KR100829438B1 - 토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료조성물, 및 이를 이용하여 토양에서 메탄가스 발생을저감하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ⅰ) 고로슬래그 50~95중량%; 및, ⅱ) 제강슬래그, 석고, 인산석고, 석탄회 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 전자수용체(electron acceptor) 성분 5~50중량%를 포함하는, 토양에서 메탄(methane, CH₄)가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물, 및 상기 규산질 비료 조성물을 농작물 재배 토양에 시용하여 메탄가스 발생을 저감하는 방법에 관한 것으로서, 광재 규산질 비료의 주원료로 사용되고 있는 고로슬래그에 전자수용체로 작용하는 하나 이상의 성분을 적절한 비율로 배합하여 시용함으로써, 농작물의 생육을 촉진하여 수량을 증진시키는 규산질 비료로서의 효과를 충분히 나타냄과 동시에, 토양 내 활성전자(active electron)의 활성을 감소시켜 메탄생성균(methanogens)의 활성을 억제하여 메탄가스 발생을 효과적으로 저감할 수 있다.

메탄가스, 규산질 비료, 논, 벼, 고로슬래그, 제강슬래그, 석고, 인산석고, 석탄회

Description

토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물, 및 이를 이용하여 토양에서 메탄가스 발생을 저감하는 방법{Silicate fertilizer compositions for suppressing methane gas emission in soil, and methods for suppressing methane gas emission in soil using the same}

본 발명은 토양에서 메탄(methane, CH₄)가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물 및 이를 이용하여 토양에서 메탄가스 발생을 저감하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고로슬래그(blast-furnace slag) 및 전자수용체(electron acceptor)로 작용하는 하나 이상의 성분을 포함하는, 토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물 및 상기 규산질 비료 조성물을 농작물 재배 토양에 시용(施用)하여 메탄가스 발생을 저감하는 방법에 관한 것이다.

규소(Si)는 토양을 구성하는 주성분으로 식물에 대해 필수원소로 분류되고 있지는 않지만, 화본과 식물에 대해서는 다량 요구되는 성분이다. 특히 우리나라의 주곡작물인 벼 식물체 내에는 5~10중량%의 규산(SiO₂)이 포함되어 있으며, 벼의 수광성을 향상시켜 수량성과 질소 이용률을 향상시키는 등 다양한 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 이외에도 규산은 벼의 내도복성과 내병성을 향상시키는 등 불량한 자연환경에 대한 저항성을 향상시키는 효과가 있는 것으로 보고되어 있다. 벼 이외에도 보리와 같은 벼과식물은 규산을 다량으로 흡수하는 것으로 알려져 있으며, 사탕수수, 옥수수, 딸기 등과 같은 다른 식물들에서도 줄기나 잎의 골격 형성에 규산이 매우 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

이에 따라, 벼를 재배하는 과정 중 규산을 공급하기 위해 다양한 형태의 규산질 비료가 개발되어 활용되고 있다. 특히 제철소에서 나오는 부산물인 슬래그(광재(鑛滓))가 규산질 비료로 유용하게 사용되면서부터 규산질 비료의 사용이 크게 확대되고 일반화되었다. 철강슬래그에는 선철 제조과정에서 생성되는 고로슬래그와, 강의 제조과정에서 생성되는 제강슬래그가 있다. 고로슬래그는 냉각방법의 차이에 따라 다시 고로서냉슬래그와 고로수쇄슬래그로 나누어지고, 제강슬래그는 강의 제조방법의 차이에 따라 전로슬래그와 전기로슬래그로 나누어진다. 철강슬래그의 화학성분은 아래 표 1에 나타낸 바와 같다.

고로슬래그는 주로 포항, 광양제철에서 연간 800만 톤 발생되며 도로확·포장, 콘크리트용 조골재, 토공용재, 지반개량용재, 시멘트 원료, 규산석회 비료 등으로 거의 100% 재활용되고 있다. 그러나 제강슬래그는 국내 철강회사에서 연간 450만 톤 발생되나 슬래그 내에 미량의 유황성분이 함유되고 유리석회 함유로 골재 팽창률이 크며, 파쇄 시 골재형상이 각이 져서 도로확·포장용, 성토·매립토공용, 연약지반 개량용으로 40~50% 재활용 수준에 불과하다.

한편, 논에서 벼는 담수상태로 재배되기 때문에 벼 재배과정 중 유기물이 분해되면서 상당량의 메탄이 발생하게 된다. 우리나라 농경지의 약 60%가 논이고, 담수상태의 논에서 상당량 발생되는 메탄은 이산화탄소(CO₂)에 비해 한 분자가 갖는 지구 온난화 유발 잠재성(global warming potential)이 약 24배 높은 것으로 알려져 있다. 지구의 온난화 문제가 심각해지고 기후협약 등을 통해 온난화 가스 발생량 저감에 대한 국제적 압력이 커지고 있는 시점에서, 논에서 메탄 발생량 저감을 위한 대책 수립이 절실히 필요한 실정이다.

벼 재배과정 중 논에서 메탄 발생을 효과적으로 저감할 수 있는 방법 중 한 가지는 담수에 따른 환원상태 발달로 증가하는 활성전자(active electron)의 양을 효과적으로 감소시켜 메탄생성균(methanogens)의 활성을 억제하는 것이다. 활성전자는 전자수용체 첨가를 통해 그 활성을 효과적으로 억제할 수 있다. 벼 재배과정 중 논토양에서 적용가능한 전자수용체로는 Fe³⁺, Mn⁴⁺, SO₄ ^2-, NO₃ ^- 이온 등을 들 수 있으며, 이러한 전자수용체를 다량 함유하고 있는 토양개량제 사용을 통해 메탄 발생을 효과적으로 줄일 수 있을 것이다.

그러나 현재까지 생산되고 있는 광재 규산질 비료는 벼의 생육과 수량을 증진시키는데 목적을 두고 개발되어왔다. 일본공개특허 제2005-177646호(2005. 7. 7 공개)는 유기물을 함유하는 저니(底泥)가 침적된 수저(水底)를 고로수쇄슬래그로 피복하여 간극수의 pH가 8 이상이 되는 호기성 피복층을 형성하여, 수저에서 메탄가스 발생을 방지하는 방법을 개시한 바 있다. 그러나 고로슬래그는 전자수용체가 될 수 있는 무기이온을 미량(철 1%, 산화망간 0.5%, 황산이온 2% 이하) 함유하고 있어, 광재 규산질 비료의 주원료로서 토양에 시용하는 경우 메탄 발생 저감효과는 거의 거둘 수 없다. 따라서 현재 논토양 개량을 위해 국가적으로 공급하고 있는 광재 규산질 비료를 적절하게 개선하여, 메탄가스 발생을 효과적으로 저감할 수 있는 방법을 개발하는 것이 절실히 요청되고 있다.

본 발명자들은 상기한 바와 같이 종래 광재 규산질 비료가 갖는 효과, 즉 벼의 생육 및 수량 증대효과 이외에 벼 재배과정 중 생성되는 메탄가스의 발생을 효과적으로 저감할 수 있는 새로운 기능성 규산질 비료를 개발해내기 위하여 지속적인 연구를 수행하였다. 그 결과, 기존 규산질 비료 제조에 이용되는 고로슬래그에 전자수용체로 작용하는 하나 이상의 성분을 적절히 배합함으로써 상기 목적을 성공적으로 달성할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서 본 발명의 목적은 토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 규산질 비료 조성물을 벼를 비롯한 농작물 재배 토양에 시용하여 메탄가스 발생을 저감하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 제1면은

ⅰ) 고로슬래그 50~95중량%; 및,

ⅱ) 제강슬래그, 석고, 인산석고, 석탄회 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 전자수용체 성분 5~50중량%:

를 포함하는, 토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 제2면은 상기 규산질 비료 조성물을 농작물 재배 토양에 시용하여 메탄가스 발생을 저감하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법에서, 규산질 비료 조성물을 벼 이앙 전 논토양에 1~50 톤/ha로 시용하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 규산질 비료의 주원료가 되고 있는 고로슬래그에 전자수용체로 작용하는 하나 이상의 성분을 적절히 배합하여 지구 온난화 유발 가스 중 하나인 메탄의 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 기능성 규산질 비료의 제조에 관한 것이다.

현재 광재 규산질 비료의 주원료가 되고 있는 고로슬래그는 상기 표 1에 나타낸 바와 같은 화학적 조성을 갖는다. 상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 고로슬래그 내에는 전자수용체가 될 수 있는 성분이 미량으로(철 1중량%, 산화망간 0.5중량%, 황산이온 2중량% 이하) 존재하기 때문에, 벼를 비롯한 농작물 재배과정 중 메탄의 발생을 억제할 수 있는 능력이 거의 없다. 이에 비해, 제강슬래그는 철 16중량%, 산화망간 5.4중량%를 포함하고 있으며, 특히 슬래그가 초고온 상태에서 생성되므로 철이 산화제2철(Fe₂O₃) 형태로 존재하기 때문에, 농작물 재배과정 중 토양에서 생성되는 활성전자의 활성을 억제하는 능력이 높아 메탄 발생의 억제효과가 높은 것으로 확인되었다. 그러나 제강슬래그는 규산(SiO₂)의 함량이 평균 14중량%로 비교적 낮아 규산질 비료로서의 효과가 낮고, 다량의 철을 포함하고 있어 토양에 과량 사용 시 철 독성을 유발할 우려가 있다. 따라서 메탄 발생을 저감하기 위하여 제강슬래그를 단독으로 모든 유형의 토양에 직접 적용하는 것은 다소 위험성을 내포하고 있다.

이에, 본 발명에서는 두 가지 슬래그(고로슬래그와 제강슬래그)의 단점을 보완하고, 규산질 비료 효과와 메탄가스 발생 저감 효과를 동시에 거두기 위하여, 두 가지 슬래그를 일정비율로 배합하고, 벼 이앙 전 논토양에 처리한 후 벼의 생육 및 수량특성, 메탄 발생량과 메탄 발생 억제효과를 조사하였다. 그 결과, 고로슬래그와 제강슬래그를 각각 50~95중량% 및 5~50중량%로 배합하여 시용하는 경우, 논에서 벼의 생육을 촉진하고 수량을 증진시키는 규산질 비료 효과를 충분히 나타냄과 동시에, Fe³⁺ 이온을 다량 함유하여 벼 재배과정 중 논토양에 전자수용체를 효과적으로 공급함으로써 메탄 발생을 30~60% 가량 저감하는 효과를 거둘 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 발명의 일 태양(態樣)은 고로슬래그 50~95중량% 및 제강슬래그 5~50중량%를 포함하는, 토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물을 제공한다.

본 발명에 있어서, 제강슬래그는 전자수용체로 작용할 수 있는 다른 물질, 예를 들어 석고(CaSO₄·2H₂O), 인산석고 또는 석탄회로 대체가능한 것으로 확인된 바, 본 발명의 다른 태양은 고로슬래그 50~95중량%, 및 석고, 인산석고 또는 석탄회 5~50중량%를 포함하는, 토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물을 제공한다.

본 발명에 따른 조성물에서 전자수용체로 작용하는 제강슬래그, 석고, 인산석고 및 석탄회는 각각 단독으로 포함되거나, 두 가지 이상 성분의 혼합물로 포함될 수 있다. 따라서 본 발명의 조성물은

ⅰ) 고로슬래그 50~95중량%; 및,

ⅱ) 제강슬래그, 석고, 인산석고 및/또는 석탄회 5~50중량%:

를 포함한다.

본 발명의 조성물은 상기 ⅰ) 성분 50~90중량% 및 상기 ⅱ) 성분 10~50중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 조성물은 상기 성분들 이외에도 비료 제조 시 통상적으로 사용되는 하나 이상의 성분을 추가로 포함할 수 있으며, 본 발명에 따른 규산질 비료 효과 및 메탄 발생 저감 효과에 부정적인 영향을 미치지 않는 한, 포함되는 성분의 종류에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 이러한 성분들은 비료 제조 시 통상적으로 사용되는 함량 범위로 사용될 수 있으며, 그 사용량에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.

본 발명의 조성물은 분말(powder) 상태로 시용되거나, 당업계에 공지된 통상의 방법에 따라 조립(granulate)되어 시용될 수 있는 바, 예를 들어 수계 전분에 알칼리를 첨가한 후 약 100 ℃에서 호화된 결합제를 사용하거나, 조개껍질 분쇄물을 5중량% 이상 혼합하거나, 분말원료를 결합제로서 소량의 수성 아크릴 에멀젼 수지 또는 스티렌부타디엔 공중합계 에멀젼 수지와 같은 유기질 폴리머를 사용하여 조립할 수 있다. 또한, 황산, 인산과 같은 산을 이용하여 pH 3.5~8.0으로 중화하여 시용할 수 있다.

본 발명의 제2면은 상기 규산질 비료 조성물을 농작물 재배 토양에 시용하여 메탄가스 발생을 저감하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법에서, 규산질 비료 조성물을 벼 이앙 전 논토양에 1~50 톤/ha로 시용하는 것이 보다 바람직하다. 본 발명에서, 규산질 비료의 시용방법에는 특별한 제한이 있는 것은 아니며, 기계적 산포 등의 통상적 방법 중 어느 것이나 사용할 수 있다.

이하 본 발명을 실시 예에 의해 보다 구체적으로 설명하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1: 기능성 규산질 비료의 제조

아래 표 2에 나타낸 바와 같이, 고로슬래그와 제강슬래그를 다양한 배합비율로 배합하고, 벼 이앙 전에 논토양에 4 톤/ha의 양으로 처리한 후 벼의 생육 및 수 량특성, 메탄 발생량 및 발생 억제 효과를 조사하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

¹⁾ 벼 엽록소 함량

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 고로슬래그에 대해 제강슬래그를 0~50중량% 미만으로 배합하여 시용한 경우에는, 벼의 생육특성과 수량이 규산질 비료 무처리구(NPK)에 비해 다소 개선되었다. 규산 무처리구의 정조수량은 5852 ㎏/ha이었으며, 고로슬래그만을 시용한 경우 약 8%의 정조수량 증수효과가 있었다. 제강슬래그의 배합비율이 증가함에 따라 수량 증수효과는 다소 감소하는 경향을 나타내었으며, 두 슬래그를 50중량%씩 배합 처리한 경우 규산 무처리구(NPK)와 동일한 수준의 정조수량(5878 ㎏/ha)을 얻을 수 있었다. 반면, 제강슬래그만을 처리한 경우에는 벼의 정조수량이 약 15% 감소되었다.

벼의 생육 및 수량특성과는 달리, 벼 재배기간 동안 발생되는 메탄가스의 총 발생량은 제강슬래그의 배합비율이 증가함에 따라 크게 감소되었다. 즉, 규산 무처리구에서 총 메탄 발생량은 107.6 ㎏/ha였으며, 고로슬래그 처리 시 메탄 발생량이 약 10% 감소되었다. 제강슬래그의 배합비율이 증가함에 따라 메탄 발생량은 큰 폭으로 감소하여 두 슬래그를 50중량%씩 배합 처리한 경우 메탄 발생량이 약 40% 감소되었다.

상기 결과를 바탕으로 하여, 고로슬래그 50~90중량%에 제강슬래그를 10~50중량% 배합하여 논에서 벼의 생육을 촉진하고 수량을 증진시킴과 동시에 메탄가스의 발생을 효과적으로 저감할 수 있는 기능성 규산질 비료를 얻을 수 있는 것으로 결론내릴 수 있었다.

실시예 2: 기능성 규산질 비료의 제조

아래 표 3에 나타낸 바와 같이, 고로슬래그 50중량%와 전자수용체 성분 50중량%를 배합하고, 벼 이앙 전에 논토양에 4 톤/ha의 양으로 처리한 후 벼의 생육 및 수량특성, 메탄 발생량 및 발생 억제 효과를 조사하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 고로슬래그 50중량%에 각각 제강슬래그, 석고, 인산석고 및 석탄회 50중량%를 배합하여 시용한 결과, 규산 무처리구(NPK)와 동일한 수준의 정조수량을 얻을 수 있었다. 또한 벼 재배과정 중 메탄가스 발생을 규산 무처리구(NPK)에 비해 약 35~40% 저감할 수 있었다.

상기 결과를 바탕으로 하여, 고로슬래그 50~90중량%에 제강슬래그, 석고, 인산석고 및/또는 석탄회를 10~50중량% 배합하여 논에서 벼의 생육을 촉진하고 수량을 증진시킴과 동시에 메탄가스의 발생을 효과적으로 저감할 수 있는 기능성 규산질 비료를 얻을 수 있는 것으로 결론내릴 수 있었다.

본 발명에 따르면, 광재 규산질 비료의 주원료로 사용되고 있는 고로슬래그 5~50중량%와 전자수용체로 작용하는 제강슬래그, 석고, 인산석고 및/또는 석탄회 50~95중량%를 포함하는 규산질 비료를 농작물 재배 토양에 1~50 톤/ha로 시용함으로써, 농작물의 생육을 촉진하여 수량을 증진시키는 규산질 비료로서의 효과를 충분히 나타냄과 동시에, 토양 내 활성전자의 활성을 감소시켜 메탄가스 발생을 최고 60%까지 저감할 수 있다.

Claims (4)

1. ⅰ) 고로슬래그 50~95중량%; 및,

   ⅱ) 제강슬래그, 인산석고, 석탄회 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 전자수용체 성분 5~50중량%:

   를 포함하는, 토양에서 메탄가스 발생을 저감하기 위한 규산질 비료 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 ⅰ) 성분 50~90중량%와 상기 ⅱ) 성분 10~50중량%를 포함하는 조성물.
3. 제1항 또는 제2항에 따른 규산질 비료 조성물을 농작물 재배 토양에 시용하여 메탄가스 발생을 저감하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 규산질 비료 조성물을 벼 이앙 전 논토양에 1~50 톤/ha로 시용하는 방법.