KR20140010655A - 미네랄 농축액의 품질 향상 방법 - Google Patents

미네랄 농축액의 품질 향상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미네랄 농축액의 품질 향상 방법 및 이에 의하여 품질이 향상된 미네랄 농축액에 관한 것이다. 본 발명은 미네랄 농축액 내의 염소 이온, 황산 이온 및 불순물을 효과적으로 제공하는 방법을 제공하여 청량감이 우수한 고경도 미네랄 워터를 제조할 수 있도록 한다.

Description

미네랄 농축액의 품질 향상 방법{Method for improving quality of mineral concentrates}
본 발명은 미네랄 농축액의 품질 향상 방법 및 이에 의하여 품질이 향상된 미네랄 농축액에 관한 것이다.
해양 심층수는 햇빛이 도달하지 않는 수심 200 m 이하에서 채수한 해수를 의미하며, 표층수와 20℃ 이상의 온도 차이가 나기 때문에 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는다. 심해에 흐르는 해양 심층수는 연중 수온 변화가 거의 없어 저온 안정성을 가질 뿐만 아니라, 햇빛이 닿지 않으므로 광합성이 일어나지 않아 무기 영양염을 많이 포함하고 있으며, 특히 마그네슘이나 칼슘 등의 필수 미량 원소와 다양한 미네랄이 균형 있게 포함되어 있다. 또한, 해양 심층수는 인공 물질로 오염되지 않아 분해해야 할 유기 물질이나 병원균이 적기 때문에 세균 번식이 적을 뿐만 아니라, 고항균성 및 탈취성 등을 보유하고 있는 것으로 알려져 있다.
현재 여러 나라에서 해양 심층수에서 염화나트륨을 제거한 다음 음료나 식품 및 화장품 등에 이용하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
미네랄은 인간에게 필요한 5대 영양소 중의 하나로서, 해양 심층수에는 Mg, Ca, K 등의 인체에 유용한 미네랄 성분을 다량 포함하고 있다. 따라서, 해양 심층수로부터 미네랄을 함유하는 미네랄 워터를 제조하여 이를 미네랄 공급원으로서 이용할 수 있다.
미네랄 워터의 제조방법에는, 해양 심층수를 역삼투 장치에 통과시켜 얻은 탈염수에 해양 심층수로부터 얻은 미네랄 농축액을 혼합하는 방법이 있다. 구체적으로, 해양 심층수를 역삼투막에 통과시켜 얻은 농축수를 증발 농축하여 칼슘염을 분리한 후, 추가적인 증발 농축을 하여 소금과 간수를 분리하여 칼슘염 및 간수로 구성된 미네랄 용액을 제조한다. 이후, 해양 심층수를 역삼투막에 통과시켜 얻은 투과수에 상기 칼슘염과 간수로 구성된 미네랄 용액을 혼합하여 미네랄 워터를 제조한다.
이와 같이 제조된 미네랄 워터는 미네랄을 다량 포함하고 있으나, 취식감(청량감)이 떨어지는 문제점이 있다. 미네랄 워터에 첨가되는 미네랄 용액에는 칼슘, 마그네슘 등의 유용한 미네랄뿐만 아니라, 취식감을 저하시키는 Cl- 및 SO4 2-도 다량 포함되어 있기 때문이다. 또한, 이렇게 제조된 미네랄 워터는 황산 이온 및 염소 이온의 함량이 음용수 규제를 충족시키지 못하는 문제점도 있다. 이러한 문제점은 미네랄 함량이 높으며, 취식감이 우수한 고경도의 미네랄 워터의 제조를 제한하는 주요 요인이다.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
본 발명자들은 해양 심층수를 이용한 고경도의 미네랄 워터를 제조하는데 있어 제한요소인, 미네랄 농축액에 함유되어 있는 음이온을 효율적으로 제거할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 미네랄 농축액 품질 향상 공정을 통하여 염소 이온과 황산 이온을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 미네랄 농축액의 품질 향상 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 의하여 품질이 향상된 미네랄 농축액을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 미네랄 농축액의 품질 향상 방법을 제공한다:
(a) 해양 심층수 또는 염지하수로부터 분리된 미네랄 농축액을 얻는 단계;
(b) 상기 미네랄 농축액을 물리 흡착제를 갖는 필터로 필터링하는 단계;
(c) 단계 (b)에서 필터링 된 미네랄 농축액을 물리 흡착제를 갖는 필터로 재필터링하는 단계; 및
(d) 단계 (c)에서 필터링 된 미네랄 농축액을 다수의 공극을 갖는 중공사막 필터로 필터링하는 단계.
본 발명자들은 해양 심층수를 이용한 고경도의 미네랄 워터를 제조하는데 있어 제한요소인, 미네랄 농축액에 함유되어 있는 음이온을 효율적으로 제거할 수 있는 방법을 개발하기 위하여 연구 노력하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 미네랄 농축액 품질 향상 공정을 통하여 염소 이온과 황산 이온을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
종래에 해양 심층수를 이용하여 미네랄 워터를 제조하는 경우, 탈염수에 첨가되는 미네랄 농축액에는 마그네슘, 칼륨 등의 양이온뿐만 아니라, 취식감을 저하시키는 황산 이온과 염소 이온 역시 다량으로 함유되어 있어 제품화된 미네랄 워터의 취식감이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 본 발명의 큰 특징은 물리 흡착제를 갖는 필터로 필터링 된 미네랄 농축액을 상기 필터로 재차 필터링하는 제1필터링 과정, 및 제1필터링 처리된 미네랄 농축액을 중공사막 필터로 필터링하는 제2필터링 과정을 포함한다는 것이다.
이하, 본 발명의 각 단계를 상세히 설명한다.
해양 심층수 또는 염지하수로부터 미네랄 농축액을 얻는 단계
본 발명의 단계 (a)에서는 해양 심층수 또는 염지하수로부터 분리된 미네랄 농축액을 얻는다.
본 명세서에서 용어, "해양 심층수"는 태양광이 거의 미치지 못하는 깊이가 200m 이상인 바다의 물을 의미하며, 해양 심층수에는 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+), 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 붕소 이온(B3+), 염소 이온(Cl-), 탄산 이온(CO3 2-), 황산 이온(SO4 2-) 등의 이온 성분을 함유하고 있다.
본 명세서에서 용어, "염지하수"는 염분 등의 용존고형물을 일정량 이상 함유하는 암반대수층 안의 지하수로서 수질의 안정성을 계속 유지할 수 있는 자연 상태의 물을 먹는 용도로 사용할 원수를 의미한다.
본 발명에서는 염지하수라면 제한 없이 사용가능하나, 물속에 녹아있는 염분 등의 총 용존고형물의 함량이 2000 mg/ℓ이상인 암반대수층 안의 지하수를 사용함이 바람직하다.
본 명세서에서 용어, "미네랄 농축액"은 다양한 종류의 미네랄을 다량 함유하는 해양 심층수 또는 염지하수(원수)를 탈염 처리하여 얻은 농축수를 정제하여 얻은 이온성분을 함유하는 용액을 의미한다.
본 발명에서 상기 미네랄 농축액은 제3자로부터 구입(수득)할 수 있고, 또한 직접 제조할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 미네랄 농축액의 제조는 원수의 탈염처리 및 칼슘염과 소금의 제거 과정을 포함한다.
<원수의 탈염처리>
원수의 탈염처리는 당업계에 알려진 임의의 기술을 적용하여 수행될 수 있다. 탈염처리를 위한 기술로는 증발법, 해수동결법, 역삼투압법, 이온교환수지법 및 전기투석법 등을 들 수 있다. 증발법은 원수를 증발시켜 용매인 물은 증발시키고, 용질은 잔류시키는 원리를 이용하는 것이며; 역삼투막법은 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 배제하고 순수한 물만 통과시키는 반투막을 이용하여, 원수 중의 이온성 물질을 여과하는 방법이며; 전기투석법은 음이온막과 양이온막을 교대로 배치한 후, 음이온막과 양이온막의 양단에 위치한 전극에 직류 전압을 걸어 양이온 및 음이온을 제거하여 순수한 담수를 얻는 방법이다.
바람직하게는, 상기 탈염처리는 역삼투막에 원수를 통과시켜 이온성분을 포함하는 농축수와 이온성분이 제거된 탈염수로 분리한다. 상기 농축수에는 탄산칼슘, 황산칼슘 및 염화칼슘 등의 칼슘염, 염화나트륨, 및 미네랄이 다량 함유되어 있다.
<칼슘염과 소금의 제거>
본 발명에서 농축수로부터 칼슘염과 소금의 제거는 농축수를 가열 및 농축하여 석출되는 칼슘염 결정과 소금을 분리하여 제거할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 칼슘염의 분리는 비중(동일한 온도와 압력하에서 물의 밀도에 대한 농축수의 밀도 비)이 1.11 이상이 되도록 농축수를 가열 및 농축하여 석출되는 칼슘염 결정을 분리할 수 있다. 이에 의하여 제한되는 것은 아니나, 칼슘염의 분리를 위한 농축수의 바람직한 비중은 1.11-1.23이다. 칼슘염의 분리는 메쉬 망을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 300 메쉬 망을 이용하여 분리할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 구현예에 따르면, 비중이 1.18이 되도록 농축수를 가열 및 농축하여 1차적으로 석출된 칼슘염 결정을 분리하고, 여액을 비중 1.19-1.23이 되도록 가열 및 농축하여 잔류하는 칼슘염을 제거하여 실시할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 구현예에 따르면, 비중이 1.23이 될 때까지 가열한 후, 정체를 시켜 하단부에 가라앉은 칼슘염을 추출할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 소금의 분리는 비중이 1.24 이상이 되도록 농축수를 가열 및 농축하여 석출되는 소금을 분리하여 실시할 수 있다. 이에 의하여 제한되는 것은 아니나, 소금의 분리를 위한 농축수의 바람직한 비중은 1.24-1.32이다. 가열된 농축수에는 미네랄 농축액(액체)과 소금(고체)이 함께 존재하기 때문에 원심분리시 또는 탈수기 등을 사용하여 소금을 분리할 수 있다. 분리된 소금은 추가적인 정제과정을 거쳐 미네랄 소금으로 가공될 수 있다.
본 발명에서, 상기 농축수의 가열은 교반과 동시에 서서히 수행될 수 있다.
본 발명에서, 칼슘염 및 소금이 제거된 농축수는 미네랄 성분의 농축을 위하여 추가적인 가열 및 농축이 이루어질 수 있다.
미네랄 농축액의 품질 향상 단계
본 발명의 단계 (b)-(d)에서는 미네랄 농축액으로부터 음이온 및 불순물을 제거하여 농축액의 품질을 향상시킨다. 불순물의 제거는 음용수 제조에 있어 반드시 필요한 과정이며, 음이온의 제거는 미네랄 워터의 청량감을 향상시키기 위하여 요구되는 과정이다.
본 공정의 특징은 미네랄 농축액을 물리 흡착제를 갖는 필터로 필터링한 다음, 필터링 된 미네랄 농축액을 물리 흡착제를 갖는 필터로 재필터링하는 것이다. 필터링과 재필터링 시에 사용하는 필터는 동일한 필터를 재사용할 수 있고, 별도의 필터를 사용할 수도 있다. 또한, 재필터링 과정에서는 첫 번째 필터링 시 사용한 필터와 필터의 길이, 구성성분, 흡착제의 종류, 및/또는 흡착제의 미세공극의 크기 등에서 차이가 나는 필터를 사용할 수 있다.
종래에는, 미네랄 농축액 내의 음이온을 제거하기 위한 방법으로 음이온 교환수지를 이용하거나, 간수(칼슘염과 소금성분이 제거된 용액)를 전해조에 넣고 탄산가스를 주입하면서 간수를 전기분해하여 염소 이온이 염소 기체의 형태로 제거하는 방법을 이용하였다. 본 발명은 종래 방법과 달리, 물리 흡착제에 의한 제1필터링과 중공사막에 의한 제2필터링에 의하여 효과적으로 음이온 및 불순물을 제거한다.
본 발명에서는 미네랄 농축액의 물리 흡착제를 갖는 필터 통과 시, 흡착제의 다수의 미세공극에 농축액 내의 음이온(특히, 염소 이온 및 황산 이온)과 불순물(특히, 실트)이 흡착되어 제거되며, 물리 흡착제를 갖는 필터에 의한 재필터링에 의하여 음이온과 불순물의 제거효율이 극대화된다(1차 필터링). 이후, 1차필터링 된 미네랄 농축수가 중공사막 필터에 의하여 2차 필터링 됨으로써 음이온 및 불순물의 제거효율이 보다 향상된다(2차 필터링).
본 발명에서는 용액내의 불순물과 음이온을 흡착시킬 수 있는 물리 흡착제를 갖는 필터를 제한 없이 사용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 물리 흡착제는 활성탄, 규조토, 제올라이트, 실리카겔, 녹말, 벤토나이드 또는 알루미나이며, 보다 바람직하게는 활성탄이다.
본 발명에서는 필터링 하고자 하는 미네랄 농축액의 양에 따라 적절한 활성탄 필터를 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 미네랄 농축액 100ℓ를 처리하는 경우 8-12 인치의 활성탄 필터를 사용함이 바람직하며, 200ℓ의 미네랄 농축액을 처리하는 경우에는 18-22인치의 활성탄 필터를 사용함이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 100ℓ의 미네랄 농축액 처리 시에는 10인치의 활성탄 필터를 사용하며, 200ℓ의 미네랄 농축액 처리 시에는 20인치의 활성탄 필터를 사용한다.
본 발명에서는 물리 흡착제를 갖는 필터에 의하여 1차 필터링 된 농축수를 중공사막으로 2차 필터링하여 미생물과 실트를 포함하는 불순물, 및 음이온을 보다 더 걸러 내고, 농축액 내의 미네랄 성분은 통과시킨다. 상기 중공사막 필터는 다수의 공극을 갖는 마이크로 필터라면 제한 없이 사용가능하며, 공극은 직경 0.01-0.5 μm, 바람직하게는 0.05-0.5 μm, 보다 바람직하게는 0.1-0.5 μm 이다.
바람직하게는, 상기 중공사막 필터는 제균 필터이다.
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 필터링에 의하여, 미네랄 농축액 내의 실트 및 음이온이 제거되며, 바람직하게는 실트, 염소 이온 및 황산 이온이 제거된다.
하기 실시예에서 증명한 바와 같이, 노란빛의 미네랄 농축액이 활성탄 필터, 활성탄 필터 및 제균 필터로 필터링 됨으로써 무색으로 변화하였으며, 이는 미네랄 농축액으로부터 실트 등의 불순물이 제거되었음을 의미한다. 또한, 상기 필터링에 의하여 염소 이온 및 황산 이온을 각각 6.52% 및 2.08%씩 감소시킬 수 있음을 확인하였다(표 1 참조).
본 발명에서는 불순물 및 음이온의 제거 효율 향상을 위하여, 물리 흡착제를 갖는 필터에 의한 미네랄 농축액의 필터링 → 필터링 된 농축액의 물리 흡착제를 갖는 필터에 의한 재필터링 → 재필터링 된 농축액의 재재필터링의 순환과정을 적절한 횟수로 반복하여 실시할 수 있다. 반복 횟수는 1회 이상이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1-5회, 보다 더 바람직하게는 1-4회이다.
본 발명에서, 상기 미네랄 농축액은 공급수단에 의하여 적정 속력 또는 적정 유량으로 필터에 공급될 수 있다. 상기 공급수단은 펌프를 사용함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 일정한 속력(또는 유량)으로 미네랄 농축액을 필터에 이송할 수 있는 정량펌프를 사용한다.
본 발명의 다른 하나의 양태에 따르면, 본 발명은 상기 방법에 의하여 실트, 염소 이온 및 황산 이온의 제거 처리가 이루어진 미네랄 농축액을 제공한다.
상기 미네랄 농축액은 본 발명의 방법에 의하여 품질이 향상된 것이기 때문에, 이 둘 사이의 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 회피하기 위하여 그 기재를 생략한다.
상기 미네랄 농축액을 탈염수와 혼합하여 미네랄 워터를 제조할 수 있다. 탈염수에 첨가되는 미네랄 농축액의 양은 제조하고자 하는 미네랄 워터의 경도에 따라 달라진다.
종래에는 미네랄 농축액에 포함된 염소 이온과 황산 이온으로 인하여 고경도 미네랄 워터의 취식감이 떨어지는 문제가 있었으나, 본 발명에 의하면 상기 음이온이 현저히 제거된 미네랄 농축액을 제조할 수 있어 청량감이 우수한 고경도의 미네랄 워터를 제조할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(ⅰ) 본 발명은 미네랄 농축액의 품질 향상 방법, 및 이에 의하여 품질이 향상된 미네랄 농축액을 제공한다.
(ⅱ) 본 발명은 미네랄 농축액 내의 염소 이온, 황산 이온 및 불순물을 효과적으로 제공하는 방법을 제공하여 청량감이 우수한 고경도 미네랄 워터를 제조할 수 있도록 한다.
도 1은 미네랄 농축액의 품질 향상 과정을 도식화한 도면이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실시예 1. 해양 심층수 농축수로부터 칼슘염 결정 및 소금의 분리
해양 심층수를 역삼투 장치에 투과시켜 농축수와 탈염수로 분리하였다. 얻어진 농축수를 가열 및 농축하여 칼슘염을 추출하기 시작하였으며, 비중 1.11(비중계 사용)부터 칼슘염이 추출되었다. 이후, 칼슘염이 제거된 농축수를 추가적으로 가열 및 농축하여 소금성분(NaCl)까지 제거된 이온성분(미네랄)이 농축된 노란빛을 띄는 미네랄 농축액을 수득하였다. 구체적으로, 상기에서 칼슘염을 제거한 농축수를 계속 가열하여 비중이 1.32가 되도록 하였다. 이때, 가열된 농축수에는 미네랄 농축액(액체)과 소금(고체)이 함께 존재하며, 이를 원심분리기 또는 탈수기를 이용하여 고체와 액체를 분리하였다.
실시예 2. 미네랄 농축액의 품질 향상
실시예 1에서 소금성분까지 제거된 미네랄 농축액을 비중이 1.32가 되도록 진공을 잡은 후, 70-80℃로 가열하여 미네랄 성분을 보다 더 농축하였다. 농축 후, 미네랄 농축액의 품질을 높이기 위하여 농축액 내의 불순물 및 음이온을 제거하였다. 구체적으로, 미네랄 농축액 100ℓ를 활성탄 필터(10인치, 새한필터)에 통과시켰다. 활성탄 필터를 1회 통과한 미네랄 농축액을 활성탄 필터와 제균 필터(중공사막, 0.2 μm, 10인치, 새한필터)에 순차적으로 통과시켰다. 미네랄 농축액의 품질 향상 과정은 도 1에 도식화하였다.
최종적으로 제균 필터까지 통과한 미네랄 농축액의 색을 관찰한 결과, 필터 통과 전 노란색의 미네랄 농축액이 필터 통과 후 맑게 변하였다. 이러한 결과는 상기 품질 향상 과정에 의하여 농축액 내의 실트가 제거되었음을 나타낸다.
또한, 상기 방법에 의하여 미네랄 농축액 내의 음이온이 제거되었는지 여부를 확인하기 위하여, 필터 통과 전과 후의 Cl- 및 SO4 2- 의 양을 확인하였다. 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
처리 전 처리 후 감소량
Cl- 291.248 272.246 19.002 6.52%
SO4 2- 115.830 113.425 2.405 2.08%
표 1에 나타난 바와 같이, 필터 통과에 의하여 상당한 양의 염소 이온 및 황산 이온 제거되었음을 확인하였다. 이러한 결과는 물리 흡착제를 갖는 필터에 의한 미네랄 농축액의 필터링 → 필터링 된 미네랄 농축액의 물리 흡착제를 갖는 필터에 의한 재필터링 → 중공사막 필터에 의한 필터링에 의하여 농축액 내의 음이온을 효과적으로 제거할 수 있음을 보여준다. 상기 음이온은 미네랄 워터의 취식감을 저하시키는 요인이기 때문에, 본 발명의 방법에 따라 음이온을 제거함으로써 미네랄 워터의 청량감을 향상시킬 수 있으며, 또한 해양 심층수로부터 높은 경도의 물을 제조할 수 있다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 다음의 단계를 포함하는 미네랄 농축액의 품질 향상 방법:
    (a) 해양 심층수 또는 염지하수로부터 분리된 미네랄 농축액을 얻는 단계;
    (b) 상기 미네랄 농축액을 물리 흡착제를 갖는 필터로 필터링하는 단계;
    (c) 단계 (b)에서 필터링 된 미네랄 농축액을 물리 흡착제를 갖는 필터로 재필터링하는 단계; 및
    (d) 단계 (c)에서 필터링 된 미네랄 농축액을 다수의 공극을 갖는 중공사막 필터로 필터링하는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 물리 흡착제는 활성탄, 규조토, 제올라이트, 실리카겔, 녹말, 벤토나이드 및 알루미나로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중공사막 필터의 공극은 직경 0.1-0.5 μm인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 방법에 의하여 필터링 된 미네랄 농축액은 필터링에 의하여 실트, 염소 이온 및 황산 이온이 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 실트, 염소 이온 및 황산 이온의 제거 처리가 이루어진 미네랄 농축액.
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