KR101091519B1

KR101091519B1 - 간수를 농작물재배에 이용하는 방법

Info

Publication number: KR101091519B1
Application number: KR1020080033410A
Authority: KR
Inventors: 서희동
Original assignee: 서희동
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2011-12-13
Also published as: KR20090108139A

Abstract

본 발명은 간수(苦汁)를 농작물재배(農作物栽培)에 이용하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표층해수(表層海水) 또는 해수면(海水面)에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수(海洋深層水)를 취수하여 소금을 생산하면서 부산물(副産物)로 생산된 간수를 농작물재배에 이용하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 표층해수 또는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 취수하여 음료수와 소금을 생산하면서 부산물로 생산되는 간수(Bittern)에는 농작물의 생장(生長)에 유용한 다양한 미네랄성분(Mineral component)과 영양염류(營養鹽類)가 함유되어 있는 특성이 있지만 NaCl이 과잉(過剩)으로 함유되어 있어 작물의 염해(鹽害)와 토양의 입단구조(粒團構造)를 단립구조(單粒構造)로 하는 문제점이 있어 농작물재배에 이용이 불가능하였다. 그래서 간수에 과잉으로 함유되어 있는 NaCl을 냉동법(冷凍法)에 의해서 NaCl을 농작물재배에 이용가능한 농도까지 제거하여 농작물재배에 이용할 수 있는 것으로 이루어진 것에 특징이 있다.

해양 심층수, 간수(苦汁, Bittern), 농작물재배(農作物栽培), 냉동법(冷凍法), 염해(鹽害), 입단구조(粒團構造), 단립구조(單粒構造)

Description

간수를 농작물재배에 이용하는 방법{A method to use bittern for farm products cultivation}

2002년 10월 태풍으로 인하여 일본 치바현(千葉縣)의 산부군(山武郡) 구쥬리마치 바닷가(九十九里町浜)에 대량의 해수를 포함한 해일(海溢)이 일어나, 브로콜리(Broccoli)와 홍당무와 같은 채소류 및 여러 농작물이 염해를 야기(惹起)하였으며, 잡초와 강인한 대나무 밭까지 염해피해가 극심하였다. 그런데 유독 파만은 염해가 없이 순조롭게 자랐으며, 또한 평년보다 오히려 생장이 우수하면서 수확량도 증가하였으며, 파의 맛도 우수한 것으로 밝혀졌다.

이에 해수를 담수에 희석하여 파의 재배에 이용하여 파의 수확량이 증대되면서 품질이 우수한 파를 생산할 수 있음이 확인되면서, 해수를 가지, 토마토, 양파, 마늘, 무, 생강 등의 농작물을 재배에 이용하게 되었다.

그리고 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수에는 표층해수에 농작물 생장발육에 유용한 비해서 질소, 인산, 규산과 같은 영양염류의 농도가 월등히 높으면서 유해 오염물질과 병원성 미생물이 없는 청정성의 특성이 있기 때문에 문헌 1에서는 해양 심층수를 역삼투여과막법으로 여과한 탈 염수로 무를 수경재배하는 방법이 제시되어 있나, 역삼투여과막에서 해양 심층수에 함유되어 있는 미네랄성분과 영양염류 등을 제거하였기 때문에 해양 심층수의 특성을 충분히 활용하지 못하는 문제점이 있으며, 문헌 2에서는 해양 심층수를 지하수나 수돗물로 희석한 용수로 어린 무순을 재배하는 방법이, 문헌 3에서는 해양 심층수를 담수로 희석한 용수로 두릅을 재배하는 방법이, 문헌 4에서는 해양 심층수를 담수로 희석한 용수로 토마토의 재배방법이 제시되어 있으나, 희석된 해양 심층수에는 NaCl성분을 제거되지 않고 단순히 희석이 되어 있기 때문에 희석비율이 낮거나 노지 등에서 연작을 하는 경우는 NaCl이 누적되면서 토양의 삼투압이 증가하여 작물에 염해를 야기하면서, 또한 토양에 SAR(Sodium Adsorption Ratio) 값이 증가하면서 토양의 Ca, Mg 등이 Na이온으로 치환되면서 토양의 입단구조(粒團構造)를 단립구조(單粒構造)로 하여 통기성(通氣性)과 통수성(通水性)이 떨어져 토양을 사토화(死土化)하는 문제점이 있다.

그리고 단순히 해양 심층수를 희석하여 사용하는 경우, 해안가가 아닌 내륙지방에서 사용하는 경우는 운송비용이 높은 문제점이 있다.

문헌 5의 경우는, 해양 심층수에서 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수를 단순히 희석하여 농작물을 재배하는 방법이 제시되어 있으나, 간수 중에도 상당 량의 NaCl성분이 존재하기 때문에 고농도로 사용하는 경우는 작물에 염해의 우려(憂慮)가 있으며, 노지의 경우 계속 사용하면 토양의 입단구조가 단립구조로 되는 문제점이 있다.

종래기술의 문헌정보

[문헌 1] 일본 특허공개 제2001－251981호(2001.09.18)

[문헌 2] 일본 특허공개 제2002－058368호(2002.02.26)

[문헌 3] 일본 특허공개 제2004－283014호(2004.10.14)

[문헌 4] 일본 특허공개 제2004－357638호(2004.12.24)

[문헌 5] 일본 특허공개 제2005－192405호(2005.07.21)

본 발명은 표층해수 또는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수로부터 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수를 냉동하여 NaCl을 제거한 간수를 사용함으로써 작물에 시비를 하였을 때 염해를 발생하지 않으면서 토양의 입단구조를 파괴(破壞)하지 않은 간수를 담수로 희석하여 농작물재배에 이용하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 표층해수 또는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수를 -22∼-23℃로 냉각하여 간수 중에 함유되어 있는 NaCl을 NaCl·2H₂O상태의 고체상태의 얼음으로 되면, 얼음을 제거하여 간수 용액 중의 NaCl을 제거한 것을 지하수, 하천수 등의 담수에 희석한 용수로 사용할 수 있도록 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 표층해수 또는 해양 심층수를 음료수와 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수는 사용 용도가 매우 국한되어 있기 때문에 재고로 남아있는 문제점이 있는데, 이와 같은 간수를 농작물재배용수로 사용하였을 때 작물과 토양에 염해를 야기하지 않고 다량으로 사용할 수 있으면서 농작물이 수확량과 품질이 향상되는 효과가 있기 때문 농작물재배에 널리 이용될 것으로 기대된다.

먼저, 표층해수와 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수에 함유되어 있는 성분을 검토하면, 다음 표1에서 보는 바와 같이 농작물생장에 유용한 다양한 미네랄(Mineral)성분과 영양염류가 포함되어 있는 특성이 있다.

표 1 해양 심층수와 표층해수 중에 함유된 중요성분 분석 치

구 분		울릉도 현포
구 분		수심 650m 해양 심층수	표층해수
일 반 항 목	수온(℃)	1.2	20.3
	pH	7.8	8.15
	DO 용존산소(㎎/ℓ)	6	8
	TOC 유기 탄소(㎎/ℓ)	0.962	1.780
	COD_Mn(㎎/ℓ)	0.2	0.6
	용해성 증발잔류물(㎎/ℓ)	40,750	37,590
	M-알칼리도(㎎/ℓ)	114.7	110.5
주 요 원 소	NaCl(wt%)	2.69	2.75
	Mg 마그네슘(㎎/ℓ)	1,270	1,280
	Ca 칼슘 (㎎/ℓ)	406	405
	K 칼륨 (㎎/ℓ)	414	399
	Br 취소 (㎎/ℓ)	68.2	68.1
	Sr 스트론튬 (㎎/ℓ)	7.76	7.61
	B 붕소 (㎎/ℓ)	4.45	4.48
	Ba 바륨(㎎/ℓ)	0.044	0.025
	F 불소 (㎎/ℓ)	0.52	0.56
	SO₄ ^2-황산 이온(㎎/ℓ)	2,836	2,627
영 양 염 류	NH₄ ⁺암모니아태질소(㎎/ℓ)	0.050	0.030
	NO₃ ^-질산태질소(㎎/ℓ)	1.158	0.081
	PO₄ ^3-인산태인(㎎/ℓ)	0.177	0.028
	Si 규소 (㎎/ℓ)	2.800	0.320
미 량 원 소	Pb 납 (㎍/ℓ)	0.110	0.087
	Cd 카드뮴 (㎍/ℓ)	0.050	0.008
	Cu 구리 (㎍/ℓ)	0.260	0.272
	Fe 철 (㎍/ℓ)	0.230	0.355
	Mn 망간 (㎍/ℓ)	0.265	0.313
	Ni 니켈 (㎍/ℓ)	0.360	0.496
	Zn 아연 (㎍/ℓ)	0.450	0.452
	As 비소 (㎍/ℓ)	0.401	0.440
	Mo 몰리브덴(㎍/ℓ)	5.110	5.565
	Cr 크롬(㎍/ℓ)	0.020	-
균 수	생균 수(개/㎖)	0	520
균 수	대장균 수(개/㎖)	음성	음성

특히 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수에는 농작물 생 장에 필요한 질소, 인산염, 규산염과 같은 영양염류(營養鹽類)가 다량함유되어 있는 특성이 있다.

상기 표층해수 또는 해양 심층수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물로 생산된 간수(Bittern)의 성분조성은 소금을 생산하는 방법에 따라서 차이가 있으나, 염전에서 해양 심층수를 증발하여 소금을 석출(析出) 하면서 생산된 간수와 이온교환막법인 전기투석법으로 해수를 1차 농축 후 2차 증발농축하여 생산된 간수의 주요 성분의 조성은 표2의 내용과 같다.

표2 간수의 주요성분조성(wt%)

간수의 종류	NaCl	KCl	MgCl₂	MgSO₄	MgBr₂	CaCl₂
염전에서 생산된 간수	2∼11	2∼4	12∼21	2∼7	0.2∼0.4	-
이온교환막법에서 생산된 간수	1∼8	4∼11	9∼21	-	0.5∼1	2∼10

본 발명에서 사용하는 간수는 제염법에 따른 간수의 성분조성이 다소 차이가 있는 것에는 특별히 제한하지 않으며, 상술한 특성이 있는 해수를 농축하여 소금을 생산하면서 부산물 생산된 간수(苦汁, Bittern)에는 농작물재배에 유용한 미네랄성분과 영양염류가 다량 함유되어 있는 특성이 있기 때문에 염해(鹽害, Salt damage)를 일으키는 NaCl을 제거하여 농작물과 토양에 염해 현상을 야기하지 않은 간수로 처리하여 해수에서 생산된 간수를 농작물재배에 이용하는 방법을 제시한다.

농작물 중에서 토마토, 가지, 파, 무, 양상추, 상추, 배추, 시금치, 청경채(靑莖菜), 어린 무순과 같은 베이비 리프(Baby leaf), 오이, 마늘, 생강과 같은 근채류(根菜類), 밀감, 사과, 배, 포도와 같은 과일류와 같은 작물은 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg)과 같은 미네랄성분이 충분히 함유된 용수를 급수하면 생장속도의 향상과 품질이 향상되는 것으로 알려져 있다.

대부분의 농작물은 염 스트레스(Salt stress)에 약한데, 특히 콩, 벼, 옥수수 등은 염도에 아주 민감하다. 이와 같이 염 농도에 민감한 식물들은 저 농도에서만 견딜 수 있어 50mM(미리 몰)미만의 염 농도에서도 회복할 수 없는 손상을 입을 수 있다. 염 스트레스로 인한 식물체가 받을 수 있는 손상은 크게 세 가지로 정리되는데, 첫째 높은 나트륨 이온(Na⁺)농도가 높아 SAR(Sodium adsorption ratio) 값이 높아지면 토양의 구조를 변화시켜 토양의 다공성이 감소하기 때문에 토양의 통기성과 배수성을 저하한다. 둘째로는, 고농도의 염은 토양의 삼투압을 상승시켜 식물체가 수분과 영양분을 흡수하기 어렵게 만든다. 셋째로는, 고농도의 나트륨이 세포막에 문제를 일으키거나, 효소의 저해 또는 토양미생물의 대사기능장애를 일으킬 수 있다. 따라서 농업용수의 수질기준에서 외국에서는 각 국가별 실정에 맞는 전기전도도(EC, Electric conductivity)기준을 설정하고 있는데, 일본은 농업용수의 전기전도도 값을 0.3㎳/㎝ 이하로 정하고 있고, FAO(國際聯合食糧農業機構, Food and Agriculture Organization of the United Nations)에서는 각 염분농도별 전기전도도(EC)에 따른 작물에 대한 영향을 3단계로 나누어 제시하고 있을 뿐만 아니라 염분농도별 EC값에 따른 영향도 제시하고 있다.

작물(作物)의 염해는 경작지(耕作地)에 염수(해수)가 유입되었을 때, 토양의 삼투압이 증가하여 수분흡수의 장애, 즉 일종의 생리적 한발(生理的旱魃)을 일으키는 데 있으며, 염분농도에 따른 염해의 정도는 작물의 종류에 따라서 차이가 있으 며, 전기전도도 값이 1.5㎳/㎝에서도 생육하는 내염성 작물로는 보리(Barley), 시금치(Spinach), 배추(Oriental cabbage), 아스파라거스(Asparagus), 무(Radish), 이탈리안 라이 그래스(Italian ryegrass), 유채(Rape), 사탕무(Sugar beet), 면(Cotton) 등이 있으며, 전기전도도 값이 0.8∼1.5㎳/㎝범위에서 생육한 어느 정도 내염성이 있는 작물로는 벼(Rice), 밀(Wheat), 호밀(Rye), 대두(大豆), 양배추(Cabbage), 콜리플라워(Cauliflower), 브로콜리(Broccoli), 파(Spring onion), 당근(Carrot), 감자(White potato), 고구마(Sweet potato), 토마토(Tomato), 호박(Pumpkin), 단옥수수(Sweet corn), 가지(Eggplant), 고추(Hot pepper), 포도(Grapes), 무화과나무(Fig tree), 석류나무(Pomegranate), 올리브(Olive), 스위트 클로버(Sweet clover), 알팔파(Alfalfa), 수단 그래스(Sudan grass), 오처드 그래스(Orchard grass), 옥수수(Corn), 수수(Sorghum), 해바라기(Sunflower) 등의 작물이 있으며, 전기전도도 값이 0.4∼0.8㎳/㎝범위에서 생육하는 내염성이 약간 약한 작물로는 딸기(Strawberry), 양파(Onion), 양상추(Head lettuce), 사과(Apple), 배(Pear), 복숭아(Peach), 오렌지(Orange), 레몬(Lemon), 자두(Plum), 살구(Apricot), 라디노 클로버(Ladino clover), 붉은토끼풀(Red clover), 담배(Tobacco), 난초(Orchid) 등이 있으며, 그리고 전기전도도 값이 0.4㎳/㎝ 이하에서만 생육하는 내염성이 아주 약한 작물로는 오이(Cucumber), 누에콩(Vicia fava), 작두콩(Horse bean) 등의 작물이 있다.

수용액 중에 염류의 농도는 일반적으로 전기전도도(EC: Electric conductivity)를 측정하여 전해질인 염류의 농도를 추정하는데, 전기전도도(EC)는 전기전도율이라고도 하며, 수용액이 전기를 전도하는 정도를 나타내는 지표로서 수중의 염류농도를 나타내는 기준으로 단위는 수용액의 전기저항률의 역수에 상당하는 ㎳/㎝이며, 전기전도도(EC)와 용해성 염류의 농도(wt%)와의 관계는 다음 식①과 같다.

염수의 염류농도(wt%) = 0.062 × EC(㎳/㎝) ………………①

토양의 경우 염해는 SAR(Sodium adsorption ratio) 값이 높아지면 토양의 Mg, Ca성분이 Na⁺이온과 치환되면서 토양의 입단구조(粒團構造)가 단립구조(單粒構造)로 되면서 투수성(Water permeability)과 통기성(通氣性)이 떨어지면서 토양이 사토화(死土化)하는 문제점이 있으며, SAR의 값이 26 이상인 경우는 경작토양으로 문제가 있다. SAR 값은 다음 ②식과 같이 정의된다.

SAR = Na⁺/{(Ca⁺⁺ + Mg⁺⁺)/2}^1/2 ……………………………………②

여기서, Na⁺는 수용성 Na⁺의 농도(meq/ℓ), Ca⁺⁺는 수용성 Ca⁺⁺의 농도(meq/ℓ), Mg⁺⁺는 수용성 Mg⁺⁺의 농도(meq/ℓ)이다.

그리고 본 발명에서 염분의 농도를 파악하기 위한 용액의 비중의 측정은 보메 비중계(Baume's hydrometer)로 측정하며, 보매 비중계의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메도 비중계를 액체에 띄웠을 때의 눈금의 수치로 나타낸 것으로, 물의 비중보다 무거운 중액용(重液用)의 무거운 보메도(중보메도)와 물의 비중보다 가벼운 경액용(輕液用)의 가벼운 보메도(경보메도)가 있으며, 이 중 에서 중액용은 순수(純水)를 0°Be로 하고, 15% 식염수를 15°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 가지며, 경액용은 10% 식염수를 0°Be로 하고, 순수(純水)를 10°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 매기고 있으며, 보메도(°Be)는 해수의 경우 염 농도(wt%)와 근사(近似)하기 때문에 염분농도를 표시하는 척도로도 널리 사용되고 있다.

보메도(°Be)와 액체의 비중(d)과의 관계는 다음과 같다.

액체의 비중이 물의 비중보다 무거운 중보메도의 경우

d = 144.3/(144.3-°Be) …………………………………………③

액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우

d = 144.3/(134.3+°Be) …………………………………………④

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

간수와 같은 염수를 보온처리된 냉각코일이 내장된 냉각장치에 공급하고, 냉각을 하면 도 1 "H₂O-NaCl계의 상평형도"에서 보는 바와 같이, 냉동기로부터 냉매를 냉각코일을 통해서 순환하면서 냉각장치 내의 간수의 온도를 냉각하면 셔벗(Sherbet) 상태의 얼음 생산되기 시작하며(얼음이 결빙을 시작하는 온도는 간수의 농도에 따라서 차이가 있음), 더욱더 냉각하여 온도를 공정점(共晶點, Cryohydric point, 含氷晶이라 하기도 함) -22.40℃에 도달하면 단사정계(單斜晶系, Monoclinic system)의 이수화물 NaCl·2H₂O를 생성하며, 본 발명에서는 -23∼-26℃까지 냉각하면 용액 중에 NaCl이 제거된 간수가 생산된다. 이때 간수의 보메도 비중은 25∼26°Be가 된다.

NaCl이 제거된 간수에는 미네랄성분의 농도가 높기 때문에 농작재배용수로 사용하는 경우는, 염분이 없는 지하수, 하천수 또는 수돗물과 같은 담수(淡水)로 전기전도도(電氣傳導度, Electric conductivity)는 작물의 종류에 따라서 생장에 지장이 없는 범위 이내로 조정하는데, 일반적으로 0.2∼1.5㎳/㎝ 범위로 희석하여 사용한다.

[실시 예1]

표1의 해양 심층수를 취수하여 역삼투 여과 막에서 여과하여 여과된 탈 염수는 음료수제조공정으로 보내고, 여과되지 않고 보메도 비중이 5.3°Be로 농축된 해양 심층수는 천일 염전에서 보메도 비중이 22∼23°Be까지 농축한 염수는 가열하여 보메도 비중이 32°Be까지 소금을 석출(析出)하고, 남은 액체인 간수를 생산하였다.

상기 보메도 비중이 32°Be까지 소금을 석출(析出)하고, 남은 액체인 간수를 -26℃까지 냉각하면서 생산되는 얼음을 제거하고, NaCl이 제거된 간수를 생산하였는데, 이때 생산된 간수의 주요성분 분석 치는 다음 표 3과 같았다.

표3. 소금을 석출하면서 생산된 간수와 냉각처리하여 NaCl이 제거된 간수의 주요성분의 조성(wt%)

간수의 종류	NaCl	KCl	MgCl₂	MgSO₄	MgBr₂
소금을 생산하면서 생산된 간수	6.3	3.1	16.6	4.5	0.31
냉각하여 얼음을 제거하면서 생산된 간수	2.3	2.8	30.2	8.2	0.56

상기 표3에서 보는 바와 같이 간수 중에 함유된 NaCl은 얼음과 함께 제거되 어 농도가 감소하였으며, 반대로 마그네슘성분은 얼음(물)이 제거되면서 농축되었음을 알 수 있었다.

[실시 예2]

상기 실시 예1에서 해양 심층수를 천일 염전에서 보메도 비중이 22∼23°Be까지 농축한 염수를 가열하여 보메도 비중이 32°Be까지 소금을 석출(析出)하고, 남은 액체인 간수를 -26℃까지 냉각하면서 생산되는 얼음을 제거하고, NaCl이 제거된 간수를 하천수에 전기전도율이 1.2㎳/㎝로 주입하여 희석한 용수를 파밭에 15일에 한 번씩 4회를 급수한 파(시험 구라 함)와 간수를 하천수로 희석한 용수를 급수하지 않고 종래의 방법대로 기른 파(대조 구라 함)의 생장상태를 관찰한 결과, 상기 NaCl이 제거된 간수를 하천수에 전기전도율이 1.2㎳/㎝로 주입하여 희석한 용수를 급수한 시험 구의 파가 도 2에서 보는 바와 같이 잎과 줄기가 튼튼하게 재배되었는데 반해서, 대조 구인 일반 재배한 파는 도 3에서 보는 바와 같이 시험 구에서 재배한 도 2의 파에 비해서 잎과 줄기가 약하게 재배되었으며, 단위 면적당 수확량도 시험 구에서 재배된 파가 대조 구에서 재배된 파에 비해서 32% 향상되었음을 확인할 수 있었다. 그리고 시험 구에서 염해 현상은 전혀 나타나지 않았다.

도 1은 냉동에 따른 H₂O-NaCl계의 상평형도

도 2는 탈염간수를 급수하여 재배된 파(시험 구)

도 3은 일반 재배한 파(대조 구)

Claims

간수를 -23∼-26℃까지 냉각하여 NaCl을 제거하고, NaCl이 제거된 간수를 담수(淡水)로 희석한 용수를 농작물재배에 이용하는 방법.