염처리된 탈염수를 pH조정공정으로 보내어 pH를 9∼11로 조정한 것을 붕소제거공정의 2차 역삼투 여과장치에 공급하여 염분 및 붕소를 제거한 담수를 생산하고, 상기 담수에 경도조정제를 주입하여 경도를 조정한 것을 정전유도처리에 의해서 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR의 반치폭(半値幅) 값이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水: microclustered water)로 처리를 하여 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법.
- 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 3 중에서 선택된 한가지 방법에 있어서, 담수에 경도조정제를 주입하여 경도를 조정한 것을 생략하고, 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법.
- 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 3 중에서 선택된 한가지 방법에 있어서, 정전유도처리에 의해서 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR의 반치폭(半値幅) 값이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水: microclustered water)로 처리하는 것을 생략하고, 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법.
- 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 3 중에서 선택된 한가지 방법에 있어서, 담수에 경도조정제를 주입하여 경도를 조정한 것과 정전유도처리에 의해서 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) 17O-NMR의 반치폭(半値幅)값이 48∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水: microclustered water)로 처리하는 것을 생략하고, 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 제조하는 방법.
- 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 3 중에서 선택된 한가지 방법에서 제조된 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 방법.
- 청구항 4에서 제조된 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 방법.
- 청구항 5에서 제조된 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 방법.
- 청구항 6에서 제조된 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 용수를 음료 또는 식품을 만드는 데 사용하는 방법.
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