KR101743543B1 - 산성 토양 복구를 위한 토양안정제 및 이를 이용한 토양 입단화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토양안정제 및 이를 이용한 토양 입단화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 토양 입단화 방법은 산성 토양에 토양안정제를 살포하여 산성 토양을 중화시키고 산성 토양을 입단화시키기 위한 것으로서, 토양안정제는 산성 토양에 칼슘을 공급하며 산성 토양을 중화시키는 중화제 및 중화제의 칼슘 이온과 함께 토양을 입단화하는 폴리아크릴아마이드를 포함하는 것에 특징이 있다.

Description

산성 토양 복구를 위한 토양안정제 및 이를 이용한 토양 입단화 방법{Soil stabilizer composition and Method of soil aggregation for remedying acidic soil using the same}

본 발명은 오염 토양 복원기술에 관한 것으로서, 특히 산성 토양을 중화처리함과 동시에 토양을 입단화하여 토양의 유실 및 이동을 방지하기 위한 토양안정제 및 이를 이용한 산성 토양 입단화 방법에 관한 것이다.

토양의 산도는 생물학적 분해와 용해도 그리고 콜로이드에 의한 흡착에 영향을 주기 때문에 토양 내 많은 오염물질의 이동성에 영향을 미친다 . 또한 높은 산도가 생성되는 토양환경에서는 산 그 자체가 중요한 환경오염물질이 된다.

토양의 산성화에 많은 영향을 미치는 요인은 강우이며, 우리나라와 같이 강우량이 증발산량보다 많은 지역에서는 강수로부터 발생되는 수소이온과 수용성 양이온(Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺)의 용탈 가속화로 토양의 산성화가 많이 발생한다. 또한 토양의 산성화는 토양 내 영양분 원소를 유출시키고 Al, Mn 원소를 활성화시킴으로써 식물 및 토양생태계에 악영향을 끼쳐 토양의 황폐화를 초래할 뿐만 아니라 수생태계로의 산성화를 확산시킬 수 있다.

한편, 급격한 인구 증가와 기술 발달로 자연의 자원에 대한 수요가 크게 늘어나고, 지나친 경작 활동과 수목의 벌채로 말미암아 토양이 빠른 속도로 유실되고 있다. 이러한 토양유실은 토질을 악화시키고, 황무지를 증가시키기 때문에 환경 관리에 커다란 문제를 발생시키고 있다. 특히 산성화 된 토양은 토양의 풍화를 촉진시켜 토양유실을 유발하는 중요한 물리화학적 기작으로 작용한다. 토양유실을 일으키는 원인으로는 비나 바람에 의한 침식이 대표적이다. 경작지를 늘리기 위해 식생을 제거하거나 방목지를 조성하기 위해 불을 놓고, 방목지의 면적에 비해 지나치게 많은 가축을 기르는 과목, 부적절한 영농 방법, 관리 대책의 부실 등도 토양의 유실을 초래하는 원인이 된다. 유실 토양 내에 포함된 농약 및 비료, 기타의 유해물질은 하천 및 호수의 부영화 등 수생태계에도 환경적 악영향을 끼치게 된다. 유실된 토사가 주변 하천으로 유입될 경우에는 저수지, 댐 등의 시설물에 축적되어 준설비용을 발생시키거나 구조물의 안정에도 위협을 줄 수 있다.

상기한 바와 같이, 산성 토양은 오염원으로 작용하여 주변 환경에 악영향을 끼칠 뿐만 아니라, 토양의 유실을 촉진시키는 바, 위 2가지 문제를 함께 해결할 수있는 기술 개발이 요청되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 토양을 입단화시켜 강수에 의한 토양의 유실 및 오염물질의 확산을 방지할 뿐만 아니라, 토양 자체를 중화시킬 수 있는 토양안정제 및 이를 이용한 토양 입단화 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 토양안정제는 산성 토양에 칼슘을 공급하며 산성 토양을 중화시키는 중화제; 및 상기 중화제의 칼슘 이온과 함께 토양을 입단화하는 폴리아크릴아마이드;를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 중화제는 탄산칼슘(CaCO₃)을 사용할 수 있다. 그리고 상기 폴리아크릴아마이드는 수용액 형태로서, 70 ~ 90mg/L의 농도로 조성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 산성 토양 입단화 방법은 산성 토양에 상기한 조성의 토양안정제를 살포하여 상기 산성 토양을 중화시키고 상기 산성 토양을 입단화시킬수 있다.

본 발명에 따른 토양안정제 및 이를 이용한 토양 입단화 방법에서는 폴리머를 이용하여 토양을 입단화시킴으로써 토양의 유실을 방지하여 오염물질의 이동을 방지할 수 있다는 이점이 있다. 특히 중화제로 사용하는 탄산칼슘에서 공급된 칼슘과 폴리아크릴아마이드의 혼합 작용에 의하여 폴리아크릴아마이드를 단독으로 사용한 경우에 비하여 토양 입단화율이 향상된다는 특징이 있다.

더 나아가 폴리아크릴아마이드를 사용하여 토양 내 투수성을 향상시키고, 식물의 생장에 안 좋은 영향을 미치는 알루미늄의 용출을 획기적으로 저감시켜 식생에 우수한 환경을 제공함으로써 장기적 관점에서 토양의 유실을 근본적으로 방지할 수 있다는 이점이 있다.

또한 산성 토양을 중화처리함으로써 토양을 환경친화적으로 복원하며, 산성 조건에서 촉발되는 오염물질의 용출 및 확산을 방지할 수 있다는 이점이 있다.

그리고 산성 조건에서는 토양의 풍화가 촉진되어 토양의 유실을 유발하는 바 산성 토양을 중화시킴으로써 토양 유실을 방지할 수 있다는 이점이 있다.

도 1 및 도 2에는 본 발명에서 토양 안정제로 사용하는 폴리아크릴아마이드(PAM)의 분자구조를 나타내었다.
도 3은 PAM의 농도별 처리에 따른 토양의 pH 및 EC의 변화를 나타낸 표이다.
도 4 내지 도 6은 PAM의 농도별 처리에 따른 토양의 내수성 입단율 변화 (A: PH, B: IG, C: IK)를 나타낸 그래프이다.
도 7의 표는 토양안정제 처리에 따른 토양 pH와 EC변화 실험 결과를 나타낸 표이다.
도 8은 토양안정제 처리에 따른 Al의 농도변화를 나타낸 표이다.
도 9의 표 및 도 10의 표는 각각 토양안정제 처리에 따른 토양 내 중금속 함량 변화를 파악하기 위하여 0.1N HCl과 1N HCl 추출용액을 분석한 결과표이다.
도 11 내지 도 13은 CaCO₃와 PAM의 개별 처리 및 동시 처리에 대한 시료의 내수성 입단율의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 산성 토양을 중화처리하고, 토양을 입단화시키는 것을 목적으로 한다.

앞에서도 설명하였지만, 중금속, 농약 등으로 오염된 토양이 강수 등에 의하여 유실된다는 것은 오염물질의 확산을 의미하는 것인 바, 본 발명에서는 토양의 응집력을 증대시켜 토양의 유실을 방지할 뿐만 아니라 토양의 투수성을 향상시키기 위하여 폴리머인 PAM(Polyacrylamide)을 토양안정제로 활용하고자 한다.

도 1 및 도 2를 참고하면, PAM은 acrylic 단위체들을 중합시킨 폴리머 물질로서, 구조적으로 볼 때 PAM의 사슬 부분인 아미드(amide) 작용기는 Na⁺ 또는 양성자를 포함하는 작용기와 치환되어 물에 잘 용해되고, 음전하를 띄게 된다.

PAM은 토양의 입자를 결합시키는 작용을 함으로써 토양구조를 단립으로부터 입단상태로 만들며 토양의 콜로이드 표면을 소수성으로 하여 토양에 통기성이나 투수성을 양호하게 하는 기능을 한다. 또한 토양의 다짐현상, 분말화, 지표유거(run-off)를 감소시켜준다. 그밖에 식물의 생장조건을 향상시키기도 한다. PAM은 양이온성, 중성, 음이온성으로 나뉘며 이 중 음이온성 PAM은 여러 환경위해성 평가를 통하여 무독성의 안정성을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다.

한편, 종래기술에서도 설명하였듯이, 산성 토양은 그 자체로서도 오염물질로 작용하지만 산성 조건에서는 토양 내 중금속의 용출이 용이하기 때문에 문제가 더욱 심각해진다. 또한 산성 조건은 토양의 풍화를 촉진시키므로 토양 유실을 유발하는 문제점도 있다. 이에 산성 토양을 중화처리하되, 산업적 측면에서 경제성이 뒷받침되어야 하므로 본 발명에서는 중화제로서 산업부산물인 탄산칼슘(CaCO₃)을 활용하고자 한다.

CaCO₃는 그 자체로서 중화제로 널리 사용되며 경제적으로 활용가능한 바, 본 발명에서는 산성 토양을 중화처리하는데 탄산칼슘을 사용하였다. 탄산칼슘은 염기성을 띠어 산성 토양을 중화시킨다. 그러나, 본 발명에서 탄산칼슘이 단순히 중화제로만 작용하는 것이 아니라, 토양의 입단화를 촉진하는 역할을 한다는데 보다 큰 의미가 있다. 즉, 탄산칼슘으로부터 공급된 칼슘(Ca²⁺)은 토양입자를 둘러싸고 있는 전기이중층을 줄어들게 하며 토양의 입자와 PAM분자를 연결하여 응집을 가능하게 한다. Ca²⁺은 작은 수화반경을 가지고 있어 토양표면의 음전하와 음이온 PAM의 고분자 사이의 다리역할을 한다. 대조적으로 Na⁺는 큰 수화반경을 갖고 있어 고체의 응집보다는 분산 될 가능성이 크다. 이에 본 발명에서는 탄산칼슘과 PAM을 함께 처리하여 이들 사이의 상승 작용을 이용한 것이다.

또한, 본 발명에서는 완충곡선법에 의해 도출된 최적의 탄산칼슘 요구량과 적정량의 PAM농도를 결정하여, 폴리머 토양안정제 및 중화제 통합처리를 위한 최적 혼용조건을 도출하였다.

본 연구진은 PAM과 탄산칼슘의 효과 및 이들의 최적 혼용조건을 도출하기 위한 실험을 진행하였다. 이하 실험에 대하여 설명하기로 한다.

- 실험 과정

실험을 위하여 산성토양은 포항에서 1점의 표토시료(PH)를 채취하고, 부산의 폐광산을 중심으로 2점의 시료(일광광산(IG), 임기광산(IK))를 채취하였다. 채취한 시료는 풍건하여 2 mm 표준망채로 채질(sieving)하여 폴리에틸렌 봉지에 담아 보관하였다.

Polyacrylamide(PAM) 0, 10, 20, 50, 80, 120 mg/L의 용액을 토양과 24시간동안 반응시킨 후 동결건조기로 건조하여 wet sieving apparatus를 이용해 토양입단 안정도를 측정하였다. Wet sieving apparatus는 기계, 물리화학적 힘에 대한 토양 구조의 안정성을 측정하기 위한 장비이다. 분당 35회의 싸이클, 스트로크 길이 1.3 cm로 작동시켜 체의 구멍보다 작은 입자들을 3분 이내에 빠져나가게 한다. 이후 계속 작동시키면 마찰에 의해 서서히 붕괴가 일어나고, 주기를 늘리거나 스트로크 길이를 늘려주면 붕괴 기울기가 더욱 급해진다. 이는 강우속도가 빨라지면 furrow erosion이 증가하는 것과 유사한 원리를 갖고 있다.

중화제 및 폴리머 최적혼용조건 도출을 위하여 50 g의 산성토양(PH, IG, IK)을 대상으로 pH 6.5를 교정량으로 하여 CaCO₃를 건조중량 대비 0.5%, 0.77%, 0.35%를 처리한 후 농도 80 mg/L의 PAM 200 mL를 처리하여 동결건조기에 건조하여 시료를 준비하였다.

수용성 pH와 EC는 풍건토양 5 g에 증류수 25 mL(1:5)를 가하고, 치환성 pH는 풍건토양 5 g에 1 N KCl 25 mL(1:5)를 가하여 1시간 동안 진탕시킨 후 pH와 EC를 pH EC meter(D-25, Horiba. Ltd.)로 측정하였다.

원 토양 시료 및 각각의 처리 토양 시료 내 존재하는 중금속의 양을 파악하기 위해 0.1 N HCl, 1 N HCl을 이용해 중금속을 추출하여 분석하였다. 시료 5g에 0.1 N HCl 25 mL를 가하고 1시간동안 진탕시킨 후 원심분리하고 0.45 membrane filtration을 이용하여 용액을 분리하였다. 1 N HCl 추출은 시료 5 g에 1 N HCl 25 mL를 가하고 30 분 동안 진탕시킨 후 원심분리하고 0.45 membrane filter를 이용하여 용액을 분리하였다. 추출된 용액은 농질산 23방울을 가하여 보관하였다. 토양의 식물가용 Al 농도 분석을 위하여 풍건토양 시료 5 g에 1 M KCl 25 mL를 가하고 6 시간동안 진탕시킨 후 0.45 membrane filter를 이용하여 용액을 분리하였다. 분리된 용액의 Al 농도를 ICP를 이용하여 분석하였다. 4 g의 풍건토양을 특정 수분함량까지 표준화된 방법으로 토양을 적셔 0.5 mm체에 넣고, 무게를 측정한 캔에 증류수를 부어 체 아래에 장착시키고 3분간 상하로 작동시킨다(작동시간: 3분5초, 스트로크 1.3 cm, 34 times/min).

홀더를 들어 올려 체에서 더 이상 흘러나오는 물이 없을 때 캔을 꺼내고, 무게를 측정한 캔에 분산제(2 g sodium hexametaphosphate/L) 100 mL를 넣어 체 아래에 장착시킨다. 모래입자나 나무뿌리 같은 부유물만 체에 남을 때까지 작동시키고, 홀더를 들어 올려 체에서 더 이상 흘러나오는 분산제가 없을 때 캔을 꺼낸다. 증류수와 분산제가 들어있는 캔을 110ml에서 물이 다 날라 갈 때까지 건조시키고, 캔 무게를 뺀 남아있는 물질의 무게를 측정한다(이때, 가해진 분산제의 양만큼 0.2 g을 더 빼준다. 그리고 아래의 식1과 같이 내수성 입단율을 계산한다.

...(식 1)

- 실험 결과

도 3의 표를 참고하면, PAM을 농도별로 토양에 처리하였을 때 pH와 EC는 큰 변화를 보이지 않는 것으로 보아 PAM이 토양의 pH와 EC에 직접적인 영향을 끼치지 않는 것으로 보인다.

Wet sieving apparatus을 이용한 토양의 내수성 입단율은 도 4 내지 도 6의 그래프에 나타내었다. 세 종류의 토양에 농도가 다른 PAM을 처리하여 내수성 입단율을 알아본 결과 농도가 높아질수록 입단율이 점차 상승되면서 80 mg/L의 PAM농도에서 가장 높은 입단율을 보였고, 각각 PH시료(도 4)에서 약 3.5배, IG시료(도 5)에서 1.5배, IK시료(도 6)에서 1.8배정도 입단율이 상승되었음을 알 수 있었다. 그리고 농도 120 mg/L에서는 입단율이 감소되는 것을 볼 수 있는데 이것은 고농도의 PAM을 첨가할 경우 입자표면을 둘러싼 PAM끼리의 마찰이 발생하여 형성된 토양입단을 유지시키지 못하고 입단이 다시 분리되는 것으로 판단된다. 이에 본 발명에서는 PAM의 농도는 70~90 mg/L로 조성하는 것으로 결정하였다.

중화제 및 폴리머 최적혼용조건 도출을 위하여 세 종류의 토양 시료에 무처리, CaCO₃처리, PAM처리, CaCO₃와 PAM을 동시 처리한 시료의 pH와 EC, 중금속추출별 함량, 식물가용성 Al, 내수성 입단율을 측정하였다. 토양안정제 처리에 따른 토양 pH와 EC변화 결과는 도 7의 표에 제시하였다. 도 7의 표를 참고하면, pH가 3.18-4.4였던 산성토양(untreated control)은 CaCO₃로 교정시킨 후 pH가 6.10-6.42로 증가함으로서 CaCO₃로 인한 중화 효과를 확인하였고, PAM을 단독으로 처리한 경우 토양의 pH에 큰 영향을 끼치지 않았다. CaCO₃와 PAM을 동시 처리하였을 때 CaCO₃로 인하여 토양이 중화 교정(pH 6.50-6.72)되고 있음을 알 수 있었다. EC는 CaCO₃처리 시 PH 시료는 큰 변화를 보이지 않는 반면에 IG와 IK 시료는 크게 높아졌다. 이는 IG와 IK 시료가 광산 관련 시료로서 강한 토양산성에 의해 용출된 칼슘 및 탄산염 이온의 방출에 기인한 것으로 판단된다. 또한, CaCO₃와 PAM을 동시처리 결과에서는 오히려 EC의 증가 변화가 나타나지 않는데 이는 SO₄는 CaCO₃로 인한 화학반응으로 CaSO₄가 생성되는 등 중화 과정 중에 방출된 이온들이 재결합 및 반응과정을 거쳐 용액에서 제거되는 것으로 추론된다.

도 8의 표에는 토양안정제 처리에 따른 Al의 농도변화를 나타내었다. 도 8의 표를 참고하면, 식물에 높은 독성을 가진 Al은 CaCO₃처리, CaCO₃와 PAM을 동시처리에서 초기 비처리 Al농도보다 90%이상의 높은 농도저감율을 보였으며, 이는 중화제의 성분인 Ca²⁺와 그 외 양이온에 의하여 토양교질에 결합되어 있던 Al과 직접적으로 반응하여 수산화물 또는 탄산염형태로 침전된 것으로 여겨진다.

그리고, 토양안정제 처리에 따른 토양 내 중금속 함량 변화를 파악하기 위하여 0.1N HCl과 1N HCl 추출용액을 분석한 결과는 도 9의 표 및 도 10의 표에 제시하였다. 전체적으로 무처리와 PAM처리에서는 유사한 레벨의 농도가 검출되었지만, 무처리 시료에 대비할 때 CaCO₃처리, CaCO₃와 PAM을 동시처리 시료에서는 중금속의 농도가 낮아짐을 확인 할 수 있었다. 결과적으로 PAM은 특이산성토양의 이화학성에 대부분의 영향을 크게 끼치지 않으나, CaCO₃ 처리는 특이산성토양의 중화 뿐만 아니라 수용성 이화학적 특성에 많은 영향을 끼친다는 것을 확인하였다. 또한 CaCO₃와 PAM을 같이 처리 했을 때에도 CaCO₃ 단독 처리와 같은 중화 효과를 보여주었기 때문에 CaCO₃와 PAM을 동시에 처리 했을 때 PAM이 CaCO₃의 중화 효능에 영향을 크게 미치지 않는 것으로 파악되었다.

도 11 내지 도 13은 CaCO₃와 PAM의 개별 처리 및 동시 처리에 대한 시료의 내수성 입단율의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 11은 PH시료, 도 12는 IG시료, 도 13은 IK시료이다. 그래프를 참고하면, PAM을 단독으로 처리 했을 때 보다 CaCO₃와 PAM 동시처리 했을 때 내수성 입단율이 높아지는 것으로 나타났다. 이는 CaCO₃와 PAM 동시처리가 PAM 단독 처리시의 입단화 안정성을 유지하는 것 이상으로 토양 입단화에 긍정적인 효과를 보이고 있다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 중화제 처리 시 발생한 Ca²⁺ 이온이 PAM분자를 연결하여 미세 토양 입자들을 더욱 안정적으로 입단화하는데 영향을 주었을 것으로 판단된다.

- 실험 결과 정리

이상에서 설명한 바와 같이, 본 연구진은 산성토양을 대상으로 PAM을 처리하여 PAM이 토양의 내수성 입단율에 미치는 영향에 대해서 알아보았다. PAM을 각 시료에 농도별(0-120 mg/L)로 처리하여 wet sieving apparatus을 통해 내수성 입단율을 측정하여 산출해본 결과, PAM의 농도가 높아질수록 시료의 입단율이 높아졌다. 따라서, PAM에 대한 산성 토양의 물리적 안정제로서의 토양 입단화 특성을 확인하였고, 농도 80 mg/L의 PAM이 입단의 효율을 높이는 적정의 농도로 판단되었다. 또한, 동일 시료를 대상으로 CaCO₃를 처리하여 토양을 중화시킨 후 PAM을 처리하여 토양의 이화학성과 내수성 입단율에 미치는 영향에 대해서 알아본 결과, CaCO₃와 PAM 동시처리 시 CaCO₃ 단독처리와 같은 효과를 나타내었으므로 PAM이 CaCO₃의 중화 효과에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 파악되었다. 그러나, 내수성 입단율은 PAM 단독 처리 시 보다 CaCO₃와 동시처리 했을 때 증가하였다. 이는 CaCO₃와 PAM을 동시에 처리했을 때 토양 이화학성과 입단 증가에 효율적이며, 두 물질의 혼용을 통한 산성토양의 중화 및 물리적 안정화가 동시에 가능할 수 있음을 의미한다. 최종적으로 본 실험 결과를 통하여 두 물질에 대한 최종적인 최적 혼용 조건의 선정 기법이 수립되었으며, 산성토양에 대한 최적 혼용 조건의 정량적인 도출이 가능하였다.

Claims (4)

1. 산성 토양에 칼슘을 공급하며 산성 토양을 중화시키는 중화제; 및
   상기 중화제의 칼슘 이온과 함께 토양을 입단화하는 폴리아크릴아마이드;를 포함하여 이루어지며,
   상기 중화제는 탄산칼슘(CaCO₃)이며, 상기 토양의 건조 중량 대비 0.35~0.77중량% 범위로 조성되며,
   상기 폴리아크릴아마이드는 수용액 형태로서, 70 ~ 80mg/L의 농도로 조성되며,
   상기 중화제와 폴리아크릴아마이드 수용액을 산성 토양에 살포하면 상기 산성 토양의 내수성 입단율이 1.5~3.5배로 향상되는 것을 특징으로 하는 토양안정제.
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3. 삭제
4. 산성 토양에 토양안정제를 살포하여 상기 산성 토양을 중화시키고 상기 산성 토양을 입단화시키기 위한 방법으로서,
   상기 토양안정제는 청구항 1에 기재된 조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산성 토양 입단화 방법.

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