KR100746822B1 - 바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 이용한토양개량제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 식물이 양호하게 생육할 수 있도록 하는 토양개량제에 관한 발명으로 구체적으로는 바텀애쉬(Bottom ash; BA)와 경량기포콘크리트(Autoclaved Lightweight Concrete; ALC) 및 점토를 혼합하여 과립화(granulation)한 후 건조 및 소성하여 제조된 무기성분의 토양개량제 및 상기 무기성분의 토양개량제에 이탄, 축분, 음식물쓰레기, 수피톱밥, 유박, 미강 등의 유기성분을 혼합 및 발효시켜 제조된 유ㆍ무기 혼합 토양개량제에 관한 것이다.

본 발명에 따른 토양개량제는 바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 혼합하여 작물재배에 알맞게 과립형으로 제조되어 토양에 시비가 용이하고 입상의 알카리 성분으로 산성토양을 급속적이면서도 지속적으로 중성화시키는 토양개량제로 토양의 공극율과 흡착력을 증가시키고 탈취력이 뛰어나며 자체에 풍부한 산소함유량으로 정화작용이 우수하여 식물생육촉진에 도움이 되는 미생물 증식에 적합하도록 수분 및 양분을 함유하는 효과가 있다. 또한 처리에 많은 비용이 소요되는 폐자원을 재활용하여 국가경제적인 측면에서도 크게 기여할 수 있을뿐더러 폐자원에 대한 환경오염을 방지하는 측면에서도 지대한 효과를 가진다.

토양개량제, 경량기포콘크리트, 바텀애쉬, 점토, 이탄, ALC, BA, peatmoss

Description

바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 이용한 토양개량제{A soil conditioner using bottom ash, used autoclaved lightweight concrete, and clay}

본 발명은 각종 식물이 양호하게 생육할 수 있도록 하는 토양개량제에 관한 발명으로 구체적으로는 바텀애쉬(Bottom ash; BA)와 경량기포콘크리트(Autoclaved Lightweight Concrete; ALC) 및 점토를 혼합하여 과립화(granulation)한 후 건조 및 소성하여 제조된 무기성분의 토양개량제 및 상기 무기성분의 토양개량제에 축분, 음식물쓰레기, 수피톱밥, 유박, 미강 등의 유기성분을 혼합 및 발효시켜 제조하거나 상기 무기성분 토양개량제에 이탄(peatmoss)을 혼합하여 과립화한 유ㆍ무기 혼합 토양개량제에 관한 것이다.

석탄재(Coal ash)는 주로 화력발전소에서 연료로 사용되는 석탄을 고온(1200℃ 이상)에서 연소시킨 후에 발생되는 폐기물로서 석탄재는 화산재처럼 포졸란 특성을 가지는 후라이애쉬(Fly-ash)와 화산쇄설물과 유사한 특성을 가지는 바텀애쉬(Bottom ash)로 나눌 수 있다.

바텀애쉬는 화력발전소에서 석탄의 연소시 노벽 등에 부착되어 있다가 자체 무게에 의하여 보일러 바닥에 떨어진 후 수집되며 입경은 약 1 내지 40mm이상 까지 다양하게 분포되어 있다. 강한 강도와 반영구적인 재질특성을 가진 바텀애쉬는 천연골재의 대체자원으로서 적합한 재료이며 자체에 수많은 기공을 가지고 있으며, 식물성장에 도움이 되는 다량의 미네랄 성분을 함유하고 있다.

한편, 경량기포콘크리트는 규석ㆍ규사, 생석회, 시멘트, 알미늄, 물 등의 재료를 사용하여 만드는 것으로, 그 제조공정에서 수소가스 혹은 공기, 수증기, 수분의 작용에 따라 고체 중에 공극이 형성된 구조를 갖고 있다.

경량기포콘크리트의 고체 부분은 토벌모라이트(Tobermorite)를 주성분으로 하여 원료 중에 미반응 물질, 이를테면 석영의 입자 등을 포함하고 있다. 공극은 크기와 물리적 성질에 따라 기포와 세공으로 구분할 수 있다. 기포는 발포제나 기포제의 움직임에 따른 수소가스나 공기의 위치에 따라 생기는 것으로 구형의 독립공이고, 나머지 공극은 기포와 기포 사이에 벽을 형성하는 고체속에 있는 세공으로 가는 모세관 모양으로 연속되어 있다.

이와 같이 경량기포콘크리트는 공극율 80% 내외의 다공질인 바, 통기성과 흡수성이 좋다. 그리고 단열 및 방음 성능이 뛰어나 현재 건축물의 경량고층화와 불연성화에 유효하게 사용되고 있다.

경량기포콘크리트는 그 제조방법에 따라 크게 석회베이스와 시멘트베이스로 분류될 수 있으며, 그 구성 성분을 살펴보면 규산질 비료가 될 수 있는 규소와 석회, 마그네슘, 칼슘, 철, 알루미늄 등으로 조성되어 있으며, 여기에 식물의 생육에 필요한 필수원소가 포함되어 있기 때문에 최근에는 이들의 폐기물을 일반폐기물로 처리하기 보다는 토량개량제나 규산질 비료로 재활용하려는 노력이 계속되고 있다.

한편 점토는 지름이 0.004mm 이하인 미세한 흙입자를 말한다. 암석이 풍화 분해되면, 주로 규소ㆍ알루미늄과 물이 결합하여 점토광물이 이루어진다. 점토는 모래나 실트에 비해서 단위 무게당 표면적이 훨씬 넓으므로 토양 중에서는 부식(腐植)과 함께 가장 활동적인 부분이며 수분 및 양분의 보유력이 강하다. 점토 함량이 높은 토양을 식토(埴土)라 한다.

대한민국 공개특허 제1999-0034842호에서는 경량기포콘크리트의 입자 표면에 유기질 함유 물질을 코팅한 데에 그 특징이 있는 표면개질 경량기포콘크리트가 개시되어 있다. 그러나 상기 특허에서는 유기물질 함유 물질을 경량기포콘크리트 표면에 코팅하기 위하여 전착제로 녹말 등을 이용하는 방법이 개시되어 있으나 코팅이 균일하게 잘 이루어지지 않으며 코팅에 의해 경량기포콘크리트 자체의 효과가 제대로 발현되기 어려운 문제점이 있다.

상술한 바와 같이 석탄재로서 다량 발생하는 바텀애쉬는 저렴하고 무기질 및 기공을 많이 함유하고 있으나 겉보기 비중이 낮아 비산되는 현상에 의해 자체로는 토양에 시비하는 것이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 석탄재로서 다량 발생하는 바텀애쉬를 이용한 식생 효과를 갖는 토양개량제를 제공하는 데 목적이 있다. 즉 바텀애쉬를 활용하되 바텀애쉬가 가지 고 있는 문제점을 개선하기 위하여 상대적으로 비중 및 경도가 높으며 규산질 성분을 다량 함유하고 있는 폐경량기포콘크리트를 혼합하고 점토를 적절한 비율로 혼합하여 과립화(granulation)함으로써 토양에 시비가 용이하도록 하였다.

바텀애쉬는 자체에 수많은 기공을 가지고 있고 식물성장에 도움이 되는 다량의 미네랄 성분을 함유하고 있으며 이를 폐경량기포콘크리트와 혼합하여 사용하는 경우 폐경량기포콘크리트에 함유되어 있는 규산성분에 의한 규산질 비료 효과와 더불어서 산성토양을 급속적이면서도 지속적으로 중화시키고, 식물 생장에 도움이 되는 효소성분이 농축되어 미생물의 증식 등에 매우 우수한 효과를 나타내었다. 폐경량기포콘크리트 만을 사용하는 경우 비용이 증가하게 되는데 바텀애쉬를 혼합하여 사용하면 우수한 효과를 나타내면서도 비용을 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 성분 외에 점토를 혼합하여 제조하는 경우 바텀애쉬와 폐경량기포콘크리트와의 혼화성이 향상되고 시비가 용이한 과립형으로 제조할 수 있게 된다. 또한 점토의 함량을 적절히 조절하면 식물 생육 및 미생물 증식에 적합한 정도로 수분 및 양분을 함유하게 되어 토양개량제로서 더욱 우수한 특성을 나타내었다.

따라서, 본 발명은 과립형으로 제조되어 토양에 시비가 용이하고 식물 생장, 토양의 중성화 및 식물 생장에 도움이 되는 미생물의 증식 등에 유리하며 제조비용이 저렴한 과립형 토양개량제를 제공하는데 보다 구체적인 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 바텀애쉬, 폐경량기포콘크리 트, 점토 및 물을 적절한 혼합비로 혼합하고 과립화한 후 건조 및 소성하여 제조된 토양개량제 및 이의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 혼합하여 제조한 무기성분 토양개량제에 축분 또는 음식물쓰레기를 더 혼합하고 발효시켜 제조된 토양개량제를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 혼합하여 제조한 무기성분 토양개량제에 이탄(peatmoss)를 더 혼합하고 과립화하여 제조된 토양개량제를 제공한다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가진다.

또한, 종래와 동일한 기술적 구성 및 작용에 대한 반복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 산성화된 토양을 중성화하고 규산질 비료를 공급하며 미생물 증식에 필요한 기공을 함유하고 있어 식물의 생육 및 토양의 개질에 적합한 토양 개량제에 관한 것으로서, 구체적으로는 건조중량기준으로 바텀애쉬 100중량부에 대하여 폐경량기포콘크리트 10 내지 40중량부 및 점토 10 내지 50중량부를 혼합하고 과립화한 후 이를 건조 및 소성하여 제조된 것을 특징으로 한다.

상기 바텀애쉬는 화력발전소에서 발생되는 석탄재의 일종으로 통상 냉각시 염분이 포함된 물, 즉 바닷물을 이용하기 때문에 이를 바로 원료로 적용하는 것은 바람직하지 못하다. 따라서 소정의 제염공정으로 염 성분을 제거한 것을 사용하는 것이 좋다. 담수로 바텀애쉬를 냉각한 경우에는 바로 적용이 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 토양개량제의 제조에 사용되는 바텀애쉬는 염분이 없고 입경이 0.1 내지 2mm 로 선별된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 미량의 염분은 잡초 또는 해충방제 효과가 있기 때문에 허용기준치 이하의 염분을 포함하는 바텀애쉬를 사용하여도 무방하다. 상기 입경이 0.1mm 미만인 경우에는 미분말이라 비산현상이 발생하며 2mm를 초과하는 경우에는 다른 성분과 혼합하여 과립화하는 공정이 어려워진다. 바텀애쉬 자체에 수분이 25 내지 35중량%를 함유하는 것이 후속 공정에서 다른 성분과의 혼화성 측면에서 보다 유리하다.

본 발명에 따른 토양개량제에 사용되는 폐경량기포콘크리트는 경량기포콘크리트 제조과정의 폐기물로 발생하는 것으로서 입경 0.01 내지 2mm의 분말상인 것이 바람직한데, 이는 상기 입경이 0.01mm 미만인 경우에는 미분말이라 취급이 용이하지 않고, 상기 입경이 2mm를 초과하는 경우에는 입경이 너무 커서 다른 성분과의 혼합이 잘 이루어지지 않게 된다. 또한 폐경량기포콘크리트에는 가용성 규산 성분이 15내지 40중량% 이고 CaO 성분이 20 내지 30중량%인 것이 바람직하다. 이외에도 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, P₂O₅, MgO 성분을 함유하고 있다. 상기 가용성 규산 성분은 규산질 비료로서 작용하는 것으로서 상기 함량이 40중량%보다 많은 경우에는 다른 무기질 성분의 비율이 감소하고 제조비용이 증가하게 되며, 상기 함량이 15중량% 미만 인 경우에는 규산질 비료 효과가 미미할 수 있어 바람직하지 못하다. 폐경량기포콘크리트는 바텀애쉬 100중량부에 대하여 10 내지 40중량부를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 폐경량기포콘크리트의 함량이 10중량부 미만으로 적은 경우에는 규산질 비료의 효과가 미미하고, 상기 함량이 40중량부를 초과하여 너무 많은 경우에는 비용이 증가하는 문제점이 있기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 토양개량제에 함유되는 점토는 0.001mm이하의 미세한 흙입자로서 수분 및 양분의 보유력이 우수하고 상기 바텀애쉬 및 폐경량기포콘크리트와의 혼합이 잘 이루어져서 토양개량제를 과립상으로 제조할 수 있도록 해준다. 즉, 점토를 사용하지 않는 경우에는 바텀애쉬와 폐경량기포콘크리트가 제대로 혼합이 않아 각각이 되므로 폐경량기포콘크리트의 규산 성분이 토양개량제 전체에 고른 분포를 나타내기 어렵고 바텀애쉬의 무기질 성분 또한 고른 분포를 나타내기 어렵다. 점토의 성분과 바텀애쉬 및 폐경량기포콘크리트 내 함유된 CaO 성분은 수분의 존재하에 포졸란 반응에 의해 보다 강한 결합을 하게 됨으로써 혼화성이 좋아지게 된다. 또한, 과립화된 후 경화된 토양개량제는 소성과정을 거치면서 점토 및 바텀애쉬 등에 포함된 수분이 제거되어 기공을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 기공은 수분 및 양분을 보유하거나 배출하는 역할을 하며 토양개량제에 높은 표면적을 부여함으로써 함유된 규산 및 무기질 성분의 방출 효과가 우수하게 된다. 점토는 바텀애쉬 100중량부에 대하여 10 내지 50중량부를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 점토의 함량이 10중량부 미만으로 적은 경우에는 혼화성이 좋지 않고, 상기 함량이 50중량부를 초과하여 너무 많은 경우에는 토양개량제에 함유되는 다른 성분의 함량 이 상대적으로 감소하여 식생효과가 다소 저하될 수 있기 때문이다.

상기 바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 혼합하는 경우에 혼합물 전체 중량에 대하여 수분 함량이 10 내지 30중량%가 되도록 조절하는 것이 바람직하다. 상기 함량을 벗어나는 경우 0.1 내지 3mm 입경을 갖는 과립상으로 제조하기 어렵게 된다.

바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 혼합하고 과립화하는 공정은 통상적인 방법에 의하여 이루어질 수 있으며 그 방법에 제한을 둘 필요는 없으나 혼합기로는 브이-믹서(V-mixer)나 하이스피드믹서(high speed mixer)등을 사용하여 혼합과 동시에 과립을 형성할 수 있는 것이 보다 바람직하다. 상기 과립의 크기는 비료공정 규격인 3.35mm의 체를 전량 통과하여야 하며 바람직하게는 입경 0.1 내지 3mm, 보다 바람직하게는 1mm 내지 3mm로 조절하는 것이 좋다. 상기 과립의 입경이 0.1mm 미만인 경우에는 토양에 시비하는 경우 날리거나 시비 후 빗물에 씻기는 문제점이 발생할 수 있으며, 일정기간 동안 지속적으로 효과를 가지기 어렵게 된다. 또한 상기 입경이 3mm를 초과하는 경우에는 토양에 고른 효과를 나타내도록 하기 어렵게 된다.

과립화된 토양개량제는 건조 및 소성 과정을 거치는데, 상기 건조는 통상적인 건조 방법이 사용될 수 있으며, 예를 들면 벨트 건조기를 사용하여 건조 공정을 진행할 수 있다. 건조 공정은 50 내지 150℃ 정도 온도가 적합하고 상기 온도 범위에서 수분을 제거한 후 소성 공정을 진행한다. 소성 온도는 200 내지 600℃가 적합하다. 상기 온도 이하의 경우 수분이 완전히 제거되지 않거나 가열에 의해 균질화 되는 효과가 미미하고 상기 온도보다 높은 경우에는 더 이상의 효과의 증가가 미미하여 경제적인 면에서 불리할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 토양개량제는 바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 혼합하여 제조한 무기성분 토양개량제 100중량부에 대하여 축분, 음식물쓰레기, 수피톱밥, 유박 또는 미강으로부터 선택되는 1종 이상의 유기성분 70 내지 200중량부를 혼합하고 발효시켜 제조함으로써 유기성분을 함유하는 토양개량제를 제조할 수 있다. 즉, 축분, 음식물쓰레기 등을 이용한 부산물비료나 순식물성 재료인 미강 또는 유박을 이용한 유기복합비료를 제조할 수 있으며, 순식물성 미강 또는 유박을 배합하는 경우 종래의 혼합 유박 비료의 부족한 양분들을 보충하여 줌으로써 화학비료나 미량요소를 추가할 필요없이 지속적으로 영양공급이 가능한 친환경 유기질 복합 비료를 제조할 수 있다.

상기 유기성분을 토양개량제에 배합 시 수분함량 10 내지 30중량%이 되도록 조절한다. 상기 발효는 상온 내지 50도 정도의 온도에서 50 ~ 60일간 두는 경우에 자연 발효가 이루어지고, 필요에 따라서는 식물 생육에 도움이 되는 미생물을 더 첨가할 수 있다. 상기 미생물의 예로는 바실러스 튜링겐시스(Bacillus thuringiensis), 바실러스 섭칠리스(Bacillus subtilis), 바실러스 센레우스 등의 바실러스 종, 슈도모나스 플로레센스, 슈도모나스 글라리볼라이, 슈도모나스 세파시아 등의 슈도모나스(pueudominas)종, 마이크로코커스(Micrococcus)종, 락토바실러스(Lactobacillus)종, 에스포르킬러스(Asporgillus)종, 클로스트리듐(Clostridium)종 등이 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

또한, 상기 유기성분으로 이탄을 사용할 수 있는데, 이탄은 피트모스(Peat Moss)라고도 하며 수천 ~ 수만년 전 소택지(늪지대)에서 생성된 유기광물로 화본과 주로 이끼, 수초 및 갈대류와 같은 식물 또는 소나무, 자작나무 등 수목질의 유체가 분지에 퇴적되어 생화학적으로 분해, 변질된 천연 유기질 성분이다. 이탄은 수분 및 비료성분에 대한 보유력이 뛰어나 농업, 원예 분야에 사용되어 왔다. 본 발명에서는바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 혼합하여 제조한 무기성분 토양개량제 100중량부에 대하여 이탄 10 내지 50중량부를 혼합한 후 혼합물 전체 중량에 대하여 수분을 10 내지 30중량%로 조절한 후 과립화하여 제조된 토양개량제를 포함한다. 수분 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우 0.1 내지 3mm 입경을 갖는 과립상으로 제조하기 어렵게 된다. 상기 과립화는 브이-믹서(V-mixer)나 하이스피드믹서(high speed mixer)등을 사용하여 혼합과 동시에 과립을 형성할 수 있는 것이 보다 바람직하다.

아래에 실시예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

염분이 거의 없고 수분 함량이 30중량%인 바텀애쉬(입경 0.1~0.8mm)((주)서 부발전 태안화력본부) 10kg, 가용성 규산함량이 15중량%(0.5N HCL 가용 SiO₂)이고, CaO 함량이 28중량%인 입경 0.01 ~ 1mm인 폐경량기포콘크리트(벽산 ALC) 1kg, 및 입경 0.004mm이하 점토분말 2kg을 V-믹서에 투입한 후 물 1kg을 투입하여 직경 2 ± 0.5mm 크기를 갖는 과립상 혼합물을 제조하였다. 상기 과립상 혼합물을 벨트형 건조기에서 60 ℃ 정도로 수분함량이 10중량%가 되도록 건조한 후 소성로에 투입하여 400℃에서 1시간 소성하여 과립형 토양개량제를 제조하였다.

<실시예 2>

실시예 1에서 제조한 과립형 토양개량제 5kg에 대하여 수분함량이 30중량%인 축분을 7kg 혼합하고 상온에서 10일간 발효시켜 유기물질을 함유한 토양개량제를 제조하였다.

<실시예 3>

실시예 1에서 제조한 과립형 토양개량제 5kg에 대하여 유박 2kg, 미강 3kg 및 바실러스 튜링겐시스(Bacillus thuringiensis) 100g을 혼합하고 수분 함량이 전체 중량에 대하여 20중량%가 되도록 수분을 가한 후 상온에서 10일간 발효시켜 유기물질을 함유한 토양개량제를 제조하였다.

<시험예>

잔디가 심어져 있는 일반 토양에 실시예 1에서 제조한 토양개량제를 1주일마다 0.2kg/m²의 양으로 시비하고 다른 조건은 동일하게 3개월 동안 진행하여 토양개량제를 시비하지 않은 잔디와 토양개량제를 시비한 잔디의 생육상태를 비교 평가하였다.

3개월 경과 후 토양개량제를 시비한 잔디가 토양개량제를 시비하지 않은 잔디에 비해서 평균 10% 정도 길이 생장이 우수하였다.

본 발명에 따른 토양개량제는 바텀애쉬, 폐경량기포콘크리트 및 점토를 혼합하여 과립형으로 제조되어 토양에 시비가 용이하고 식물 생장, 토양의 중성화 및 식물 생장에 도움이 되는 미생물의 증식 등에 유리하며 식물 생장 및 미생물 증식에 적합한 정도로 수분 및 양분을 함유하는 효과가 있다. 또한 폐자원을 활용함으로써 폐자원에 대한 환경 오염을 막는 효과도 가진다.

Claims (8)

1. 건조중량 기준으로 바텀애쉬 100중량부에 대하여 폐경량기포콘크리트 10 내지 40중량부 및 점토 10 내지 50중량부 혼합하고 과립화한 후 건조 및 소성하여 제조된 것을 특징으로 하는 토양개량제.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 혼합시 혼합물 전체 중량에 대하여 수분을 10 내지 30중량%로 조절하는것을 특징으로 하는 토양개량제.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 바텀애쉬는 염분이 없고 20 내지 30중량%의 수분을 함유하며 입경이 0.1 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 토양개량제.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 폐경량기포콘크리트는 가용성 규산 성분을 15 내지 40중량%로 함유하며 입경이 0.01 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 토양개량제.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 토양개량제는 0.1 내지 3mm의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 토양개량제.
6. 제 5 항에 있어서,

   브이-믹서 또는 하이스피드 믹서를 사용하여 혼합 및 과립화를 동시에 진행하는 것을 특징으로 하는 토양개량제.
7. 제 1항에 있어서,

   제조된 토양개량제 100중량부에 대하여 축분, 음식물쓰레기, 수피톱밥, 유박 또는 미강으로부터 선택되는 1종 이상의 유기성분 70 내지 200중량부를 혼합한 후 발효하여 제조된 것을 특징으로 하는 토양 개량제.
8. 제 1항에 있어서,

   제조된 토양개량제 100중량부에 대하여 이탄 10 내지 50중량부를 혼합한 후 혼합물 전체 중량에 대하여 수분을 10 내지 30 중량%로 조절하고 과립화하여 제조된 것을 특징으로 하는 토양 개량제.