Stabilization Performance Evaluation of Filter(pH) Using Ionic Water Generator

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논문 2015-52-3-24

이온수기 필터(pH)의 안정화 성능평가

( Stabilization Performance Evaluation of Filter(pH) Using Ionic Water Generator )

남 상 엽^*, 권 윤 중^**^*

( Sangyep Nam and Yunjung Kwon

^ⓒ

)

요 약

본 연구는 이온수기의 필터에 관련된 것으로 요즘 건강에 많은 관심을 가지고 있는 물은 그 종류도 매우 다양하다. 그 중에 서 이온 수기는 의료기기로 분류되어 식약청에서 승인을 거친 후 제조할 수 있고, 기능을 가지고 있는 물을 만드는 시스템이 다. 이온 수기는 기본적으로 저장되고 포장된 물이 아니며 이온 수기는 수도나 지하수에 직접 연결되어 여러 가지 필터를 통 해 깨끗하게 정수된 pH7∼7.5의 중성수를 격막을 이용하여 전기 분해하면 물속에 있는 음이온과 양이온을 격막을 통해서 – 전극 쪽에는 칼슘(Ca⁺), 칼륨(K⁺), 마그네슘(Mg⁺), 나트륨(Na⁺)을 포함한 물로 인체에 유익한 미네랄이 포함된 알칼리이온수를 얻을 수 있다. 일반적으로 이온수기에서 전기분해의 전압의 크기를 조절하여 Ph농도를 5∼9까지 변화를 주어 사용한다. 통상 1단(pH8), 2단(pH8.5), 3단(pH9), 4단(pH9.5)으로 알칼리 이온 수에 사용되고 –1단(pH6.0), -2단(pH5.0)의 산성이온수로 사용하 고 있다. 그런데 초기 필터의 상태를 확인해 보면 직수에서 필터를 통과한 정수상태에서 물은 약알칼리로 출수된다는 것이 큰 문제이다. 따라서 초기에 설정된 이온수의 pH값은 필터가 안정화된 후 값은 전혀 틀린 값이 나온다는 것을 확인하였다. 즉 초기에 설정된 이온수기의 pH 값은 사용 중 크게 변화하여 참값이 될 수 없음을 규명하였다. 이 문제를 해결하기 위해서는 필 터를 일정시간 통수 세척을 해서 사용하거나 필터의 초기 산성화 처리를 해서 중성화하여야 할 것으로 판단된다.

Abstract

This study is about ionic water generator filter Recently, a lot of people feel deep interest in health and drinking water.

And there are various types of water. Ionic water generator is a system with special function, and can be classified as a medical device and should be manufactured after approval from the Food and Drug Administration. Basically ionized water is different from the packaged and stored water. When the tap water or ground water passes through the various filters of ionic water generator, it turns to the purified water of pH7 ∼ 7.5 and we can electrolyze that water into anion and cation by diaphragm. And in negative electrode side, we can get alkaline water with calcium (Ca⁺), potassium (K⁺), magnesium (Mg⁺), sodium (Na⁺) for body. In general, we can change pH value from 5 to 9 of ionizer by controlling the level of electrolysis voltage in the ionizer. In general, 1stage (pH8), 2stage (pH8.5), 3stage (pH9), 4stage (pH9.5) are used as the alkaline ionized water, -1Stage (pH6.0), -2 stage (pH5.0) are used as the acidic water. But in early stage, the water that passed through filter was weakly alkaline water and that was problem. Therefore, when filter condition is stable, the pH and ORP value of water is different with the early one. the initial setting pH value of the ionizer was confirmed that changes significantly. In order to resolve this problem we need to wash filter for some period time and neutralize by acidification treatment of the filter.

Keywords

:

Water Ionizer, Alkaline Water, Acidic Water, Purified Water Filter, Electrolytic Cell

* 평생회원, 국제대학교 IT계열 (Kookjea College)

** 평생회원, 세명대학교 전자공학과

(Dep. of Electronic Eng. Semyung University)

※ 이 논문은 2014학년도 세명대학교 교내학술연구비 지원에 의해 수행된 연구임.

Received ; January 23, 2015 Revised ; February 8, 2015 Accepted ; February 27, 2015

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Ⅰ. 서 론

일반적인 우리나라 국민들은 먹는 물에 대한 관심이 날이 갈수록 증가하고 있고 어떠한 물이 건강한 물이 고 어떠한 물을 먹어야 좋은지에 대해서는 명확한 답 을 구하지 못하는 것이 현실이다. 아직까지 우리나라는 다른 나라와 비교해도 수질이 좋은 편이지만 국민들의 수질에 대한 관심과 눈높이는 더욱 높아지고 있다. 향 후 우리나라도 물 부족국가로 예상되고^[1] 서울시에서는 K워터로 깨끗한 물을 선전하고 있지만 상수도의 막연 한 불안, 맛, 냄새, 녹물 등의 불신으로 수돗물을 직접 음용하는 비율은 1.4%에 불과하며^[2,3], 일반 가정에서는 가정용정수기를 도입하여 정수기에서 정수된 물을 음 용하는 것으로 조사되고 있다.

정수기는 필터를 이용하여 물리적, 화학적으로 불순 물을 제거해주는 정화시스템이다. 정수기나 알칼리이온 수기에서 사용되는 필터의 여과 재료는 보통 1단계에서 3단계 정도로 적층되어 사용하고 있으며 여러 가지 중 금속과 잔류염소를 흡착하거나 냄새를 제거하여 물맛을 좋게 하기 위해 사용된다^[4～,5]. 이때에 사용되는 여과 재 료는 이온교환수지, 입자 활성탄, 카본 블록, 중공사를 사용하고 있다^[6]. 정수기에 사용되는 역삼투압방식에 의 한 필터는 미네랄성분까지 제거하기 때문에 이온수기에 서는 사용할 수가 없다. 가전제품으로 분류되어 사용하 고 있는 정수기와 다르게 이온 수기는 의료기기로 분류 되어 있고, 이온수기는 식약청에서 허가를 득하여 생산 이 가능하다. 알칼리수를 음용하면 위산과다, 소화불량, 만성설사 등의 개선이 되고, 산성 수는 세안, 세척(소 독), 밀가루 반죽 등 용도에 맞게 사용한다.

pH의 p는 대수의 power이고 H는 수소의 Hydrogen이온 을 의미한다. 따라서 pH는 수소이온농도를 그 역수의 상 용대수로 나타낸 값이다.

  log ^

   log^

^  ^{ }

(1)

여기서 ^의 단위는   이다

통상적으로 pH의 측정범위는 pH0.00 - pH14.00이다.

14까지인 이유는 25도에서 순수 물은 일반적으로 전리평 형이 성립되고 이온 적으로

   × ^{ }이므로 _  ^ ^이고 이 온화상수   _ 

^^ 이므로

_   ^^

_ ^^

_  × ^{ }

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양변에 역수의 상용대수를 넣으면

 log^^   log^{ }^ log^  log^  

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이다.

중성인 순수한 물에서 수소 이온의 농도는 1 리터 당 10－7그램당량이고 이것은 pH 7에 해당한다. pH 7 이 하의 용액은 산성, pH 7 이상인 용액은 염기성 또는 알 칼리성이라고 한다. 덴마크의 생화학자 S. P. L.이 처음 으로 수용액에서 ℓ당 당량 단위의 수소 이온 농도를 나타내기 위해 pH를 측정했다.

수소 이온 농도의 물리적 의미가 불확실하기 때문에 pH의 정의는 측정 방법에 따라 다르다. 미국국립표준국 에서는 pH값을 특정 용액에서 표준전극 사이에 발생하 는 기전력으로 정의한다. 물에서 pH를 제어하기 위해서 그림 1과 같이 물을 전기분해하여 제어할 수 있다.

물의 전기분해에서 전해이론은 어느 금속을 M이라 표시하고 그 짝이 되는 산근을 X로 표시하면 염류는 물에 녹아 전리되어 평형의 상태가 되고 식 4와 같이 나타낼 수 있다.



⇔

^



 (4)

그림 1. 전기분해 Fig. 1. Electrolysis.

(3)

그림 2. 전해조의 전극판과 격막 Fig. 2. Electrode plate and membrane.

이를 전해하면 양극과 음극에서는 각각 아래와 같은 반 응이 일어난다.

양극  X  ⊕→X

X  H_O →HX  O 

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⇔^ 로 되어  가 생기면서 산성이 된다.

이때 H 는 H가 되어서 기포가 발생한다. 물이 중성 인 것은 M과 X , 또는 M과 X가 같은 양으로 존재하기 때문이며 이것을 전기분해해서 M을 모으면 알칼리성이 되고, X를 모으면 산성이 된다.

물을 전기분해하면 함유되어 있는 미네랄들을 이온 화 시켜 칼슘(Ca⁺), 칼륨(K⁺), 나트륨(Na⁺), 마그네슘 (Mg⁺)등의 + 이온을 띄고 있는 미네랄들을 - 전극 쪽 으로 모아서 알칼리성 이온수를 생성한다. 반대로 염소 (Cl), 인(P), 유황(S)등 - 이온을 띄고 있는 유기물들은 + 전극 쪽으로 모아서 산성 이온수가 된다. 그림 2.는 전기분해를 하기 위한 전해조의 전극판과 격막의 사진 이다. 이렇게 얻어지는 이온 수는 원수에서 필터를 통 과한 정수 물을 가지고 생성해야한다^[7～8].

그런데 초기 필터의 상태를 확인해 보면 직수에서 필 터를 통과한 정수상태에서 pH가 7정도로 중성이 아니 고 약알칼리로 출수된다는 것이 큰 문제이다. 따라서 초기에 설정된 이온수의 pH값은 필터가 안정화된 후 값은 전혀 틀린 값이 나온다는 것을 확인하였다. 즉 초 기에 설정된 이온수기의 pH 값은 사용 중 크게 변화하 여 참값이 될 수 없음을 규명하였다.

Ⅱ. 실험 재료 분석

1. 활성카본

활성카본은 목재, 석탄 등을 원료로 하여 고온으로 소성하고 탄소로서의 활성 과정에서 형성된 미세 세공

그림 3. 활성카본 필터 내부 Fig. 3. Activated carbon filter inside.

그림 4. 활성카본 필터 카트리지 Fig. 4. Activated carbon filter cartridges.

을 가진 무정형탄소의 결정체이다. 일반적으로 물을 정 화할 때 사용되는 활선카본은 1 그람 당 800～1200㎤의 표면적의 물리 흡착제이다. 활성카본은 아주 넓은 표면 적으로 흡착하는데 물속에 다양한 오염물질인 잔류염 소, 유기물흡착, 탈취기능을 하고 있다. 그러나 활선카 본은 주변의 온도, 압력, pH 등의 외부조건에 따라 흡 착정도를 변화 시킬 수도 있다. 활성카본의 오염물질의 흡착특성은 물에 대한 용해도가 작을수록 잘 흡착되며 용해도가 큰 물질은 물과 강하게 수소 결합하여 흡착이 어려워진다. 또 분자구조에서 방향족 화합물은 지방족 화합물에 비하여 잘 흡착되는 성질이 있다. 이온화특성 은 약전해질의 유기물이 이온화하고 있을 때보다 흡착 율이 크다.

2. 공중사막

공중사막은 나노미터 크기의 기공을 가진 기공 필터로

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그림 5. 공중사막 필터 내부 Fig. 5. UF filter inside.

그림 6. 공중사막 필터 카트리지 Fig. 6. UF filter cartridges.

막 표면에 상당히 많은 미세 기공을 통해서 물을 통과시 켜 물속의 오염물질을 제거한다. 공중사막은 개발초기에 는 인체의 혈액 중에서 독소를 제거하기 위한 혈액투석 기용 필터로 개발되었으나 최근에는 물을 정수하는 과정 에서 박테리아, 바이러스 등 미립자의 불순물을 거하는데 널리 쓰이고 있다. 또한 공중사막의 특징은 직수인 수돗 물이나 지하수를 필터링하기에 적당하며, 압력을 가하지 않고 사용할 수 있다.

3. 카본블록

카본 블록은 100%의 활성탄 흡착력을 유지하기 위

그림 7. 카본블록 필터 및 내부

Fig. 7. Carbon block filter and the inner.

그림 8. 카본블록 필터 카트리지 Fig. 8. Carbon block filter cartridges.

해서 고온의 활성화 공정을 거쳐 다공의 활성탄을 열 가소성 소재인 PE 계열의 바인더와 혼합하여 일정한 밀도로 압출하여 활성탄의 비표면적을 넓혀 보다 더 우수한 흡착력을 오랜 시간 유지하도록 제조 되고 있 다. 또한 카본블록은 중금속 여과가 우수하고 잔류염 소, 색도, 화학물질, 유기물질, 물의 냄새 등을 흡착 여 과를 목적으로 사용된다.

Ⅲ. 실험 및 결과

그림 9.와 같이 이온수기를 직수에 연결하여 중간에 실

그림 9. 이온수기와 필터 연결도

Fig. 9. Ionic water generator and filter connection diagram.

그림 10. 실험용 이온수기 장치

Fig. 10. Laboratory ionic water generator.

(5)

그림 11. 이온수 pH측정

Fig. 11. Ionic water pH measurement.

8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

10L 20L 50L 70L 100L 120L 150L 170L 200L 알칼리1단

(활성카본)

알칼리1단 (카본블럭)

알칼리1단 (중공사막) [pH]

[통수량]

그림 12. 필터종류별 알칼리1단 pH측정 Fig. 12. Filter by type alkaline ionized water pH

measuring stage 1.

8.9 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6

10L 20L 50L 70L 100L 120L 150L 170L 200L 알칼리2단

(활성카본)

[통수량]

measuring stage 2.

9.6 9.65 9.7 9.75 9.8 9.85 9.9 9.95 10 10.05

10L 20L 50L 70L 100L 120L 150L 170L 200L 알칼리3단

(활성카본)

[통수량]

measuring stage 3.

10.15 10.2 10.25 10.3 10.35 10.4 10.45 10.5 10.55

10L 20L 50L 70L 100L 120L 150L 170L 200L 알칼리4단

(활성카본)

[통수량]

measuring stage 4.

7 7.5 8 8.5 9 9.5

10L 20L 50L 70L 100L 120L 150L 170L 200L 정수

(활성카본) 정수

(카본블럭) 정수

(중공사막) [pH]

[통수량]

그림 16. 필터종류별 정수의 pH측정

Fig. 16. Filter by type of purified water pH measuring.

6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7 7.1

10L 20L 50L 70L 100L 120L 150L 170L 200L 산성1단

(활성카본)

산성1단 (카본블럭)

산성1단 (중공사막) [pH]

[통수량]

그림 17. 필터종류별 산성1단 pH측정

Fig. 17. Filter by type acidic water pH measuring stage 1.

5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1

10L 20L 50L 70L 100L 120L 150L 170L 200L 산성2단

(활성카본)

산성2단 (카본블럭)

산성2단 (중공사막) [pH]

[통수량]

그림 18. 필터종류별 산성2단 pH측정

Fig. 18. Filter by type acidic water pH measuring stage 2.

(6)

험하고자하는 필터를 연결하였고, 활상카본 필터, 공중사 막 필터, 카본블록 필터를 3가지를 각각 200리터씩 통수 를 하면서 초기 값에서 pH가 안정화하는데 까지를 관찰 과 실험을 하였다.

그림 10과 그림 11은 필터의 안정화 성능을 평가하기 위한 테스트용 이온수기 장치와 이온수의 pH를 측정하 기 위한 계측기를 나타내고 있다. 그림 12에서 그림 18 은 활성카본, 공중사막, 카본블록의 필터에 이온수기를 통과한 측정 데이터로 알칼리 1단에서 4단 그리고 전 기분해를 하지 않은 정수, 산성수 1단에서 2단을 측정 한 그래프이다. 본 측정에서 한국의 수돗물 원수의 pH 값이 동절기에는 일반적으로 7.7 정도 약간 높기 때문 에 각 단별 이온수의 pH값도 0.7 정도 높게 측정되었 다. 아주 중요한 것은 측정 결과에서 알 수 있는 바와 같이 활성카본, 공중사막, 카본블록 필터모두 어느 정도 통수가 되기 전까지 안정되지 못한 pH값 나타내고 있 다. 또한 실험 결과를 면밀히 살펴보면 150L이상의 통 수를 해야만 이온수기의 필터가 안정화 되고 있음을 알 수 있다.

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 이온수기에 널리 사용되는 대표적인 필터 3가지 활상카본 필터, 공중사막 필터, 카본블록 필 터를 초기 값의 pH와 pH가 안정화 될 때까지 통수를 하여 정수와 알칼리 이온 수 4단계 그리고 산성 수 2단 계를 실험의 항목을 정하여 분석하였다. 일반적으로 음용 기준의 물의 pH는 6.5～8.5로 되어 있다. 우리가 사용하고 있는 정수기도 직수의 pH가 7정도이지만 정 수기의 필터가 안정화 되가 전까지는 pH설정치 보다 높은 알칼리수를 출수하고 있음을 확인하였다. 이러한 경우 대부분의 약을 복용할 경우 알칼리 수에서 복용이 금지되기 때문에 주의가 필요하다고 사료된다.

일반적으로 이온수기는 알칼리수와 산성수를 생성하 는 의료기기로 식약청으로부터 승인 하에 제조하여 사 용하고 있는데 실험을 통한 결과를 살펴보면 초기 설정 된 값에서 필터가 통수되어 pH가 안정화 된 후에 값이 거짓 값이 됨으로 이온수기에서 생성된 pH 값도 참 값 이 아닌 것을 증명하였다. 이를 해결하기 위해서 필터 의 pH 값이 안정화 된 후에 공장에서 제조 시 설정을 새로이 하거나, 시간과 비용이 소요 되더라도 필터가

안정화되는 200리터 가까이 통수하기 전은 이온수기에 서 각 단별 pH를 얻을 수 없음을 확인하였다.

REFERENCES

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(7)

저 자 소 개 남 상 엽(평생회원)

2002년 단국대학교 전자공학과 공학박사

1987년～1992년 삼성종합기술원 정보시스템연구소 주임 연구원

1992년～1998년 (주)모토로라 반도체통신 기술연구소 차장 1998년～현재 국제대학교 IT계열 교수

<주관심분야:임베디드시스템, USN/ RFID, 지능 형로봇, 홈네트워크,의용전자기기>

권 윤 중(평생회원)-교신, 주저자 1984년 단국대학교 전자공학과 공학사 졸업

2001년 한국항공대학교

정보통신공학과 공학석사 2006년 한국항공대학교

정보통신공학과 공학박사 1984년～1986년 KAIST 시스템공학센터 연구원 1987년～1990년 경일엔지니어링

기술연구소 연구소장 1991년～2011년 미화전자개발 대표

2011년～현재 세명대학교 전자공학과 교수

<주관심분야:의용전자, 응용전자기기, 정보통신>