KR101479524B1 - 천연제올라이트를 이용하여 식물 생장에 필요한 미량 성분을 포함한 다공성 세라믹 담체 제조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 수경재배에 사용되는 고형배지를 대체하기 위한 것으로서, 천연제올라이트를 주원료로 하여 미량 원소를 포함하는 고형분을 혼합하여 성형한 후, 소성 및 질소 성분 함침을 하여 작물이 잘 생장할 수 있도록 하기 위한 다공성 세라믹 담체의 제조 방법에 관한 것이다. 입자 크기는 3mm 이하로 구성되고 토양과 유사한 미네랄 성분들을 함유하고 있으며 기존의 천연제올라이트 소성물보다 공극율이 크며, 천연제올라이트 자체에 포함되어 있지 않는 다양한 미네랄 성분들이 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

천연제올라이트를 이용하여 식물 생장에 필요한 미량 성분을 포함한 다공성 세라믹 담체 제조 {Fabrication of Porous Ceramics including trace elements for plants with Natural Zeolite }

본 발명은 기존 수경재배의 고형배지로 사용되고 있는 버미큘라이트, 펄라이트, 코코피트 등을 대체하기 위한 것으로서, 천연제올라이트를 주원료로 하여 미량 원소가 포함된 고형분을 혼합하여 성형한 후, 소성 및 질소 성분 함침을 하여 작물이 잘 성장할 수 있도록 하기 위한 다공성 세라믹 담체의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 천연제올라이트와 고형분을 균일하게 혼합시켜 3mm 이하 입자를 생산하는 기술에 관한 것이다.

특허 등록 1005026240000은 섬유부산물 보온덮개를 이용한 과채류의 양액재배용 배지에 관한 것으로서, 섬유부산물 보온덮개를 소재로 한, 과채류의 새로운 양액재배용 배지에 제공된다. 양액재배는 토양환경과 수질오염을 극소화하면서 작물의 생산성 극대화, 고품질화, 연작장해 극복을 이루어 낼 수 있는 환경친화형 재배기술이다. 국내 양액재배 면적은 최근 몇 년간 급격한 증가를 보이고 있으며, 양액재배용 배지는 전체 수경재배 면적의 약 80%가 암면과 펄라이트 배지를 사용하고 있으며 기타 코코피트나 왕겨 등의 혼합배지를 사용하고 있다.

특허 등록 2001422650000은 수경재배용 고형 복합배지에 관한 것으로서, 발포 펄라이트와 흡수성 암면판으로 구성되는 수경재배용 고형복합배지에 관한 것이다. 고형배지로는 암면(Rockwool), 펄라이트, 피트모스, 발포성 우레탄 등을 각각 단독으로 사용하고 있는 것이 일반적이며, 구조적인 문제로 인하여 양액 소모가 높다는 문제점을 안고 있다.

이와 같이 현재까지 개발된 배지는 수분의 흡수율이 낮고 토양을 통하여 공급받는 각종 미량 미네랄 성분들을 실질적으로 공급해 주지 못하고 있을 뿐만 아니라 오염시 재사용이 불가능하며, 배지의 하부에 수분이 과하여 뿌리의 생육을 저해하는 경우가 많다.

종래의 방법으로 천연제올라이트와 기능성 물질의 분말을 상호 혼합하기 위해서는 2개 물질을 혼합기에 넣고 혼합한 후, 물을 주입하여 반죽을 하고 이후에 압착기로 압착하여 원하는 크기로 성형을 한다. 이와 같은 방법으로 성형을 할 경우 주성분인 제올라이트 분말과 미량 원소를 포함하는 분말의 균일한 혼합이 잘 이루어지지 않고 생산설비와 비용이 많이 들어가는 단점이 있다. 또한 이와 같은 방법으로는 3mm 이하의 작은 성형물을 만들 수가 없다.

고형배지를 이용하여 수경재배를 할 경우, 배지는 무균상태이어야 하고 물리화학적 성질이 우수하여 무기양분을 흡착하지 말아야 하며, 환경을 오염시키지 말아야 한다. 그러나 이러한 조건을 모두 충족시킬만한 배지의 개발이 현재 이루어지지 못하고 있어 새로운 소재의 탐색과 개발을 위한 지속적인 노력이 시행되고 있다. 종래에는 수경재배용 고형배지로 버미큘라이트, 펄라이트, 코코피트가 사용되고 있다. 이와 같은 고형배지는 배지자체에서 작물 성장에 필요한 무기질 미량 원소들이 용출되지 않으며, 1~2회 사용 후에 오염에 의한 재사용이 불가능하여 폐기물화 됨으로써 2차적인 오염원을 야기하는 문제점이 있다. 또한 이들 배지들은 입자성이 균질화되지 못하여 뿌리생육에 저해 요소로 작용하며, 다공성으로 이루어졌으나 기공 크기가 1mm 이상으로 높게 분포되어 있어 흡수된 수분이 쉽게 증발하는 문제점이 있다.

천연제올라이트 자체로만 담체를 제조할 경우, 칼슘과 구리와 같이 일부 미네랄 성분들이 존재하지 않아 작물 생장에 필요한 필수 미네랄 성분들의 용출을 기대하기 어려우며, 소성단계에서 기공율이 낮아져 흡수할 수 있는 물의 양이 적어진다. 또한, 토양과 유사한 수경재배용 세라믹 담체가 되기 위해서는 2개 물질을 균일하게 혼합하여 입자 크기가 3mm 이하로 생산할 수 있는 기술이 이루어져야 한다.

주원료인 천연제올라이트 분말에 작물 생장시 필요한 필수 미네랄 원소를 균일하게 첨가하여 다공성 세라믹 담체를 제조한다. 성형과정과 소성과정을 거쳐 다공성 세라믹화 하고, 질소성분을 포함하는 용액을 침투시킨 후, 건조시킴으로써 소성과정에서 유실된 질소 성분을 보충할 수 있다. 이와 같이 제조된 다공성 세라믹 담체는 작물 생장에 필요한 미량 원소들이 수분과 접촉시 용출된다.그리고 세라믹 담체 입자 크기를 토양과 유사한 3mm 이하로 제조하여 뿌리 생육에 활성을 나타내도록 하며, 기공율을 높여 수분 흡수력을 증대시키고, 기공 크기를 0.1mm 이하로 제조하여 보습력을 증대시켜 수분이 쉽게 증발되지 않도록 할 수 있다. 미량 원소가 포함된 고형분을 천연제올라이트에 균일하게 혼합하여 3mm 이하의 입자로 제조하기 위해서는 고형분을 현탁액으로 제조하고 이 현탁액을 천연제올라이트 분말에 분사하여 성형된 입자들을 얻을 수 있다. 질소 성분을 함침시키기 위해서는 작물 생장에 해를 나타내지 않는 농도로 제조된 용액을 다공성 세라믹 담체에 침투시킴으로써 해결할 수 있다.

본 발명에 의한 세라믹 담체는 주성분인 천연제올라이트와 미량 원소가 포함된 고형분으로 이루어진 것으로, 토양과 유사한 물질이므로 토양으로부터 공급받는 미량 원소들을 그대로 작물에게 공급할 수 있는 효과가 있다.

세라믹 담체의 60% 이상이 기공이며, 기공의 크기가 마이크로미터 단위로서 보습력이 우수하고 수분 흡수와 동시에 각종 작물 생장에 필요한 필수 미네랄 원소들이 용출되는 효과가 있다.

천연제올라이트에는 작물 생장에 필요한 필수 미네랄 성분이 모두 갖추어져 있지 않지만 미량 원소가 포함된 고형분을 혼합함으로써, 작물 생장에 필요한 필수 미량 원소 성분이 용출되는 효과가 있다.

세라믹 담체를 수경재배용 고형배지로 사용시 소성과정만을 거쳐 반영구적으로 재사용이 가능하므로서 환경오염과 같은 2차 오염원을 발생시키지 않는 효과가 있다.

미량 원소가 포함된 고형분을 물과 혼합하여 현탁액 상태로 만든 후, 천연제올라이트 분말에 분사하여 입자 크기가 3mm 이하만으로 제조함으로써, 천연제올라이트와 미량 원소가 포함된 고형분을 균일하게 혼합할 수 있는 동시에 생산공정 간소화에 따른 생산원가 절감 효과가 있다.

도 1) 수경재배용 배지로 사용하기 위한 다공성 세라믹 담체 제조 방법

천연제올라이트는 다공성 광물로서 각종 병원균이나 곰팡이 등을 흡착 제거하는 기능이 있으므로, 작물의 질병을 방지할 수 있다. 양이온 교환능에 기인한 양이온성 비료성분의 보유력이 우수하고 높은 환경 친화력을 가지고 있어 무기질 비료의 원료로서의 이상적인 특성을 갖추고 있다. 제올라이트의 미세 공극 내에 식물체가 이용할 수 있는 각종 무기질 성분들을 충진시킬 경우, 미량 원소가 포함된 인공토양으로 이용할 수 있다.

미량 원소가 포함된 고형분의 조성은 규소산화물(SiO₂) 30-50중량%, 알루미늄산화물(Al₂O₃) 40-60중량%, 칼륨산화물(K₂O) 1-3중량%, 칼슘산화물(CaO) 1-3중량%, 마그네슘산화물(MgO) 0.5-1.5중량%, 붕소산화물(B₂O₃) 0.05-0.5중량%, 구리산화물(CuO) 0.01-0.1중량%, 철산화물(Fe₂O₃) 3-7중량%, 망간산화물(MnO) 0.1-0.5중량%, 아연산화물(ZnO) 0.01-0.1중량%가 포함되어야 한다. 종래에는 수경재배용 고형배지로 버미큘라이트, 펄라이트, 코코피트를 사용하여 왔으나 이들은 자체적으로 작물 생장에 필요한 필수 무기질 성분를 용출시키지 못하는 문제점들과 수분 흡수 및 보습 효과가 낮아 지속적으로 양액을 주입해야 하는 문제점들을 안고 있다.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 천연제올라이트와 미량 원소가 포함된 고형분을 균일하게 혼합하여 입자 크기가 3mm 이하인 다공성을 갖는 세라믹 담체를 제조하고 질소 성분을 함침시켜 수경재배용 고형배지로 사용할 수 있도록 하였다.

본 발명은 종래의 기술과 달리 볼밀이나 분말 혼합기를 사용하지 않고 2개 이상의 분말이 균일하게 혼합된 성형물을 제조하는 방법인 동시에 압출기와 성형기로 제조가 불가능한 입자 크기 3mm 이하의 성형물을 제조하는 기술을 포함한다.

입자 크기가 3mm 이하인 성형물을 제조하기 위해 물을 분무하여 분무된 입자가 천연제올라이트 분말에 접촉하여 성형체가 만들어질 수 있도록 하였다. 그리고 성형체에 미량 원소를 포함하는 고형분을 혼합하기 위해 물에 미량 원소를 포함하는 고형분을 혼합하여 현탁액 상태로 만들어 분무함으로써 현탁액에 포함된 미량 원소의 고형분과 천연제올라이트 분말이 균일하게 혼합된 성형체를 만들 수 있다.

상기 방법에 의해 2개 이상의 분말을 균일하게 혼합하여 입자크기를 3mm 이하로 제조할 수 있는 방법은 종래에는 알려져 있지 않은 기술로, 성형물 제조에 있어서 생산비용 절감은 물론 대량 생산이 가능하다.

구체적인 제조 방법은 도면 1에서 보는 바와 같이 1단계) 고형분을 현탁액으로 제조하는 단계, 2단계) 천연제올라이트 분말을 회전판에서 회전시키는 단계, 3단계) 회전판에 현탁액을 분무하는 단계, 4단계) 회전판에서 성형되는 단계, 5단계) 성형물을 건조하는 단계, 6단계) 건조물을 소성하고 냉각시키는 단계, 7단계) 질소성분을 함침시키는 단계, 8단계) 다시 건조 후, 포장하는 단계로 이루어진다.

1단계로 고형분을 현탁액으로 제조하기 위한 방법으로는 고형분을 물에 분산시켜 사용 전에 60 mesh 체를 이용하여 고형분 입자 크기가 뭉쳐져 있거나 외부로부터 유입될 수 있는 큰 입자성 물질들을 제거한다. 물에 분산시킨 고형분의 비율은 5~10중량%, 바람직하게는 8중량% 현탁액으로 만든다. 5중량% 미만으로 현탁액을 만들면 분무시 천연제올라이트에 존재하지 않는 무기질 미량 원소의 함량 또한 낮아 작물 생장에 바람직하지 못하다. 고형분이 10중량%를 초과하면 분무가 제대로 이루어지지 않는 특성이 있다.

2단계는 천연제올라이트 분말을 회전판에서 회전시키는 단계로서, 천연제올라이트 분말의 입자 크기는 0.05~0.5mm을 사용하고 회전판의 회전 속도는 100~200rpm으로 하며, 바람직하게는 150rpm으로 한다. 천연제올라이트 분말의 입자 크기가 0.05mm 미만이면 소성 후 세라믹 담체의 강도가 약하고, 0.5mm를 초과하면 성형체의 크기가 3mm 이상으로 크게 만들어지는 문제점이 있다. 회전판의 회전 속도를 100rpm 미만으로 하여 현탁액을 분무시 현탁액이 천연제올라이트 분말에 국부적으로 분무되어 성형체의 입자 크기가 10mm 이상으로 크게 생성되며, 200rpm 초과시 과다한 원심력에 의하여 천연제올라이트 분말들이 회전판 외부로 날려 성형이 정상적으로 이루어지지 않는다.

3단계는 회전판에 현탁액을 분무하는 단계로서, 분무 노즐은 원형분사노즐로 분사각도 60도로하며, 노즐 직경은 1mm를 사용하며, 분무량은 노즐당 100ml/min로 한다. 상기 분무량 보다 분무량이 적은 경우는 작은 현탁액 입자를 생성시켜 천연제올라이트 분말에 떨어져 3mm 이하의 작은 세라믹 담체를 생성시키지만 생산량이 적어서 경제성이 저하된다. 분무량이 많을 경우는 분무되는 현탁액 입자들이 분무과정에서 상호 응축되어 현탁액 입자크기가 커진 상태에서 천연제올라이트 분말에 떨어져 3mm 이상의 큰 세라믹 담체를 생성시키는 문제점이 있다.

4단계는 회전판에서 성형이 이루지는 단계로서, 분무되는 현탁액과 천연제올라이트 분말이 결합되어 회전판에서 성형이 이루어짐으로서, 현탁액에 포함된 고형분과 천연제올라이트 분말이 균일하게 혼합되면서 입자크기가 3mm 이하인 세라믹 담체가 만들어진다.

5단계는 소성 전 건조 단계로서 섭씨 150도에서 30분 건조시키고, 6단계는 섭씨 800도에서 1시간 소성 후 자연 냉각 시킨다. 7단계는 질소성분 함침 단계로서 0.05~0.5중량%의 요소비료, 바람직하게는 0.1중량%의 요소비료가 혼합된 요소비료용액으로 제조하고 상기 요소비료 용액을 소성된 세라믹 담체에 침투시킨다. 요소비료가 0.05중량% 미만이면 질소 성분의 함량이 낮아 작물이 잘 생장하지 못하며, 0.5중량% 초과하면 요소비료 성분 과다로 인하여 작물이 말라 죽는 특성이 있다. 요소비료 침투 방법은 요소비료용액에 소성된 세라믹 담체를 완전히 잠기도록 넣고 초기에 발생되는 공기 방울이 더 이상 발생되지 않을 때까지 방치한 후 요소비료 용액을 제거하고 8단계에서 다시 상온에서 자연적으로 건조시킴으로써 질소 성분이 포함된 다공성 세라믹 담체를 제조한다.

Claims (3)

1. 수경재배 시 고형배지에 사용하는 세라믹 담체를 제조하는 방법에 있어서,
   규소산화물(SiO₂) 30~50중량%, 알루미늄산화물(Al₂O₃) 40~60중량%, 칼륨산화물(K₂O) 1~3중량%, 칼슘산화물(CaO) 1~3중량%, 마그네슘산화물(MgO) 0.5~1.5중량%, 붕소산화물(B₂O₃) 0.05~0.5중량%, 구리산화물(CuO) 0.01~0.1중량%, 철산화물(Fe₂O₃) 3~7중량%, 망간산화물(MnO) 0.1~0.5중량%, 아연산화물(ZnO) 0.01~0.1중량%로 혼합한 조성물을 60메쉬로 분쇄하여 고형분을 생성하고, 상기 고형분 5~10중량%에 물 90~95중량%를 혼합하여 현탁액을 제조하는 1단계;
   입자의 크기가 0.05~0.5mm로 분쇄한 천연제올라이트 분말을 회전판에 투입해서 100~200RPM으로 회전하는 2단계;
   상기 현탁액을 회전하는 천연제올라이트 분말에 1mm 직경을 지닌 노즐로 분당 100ml를 분사각도 60도에서 분무하는 3단계;
   상기 현탁액과 회전하는 천연제올라이트 분말이 결합되어 세라믹 담체로 성형하는 4단계;
   상기 성형한 세라믹 담체를 섭씨 150도에서 30분간 건조하는 5단계;
   상기 건조한 세라믹 담체를 섭씨 800도에서 1시간 소성한 후 냉각하는 6단계;
   상기 냉각한 세라믹 담체를 요소비료 0.05~0.5 중량%가 혼합된 요소비료용액에 침지한 다음, 요소비료용액을 제거하여 질소성분을 함침하는 7단계;
   상기 함침한 세라믹 담체를 건조하는 8단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 천연제올라이트를 이용하여 식물 생장에 필요한 미량 성분을 포함한 다공성 세라믹 담체의 제조방법.
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