KR20190096466A - 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조방법 - Google Patents

간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연 제올라이트에 간수를 첨가하여 소성하지 않고 담체를 형성하도록 함으로써 지하수 중 비소제거, 하/폐수 중 중금속 및 총인제거 등을 제거하여 수질정화가 가능한 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는 (a) 천연 제올라이트 분말 100중량부를 기준으로, 천연 무기 바인더 분말 15~50중량부를 혼합하여 혼합분말을 형성하는 단계; (b) 혼합분말에 간수를 혼합분말 100중량부를 기준으로 15~25중량부 혼합하고, 구형을 이루도록 성형하여 담체를 형성하는 단계; (c) 성형된 담체를 건조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법을 제공하고자 한다.

Description

간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조방법{Unfired carriers for arsenic removal and its manufacturing method using a bittern}
본 발명은 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 천연 제올라이트에 간수를 첨가하여 소성하지 않고 담체를 형성하도록 함으로써 지하수 중 비소제거, 하/폐수 중 중금속 및 인 등을 제거하여 수질정화가 가능한 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
세계 각국 특히 동남아시아 국가의 지하수에서 비소 오염이라는 심각한 문제점이 발생하고 있다.
특히, 비소는 산화상태에 따라서 독성차이가 있으나 3가 비소형태가 특히 강하고, 비소는 인간발암성과 관련한 가장 위험한 A급 독성물질로 지정되어 허용농도기준을 10ppb 이하로 관리하여야 하며, 미국, 유럽, 한국 등 비소의 음용수 수질농도를 개선하여 50ppb에서 10ppb이하로 관리하도록 하고 있다.
일반적인 비소제거방법으로 이온교환법, 막여과법 등이 이용되지만 설치 및 운영비가 높은 문제점이 있어서, 비용이 저렴한 비소흡착처리방법이 대체방법으로 이용되어 비소 담체 수입량이 계속 증가 추세에 있어 경제적 부담으로 작용하고 있다.
비소흡착처리방법은 담체의 금속산화물(Fe, Al, Ca, Ma 등)의 흡착능력을 이용한 방법이며, 수 처리방법으로 친환경 공법을 이용한 공정들이 연구 개발되어지고 있다. 따라서, 금속산화물을 구성하고 있는 천연소재를 활용하여 환경 친화적이고 경제적인 담체 개발의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허등록 제1031092호 "모기 기피 천연 조성물 제조 방법."(특허문헌 1)이 있다. 상기 배경기술에서는 '(a) 산초 30 중량부에 대하여, 계피 나무 껍질 15~25중량부, 고삼 5~15 중량부 및 생마늘 35~45 중량부를 준비하여 산초와 계피 나무 껍질 및 고삼은 물에 투입하여 세척한 후 그늘에서 자연 건조시키는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 건조된 재료를 분쇄한 후 준비된 상기 생마늘과 혼합하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계에서 혼합된 재료를 원료 총 중량의 3~5배의 정제수와 에탄올 혼합 용매로 순환식 무압력 기계에서 가열하되 상기 (a) 단계에서의 조성비율에 대하여 후각상의 거부감이나 피부 부작용을 방지하면서도 모기 기피 활동력이 저하되지 않는 온도 범위인 82℃~88℃로 일정 시간 동안 가열하는 전탕 과정과 증류 및 감압 농축하여 일차 추출물을 수집하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모기 기피 천연 조성물 제조방법'을 제안한다.
그러나 상기 배경기술은 담체로 성형하기 어렵고, 다양한 기능을 부가하기 어려워 다양한 장소에 적용이 어려운 문제점이 있었다.
특허등록 제1031092호 "모기 기피 천연 조성물 제조 방법"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 천연 제올라이트에 간수를 첨가하여 소성하지 않고 담체를 형성하도록 함으로써 지하수 중 비소제거, 하/폐수 중 중금속 및 인 등을 제거하여 수질정화가 가능하며, 담체를 형성하여 장소에 구애받지 않고 필요한 장소에서 모두 사용이 가능하여 사용이 간편하고 친환경적인 악취제거 기능을 갖는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 (a) 천연 제올라이트 분말 100중량부를 기준으로, 천연 무기 바인더 분말 15~50중량부를 혼합하여 혼합분말을 형성하는 단계; (b) 혼합분말에 간수를 혼합분말 100중량부를 기준으로 15~25중량부 혼합하고, 구형을 이루도록 성형하여 담체를 형성하는 단계; (c) 성형된 담체를 건조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, (a) 단계에서, 활성탄 분말 5~20중량부를 추가 혼합하는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, (a) 단계에서, 펄라이트 분말 5~10중량부를 추가 혼합하는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, (b) 단계에서,
미생물 배양액을 1~10중량부 추가 혼합하는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, (b) 단계에서, 미생물 배양액의 미생물은 젖산균, 바실러스, 효모 및 광합성 세균인 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 상기의 어느 한 방법으로 형성되는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체를 제공하고자 한다.
본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조 방법은 천연 제올라이트에 간수를 첨가하여 소성하지 않고 담체를 형성하도록 함으로써 지하수 중 비소제거, 하/폐수 중 중금속 및 인 등을 제거하여 수질정화가 가능하며, 담체를 형성하여 장소에 구애받지 않고 필요한 장소에서 모두 사용이 가능하여 사용이 간편하고 친환경적인 악취제거 기능을 갖는 매우 유용한 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법의 순서를 개략적으로 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체의 형상을 도시한 도이다.
도 3은 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체와 종래의 수입담체의 비소제거 실험결과를 도시한 그래프,
도 4는 w/v 10%의 조건에서 순환시간에 따른 비소제거 실험결과를 도시한 그래프,
도 5는 w/v 순환시간 3시간 조건에서 W/V에 따른 비소제거 실험결과를 도시한 그래프,
도 6은 본 발명 미네랄 담체와 타사제품과의 비소제거효율 비교실험결과를 도시한 그래프,
도 7는 본 발명 미네랄 담체와 타사제품과의 인 제거효율 비교실험결과를 도시한 그래프이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법의 순서를 개략적으로 도시한 도이고, 도 2는 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체의 형상을 도시한 도이다.
본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법은 (a) 천연 제올라이트 분말 100중량부를 기준으로, 천연 무기 바인더 분말 15~50중량부를 혼합하여 혼합분말을 형성하는 단계; (b) 혼합분말에 간수를 혼합분말 100중량부를 기준으로 15~25중량부 혼합하고, 구형을 이루도록 성형하여 담체를 형성하는 단계; (c) 성형된 담체를 건조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
먼저, 천연 제올라이트 분말 100중량부를 기준으로, 천연 무기 바인더 분말 15~50중량부를 혼합하여 혼합분말을 형성하도록 한다(a).
제올라이트는 비석(沸石)이라고도 하며, 결정구조적으로 각 원자의 결합이 느슨하여, 그 사이를 채우고 있는 수분을 고열로 방출시켜도 골격은 그대로 있으므로 다른 미립물질을 흡착할 수가 있다. 이 성질을 이용해서 흡착제로 사용하며, 크기가 다른 미립물질을 분리시키는 분자체[分子篩]로 사용한다.
본 발명에서는 천연 제올라이트 분말을 사용하여, 중금속을 흡착하는 역할을 하도록 한다.
제올라이트는 다공질 암석으로 모세관 현상에 의하여 냄새제거 및 오염물질 제거, 세균 및 잡균 등을 흡착, 분해하는 역할을 하며, 이온교환작용을 하여 물속에 있는 불순물을 제거하고, 다층 다공질로 구성되어 있고 비표면적이 넓어 오염물질, 중금속 등을 흡착, 분해하는 작용을 하며, 시멘트 독성 중화, 향균, 방충 및 강한 탈취력이 있다.
제올라이트 세공 속에 존재하는 양이온들은 수용액 중에서 다른 여러 가지 금속 및 유기 양이온으로 용이하게 교환되므로 이러한 성질을 이용하여 물 속의 칼슘(Ca2+)과 마그네슘(Mg2+)을 소디움(Na+) 이온으로 교환시켜 주어 경수(hard water)를 연수(soft water)로 변환시켜주는데 널리 사용되고 있다. 이러한 목적으로 제올라이트는 합성세제의 40~50%를 차지하는 첨가제 즉, 빌더(builder)로 사용되고 있고 핵폐기물을 제거하는데도 사용된다.
이와 같은 천연 제올라이트는 건식 분말 형태로서 구성되는데 0.001~1 mm의 입자 크기를 가지며, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 mm의 입자 크기를 갖도록 한다.
천연 무기 바인더는 천연 물질로 펄 라이트, 제올라이트 등 모든 다양한 무기질의 바인더를 모두 사용할 수 있으며, 소성하지 않고 비소성으로 혼합하여 후술하는 담체가 물 등에 의해서 풀어지지 않도록 하여 형상을 유지하도록 하는 역할을 한다.
이후, 혼합분말에 간수를 혼합분말 100중량부를 기준으로 15~25중량부 혼합하고, 구형을 이루도록 성형하여 담체를 형성하도록 한다(b).
혼합분말이 용이하게 혼합되어 담체로 성형할 수 있도록 간수를 혼합하도록 한다.
간수는 소금을 석출할 때 남는 모액(母液)으로 옛날부터 두부를 만들 때 응고제로 이용되고 고염(苦鹽)·노수라고도 한다.
소금을 제조할 때 부산물로서 얻을 수 있고, 또 조염(粗鹽)을 저장할 때, 그 조해작용(潮解作用)을 이용하여 얻을 수 있다.
성분은 염화마그네슘이 15∼19%, 황산마그네슘이 6∼9%, 염화칼륨이 2∼4%, 염화나트륨이 2∼6%, 브로민화마그네슘이 0.2∼0.4% 등으로 되어 있다. 옛날부터 두부를 만들 때 응고제로 이용되었으나 무기약품의 중요한 자원으로 이용된다.
간수는 비속흡착에 필요한 금속이온을 다량 함유하고 있다.
간수의 혼합량이 많아지면 담체 형성이 어렵고 건조가 느려지기 때문에, 간수를 15~25중량부 혼합하도록 한다.
성형 담체는 성형기 등을 통하여 다양한 크기로 형성될 수 있으며, 2~10mm 정도의 입자를 갖도록 성형하는 것이 바람직하며, 그 이상의 크기나 그 이하의 크기로도 성형하여 사용할 수 있다.
마지막으로, 도 2에서와 같이, 성형된 담체를 건조하도록 한다(c).
성형된 담체는 별도의 소성과정을 거치지 않고 건조하여 담체의 형상을 유지할 수 있도록 하여 사용하는데, 자연건조 하거나 건조기 등을 이용할 수 있으며 건조기 사용시에는 고열로 건조할 경우에는 담체에 크랙이 가는 등 형상유지가 어려워 300℃ 이하의 범위에서 선택하여 열풍 또는 열선 등을 이용하여 건조하도록 할 수 있다.
특히, (a) 단계에서, 활성탄 분말 5~20중량부를 추가 혼합하도록 할 수 있다.
활성탄은 다공질로 되어 있어 탈취효과가 있고 각종 바이러스나 세균을 흡착하고 살균력이 우수하고 또한 각종 중금속을 흡수할 뿐 아니라 수천년이 지나도 산화가 되지 않으며 음전하를 가지고 있어 안전한 천연방부제로서 높이 평가받고 있다. 오염된 물을 정화시켜주고 미생물들의 활성을 높여주고 각종 오염물과 물속에 침전될 경우 부패를 막아주기도 한다.
5중량부 미만으로 혼합시에는 악취 제거효과 및 살균효과를 기대하기 어렵고 20 중량부를 초과하여 혼합시에는 담체의 강도가 떨어져 형상을 유지하기 어렵기 때문에 5~20중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
또한, (a) 단계에서, 펄라이트 분말 5~10중량부를 추가 혼합하도록 할 수 있다.
펄라이트(perlite)는 화산 작용으로 생긴 진주암을 850~1200 °C로 가열, 팽창해 만든 공극을 많이 갖는 것으로 분말로 만들어 혼합사용하여 소성하지 않고 비소성으로 담체의 비중을 낮추고 공극을 형성하여, 5중량부 미만으로 혼합하여서는 펄라이트의 첨가로 인한 비중과 오염물질을 흡수하는 효과가 떨어지고 10중량부를 초과하여 혼합하면 경제성이 떨어진다.
특히, (b) 단계에서, 미생물 배양액을 1~10중량부 추가 혼합하도록 할 수 있으며, 미생물 배양액의 미생물은 젖산균, 바실러스, 효모 및 광합성 세균으로 이루어지도록 할 수도 있다.
미생물은 다량으로 혼합시에는 경제성이 떨어질 뿐만 아니라 담체의 건조 속도가 느려지는 문제점이 있기 때문에 미생물 효과를 발현할 수 있는 최소함량인 1중량부를 초과하여 혼합하고 10중량부 미만으로 혼합하도록 한다.
젖산균은 당, 펩톤, 비타민 등을 이용하여 젖산을 생성하는 균으로서, 락토바실러스 카제이(Lactobacillus casei)는 생성된 젖산의 카르복실기에 의하여 정균작용과 알칼리성 악취(아민류, 암모니아)에 대한 중화작용을 하고, 류코노스톡 메센테로이데스(Leuconostoc mesenteroides)는 많은 탄수화물을 발효시키고 덱스트란과 같은 다당류를 생성하여 점질물에 의한 악취물질의 흡착으로 악취를 저감시키게 된다.
바실러스는 탈질 등에 관여하는 호기성 세균으로서, 바실러스 섭틸러스(Bacillus subtilis)는 단백질 가수분해능이 특히 뛰어나 유기물질을 발효형으로 분해산화하여 악취발생원을 저감시켜 악취의 발생을 근원적으로 억제하고, 다당류의 점질물을 형성하여 악취물질의 흡착으로 악취를 저감하는 역할을 하며, 바실러스 리체니포르미스(Bacillus licheniformis)는 혐기성 상태에서 질소화합물을 질소(N2)가스로 탈질하여 아민기를 지닌 질소화합물에 의한 악취를 분해하게 된다.
효모는 당을 분해하여 알코올과 탄산가스를 만들어 발효를 시키는 미생물로서, 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae) 및 사카로미세스 아세티(Saccharomyces aceti)는 발효에 의하여 알코올을 포함한 유용 생리활성물질을 생성함으로써 유용발효균이 생육할 수 있는 환경을 조성하여 악취를 발생시키는 부패균을 억제하게 된다.
광합성 세균은 빛에너지를 이용하여 탄소동화작용을 하는 세균으로서, 특히 로도스피릴륨(Rhodospirillum)은 어두운 곳에서 호흡조건으로 광합성 기구의 합성은 억제되고 유기화합물을 전자공여체로 사용할 수 있고, 지방산, 유기산, 아미노산, 당, 알코올과 벤조산과 같은 방향족화합물도 분해할 수 있으며, 수중의 황화수소(H2S)와 같은 악취성분을 So으로 만들고 나중에 SO4 2-로 산화되면서 없어지게 된다.
도 3은 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체와 종래의 수입담체의 비소제거 실험결과를 도시한 그래프이다.
<실험 예>
친환경 천연소재인 간수액을 제올라이트 100중량부에 무기 바인더 30중량부를 혼합하여 2mm 지름을 갖는 담체로 만들어 240℃에서 건조하였다.
도 3에서와 같이, 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체와 기성 제품(수입)과 비소제거 실험비교 각각 97%, 94%의 제거효율을 보였으며, 3가 비소 제거효율은 80g/kg 이상이어서 기성 제품(60g/kg)보다 우수한 것을 알 수 있다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체를 이용하여 3가 비소의 흡착 반응 메커니즘을 설명하면 다음과 같다.
1. 수용액의 pH 증가에 따른 3가 비소의 이온화 형태는 pH7 HAsO3, pH8-9 HAsO3 2-, pH10-11 AsO3 3-로 존재한다. pH 중성영역에서 염기성으로 가면 3가 비소는 음이온의 형태로 전환된다. <참고문헌 : 금속산화물의 물리화학적 특성이 지하수 내 비소흡착 특성에 미치는 영향 연구, 경기대학교 박사학위논문, 2017, 이진헌>
2. 높은 pH에서 음이온화 된 3가 비소는 담체의 Fe(OH)2, Ma(OH)2, Ca(OH)2 등의 수산화 금속 2가 양이온들 또는 Fe(OH)3, Al(OH)3 등의 수산화 금속 3가 양이온들과 결합하여 담체표면에 흡착되고 OH-는 담체에서 빠져나와 수용액의 pH를 더 높인다.
3. 흡착반응기전
AsO3 3- + Fe(OH)3 ---> FeAsO3 + 3OH- 담체의 3가 금속 양이온과의 흡착
HAsO3 2- + Fe(OH)2 ---> FeAsO3 + OH- + H2O 담체의 2가 금속 양이온과의 흡착
상기와 같은 본 발명의 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 및 그 제조 방법은 천연 제올라이트에 간수를 첨가하여 소성하지 않고 담체를 형성하도록 함으로써 지하수 중 비소제거, 하/폐수 중 중금속 및 총인 등을 제거하여 수질정화가 가능하며, 담체를 형성하여 장소에 구애받지 않고 필요한 장소에서 모두 사용이 가능하여 사용이 간편하고 친환경적인 악취제거 및 모기퇴치 기능을 갖는 매우 유용한 효과가 있다.
본 발명을 이용한 담체를 w/v 10%의 조건에서 순환시간에 따른 비소제거는 도 4와 같이 본 발명의 담체의 비소제거는 12시간 순환실험에서 92%, 24시간에서 97%가 제거되었다
또한 3시간의 순환시간에서, W/V별 본 발명을 이용한 담체의 비소제거율은 도 5와 같이 25%에서 93%, 50%에서 96%로 나타남을 알 수 있어, 25%의 W/V비 이후부터는 제거효율변화가 미미하다는 것을 알 수 있었고, 본 발명 미네랄 담체의 비소제거는 12시간 순환실험에서 92%, 24시간에서 97%가 제거되었다
또한 3시간 순환 및 25% W/V 조건에서의 담체 제품별 비소제거 효율을 비교 검토한 결과는 도 6과 같이 본 발명을 이용한 미네랄 담체의 비소제거효율은 93%로 독일수입품인 페롤록스(93%), 티탄서브(95%)와 비교해서 비소제거 효율성이 높은 것으로 알 수 있었고 또한, 제올라이트산화철코팅 담체나 Katalox 여과재와 비교했을 때 비소제거 효율에 상당한 차이가 있는 것으로 알 수 있었다.
또한 -10% W/V, 12시간 순환실험 조건에서 담체 제품별 인 제거효율성을 비교한 결과는 도 7의 도면과 같이 본 발명을 이용한 무소성 담체는 인 제거 여과재로 사용되고 있는 제올라이트산화철코팅 담체(8%)에 비교해서 본 발명의 미네랄 담체는 82%로 인 제거효과에 월등한 성능을 가지고 있는 제품으로 확인되었다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

Claims (6)

  1. (a) 천연 제올라이트 분말 100중량부를 기준으로, 천연 무기 바인더 분말 15~50중량부를 혼합하여 혼합분말을 형성하는 단계;
    (b) 혼합분말에 간수를 혼합분말 100중량부를 기준으로 15~25중량부 혼합하고, 구형을 이루도록 성형하여 담체를 형성하는 단계;
    (c) 성형된 담체를 건조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    (a) 단계에서, 활성탄 분말 5~20중량부를 추가 혼합하는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    (a) 단계에서, 펄라이트 분말 5~10중량부를 추가 혼합하는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    (b) 단계에서,
    미생물 배양액을 1~10중량부 추가 혼합하는 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    (b) 단계에서, 미생물 배양액의 미생물은 젖산균, 바실러스, 효모 및 광합성 세균인 것을 특징으로 하는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체 제조방법.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 방법으로 형성되는 간수를 이용한 비소제거용 무소성 담체.
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