KR20210111159A

KR20210111159A - 친환경 수질 관리 장치

Info

Publication number: KR20210111159A
Application number: KR1020210022333A
Authority: KR
Inventors: 정진호; 정혜화
Original assignee: 주식회사 라올바이오
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2021-09-10
Also published as: KR102220375B1; KR102362792B1

Abstract

본 발명은 화학 약품(방청제, 청관제)의 사용 없이 친환경 소재만으로 원적외선 방출, 음이온 방출, 정화 능력, 항균 활성, 악취 제거, 스케일 제거 효과 등의 복합적인 기능을 동시에 나타내는 수질 관리 장치에 관한 것이다.

Description

친환경 수질 관리 장치{Eco-friendly water quality management device}

최근, 사회 전반적으로 건강에 대한 관심 및 지식수준이 전반적으로 상승하면서 유기농 식품을 찾는 소비자가 가파르게 증가하고 있다. 이에 따라 식품을 가공하는 공장에서는 유기농 인증 조건을 만족하는 제품을 생산하기 위해 많은 노력과 연구를 하고 있는 실정이다.

상기 유기농 인증을 위해 원재료의 재배 과정부터 가공 포장 배송까지 각 단계에 대한 면밀한 관리가 이루어지고 있으나, 대형 식품 가공 공장의 보일러에 사용되는 화학약품(방청제, 청관제)의 대체 방법은 전무한 상태이다.

청관제(boiler water additives)는 보일러 내부의 결석, 물때 생성, 부식 등을 방지하기 위해 투입하는 화학물질로서 4∼5종의 물질을 혼합한 제품을 사용한다. 식품의약품안전처는 2017년 식품 제조용 스팀보일러 내부의 스케일 또는 부식을 방지하기 위해 사용되는 청관제를 식품첨가물로 지정하여 관리하는 방안에 대한 정책설명회를 갖기도 하였다.

또한, 방청제는 식품 제조공장에 사용하는 보일러의 급수용 배관이 부식되어 금속이 용출되는 것을 막고, 식수가 오탁되는 것을 방지하기 위해 사용하는 약제로서, 이는 일시적인 것으로 근본적인 대책이 아닐 뿐 아니라 인체 유해성 논란이 되고 있다. 물론 급수용으로 사용 가능한 방청제로 인산염류, 규산염류, 복합염류 등이 있으나 단가가 높아 실제 현장에서 사용되지 않는 경우가 많고 공업용 청관제를 대체 사용하여 문제가 되고 있는 실정이다.

또한, 상기 급수용 방청제도 과량 사용시에는 칼슘 결핍에 의한 뼈의 성장 저해, 혈관경화, 요독증, 신경화증, 신부전증, 고혈압, 어린이의 발육 저해 등 많은 문제점이 있으므로 친환경적으로 관리할 수 있는 시스템 마련이 시급하다.

한편, 2016년 기준으로, 전 세계 물관리 시장규모는 7,143억불로, 2013~2020년 연평균 3.0%의 성장률을 보이는 것으로 보고된 바 있고(GWI(2017) Global Water Market 2017 및 조기숙(2019) 정수 및 하,폐수 기술 동향 재구성), 그 중에서도 아시아/태평양, 중동 등의 물관리 시장의 성장률이 높으며, 미국/중국/일본 등 상위 3개국이 전 세계 시장의 48% 차지하고 있는 것으로 보고되었다.

2018년 기준으로, 국내 물관리 분야 사업체수는 6,665개로 환경관련 전체 사업체수(57,858개)의 11.5%를 차지하고 있으며, 국내 환경 분야 매출액이 감소하였음에도 불구하고 물관리 분야 매출액은 전년대비 1.5%(123.67조원) 증가하여 꾸준한 성장세를 보이고 있는 분야에 해당한다. 특기할 만한 점은 매출액 규모가 10억 미만 및 종사자 규모 1~4인의 사업체 수가 많아 대체적으로 국내 물관리 분야 환경산업은 영세한 것을 그 특징으로 한다는 점이다(환경부(2018) 2016년 기준 환경산업통계조사보고서.).

이에, 본 발명자는 유기농 작물 또는 수산물을 재료로 하여 제조·가공·유통되는 모든 과정에서 화학약품을 사용하지 않고 친환경적으로 수질을 관리함과 동시에 보일러 배관 내 스케일 형성을 억제할 수 있는 세라믹 조성물을 개발하였고, 이를 통해 위해요소 중점관리 기준인 'HACCP인증' 'GAP인증' '유기농 가공식품인증'의 요구 조건을 충족하기 쉬워질 것으로 예상되며, 친환경적인 수질관리를 통해 폐수저감 등 국가의 환경오염 저감방안에 기여할 것으로 기대된다.

한국 등록특허 제10-1721209호

GWI(2017) Global Water Market 2017 및 조기숙(2019) 정수 및 하,폐수 기술 동향 재구성 환경부(2018) 2016년 기준 환경산업통계조사보고서

본 발명의 목적은 유기농 작물 또는 수산물을 재료로 하여 제조·가공·유통되는 모든 과정에서 화학약품을 사용하지 않고 친환경적으로 수질을 관리함과 동시에 보일러 배관 내 스케일 형성을 억제할 수 있는 신규한 세라믹 조성물을 포함하는 수 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 배관설비에 대한 설치 및 관리가 간편하면서, 처리수의 성분이나 처리용량, 수질 등의 조건에 맞는 활성화 능력 및 자정능력을 갖는 맞춤형 제작이 가능한 수 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 순수 제조 장치, 경도 성분 억제 장치, 기계 및 화학 세관 장치 등 별도의 처리 기술이나 장치를 도입하지 않고 제2차 오염 물질을 발생시키지 아니하면서, 급수 계통 또는 배기 가스 등 다양한 원인에 의하여 수 처리 장지에 발생하는 부식 및 스케일 장해 등을 방지하여, 열효율 및 설비 수명을 연장시킬 수 있는 수 처리용 세라믹 조성물 및 이를 포함하는 수 처리 장치를 제공하는 것이다.

나아가, 본 발명의 다른 목적은 상기한 세라믹 조성물이 광물성이 아닌 비정질의 식물성 실리카를 포함함으로써 인체에 무해한 친환경 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은 a) 실리카 알루미나(Silica-Alumina)가 30~40% 이상 포함된 암 장석(長石, feldspar) 40 내지 50 중량부, 와목(蛙目) 5 내지 15 중량부, 참나무재 5 내지 20 중량부, 황토 5 내지 30 중량부, 왕겨(husk) 재 5 내지 15 중량부, 지르코니아 0.1 내지 10 중량부, 티타늄 0.1 내지 10 중량부 및 조개껍질 분말 0.1 내지 10 중량부를 혼합하는 제1단계; b) 상기 제1단계에서 혼합된 각 성분을 건조한 후, 분쇄하는 제2단계; c) 상기 제2단계에서 분쇄된 각 성분을 소성하는 제3단계; 및 d) 상기 제3단계에서 소성된 조성물을 연마하는 제4단계;를 포함하는, 세라믹 조성물의 제조 방법을 제공한다.

구체적으로, 상기 제조 방법은 상기 b) 단계와 c) 단계 사이에 상기 제2단계와 제3단계 사이에 상기 조성물을 볼 형태로 성형하는 단계를 추가로 더 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

구체적으로, 상기 제1단계의 참나무재 및 왕겨재는 해당하는 식물 원재료들을 400~600℃에서 소성한 재를 분쇄한 것일 수 있으며, 상기 제1단계의 조개껍질 분말은 조개껍질 원재료를 수중에서 3 내지 8일 동안 염분 제거 처리한 후 건조 및 분쇄한 것일 수 있고, 상기 제1단계의 원재료들을 320 ~ 340 mesh로 분쇄한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 필요에 따라 이를 적절히 변경하여 적용 가능하다.

구체적으로, 상기 제3단계의 소성 단계는 i) 700~ 900℃에서 1차 소성하는 단계; 및 ii) 1100 ~ 1500℃에서 2차로 소성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것으로서, 상기 1차 및 2차 소성 단계는 각각 20 ~ 30 시간 동안 소성이 이루어지고, 전체 소성 시간은 약 40 ~ 60시간 동안 이루어지는 것일 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 상기 제조 방법으로 제조된 세라믹 조성물을 제공한다.

상기 세라믹 조성물은 실리카 알루미나(Silica-Alumina)가 30~40% 이상 포함된 암 장석(長石, feldspar) 40 내지 50 중량부, 와목(蛙目) 5 내지 15 중량부, 참나무재 5 내지 20 중량부, 황토 5 내지 30 중량부, 왕겨(husk) 재 5 내지 15 중량부, 지르코니아 0.1 내지 10 중량부, 티타늄 0.1 내지 10 중량부 및 조개껍질 분말 0.1 내지 10 중량부를 포함하여 제조된 것일 수 있다.

구체적으로, 상기 세라믹 조성물은 비정질 식물성 실리카를 포함하여 제조된 것으로서 지름 8 내지 30mm 사이의 구형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 수 처리 장치는 일정 규모 이상의 시공 규모를 필수적으로 요구하지 않고, 어떠한 규모에도 적용 가능하며, 설비의 시공이나 운용(유지)에 별도의 비용이 필요하지 않아 경제적이면서도 적용 범위가 넓은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수처리 장치는 신규한 수 처리용 세라믹 조성물을 포함함으로써 순수 제조 장치, 경도 성분 억제 장치, 기계 및 화학 세관 장치 등 별도의 처리 기술이나 장치를 도입하지 않고 제2차 오염 물질을 발생시키지 아니하면서, 급수 계통 또는 배기 가스 등 다양한 원인에 의하여 수 처리 장지에 발생하는 부식 및 스케일 발생 등을 방지함으로써, 열효율 및 설비 수명을 연장시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 세라믹 조성물은 전해질의 침해를 방지하여 물질의 변성과 산화를 늦추게 하는 활성화 작용 및 배관 내부의 붉은 녹에 자철광 피막을 형성하여 검은 녹으로 변화시켜 더 이상의 녹 진행을 막아주는 환원 작용을 나타내며, 본 발명의 세라믹 조성물을 처리하는 경우 일정기간 후에는 약제를 첨가하지 않아도 될 정도의 탁월한 방청효과를 나타낸다.

또한, 상기 세라믹 조성물은 미생물의 작용을 억제시키는 항균, 제균효과, 정화, 탈취효과를 발휘하며, 물분자가 작아지고 점성이 낮아져 침투력과 보수력이 증가, 산화방지의 효과를 높이는 조정효과 또한 나타내는 바, 상기한 효과 모두를 동시에 나타내는 복합적인 효과를 지니는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 세라믹 조성물은 비정질 식물성 실리카를 포함하여 제조된 친환경 제품으로서, 인체에 무해하므로 식용, 화장품 및 식품 첨가제로 사용이 가능하며, 이를 통해 친환경 수처리 요구업체, 식품 및 화장품 제조공장, 유기농 가공인증에 적용이 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구 범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 세라믹볼로부터 방출되는 적외선의 방사율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 세라믹볼로부터 방출되는 적외선의 방사 에너지를 FT-IR Spectometer를 이용하여 흑체(black body)와 대비하여 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 세라믹볼의 항균 능력을 확인하기 위해 E. coli의 감소율을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 세라믹볼의 항균 능력을 확인하기 위해 P. aeruginosa의 감소율을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 세라믹볼이 포함된 수 처리 장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 세라믹볼이 포함된 수 처리 장치가 실제로 적용되어 사용하는 모습을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 수 처리 장치를 보일러에 설치한 후 배관의 스케일 제거 효과를 확인한 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 신규한 세라믹 조성물의 제조

본 발명에 따른 세라믹 조성물은 다음과 같은 4개의 단계를 거쳐 제조하였다.

구체적으로, I) 실리카 알루미나(Silica-Alumina)가 30~40% 이상 포함된 암 장석(長石, feldspar) 40 내지 50 중량부, 와목(蛙目) 5 내지 15 중량부, 참나무재 5 내지 20 중량부, 황토 5 내지 30 중량부, 왕겨(husk) 재 5 내지 15 중량부, 지르코니아 0.1 내지 10 중량부, 티타늄 0.1 내지 10 중량부 및 조개껍질 분말 0.1 내지 10 중량부를 혼합하는 제1단계; Ⅱ) 상기 제1단계에서 혼합된 각 성분을 건조한 후, 분쇄하는 제2단계; Ⅲ) 상기 제2단계에서 분쇄된 각 성분을 소성하는 제3단계; 및 Ⅳ) 상기 제3단계에서 소성된 조성물을 연마하는 제4단계;를 포함하여 제조하였다.

또한, 본 발명의 신규한 세라믹 조성물의 제조 과정은 상기 제2단계와 제3단계 사이에 상기 조성물을 볼 형태로 성형하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1단계의 암 장석, 와목, 황토, 지르코니아, 티타늄 및 조개껍질 분말의 함량이 위 함량보다 작아지면 완성된 세라믹 볼이 적절한 강도 및 충분한 적외선 방출량을 가지기 어려우며, 상기 함량보다 커지면 적절한 활성 산소량 및 충분한 흡착 능력을 가지기 어렵게 된다.

또한, 상기 제1단계의 참나무재 및 왕겨재의 함량이 위 함량보다 작아지면 적절한 활성 산소량 및 충분한 흡착 능력을 가지기 어려우며, 상기 함량보다 커지면 완성된 세라믹 조성물이 적절한 강도 및 충분한 적외선 방출량을 가지기 어렵게 된다.

이때, 상기 제1단계의 참나무재 및 왕겨재는 해당하는 식물 원재료들을 400~600℃에서 소성한 재를 분쇄한 것을 사용하였다.

또한, 상기 제1단계의 조개껍질 분말은 조개껍질 원재료를 수중에서 3 내지 8일 동안 염분 제거 처리한 후, 건조 및 분쇄한 것을 사용하였으며, 상기 제1단계의 원재료들을 320 ~ 340 mesh로 분쇄한 것을 준비하여 사용하였다.

상기 제 1단계에서 혼합 단계는 상기와 같이 준비한 광물질, 식물 석회질 및 식물 규산질 성분들로 구성된 혼합 재료들을 볼밀(ball mill)에서 수분을 첨가하면서 20 내지 40 시간 동안 습식 혼합함으로써 구성 물질들 간에 마찰로 인한 분쇄 과정이 이루어지도록 하였다. 상기 수분은 단지 입자간 마찰이 생겨 분쇄 과정이 이루어지기 위한 정도의 점도이면 충분하므로 수분의 첨가량은 특별히 제한을 두지 않는다. 또한, 이러한 습식 혼합은 일 실시예에 불과할 뿐, 건식 혼합의 가능성을 제외하는 것이 아니다.

상기한 과정을 통해 습식 혼합된 혼합 물질을 7 내지 21일간 그늘에서 자연 건조하는 과정을 거쳤으며, 이러한 과정을 거침으로써 본 발명의 세라믹 조성물을 이용해 제조하는 구조물이 높은 강도를 가질 뿐만 아니라 수 처리 과정에서 적절한 양의 활성 산소를 만들 수 있는 기공이 형성될 수 있다.

본 실시예에서는 건조된 혼합 재료들을 볼 모양으로 성형하여 세라믹 볼을 제조하였으며, 이는 구형이 단위 면적당 가장 많은 입자를 배치할 수 있는 동시에 물에 접하는 면적도 최대화할 수 있으며 생산성도 높기 때문이다. 그러나 이러한 입자의 형태는 상기한 구형에 제한되지 않고, 상기 혼합 재료들을 이용하여 다각형, 판형, 혹은 불규칙한 형상 등 어떤 형태로도 적절히 변경하여 적용이 가능하다.

본 실시예에서는 상기 건조된 혼합 재료들을 볼 모양으로 성형한 후, 적절한 강도 및 공극을 가질 수 있도록 일련의 소성 과정을 거치는 제3단계를 실시하였다.

구체적으로, 상기 제3단계의 소성 단계는 a) 700~ 900℃에서 1차 소성하는 단계; 및 b) 1100 ~ 1500℃에서 2차로 소성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것으로서, 상기 1차 및 2차 소성 단계는 각각 20 ~ 30 시간 동안 소성이 이루어지고, 전체 소성 시간은 약 40 ~ 60시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 소성 과정을 통해 본 발명의 식물성 유기물의 일부가 광물질과 화학적 결합을 이루며, 참나무와 왕겨에 존재하는 다양한 유기물질 및 무기염류는 그대로 잔류하면서 수처리시 인체에 유익한 유기 혹은 무기염류의 용출효과를 거두게 된다.

또한, 상기 소성 과정을 거치면서 세라믹 성분간의 결합력을 증진시켜 구조체 전체의 기계적 강도를 현저히 개선함과 동시에 상기 세라믹 조성물의 구성 성분이 함유하고 있는 원적외선 방사율 및 방사 에너지의 효율을 현저히 상승시킬 수 있다.

실험예 1. 신규한 세라믹 볼의 압축강도 확인 실험

상기 실시예 1의 방법으로 제조된 세라믹 볼이 우수한 압축강도를 가지는지 확인하였다.

본 발명의 세라믹 볼은 높은 강도를 가짐으로써, 높은 유속을 가지는 물과 충돌하여 강한 에너지를 발생시킬 수 있고, 충돌 및 마찰에도 쉽게 깨지거나 부서지지 않는 것을 특징으로 하는 바, 종래에 세라믹볼을 단순 통과하는 방식의 여과장치가 가지는 한계점을 극복할 수 있다.

구체적으로, 본 실험예에서는 지름 16mm의 구형으로 제조된 세라믹 볼 12개를 시험편으로 하여 만능재료시험기(하중 용량 5Tonf)를 이용해 시험속도 10mm/min으로 최대압축하중을 확인하였고, 특히 건조 및 수중 상태 각각에서의 최대압축하중을 확인한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 수중 상태의 최대압축하중은 해당 세라믹 볼을 24시간동안 수침 시킨 후 표면건조포화 상태일 때의 압축하중을 측정하였다.

시험편 번호	1 (kgf)	2 (kgf)	3 (kgf)	4 (kgf)	5 (kgf)	6 (kgf)	7 (kgf)	8 (kgf)	9 (kgf)	10 (kgf)
건조	765	895	877	606	546	961	1292	1064	876	1002
수중	1004	1021	960	990	1030	643	1637	510	1391	769

그 결과, 상기 표 1에 나타난 바와 같이 본 발명에서 제조한 세라믹 볼은 건조 상태에서 540 내지 1300 kgf의 높은 압축강도를 가지며, 수중 상태에서도 510 내지 1400 kgf의 높은 압축강도를 가져 높은 활용가능성을 내포하는 것을 확인하였다.

실험예 2. 세라믹 볼의 적외선 방사 에너지 확인 실험

상기 실시예 1의 방법으로 제조된 세라믹 볼의 적외선 방사 에너지를 확인하기 위한 실험을 실시하였다.

일반적으로 물 분자는 물 분자간의 수소 결합 등으로 큰 집합 상태를 이루게 되어 상기 분자들의 전체적인 반응 활성이 작아지게 된다. 그러나 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 세라믹 볼은 자체적으로 원적외선을 방출함으로써, 물 분자가 집합 상태로부터 개별적인 분자 형태로 작용할 수 있도록 만들며, 이로 인해 상기 분자의 전체 반응 활성이 높아지게 된다.

하기 표 2 및 도 1, 2는 각각 본 발명에 의하여 제조된 세라믹 볼의 일 실시예를 한국원적외선응용평가연구원에 의뢰하여 상기 세라믹볼로부터 방출되는 적외선의 방사율 및 방사 에너지를 FT-IR Spectometer를 이용하여 흑체(black body)와 대비하여 측정한 결과로서, 본 발명에 의하여 제조된 세라믹 볼로부터 3.70×10²W/m²·㎛(T=40℃)이상의 높은 적외선 방사 에너지가 0.925라는 높은 방사율로 방출되고 있는 것을 확인할 수 있다.

방사율(5~20㎛)	방사에너지(W/m²·㎛, 40℃)
0.925	3.72×10²

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의하여 제조된 세라믹 볼로부터 방출되는 원적외선으로 인하여 물 분자 집합체의 크기가 작아지게 되고, 상기 분자의 전체적인 반응 활성이 향상될 수 있다.

실험예 3. 세라믹 볼의 음이온 방출 특성 확인 실험

상기 실시예 1의 방법으로 제조된 세라믹 볼의 음이온 방출 특성을 확인하기 위한 실험을 실시하였다.

본 발명에서 제조된 세라믹 볼은 자체적으로 전자(음이온)를 방출하는 특성을 나타내기 때문에, 수 처리 장치 또는 보일러 배관 내 칼슘 및 마그네슘 이온 등 금속 양이온과 반응함으로써 스케일의 형성을 막고, 기존에 형성된 스케일 또한 환원반응을 통해 제거할 수 있다.

본 발명의 세라믹 볼이 음이온 방출 특성을 갖는지 확인하기 위하여, 본 발명에서 제조된 세라믹 볼 30g을 시험편으로 하고, 전하 입자 측정 장치를 이용하여 실내온도 28℃, 습도 35%, 대기중 음이온 수 106/cc 조건에서 KFIA-FI-1042에 준하여 음이온 방출 특성을 확인하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

검사항목	음이온(ion/cc)
세라믹 볼	980

상기 표 3은 측정대상물에서 방출되는 음이온을 측정하여 단위 체적당 ion 수로 표시한 결과이다. 상기 표 3에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 세라믹 볼은 일반 대기 중 음이온 수에 비하여 8~9배의 음이온을 방출하는 것을 확인하였다.즉, 상기한 바 본 발명의 세라믹 볼은 원적외선 및 음이온 방출 효과를 나타내므로 물 분자의 분자간 결합을 끊어 물 분자 집단을 작게 만들고, 이를 통하여 상기 분자들의 분자 활동을 활발하게 함으로써 물 내부에 존재하는 오염 물질 등을 제거, 흡착, 분해하는 등의 반응 활성이 높아질 수 있다.

실험예 4. 세라믹 볼의 정화 능력 확인 실험

상기 실시예 1의 방법으로 제조된 세라믹 볼의 정화 능력을 확인하기 위하여 세라믹 볼을 이용하는 경우의 유기물 정화능력, 잔류염소 제거능 및 흡착능과 관련이 높은 기공도를 확인하였다.

구체적으로, 유기물 정화능력을 확인하기 위하여 (주)산업공해연구소에 의뢰하여 일반 세제를 사용한 물과 본 발명에서 제조된 세라믹 볼을 사용한 물에 대하여 COD(Chemical Oxygen Demand, 화학적 산소 요구량) 및 BOD(biochemical oxygen demand, 생물학적 산소 요구량)를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

검사항목	일반 세제+물	세라믹 볼+물
COD(mg/L)	123.4	50.2
BOD(mg/L)	347.1	88.7

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 세라믹 볼을 이용할 경우, 일반 세제를 사용하는 경우보다 유기물 등의 오염 물질을 훨씬 효율적으로 제거하는 것을 확인하였다.또한, 본 발명의 세라믹 볼을 이용하는 경우 수도에 잔존하는 잔류 염소의 제거 효과를 나타내는 바, 수돗물 50Ldp 세라믹 볼을 이용한 물과 아무런 처리도 하지 수돗물을 상온에서 교반한 후 잔류 염소의 농도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

검사항목	수돗물	세라믹 볼+물
잔류염소 (mg/L)	0.28	0

그 결과, 표 5에 나타난 바와 같이 본 발명의 세라믹 볼을 이용하는 경우 잔류 염소의 양이 줄어든 것을 확인하였다.상기 실시예 1로 제조된 세라믹 볼의 기공도는 기공율 분석결과 약 54 내지 63%인 것으로 나타났고, 기공 크기는 5 내지 10 um임을 확인하여 상대적으로 균일한 크기의 기공이 높은 비율로 존재하는 다공성을 나타내는 것을 확인하였다.

실험예 5. 세라믹 볼의 항균 능력 확인 실험

상기 실시예 1의 방법으로 제조된 세라믹 볼의 항균 능력을 확인하기 위하여 대장균(E. coli), P.아에루기노사(P. aeruginosa), 포도상구균(S. aureus) 및 폐렴균(K. pneumoniae)를 대상으로 항균력을 확인하였다.

구체적으로, 본 실험예는 KFIA-FI-1002에 준하여 실시하였고, 본 발명의 세라믹 볼을 이용한 시료와 아무런 처리도 하지 않은 시료에 대하여 대장균 및 녹농균의 감소율을 비교하였으며, 사용 균주로는 각각 Escherichia coli ATCC 25922, Pseudomonas aeruginosa ATCC 15442, S. aureus ATCC 6538, K. pneumoniae ATCC4352를 사용하였으며, 배지 상의 균 수는 희석 배수를 곱하여 산출하였고, 그 결과는 표 6 및 도 3, 4에 나타내었다.

구분	시료	초기농도 (CFU/ml)	24시간 후 농도 (CFU/ml)	감소율(%)
대장균(E. coli)	대조군	3.3X10⁶	9.8 X 10⁶	-
대장균(E. coli)	실험군	3.3X10⁶	6.1 X 10⁵	81.5
P.아에루기노사 (P. aeruginosa)	대조군	2.8X10⁷	9.1 X 10⁷	-
P.아에루기노사 (P. aeruginosa)	실험군	2.8X10⁷	5.3 X 10⁶	81.1
포도상구균 (S. aureus)	대조군	1.9 X10⁵	4.0 X 10⁶	-
포도상구균 (S. aureus)	실험군	1.9 X10⁵	<1.0 X 10³	99.9
폐렴균(K. pneumoniae)	대조군	2.9 X10⁵	3.7 X 10⁶	-
폐렴균(K. pneumoniae)	실험군	2.9 X10⁵	<1.0 X 10³	99.9

그 결과, 상기 표 6 및 도 3, 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 제조된 세라믹 볼을 사용하는 경우 한 시료의 경우, 상기 균주 모두에 대하여 성장 저해율이 80%이상으로 매우 높은 수준인 것을 확인하였다.또한, 상기 실험과 별개로 대장균 O-157에 대한 항균 작용을 확인한 결과, 별도의 항균물질의 첨가 없이도 상기 세라믹 볼을 처리하지 않은 수돗물 대비 24시간에 89.3%, 48시간에 99.6%의 저해율을 확인하였다.

실험예 6. 세라믹 볼의 악취제거 효과 확인 실험

상기 실시예 1의 방법으로 제조된 세라믹 볼의 악취 제거 효과를 확인하기 위하여 100㎖ 부피를 가지는 용기에 상기 세라믹 볼 시료 10g과 암모니아 수용액 2㎕을 주입하고, 가스검지관법을 사용하여 악취 제거 효과를 측정한 결과를 표 7에 나타내었다.

악취 제거율(%)은 [(대조군 가스 농도 - 실험군 가스 농도)/대조군 가스농도] X 100으로 계산하여 산출하였다.

소요시간(분)	악취 제거율(%)
30	20
60	30
90	30

상기 표 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 세라믹 볼을 투여한 순간 최초 30분 내에 용기 내 암모니아 가스의 농도를 낮추었으며, 60분 이내에 반응을 완료하여 신속하게 암모니아 흡착 및 악취 제거능력을 나타내는 것을 확인하였다.

실험예 7. 세라믹 볼의 구성성분 확인 실험

상기 실시예 1의 방법으로 제조된 세라믹 볼의 구성성분을 확인하기 위하여, 일본의 기업인 “하이 실리카 공업㈜”에 의뢰하여 상기 세라믹 볼의 구성성분을 분석하였다.

구체적으로, X선 형광 분석 결과 통상 광물성 실리카에는 존재하지 않는 황(S)이 검출되어 광물성 실리카가 아닐 가능성이 높을 것으로 파악되었으며, X선 분석에서는 결정질이 아닌 순수한 비정질 형태인 것을 확인하였다.

적외선 스펙트럼 분석 결과 카보닐기(C=O), 탄소 결합(-C-C-) 및 수산화기(-OH)에 해당하는 스펙트럼이 검출되어 본 발명의 세라믹 조성물이 유기물에서 추출된 것임을 확인하였다.

본 발명 세라믹 조성물의 성분을 화학적으로 분석한 결과 실리카(SiO₂) 98.20%, 알루미나(Al₂O₃) 0.052%, 산화철(Fe₂O₃) 0.005% 및 산화티타늄(TiO₂) 0.010%를 포함하여 이루어지는 것을 확인하였다.

상기한 결과를 종합하여 볼 때, 본 발명의 세라믹 조성물은 식물성 유기물로부터 유래한 실리카 성분을 포함하고 있는 것으로서, 비정질 식물성 실리카는 친환경 소재로써 인체에 무해하므로 식용, 화장품, 식료품첨가제로도 사용이 가능하고, 고순도화 비용이 저렴한 특징을 가진다.

실험예 8. 세라믹 볼의 안정성 평가 확인 실험

상기 실시예 1의 방법으로 제조된 세라믹 볼의 안정성을 평가하기 위하여, 상기 세라믹 볼 40개를 정제수 4L에 투입하고 상온에서 48시간 동안 150rpm으로 교반한 후의 용출되는 물질을 분석하는 용출 시험을 실시하였다.

그 결과 납, 카드뮴, 비소, 셀레늄, 철, 크롬, 수은, 바륨, 안티몬 및 잔류 염소가 검출되지 않았으며, 망간 및 아연이 소량 검출되었으나 모두 안전기준 범위 내에 속하는 것을 확인하였다.

실시예 2. 세라믹 볼을 포함하는 수 처리 장치

실시예 2-1. 수 처리 장치의 구조

상기 실시예 1에서 제조한 세라믹 볼을 포함하는 수 처리 장치를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수 처리장치(100)는 수처리용 처리수가 공급되는 배관(101) 중간에 설치되는 하우징(110)과, 상기 하우징(110)의 내부에 소정간격 이격되어 독립 설치되는 다수의 볼 수용체(120)와, 상기 각각의 볼 수용체(120) 내에 유동이 자유로운 상태로 포함되는 다수의 세라믹 볼(130)과, 상기 볼 수용체(120)의 사이에 설치되어 세라믹 볼(130)의 충돌을 가속시키기 위한 고속 유체를 형성하는 벤츄리관(140), 및 상기 벤츄리관(140) 외경의 최소 직경부에 설치되어 내부를 통과하는 처리수를 자화시키는 자화수단(150)으로 구성된다.

상기 하우징(110)은 원통형의 관체로 제작되며, 배관(101)에 결합되는 일측방향에 처리수가 공급되는 입구를 형성하고 있고, 반대쪽 방향에 수 처리된 처리수가 배출되는 출구를 형성하고 있다.

이때, 상기 하우징(110)의 입구 및 출구 측에는 각각 배관(101) 측과 관 연결을 위한 콘 형상의 캡(111)이 결합되고 있다.

상기 캡(111)은 하우징(110)에 결합되는 쪽이 넓고 배관(101)에 결합되는 쪽이 좁은 콘 형상으로 제작되며, 하우징(110) 및 배관(101) 양측에 각각 볼트를 이용해 플랜지(113) 결합되도록 하고 있다. 이는, 기존에 설치되어 있는 수 처리설비에 본 발명의 수 처리장치(100)를 쉽게 플랜지(113) 결합시켜 설치할 수 있는 편리함을 갖게 하기 위함이다.

상기 볼 수용체(120)의 구조는 하우징(110) 내부에 하나 이상 설치 될 수 있도록 되어 있으며, 하우징(110)의 내경과 일치하는 외경을 갖는 원통형의 관체로서 제작되어 있고, 그 내부에는 다수의 세라믹 볼(130)들이 수용되고 있으며, 상기 세라믹 볼(130)들이 이탈되는 것을 방지하기 위해 다수의 통공을 갖는 타공망(121)이 상단 및 하단에 각각 결합되는 구조로 이루어지게 된다.

이때, 상기 볼 수용체(120)와 타공망(121) 사이는 하우징(110) 내부에서 사이가 벌어지지 않도록 치수 공차를 관리하여 차례대로 적층하거나, 용접 등의 방법으로 접합시켜 일체형으로 제작하는 방법이 이용될 수 있다.

상기 세라믹 볼(130)은 상기 실시예 1에서 제조된 것으로써, 볼 수용체(120)를 관통하는 처리수에 의해 유동되어 충돌됨으로써, 다량의 운동에너지를 발생시키게 된다.

이때, 세라믹 볼(130)은 방사되는 전자에 의하여 하우징(110) 내부를 통과하는 처리수를 이온화시키는 한편, 원적외선에 의해 물 분자를 잘게 쪼개어 작은 분자 집단화 시켜줌으로써, 처리수의 활성화 기능을 갖도록 한다.

이때, 다수의 볼 수용체(120)에 각각 수용되는 세라믹 볼(130)의 수용 비중을 달리 할 수 있는데, 예를 들어, 처리수가 입력되는 입구 측의 볼 수용체(120)에는 상대적으로 많은 양의 세라믹 볼(130)이 수용되도록 하고, 처리수가 배출되는 출구 측의 볼 수용체(120)에는 상대적으로 적은 수량의 세라믹 볼(130)이 수용되도록 할 수 있다.

이는, 하우징(110)의 출구 측으로 갈수록 세라믹 볼(130)의 유동성을 좋게 함으로써 충돌에너지를 단계적으로 증폭시켜 물 분자의 활성도를 최대치로 향상시키기 위함이다.

일 실시태양으로, 상기 하우징(110) 내부에 3개의 볼 수용체(120)가 설치되고, 각각의 볼 수용체(120)는 동일한 체적으로 제작됨을 가정했을 때, 상기 세라믹 볼(130)은 하우징(110)의 입구측으로부터 각각 볼 수용체(120)의 체적 대비 80%, 50%, 20%의 비율로 수용되도록 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 벤츄리관(140)은 볼 수용체(120)와 볼 수용체(120)의 사이에 설치되어 세라믹 볼(130)의 충돌을 가속시키기 위한 고속 유체를 형성하는 역할을 하게 된다.

상기 벤츄리관(140)은 관로가 좁아지는 협관부(141)를 형성하고, 상기 협관부(141)의 상,하 양끝단에 각각 볼수용체(120)와 접하는 콘 형상의 확관부(143)를 형성하는 구성으로 이루어지고 있다.

상기 자화수단(150)은 벤츄리관(140) 외경에 설치할 수 있으며, 특히 최소 직경을 갖는 협관부(141)에 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같은 자화수단(150)으로는 영구자석 또는 전자석이 이용될 수 있으며, 구체적으로는 네오디뮴 자석을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.

상기 자화수단(150)은 로렌츠 힘(전하를 띤 입자가 전자기장 안에서 받는 힘)을 이용하여 처리수 내부 전하들이 양(+)의 전하와 음(-)의 전하로 분리되도록 함으로써, 양과 음으로 분리된 전하들이 전기장 속에서 각기 힘을 받는 방향으로 이동되도록 하여 물 분자가 분리되도록 한다.

상기 자화수단에 의하여 관 내부를 통과하는 유체의 금속이온의 일부를 자화시키는 한편, 스케일 형성을 억제하는 효과를 증폭시켜주는 역할을 할 수 있다.

또한, 본 발명은 하우징(110)과 캡(111)을 분리한 후 내부의 볼수용체(120)를 차례로 꺼내 교체하는 것이 가능하다. 이처럼 본 발명은 볼수용체(120) 및 벤츄리관(140)이 개별의 부품으로 분리되어 관리됨으로써, 부품 교체 및 관리가 편리한 이점을 갖게 된다.

실시예 2-2. 수 처리 장치의 설치 및 사용 태양

본 발명의 수 처리 장치를 설치하여 사용하는 모습을 도 2를 참조하여 설명한다.

우선, 처리수를 이송하는 배관(101) 중간에 본 발명의 수 처리 장치(100)가 설치되어 있고, 상기 배관(101)을 통해 처리수가 수 처리 장치(100)에 공급된다.

이때, 수 처리 장치(100)는 중력에 수직한 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하며, 수 처리 장치(100) 하단부에 펌프(pump)를 구비함으로써 처리수가 중력에 반대되는 방향으로 급수되는 것을 특징으로 한다.

세라믹 볼(130)이 중력에 의하여 하강하려는 힘과 펌프에 의하여 중력에 반대되는 방향으로 움직이려는 힘이 동시에 작용하면서 세라믹 볼(130)의 활발한 움직임을 유도할 수 있으며, 이를 통해 동일 시간, 동일 체적 하에서 더 많은 효과를 유도할 수 있다.

상기 처리수는 하우징(110) 하단에 설치된 첫 번째 볼수용체(120)를 통과하는 과정에서 볼수용체(120)에 수용되어 있는 다수의 세라믹 볼(130)들을 유동시키게 된다.

이때, 세라믹 볼(130) 들 사이에서는 충돌이 발생되어 운동에너지를 발생시키게 된다.

이때 발생된 운동에너지는 세라믹 볼(130)에서 방사되는 음이온 및 원적외선이 포함된 처리수와 함께 다음 단계로 이동하게 된다.

상기한 바와 같이 첫 번째 볼수용체(120)를 통과한 처리수는 첫 번째 벤츄리관(140)을 통과하고, 상기 벤츄리관(140)은 하우징(110) 내부를 통과하는 처리수의 유속과 압력을 변화시킴으로써 처리수의 유동을 층류 유동에서 난류 유동으로 변화시키는 역할을 하게 된다.

이때, 처리수의 유속은 급격히 빨라져 고속유체의 흐름을 보이는 한편, 소용돌이와 같은 복잡한 유체의 흐름이 나타나, 벤츄리관(140)을 통과하는 처리수에 존재하고 있는 미네랄 입자들 사이의 접착력을 제거하고, 이를 통해 배관의 스케일 및 녹 생성을 방지하는 효과를 갖게 된다.

또한, 상기 자화수단(150)은 처리수 내부 전하들이 양(+)의 전하와 음(-)의 전하로 분리되도록 함으로써 처리수 내의 금속이온의 일부를 자화시키는 한편, 물 분자를 분리시켜 배관(101) 내벽에 스케일이 침착되는 것을 억제하는 효과를 나타낸다.

이후, 상기와 같은 벤츄리관(140)을 통과하여 난류 유동을 갖는 처리수는 두 번째 볼수용체(120)로 공급되어 내부의 세라믹 볼(130)들을 유동시키게 되고, 상기 실시예 2-1의 일 실시태양에 따라 하우징의 입구측에서 멀어질수록 세라믹 볼(130)의 수용 비율이 적어지므로, 상기 세라믹 볼(130)들은 첫 번째 볼수용체(120)에서 보다 빠르게 유동하여 강력한 충돌에너지(운동에너지)를 발생시키게 된다.

상기한 바와 같은 충돌에너지는 세라믹 볼(130)에서 방사되는 전자 및 원적외선이 포함된 처리수와 함께 다음 단계로 이동하는 과정을 반복할수록 세라믹 볼에 의한 반응이 더욱 활발히 일어나는 것을 특징으로 한다.

실험예 9. 본 발명 세라믹 볼을 포함하는 수 처리 장치의 스케일 제거 및 억제 효과 확인 실험

상기 실시예 2의 수 처리 장치가 실제 스케일 제거 및 억제 효과를 나타내는지 확인하기 위한 실험을 실시하였다.

구체적으로, 본 발명의 세라믹 볼을 포함하는 수처리 장치를 보일러 배관에 설치하고, 평균 60℃의 온수로 지속 운행하고, 시간 경과에 따른 배관 내 스케일의 변화 모습을 측정하여 도 7에 나타내었다.

최초에는 스케일의 두께가 11mm에 이르렀으나, 세라믹 볼을 포함하는 수처리 장치를 설치한지 10일 경과 후에는 스케일의 두께가 5.2mm로 절반 이하로 감소하였으며, 25일 경과 후에는 스케일의 두께가 3.6mm로 측정되어, 본 발명의 세라믹 볼이 기존에 배관 내 존재하는 스케일을 제거할 뿐 아니라 새로운 스케일의 생성을 억제하는 효과를 나타냄을 확인하였다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

101: 배관 110: 하우징 111: 캡 113: 플랜지
120: 볼수용체 121: 타공망 130: 에너지볼 140: 벤츄리관
141: 협관부 143: 확관부 150:자화수

Claims

수처리용 처리수가 공급되는 배관(101) 중간에 설치되는 하우징(110);
상기 하우징(110)의 내부에 소정 간격 이격되어 독립 설치되는 다수의 볼 수용체(120);
상기 각각의 볼 수용체(120) 내에 유동이 자유로운 상태로 충진되는 하나 이상의 세라믹 볼(130);
상기 볼 수용체(120)의 사이에 설치되어 세라믹 볼(130)의 충돌을 가속시키기 위한 고속 유체를 형성하는 벤츄리관(140); 및
상기 벤츄리관(140) 외경의 최소 직경부에 설치되어 내부를 통과하는 처리수를 자화시키는 자화수단(150);
을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수 처리 장치에 있어서,
상기 세라믹 볼(130)은 지름이 16mm이며, 상기 세라믹 볼의 기공도는 54 내지 63%이고, 기공 크기는 5 내지 10μm이며,
a) 실리카 알루미나(Silica-Alumina)가 30 중량% 이상 포함된 암 장석(長石, feldspar) 40 내지 50 중량부, 와목(蛙目) 5 내지 15 중량부, 참나무재 5 내지 20 중량부, 황토 5 내지 30 중량부, 왕겨 재 5 내지 15 중량부, 지르코니아 0.1 내지 10 중량부, 티타늄 0.1 내지 10 중량부 및 조개껍질 분말 0.1 내지 10 중량부를 혼합하는 제1단계;
b) 상기 제1단계에서 혼합된 각 성분을 건조한 후, 분쇄하는 제2단계;
c) 상기 제2단계에서 분쇄된 각 성분을 소성하는 제3단계; 및
d) 상기 제3단계에서 소성된 조성물을 연마하는 제4단계;를 포함하여 제조된 것이고,
상기 제3단계의 소성 단계는 i) 700~ 900℃에서 1차 소성하는 단계; 및 ii) 1100 ~ 1500℃에서 2차로 소성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것으로서, 상기 1차 및 2차 소성 단계는 각각 20 ~ 30 시간 동안 소성이 이루어지고, 전체 소성 시간은 40 ~ 60시간 동안 이루어지는 것이며,
상기 세라믹 볼은 비정질 식물성 실리카를 포함하여 제조된 것이고,
상기 수 처리 장치는 배관 내 환원 작용, 항균, 부식 억제 및 스케일 방지 및 기 생성된 스케일의 제거 효과를 동시에 가지는 것인, 수 처리 장치.