WO2021132765A1 - 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법 - Google Patents

규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법 Download PDF

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silica
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고경민
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어업회사법인(주)제이앤씨 바이오
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Definitions

  • the present invention is a method for separating and purifying water-soluble silicon from diatom-derived silica, and more particularly, by grinding diatom-derived silica powder through grind, dry plasma treatment, sonication, and air plasma treatment to pulverize water-soluble silicon.
  • the invention relates to a method for purifying silicon.
  • the water we drink every day circulates in the following order: inlet -> stomach -> liver -> heart -> blood -> cells -> kidney -> excretion, etc., maintaining cell shape, enhancing metabolism, and circulating blood and tissue fluid It facilitates blood circulation, dissolves nutrients, absorbs and transports them, supplies them to cells, excretes unnecessary wastes from the body, maintains blood neutral to weakly alkaline, and regulates body temperature by dissipating heat from the body to maintain life. It performs essential roles such as circulation, assimilation, excretion, and body temperature regulation. Water, along with oxygen, is an essential element in the human body. It is deeply involved in various metabolisms such as digestion, absorption, circulation, and excretion. It is a major component of blood and lymph.
  • Mineral is a collective term for elements other than carbon (C), hydrogen (H), nitrogen (N), and oxygen (O), which are the main components of organic matter among the elements that make up the human body and are necessary for physiological activities such as growth and maintenance of the human body.
  • Elements such as calcium (Ca), magnesium (Mg), sodium (Na), potassium (K), zinc (Zn), iodine (I), selenium (Se), and iron (Fe) say
  • Silicon Has a beneficial effect on bone and connective tissue in the increase in length growth seen in rats fed a diet lacking silicon, and that an increase in the intake of silicon through ortho silicate can reduce the mineral density of bone. It is evaluated as a case that reveals that silicon has a beneficial effect on bone and connective tissue in the results of epidemiological studies showing that there is a correlation with the increase.
  • An object of the present invention is to provide an optimal method for separating and purifying water-soluble silicon from adherent diatom-derived silica taken with Jeju lava seawater to provide mineral water containing silicon components beneficial to the human body.
  • the present invention (S1) diatom (diatom) derived silica (SiO 2 ) Mixing the powder with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ); (S2) evaporating the hydrogen peroxide solution; (S3) pulverizing the silica powder remaining after the evaporation of the hydrogen peroxide solution; (S4) dissolving the pulverized silica powder in distilled water; provides a method for separating and purifying water-soluble silicon from diatom-derived silica.
  • the (S3) silica powder pulverization may be accomplished through grind pulverization.
  • the (S3) silica powder pulverization may be accomplished through dry plasma treatment.
  • the (S3) silica powder pulverization may be made through a sonication treatment.
  • the (S3) silica powder pulverization may be accomplished through air plasma treatment.
  • the silica powder pulverization (S3) may be performed through dry plasma treatment after grinding pulverization.
  • the silica powder pulverization (S3) may be sequentially performed by dry plasma treatment, grind pulverization, and air plasma treatment.
  • the silica powder pulverization (S3) may be performed sequentially by dry plasma treatment, grind pulverization, air plasma treatment, and sonic treatment.
  • dry plasma treatment may be performed for 170 minutes.
  • the sound wave treatment can apply a pulse of 30 minutes or 60 minutes in a manner that applies a pulse for 5 seconds at a 20% amplitude and stops for 10 seconds.
  • the method may further include stirring in a water bath for 16 hours.
  • the concentration of NaOH may be 0.5M.
  • Example 1 is a case in which silica powder is simply added to distilled water (Sample No. 25), when only dry plasma treatment is performed (Sample No. 26), when a solution of silica powder and hydrogen peroxide is evaporated, followed by grinding ( Sample No. 27), when a solution of silica powder and hydrogen peroxide solution was evaporated, and dry plasma treatment was performed after grinding pulverization (Sample No. 28), the silica powder was dissolved after 40 hours.
  • Figure 2 shows the dissolution state of the silica powder after 72 hours of the samples of Figure 1
  • Figure 3 shows the dissolution state of the silica powder after one week of the samples of Figure 1.
  • Figure 4 shows the silica powder SEM image before and after the grind grinding step.
  • FIG. 9 shows a schematic diagram of pulverization by chemical dissolution of physically pulverized silica powder.
  • diatom-derived silica powder used in the present invention is disclosed in detail in Patent Registration No. 101788507 by the present applicant.
  • the (S3) silica powder pulverization may be accomplished through grind pulverization.
  • the (S3) silica powder pulverization may be made through a dry plasma treatment.
  • Plasma is already the fourth material discovered by scientists in the 1800s, and a transition abnormality different from light was discovered during the discharge tube test process. Later, scientist Langmuir discovered that a phase similar to this light forms a single material phase, and the fourth He insisted on referring to it as matter and began to name it plasma, which is of Greek etymology. In the modern era, scientists began to predict that plasma could be used in many fields as they began to study the phase process of plasma transition from solid, liquid, gas, and plasma, from 3 phases of matter to 4 phases of matter, and from gas to plasma. In the present invention, dry plasma and air plasma were used to pulverize silica powder.
  • the (S3) silica powder pulverization may be accomplished through a sonication treatment.
  • the (S3) silica powder pulverization may be achieved through air plasma treatment.
  • the silica powder pulverization (S3) may be performed through dry plasma treatment after grinding pulverization.
  • the silica powder pulverization (S3) may be performed sequentially by dry plasma treatment, grind pulverization, and air plasma treatment.
  • the silica powder pulverization (S3) may be performed in order by dry plasma treatment, grind pulverization, air plasma treatment, and sonic treatment.
  • the dry plasma treatment may be performed for 170 minutes.
  • the sound wave treatment may apply a pulse of 30 minutes or 60 minutes in such a way that the pulse is applied for 5 seconds with an amplitude of 20% and stopped for 10 seconds.
  • the method may further include stirring in a water bath for 16 hours.
  • the concentration of NaOH may be 0.5M.
  • the content of water-soluble silicon was measured by ICP-OES standard solution (LabKingS, Lot No-10095418-1), which was a high-temperature plasma (6000 ⁇ 10000 K) induced with argon gas.
  • Example 1 Treatment and evaporation of hydrogen peroxide solution on silica powder
  • silica powder when silica powder was simply added to distilled water (Sample No. 25), the silica powder was hardly dissolved in distilled water, and when the silica powder was only treated with a dry plasma using a Tesla coil (Sample No. 26) ) and in the case of evaporating the mixed solution of silica powder and hydrogen peroxide and then grinding and pulverizing (Sample No. 27), the silica powder was hardly dissolved in distilled water. However, it was confirmed that a significant amount of silica powder was dissolved in distilled water when the solution in which the silica powder and hydrogen peroxide were mixed was evaporated, and after grinding and dry plasma treatment using a Tesla coil (Sample No.
  • the grind has the effect of reducing the particle size and increasing the surface area by physically pulverizing the particles.
  • silica powder completely dried by evaporating hydrogen peroxide solution was put in a mortar and pulverized for 10 minutes by applying sufficient pressure using a mortar, and SEM images of silica powder before and after the grinding step were shown. 4 is shown.
  • a Tesla coil was set for dry plasma treatment (FIG. 5).
  • the principle of the Tesla coil is to make a coil by winding a wire in a certain direction, then wind the wire in the opposite direction to the first one, and when electricity flows into these two coils, a magnetic field is created in which the right winding and the left winding are in opposite directions, respectively. Because the two magnetic fields cancel each other out, the magnetic field becomes zero.
  • the distance between the tip of the Tesla coil and the silica powder was maintained at 2 cm, and the continuous discharge time in the fixed state was kept constant at 5 minutes.
  • the plasma treatment time is 30 minutes, the silica powder is divided into 6 equal parts and each equal section is discharged for 5 minutes, and when the plasma treatment time is 90 minutes, the silica powder is divided into 18 equal parts and 5 in each equal section. Discharge treatment was performed every minute.
  • silica powder when silica powder was simply added to distilled water (Sample No. 33), the silica powder was hardly dissolved in distilled water, mixed with hydrogen peroxide, left for 2 hours, evaporated, and left for 20 hours again After 30 minutes of grinding and dry plasma treatment, it was confirmed that silica powder was more dissolved in distilled water when the dry plasma treatment time was 170 minutes (Sample No. 35) than when it was 75 minutes (Sample No. 34).
  • sample No. 36 put into distilled water after storage at room temperature for 16 hours after dry plasma treatment has the same effect as sample No. 35 immediately added to distilled water, but after plasma treatment, after storage at room temperature for 24 hours or more, distilled water
  • samples Nos. 37 and 38, which were added to the there was a tendency to dissolve less than samples Nos. 35 and 36. Accordingly, it is confirmed that the dry plasma treatment effect is reduced when more than 16 hours have elapsed after the dry plasma treatment.
  • a step of pulverizing the silica powder by sonication treatment was added.
  • Sound wave treatment is a method of pulverizing using sound waves of about 20 kHz, in the present invention, pulses of 30 minutes or 60 minutes were applied in a manner that pulses were applied at 20% amplitude for 5 seconds and stopped for 10 seconds.
  • the samples were dispersed in 10 mM or 100 mM NaCl with silica at a concentration of 5 mg/mL (100 mg/20 mL) or 50 mg/mL (1000 mg/20 mL), and run on ice to prevent heat generation during sonication. .
  • sample No. 1 In the case of sample No. 1, about 1.2 ppm of silicon was detected by ICP-OES even in the untreated silica 5mg/NaCl 20mL dispersion. In sample No.2, 8.1ppm of silicon was detected when a dispersion of silica 5mg/NaCl 20mL was treated with sound waves for 30 minutes. In sample No. 3, the silica concentration was 10 times, but the amount of silicon detected was 17.5 ppm, which showed a tendency to increase only about 2 times. In sample No. 4, the silica concentration was 10 times and the sonication time was 60 minutes. , but the amount of silicon detected was only about 3 times increased to 23.3 ppm.
  • Example 7 NaOH treatment step on pulverized silica powder
  • a pulverization step by chemical dissolution was performed.
  • Chemical dissolution is made according to FIG. 9, after physically dispersing 5 g of pulverized silica powder in 250 ml NaOH of 0.1M or 0.5M concentration, and stirring in a water bath for 16 hours, Ca, Mg, K, Na, and Si contents were measured and compared, and the results are shown in Table 6 below.
  • the dissolved diatoms were dried, dissolved by adding distilled water (125 ml), and then concentrated to double the concentration. Comparing the silicon content according to the table above, in 0.1M NaOH, there was no change in the silicon content even when concentrated 4 times, but in 0.5M NaOH, the silicon content was about 2 times when concentrated 2 times, 4 times, 8 times, and 16 times. As it is seen that the increase, it can be seen that sufficient chemical dissolution is made in 0.5M NaOH, and it was also confirmed that various minerals such as Ca, K, Mg, Na were detected in addition to silicon.

Abstract

본 발명은 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법으로, 더욱 상세하게는 규조류 유래 실리카 분말을 그라인드(grind), 건식(dry) 플라즈마 처리, 음파처리(sonication), Air 플라즈마 처리를 통하여 분쇄하여 수용성 규소를 정제하는 방법에 관한 발명으로, 본 발명에 의하면 제주도 용암해수와 함께 취수되는 부착성 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소를 분리정제하는 최적의 방법을 제공하여 인체에 유익한 규소성분이 포함된 미네랄수를 제공할 수 있다.

Description

규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법
본 발명은 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법으로, 더욱 상세하게는 규조류 유래 실리카 분말을 그라인드(grind), 건식(dry) 플라즈마 처리, 음파처리(sonication), Air 플라즈마 처리를 통하여 분쇄하여 수용성 규소를 정제하는 방법에 관한 발명이다.
우리가 매일 마시는 물은입->위장->간장->심장->혈액->세포->신장->배설 등의 순서로 순환하면서, 세포의 형태를 유지하고 대사작용을 높이며 혈액과 조직액의 순환을 원활하게 하고 영양소를 용해시키며, 이를 흡수, 운반해서 세포로 공급해 주고 체내에서 불필요한 노폐물을 체외로 배설시키며 혈액을 중성 내지 약 알카리성 으로 유지시키고 체내의 열을 발산시켜서 체온을 조절하는 등의 생명유지에 필수적인 역할 즉 순환기능, 동화작용, 배설기능, 체온조절기능 등을 수행한다. 물은 산소와 함께 인체에 없어서는 안될 필수요소로서 소화를 비롯하여 흡수, 순환, 배설 등 각종 신진대사에 깊이 관여하고 있으며, 혈액과 림프를 구성하는 주요 성분이며, 체온을 유지하고 건강한 피부와 근육을 만들어주며 관절에는 윤활유 역할을 하기도 한다. 몸에서 물이 차지하는 비율은 60~85 %로서, 이 가운데 1~2 %가 빠져나가도 심한 갈증과 고통을 느끼고, 5 %가 빠져나가면 혼수상태, 12 %를 잃으면 사망에 이르게 되는바, 각 장기 및 기관에서 물이 차지하는 비중을 보면 폐와 간이 86 %, 신장과 혈액 83 %, 뇌와 심장 그리고 근육이 75 % 등으로 몸의 구성성분이 대부분 물로 구성되어 있다. 인체의 정상적인 대사과정을 통해 더욱 건강한 삶을 유지하기 위해서는 깨끗하고, 인체에 유익한 물을 많이 마셔야 하며, 특히 인체에 원활한 신진대사를 제공하고 건강한 삶을 유지하기 위해서는 미네랄이 포함된 물을 많이 마시도록 권장된다. 미네랄이란 인체를 구성하고 인체의 성장과 유지 등 생리활동에 필요한 원소 중 유기물의 주성분인 탄소(C), 수소(H), 질소(N), 산소(O)를 제외한 다른 원소를 통틀어 일컫는 말로서 우리가 주변에서 흔히 접할 수 있는 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 칼륨(K), 아연(Zn), 요오드(I), 셀레늄(Se), 철(Fe) 등의 원소를 말한다.
그동안 규소가 인체에 미치는 영향을 연구한 사례로 뼈와 결합조직에 규소가 미치는 이로운 영향에 관한 해외사례 중, Silicon habe Beneficial Effect on Bone and Connective Tissue, Journal Bone 43(2008), 596~606.의 저널에서는 규소가 결핍된 사료를 섭취한 쥐에서 나타나는 길이 성장의 증가현상에서는 규소가 뼈와 결합조직에 이로운 영향을 미치고 있으며, 올쏘규산(Ortho silicate)을 통한 규소의 섭취량 증가가 뼈의 무기질 밀도의 증가와 연관성이 있음을 보여주는 역학적 연구결과에서 규소가 뼈와 결합조직에 이로운 영향을 주고 있음을 밝히고 있는 사례로 평가되고 있다.
인체조직에 유익한 물을 제공하기 위하여 알칼리금속 및 토금속류가 포함된 미네랄수, 생수, 약수 또는 약 알칼리수 등이 다양하게 연구되어 왔고, 또한 부분적으로 개발/제공되어 많은 사람들이 인체에 유익한 물을 음용하고 있으나, 인체에 매우 유익한 규소성분이 포함된 미네랄수를 음용하도록 제공되는 방법이나 수단에 대해서는 아직 제공된바 없다.
본 발명은 인체에 유익한 규소성분이 포함된 미네랄수를 제공하기 위하여, 제주도 용암해수와 함께 취수되는 부착성 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소를 분리정제하는 최적의 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (S1) 규조류(diatom) 유래 실리카(SiO2) 분말을 과산화수소수(H2O2)와 혼합하는 단계; (S2) 상기 과산화수소수를 증발시키는 단계; (S3) 상기 과산화수소수 증발 후 남은 실리카 분말을 분쇄하는 단계; (S4) 상기 분쇄된 실리카 분말을 증류수에 용해하는 단계;를 통한 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 그라인드(grind) 분쇄를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식(dry) 플라즈마 처리를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 음파(sonication) 처리를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 Air 플라즈마 처리를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 그라인드 분쇄 후 건식 플라즈마 처리를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식 플라즈마 처리, 그라인드 분쇄, Air 플라즈마 처리가 차례로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식 플라즈마 처리, 그라인드 분쇄, Air 플라즈마 처리, 음파처리가 차례로 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 건식 플라즈마 처리는 170분 동안 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 음파 처리는 20% amplitude로 5 초간 pulse를 가하고 10 초간 멈추는 방식으로 30분 또는 60분의 pulse를 가할 수 있다.
본 발명에 있어서, 분쇄된 실리카 분말을 NaOH에 분산시킨 후, 물 중탕으로 16시간 동안 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 NaOH의 농도는 0.5M일 수 있다.
본 발명에 의하면, 제주도 용암해수와 함께 취수되는 부착성 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소를 분리정제하는 최적의 방법을 제공하여 인체에 유익한 규소성분이 포함된 미네랄수를 제공할 수 있다.
도 1은 실리카 분말을 단순히 증류수에 투입한 경우(시료번호 25), 건식 플라즈마 처리만 한 경우(시료번호 26), 실리카 분말과 과산화수소수를 혼합한 용액을 증발시킨 경우 후 그라인드 분쇄를 한 경우(시료번호 27), 실리카 분말과 과산화수소수를 혼합한 용액을 증발시키고 그라인드 분쇄 후 건식 플라즈마 처리를 한 경우(시료번호 28) 40시간 경과 후 실리카 분말의 용해상태를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1 시료들의 72시간 경과 후 실리카 분말의 용해상태를 나타낸 것이다
도 3은 도 1 시료들의 1주일 경과 후 실리카 분말의 용해상태를 나타낸 것이다.
도 4는 그라인드 분쇄단계 이전과 이후의 실리카 분말 SEM이미지를 나타낸 것이다.
도 5는 건식 플라즈마 처리를 위한 테슬라 코일 세팅을 나타낸 것이다.
도 6은 건식 플라즈마 처리 시간에 따른 실리카 분말의 44시간 경과 후 용해상태를 나타낸 것이다.
도 7은 건식 플라즈마 처리 시간에 따른 실리카 분말의 1주일 경과 후 용해상태를 나타낸 것이다.
도 8은 건식 플라즈마 처리 후 증류수에 용해 전, 실리카 분말의 보존기간에 따른 용해도 변화를 나타낸 것이다.
도 9는 물리적으로 분쇄된 실리카 분말의 화학적 용해에 의한 분쇄 모식도를 나타낸 것이다.
본 발명에 의한 일 실시예로서 (S1) 규조류(diatom) 유래 실리카(SiO2) 분말을 과산화수소수(H2O2)와 혼합하는 단계; (S2) 상기 과산화수소수를 증발시키는 단계; (S3) 상기 과산화수소수 증발 후 남은 실리카 분말을 분쇄하는 단계; (S4) 상기 분쇄된 실리카 분말을 증류수에 용해하는 단계;를 통한 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법을 제공한다.
본 발명에 이용되는 규조류 유래 실리카 분말의 제조에 관하여는 본 출원인에 의한 등록특허 제101788507호 등에 자세하게 개시되어 있다.
본 발명에 의한 다른 실시예에서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 그라인드(grind) 분쇄를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식(dry) 플라즈마 처리를 통하여 이루어질 수 있다. 플라즈마는 이미 1800년대에 과학자들이 발견한 제4의 물질로서 방전관 시험과정에서 빛과는 틀린 전이상이 발견되어 후에 과학자 랭뮤어가 이 빛과 비슷한 상이 하나의 물질상을 이루는 것을 밝혀내고 제4의 물질로 지칭하자고 주장하고 그리이스 어원인 플라즈마(plasma)라고 명명하기 시작하였다. 현대에 들어서면서 과학자들은 플라즈마가 고체, 액체, 기체, 플라즈마로 물질 3상에서 물질 4상으로 기체에서플라즈마로 전이되는 상과정을 연구하기 시작하면서 많은 분야에 플라즈마가 쓰일 수 있다는 것을 예측하기 시작하였고, 본 발명에서는 실리카 분말의 분쇄를 위하여 건식 플라즈마 및 Air 플라즈마를 사용하였다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 음파(sonication) 처리를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 Air 플라즈마 처리를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 그라인드 분쇄 후 건식 플라즈마 처리를 통하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식 플라즈마 처리, 그라인드 분쇄, Air 플라즈마 처리가 차례로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식 플라즈마 처리, 그라인드 분쇄, Air 플라즈마 처리, 음파처리가 차례로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 건식 플라즈마 처리는 170분 동안 이루어질 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 음파 처리는 20% amplitude로 5 초간 pulse를 가하고 10 초간 멈추는 방식으로 30분 또는 60분의 pulse를 가할 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 분쇄된 실리카 분말을 NaOH에 분산시킨 후, 물 중탕으로 16시간 동안 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실시예에서, 상기 NaOH의 농도는 0.5M일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 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 자에게 있어서 자명할 것이다.
본 발명에 의한 실시예에서 수용성 규소의 함량은 ICP-OES standard solution (LabKingS, Lot No-10095418-1)에 의하여 측정되었으며, 이는 아르곤기체로 유도된 고온의 플라즈마(6000 ~ 10000 K)로 열에너지를 가해 들뜬 원소가 바닥 상태로 돌아올 때 방출하는 방출선을 검출하여 미량의 원소를 정량 (1 ppm = 1 μg/mL)하는 방법을 사용하여, 희석된 규소수의 Si 함량을 측정하였고(251.611 nm), 모든 샘플은 측정 전 0.2 μm filter 로 거른 후 측정하였다.
실시예 1. 실리카 분말에 과산화수소수의 처리 및 증발
본 출원인에 의한 등록특허 제101788507호 등에 개시되어 있는 방법에 의해 제공되는 실리카 분말을 과산화수소수(성광제약으로부터 구입)에 혼합하여 1시간 정도 방치한 후, MSH-20D Hot plate 장비를 이용하여 과산화수소수를 증발시켜 실리카 분말을 완전건조시켰다.
과산화수소수 처리에 따른 효과를 입증하기 위하여 하기 표 1에 나타낸 조건으로 실험을 실시하였고, 그 결과를 도 1 내지 3에 나타내었다.
Figure PCTKR2019018531-appb-I000001
도 1에 나타낸 바와 같이, 실리카 분말을 단순히 증류수에 투입한 경우(시료번호 25) 실리카 분말은 증류수에 거의 용해되지 아니하였고, 실리카 분말을 테슬라코일을 이용하여 건식 플라즈마 처리만 한 경우(시료번호 26) 및 실리카 분말과 과산화수소수를 혼합한 용액을 증발시킨 경우 후 그라인드 분쇄를 한 경우(시료번호 27)에도 실리카 분말이 증류수에 거의 용해되지 않았다. 그러나, 실리카 분말과 과산화수소수를 혼합한 용액을 증발시키고 그라인드 분쇄 후 테슬라코일을 이용하여 건식 플라즈마 처리를 한 경우(시료번호 28)에는 상당량의 실리카 분말이 증류수에 용해된 것을 확인할 수 있었고, 이는 도 2 및 도 3에서도 명확하게 나타났다. 이에 따라, 과산화수소수 처리단계 및 분쇄단계 모두를 거쳐야만 본 발명에 의한 규소수 제조가 가능하다는 것을 확인할 수 있었고, 본 발명자들은 최적화된 실리카 분말의 분쇄공정을 확립하기 위하여 하기와 같은 실험을 실시하였다.
실시예 2. 실리카 분말의 그라인드 분쇄
그라인드(grind)는 입자를 물리적으로 분쇄하여 입자크기를 감소시키고, 표면적을 증가시키는 효과를 가진다. 본 발명에서는 과산화수소수를 증발시켜 완전건조 된 실리카 분말을 막자사발(mortar)에 넣고 막자를 이용하여 충분한 압력을 가하여 10분 동안 분쇄작업을 하였고, 그라인드 분쇄단계 이전과 이후의 실리카 분말 SEM이미지를 도 4에 나타내었다.
실시예 3. 실리카 분말의 건식(dry) 플라즈마 처리
건식 플라즈마 처리를 위하여 테슬라 코일을 세팅하였다(도 5). 테슬라 코일의 원리는 도선을 일정한 방향으로 감아 코일을 만든 다음에 그 도선을 처음과는 반대 방향으로 감고, 이 두 개의 코일에 전기가 유입되면 오른쪽 감기와 왼쪽 감기가 각각 제각기 반대 방향이 되는 자장을 만들기 때문에 두 개의 자장은 서로 상쇄되어 자장이 제로가 되는 것에 의하여 이루어진다.
본 발명에서는 테슬라 코일의 침 끝부분과 실리카 분말 사이 거리를 2cm로 유지하고, 고정된 상태의 연속방전 시간은 5분으로 일정하게 유지하였다. 예를들어, 플라즈마 처리시간을 30분으로 하는 경우에는 실리카 분말을 6등분으로 나누어 각 등분에 5분씩 방전처리하였고, 플라즈마 처리시간을 90분으로 하는 경우에는 실리카 분말을 18등분하여 각 등분에 5분씩 방전처리하였다.
건식 플라즈마 처리 시간에 따른 실리카 분말 용해 효과를 입증하기 위하여 하기 표 2에 나타낸 조건으로 실험을 실시하였고, 그 결과를 도 6 및 7에 나타내었다.
Figure PCTKR2019018531-appb-I000002
도 6 및 7에 나타낸 바와 같이, 실리카 분말을 단순히 증류수에 투입한 경우(시료번호 33) 실리카 분말은 증류수에 거의 용해되지 아니하였고, 과산화수소수를 혼합하여 2시간 방치 후 증발시키고, 다시 20시간 방치한 후 30분간 그라인드 분쇄와 건식 플라즈마를 처리한 경우에도, 건식 플라즈마 처리 시간이 170분인 경우(시료번호35)가 75분인 경우(시료번호34) 보다 실리카 분말이 증류수에 보다 우수하게 용해되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 건식 플라즈마 처리 후 증류수에 용해 전, 실리카 분말의 보존기간에 따른 효과를 알아보기 위하여 하기 표 3에 나타난 조건으로 실험을 진행하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
Figure PCTKR2019018531-appb-I000003
상기 표 3에 따르면, 건식 플라즈마 처리 후 16시간 상온에서 보존 후 증류수에 투입한 36번 시료의 경우 바로 증류수에 투입한 35번 시료와 동일한 효과를 가지나, 플라즈마 처리 후 24시간 이상 상온에서 보존 후 증류수에 투입한 37번, 38번 시료의 경우에는 35번, 36번 시료와 비교하여 용해가 덜 되는 경향이 나타났다. 이에 따라, 건식 플라즈마 처리 후 16시간이상 경과시 건식 플라즈마 처리 효과가 감소되는 것으로 확인된다.
실시예 4. 실리카 분말의 Air 플라즈마 처리
5 mg/mL 농도로 실리카를 10 mM NaCl 에 분산시킨 후 Ar plasma portable F type 으로 30 분간 처리하였고, 이는 분리된 Si-O-Si 결합이 다시 결합되는 것을 방지해주는 역할을 한다.
실시예 5. 실리카 분말의 음파 처리
음파(sonication) 처리에 의하여 실리카 분말을 분쇄하는 단계를 추가하였다. 음파 처리는 약 20kHz의 음파를 사용하여 분쇄하는 방법으로, 본 발명에서는 20% amplitude로 5 초간 pulse를 가하고 10 초간 멈추는 방식으로 30분 또는 60분의 pulse를 가하였다. 샘플은 5 mg/mL (100 mg/20 mL) 농도 혹은 50 mg/mL (1000 mg/20 mL)로 실리카를 10 mM 혹은 100mM NaCl 에 분산시켰으며, sonication 동안 열 발생을 방지하고자 얼음에서 진행하였다.
실리카 분말에 대한 음파 처리의 효과를 확인하기 위하여 하기 표 4에 나타낸 조건으로 실험을 실시하였다.
Figure PCTKR2019018531-appb-I000004
sample No.1의 경우 아무 처리하지 않은 실리카 5mg/NaCl 20mL 분산액에서도 약 1.2ppm의 규소가 ICP-OES에 의하여 검출되었다. sample No.2에서 실리카 5mg/NaCl 20mL 분산액에 음파를 30분 동안 처리한 경우 규소가 8.1ppm 검출되었다. sample No.3에서 실리카 농도가 10배인 조건으로 실시하였으나, 규소검출량은 17.5ppm으로, 약 2배 가량만 증가하는 경향을 나타내었고, sample No.4에서 실리카 농도 10배 및 음파 처리시간을 60분으로 증가시켰으나, 규소 검출량은 23.3ppm으로 약 3배 가량 증가하는데 그쳤다. 또한, NaCl 첨가의 효과를 입증하기 위하여 sample No.5에서 실리카 5mg/증류수 20mL 분산액에 30분 음파 처리를 하였고, 그 결과 6.3ppm의 규소가 검출되었는 바, 증류수 보다 NaCl 첨가가 바람직함을 알 수 있었다.
실시예 6. 물리적 분쇄 방법의 조합
최적화된 실리카분말의 물리적 분쇄를 위하여 그라인드, Air 플라즈마처리, 음파처리, 건식 플라즈마 처리 방법을 조합하여 실시하였고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
Figure PCTKR2019018531-appb-I000005
상기 실시예에 따르면, 음파처리, Air 플라즈마처리, 그라인드, 건식 플라즈마 처리를 각각 단독으로 실시하여 실리카 분말을 분쇄하는 것보다 건식 플라즈마처리, 그라인드, Air 플라즈마 처리, 음파처리를 단계적으로 거쳐 분쇄하는 것이 월등하게 규소가 다량 검출되는 것을 확인할 수 있었다. 나아가, 그라인드 후 건식 플라즈마를 처리하는 경우(sample No. 16, Si 88.5ppm)가 역순으로 건식 플라즈마 처리 후 그라인드 하는 경우(sample No. 15, Si 28ppm)보다 규소 검출량이 우월하게 나타나는 바, 이는 그라인드 처리로 실리카 분말의 표면적을 넓게 한 후 건식 플라즈마를 처리하는 것이 보다 효과적으로 작용함을 알 수 있다.
실시예 7. 분쇄된 실리카 분말에 NaOH 처리단계
물리적으로 분쇄된 실리카 분말의 표면적을 보다 크게 하기 위하여 화학적 용해에 의한 분쇄단계를 실시하였다. 화학적 용해는 도 9에 의하여 이루어지는데, 물리적으로 분쇄된 실리카 분말 5g을 0.1M 또는 0.5M 농도의 250ml NaOH에 분산시킨 후, 물 중탕으로 16시간 동안 교반하며 진행하였고, 제조되는 규소수의 Ca, Mg, K, Na, Si 함량을 측정하여 비교하여 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
Figure PCTKR2019018531-appb-I000006
용해된 규조들을 건조시키고 증류수(125ml)를 넣어 용해시킨 후 농도가 2배가 되도록 농축하였다. 상기 표에 따라 규소 함량을 비교해 보면, 0.1M NaOH에서는 4배 농축시에도 규소함량에 변화가 나타나지 않았으나, 0.5M NaOH에서는 2배, 4배, 8배, 16배 농축시 규소함량이 약 2배씩 증가하는 것으로 보아, 0.5M NaOH에서 충분한 화학적 용해가 이루어지고 있다는 사실을 알 수 있고, 또한 규소 이외에도 Ca, K, Mg, Na 등 다양한 미네랄이 검출되는 것을 확인하였다.

Claims (12)

  1. (S1) 규조류(diatom) 유래 실리카(SiO2) 분말을 과산화수소수(H2O2)와 혼합하는 단계;
    (S2) 상기 과산화수소수를 증발시키는 단계;
    (S3) 상기 과산화수소수 증발 후 남은 실리카 분말을 분쇄하는 단계;
    (S4) 상기 분쇄된 실리카 분말을 증류수에 용해하는 단계;
    를 통한 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 그라인드(grind) 분쇄를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식(dry) 플라즈마 처리를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 음파(sonication) 처리를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 Air 플라즈마 처리를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 그라인드 분쇄 후 건식 플라즈마 처리를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식 플라즈마 처리, 그라인드 분쇄, Air 플라즈마 처리가 차례로 이루어지는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (S3) 실리카 분말 분쇄는 건식 플라즈마 처리, 그라인드 분쇄, Air 플라즈마 처리, 음파처리가 차례로 이루어지는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  9. 제3항, 제6항, 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 건식 플라즈마 처리는 170분 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  10. 제4항 또는 제8항에 있어서, 상기 음파 처리는 20% amplitude로 5 초간 pulse를 가하고 10 초간 멈추는 방식으로 30분 또는 60분의 pulse를 가하는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  11. 제2항 내지 제8항에 있어서, 분쇄된 실리카 분말을 NaOH에 분산시킨 후, 물 중탕으로 16시간 동안 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 NaOH의 농도는 0.5M인 것을 특징으로 하는 규조류 유래 실리카로부터 수용성 규소의 분리정제방법.
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