KR101319213B1 - 고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법용 토양정화제 및 이를 이용한 토양정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식물의 뿌리 생장영역에 투입되어 매트릭포텐셜의 차를 제공하여 뿌리 방향으로 물과 물질의 이동을 유도하여 오염물질을 제거하는 고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법을 이용한 토양정화방법 및 이를 이용한 토양정화방법을 제공한다.

Description

고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법용 토양정화제 및 이를 이용한 토양정화방법{SOIL DEPURATOR FOR PHYTOREMEDIATION COMPRISING SUPER ABSORBENT POLYMER AND THE METHOD}

본 발명은 고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법용 토양정화제 및 이를 이용한 토양정화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 매트릭포텐셜이 낮은 고흡수성폴리머를 식물의 뿌리 생장영역에 투입하여 매트릭포텐셜의 차를 제공하고, 이를 통해 식물의 뿌리 방향으로 물과 물질의 이동을 유도함으로써 토양내 함유된 각종 오염물질을 재배중인 식물의 뿌리가 흡수하여 제거함으로써 토양내 오염물질을 제거하는 효과가 우수한 식물재배정화법용 토양정화제 및 이를 이용한 토양정화방법에 관한 것이다.

2005년 환경부에서 실시한 토양실태조사 결과 전체 오염토양의 92%가 중금속에 의한 것으로 확인되었을 만큼 중금속 오염은 심각하다. 중금속 오염토양의 복원방법은 식물정화기법(Phytoremediation), 토양세척기법, 동전기법, 안정화/고형화방법 등이 있으며, 이들 중 식물정화기법(Phytoremediation)은 타 공정에 비해 적은 비용으로 정화할 수 있고 이차적인 오염도 없는 지속 가능한 친환경공법인 동시에 주민들에게 경관소재 및 소일거리 제공으로 친화적으로 다가갈 수 있다는 장점이 있다.

예를 들어, 국내공개특허 제10-2011-39904호에 카드뮴으로 오염된 지역에 곰솔(Phinu thunbergii)을 식재하여 카드뮴을 곰솔내로 흡수하여 제거하는 카드뮴으로 오염된 지역의 식물재배정화법(phytoremediation)에 관한 것이 개시되어 있다.

또, 국내공개특허 제10-2011-88251호에는 식물정화공법의 실시에 앞서 토양 개량제인 황산암모늄 [Ammonium sulfate, (NH₄)₂SO₄]의 투여를 통해 토양 내 중금속의 존재형태를 변화시키고 토양 비옥도를 증가시킨 후 중금속 오염을 중화시키는 식물을 식재시킴으로써 효율을 극대화시키도록 하는 토양 개량제를 이용한 식물 정화공법이 개시되어 있다.

하지만, 이러한 식물정화공법은 식물의 뿌리 인근에 분포하는 중금속만을 전위차나 농도차에 의해 수동적으로 흡수할 수 있을 뿐 이러한 유효거리를 벗어날 경우에는 여전히 중금속이 축적되어 문제가 되고 있다.

이와 함께 최근 들어 중금속과 함께 유류에 의해 오염되는 토양의 면적도 급속하게 늘어나고 있는 추세에서 생물학적이면서 친환경적으로 토양내 잔류하는 유류의 분해제거와 함께 중금속을 동시에 제거하는 방안의 모색이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 매트릭포텐셜이 낮은 고흡수성폴리머를 식물의 뿌리 생장영역에 투입하여 매트릭포텐셜의 차를 제공하고, 이를 통해 식물의 뿌리 방향으로 물과 물질의 이동을 유도함으로써 토양내 함유된 각종 오염물질을 재배중인 식물의 뿌리가 흡수하여 제거함으로써 토양내 오염물질을 제거하는 효과가 우수한 식물재배정화법용 토양정화제 및 이를 이용한 토양정화방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 수단에 의해 달성되어진다.

(1) 식물의 뿌리 생장영역에 투입되어 매트릭포텐셜의 차를 제공하여 뿌리 방향으로 물과 물질의 이동을 유도하여 오염물질을 제거하는 고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법용 토양정화제.

(2) 제 1항에 있어서, 고흡수성 폴리머는 셀루로우스계, 스타치(starch)계, 또는 아크릴계 고분자인 것을 특징으로 하는 고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법용 토양정화제.

(3) 식물의 뿌리 생장영역에 고흡수성 폴리머를 투입하여 매트릭포텐셜의 차를 제공하여 뿌리 방향으로 물과 물질의 이동을 유도하는 것에 의해 오염물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 식물재배정화법을 이용한 토양정화방법.

(4) 제 3항에 있어서, 고흡수성 폴리머는 셀루로우스계, 스타치(starch)계, 또는 아크릴계 고분자인 것을 특징으로 하는 고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법을 이용한 토양정화방법.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 매트릭포텐셜이 낮은 고흡수성폴리머를 식물의 뿌리 생장영역에 투입하여 매트릭포텐셜의 차를 제공하고, 이를 통해 식물의 뿌리 방향으로 물과 물질의 이동을 유도함으로써 토양내 함유된 각종 오염물질을 재배중인 식물의 뿌리가 흡수하여 제거함으로써 토양내 오염물질을 제거하는 효과가 우수하다.

도 1은 중금속에 오염된 토양을 식물재배를 이용하여 정화하는 과정을 설명하는 그림.

본 발명은 식물의 뿌리 생장영역에 투입되어 매트릭포텐셜의 차를 제공하여 뿌리 방향으로 물과 물질의 이동을 유도하여 오염물질을 제거하는 고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법용 토양정화제를 제공한다.

또한 본 발명은 식물의 뿌리 생장영역에 고흡수성 폴리머를 투입하여 매트릭포텐셜의 차를 제공하여 뿌리 방향으로 물과 물질의 이동을 유도하는 것에 의해 오염물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 식물재배정화법을 이용한 토양정화방법을 제공한다.

본 발명에 따른 식물재배정화제는 매트릭포텐셜이 낮은 고흡수폴리머를 사용한다.

상기 본 발명에 따른 식물재배정화법용 토양정화제에 포함되는 고흡수성폴리머는 물을 흡수할 수 있는 능력이 우수한 합성 혹은 천연고분자 물질로서, 바람직하게는 자체 무게의 수백 내지 수천 배의 순수한 물(0.9% 생리식염수는 50-70배 정도)을 흡수할 수 있는 기능을 가진 고분자 물질이다.

고흡수성폴리머는 흡수량이 크고 재료 그 자체가 물을 빨아들이므로 어떤 압력을 가해도 물을 방출되지 않는다. 이들 고흡수성폴리머는 고분자전해질에 다리결합이나 불용부를 도입한 것으로, 예를 들어 전분이나 셀룰로오스에 아크릴로니트릴을 그래프트공중합시킨 것, 아크릴산과 비닐알코올의 블록공중합물 등이 분말이나 섬유 상태로 시판되어 사용되고 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 고흡수성폴리머는 수용성 고분자를 부분적으로 가교시킴으로써 친수성과 수불용성을 겸비하게 한 기능성 고분자로서 셀루로우스계, 스타치(starch)계, 아크릴계 고분자(폴리아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드계 폴리머 등) 등 자체적으로 수분을 흡수할 수 있는 능력이 우수하여 주위로부터 수분을 끌어들이는 능력이 우수한 것인 한 특별한 종류에 제한되지는 않는다.

본 발명에서 상기 고흡수성폴리머는 식물재배를 위한 토양정화제의 전체 중량을 기준으로 10~100중량%의 범위에서 조성되어질 수 있다. 고흡수성폴리머의 함량이 10 중량% 미만일 경우에는 매트릭포텐셜의 차이가 작아 물의 이동을 뿌리 쪽으로 자연스럽게 이동시키기에 무리가 있어 10 중량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 본 발명에서는 순수하게 고흡수성폴리머로만 구성(100중량%)되어도 무방하고, 고흡수성폴리머와 함께 통상적인 토양개량제, 토양안정제, 식물생장호르몬, 각종 비료 등을 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 사용할 수 있는 토양개량제로는 토양의 물리적, 화학적 성질을 중금속 흡수 식물의 생육에 알맞도록 개선하기 위한 것으로, 그 종류로는 무기질 계통의 토양개량제로 벤토나이트, 제올라이트, 펄라이트, 버미큘라이트, 인산질 비료, 규산질 비료, 석회질 비료 등이 있고, 유기질 계통의 토양개량제로 짚류, 왕겨류, 가축분뇨, 퇴비류, 오니류, 유기질 비료 등이 있으나 그 종류가 이로써 제한되지는 않는다.

상기와 같은 토양개량제는 유용 미생물을 증대시키고 토양에 보수성 및 보비력을 공급하거나, 토양의 단립화 형성을 촉진함으로써 식재한 수목의 뿌리가 잘 생장하도록 도와주는 역할을 한다.

일반적으로 불포화토양에서 수분이동의 주요 원인은 매트릭포텐셜의 차이에 기인한다. 상기 고흡수성폴리머는 토양내에서 이러한 매트릭포텐셜의 공간적인 변형을 야기하고, 이에 의해 야기된 매트릭포텐셜의 차이로 인해 고흡수성폴리머 방향으로 토양내 함유된 물이 이동하게 된다. 이 과정에서 물의 이동과 함께 토양내 함유된 각종 오염물질(중금속 물질도 포함)도 고흡수성폴리머 방향으로 이동된다.

본 발명에서는 고흡수성 폴리머의 이러한 특성을 이용하여 식물의 뿌리 생장영역에 고흡수성폴리머를 투입함으로써 토양내 존재하는 물을 뿌리방향으로 이동시키면서 각종 물질(오염물질을 포함)을 함께 이동시켜 재배중인 식물의 뿌리를 통해 흡수가능하도록 유도한다.

이와 같이 식물의 뿌리방향으로 물과 함께 이동된 오염물질은 전위차 내지 농도차에 의해 식물뿌리에서 흡수가 일어나 재배중인 식물의 구성성분으로 이용하거나, 중금속의 경우 식물이 생산하는 유기산 등으로 흡착시켜 독성을 낮추거나, 식물에 흡수시켜 토양으로부터 제거, 예를 들면 나무와 같은 장기적으로 생명을 유지하는 식물의 줄기에 흡착시켜 먹이연쇄과정으로 들어오는 속도를 늦춤으로써 독성이 높은 중금속과 같은 오염물질을 토양으로부터 제거하여 정화하게 된다.

따라서, 만일 중금속 오염이 심각한 토양을 정화하기 위한 목적으로 특정 중금속을 잘 흡수하는 식물을 식재하려고 할 때, 당해 식물의 뿌리 영역에 본 발명에 따른 식물재배정화제를 투입하는 것만으로 매트릭포텐셜의 차이로 인해 인근 토양에 오염된 중금속을 이동시켜 흡수제거할 수 있다는 점에서 기존 고흡수성 폴리머가 단순히 토양개량제의 용도로만 사용된 것과는 달리 중금속과 같은 처리가 힘든 오염물질을 토양으로부터 적극적으로 제거하기 위한 용도로 제공될 수 있다는 점에서 현저한 차이가 있다.

본 발명에서 중금속으로 오염된 토양에 식재될 수 있는 식물의 종류로는 곰솔, 봉의꼬리, 섬고사리, 개고사리 등을 들 수 있지만, 이들 식물에 한정됨이 없이 오염물질로 분류될 수 있는 어떠한 물질에 대한 흡착능을 갖고 있다면 제한없이 본 발명의 대상 식물의 범위에 포함될 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 식물재배정화법을 이용한 토양정화방법은 중금속의 근권으로의 이동량을 증대시켜 흡수제거율을 높이면서, 식물의 왕성한 생장력을 유도하여 흡수되는 중금속의 함량을 극대화할 수 있다.

이하, 본 발명의 내용을 실시예 및 실험예를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이에 의해 제한되어서는 아니된다.

[실시예 1]

논토양에 중금속 흡수능이 있다고 알려진 3가지 양치식물로 봉의꼬리, 섬고사리, 개고사리를 식재하고, 뿌리 인근에 폴리아크릴레이트를 첨가하였다. 또, 대조구로 논토양에서 중금속 축적률을 확인하기 위해 상기 3종의 양치식물의 초기 식재 전 중금속 함량과 식재 150일 경과 후 중금속 함량을 비교해 보았다.

식재 전 봉의꼬리, 섬고사리, 개고사리 식재 전 중금속 함량(대조구)

식물명	부위	중금속(mg/kg)
		카드뮴	비소	납
봉의꼬리	상	-	4.21	5.12
	하	-	-	-
섬고사리	상	-	4.18	5.08
	하	-	-	-
개고사리	상	-	3.89	4.67
	하	-	-	0.25

식재 전 봉의꼬리, 섬고사리, 개고사리 식재 전 중금속 함량(실시예)

식물명	부위	중금속(mg/kg)
		카드뮴	비소	납
봉의꼬리	상	-	4.19	5.03
	하	-	-	-
섬고사리	상	-	4.08	5.01
	하	-	-	-
개고사리	상	-	3.93	4.55
	하	-	-	0.18

본 발명의 실험결과 양치식물 3종 모두 오염된 토양에 식재하기 전에는 카드뮴이 축적되어 있지 않았고 다른 중금속 성분도 미량만이 나왔다.

식재 후 150일 경과 후의 봉의꼬리, 섬고사리, 개고사리의 중금속 함량(대조구)

식물명	부위	중금속(mg/kg)
		카드뮴	비소	납
봉의꼬리	상	0.49	101.08	0.55
	하	-	34.05	43.66
섬고사리	상	0.12	5.14	2.91
	하	-	23.93	38.23
개고사리	상	0.68	241.36	2.03
	하	-	30.01	27.44

식재 후 150일 경과 후의 봉의꼬리, 섬고사리, 개고사리의 중금속 함량(실시예)

식물명	부위	중금속(mg/kg)
		카드뮴	비소	납
봉의꼬리	상	0.75	132.75	2.44
	하	-	96.23	120.65
섬고사리	상	0.37	15.39	7.08
	하	-	76.64	96.17
개고사리	상	2.86	775.18	5.88
	하	-	60.74	89.99

상기 실험결과에서와 같이 대조구의 경우에 비하여 본 발명 실시예의 경우 카드뮴, 비소 및 납의 흡수율이 모두 크게 증가한 것을 확인할 수 있어 본 발명에 따른 토양정화제를 사용할 경우 뿌리 인근으로 중금속의 이동을 유도하여 효과적으로 흡수 제거할 수 있어 중금속에 오염된 토양의 친환경 정화제로서 매우 효과적임을 알 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 식물의 뿌리 생장영역에 고흡수성 폴리머를 투입하여 매트릭포텐셜의 차를 제공하여 뿌리 방향으로 물과 오염물질의 이동을 유도하는 것에 의해 오염물질을 상기 식물이 흡수하여 제거하게 해주는 것을 특징으로 하는 식물재배정화법을 이용한 토양정화방법.
4. 제 3항에 있어서, 고흡수성 폴리머는 셀루로우스계, 스타치(starch)계, 또는 아크릴계 고분자인 것을 특징으로 하는 고흡수성폴리머를 함유하는 식물재배정화법을 이용한 토양정화방법.

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