해양 심층수를 이용하여 화장품제조용수를 제조하는 방법{A production method of cosmetics production water using deep-ocean water}

제1도는 해양 심층수를 이용하여 화장품제조용수를 제조하는 공정도

제2도는 물 분자집단의 소집단화처리 공정도

제3도는 탈염처리 공정도

제4도는 전기분해공정도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 해양 심층수 저장조 2: 해양 심층수 이송펌프

3: 소집단화 처리조 4: 철망 전극

5: 가대(架臺) 6: 절연체(絶緣體)

7: 기초 콘크리트(Concrete) 8: 접지(接地, Earth)

9: 원적외선 방사기 10: 분무 노즐(Spray nozzle)

11: 정전기유도장치(靜電氣誘導裝置) 11a: 변압기(變壓器)

11b: 전압조정기(電壓調整器) 11c: 1차 권선(捲線)

11d: 철심(鐵心, Iron core) 11e: 2차 권선

11f: 절연 단말(絶緣端末) 11g: 출력선

12: 중간처리수 저장조 13: 자화기 공급펌프

14: 자화기 15: 코일 포머(Coil former)

16: 코일(Coil) 17: 자성체 충전물

18: 냉각관 19: 해양 심층소집단수 저장조

20: 해양 심층소집단수 이송펌프 21: 전기투석장치 공급수 저장조

22: 전기투석장치 공급펌프 23: 전기투석장치

24: 양극 25: 음극

26: 양극실 27: 음극실

28: 음이온선택교환 격막 29: 양이온선택교환 격막

30: 탈염실 31: 염농축실

32: 염수저장조 33: 염수이송펌프

34: 전기분해장치 35: 양극실

36: 음극실 37: 양극

38: 음극 39: 격막

40: 산화미네랄수 저장조 41: 산화미네랄수 이송펌프

42: 환원수 저장조 43: 환원수 이송펌프

C ₁ , C ₂ : 콘덴서(Condenser) ⓢ: 솔레노이드밸브(Solenoid valve)

LS: 수위 제어기(Level switch) FI: 유량지시계(Flow indicator)

TI: 온도 지시계(Temprtature indicator)

pHI: 수소 이온농도지시계(pH indicator)

pHIS: 수소 이온농도지시제어기(pH indicating switch)

ORPI: 산화환원전위지시계(Oxidation reduction potential indicator)

ORPIS: 산화환원전위지시계(Oxidation reduction potential indicating switch)

BIS: 보메도비중지시제어기(Baume indicating switch)

ECIS: 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)

본 발명은 화장품제조용수의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수심 200m 이하의 해양 심층수를 취수하여 20∼30℃로 가온 처리와 여과처리를 한 다음, 물 분자집단의 소집단화처리, 나노여과처리, 역삼투 여과처리, 전기투석공정 및 전기분해공정으로 화장수를 제조하는 방법에 관한 것이다.

해양 심층수는 통상 200m이하 심층의 해수를 해양 심층수라고 부르며, 표층의 해수와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식하지 못하기 때문에 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높으면서 수온에 따른 밀도 차이로 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 숙성된 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있는 것으로 알려져 있으며, 해양 심층수와 표층해수에 함유되어 있는 주요성분의 분석은 표1의 내용과 같다.

그리고 해양 심층수 중에는 생물의 생육에 필요한 다종다양한 미네랄성분이 함유되어 있으며, 최근의 연구에 의하면, 해양 심층수에는 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 물질을 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, 해조류(海藻類)로부터는 알긴산(Alginic acid)과 같은 피부미용에 유용한 물질이 함유되어 있는 특성이 있다.

표1, 해양 심층수와 표층해수의 주요성분 분석표

수심 200m 이하의 해양 심층수는 태양 광이 도달하지 않기 때문에, 이 해양 심층수 중에서는 조류 또는 수성식물(水性植物) 등에 의한 광합성은 행해지는 일 없으며, 또한, 플랑크톤 등의 번식도 거의 볼 수 없다고 하는 것이 일반적인 견해이다. 이와 같이 해양 심층의 해류 중에는, 유기물질은 거의 함유되어 있지 않다고 생각되고 있지만, 표층해수에서보다 높은 농도로 미네랄성분을 함유하고 있으며, 이러한 미네랄성분에는, 현재의 통상의 식생활 등에 서 부족하기 쉬운 희소 미네랄성분도 함유되어 있다. 게다가 이 해양 심층수 중에는 의외로 많은 유기물질이 용존(溶存)하고 있는 것을 알 수 있었다. 따라서, 이렇게 녹아있는 유기물질이, 세포활성이 있을 가능성이 크고, 이러한 성분을 얻을 수 있으며, 높은 세포활성, 구체적으로는, 섬유아세포(纖維芽細胞)에너지대사·증식활성물질(增殖活性物質: 纖維芽細胞活性物質) 등의 피부 세포활성물질(細胞活性物質), 호산구활성물질(好酸球活性物質) 등의 면역세포활성물질(免疫細胞活性物質)을 얻을 수 있다. 이러한 섬유아세포에너지대사·증식활성물질은, 피부의 노화방지 혹은 노화한 피부의 기능 개선에 유효하고, 또한, 이러한 호산구활성물질은 아토피 등의 알레르기성 질환의 치료약으로서 매우 유용성이 높은 것으로 알려져 있다.

상술한 바와 같이 해양 심층수에는 생물의 생육에 유용한 작용을 하면서 아토피성 피부염 등에 효과가 있는 것으로 밝혀져 화장품, 목욕용수 등에 이용되고 있으며, 근간에는 이와 같은 물질 중에는 항암작용을 하는 미량요소(Oligoelement)도 함유되어 있는 것이 발표되고 있다.

해양 심층수로부터 화장품제조에 사용하는 용수(用水)의 조건을 검토하면 다음과 같다

⑴ 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR) ¹⁷ O-NMR 반치폭(半値幅)의 값(㎐)이 적은 용수(用水)가 표면장력(表面張力)이 적으면서 침투성(浸透性) 우수한 데, 해양 심층수의 핵자기공명 ¹⁷ O-NMR 반치폭의 값은 70∼80㎐으 로 하천수나 수돗물의 핵자기공명 ¹⁷ O-NMR 반치폭의 값은 120∼150㎐에 비해서는 낮으나, 핵자기공명 ¹⁷ O-NMR 반치폭의 값을 60㎐이하로 처리하는 것이 바람직하다.

⑵ 해양 심층수를 화장품제조용수로 사용하기 위해서는 NaCl성분이 과량으로 함유되어 있기 때문에 탈염장치(脫鹽裝置)에서 전기전도율(Electric conductivity: EC)을 12㎳/㎝ 이하로 처리하는 것이 바람직하다.

⑶ 화장수의 산화환원전위(酸化還元電位: Oxidation-reduction potential, ORP) 값을 +1,000∼+1,200㎷로 처리하는 것이 살균력이 우수한 화장수를 제조할 수 있다.

⑷ 샴푸의 제조용수는 산화환원전위 값을 -100∼-250㎷ 범위의 환원수로 처리하는 것이 바람직하다.

해양 심층수에 함유된 유기물질과 미네랄성분의 농축을 프랑스(France)의 피토메르(Phytomer)사에서는 브레타뉴(Bretagne) 지역의 해양 심층수를 동결건조(Freeze drying)방법으로 농축하여 파우더(Powder) 상태를 생산하고 있으나, NaCl의 농도가 높으면서 시설비와 운전비가 높은 문제점이 있다.

일본 특허 공개번호 2004-314045호의 경우, 해양 심층수 또는 해양 암반수를 결빙단계, 결빙된 얼음을 담수로 세정할 단계, 세정 된 얼음을 용해단계로 탈염한 탈염수를 화장수, 화장용 퍼프(Cosmetic puff)와 라텍스 퍼프(Latex puff)를 제조하는 방법이 제시되어 있으나, 시설비와 생산비용 높은 문제점이 있으며, 해양 심층수에 함유된 유용물질의 농도가 낮으면서 핵자기공명 ¹⁷ O-NMR 반치폭의 값이 높으 면서 침투력 및 흡수력이 떨어지는 문제점이 있다.

일본 특허 공개번호 2004-155701호의 경우 해양 심층수에서 생산된 간수(苦汁)를 화장품용수로 이용하는 방법이 제시되어 있으나, 염분의 농도가 높으면서 유용유기물질의 농도가 낮아 해양 심층수의 특성을 십분 발휘할 수 없는 문제점이 있다.

그리고 일본 특허 공개번호 2004-244368호의 경우도, 화장료 및 식품을 해수나 해양 심층수 중에 용존 되는 무기 염의 적어도 일부를 분리하는 조작을 적어도 1회 실시하는 것으로 얻을 수 있는 해양 심층수 중에 함유되어 있는, 피부 세포활성물질인 섬유아세포에너지 대사 활성물질 및 섬유아세포 증식 활성물질 등의 섬유아세포활성물질과 면역세포활성물질인 호산구활성물질을 포함 함유 수인 것을 제시하고 있으나, 물 분자의 집단이 소집단화되어 있지 않아 침투력 및 흡수성이 떨어지는 문제점이 있다.

그래서 본 발명에서는 해양 심층수에서 음료수제조과정의 역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 농축된 염수로부터 탈염처리를 한 용수를 이용하여 화장수와 샴푸를 제조하는 방법을 제시코자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 수심 200m 이하의 해양 심층수로부터 NaCl을 탈염처리한 탈염수를 이용하여 화장품제조용수의 제조방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수 를 취수하여 전처리를 하는 단계와 화장품제조용수의 제조단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수를 취수하여 전처리단계와 화장품제조용수의 제조단계로 이루어지며, 각 단계는 다음의 각 공정이 순차적으로 이루어지는 화장품제조용수를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 전처리단계

1. 취수 및 가온 처리 공정

수심 200m이하의 해양 심층수를 취수하여 후속처리를 원만하게 처리될 수 있도록 20∼30℃로 가온 처리를 하여 전처리여과공정으로 보낸다.

도 1에서 해양 심층수는 수심 200m이하의 해저심층에서 취수를 하며, 취수방법은 선상(船上)에서 해저 200m이하에 배관을 내려 취수하던가, 해저 수심 200m이하까지 배관을 설치하여 펌프(Pump)로 취수하던가, 해저 수심 200m이하까지 배관을 설치하여 취수정을 해수면 이하로 설치하여 사이펀(siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.

집수조에 취수된 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점도가 높아 처리효율이 떨어지기 때문에 20∼30℃로 가온 처리를 한다.

가온 방법은 보일러(Boiler)에서 열을 공급받거나, 여름철에는 해양 표층수 를 이용할 수도 있다.

2. 전처리여과공정

상기의 가온 처리된 해양 심층수는 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter), 한외여과(限外濾過: Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 부유고형물질(SS: Suspended solid)을 제거한 다음, 물 분자집단의 소집단화처리공정의 해양 심층수 저장조(1)로 보낸다.

이때 여과압력은 운전조건에 따른 여과기의 압력손실과 배관의 압력손실을 고려하여 결정하며, 모래여과의 경우 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.

FI값은 대상 수중의 미세한 탁질농도를 나타내는 수치로 다음 ⑤식으로 표현된다.

FI = (1 － T ₀ / T ₁₅ ) × 100/15 … … … … … … … … … … ⑤

여기서 T ₀ 는 0.45μm의 정밀여과 막을 이용해 시료 수를 0.2 MPa로 가압 여과했을 때에 최초의 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이며, T ₁₅ 는 T ₀ 와 동일한 상태에서 15분간 여과한 후에 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이다.

여기서 시설비절감을 위해서 다음의 물 분자집단의 소집단화처리공정을 생략하는 경우에는 상기의 가온 처리된 해양 심층수는 모래여과, 정밀여과, 한외여과를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 부유고형물질이 제거된 한 해양 심층수를 나노여과공정으로 보낸다.

또한, 시설비절감을 위해서 물 분자집단의 소집단화처리공정과 나노여과공정을 생략하는 경우에는 상기의 가온 처리된 해양 심층수는 모래여과, 정밀여과, 한외여과를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 부유고형물질이 제거된 한 해양 심층수를 역삼투 여과공정으로 보낸다.

그리고 음료수를 제조하지 않은 경우에는 상기의 가온 처리된 해양 심층수는 모래여과, 정밀여과, 한외여과를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 부유고형물질이 제거된 한 해양 심층수를 역삼투 탈염처리공정으로 보낸다.

3. 물 분자집단의 소집단화처리공정

상기의 전처리여과공정에서 부유고형물질이 제거된 해양 심층수가 해양 심층수 저장조(1)에 유입되면, 해양 심층수 이송펌프(2)로, 자화기(14)에서 반송되는 반송수와 함께 소집단화 처리조(3) 상부의 분무 노즐(10)을 통해서 분무하여 소집단화 처리조(3)에 공급한다.

소집단화 처리조(3) 상부에는 원적외선 방사기(9)에서 원적외선을 조사(照射)하고, 소집단화 처리조(3) 내부에는 목탄이 충전된 철망 전극(4)에 정전기유도장치(11)의 출력선(11g)으로부터 철망 전극(4)에 교류 전원을 인가(印加)하고, 전압조정기(電壓調整器: 11b)로 철망 전극(4)에 3,500∼5,000볼트(Volt) 범위로 조정하면서 정전압을 인가(印加)하면서, 상기의 해양 심층수를 소집단화 처리조(3) 상부의 분무 노즐(10)로 분무하여 소집단화 처리조(3)에 공급하여 4∼10시간 동안 처리한다. 이때 전극(4)을 중심으로 +와 -의 정전기장(靜電氣場)이 교대로 반복하여 작용하면서, 이로 인하여 물 분자 자체가 진동ㆍ회전을 되풀이되어 물 분자의 수소결합(水素結合)이 부분적으로 절단(切斷) 되어 1차 소집단화되면, 중간 처리수 저장조(12)로 보내어 자화기 공급펌프(13)로, 자성체 충전물(17)이 내장된 자화기(14) 외부에 설치된 코일(Coil: 16)에 정류기(19)로부터 0.5∼5볼트(Volt) 범위의 직류의 저전압을 인가한 자화기(14)에 공급하여 원수 유량의 1∼4배를 소집단화 처리조(3)로 반송하면서 자화처리를 하여 핵자기공명(核磁氣共鳴: Nuclear magnetic resonance, NMR)의 ¹⁷ O-NMR의 반치폭(半値幅)이 40∼60㎐ 범위의 소집단수(小集團水)로 처리된 물은 나노여과공정으로 보낸다.

상기에서와 같이 소집단수로 처리된 물은 약알칼리성의 고유진동수가 높은 고에너지의 산화환원전위(酸化還元電位: Oxidation Reduction Potential, ORP) 값 이 +100∼-200㎷ 범위의 환원수가 된다.

소집단화 처리조(3)의 재질은 내염성인 티타늄(Titanium) 등을 사용하며, 내부에는 전도도(電導度)가 높은 목탄(木炭)을 충전(充塡)한 내염성 재질의 철망 전극(4)의 망을 설치하고, 하부의 절연체(6)는 경질자기(硬質瓷器)로 제작된 애자(碍子)나 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리염화비닐(PVC), 스티로폼(Styrofoam) 중에서 한 종류를 선택하여 설치하고, 절연체(6) 하부는 기초 콘크리트(7) 구조물로 하고, 땅에 접지(8)한다.

정전기유도장치(11)의 변압기(11a)는 철심(11d), 1차 권선(11c), 2차 권선(11e), 2차 권선(11e)의 출력선(11g), 2차 권선(11e)의 절연 단말(11f)로 구성되어 있으며, 전압 조정기(11b)는 1차 권선(11c)에 접속하며, 2차 권선(11e)의 출력선(11g)은 절연체(6)에 의해서 절연된 가대(5)) 위에 설치된 소집단화 처리조(3) 내에 내장된 철망 전극(4)에 접속한다.

소집단화 처리조(3)에 내장된 철망 전극(4)에 변압기(11a)의 2차 권선(11e)의 출력선(11g)을 접속하고, 2차 권선(11e)의 절연 단말(11f)은 변압기(11a) 내의 절연물 안에 절연상태로 한다. 소집단화 처리조(3)는 절연체(6)에 의해서 접지(8)와 절연상태로 한 가대(5) 위에 설치하고, 절연체(6)의 접지(8) 측에 어스(Earth)를 하고, 소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)에 고압의 교류 정전기를 인가하면 접지와의 사이에는 콘덴서 C ₁ 와 C ₂ 가 형성된다.

변압기(11a) 내의 고압 측 2차 권선(11e)의 일단인 절연 단말(11f)을 변압 기(11a) 내의 절연물 안에서 절연상태로 한 콘덴서 C ₁ 을 형성하는 것과 동시에, 고압 측의 2차 권선(11e)의 남는 일단의 출력선(11g)을 절연체(6)로 접지(8)와 절연한 소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)에 접속하여 콘덴서 C ₂ 를 형성하며, 그 결과, 출력선(11g)과 접지(8) 간의 전압은 250∼3,500볼트(Volt)가, 전류는 0.5∼150㎂ 범위의 미약한 전류가 흐르게 되므로 접지상태에서 사람이 소집단화 처리조(3)에 접촉해도 위험은 없다.

정전기유도는, 전기적으로 중성인 물질에 대전한 대전체에 접근하면 대전체에 가까운 물질의 표면에 대전체와는 반대의 극성을 가지는 전하가 나타나 먼 쪽의 대전체와 같은 전하가 나타난다. 또, 대전체가 아니고 외부에 전기장이 존재하는 경우에서도 외부전하와 반대의 전하가 나타난다. 이때 나타나는 전하를 유도 전하라고 하며, 중성물질은 유도 전하를 가지게 되어 접촉하고 있지 않은 외부의 전기 작용에 의해서 물질에 전하가 유도되어 +전하와 -전하가 분극(分極)하는 현상이 일어나며, 이 현상을 정전기유도를 받고 있다고 하며, 이 현상을 응용하여 물질에 교류전압을 인가하면 물질의 분자에 회전과 진동이 가해져 분자의 이합집산을 촉진하며, 물질에 물리적인 특성을 변화시키는 것을 정전기유도처리라고 한다.

본 발명에서 정전기유도장치(11)의 변압기(11a)는 성층(成層)의 철심(11d)을 이용한 외철형의 원형 코일 변압기 타입의 것이며, 변압기(11a)의 1차 측 회로의 1차 권선(11c)을 전압 조정기(11b)를 개입시켜 교류 전원에 접속하여 변압기(11a)의 2차 측 회로의 2차 권선(11e) 1단의 절연 단말(11f)을 변압기(11a) 내의 절연물 안 에서 절연처리한 것과 동시에 2차 측 회로의 2차 권선(11e)의 출력선(11g)은 절연체(6)를 접지(8)에 연결하여 절연한 가대(5) 위에 배치된 소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)에 250∼3,500볼트(Volt)의 전압과 0.5∼150㎂의 전류를 흐르게 하는 것에 의해서 정전유도처리를 하면 소집단화 처리조(3) 내의 물 분자 집단은 1차 소집단화하여 소집단수로 처리된다.

변압기(11a)는, 철심(11d)의 중앙부에 통 모양의 절연 필름을 끼워 넣고, 다시 절연필름의 외주 면에 1차 권선(11c)과 2차 권선(11e)을 감고, 1차 권선(11c)은 예를 들어 직경 0.6㎜의 폴리에스테르(Polyester)로 피복 한 동선을 사용하여 220∼240권으로 하고, 2차 권선(11e)은, 예를 들어 직경 0.09㎜의 에나멜로 피복한 동선을 사용하여 40,000회권으로 하지만, 이 2차 권선(11e)의 40,000회 중, 제1의 2차 권선(11e)을 22,000회권으로 하고, 제2의 2차 권선(11e)을 18,000회권으로 하여도 좋고, 이러한 동선코일의 직경, 종류, 동선의 권수 등은 해양 심층수의 처리용량과 치리 시간, 인가전압 등의 조건에 따라서 결정을 한다.

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(11c)은 200∼250회권으로 하고, 2차 권선(11e)은 28,000∼40,000회권으로 하거나 2차 권선(11e) 내에서 제1의 2차 권선(11e)을 16,800∼22,000권으로 하고, 제2의 2차 권선(11e)을 11,200∼18,000권으로 해도 좋다.

2차 권선(11e)의 절연 단말(11f)은 변압기(11a) 내에 있고, 그 첨단 부분을 절연 테이프로 감은 후, 타르 피치 등의 절연물을 변압기(11a) 내에 충전해서 2차 권선(11e)의 절연 단말(11f)을 가려 싸도록 해서 절연 하지만, 절연물은 타르 피치 이외에도 절연유, 불포화 폴리에스테르, 폴리우레탄 수지 등도 이용할 수도 있다.

철망 전극(4)은 SUS-316이나 SUS-304 재질의 철망 상의 상자가 최적이지만, 이외에도, 슬릿(Slit) 상의 다공판(多孔板) 모양이나 그 외의 그릿(Grit) 형상의 것도 상관없다.

변압기(11a)에 교류를 흐르게 하여 변압기(11a)의 1차 전압을 전압조정기(11b)로 조작하여 100∼220볼트(Volt)로 조정하면, 2차 측 즉 2차 권선(11e)의 단말(11g 및 5b) 사이에는 12,000∼18,000볼트(Volt)의 전압이 발생하지만, 2차 측 회로의 2차 권선(11e)의 절연 단말(11f)을 절연하고 있으므로, 절연체(6)로 절연된 가대(5) 위에 설치된 소집단화 처리조(3) 내의 출력선(11g)과 접속하고 있는 철망 전극(4)과 접지(8) 사이에는 약 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압과 0.5∼150㎂의 전류가 흐르게 된다.

상술한, 2차 측에 발생한 12,000∼18,000볼트(Volt)의 전압이, 소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)과 접지(8) 사이에 3,500∼5,000볼트(Volt)의 전압과 0.5∼150㎂ 범위의 전류가 되는 것은 2차 권선(11e)의 절연 단말(11f) 부위의 콘덴서 C ₁ 과 가대(5) 하부부위의 콘덴서 C ₂ 인 절연체(6), 2차 권선(11e)의 저항, 코일의 교류저항회로에 의하는 것이다.

전술한 회로는, 콘덴서 C ₁ 과 콘덴서 C ₂ 에 의한 공진 회로를 형성하는 것이며, 2차 권선(11e)의 일단인 절연 단말(11f) 부위인 콘덴서 C ₁ 과 2차 권선(11e)의 출력선(11g)을 절연체(6)로 절연되고 있는 가대(5) 부위의 콘덴서 C ₂ 에 의한 출력전압으로부터의 방전에 의한 공진 주파수에 의해서 정전기유도가 일어나게 된다.

소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)의 크기, 그리고 원수의 처리용량이나 절연체(6)의 높이에 따라서 소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)과 접지(8) 사이의 전압은 3,500∼5,000볼트(Volt)로 변동하며, 전류도 0.5∼150㎂ 범위로 변화하며, 또한, 입력 전원을 전압조정기(11b)로 전압을 조정하는 것에 따라서 전압과 전류를 변동시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 교류저항회로에 의해서 발생시킨 소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)의 전압은 무 부하(無負荷) 시에 3,500∼5,000볼트(Volt)이지만, 전류는 0.5∼150㎂ 범위의 미약한 전류이므로 인체에 대해서 안전하고, 감전이나 화재 등의 트러블(Trouble)을 일으킬 우려는 없으며, 또한, 철망 전극(4)에 인가되는 전압과 전류는 해양 심층수의 처리용량이나 정전기유도처리조건에 따라서 전압조정기(11b)에 의해서 전압을 조정하지만, 통상의 경우는 철망 전극(4)과 접지(8) 간의 전압은 550∼1,600볼트(Volt)로, 전류는 30∼100㎂ 범위로 하는 것에 의해서 정전기유도를 하는데 적절한 교류 전계(電界)를 구성할 수 있다.

소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)에 대해서는, 전극(4)이 +전하가 되면, 접지(8) 측에서는 -전하가 유전(誘電)되며, 반대로 전극(4)이 -전하가 되면 접지(8) 측에서는 +전하가 유전되며, 이후 교류 전원의 주파수에 따라서 전극(4)은 1초간에 주파수(50 내지 60회)만큼 +전하와 -전하가 바뀌게 되며, 이것에 따라서 접 지(8) 측의 전하도 유전되어 +전하와 -전하가 바뀌게 된다.

일반적으로 물질은 원자에 의해 성립되고 있으며, 이 원자는 원자핵과 전자에 의해 구성되고 있다. 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 상태가 되어 있으나, 외부에서 높은 전압을 인가하면 이것에 의해서 전자는 한편으로 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 분극이 되므로 이를 전자분극(電子分極) 혹은 원자분극(原子分極) 이라고 하며, 소집단화 처리조(3) 내의 철망 전극(4)에 높은 정전압을 인가하면 모든 분자는 정전기유도에 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 소집단수로 처리된다.

그리고 해양 심층수의 처리용량이 큰 경우는, 철망 전극(4)이 내장된 소집단화 처리조(3)를 복수로 여러 개를 설치하여 처리한다.

상술한 정전기유도장치(11)의 변압기(11a)로부터 고압의 교류 정전압을 인가하여 정전기유도처리를 하면 미생물은 고압의 정전압에 의해서 전살처리(電殺處理) 되어 멸균된다.

원적외선 방사기(9)는, 원수의 처리용량 1㎥/시간에, 100∼400와트(Watt)의 원적외선 방사기 등(燈)을 설치한다.

자화기(14)는 비자성강(Non-magnetic steel)의 원형 용기(Vessel) 내부에 자성체 충전물(17)을 충전(充塡)하고, 외부에는 링(Ring) 모양의 코일 포머(Coil former: 15, 비자성체로 된 코일지지 틀)에 코일(Coil: 16)을 감고, 코일(16) 외부에 냉각관(18)을 설치하고, 코일(16)에 전류를 인가(印加)하였을 때 자기장(Magnetic field)을 생성할 수 있는 구조로 되어 있으며, 정류기로부터 0.5∼5볼트(Volt) 범위의 직류전기를 코일(16)에 인가하면 자화기(14) 내부에는 자기장(磁氣場)이 형성되며, 여기에 물(유체)을 통과하면 물은 소집단수(小集團水)로 처리된다.

자화기(14) 내부에 충전하는 자성체 충전물(17)은 천연에서 채굴(採掘)되는 자철광(磁鐵鑛)을 2∼20㎜Φ 크기로 파쇄한 자철광 괴(塊)나, 시중에서 판매되는 자성 세라믹스(Ferrite ceramics) 중에서 한 종류나 두 종류를 혼합한 것을 사용한다.

코일 포머(Coil former: 15)는 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), ABS수지(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 플루오르 수지(Fluororesin), 아크릴 수지(Acrylic resin), 에폭시 수지(Epoxy resin), 베이클라이트(Bakelite), 에보나이트(Ebonite), 플라스틱(Plastic), 유리섬유강화플라스틱(Fiber glass reinforced plastic, FRP), 나무, 알루미늄(Aluminium), 오스테나이트(Austenite) 조직을 가지는 스테인리스 스틸(Stainless steel), 티타늄(Titanium), 아연, 황동, 청동, 세라믹스(Ceramics)와 같은 비자성체(非磁性體) 재질 중에서 한 종류를 사용한다.

자화기(14)의 재질은, 자기누설(Magnetic leakage)을 막기 위하여 비자성체인 조직(組織)이 오스테나이트(Austenite) 조직을 가지는 스테인리스 스틸(Stainless steel), 티타늄(Titanium), 알루미늄(Aluminium), 아연, 황동, 청동, 세라믹스(Ceramics), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), ABS 수지(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 플루오르 수지(Fluororesin), 아크릴 수지(Acrylic resin), 에폭시 수지(Epoxy resin), 베이클라이트(Bakelite), 에보나이트(Ebonite), 플라스틱(Plastic), 유리섬유강화플라스틱(Fiber glass reinforced plastic, FRP) 중에서 한 종류를 사용한다.

정류기로부터 코일(16)에 인가하는 전압과 전류는 처리용량에 따라서 차이가 있지만, 자화기(14) 내부에서 보자력(保磁力)이 5,000∼20,000 가우스(Gauss) 범위가 되게 인가한다.

자화기(14) 내부의 자장을 통과하는 물 분자 집단은 피코초(Picosecond)에 순간적으로 소집단화되기 때문에 체류시간은 별 의미가 없으며, 자화기(14)의 높이(길이)는 50∼120㎝로 한다.

그리고 유체(물)가 자화기(14) 내부의 자계(磁界)를 통과하는 속도(유속)는 자장의 통과 속도가 빠를수록 처리효율이 향상되지만, 1.5∼4m/sec 범위로 유로의 단면적(斷面積)을 결정한다.

그리고 코일 포머(15)에 설치된 온도지시계(TI: Temperature indicator)의 온도가 50℃ 이하가 유지되도록 냉각관(18)에 냉각수를 공급한다.

여기서 시설비를 절감하기 위해서 다음의 나노여과공정을 생략하는 경우는 상기의 물 분자집단의 소집단화처리공정에서 소집단수로 처리된 해양 심층수를 역삼투 여과공정으로 보낸다.

4. 나노여과공정

상기의 물 분자집단의 소집단화처리공정에서 소집단수로 처리된 해양 심층수가 나노여과(Nanofiltration)공정에 공급되면, 공급압력은 염 농도가 3.5wt%인 해양 심층수의 삼투압 25기압(atm)보다 낮은 15∼20기압(atm)으로 나노여과 막에 공급하여, 여과되지 않고 황산 이온(SO ₄ ^{2 -} )을 다량 함유한 황산 이온 함유 수는 방류하고, 여과된 여과 수는 역삼투 여과공정으로 보낸다.

여기서 음료수를 제조하지 않은 경우는 다음의 역삼투 여과공정이 필요 없기 때문에, 상기의 나노여과공정에서 여과된 여과 수를 탈염공정으로 보낸다.

나노여과공정에서 공급압력은 염 농도가 3.5wt%인 해양 심층수의 삼투압 25기압(atm)보다 낮은 15∼20기압(atm)으로 하며, 이때 나선형 막의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 이때 막 투과수량은 유입수량의 80∼90%가 된다.

공급압력을 15∼20기압(atm)으로 나노여과 막에 공급하면, 나선형 막의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일이며, 이때 막 투과율은 유입수 유량의 80∼85%가 여과된다.

나노여과는 2㎚보다 작은 정도의 입자나 고분자가 저지되는 압력구동의 막 분리공정으로, 나노여과 막은 한외여과 막과 역삼투여과 막의 구멍의 지름1∼2㎚의 막을 사용한다.

나노여과 막에서 이온의 투과순서는 양이온의 경우는 Ca ^{2 +} ≥Mg ^{2 +} ＞Li ⁺ ＞Na ⁺ ＞K ⁺ ＞NH ₄ ⁺ 이고, 음이온의 경우는 SO ₄ ^{2 -} ≫HCO ₃ ^- ＞F ^- ＞Cl ^- ＞Br ^- ＞NO ₃ ^- ＞SiO ₂ 이며, 황산이온(SO ₄ ^{2 -} )의 경우는 Mg ^{2 +} 와 Ca ^{2 +} 보다도 투과하기 어렵다.

나노여과공정에서는 해양 심층수 중에 용해되어 있는 CaCO ₃ , CaSO ₄ , SrSO ₄ 와 같이 용해도가 작아 역삼투 여과공정에서 여과하는 과정에, 막(膜)에서 스케일(Scale)이 생성되어 막 막힘(Fouling) 현상을 최대한 억제하기 위해서 황산이온(SO ₄ ^{2 -} )을 제거한 여과 수를 역삼투 여과공정으로 보낸다.

나노여과 막의 모듈(Module) 형태는 관형(管形: tubular), 중공사형(中空絲形: hollow fiber), 나선형(螺旋形: spiral wound), 평판형(平板形: plate and frame) 등 어떠한 형태를 사용하여도 상관이 없으며, 그리고 막(膜)의 재질(材質)도 특별히 제한하지는 않는다.

그러나 본 발명에서 나노여과 막은 1가 이온(Na ⁺ , K ⁺ )의 통과율이 높으면서, 2가 이상의 이온은 저지할 수 있는 방향족폴리아미드(Aromatic polyamide: Poly-p-phenyleneterephthalamide, Poly-m-phenyleneisophthalamide)계수지 막을 사용하는 것이 바람직하다.

[실시 예1]

표1의 해양 심층수를 25℃로 가온 처리한 다음, 한외여과에서 FI값을 3.2로 전처리한 여과 수를 1.2㎥(1.0m폭×1.0m길이×1.2m높이)용량의 해양 심층수 저장조(1)에 주입하고, 해양 심층수 이송펌프(2)로 1㎥/hr의 유량을 소집단화 처리조(3) 상부의 분무 노즐(10)을 통해서 분무하여 용량이 4.7㎥(2.0mφ직경×1.5m높이)인 소집단화 처리조(3)에 공급하였다.

소집단화 처리조(3) 상부에는 100와트(Watt)×4기의 원적외선 방사기(9)로부터 원적외선을 조사(照射)하고, 소집단화 처리조(3) 내부에는 참숯 3.6㎥를 충전한 철망 전극(4)에 정전기유도장치(11)의 출력선(11g)으로부터 티타늄 철망 전극(4)에 4,500볼트(Volt)의 전압과 0.62㎂의 전류가 흐르게 인가하여 처리한 다음, 중간처리수조 저장조(12)로 보내어 자화기(14)의 코일(16)에 정류기로부터 코일(26)에 0.8볼트(Volt)의 전압과 1.5암페어(Ampere)의 전류를 인가하면서 자화기 공급펌프(13)로 자화기(14)에 2.5 ㎥/시간의 유량으로 공급하여 1.5 ㎥/시간의 유량을 소집단화 처리수조(4) 상부로 반송하면서 물 분자의 집단이 소집단화처리를 한 다음, 해양 심층소집단수 정장조(19)로 보내어, 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 가교폴리아미드(Cross-linked polyamide) 재질의 모델번호 SU-610의 나선형 나노여과막을 사용하여 압력을 20㎏/㎠G로 막에 공급하여 막투과수량은 1.2㎥/㎡·일로 하 였을 때 막투과수량은 유입수량의 80%가 되었으며, 이때 여과한 결과 황산 이온 함유미네랄수와 여과된 탈황산이온수의 주요성분의 분석 치는 다음 표 2의 내용과 같다.

표2 해양 심층수를 가온 처리, 전처리 여과, 물 분자집단의 소집단화처리와 나노여과처리를 한 처리수의 주요성분 분석 치

5. 역삼투 여과공정

상기의 나노여과공정에서 여과된 여과 수가 역삼투 여과공정에 공급되면, 운전압력을 50∼60기압(atm)으로 역삼투 여과 막에 공급하여 여과된 탈염수는 화장품제조용수의 제조단계 전기분해공정의 음극실(35)로 보내고, 잉여분은 음료수제조공정으로 보낸다. 그리고 여과되지 않고 배출되는 염수는 화장품제조용수의 제조단계의 탈염처리공정으로 보낸다.

이때 나선형 역삼투 여과 막의 경우 막 투과수량은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 여과된 탈염수는 염분이 99.0 ∼ 99.85wt% 범위로 제거된다.

역삼투막(Reverse osmosis membrane: RO막)은 여과 막의 일종으로, 물은 통과하고 이온이나 염류 등 물 이외의 물질은 투과하지 않는 성질을 가지는 막으로서 구멍의 크기는 대체로 2나노미터(㎚: 10 ^-9 m) 이하로, 막의 구조는 중공사막(中空絲膜), 스파이럴(Spiral)막, 관형(Tubular) 막이 있으며, ㎜막의 재질은 초산셀룰로오스(Cellulose acetate), 방향족폴리아미드(Aromatic polyamide), 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol), 폴리술폰(Polysulfone) 등이 있다.

초산 셀룰로오스 소재의 구멍이 없는 스킨(Skin)층과 스펀지(Sponge)상의 지지층(支持層)을 만든 비대칭막(非對稱膜), 초산셀룰로오스계의 막을 개량하여 만든 중공사막(中空絲膜), 부직포(不織布) 위에 폴리술폰제의 다공질막(多孔質膜)을 형성한 다음, 그 표면에 방향족 폴리아미드를 계면중합(界面重合) 시켜 1㎜이하의 두께로 치밀층(緻密層)을 형성하여 만든 복합막(複合膜)을 평막으로 제작한 스파이럴형 등의 막이 있으나, 본 발명에서는 막의 형태와 재질에 관해서는 특별히 제한하지 않는다.

[실시 예2]

실시 예1의 나노여과에서 여과된 여과수(濾過水)인 탈황산이온염수를 일본 도레이주식회사(東レ株式會社)의 고압용 역삼투 여과 막에서 가교(架橋) 폴리아미드계 복합막(複合膜)인 모델번호 SU-810의 나선형 역삼투 여과 막을 사용하여 압력을 60㎏/㎠G로 막에 공급하여 막 투과수량은 0.72㎥/㎡·일로 하였을 때 막 투과수량은 유입수량의 50가 되었으며, 이때 여과된 탈염수와 여과되지 않고 농축된 농축 염수의 주요성분 분석 치는 다음 표3의 내용과 같다.

표3. 역삼투 여과에서 여과되지 않고 농축된 농축염수와 여과된 탈염수의 주 요성분 분석 치

Ⅱ. 화장품제조용수의 제조단계

1. 탈염처리공정

탈염처리공정의 전기투석장치(電氣透析裝置: 23)는 정류기로부터 인가(印加)되는 직류전원의 전위차(電位差)를 구동력(Driving force)로 하여 이온성 용질을 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 도 3에서와 같이 양이온선택교환 격막(29)은 고정(固定) 부전하(負電荷)를 가지는 1가 양이온만을 선택적으로 투과하고, 음이온선택교환 격막(28)은 고정 정전하(正電荷)를 가지는 1가 음이온만을 선택적으로 투과하는 이온교환 격막을 양극(24)과 음극(25) 사이에 교호적(交互的)으로 일렬(一列) 다단(多段)으로 설치한 구조로 되어 있다.

상기의 역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 배출되는 염수가 탈염공정의 전기투석장치 공급수 저장조(21)에 공급되면 전기투석장치 공급펌프(22)에 의해서 전기투석장치(23)의 탈염실(30)에 공급하여 전기투석장치 공급수 저장조(21)로 반송하고, 염수 저장조(32)의 염수를 염수 이송펌프(33)로 염농축실(31)로 공급하여 염수 저장조(32)로 반송하면서 정류기로부터 직류전기를 양극(24)과 음극(25)에 인 가(印加)하면 탈염실(30)의 염수에 함유된 Na ⁺ , K ⁺ 와 같은 1가 양이온은 양이온선택교환 격막(29)을 통과하여 염농축실(31)로 이동하고, Cl ^- 과 같은 1가 음이온은 음이온선택교환 격막(28)을 통과하여 염농축실(31)로 이동하여 염수 저장조(32)의 보메도비중계(BIS: Baume indicating switch)의 보메도 비중이 18∼20°Be범위로 농축된 염수는 솔레노이드밸브(Solenoid valve: ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보내고, 탈염수 라인(Line)에 설치된 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율 값이 6∼12㎳/㎝로 탈염처리된 미네랄수는 솔레노이드밸브를 작동하여 전기분해공정의 전기분해장치(34)의 양극실(35)로 보내면서, 여기서 탈염처리된 미네랄수는 화장품제조용수로 사용한다.

그리고 염수 저장조(32)의 수위가 떨어지면 음용수제조공정의 탈염수를 용수로 염수 저장조(32)에 설치된 수위 제어기(Level switch: LS)에 솔레노이드밸브(ⓢ)의 작동에 의해 공급한다.

전기투석장치(23)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(散層層)의 두께에 반비례하므로, 확산층의 두께가 일정한 경우, 배수(排水)되는 미네랄수 중의 염 농도와 염수의 농도에 의해 좌우되므로, 본 발명에서는 양이온선택교환 격막(29)과 음이온선택교환 격막(28)을 양극(24)과 음극(25) 사이에 교대로 배열한 탈염실(30)과 염농축실(31)을 형성하는 전기투석장치(23)에, 해양 심층수는 해양 심층수 이송펌프(15로 탈염 실(30)에 보내어 탈염 후 일부는 전기투석장치 공급수 저장조(23)로 순환하며, 염수는 염수이송펌프(33)에 의해 염농축실(31)로 보내어 순환함으로써 탈염 및 염농축효율을 향상하면서 염농축실(31)에서 스케일성분이 생성되지 않도록 염농축실(31)에 통수하는 염수를 다량으로 공급하면, 스케일 트러블을 방지할 수 있으며, 염농축실(31)에 염 농도가 높은 염수를 공급함으로써 전류의 액저항(液抵抗) 적어지므로 한계전류밀도를 높일 수 있으므로, 전기투석장치(23)의 처리성능을 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

전기투석장치(23)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트러블을 억제하기 위해서는 탈염실(30)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10∼30㎝/초 범위가 되게 탈염된 미네랄수를 전기투석장치 공급수 저장조(23)로 반송하며, 염농축실(31)에 공급하는 염수의 유량은 막면선속도가 1∼3㎝/초 범위가 유지되도록 염수를 염수 저장조(32)로 반송한다.

해양 심층수에는 CaSO ₄ , CaCO ₃ 와 같이 물에 용해도가 낮아 농축시 스케일(Scale)이 생성되어 격막의 오염(fouling)으로 인하여 처리효율을 저하할 수 있기 때문에 전처리공정에서 나노여과에 의해 2가 이상의 다가(多價)의 이온성물질(CaSO ₄ , CaCO ₃ , MgCl ₂ , MgSO ₄ , SrSO ₄ …등)과 황산 이온을 1차 제거하였으며, 전기투석장치(23)에서 CaSO ₄ , CaCO ₃ , SrSO ₄ … 등에 의해서 스케일의 생성을 최대한 억제하기 위해서 2가 이상의 이온성 물질은 난투과성(難透過性)이면서 1가 이온성 물 질만 선택적으로 투과하는 이온교환 격막을 사용한다.

본 발명에서 사용하는 양이온선택교환 격막(29)은 2가 이상 다가(多價) 의 양이온투과는 억제하면서 1가 양이온만을 선택적으로 투과하는 격막으로, 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene)계의 주 사슬(主鎖: Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO ₃ ^- 를 고정하고 있는 부전하막(負荷電膜)에 측쇄(側鎖: side chain)과 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 또는 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine) 등의 그래프트 폴리머(Graft polymer)나 주 사슬이 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐 피리딘으로 된 측쇄가 폴리스티렌인 그래프트 폴리머로 합성된 이온교환 격막으로, 그래프트 폴리머의 주 사슬이 양이온교환 격막의 주 사슬 또는 측쇄와 동일한 분자구조를 하고 있는 것이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리염화비닐(Polyvinylchlorde), 폴리스티렌(polystyrene) 등에 부전하 R-SO ₃ ^- 를 고정한 양이온교환 격막으로 구성된 고분자와 동일한 분자구조를 가진 주 사슬 혹은 측쇄에 1가 양이온만 투과능(透過能)을 가지는 분자구조인 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine), 폴리비닐 아민(Polyethyleneamine) 또는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine) 막과 같은 양이온선택교환 격막을 사용할 수 있으며, 특히, 폴리스티렌-디비닐벤젠계의 폴리스티렌-그래프트-에틸렌 이민이 가장 바람직하게 사용할 수 있다.

그리고 음이온선택교환 격막(28)은 양이온선택교환 격막(29)과는 반대로 1가 음이온만 선택적으로 교환할 수 있는 격막으로 정전하(正電荷) R-NH ₃ ⁺ 를 폴리머사슬(Polymer chain)에 고정하고 있으며, 정전하를 막에 고정하고 있으므로 정하전막(正荷電膜)이라고도 하며, 이온교환기가 지방족 탄화수소(脂肪族炭化水素)에 의해서 가교(架橋)되고 있어 막표면부(膜表面部)에는 양이온교환기를 가지는 고분자물질의 박층(薄層)이 형성되고 있는 음이온교환 격막으로, 교환기의 도입 모노머(Monomer: 單位體)에 지방족 탄화수소로 가교와 동시에 4급화를 실시한 것이 좋으며, 양이온교환기를 가지는 고분자물질로서는 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질 및 선상고분자전해질(線高分子電解質)이나 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등으로, 구체적으로는, 리그닌설폰산염(Ligninsulfonate)과 같은 설폰산염(Sulfonate), 고급 알코올인산 에스테르와 같은 인산 에스테르염 등에서 분자량 500 이상의 양이온교환기를 가지는 고분자 전해질, 메타크릴산(methacrylic acid), 스틸렌설폰산(Styrene sulfonic acid)과 같은 카르본산 기(-COOH)나 설폰산 기(-SO ₃ H)를 가지는 단량체(單量體) 유닛(Unit)을 다수 개(多數個) 포함한 선상고분자 전해질, 양이온교환기를 포함한 페놀류와 알데히드류를 축합(縮合)시킨 것과 같은 양이온교환기를 가지는 불용성 고분자 등의 1가 음이온을 선택적으로 교환하는 격막을 사용한다.

전기투석장치(23)의 양극실(26)의 양극(24)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 염소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용하여 음극실(27)를 통과한 용액을 주입하여 양극(24) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(25)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니 니켈(Ranney nickel)이나 스테인리스(Stainless) 강판을 사용하고, 음극실(27)에 가장 인접한 양이온교환 격막은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜)이나 1가 음이온선택투과 격막을 이용하는 것에 의해서 음극(25) 표면에서의 수소 이온의 발생량을 저감도록하여 전력효율의 향상과 악취발생이 저감토록 하는 것이 좋다.

그리고 염농축실(31)에서 스케일이 부착되어 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기(29)에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 양극(24)과 음극(25)의 전원을 전환하여 부착된 스케일이 탈리(脫離) 되도록 한다.

전극실의 전해질 용액은 음극실(27)로 공급하여 배출되는 전해질 용액을 양극실(26)에 공급하며, 음극실(27)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해수나 해양 심층수를 이용할 수도 있으나, 3∼10wt%의 Na ₂ SO ₄ 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(24)에서 염소(Cl ₂ )가스의 발생을 억제할 수 있다.

전술한 전기투석장치(23)에서 염수는 소금제조공정으로 보내고, 1가 이온(NaCl 및 KCl)이 탈염된 미네랄수는 전기분해장치(32)로 보낸다.

NaCl이 탈염처리된 미네랄수는 칼슘(CaSO ₄ , CaCO ₃ ), 마그네슘(MgSO ₄ , MgCl ₂ ), 칼륨(KCl) 및 기타 미량 미네랄성분이 다량 함유되어 있다.

[실시 예3]

실시 2의 역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 농축된 염수를, 유효통전면적(有效通電面積)이 236 mm(세로)×220 mm(가로)의 두께 0. 2 mm인 양이온교환 격막은 1가 양이온만 선택적으로 투과하는 1가 양이온교환 격막(21; Aciplex(등록상표) K-102, 일본 旭化成工業株式會社 제품)과 음이온교환 격막은 1가 음이온만 선택적으로 투과하는 1가 음이온선택교환 격막(20; Aciplex Ａ－102, 일본 旭化成工業株式會社 제품)을 각각 50매를 티타늄 판에 RuO ₂ -TiO ₂ 를 코팅한 DSA전극인 양극(16)과 스테인리스강전극인 음극(17) 사이에 도 3과 같이 교호적으로 다단(50단)을 설치한 제1전기투석장치(15)의 탈염실(24)로 50ℓ의 미네랄염수 저장조(13)에 실시 예2의 역삼투 여과공정에서 여과되지 않고 농축된 25℃의 농축된 염수를 공급한 다음, 다이어프램(Diaphragm)형 정량펌프인 전기투석장치 공급펌프(22)로 막면선속도(膜面線速度)가 10㎝/초가 되게 탈염실(30)에 공급하여 전기투석장치 공급수 저장조(21)로 순환하고, 20ℓ의 염수 저장조(28)의 염수를 다이어프램형 정량펌프인 염수 이송펌프(14)로 막면선속도가 3㎝/초가 되게 염농축실(31)에 공급하여 염수 저장조(32)로 순환하면서, 정류기로부터 직류전기를 전류밀도가 3∼4A/dm ² 로 인가하여(이때 인가전압은 55∼60Volt이었다.) 미네랄수 순환라인의 전기전도율지시제어기(ECIS)의 전기전도도 값이 6∼8㎳/㎝로 탈염처리를 하였을 때 탈염된 미네랄수의 주요성분 분석치는 다음 표4의 내용과 같다.

이때 염수 저장조(32)의 염수의 비중은 12°Be조정하였으며, 음극실 용액은 5wt%의 Na ₂ SO ₄ 수용액을 50㏄/min로 음극실(19) 하부로 공급하여 상부로 배출되는 것 을 양극실(18) 하부로 공급하였다.

표4 전기투석공정에서 탈염된 미네랄수의 주요성분 분석 치

[실시 예4]

실시 예3에서 제조된 탈염된 미네랄수인 화장품제조용수 66.8부에 유제(油劑)인 스테아릴 알코올(Stearyl alcohol) 6.0부, 스테아린산(Stearic acid) 2.0부, 수첨라노린(Launolin) 4.0부와 옥틸도데카놀(Octyldodecanol) 10.0부. 보습제인 부틸렌 클리콜(Butyleneglycol) 6.0부, 계면활성제인 세틸알코올에스텔(Cetylalchol ester) 3.0부와 모노스테아린산 글리세린(Glyceryl Monostearate) 2.0부와 방부제인 페녹시에탄놀(Phenoxyethanol) 0.2부를 혼합하여 유화반응을 하여 크림(Ceam)상의 화장품을 제조하였다.(본 실시 예에서 혼합의 비율을 나타내는 "부"는 중량 부를 의미한다.)

2. 전기분해공정

상기 탈염처리공정에서 탈염처리된 미네랄수를 전기분해장치(電氣分解裝置: 34)의 양극실(35)에 공급하고, 역삼투 여과공정에서 여과된 탈염수를 음극실(36)에 공급하면서 정류기로부터 3∼20볼트(Volt)의 직류전기를 양극실(35)의 양극(37)과 음극실(36)의 음극(38)에 인가(印加)하면, 양극실(35)에서는 산화미네랄수가 생성되며, 음극실(36)에서는 환원수가 생성된다.

음극실(36)의 산화환원전위(ORP)의 값이 -250∼-100㎷ 범위가 되게 정류기로부터 직류전기를 인가(印加)하여 알칼리(Alkali)성의 환원수가 생성되면 환원수 저장조(42)로 보내었다가, 환원수 이송펌프(43)로 샴푸와 같은 화장품제조공정으로 보내어 화장품제조에서 용수로 이용한다.

그리고 이때 양극실(35)의 산화환원전위(Oxidation reduction potential: ORP)의 값은 +800∼+1,200㎷ 범위가 되게 정류기로부터 직류전기를 인가하여 산성의 산화미네랄수가 생성되면 산화미네랄수 저장조(40)로 보내었다가, 산화미네랄수 이송펌프(41)로 살균력이 있는 화장수와 같은 화장품제조공정으로 보내어 화장품제조에서 용수로 이용한다.

이때 전기분해공정에서 일어나는 전기화학반응 메커니즘(Mechanism)은 다음과 같다.

해양 심층수에 함유된 염분은 다음과 같이 가수분해되어 있다.

H ₂ O ⇔ 2H ⁺ + OH ^- … … … … … … … … … … … … … … … … … … ②

M _a X _b ⇔ aM ^{b +} + bX ^{a -} … … … … … … … … … … … … … … … … … … ③

여기서 M는 Na, K, Ca, Mg, Fe, Zn … 등과 같은 양이온물질이며, X는 Cl, Br, CO ₃ , SO ₄ … 와 같은 음이온물질이며, a는 양이온(+) 원자가의 수이며, b는 음이온(-) 원자가의 수를 의미한다.

1) 양극실(35)에서 반응

H ₂ O → 2H ⁺ +[O] _{( aq )} + 2e ^- →1/2O _{2 (g)} ↑ + 2e ^- … … … … … … … ④

여기서 [O] _{( aq )} 는 수용액에 용해되어 있는 상태의 활성산소를 의미하며, O _{2 (g)} ↑는 과잉의 전류가 인가되었을 때 가스(Gas)상태로, 대기 중으로 방출하는 산소를 의미한다.

bX ^{a -} → X _{b ( aq )} + be ^- → X _{b (g)} ↑ + be ^- … … … … … … … … … … ⑤

X ^{a -} 가 Cl ^- 이온의 경우 전해반응을 고려하면 다음과 같다.

2Cl ^- → Cl _{2 ( aq )} + 2e ^- → Cl _{2 (g)} ↑ + 2e ^- … … … … … … … … … … ⑥

여기서 Cl _{2 ( aq )} 는 수용액에 용해되어 있는 상태의 염소를 의미하며, Cl _{2 (g)} ↑는 과잉의 전류가 인가되었을 때 가스상태로, 대기 중으로 방출하는 염소를 의미한다.

2) 양극실(35)에서 용액반응

Cl _{2 ( aq )} + 2H ₂ O →H ⁺ + Cl ^- + HClO _{( aq )} … … … … … … … … … … … … … ⑦

2) 음극실(36)에서 반응

2H ₂ O + 2e ^- → 2[H] _{( aq )} + 2OH ^- → H _{2 (g)} ↑ + 2OH ^- … … … … … … ⑧

여기서 [H] _{( aq )} 는 물에 용해되어 있는 활성수소를 의미하며, H _{2 (g)} ↑는 과잉의 전류가 인가되었을 때 가스상태로 발생하는 수소를 의미한다.

M ^{a +} + aOH ^- → M(OH) _a … … … … … … … … … … … … … … … … … ⑨

M ^{a +} 가 Na ⁺ 이온의 경우 전해반응을 고려하면 다음과 같다.

Na ⁺ + OH ^- → NaOH … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ⑩

전기분해장치(34)의 재질은 내염성이면서 절연성이 우수한 PVC(Poly vinyl chlorite), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), ABS수지(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 부타디엔 수지(Butadiene resin), 베이클라이트(Bakelite), 에보나이트(Ebonite), 아크릴수지(Acrylic resin) 중에서 한 종류를 선택하여 사용한다.

양극실(35)의 양극(37)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 염소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 티타늄 판(Titanium plate)에 RuO ₂ -TiO ₂ 를 소부도장(燒付塗裝)한 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용한다.

음극실(36)의 음극(38)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니니켈(Ranney nickel)이나 스테인리스(Stainless) 강판을 사용한다.

그리고 격막(39)은 2가 이상 다가(多價) 양이온의 투과는 억제하면서 1가 양이온만을 선택투과하는 교환 막으로, 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene) 계의 주 사슬(主鎖: Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO ₃ ^- 를 고정하고 있는 부전하막(負荷電膜)에 측쇄(側鎖: Side chain)가 폴리에틸렌이 민(Polyethyleneimine) 또는 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine) 등의 그래프트 폴리머(Graft polymer)나 주 사슬이 폴리에틸렌이민 또는 폴리비닐 피리딘으로 된 측쇄가 폴리스티렌인 그래프트 폴리머로 합성된 이온교환막으로, 그래프트 폴리머의 주 사슬인 양이온교환막은 주 사슬 또는 측쇄와 동일한 분자구조를 하고 있는 것이면 제한 없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는, 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리염화비닐(Polyvinylchlorde), 폴리스티렌(polystyrene) 등에 부전하 R-SO ₃ ^- 를 고정한 양이온교환막으로 구성된 고분자와 동일한 분자구조를 가진 주 사슬 혹은 측쇄에 1가 양이온만 투과능(透過能)을 가지는 분자구조인 폴리비닐 피리딘(Polyvinylpyridine), 폴리비닐 아민(Polyethyleneamine) 또는 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine)과 같은 양이온 수지를 수식처리(修飾處理)한 막을 사용할 수 있으며, 특히, 폴리스티렌-디비닐벤젠계의 폴리스티렌-그래프트-에틸렌 이민이 가장 바람직하게 사용할 수 있다.

만약 2가 이상의 다가(多價)의 양이온을 동시에 투과하는 격막(39)을 사용하는 경우에는 Ca, Sr, Mg, Fe, Fe 등 다가(多價) 이온이 음극실(38)로 이동하여 음극(38) 판에 스케일(Scale)이 생성되어 전기저항을 증가하여 처리효율을 저하하기 때문에 다가 이온을 투과하는 격막(39)의 사용은 피해야 한다.

[실시 예5]

양극실(35)의 크기가 1,000㎜(길이)×500㎜(폭)×1,000㎜(깊이)이고, 음극실(36)의 크기도 양극실(35)의 크기와 동일한 1,000㎜(길이)×500㎜(폭)×1,000㎜ (깊이)인 크기의 사이에 튜본(Dupont) 사의 퍼플루오로술폰산(Perfluorosulfonic acid)계 나피온 수지(Nafion resin) Nafion-115의 격막(39)으로 격리(隔離)하고, 양극(37)은 800㎜(폭)×1,000㎜(높이)×5㎜(두께)의 티타늄 판에 TiO ₂ -RuO ₂ 를 소부 코딩한 DSA전극을 사용하고, 음극(38)은 800㎜(폭)×1,000㎜(높이)×10㎜(두께)의 강판에 레이니 니켈(Raney nickel)을 3㎜ 두께로 라이닝 한 전극을 사용한 전기분해장치(34)의 양극실(35)로는 실시 예3에서 생산된 미네랄수를 0.73㎥/hr의 유량을 공급하고, 음극실(36)에는 실시 예2의 역삼투 여과공정에서 여과된 탈염수를 1㎥/hr의 유량으로 공급하면서 정류기로부터 8∼10볼트(Volt)의 직류전기를 인가하여 음극실(36)에서는 산화환원전위(ORP) 값이 -200∼-210㎷ 범위 환원수를 생산하여 환원수 저장조(42)로 보내고, 양극실(35)에서는 산화환원전위(ORP) 값이 +1,020∼+1,030㎷ 범위 산화미네랄수를 생산하여 산화미네랄수 저장조(40)로 보내었다.

이때 음극실(36의 pH는 12.6∼12.8이었으며, 양극실(35)의 pH는 2.3∼2.5의 범위로 운전되었다.

[실시 예6]

실시 예5에서 생산된 산화미네랄수 88.5 부에 보습제인 부틸렌글리콜(Butyleneglycol) 6.0부와 글리세린(Glycerin) 4.0부, 피부완화제(Emolient)인 오레일알코올(Oleylalcohol) 0.1부, 계면활성제인 소르비탄지방산에스테르(Sorbitan esters of fatty acids) 0.5부와 라우릴알코올에테르(Lauryl alcohol ether) 0.5부와 에탄올(Ethanol) 0.1부를 혼합하여 화장수를 제조하였다.(본 실시 예에서 혼합의 비율을 나타내는 "부"는 중량 부를 의미한다.)

[실시 예7]

실시 예5에서 생산된 환원수 84.7부에 계면활성제인 라우릴폴리옥시에칠렌에테르황산나트륨염(Lauryl polyoxyethylene ether sodium sulfonate) 30wt% 수용액 30부, 라우릴황산나트륨염(Sodiumu lauryl sulfate) 30wt% 수용액 30부와 야자유지방산(Coconut oil fatty acid) 디에탄놀아민(Diethanolamine) 4부, 보습제인 글리세린(Glycerin) 1부, 향료 0.1부, 방부제인 페녹시에탄놀(Phenoxyethanol) 0.2부를 혼합하고 80℃에서 30분간 교반하여 습식 샴푸(wet shampoo)를 제조하였다.(본 실시 예에서 혼합의 비율을 나타내는 "부"는 중량 부를 의미한다.)

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수는 오염물질이 함유되어 있으면서 다양한 미네랄성분과 시크로프로지기오신 염산염(Cycloprodigiosin hydrochloride), 트레할로스(Trehalose), 키토산(Chitosan), 알긴산(Alginic acid)과 같은 피부미용에 유용한 물질이 함유되어 있는 특성이 있기 때문에, 과잉으로 함유되어 있는 NaCl성분을 탈염처리하면 화장품제조에서 양질의 용수가 될 수 있으므로 화장품제조에 널리 이용되는 효과가 있을 것으로 기대된다.