KR101127029B1 - 토양의 지질개선제 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 비료살포장치로 살포 가능한 동시에 토양의 산성화 방지와 유익 유기물 함량 증가, 토양의 입단화 촉진을 통한 통기성과 보수성의 강화, 토양의 지력향상 등에 효과가 있는 토양의 지질개선제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

구체적으로 본 발명은 (a) 규산염계 점토광물, 칼슘 화합물, 유기산, 광물성 유황을 포함하는 원료물질 분말을 준비하는 단계; (b) 상기 원료물질 분말을 혼합한 후 수분을 첨가한 다음 조립 및 건조시켜 고형으로 입상화하는 단계; (c) 상기 입상화된 물질을 200℃ 이상의 온도에서 고온 건조하는 단계; (d) 상기 고온 건조된 입상화 물질에 미생물 제재와 액상의 유기질비료를 혼합하는 단계; 및 (e) 상기 혼합물을 60℃ 이하의 온도에서 저온 건조하는 단계를 포함하는 토양의 지질개선제 제조방법을 제공하는 한편, 상기의 기재에 따른 제조방법을 통해 0.15mm 이상 8mm 이하의 고형으로 입상된 토양의 지질개선제를 제공한다.

Description

토양의 지질개선제 및 그 제조방법{quality of soil improvement material and manufacturing method for the same}

본 발명은 토양의 지질개선제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 비료살포장치로 살포 가능한 동시에 토양의 산성화 방지와 유익 유기물 함량 증가, 토양의 입단화(粒團化) 촉진을 통한 통기성과 보수성의 강화, 토양의 지력향상 등에 효과가 있는 토양의 지질개선제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 '토양(土壤, soil)'이란 암석의 풍화산물인 미세 파쇄물질과 식물유체(植物遺體)의 생물작용에 따른 지표면의 퇴적물을 총칭하며, 특히 농립업 분야에서는 식물을 위한 양분과 수분 등을 저장 및 방출하는 지지기반을 일컫는다.

이러한 토양은 식물에 의한 유기화와 토양동물 및 미생물에 의한 무기화를 반복하는 가운데 화학적, 물리적, 생물학적 변화에 따른 다양한 반응을 수반하는바, 그 대표적인 일례가 토양 수용액으로 측정 가능한 토양 pH, 즉 토양산도이다.

첨부된 도 1은 일반적인 토양산도의 분류표로서, pH 6.6~7.2의 중성토양을 기준으로 그 보다 낮은 pH 값의 토양을 산성토양, pH 7.3 이상의 값을 나타내는 토양을 알칼리 토양으로 구분한다.

한편, 식물은 종류에 따라 차이가 있지만 대부분 pH 5.5~6.5의 약산성에서 잘 적응하는 것으로 알려져 있다. 하지만 토양산도가 pH 4.5 이하로 낮아지면 토양 중의 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 칼륨(K) 등 염기성 양분이 산성물질인 수소이온(H⁺)과 치환되어 토양수에 녹아 지중수로 용탈되고, 이로 인해 지력(地力)이 떨어진다.

첨부된 도 2는 토양의 산성화에 따른 토양변화 특성과 식물생태적 영향을 나타낸 표로서, 토양산성화가 심화되면 식물의 양분보유능이 저하되기 때문에 염기성 양이온의 유실이 많아져 식물생장에 필요한 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg)이 결핍되고, 이로 인해 식물의 물질생산량이 낮아지거나 생리적 불균형으로 인한 조기낙엽, 엽괴사 등이 초래된다. 아울러 토양에 알루미늄(Al)의 포화도가 증가하면 그 독성이 뿌리생육에 지장을 주어 엽과 줄기 등 식물의 지상부에 까지 영향을 미친다.

더욱이 토양의 산성화는 토양층을 통과하는 산성의 토양수에 의해 지중수의 산성화를 초래함에 따라 주변환경에 미치는 영향이 큰데, 일례로 담수의 산성화는 pH 변화 이외에도 산성토양으로부터 용출된 활성 알루미늄(Al³⁺)의 과다유입에 따른 어류의 질식사와 같은 대량 피해를 초래한다.

이 같은 토양의 산성화는 여러 가지를 원인으로 하지만 편의상 자연적 요인과 인위적 요인으로 구분할 수 있고, 전자의 대표적인 예로는 강수, 유기산, 산성모암, 후자의 대표적인 예로는 산성강화물, 화학비료 등을 들 수 있다.

먼저, 자연적 요인 중에서 강수에 대해 살펴보면, 자연상태의 대기 중에는 약 350ppm의 이산화탄소(CO₂)가 존재하고 물과 반응하면 탄산(H₂CO₃)이 생성된다. 때문에 정상적인 강수라 하더라도 이론상 pH 5.6의 약산성을 띠게 된다.

그리고 낙엽, 낙지 등 식물유체의 분해과정 중에 수반되는 중간산물인 유기산은 해리도가 높은 카르복시기(-COOH) 조성을 나타내고, 해리된 후 수소이온(H⁺)에 의한 강산성을 띤다. 아울러 유기산의 일종인 부식산(humic acid)과 풀빅산(fulvic acid)은 토양용액 중에 용존상태로 존재하는 금속류(Al³⁺, Fe²⁺ 등)와 복합체를 형성한 후 가수분해 과정에서 수소이온(H⁺)를 제공함에 따라 토양의 산성도를 높인다.

또한, 황철광이 모암인 해안 저습지의 경우에는 황화철(Fe₂S)과 유황산화세균, 철산화세균의 작용에 의한 황산(H₂SO₄)이 생성되고, 유기물이 표토층에 퇴적된 화산회 모암의 화산회토로부터는 비결정질 치환복합체에 인산과 몰리브덴산이 필요 이상으로 흡착되어 양분결핍 등의 산성화가 초래된다.

다음으로, 인위적 요인인 산성강화물을 살펴보면, 산업화와 도시화에 따른 주요 대기오염물질인 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx) 등은 대기 중으로 방출된 후 가스, 입자, 에어로졸, 강우, 강설, 안개 등의 형태로 지면에 도달하며, 식 1과 2에서와 같이 최종적으로 황산(H₂SO₄)과 질산(HNO₃)으로 변화되어 토양 내 염기류(Ca, Mg)의 용탈과 산성화를 촉진한다.

<식 1> SO₂ + H₂O ⇒ H₂SO₃ 또는 H₂SO₄

<식 2> 2NO₂ + H₂O ⇔ HNO₃ + HNO₂

그리고, 생리적 산성비료인 황산암모늄((NH₄)2SO₄), 황산칼륨(K₂SO₄), 염화암모늄(NH₄Cl) 등은 비록 그 자체로서는 중성을 띠지만 식물뿌리에 의해 NH⁴⁺와 K⁺가 흡수되고 남은 SO₄ ^2-와 Cl^-가 황산과 염산으로 작용한다. 그 밖에도 요소 등 질소질 비료는 토양 중에서 질산화성균에 의하여 질산으로 바뀌는데, 이때 생성된 질산이온(NO^3-)이 토양에서 용탈될 때 전하적 균형에 의해 동일 당량의 염기성 양이온을 동반하고, 이로 인해 토양산성화를 유발시킨다.

한편, 상기와 같은 여러 가지 원인으로 인해 국내에서는 비료사용이 많은 농경지를 중심으로 토양의 산성화가 빠르게 진행되고 있으며, 그로 인한 여러 가지 피해 사례가 나타나고 있다.

구체적으로, 국내의 농경지 대부분은 산성화에 따른 유기물 감소로 인해 지력이 약화되어 연작에 피해를 주고 있는 가운데 토양의 물질분해 능력이 현저하게 저하되어 잉여 비료성분이 분해되지 못한 채 지표수에 유입됨에 따라 하천과 호소의 부영양화를 유발하고 있고, 염류직접으로 인해 식물 생육에 직접적인 악 영향을 미치고 있다.

일례로 국내 농경지의 인산 집적은 적정수준보다 62.7% 이상 높은 실정이며, 이 같은 화학비료의 사용증가에 따라 퇴비 사용량이 감소하여 토양의 유기물 함량 부족은 물론 공극형성에 의한 통기성과 보수성이 약화되어 식물의 생육부진을 초래하고 있다.

이에 따라 산림청 등을 중심으로 '96년부터 대도시 및 공단지역 등 환경오염 피해임지를 선정하고 그 회복실연사업을 추진해 오면서 대상지역을 점차 확대해 나가고 있지만 아직 그 효과는 미비하며, 특히 토양 산성화의 직접적인 피해지역인 농경지는 그 대상에서 제외됨에 따라 논밭 등의 농경지를 중심으로 한 토양의 산성화는 현재에도 빠르게 진행되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 농경지의 산성화를 방지하고 유익 유기물의 함량을 증가시켜 지력을 회복할 수 있는 구체적인 방도를 제시하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 토양의 산성화를 방지하고 지력을 회복시킬 수 있는 지질개선제 및 그 제조방법으로서, 기존의 비료살포 장치로 간단히 살포가 가능한 동시에 토양의 산성화 방지와 유익 유기물 함량 증가, 토양의 입단화 촉진을 통한 통기성과 보수성의 강화, 토양의 지력향상 등에 효과가 있는 지질개선제 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, (a) 규산염계 점토광물, 칼슘 화합물, 유기산, 광물성 유황을 포함하는 원료물질 분말을 준비하는 단계; (b) 상기 원료물질 분말을 혼합한 후 수분을 첨가한 다음 조립 및 건조시켜 고형으로 입상화하는 단계; (c) 상기 입상화된 물질을 200℃ 이상의 온도에서 고온 건조하는 단계; (d) 상기 고온 건조된 입상화 물질에 미생물 제재와 액상의 유기질비료를 혼합하는 단계; 및 (e) 상기 혼합물을 60℃ 이하의 온도에서 저온 건조하는 단계를 포함하는 토양의 지질개선제 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 규산염계 점토광물은 제올라이트, 벤토나이트, 고령토, 일라이트, 흑운모, 견운모, 장석 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 칼슘 화합물은 석회석, 탄산칼슘, 생석회, 소석회, 석회고토, 폐화석 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 유기산은 구연산, 사과산, 호박산, 주석산, 초산 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 (b) 단계는 펠레타이저에서 진행되는 것을 특징으로 하고, 상기 미생물 제재는 바실러스 서브틸리스를 포함하는 고초균과, 락토바실러스를 포함하는 유산균과, 이스트를 포함하는 효모균과, 아스퍼즐러스 플라부스를 포함하는 누룩균과, 시아노박테리아, 홍색세균, 녹색세균을 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러 본 발명은 상기 기재에 따른 제조방법을 통해 0.15mm 이상 8mm 이하의 고형으로 입상된 토양의 지질개선제를 제공한다..

본 발명에 따른 토양의 지질개선제는 토양의 산성화를 중화 및 방지하고 유익 유기물의 함량을 증가시켜 지력을 회복할 수 있는 장점이 있다.

특히 본 발명에 따른 토양의 지질개선제는 기존 비료살포장치로 살포가 가능하여 사용이 편리한 동시에 각종 유익성분에 의한 토양의 산성화 방지, 유익 유기물 함량 증가, 토양의 입단화 촉진을 통한 통기성과 보수성의 강화, 토양의 지력향상 등에 효과를 나타내는바, 농경지의 복토 시(侍) 200평 기준 280kg을 고르게 살포하면 큰 효능을 기대할 수 있다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명을 상세하게 살펴본다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 토양의 지질개선제에 대한 바람직한 일 양태(樣態)에 따른 제조방법을 나타낸 순서도로서, 해당 도면을 토대로 그 제조방법을 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 토양의 지질개선제를 제조하기 위해서는 원료물질을 준비한다.(st11)

이때, 원료물질은 규산염계 점토광물, 칼슘 화합물, 유기산, 광물성 유황을 포함하며, 특히 규산염계 점토광물로는 제올라이트(zeolite), 벤토나이트(bentonite), 고령토, 일라이트(illite), 흑운모(biotite), 견운모(sericite), 장석(feldspar) 중 적어도 하나가, 칼슘 화합물로는 석회석(CaCO₃), 탄산칼슘, 생석회(CaO), 소석회(Ca(OH)₂), 석회고토(CaCO₃ + MgCO₃), 폐화석(굴껍질) 중 적어도 하나가, 유기산으로는 구연산, 사과산, 호박산, 주석산, 초산 중 적어도 하나가 선택된다.

여기서 원료물질 각각의 특징 및 효능을 살펴보면, 규산염계 점토광물이란 자연상의 산출상태가 점토 상태인 점토광물 중에서도 SiO₄ ^4-가 함유된 규산염 광물을 총칭하는바, 규산과 알루미나를 주성분으로 하되 골조형태를 나타내는 덱트알미노규산염광물과 판 상의 평평한 구조를 나타내는 휘로알미노규산염광물을 포함한다. 이러한 규산염계 점토광물은 양이온을 흡착 및 보존하는 능력인 양이온치환용량(CEC)이 크고 칼슘, 마그네슘, 나트륨 등의 치환성 이온을 선택적으로 흡착함에 따라 중금속과 질소, 인의 제거능력이 크며 식물 생육장해를 경감시키는 효과를 나타낸다. 이에 따라 본 발명에서는 상기의 효과를 나타내는 규산염계 점토광물로서 제올라이트, 벤토나이트, 고령토, 일라이트, 흑운모, 견운모, 장석 중 적어도 하나, 바람직하게는 일라이트, 제올라이트, 장석을 사용한다.

또한, 칼슘 화합물은 석회질 비료를 이루는 주성분으로 산성토양의 중화, 토양완충작용의 증진, 염기치환능력 증가에 따른 영양물질의 흡수력 증가와 더불어 농약성분분해를 조장하고 토양병해의 방제 및 연작에 대한 영양균형 유지의 효과를 나타낸다. 이에 따라 본 발명에서는 상기의 효과를 나타내는 칼슘 화합물로서 석회석, 석회석의 소성으로 얻어지는 생석회, 생석회의 수화로 얻어지는 소석회, 소석회에 이산화탄소를 불어 넣어 합성한 탄산칼슘, 백운석의 분쇄로 얻어지는 석회고토 등의 광물성 칼슘 화합물과 폐화석(굴껍질) 중 적어도 하나, 바람직하게는 폐화석을 사용한다.

또한 유기산은 비료염에 대한 항산화 작용, 농약 및 비료에 대한 식물의 회복능력 향상, 유해균에 대한 항균력 증대의 효과와 더불어 칼슘 등 불용성 및 난연성 염을 분해하는 효과를 나타낸다. 이에 따라 본 발명에서는 상기의 효과를 나타내는 유기산으로서 구연산, 사과산, 호박산, 주석산, 초산 중 하나, 바람직하게는 구연산을 사용한다.

또한, 광물성 유황은 식물의 영양원소로서 냉해, 설해, 병충해에 대한 저항력을 높이고 과일의 당도를 높이는 효과 뿐 아니라 불용성 화학물질인 염류장해물질을 중화하는 효과를 나타낸다.

다음으로, 준비된 원료물질을 혼합 및 분쇄하여 원료물질 분말을 얻는다.(st12)

이때, 원료물질의 혼합 및 분쇄를 위해서는 통상의 레이몬드밀(raymondmill) 등이 사용될 수 있고, 원료물질의 혼합비는 전체 혼합물을 기준으로 규산염계 점토광물과 칼슘 화합물이 85~99 중량%를 차지하는 가운데 나머지 유기산, 광물성 유황이 전체 혼합물을 기준으로 1~15 중량% 미만의 소량 함유될 수 있는데, 바람직하게는 규산염계 점토 광물 중 장석과 폐화석은 전체 혼합물을 기준으로 10~20 중량%를 차지한다.

아울러, 분쇄 정도는 필요에 따라 적절히 조절될 수 있지만 후술하는 입상화 단계를 감안하면 0.15 이상 8mm 이하, 바람직하게는 5mm 내외로 분쇄된다.

다음으로, 원료물질 분말에 수분을 첨가한 후 조립(造粒) 및 건조하여 고형으로 입상화 한다.(st13,st14)

이때, 해당 공정은 본 발명에 따른 토양의 지질개선제가 기존 고형비료와 유사한 형태를 띠게 함으로써 일반적인 비료살포장치로 살포 가능하도록 하기 위한 것으로, 수분량은 공정조건에 따라 적절히 조절될 수 있다. 그리고 조립 및 건조를 포함하는 입상화 공정은 일반적인 펠레타이져(pelletizer)를 통해 진행될 수 있는바, 이를 위해서는 공지의 입상화 방법이 사용될 수 있으므로 불필요한 설명은 생략한다.

그 결과 원료물질의 혼합물로 이루어진 직경 0.15mm 이상 8mm 이하의 고형으로 입상화된 물질을 얻게 된다.

다음으로, 입상화된 물질을 200℃ 이상의 온도에서 고온 건조한다.(st15)

이때, 해당 공정은 원료물질의 소성 및 잔류수분 제거를 위한 것으로, 통상의 건조로에 대상물질을 투입하여 건조하는 방식이 사용될 수 있다. 또한, 필요하다면 200℃ 이상의 고온 건조로를 관통하는 컨베이어 상에 대상물질을 올려 이동 중에 건조되게 하는 것도 가능한데, 이 역시 공지된 내용이므로 불필요한 설명은 생략한다.

다음으로, 고온 건조된 입상화 물질에 소정의 미생물 제재와 액상 유기질 비료를 혼합한다.(st16)

이때, 미생물 제재와 액상 유기질 비료는 토양 개량 및 지력 증진의 효과를 한층 더 강화하기 위한 것으로, 특히 토양의 분해작용을 활성화시키고 유익균의 번식을 도모하기 위한 미생물 제재는 바실러스 서브틸리스(Bacillus subtilis)를 포함하는 고초균, 락토바실러스(Lactobacillus)를 포함하는 유산균, 이스트(yeast)를 포함하는 효모균, 아스퍼즐러스 플라부스(Aspergillus flavus)를 포함하는 누룩균, 시아노박테리아(cyanobacteria), 홍색세균(purple bacteria), 녹색세균(green bacteria)를 포함하는 광합성 세균(Photosynthetic bacteria)이 사용된다,

그리고 이들 미생물 제재는 대상작물의 종류, 토양의 상태 등에 따라 적절한 양이 혼합될 수 있다.

여기서 미생물 제재 각각의 특성 및 효능을 살펴보면, 고초균은 포도당 등의 당류와 전분을 혐기적으로 대사하는 유기물 분해 미생물로서, 특히 바실러스 서브틸리스는 물질분해, 토양개선, 환경정화, 병충해방제, 영양분의 흡수촉진의 효능을 나타낸다.

또한 유산균은 당류(糖類)를 분해하여 젖산을 만드는 젖산균의 하나로서, 특히 락토바실러스는 앞서 바실러스 서비틸리스와 마찬가지로 물질분해, 토양개선, 환경정화, 병충해방제, 영양분의 흡수촉진 효능을 나타낸다.

또한 효모균은 자낭균류에 속하는 균류로서, 특히 이스트는 식물뿌리의 분비물, 광합성세균에 의한 아미노산과 당류, 토양 중 유기물을 재료로 작물에 유효한 물질을 생합성하고, 효모균으로부터 만들어지는 호르몬 등의 생리활성물질은 뿌리와 세포의 분열을 활성화하며, 다른 유효 미생물의 증식에 필요한 기질을 생산 및 제공하는 효능을 나타낸다.

또한 누룩균은 자낭균류 누룩곰팡이과의 곰팡이로서, 특히 아스퍼즐러스 플라부스는 토양속의 에스텔 생성에 효과적이고 유해곤충의 발생을 방지하며 악취 분리에 효능을 나타낸다.

또한, 광합성세균은 광합성을 이용하여 스스로 영양분을 만드는 미생물로서, 특히 시아노박테리아, 홍색세균(purple bacteria), 녹색세균(green bacteria)를 포함하는 광합성 세균(Photosynthetic bacteria)은 유기물 분해작용이 뛰어나 높은 자연 정화 능력을 나타낸다.

아울러, 본 단계에서 사용되는 액체상태의 유기질 비료는 사실상 제한이 없으며, 대상작물의 종류, 토양의 상태 등에 따라 적절히 선택 가능한바, 공지된 모든 액체상의 유기질 비료가 적절량 혼합될 수 있다.

다음으로, 미생물 제재 및 액체 유기질비료와 혼합된 입상화 물질을 60℃ 이하의 온도에서 저온 건조하고, 이로써 본 발명에 따른 토양의 지질개선제가 얻어진다.(st17)

이때, 온도범위가 60℃ 이하로 제한되는 이유는 미생물 제재의 사멸을 방지하기 위한 것으로 실온 이상 60℃ 미만의 건조로에 해당 물질을 투입하여 저온 건조할 수 있고, 이와 달리 실온 이상 60℃ 이하의 저온 건조로를 관통하는 컨베이어 상에 대상물질을 올려 이동 중에 건조시키는 것도 가능하다. 또한 가능하다면 실온에서 건조시키는 것도 가능함은 물론이다.

그 결과 본 발명에 토양의 지질개선제로서, 0.15mm 이상 8mm 이하의 고형으로 입상된 물질을 얻을 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 토양의 지질개선제가 20kg 단위로 포장된 것을 전제로 200평 기준 14포, 즉 280kg이 사용될 수 있고, 그 살포시기는 농경지의 복토 시(侍) 전체면적에 걸쳐 고르게 사용하면 가장 큰 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 일반적인 토양산도의 분류표

도 2는 토양의 산성화에 따른 토양변화 특성과 식물생태적 영향을 나타낸 표.

도 3은 본 발명에 따른 토양의 지질개선제에 대한 제조방법을 나타낸 순서도.

Claims (5)

1. (a) 규산염계 점토광물, 칼슘 화합물, 유기산, 광물성 유황을 포함하되, 상기 규산염계 점토광물과 칼슘 화합물이 전체 중량기준 85~99 중량%, 상기 유기산과 광물성 유황이 전체 중량기준 1~15중량%로 함유된 원료물질 분말을 준비하는 단계;

   (b) 상기 원료물질 분말을 혼합한 후 수분을 첨가한 다음 조립 및 건조시켜 고형으로 입상화하는 단계;

   (c) 상기 입상화된 물질을 200℃ 이상의 온도에서 고온 건조하는 단계;

   (d) 상기 고온 건조된 입상화 물질에 미생물 제재와 액상의 유기질비료를 혼합하는 단계; 및

   (e) 상기 혼합물을 60℃ 이하의 온도에서 저온 건조하는 단계를 포함하는 토양의 지질개선제 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 규산염계 점토광물은 제올라이트, 벤토나이트, 고령토, 일라이트, 흑운모, 견운모, 장석 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 칼슘 화합물은 석회석, 탄산칼슘, 생석회, 소석회, 석회고토, 폐화석 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 유기산은 구연산, 사과산, 호박산, 주석산, 초산 중 적어도 하나를 포함하는 토양의 지질개선제 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 (b) 단계는 펠레타이저에서 진행되는 토양의 지질개선제 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 미생물 제재는 고초균인 바실러스 서브틸리스와, 유산균인 락토바실러스와, 효모균인 이스트와, 누룩균인 아스퍼즐러스 플라부스와, 광합성 세균인 시아노박테리아, 홍색세균, 녹색세균 중 하나를 포함하는 토양의 지질개선제 제조방법.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 하나의 선택된 항의 기재에 따른 제조방법을 통해 0.15mm 이상 8mm 이하의 고형으로 입상된 토양의 지질개선제.

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