KR102093800B1 - 석탄 폐경석으로부터 액상의 휴믹산 비료 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄 (무연탄, 갈탄, 이탄, 역청탄 등 가연성광물) 폐경석으로부터 휴믹산 액상 비료 제조 방법에 관한 것으로, 폐경석을 분쇄기로 100 mesh 이하로 분쇄한 석분과 산소농도가 풍부한 물을 1 : 0.2 ~ 0.4 중량 비율로 노지탱크에 투입하고 온도를 25℃ ~ 35 ℃ 상태를 유지하면서 매일 한 차례 이상 교반하여 25일 ~ 30일 간 자연 산화시키고, 상기 자연 산화단계를 거쳐서 유기물질이 응집되어 있는 석분에 마그네슘, 석회 및 물을 6 : 0.8 ~ 1.2 : 2.8 ~ 3.2의 중량비로 반응기에 투입하고, 온도 70℃ ~ 100℃ 상태에서 2시간 ~ 4시간 동안 분당 960rpm 이상으로 하루 한 차례 이상 교반하여 자연산화단계에서 아직 용해되지 않고 석분에 잔류하고 있거나 용해되어 석분에 응집되어 있는 유기물질을 용해, 분리한 후 원심분리함으로써 부식산 염의 액상 비료를 추출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 따른 제조방법은 휴믹산을 추출하기 위해 알칼리 수용액을 사용하지 않고 자연산화과정을 거침으로써 알칼리 수용액의 잔류물이나 알칼리 수용액에 대한 폐수처리공정 없이 친환경적이고 저렴한 비용으로 부식산염의 수득률을 최대화한 최적화된 액상의 부식산 비료를 제조할 수 있는 점에 특징이 있다.

Description

석탄 폐경석으로부터 액상의 휴믹산 비료 제조방법{Method for producing liquid humic acid fertilizer from coal waste pumice}

본 발명은 석탄 폐경석으로부터 액상의 휴믹산(Humic Acid) 비료 제조방법에 관한 것이다.

현대 농업은 농작물의 생산증대를 위해 화학비료를 장기간 과도하게 사용함으로써 토양의 산성화와 부영영화가 심해지고, 농작물의 생육능력과 면역력이 떨어져 병충해에 약하게 되었다.

이를 해소하기 위해 다량의 퇴비가 필요하지만 노동력의 부족으로 필요한 퇴비생산에는 한계가 있어 토양의 산성화 및 부영양화를 막을 수 없는 실정이다.

이를 해소하기 위해 석탄 (무연탄, 갈탄, 이탄, 역청단 등 가연성 광물) 폐광석에서 추출한 휴믹산(Humic Acid)을 재료로 여러 가지 미네랄, 미생물을 혼합한 유기질 비료가 사용되고 있다.

여기서 석탄 폐경석은 석탄을 채광하기 위한 작업 중에 발생하는 폐석을 의미하는 것으로, 석탄층까지 접근하는 굴진과정에서 나오는 굴진폐석과 채광된 석탄에 암석 등의 함유로 석탄 연료로 사용하기에는 적절치 않은 폐석을 말한다.

석탄 폐경석은 일반적으로 고정탄소분이 중량 대비 10 ~ 25% 정도 포함되어있고, 발열량은 800~2,500kcal/kg으로 잘 연소되지 않아 연료로 사용하기에는 적절치 않아 폐기물로 버려지는데, 우리나라에는 태백, 정선, 삼척 등의 폐광지역에 다량의 폐기물이 버려져 쌓여 있고, 매년 화력발전소에서 발전연료 중 연료로 사용할 수 없어 폐기되는 폐경석이 다량으로 나오고 있는 실정이다.

석탄은 고생대와 중생대를 거치면서 식물이 퇴적해 오랜 세월에 걸쳐서 열과 압력의 작용을 받아 변질된 것으로 탄소가 주성분인 유기광물이다.

석탄의 주성분은 식물체의 세포벽을 이루는 고분자인 셀룰로오스와 리그닌에서 비롯된다. 셀룰로오스는 주로 포도당으로 이루어진 단순한 고분자지만, 리그닌은 고리형 탄소골격을 지닌 다양한 분자들이 합쳐진 복잡한 고분자다. 이들 고분자가 광물화되고, 변성되는 탄화과정에서 여러 종류의 분자가 생기는데, 휴믹산은 이러한 석탄에 존재하는 유효한 유기분자들을 말하는 것으로 유기탄소, 산소, 수소 및 미량원소 등으로 구성되어 있다.

휴믹산은 토양 중에 2% 미만으로 분포되어 있고, 석탄이나 석탄 폐경석 중에 20%~80% 이상으로 분포되어 있는데, 구성원소는 유기탄소가 45~50%, 산소가 20%, 기타 수소, 질소 및 황 등으로 이루어져 있다.

휴믹산은 수분의 투수성과 보유기능을 증가시키고 산소 수준과 이동성을 증대시키며, 토양 중에 유기물 함량을 증대시켜 미생물을 활성화 시켜 식물생육을 촉진시키고 작물의 수확량을 증가하게 하며, 당도, 비타민 증가와 같은 수확물의 품질 향상에 기여한다.

또한 토양의 이온 교환능력을 향상시켜 토양의 고정물성을 변화시키고, 토양의 질소함량 안정화와 오염복원, 비료의 손실방지 및 토질개선 효과가 있다.

그리고 식물병 및 해충에 대한 저항력을 증대시켜 무농약 농법을 구현할 수 있고, 농약의 무독화 및 분해를 촉진하고, 과영양화를 완화하는 등 유익한 기능을 수행한다.

지금까지 휴믹산은 석탄 또는 석탄 폐경석에서 수산화나트륨 등의 알칼리 수용액으로 추출하여 왔다. 그러나 종래 석탄 등으로부터 휴믹산 추출방법은 알칼리 혼합 현탁액에 반응하지 않고 남아있는 과량의 알칼리에 대한 처리문제로 친환경적이지 못하며, 또한 추출된 휴믹산 염에 과량의 알칼리 용액이 잔류하는 문제와 함께 휴믹산 수득률이 낮아 비효율적이고, 또 추출과정이 복잡하여 생산단가가 높아지는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해 석탄 등의 가연성광물과 알칼리 수용액을 1 : 2 ~ 6의 중량비로 분쇄기가 장착된 회분식 반응기에 넣고 분쇄 및 혼합과정을 한번에 수행하여 부식산 염의 용액을 분리하는 제조방법이 제시되고 있으나(대한민국 등록특허 10-1113999), 이 또한 고가의 알칼리 수용액을 사용하여 부식산 염을 추출함으로써 제조 단가가 높고, 또한 추출된 부식산 염에 알칼리 수용액이 잔류하는 것을 막기 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점 없이 석탄이나 폐경석으로부터 휴믹산을 효율적으로 추출하기 위한 방법을 제안하는데 있다.

(문헌1) KR 10-1113999 B1 (2012.02.01등록)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 알칼리 수용액을 사용하지 않고도 석탄 폐경석에서 휴믹산을 추출하는 방법을 제안하고, 또한 폐경석에서 휴믹산 수득률을 최대화하면서도 생산단가는 최소화할 수 있도록 최적화된 방법을 제안하는데 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 석탄 폐경석 석분에 산소농도가 풍부한 물을 1 : 0.2 ~ 0.35 중량 비율로 투입하고 온도를 25℃ ~ 35℃ 상태를 유지하면서 10일 ~ 30일 간 하루 한 차례 이상 교반하여 자연산화시키는 방법으로 석탄 폐경석에 존재하는 유기물질의 80% 이상을 분해한 뒤, 분해된 유기물질이 응집되어 있는 석분에 마그네슘 또는 석회 및 물을 6 : 0.8 ~ 1.2 : 2.8 ~ 3.2의 중량비로 교반기를 갖춘 반응기에 투입하고, 온도 70℃ ~ 100℃ 상태에서 2시간 ~ 4시간 가량 분당 960 rpm 이상으로 교반하여 자연산화단계에서 아직 용해되지 않고 석분에 잔류하고 있거나, 용해되어 석분에 응집되어 있는 유기물질을 용해, 분리한 후 원심분리함으로써 부식산 염의 수득률을 최대화한 액상의 부식산 유기질 비료를 제조하는 방안을 제안한다.

이상과 같은 본 발명은 고가의 알칼리 수용액을 사용하지 않고도 석탄 폐경석으로부터 휴믹산을 효율적으로 추출함으로써 친환경적이고, 별도의 알칼리 수용액 잔류물 처리시설이 필요 없어 경제적이다. 휴믹산은 유기질 비료의 핵심원료이고, 유기질 비료는 친환경농업의 중요성으로 인해 매년 지속적으로 성장하고 있는데, 현재 휴믹산은 국내에서 생산되지 않아 외국으로부터 전량 수입, 가공, 판매됨으로 인해 고가인 관계로 대중화되지 못하고 있는데, 본 발명에 따라 액상의 휴믹산 비료를 제조함으로써 수입을 대체하는 한편 양질의 휴믹산 비료를 저가로 제공할 수 있게 되어 토양개량과 식물의 면역력을 증대시켜 농산물 생산을 증가시키는 데 크게 기여할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명에 따른 석탄 폐경석으로부터 액상의 휴믹산 비료 제조방법을 설명하기 위하여 나타낸 공정도이다.

본 발명은, 분쇄기에서 100 mesh 이하로 분쇄한 석탄 (무연탄, 갈탄, 이탄, 역청탄 등 가연성광물) 폐경석 석분을 석분과 물을 1 : 0.2 ~ 0.35 중량 비율로 노지탱크에 투입 후 온도를 25℃ ~ 35℃로 유지한 상태에서 매일 한 차례 이상 교반하면서 10일 ~ 30일간 자연 산화하도록 하는 단계; 상기 자연산화 단계를 거치면 석분에 포함된 휴믹산이 용해되어 석분에 응집되는데, 이 응집되어 있는 석분을 마그네슘 또는 석회 및 물과 6 : 0.8 ~ 1.2 : 2.8 ~ 3.2의 중량비로 반응기에 투입하고, 온도 70℃ ~ 100℃ 상태에서 2시간 ~ 4시간 동안 분당 960rpm 이상으로 교반한 후 원심분리함으로써 액상의 휴믹산 비료를 추출하는 단계를 포함하는, 폐경석으로부터 액상의 휴믹산 비료를 제조하는 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

종래 가연성 광물로부터 휴믹산을 추출하기 위해 알칼리 수용액 즉, 수산화칼륨 수용액, 암모니아 수용액, 인산나트륨 수용액, 탄산나트륨 수용액 등을 사용해 왔다.

그러나 이러한 방법은 추출한 휴믹산에 알칼리 수용액의 잔류물이 남아 있어 이를 분류해 내는 별도의 장치가 필요하고, 또 알칼리 수용액의 잔류물에 대한 폐수처리로 인해 친환경적이지 못하며, 고가의 알칼리 수용액을 사용하고, 이에 따른 처리를 위한 별도의 장치의 필요로 인해 제조 단가가 높은 문제가 있었다.

본 발명은 유기물을 포함하고 있는 석탄 폐경석의 경우 용존산소가 풍부한 물과 적절한 비율로 혼합한 뒤 적정온도를 유지하면서 교반하며 일정기간 둘 경우 자연산화를 통해 폐경석에 포함되어 있는 유기물질이 용해된다는 것에 착안하여 알칼리 수용액 사용 없이도 친환경적으로 휴믹산을 추출할 수 있는 최적화된 방법을 제안하는데 있다.

휴믹산을 추출 하는 원료로 쓰이는 석탄은 가연성 광물, 즉 무연탄, 갈탄, 이탄, 역청탄 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니며, 폐경석은 석탄층까지 접근하는 굴진과정에서 나오는 굴진폐석과 채광된 석탄에 암석 등의 함유로 석탄 연료로 사용하기에는 적절치 않은 폐석을 말한다.

일반적으로 석탄 폐경석으로부터 휴믹산 염의 수득률을 높이기 위해서는 폐경석을 100 mesh 이하로 분쇄한 분말을 사용하는 것이 좋다.

폐경석 석분과 물은 1 : 0.2 ~ 0.35 중량 비율로 배합하는 것이 바람직하다.

이 때 투입되는 물은 용존산소가 풍부한 물이 바람직하다. 이를 위해 별도의 물 탱크에 고농도 산소를 투입하여 산소농도가 풍부한 물을 만든 후 이를 공급하도록 한다.

석탄 폐경석에서 휴믹산이 용해되는 온도는 25℃ ~ 35℃ 상태에서 최적화 하므로 노지탱크의 온도는 상기 온도를 유지하는 것이 바람직하다.

또한 폐경석에 결합되어 있는 휴믹산은 산소가 풍부한 때 용해가 잘 되므로 매일 한 차례 이상 교반하여 석분에 산소가 충분히 공급되도록 한다.

석분은 물과 혼합한 상태에서 하루 한 차례 이상 교반하면서 7일에서 15일 정도 자연산화시키면 표 1에서 보는 것처럼 석탄 폐경석에 포함된 휴믹산의 70 ~ 80%가 산화하여 용해되고 그 이상 은 쉽게 산화되지 않는다. 다만, 추가적인 휴믹산의 추출을 위해서는 일정 기간 자연산화상태에서 숙성시켜두는 것이 좋으므로 최대 30일 정도까지 자연산화시키는 것이 바람직하다.

폐경석에 결합되어 있는 휴믹산은 상기 자연 산화단계를 거치면서 80% 정도가 용해되고, 용해된 유기물질은 폐경석 석분에 응집한 상태로 있게 된다.

상기 용해된 유기물질이 응집되어 있는 석분을 마그네슘 또는 석회와 물을 6 : 0.8 ~ 1.2 : 2.8 ~ 3.2의 중량비로 반응기에 투입한다.

상기 반응기에 상기 마그네슘 또는 석회를 투입하는 것은 상기 자연산화단계에서 아직 용해되지 않고 폐경석 석분에 잔류하고 있는 유기물질을 용해하고, 석분에 응집되어 있는 유기물질을 분리하기 쉽게 하기위한 용도로 투입하는 것이다.

바람직하게는 상기 반응기에 마그네슘과 석회를 동시에 투입하는 것이지만, 이 중 하나만 투입해도 무방하다.

상기 용해된 유기물질이 응집되어 있는 석분과 마그네슘이나 석회 및 물의 중량비는 6 : 0.8 ~ 1.2 : 2.8 ~ 3.2의 비율로 투입하는 것이 바람직하지만, 중량비를 10% 내외로 가감하여 투입하더라도 무방하다.

만일, 마그네슘과 석회를 동시에 투입하는 경우는 석분과 마그네슘, 석회 및 물의 중량비를 6 : 0.4~0.6 : 0.4~0.6 : 2.8~3.2의 비율로 투입하는 것이 바람직하다. 다만, 이 중량비를 10% 내외 가감하여 투입하더라도 잔존 유기물을 용해하는데 문제가 없다.

상기 반응기에 투입하는 물은 용존산소가 풍부한 물이 바람직하다. 이를 위해 별도의 물 탱크에 고농도 산소를 투입하여 산소농도가 풍부한 물을 만들어 공급한다.

상기 반응기에 상기 용해된 유기물질이 응집되어 있는 석분과 마그네슘 또는 석회 및 물을 투입한 후 온도를 70℃ ~ 100℃를 유지하면서 상기 반응기에 포함되어 있는 교반기로 2시간 ~ 4시간 동안 분당 960rpm 이상으로 교반하여 자연산화단계에서 용해되지 않고 아직 석분에 잔류하고 있거나, 자연산화되어 석분에 응집되어 있는 유기물질을 용해 분리하고, 이를 원심분리함으로써 액상의 휴믹산 비료를 제조한다.

이상 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 당업자라면 다양하게 응용될 수 있다. 따라서 본 발명의 보호범위는 청구항과 균등한 범위내에 있는 모든 기술적 사상을 포함하는 것으로 해석되야 할 것이다.

Claims (5)

1. 분쇄기에서 100 mesh 이하로 분쇄한 석탄 폐경석 석분을 석분과 물을 1 : 0.20 ~ 0.35 중량 비율로 노지탱크에 투입 후 온도를 25℃ ~ 35℃ 상태를 유지하면서 매일 한 차례 이상 교반하면서 10일 ~ 30일간 자연 산화시키는 단계;
   상기 자연 산화된 석분을 석분과 마그네슘이나 석회 및 물을 6 : 0.8 ~ 1.2 : 2.8 ~ 3.2의 중량비로 반응기에 투입하고, 온도 70℃ ~ 100℃ 상태에서 2시간 ~ 4시간 동안 분당 960rpm 이상으로 교반하여 자연산화단계에서 용해되지 않고 석분에 잔류하고 있거나, 용해되어 석분에 응집되어 있는 유기물질을 용해, 분리한 후 원심분리함으로써 휴믹산 염의 액상 비료를 추출하는 단계를 포함하는 석탄 폐경석으로부터 액상의 휴믹산 비료 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 노지탱크에 투입되는 물은 별도의 물 탱크에 산소를 투입하여 물과 잘 교반하여 산소농도가 풍부한 물을 공급하는 것을 특징으로 하는 석탄 폐경석으로부터 액상의 휴믹산 비료 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 노지탱크에 설치한 교반기로 석분과 물을 교반하는 것을 특징으로 하는 석탄 폐경석으로부터 액상의 휴믹산 비료 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 반응기에 석분을 투입할 때 석분과 마그네슘, 석회 및 물을 6 : 0.4~0.6 : 0.4~0.6 : 2.8~3.2의 중량비로 반응기에 투입하는 것을 특징으로 하는 석탄 폐경석으로부터 액상의 휴믹산 비료 제조방법.

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