KR101654565B1 - 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더 및 이를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더 및 이를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무기질 비료의 입상화 과정에서 암모니아성 가스와 같은 악취가 전혀 발생하지 않는 무기질 비료의 입상화용 바인더 및 이를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따라 제조된 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더는 무기질 비료의 입상화 과정에서 악취가 전혀 발생하지 않으며, 무기질 비료 원료 분말과의 결합력이 강하고 함수율이 낮아 균일한 입경을 가지면서 입상화 수율이 높은 입상 무기질 비료를 제공할 수 있다.

Description

무기질 비료의 입상화용 무취 바인더 및 이를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법{Odorless binder for granulization of inorganic fertilizer and method for manufacturing granulous inorganic fertilizer containing the same}

본 발명은 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더 및 이를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무기질 비료의 입상화 과정에서 암모니아성 가스와 같은 악취가 전혀 발생하지 않는 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더 및 이를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 석회질 비료 또는 규산질 비료와 같은 무기질 비료는 입상 형태(granule)로 제조되고 있는바, 무기질 비료를 입상화하는 방법으로서는 무기질 비료 분말에 바인더(조립제) 역할을 수행하는 당밀 또는 폐당밀 등의 아미노산 부산물 희석액을 스프레이 코팅하는 방법이 통상적으로 사용되고 있다. 그러나 종래의 아미노산 부산물계 바인더는 질소가 다량으로 함유되어 있으면서 pH가 5이하인 산성으로 무기질 비료의 알칼리 성분과 반응하여 암모니아성 가스와 같은 악취를 발생시켜 환경오염 및 비료설비 인근에 민원을 야기하는 문제점이 있다.

따라서 이러한 문제점을 해결하고자 무기질 비료의 입상화 공정에서 바인더를 40~85℃로 가열하고 교반함으로써 악취물질을 배출 및 연소시키는 과정을 도입하고, 또한 상기 악취물질 중에서 암모니아 가스를 pH 6.5~7.5인 물로 세정하는 과정, 미세정된 일부 암모니아 가스를 황산액으로 세정하여 황산암모늄으로 회수하는 과정 등을 포함하는 입상비료 제조방법이 공지된바 있으나, 연소설비 및 세정탑과 같은 고가의 시설을 구비해야 하고, 그에 따라 전반적인 입상 무기질 비료 제조공정이 복잡해지는 단점이 있다(특허문헌 1).

한편, 상기 악취제거설비 및 복잡한 제조공정을 피하면서 무기질 비료의 입상화 과정에서 발생하는 악취를 효과적으로 제거하기 위하여 입상비료의 원료에 첨가제로서 황산아연, 황산철, 황산망간, 황산알루미늄 또는 황산나트륨과 같은 황산화합물을 부가하고, 바인더로서 황산화합물과 반응하는 인산암모늄, 질산암모늄, 황산암모늄, 요소 또는 그 수화물을 사용하여 무기질 비료를 입상화하는 기술이 알려져 있으나, 첨가제를 반드시 포함하여야 하고 첨가제와의 반응성을 고려하여 바인더의 선택에 제한이 생긴다는 문제점을 갖고 있다(특허문헌 2).

또한, 셀룰로오스계 천연고분자의 바인더로서 높은 결합력을 이용하기 위하여 셀룰로오스를 수용성이 되도록 셀룰로오스의 히드록시기를 알칼리로 처리한 후 모노클로로아세트산과 반응시켜 얻어진 카르복시메틸셀룰로오스를 입상 고토 비료의 바인더로 사용함으로써 입상 고토 비료를 제조하는 방법도 공지되어 있는바, 종래 입상 비료 제조를 위한 바인더로서 아미노산 부산물계를 사용하던 것에 비하여 악취를 감소시킬 수는 있었으나, 카르복시메틸셀룰로오스의 매우 높은 흡습성으로 인하여 입상 형태를 안정하게 유지하는 것이 쉽지 않고, 고유의 높은 분자량으로 인하여 수용액 상태에서 점도가 너무 높아 입상화 과정에서 비료 분말에 균일하게 스프레이 하는 것이 어려운 단점이 있다(특허문헌 3).

따라서 본 발명자는 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더를 개발하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 바인더로서 결합력이 강한 황토를 주성분으로 하고 셀룰오스계 유도체와 친수성 합성고분자 및 안정제를 병용하여 무기질 비료의 입상화용 바인더를 제조하면, 무기질 비료의 입상화 과정에서 악취가 전혀 발생하지 않음은 물론이고, 무기질 비료 원료 분말과의 결합력이 강하며 흡습성이 조절되어 균일하고 안정적인 입상 형태를 유지할 수 있는 바인더 및 이를 포함하는 입상 무기질 비료를 제공할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

특허문헌 1 등록특허공보 제10-1077096호 특허문헌 2 등록특허공보 제10-0771489호 특허문헌 3 등록특허공보 제10-0711848호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 무기질 비료의 입상화 과정에서 악취가 전혀 발생하지 않으며, 무기질 비료 원료 분말과의 결합력이 강하고 흡습성이 낮은 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더 및 이를 포함하는 균일한 입경을 가지면서 입상화 수율이 높은 입상 무기질 비료의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탈이온수 100 중량부에 대하여 a) 황토 10 내지 20 중량부, (b) 카르복시메틸셀룰로오스 0.1 내지 2 중량부, (c) 히드록시프로필셀룰로오스 0.5 내지 2.5 중량부, (d) 폴리비닐알코올 1 내지 5 중량부 및 (e) 아라비아 검 또는 구아 검 0.1 내지 1 중량부를 포함하는 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더를 제공한다.

상기 카르복시메틸셀룰로오스는 치환도가 0.7~1.2이고, 수평균분자량이 10,000~100,000인 것을 특징으로 한다.

상기 히드록시프로필셀룰로오스는 치환도가 0.1~1.0이고, 수평균분자량이 10,000~20,000인 것을 특징으로 한다.

상기 폴리비닐알코올은 수평균분자량이 100,000~200,000인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더를 포함하는 입상 무기질 비료를 제공한다.

상기 입상 무기질 비료는 평균입경이 2.0~5.0 mm인 것을 특징으로 한다.

상기 무기질 비료는 석회질 비료 또는 규산질 비료인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 I) 무기질 비료 원료 분말을 제공하는 단계; II) 상기 무기질 비료 원료 분말에 탈이온수 100 중량부에 대하여 a) 황토 10 내지 20 중량부, (b) 카르복시메틸셀룰로오스 0.1 내지 2 중량부, (c) 히드록시프로필셀룰로오스 0.5 내지 2.5 중량부, (d) 폴리비닐알코올 1 내지 5 중량부 및 (e) 아라비아 검 또는 구아 검 0.1 내지 1 중량부를 포함하는 무취 바인더를 분사하여 입상화하는 단계; 및 III) 상기 입상화된 무기질 비료를 건조하는 단계;를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법을 제공한다.

상기 II) 단계의 분사는 고압펌프를 이용하여 노즐로 스프레이 하는 것을 특징으로 한다.

상기 III) 단계의 건조는 100~200℃에서 30~60분 동안 열풍건조 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 제조된 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더는 무기질 비료의 입상화 과정에서 악취가 전혀 발생하지 않으며, 무기질 비료 원료 분말과의 결합력이 강하고 함수율이 낮아 균일한 입경을 가지면서 입상화 수율이 높은 입상 무기질 비료를 제공할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더 및 이를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 탈이온수 100 중량부에 대하여 a) 황토 10 내지 20 중량부, (b) 카르복시메틸셀룰로오스 0.1 내지 2 중량부, (c) 히드록시프로필셀룰로오스 0.5 내지 2.5 중량부, (d) 폴리비닐알코올 1 내지 5 중량부 및 (e) 아라비아 검 또는 구아 검 0.1 내지 1 중량부를 포함하는 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더를 제공한다.

먼저, 본 발명에서는 무기질 비료 입상화용 무취 바인더의 주성분으로서 황토를 사용하는바, 황토(loess)는 일반적으로 누르고 거무스름한 흙 황양을 말하는 것으로, 바람에 의하여 운반되어 퇴적된 담황색의 미세한 모래와 점토는 실트 크기의 입자들로 구성되어 있다. 탄산칼륨에 의해 느슨하게 교절되어 대개 균질하고 층리가 발달되어 있지 않으며 공극률이 크다. 이러한 황토는 잿빛이 나는 황색의 석영이나 장석 등의 미립의 퇴적으로서 결합력이 매우 강하여 시멘트 콘크리트를 대체할 수 있을 정도이다. 따라서 본 발명에서는 황토와 무기질 비료의 석회 성분 간에 포졸란 반응을 유도함으로써 바인더로서 기능 및 작용을 하게 되는데, 본 발명에 따른 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더에서는 탈이온수 100 중량부에 대하여 황토 10 내지 20 중량부를 혼합하는바, 황토의 함량이 10 중량부 미만이면 결합력이 약해질 수 있고, 황토의 함량이 20 중량부를 초과하면 결합 부위에서 균열이 생겨 균일한 입상의 무기질 비료를 얻기 어렵다.

또한, 본 발명에서는 황토만을 바인더로 적용하였을 때 발생하는 갈라짐 현상을 방지하기 위하여 보조적인 바인더 성분으로서 고유의 접착력을 갖고 있는 수용성 셀룰로오스계 유도체 및 합성고분자를 혼합하여 사용한다. 상기 수용성 셀룰로오스계 유도체로서는 카르복시메틸셀룰로오스와 히드록시프로필셀룰로오스를 바람직하게 사용한다.

카르복시메틸셀룰로오스는 셀룰로오스의 글루코스 단위에 위치한 히드록시기(-OH)가 카르복시메틸기(-CH₂COO)로 치환된 것으로서, 셀룰로오스의 히드록시기를 수산화나트륨(NaOH)과 같은 알칼리로 처리하여 활성화시킨 후 모노클로로아세트산(CH₂ClCOOH)을 반응시킴으로써 얻을 수 있는 대표적인 수용성 셀룰로오스계 유도체이다. 상기 카르복시메틸셀룰로오스는 접착제로 사용될 정도로 접착력이 매우 강할 뿐만 아니라, 칼슘(Ca²⁺), 마그네슘(Mg²⁺) 등의 2가 금속이온과 이온 착체를 형성하여 망상 구조를 형성하므로 본 발명의 황토 성분 또는 무기질 비료의 2가 금속이온과 결합함으로써 입상화를 촉진시킬 수 있다.

또한, 히드록시프로필셀룰로오스는 셀룰로오스의 글루코스 단위에 위치한 히드록시기(-OH)가 히드록시프로필기(-CH₂CHOHCH₃)로 치환된 것으로서, 셀룰로오스의 히드록시기를 수산화나트륨(NaOH)과 같은 알칼리로 처리하여 활성화시킨 후 프로필렌옥시드(CH₂OCHCH₃)를 반응시킴으로써 얻을 수 있는 또 하나의 대표적인 수용성 셀룰로오스계 유도체이다. 상기 히드록시프로필셀룰로오스는 접착력이 강할 뿐만 아니라, 카르복시메틸셀룰로오스와는 달리 물 이외의 통상의 유기용매에도 용해되는 특성을 갖고 있어 유기 바인더로서 널리 사용되고 있으므로, 본 발명에서는 상기 카르복시메틸셀룰로오스와 히드록시프로필셀룰로오스를 모두 사용함으로써 무기질 비료의 입상화 촉진 효과를 극대화할 수 있다.

그런데 상기 카르복시메틸셀룰로오스의 함량이 탈이온수 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만, 히드록시프로필셀룰로오스의 함량이 탈이온수 100 중량부에 대하여 0.5 중량부 미만이면 결합력이 충분하지 못하여 황토의 갈라짐 현상을 방지하는 효과가 미미하므로 무기질 비료 원료 분말을 입상으로 응집시키기 쉽지 않고, 그함량이 각각 탈이온수 100 중량부에 대하여 2 중량부 및 2.5 중량부를 초과하면 점도가 너무 높아 균일한 입상의 무기질 비료를 얻기 어렵다. 따라서 본 발명에 따른 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더에서는 탈이온수 100 중량부에 대하여 카르복시메틸셀룰로오스 0.1 내지 2 중량부 및 히드록시프로필셀룰로오스 0.5 내지 2.5 중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 카르복시메틸셀룰로오스 및 히드록시프로필셀룰로오스는 각각의 치환도(셀룰로오스의 글루코스 단위에 존재하는 3개의 히드록시기들 중에 카르복시메틸기 또는 히드록시프로필기로 치환된 히드록시기들의 수)와 수평균분자량이 수용성 및 점도에 의거하여 바인더로서의 성능을 좌우할 수 있는바, 상기 카르복시메틸셀룰로오스는 치환도가 0.7~1.2이고, 수평균분자량이 10,000~100,000인 것, 상기 히드록시프로필셀룰로오스는 치환도가 0.1~1.0이고, 수평균분자량이 10,000~20,000인 것이 더욱 바람직하다.

아울러 본 발명에서는, 무기질 비료 입상화용 무취 바인더의 결합력을 극대화시키기 위한 보조적인 바인더 성분으로서 수용성 합성고분자인 폴리비닐알코올을 병용하는바, 폴리비닐알코올은 수용성이면서 고유의 접착력을 갖고 있을 뿐만 아니라, 분자 내에 히드록시기를 포함하고 있어 상기 카르복시메틸셀룰로오스 및 히드록시프로필셀룰로오스와 수소결합 등에 의하여 블렌딩이 용이하게 이루어지므로 무기질 비료 원료 분말의 입상화를 효율적으로 수행하는데 기여한다. 상기 폴리비닐알코올은 수평균분자량이 100,000~200,000인 것이 점도를 적절히 조절할 수 있어 더욱 바람직하다.

한편, 상기 바인더 성분들만으로는 흡습성이 너무 강하여 습기가 있는 곳에서는 저장 안정성이 떨어질 수 있고, 강한 접착력으로 인하여 비료가 너무 굳어지는 경향이 있을 수 있어 안정제로서 탈이온수 100 중량부에 대하여 고무상의 아라비아 검 또는 구아 검 0.1 내지 1 중량부를 혼합함으로써 흡습성을 낮추어 저장 안정성을 향상시키면서 동시에 유연성을 부여한다.

또한, 본 발명은 석회질 비료 또는 규산질 비료와 같은 상기 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더를 포함하는 입상 무기질 비료를 제공할 수 있는바, 상기 입상 무기질 비료는 평균입경이 2.0~5.0 mm인 것이 바람직한데, 그 평균입경이 2.0 mm미만이면 논이나 밭에 무기질 비료를 균일하게 살포하기 어렵고, 평균입경이 5.0 mm를 초과하면 무기질 비료를 살포한 후 토양에 흡수되는 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 이하에서는 본 발명에 따른 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.

즉, 본 발명에서는 I) 무기질 비료 원료 분말을 제공하는 단계; II) 상기 무기질 비료 원료 분말에 탈이온수 100 중량부에 대하여 a) 황토 10 내지 20 중량부, (b) 카르복시메틸셀룰로오스 0.1 내지 2 중량부, (c) 히드록시프로필셀룰로오스 0.5 내지 2.5 중량부, (d) 폴리비닐알코올 1 내지 5 중량부 및 (e) 아라비아 검 또는 구아 검 0.1 내지 1 중량부를 포함하는 무취 바인더를 분사하여 입상화하는 단계; 및 III) 상기 입상화된 무기질 비료를 건조하는 단계;를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법을 제공한다.

먼저, 석회질 비료 또는 규산질 비료와 같은 무기질 비료 원료 분말을 얻은 후, 상기 무기질 비료 원료 분말에 상술한 바와 같은 탈이온수 100 중량부에 대하여 a) 황토 10 내지 20 중량부, (b) 카르복시메틸셀룰로오스 0.1 내지 2 중량부, (c) 히드록시프로필셀룰로오스 0.5 내지 2.5 중량부, (d) 폴리비닐알코올 1 내지 5 중량부 및 (e) 아라비아 검 또는 구아 검 0.1 내지 1 중량부를 포함하는 바인더를 분사하여 입상화한다.

이때, 입상화 하는 과정에서 바인더를 분사함에 있어서는 고압펌프를 이용하여 노즐로 스프레이 하는 것이 바람직하며, 상기 입상화 과정에서는 종래 당밀 또는 폐당밀과 같은 아미노산 부산물계 희석액을 바인더로 사용할 때에 비하여 전혀 악취가 발생하지 않는다.

이어서 상기 입상화된 무기질 비료를 건조함으로써 목적물인 입상 무기질 비료를 얻게 되는데, 이때 건조과정에서는 100~200℃에서 30~60분 동안 열풍건조를 수행하는 것이 수분을 잔류시키지 않으면서 에너지 비용도 저감할 수 있어 바람직하다. 이하에서는 본 발명에 따른 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더를 포함하는 입상 무기질 비료의 제조방법에 관한 실시예 및 비교예를 구체적으로 서술한다.

( 실시예 ) 입상 규산질비료의 제조

수재슬래그 분말 90 중량% 및 칼륨 화합물(KCl) 10 중량%가 혼합된 규산질 비료 원료 분말 10kg을 얻었다. 이어서 탈이온수 1kg에 대하여 황토 150g, 카르복시메틸셀룰로오스 10g, 히드록시프로필셀룰로오스 5g, 폴리비닐알코올 20g 및 아라비아 검 3g을 혼합한 바인더 수용액을 고압펌프를 이용하여 상기 규산질 비료 원료 분말에 스프레이 함으로써 규산질 비료 원료 분말을 입상화 시켰다. 상기 입상화된 규산질 비료를 100℃에서 30분 동안 열풍으로 건조하여 입상 규산질 비료를 제조하였다.

(비교예) 입상 규산질비료의 제조

상기 실시예에서 사용한 바인더 수용액 대신에 탈이온수 1kg에 대하여 바인더로서 폐당밀 200g을 혼합한 바인더 수용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 입상 규산질 비료를 제조하였다.

표 1에 상기 실시예 및 비교예로부터 제조된 입상 규산질 비료 샘플의 평균입경, 함수율, 입상화 수율 및 입상화 과정 중의 악취 발생 여부를 나타내었다.

샘플	평균입경(mm)	함수율(%)	입상화 수율(%)	악취 발생 여부
실시예	3.5	2	95	×
비교예	6.0	10	75	○

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예로부터 제조된 입상 규산질 비료는 입상화 과정 중에 악취가 전혀 발생하지 않는데 비하여, 비교예로부터 제조된 입상 규산질 비료는 종래 바인더인 아미노산 부산물계 페당밀 수용액을 사용함에 따라 악취가 심하게 발생하는 것을 확인하였다.

또한, 본 발명에 따른 무취 바인더를 사용한 입상 규산질 비료는 평균입경이 3.5 mm이므로 토양에 균일하게 살포 및 신속하게 흡수될 수 있는 반면, 비교예에 따라 제조된 입상 규산질 비료는 평균입경이 6.0 mm로 비교적 크기 때문에 비료를 균일한 범위로 살포하기 쉽지 않고 토양에 흡수되는 시간도 상대적으로 오래 걸릴 것으로 예상된다.

아울러 본 발명의 실시예로부터 제조된 입상 규산질 비료는 함수율이 2%에 불과하여 저장 안정성이 양호하나, 비교예로부터 제조된 입상 규산질 비료는 실시예와 동일한 건조과정을 거쳐도 함수율이 10% 정도로 높아 저장 안정성이 떨어질 뿐만 아니라, 비료 입자끼리 다시 뭉쳐지는 경향이 있어 상기 표 1에 나타낸 것처럼 입상화 수율도 실시예에 비하여 현저하게 떨어지는 것으로 확인되었다.

그러므로 본 발명에 따라 제조된 무기질 비료의 입상화용 무취 바인더는 무기질 비료의 입상화 과정에서 악취가 전혀 발생하지 않으며, 무기질 비료 원료 분말과의 결합력이 강하고 함수율이 낮아 균일한 입경을 가지면서 입상화 수율이 높은 입상 무기질 비료를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 탈이온수 100 중량부에 대하여 a) 황토 10 내지 20 중량부, (b) 카르복시메틸셀룰로오스 0.1 내지 2 중량부, (c) 히드록시프로필셀룰로오스 0.5 내지 2.5 중량부, (d) 폴리비닐알코올 1 내지 5 중량부 및 (e) 아라비아 검 또는 구아 검 0.1 내지 1 중량부를 포함하는 규산질 비료의 입상화용 무취 바인더.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 따른 규산질 비료의 입상화용 무취 바인더를 포함하는 입상 규산질 비료.
6. 제5항에 있어서, 상기 입상 규산질 비료는 평균입경이 2.0~5.0 mm인 것을 특징으로 하는 입상 규산질 비료.
7. 삭제
8. I) 규산질 비료 원료 분말을 제공하는 단계;
   II) 상기 규산질 비료 원료 분말에 탈이온수 100 중량부에 대하여 a) 황토 10 내지 20 중량부, (b) 카르복시메틸셀룰로오스 0.1 내지 2 중량부, (c) 히드록시프로필셀룰로오스 0.5 내지 2.5 중량부, (d) 폴리비닐알코올 1 내지 5 중량부 및 (e) 아라비아 검 또는 구아 검 0.1 내지 1 중량부를 포함하는 무취 바인더를 분사하여 입상화하는 단계; 및
   III) 상기 입상화된 규산질 비료를 건조하는 단계;를 포함하는 입상 규산질 비료의 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 II) 단계의 분사는 고압펌프를 이용하여 노즐로 스프레이 하는 것을 특징으로 하는 입상 규산질 비료의 제조방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 III) 단계의 건조는 100~200℃에서 30~60분 동안 열풍건조 하는 것을 특징으로 하는 입상 규산질 비료의 제조방법.