KR102454291B1 - 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 탄소저감형 조성물에 포함된 바이오차는 800℃ 이상 고온에서 열 분해되어 토양의 물리·화학적 및 토양생물 환경 속에서 잘 분해가 이루어지지 않고 비교적 단단한 화학적 구조를 가지며 저온 생성 바이오차 보다 20% 이상의 많은 탄소 성분으로 구성되어 직접적으로 야외현장에 적용 시에 장기간에 걸쳐 다량의 탄소를 인공 토양 안에 저장시킬 수 있다.

Description

바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물{Carbon-reducing composition comprising biochar}

본 발명은 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바크, 피트모스, 제올라이트, 바이오차 및 건조저회를 포함하는 탄소저감형 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 탄소저감형 조성물을 포함하는 인공토양은 탄소를 저장할 수 있어서 최종적으로 온실가스 저감이 가능하다.

인공토양 기술은 식물의 생육기반뿐만 아니라 빗물저류의 역할을 넘어 식물생육과 더불어 탄소저감 능력을 확보하는 중요한 요소기술로 평가되고 있다.

기존의 인공토양은 크게 무기질 기반과 유기질 기반 또는 혼합 개량토양으로 현장 적용되고 있으며, 펄라이트는 단독으로 사용 후 멀칭하거나 일반토양과 혼합 사용하는 것이 일반적이다.

자연토양은 인공토양이나 개량토양에 비하여 하중이 무겁고, 수분보유 능력과 배수성능 등이 취약해 원활한 수분공급이 어렵고 홍수시 배수성능 취약으로 인해 2차 피해의 우려가 있어 중량형 녹화 등에 한정적으로 사용하는 것이 바람직하며, 이로 인해 새로운 기능성 인공경량토양 개발을 위한 연구가 요구되고 있다.

한편, 1879년에 Herbert Smith는 아마존을 탐험하던 중 원주민의 설탕 농업에 대해, 사탕수수의 높이가 3m에 굵기가 손목 두께에 이르며 경이로운 생산력이 있는 것을 보고 이의 비밀이 아마존의 terra preta(dark earth, 검은 흙) 토양에 있다고 조사된바, 이의 연구 끝에 개발된 것이 바이오차(biochar)이다.

이러한 바이오차는 온실가스 저감의 경제적(환경적) 이익을 창출하는 것으로 연구되고 있다. 보다 구체적으로 유기물은 당, 탄수화물, 셀룰로오즈와 같이 빠르게 분해되는 물질과 리그닌처럼 천천히 분해되는 물질이 있는바, 이때 분해 시 발생하는 이산화탄소의 발생을 바이오차가 최소화함으로써, 전 세계적으로 이슈화되고 있는 온실가스를 저감할 수 있다.

또한, 바이오차는 토양의 개량 효과가 있는 것으로 연구되고 있다. 보다 구체적으로 유기물을 토양에 시비할 경우 분해과정에서 발생하는 질산화작용에 의한 토양의 산성화를 유발하나, 바이오차의 경우 알카리성 회분의 물질로 인해 토양의 토양산도(pH) 및 전기전도도(EC)를 상승시키는 효과가 있다.

또한, 바이오차는 농산물 수확량 증대 효과가 있는 것으로 연구되고 있다. 보다 구체적으로, 토양 내 영양분의 흡착과 침출, 미생물 군집의 안정성 확보 등으로 인해 10%의 생산성 증대를 가져온다.

한편, 일반적으로 작물 식재용 상토의 다수의 유기물과 무기물을 주요 원료로 이들 배합 비율로 제품이 다수 개발·판매되고 있으나 유기물의 경우 분해가 느린 코코피트를 이용하고 있으나 이의 원료도 시간이 경과할수록 분해가 진행됨에 따라 가스 발생, 영양분 감소, 균사체 형성 등의 제품 변질을 유발하고 있는 실정이다.

선행문헌 KR10-2228276에서는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법을 개시하나, 토양이 갖는 탄소 저장능력이나, 이산화탄소의 흐름에 대해서는 상세하게 개시하는 바가 전혀 없다.

특허등록공보 KR10-2228276B1

본 발명은 상기와 같은 난점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 저온 생성 바이오차 보다 20% 이상의 많은 탄소 성분으로 구성된 바이오차를 포함하여, 장기간 다량의 탄소를 인공 토양 안에 저장할 수 있도록 한 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물을 이용하여 원예용 상토 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물은 바크 9 내지 11 중량%, 피트모스 24 내지 26 중량%, 제올라이트 5 중량%, 바이오차 10 내지 50 중량%, 건조저회 10 내지 50중량%로 포함하는 탄소저감형 조성물로서, 상기 바이오차는 바이오매스를 800 내지 1,000℃에서 탄화하여 제조된 것이고, 상기 바이오차는 탄소 함량이 70 중량% 이상이고, 상기 건조저회의 입자 크기는 2 내지 13mm인 것을 특징으로 한다.

또한, 바이오차 및 건조저회의 중량% 합은 60 중량%이 되도록 포함할 수 있고, 바람직하게는 바이오차 10 중량% 및 건조저회 50 중량%이 되도록 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소저감형 조성물의 pH는 5.6 내지 7.6인 것이고, 바람직하게는 pH는 5.6 내지 7인 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소저감형 조성물의 공극률은 69 내지 79%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소저감형 조성물의 탄소 대비 질소 비율은 59.9 내지 83.2인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소저감형 조성물은 굴패각 또는 팽창된 펄라이트 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 굴패각은 0.1 내지 25㎛ 이하의 분말인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 팽창된 펄라이트는 펄라이트를 0.1 내지 2.0mm로 분쇄하고 가열하여 원래 부피의 5배 내지 20배로 발포 팽창시켜 제조된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소저감형 조성물의 면적당 연간 탄소배출양은 0.22 내지 1.76 kg C m^-2y^-1인 것이고, 보다 상세하게는 상기 탄소저감형 조성물의 면적당 연간 탄소배출양은 0.22 내지 0.99 kg C m^-2y^-1인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄소저감형 조성물은 상토 조성물이고, 보다 상세하게는 육묘용 조성물인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 원예용 상토 조성물은 상기의 조성물을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

한편 본 명세서에 개시된 기술에 관한 설명에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 탄소저감형 조성물에 포함된 바이오차는 800℃ 이상 고온에서 열 분해되어 토양의 물리·화학적 및 토양생물 환경 속에서 잘 분해가 이루어지지 않고 비교적 단단한 화학적 구조를 가지며 저온 생성 바이오차 보다 20% 이상의 많은 탄소 성분으로 구성되어 직접적으로 야외현장에 적용 시에 장기간에 걸쳐 다량의 탄소를 인공 토양 안에 저장시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 실험 기간 동안의 (a) 시간별 평균 대기 온도 (℃), (b) 상대습도 (%), (c) 토양 온도 (℃), (d) 토양 수분 함량 (%)를 각각 나타낸 것이다.
도 2는 본 실험 기간 (2021년 10월 13-28일) 동안의 실험구별 CO₂플럭스 측정 변화 (mg CO₂m^-2h^-1)를 나타낸 것이다.
도 3은 본 실험 기간 (2021년 10월 13-28일) 동안의 실험구별 시간 평균 토양 CO₂플럭스 (mg CO₂m^-2h^-1를 나타낸 것이다.
도 4는 본 실험 기간 동안의 실험구별 CO₂플럭스 (mg CO₂m^-2h^-1)와 동일 시간의 5cm 깊이의 토양 온도 (℃)와 상관관계를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명 한다.

이들 실시예 및 도면은 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서는 자명할 것이다.

본 발명은 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물은,

바크 9 내지 11 중량%, 피트모스 24 내지 26 중량%, 제올라이트 5 중량%, 바이오차 10 내지 50 중량%, 건조저회 10 내지 50중량%로 포함하는 탄소저감형 조성물로서,

상기 바이오차는 바이오매스를 800 내지 1,000℃에서 탄화하여 제조된 것이고,

상기 바이오차는 탄소 함량이 70 중량% 이상이고,

상기 건조저회의 입자 크기는 2 내지 13mm인 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 하기에 상세히 설명한다.

본 발명의 탄소저감형 조성물은 탄소를 토양에 오랫동안 저장시키고, 토양으로부터 대기 중에 CO₂배출이 적고, 식재된 식생들의 광합성 작용 및 빠른 성장에 의한 대기 중의 CO₂를 흡수하고, 탄소(C)를 격리하여, 전체적인 도시생태계의 복합적인 탄소저감 효과를 높일 수 있다.

상기 탄소저감형 조성물은 바크 9 내지 11 중량%, 피트모스 24 내지 26 중량%, 제올라이트 5 중량%, 바이오차 10 내지 50 중량%, 건조저회 10 내지 50중량%로 포함하는 것일 수 있다.

상기 건조저회(DBA, Dry bottom ash)는 화력발전의 부산물로 석탄 연소 후 남은 폐기물을 재활용한 소재이며, 피트모스 및 바크는 식생의 기본적인 생장을 위해 토양의 산도를 조절하며 유기물을 공급하고, 제올라이트는 공극조절과 함께 토양 내 수분 조절의 기능을 수행한다.

상기 바이오차는 바이오매스를 800 내지 1,000℃에서 탄화하여 제조된 것일 수 있다. 상기 바이오차는 저온 열분해 공정을 통해 생산된 일반적인 바이오차보다 800℃ 이상 고온에서 만들어진 바이오차가 토양 속에 투여 되었을 때 대기 중으로 CO₂를 매우 적게 발생시키며 토양 속의 공극률 등의 물리적 환경을 좋게 하였다.

상기 바이오매스는 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등을 포함하는 것이라면 특별히 제한되지 않고 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 바이오매스 원료는 목질계 바이오매스 또는 초본계 바이오매스일 수 있다.

또한, 상기 목질계 바이오매스는 예를 들어, 톱밥, 우드칩, 폐목재 및 산림 부산물 등을 들 수 있다. 구체적으로, 상기 목질계 바이오매스는 소나무 폐목재 또는 참나무 폐목재일 수 있다.

나아가, 상기 초본계 바이오매스는 예를 들어, 옥수수대, 팜 커널, 코코넛 쉘, 견과류 껍질, 왕겨, 수수대, 억새(Miscanthus), 갈대(Phragmites), 볏짚(Rice straw), EFB(Empty fruit bunch) 및 낙엽 등을 들 수 있다. 구체적으로, 상기 초본계 바이오매스는 볏짚, 억새, 갈대 또는 EFB일 수 있다.

상기 바이오차는 탄소 함량이 70 중량% 이상인 것일 수 있다. 본 실험에 사용된 고온열분해된 바이오차는 화력발전의 부산물로 고온에서 건조되어 탄소격리를 극대화하여 약 20% 이상의 탄소함량을 가진다.

상기 건조저회의 입자 크기는 2 내지 13mm인 것일 수 있다. 상기 범위를 초과하면 인공토양의 공극률이 지나치게 커질 수 있고, 상기 범위에 미달하면 인공토양의 공극률이 지나치게 작아질 수 있다.

이때 바이오차 및 건조저회의 중량% 합은 60 중량%이 되도록 포함하는 것일 수 있다. 바람직한 일 예시에서, 바이오차 10 중량% 및 건조저회 50 중량%가 되도록 포함하는 것일 수 있다.

상기 탄소저감형 조성물의 pH는 5.6 내지 7.6인 것일 수 있다. 바람직한 일 예시에서, 상기 탄소저감형 조성물의 pH는 5.6 내지 7인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 일 예시에서, 상기 탄소저감형 조성물의 pH는 5.6이다. 상기 탄소저감형 조성물의 pH가 약산성 또는 중성임에 따라 인공토양에 육묘의 생장이 촉진될 수 있다.

상기 탄소저감형 조성물의 공극률은 69 내지 79%인 것일 수 있다. 상기 인공토양이 상기 공극률 범위 내에 존재함에 따라 인공토양에 육묘의 생장이 촉진될 수 있다.

상기 탄소저감형 조성물의 탄소 대비 질소 비율은 59.9 내지 83.2인 것이 바람직하다.

상기 탄소저감형 조성물은 굴패각 또는 팽창된 펄라이트 중 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 굴패각은,

1) 불순물이 제거된 굴패각을 분쇄 후 건조하는 단계;

2) 건조된 상기 굴패각을 적정 입자크기를 갖는 분말로 선별하는 단계; 및

3) 상기 굴패각 분말에 TiO₂ 분말을 균일하게 혼합한 후 석고 분말을 혼합하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.

상기 건조단계는 500 내지 1,000℃의 온도에서 수행되어질 수 있다.

여기서, 상기 건조단계를 통해서 굴패각에 함유된 염분이 모두 제거되며 불순물이 제거될 수 있다. 또한, 굴껍질의 주성분인 탄산칼슘이 부분적으로 산화칼슘으로 변하기 때문에 용해력이 증가하고, 굴껍질을 높은 온도에서 소성하면 다공질의 탄산칼슘이 되기 때문에 비중이 작아지며 흡착 능력이 뛰어나 토양 개량제로 사용했을 때 수분 등을 흡착하여 토양에 칼슘을 공급하기 용이하다.

또한, 상기 굴패각은 0.1 내지 25㎛ 이하의 분말인 것이 바람직하다.

또한, 상기 굴패각 분말은 5 내지 75 중량부와 석고 분말 25 내지 80 중량부와 계면활성제 0.1 내지 5를 균일하게 혼합할 수 있다.

또한, 상기 계면활성제는 알킬황산염, 알킬에테르 황산염, 황산염알카놀 아마이드 또는 그리세라이드 황산염 등일 수 있다.

상기 굴패각에 석고 분말과 TiO₂ 분말을 혼합하여 항균, 항곰팡이, 유해가스 제거, 음이온 방출의 기능을 갖는 효과가 있다. 또한, 상기 굴패각을 포함하는 탄소저감형 조성물은 토양 내 유해물질을 효과적을 감소시켜 준다.

또한, 일 예로 상기 혼합물에 계면활성제 및 물을 넣어 반죽하여 슬러지화 시켜 본 발명에 따른 탄소저감형 조성물에 도포하여 코팅되도록 할 수 있다.

한편, 상기 팽창된 펄라이트는,

1) 펄라이트를 0.1 내지 2.0mm로 분쇄하는 단계; 및

2) 상기 펄라이트 분쇄물을 800 내지 1,000℃로 가열하여 원래 부피의 5배 내지 20배로 발포 팽창시키는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.

또한, 상기 팽창된 펄라이트와 규산나트륨, 5산화안티몬으로 이루어지는 무기질 바인더와 혼합하여 제조될 수 있다. 상기 무기질 바인더는 규산나트륨 75중량%과 5산화안티몬 25중량%로 이루어질 수 있으며, 상기 무기질 바인더로 인해 견고성이 높아지는 효과가 있다.

또한, 상기 팽창된 펄라이트에 무기질 바인더가 내부 깊숙이 침투되는 것을 방지하도록 코팅제로서 모노 알루미늄 포스페이트(MAP)를 사용할 수 있다. 상기 모노 알루미늄 포스페이트를 사용할 경우 팽창 펄라이트와 결합력이 크고 안정성이 높아지는 장점이 있다.

상기 팽창된 펄라이트를 인공토양에 포함할 경우 토양 내 공기 공급을 원활하게 할 수 있어 배수 불량의 토양을 개선할 수 있다.

한편, 상기 탄소저감형 조성물의 면적당 연간 탄소배출양은 0.22 내지 1.76 kg C m^-2y^-1인 것일 수 있다. 본 발명의 탄소저감형 조성물은 인공토양 내에 탄소를 공정함으로써 온실가스 배출을 최소화할 수 있다. 바람직한 일 예시에서, 상기 탄소저감형 조성물의 면적당 연간 탄소배출양은 0.22 내지 0.99 kg C m^-2y^-1인 것이 바람직하다.

상기 탄소저감형 조성물은 상토 조성물인 것일 수 있다.

상기 탄소저감형 조성물은 육묘용 조성물인 것일 수 있다. 바람직한 일 예시에서, 상기 육묘용 조성물은 육묘용 상토 조성물일 수 있다.

본 발명은 또한 상기 탄소 저감형 조성물을 포함하는 원예용 상토 조성물을 제공한다. 상기 원예용 상토 조성물은 일반적인 식물의 재배에 모두 적용 가능하다.

상기 탄소 저감형 조성물은 바이오매스 추출물 등과 혼합되어 원하는 식종의 재배에 알맞도록

이때 상기 바이오매스 추출물의 일 예시는 숯, 농산부산물, 축산부산물, 수산부산물 또는 이들의 조합이 될 수 있으며, 상기 농산부산물은 볏짚, 상기 축산부산물은 가축의 분뇨, 상기 수산부산물은 어류, 패류, 갑각류의 껍질 및 미역줄기 중, 어느 하나 이상인 것일 수 있다.

식종마다 요구되는 토양의 영양조건이 다르기 때문에 적절한 원예용 상토 조성물을 선택하는 것이 중요할 수 있다.

또한, 상기 상토는, 소토법, 약제 소독법, 증기 소독법 하나이상의 소독법으로 소독된 상토일 수 있다.

이는, 상토에 포함될 수 있는 병균 혹은 잡초 종자를 제거하기 위함이며, 이에 따라, 입고병, 역병등의 병 발생으로 재배자가 재배하고자 하는 채소에 발생되는 피해를 방지하기 위함이다.

구체적으로, 상기 소토법을 이용하여 상토를 소독하는 방법으로, 철판이나 직사각형 모양의 강철 위에 상토를 평평하게 하고, 상기 철판이나 직사각형 모양의 강철을 가열하며, 상기 상토에 포함되어 있는 유기물이 과도한 열에 의해 사멸되는 것을 방지할 수 있도록 상토 표면에 물을 뿌려 상토를 적시며, 상기 가열된 상토의 온도가 65~75℃의 온도에 도달하게 되면 가열을 중단하고, 적정한 온도로 식혀 사용되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 약제 소독법을 이용하여 상토를 소독하는 방법으로, 상토를 평평하게 한 후, 상기 상토 표면의 일정 거리마다 구멍을 형성하고, 형성된 구멍에 소독용 약제를 주입하고, 상기 구멍을 상토로 메우거나 교반하여 숙성시켜 사용되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 약제 소독법에 사용되는 약제는 클로로피클린 혹은 메틸브로마이드 혹은 싸이론이 사용될 수 있다.

또한, 증기 소독법을 이용하여 상토를 소독하는 방법으로, 85℃~100℃의 온도를 가지는 증기로 본 발명에 포함되는 상토를 찌는 것이 바람직하다.

또한, 상기 물은, 질소, 인산, 칼리 중 하나이상의 성분을 더 포함하는 식물 영양제를 배합하여 제조된 물 일 수 있다.

이는, 채소의 생장을 더욱 촉진 시켜주기 위함이며, 채소의 생장 촉진과 더불어 생산되는 채소의 질과 맛을 향상시켜 주기 위함이다.

여기서, 질소는, 단백질, 핵산, 엽록소, 비타민, 각종 식물의 호르몬 구성물질이며, 줄기와 잎의 성장에 도움을 준다.

또한, 상기 인은, 단백질, 효소, 핵산의 구성물질이며, 뿌리의 성장을 도와주고, 식물의 결실촉진에 필요한 물질이다.

또한, 칼륨은, 식물 기공의 작용, 무기질 흡수와 수송에 관여하며, 뿌리와 줄기를 강하게 하는 효과를 가진다.

이하, 본 발명의 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

토양 배합 성분

본 발명에서 사용될 챔버별 인공 토양배합을 하기 표 1에 나타내었다.

성분(%)	A챔버	B챔버	C챔버	D챔버	E챔버	F챔버
펄라이트	100-	-	-	-	-	-
DBA	-	10	20	30	40	50
바이오차 (고온)	-	50	40	30	21	10
제올라이트	-	5	5	5	5	5
피트모스	-	25	25	25	25	25
바크	-	10	10	10	10	10
합계	100	100	100	100	100	100

상기 바이오 차는 바이오차는 800℃ 이상의 고온 열분해를 거쳐 생산된 작은 과립 형태의 유기농의 순수 목재펠릿을 원료로 하는 바이오차를 사용하였다. 실험구는 제올라이트, 피트모스, 바크를 각각 5%, 25%, 10% 일정한 비율을 가지고 있으며, 식물생육을 고려하여 무기계 재료인 DBA와 고온열분해된 바이오차의 합은 60%의 비율로 배합하였다. 대조구로 사용된 A챔버 외에 B에서 F챔버까지 각각 일정하게 10% 간격으로 DBA와 바이오차의 비율을 변화시켰다.

실험 준비

토양기반재 재료와 이를 인공 토양배합에 적용하여 2021년 9월 30일 야외 실험사이트 내에 배치된 방수 재질의 사각형 프레임(70 cm × 70 cm × 40 cm)에 충전하였으며, 6종류의 인공 토양배합 실험처리구를 2반복 제작하여 설치하여 안정화 한 후, 6종류의 인공 토양배합별, 각 실험처리구의 깊이 5cm의 토양 표면에 자동 탄소플럭스 챔버를 설치하였다.

또한 별도로 적용 대상 초본 식물종의 생체량 증감에 따른 일차생산량(NPP) 및 식물체의 탄소 및 질소의 성분을 분석하기 위하여 6종류의 인공 배합토양별, 각 실험처리구에 본 연구의 대상 식물종인 해국(Aster spathulifolius Maxim.)과 수크렁(Pennisetum alopecuroides)을 각각 식재하였다.

야외 현장에서 인공 토양배합별, 각 실험처리구에 대상 식물종들을 식재 한 후, 곧바로 각 실험처리구로부터 동일한 대상 식물종의 초기 생체량과 탄소 및 질소 성분 분석을 위하여 식재된 각 식물종의 개체들을 무작위로 샘플링하고 안전하게 아이스 보관 및 운반용 박스에 넣어 실내 연구실로 이동하여 분석에 사용하였다.

탄소 플럭스

본 야외실험사이트 내, 대상 식물종의 생육 환경에 적합하고 시·공간 및 계절변화에 따른 배합토양기반의 실험처리구 및 대조구로부터 발생되어지는 탄소플럭스(Carbon Flux) 측정을 장기간 자동 연속 측정하기 위하여 내구성이 높은 다채널 방식의 자동챔버를 제작 및 테스트를 거쳐 야외실험 현장에 챔버를 설치 적용하고 그 외의 컨트롤시스템, 자료수집장치, 전원공급 장치(상용 AC 220V) 등을 안전하게 보관 및 유지 관리 가능한 보조 창고를 설치하였다.

자동 탄소플럭스 챔버시스템을 사용하여 각 배합토양별 처리구 및 대조구 내의 정량적인 토양 탄소플럭스를 모니터링 측정하고 수집된 시·계열 연속 측정 자료부터 각각의 토양 탄소배출량 및 CO₂교환 프로세스의 일변화 및 시·계열 변화 등의 특성을 분석하였다.

탄소플럭스 속도의 계산식은 하기의 식 1로 계산하였다.

[식 1]

상기 식 1에서,

P₀ : 대기압 (P_a)

V : 챔버 부피 (m³)

R : 이상기체상수 (8.314 Pa m³k^-1mol^-1)

S : 챔버 내 측정된 토양 표면 면적 (m²)

θ: 대기 온도 (℃)

∂_c/∂_t:CO₂측정기간에 대한 몰 분율의 평균 변화율 (umol mol^-1s^-1)이다.

한편 탄소플럭스와(Carbon Flux) 속도와 온도(기온 및 지온)의 상관관계 및 Q₁₀값을 하기 식 2로 계산하였다.

[식 2]

상기 식 2에서,

a : 0℃에서의 CO₂플럭스 속도

b : CO₂플럭스 속도의 온도 계수

T : 대기 또는 토양 온도 (℃)

Q₁₀ : 10℃증가에 따른 CO₂플럭스 속도의 상대적인 증가, Q₁₀값은 온도가 10℃ 상승할 때마다 토양 CO₂플럭스의 증가를 표현하기 위해 계산될 수 있다.

실시예

실험 기간 동안의 (a) 시간별 평균 대기 온도 (℃), (b) 상대습도 (%), (c) 토양 온도 (℃), (d) 토양 수분 함량 (%)을 도 1에 각각 나타내었다.

연구 기간 동안에 시간 평균값의 기온(℃)과 상대습도는 각각 약 0.81℃~24.7℃와 약 19.3%~99.8% 사이의 일변화 주기를 보이며 변화하였다. 특히, 본 야외 실험 시기의 시간 평균 기온 분포는 가을철의 일교차가 매우 심하였고 비가 내린 후, 10월 17일~18일 사이에 급격하게 기온이 하강하였고 특히 오전 5~6시 경에 가장 낮은 기온분포를 보였다. 각 토양배합별, 실험처리구의 시간 평균의 토양온도 측정값들은 기온의 일변화 경향을 따랐다.

한편 본 실험 기간 (2021년 10월 13-28일) 동안의 실험구별 CO₂플럭스 측정 변화 (mg CO²m^-2h^-1)를 도 2에 나타내었으며, 본 실험 기간 동안의 실험구별 시간 평균 토양 CO2 플럭스 (mg CO₂m^-2h^-1)를 도 3에 나타내었다.

본 실험의 CO₂flux분석 결과, 각 실험처리구에 배합된 토양기반재로부터 배출되는 CO₂flux의 속도는 A챔버 < F챔버 < B챔버 < D챔버 < C챔버 < E챔버 순서로 높게 나타났다. 펄라이트 100%의 인공 토양기반재로 구성된 실험처리 조건의 A챔버 측정값을 제외한 모든 실험처리구들의 CO₂flux측정값들은 기온과 토양온도의 시·계열 변화를 현저하게 따름을 알 수 있었다. 즉, 야외 환경 속에서 토양으로부터 CO₂flux속도는 온도(기온 및 토양온도)의 분포 경향에 매우 민감하게 반응한다는 것을 알 수 있었다.

비록, 각 인공 배합토양별 실험처리구로부터 연간 총 탄소 배출량을 추정함에 있어서 주어진 본 실험의 비교적 짧은 기간 동안의 실제 야외 현장으로부터 연속 측정된 CO₂flux값들은 설치 후, 초기 실험 단계 과정에 있어서 각 인공 배합토양의 물리 구조적 안정화를 위한 충분한 시간의 필요성과 각 인공 배합토양의 기반재료에 함유된 다양한 유기물질 가운데 물에 잘 녹고 용탈이 빠르며 종속 영양미생물이 비교적 이용하기 쉬운 영양물질의 풍부함은 초기 토양 미생물들의 정착 및 활성에 영향을 주었을 것이라고 추측되었지만 설치 10일 후부터는 본 실험의 인공 배합토양별 실험처리구로부터 각각의 연속 측정된 CO₂flux속도는 튀는 값 또는 큰 폭의 변동 없이 안정적으로 각 고유의 CO₂배출 양상을 나타내었다.

본 실험 기간 동안의 실험구별 CO₂플럭스 (mg CO₂m^-2h^-1)와 동일 시간의 5cm 깊이의 토양 온도 (℃)와 상관관계를 도 4에 나타내었다.

초기의 본 실험 기간 동안에 시간 평균의 토양온도와 CO₂flux의 관계를 분석한 결과, 해당 6종류의 실험처리구들 가운데, 각 A챔버 < D챔버 < F챔버 < B챔버 < C챔버 < E챔버 실험처리구 순으로 높은 상관관계를 보였으며, 주로, 바이오차가 함유된 실험처리구의 CO₂flux속도는 토양온도 변화에 강한 영향을 받음을 알 수 있었다.

본 실험에서 가장 작은 시간 평균 CO₂flux값을 나타낸 A챔버의 실험처리구를 제외한 그 밖의 인공 배합토양별, 실험처리구들 내에는 공통적으로 제올라이트(5%), 피트모스(25%), 그리고 바크(10%)의 주요 토양기반재 성분들이 전체 배합토양(100%) 구성의 30% 비율로 똑같이 충전되었으며, 주로, 건조저회인 DBA와 고온 바이오차(800℃ 이상 열분해 생성)의 각각의 투여 비율 조정에 따른 인공 배합토양 실험처리구로부터의 CO₂발생 및 그 효과를 정량적으로 비교 분석하였다.

본 실험 결과, 10%~30%의 DBA 배합 비율 변화에 맞춰 이에 대응하는 50%~30%의 고온 바이오차 배합 비율을 적용한 B~C챔버의 실험처리구들 사이에서 얻어진 정량화된 CO₂flux의 측정값들은 539~582 mg CO₂m^-2h^-1범주 내에 분포하며 뚜렷한 차이를 나타내 보이지 않았다. (도 3)

그러나 DBA 50%와 고온 바이오차 10%가 함유된 F챔버 실험처리구가 가장 낮은 CO₂발생을 보였고, DBA 40%와 고온 바이오차 20%가 함유된 E챔버가 상대적으로 높은 CO₂발생을 나타내었다. 본 실험에서는 각 실험처리구 내에 토양 미생물들의 바이오매스 양과 종 조성을 동정하지 않았지만 E챔버 실험처리구에 적용된 인공 배합토양의 구성 비율 및 성분 요소들이 대부분의 토양 CO₂발생원인 토양 미생물들의 활성을 향상시키는 최적의 물리화학적 토양 환경을 제공하였고 이로 인한 높은 CO₂flux값이 측정되었음을 반영하였다.

F챔버 실험처리구의 인공 배합토양은 pH = 5.6을 나타냈고 전기전도도(EC)는 1.1 ds/m 이였으며 전 질소(total nitrogen content)와 전 탄소(total carbon content)의 함량은 토양시료의 중량당 각 0.23%와 17.18%이였고 이에 따른 C/N비는 75.1이였다. 또한 토양 속의 공기와 수분이 분포하며 식물의 생육장소가 되는 공극율은 약 69%로 양호한 토양 물리성을 갖춤. 각 배합재료 및 인공 토양배합별, 각 실험처리구 내의 전 탄소, 수소, 질소의 성분분석 결과 및 C/N비를 하기 표 2에 나타내었으며, 인공 토양배합별, 각 실험처리구 내의 화학적 성분 및 물리적 특성 분석 결과를 표 3에 나타내었다.

시료명	N(wt%)	C(wt%)	H(wt%)	CN ratio
A	0.00	0.00	0.08	0.00
B	0.45	37.76	3.12	83.22
C	0.50	31.72	2.35	63.35
D	0.36	22.79	2.47	59.90
E	0.34	20.53	2.10	62.53
F	0.23	17.18	1.72	75.09

시험항목 명칭	A	B	C	D	E	F
pH	7.6	7.6	7.5	7	6.8	5.6
EC(ds/m)	0.2	3.87	2.95	2.18	1.97	1.1
유기물함량 (%)	0.15	56.66	32.54	40.77	29.76	31.64
치환성 Ca	21.93	4276.59	3803.36	3115.44	2289.38	176.98
친환성 Mg	2.97	724.42	605.17	412.11	305.13	273.39
치환성 K	35.36	1592.21	1349.05	1147.02	1232.06	820.25
치환성 Na	80.93	784.4	619.81	538.13	581.19	334.66
유효인산 (P2O5)	0.87	101.39	132.02	53.57	68.25	87.91
유효규산 (SiO2)	97.9	1524.64	1101.94	684.17	362.63	192.59
공극률(%)	69.14	78.25	78.49	72.66	73.15	69.09

한편, 각 인공 배합토양별 실험처리구로부터 대기 중에 배출된 시간평균 CO₂ flux 측정값을 연간 총 배출량과 이를 연간 단위 면적당 탄소(C)로 산정하여 하기 표 4에 나타내었다.

구분	A	B	C	D	E	F
연간 이산화탄소 배출량(kgCo2m-2y-1)	0.82	4.72	5.1	4.78	6.46	3.64
연간 탄소배출량(kgCm-2y-1)	0.22	1.29	1.39	1.30	1.76	0.99

또한 본 실험으로부터 얻은 CO₂flux측정값들과 자연 생태계의 토양으로부터 모니터링 측정한 값들과 하기에 비교하였다. 최근 기후변화와 온난화 및 도시의 열섬 효과에 가장 취약한 서울 도심의 중심에 위치한 남산 지역의 자연 삼림생태계인 참나무림(주요 우점수종: 신갈나무 군락)에서는 토양으로부터 대기 중에 연간 약 1.11 kg C m^-2y^-1의 탄소를 배출하며, 강원도 춘천시의 참나무림 군락지역에서 토양으로부터 연간 약 0.1~4.78 kg C m^-2y^-1범위 내의 탄소 배출량을 가지며 충청북도 청주시의 아파트 단지 조경지 내의 여러 곳의 토양으로부터 연간 약 0.012~3.16 kg C m^-2y^-1이고 전라남도 여수시의 아파트 단지 조경지 내의 다양한 토양으로부터 연간 약 0.09~2.77 kg C m^-2y^-1이었다. 본 실험에서 산정한 연간 탄소 배출량의 범위는 0.22~1.76 kg C m^-2y^-1로 자연 삼림생태계 및 조성된 인공 아파트 조경 녹지와 비교하면 개발한 인공 배합토양별 실험처리구로부터의 탄소 배출량은 보다 낮거나 상기 참조 문헌들의 측정값들의 범주 내에 분포하고 있음을 알 수 있었다.

현재 관행적 또는 일반적으로 다양한 식재 대상 식물들의 높은 생산성과 빠른 성장률을 극대화시키기 위하여 조경 및 원예용으로 시판 사용되어지는 여러 종류의 복합 인공 토양기반재 및 원료 시비에는 과다한 영양물질 함유, 높은 비료성분, 복합 유기물질 투여 등의 식물의 성장에 필수적인 양분 공급 이상으로 충전되어있어 이를 시비한 인공 토양으로부터 대기 중에 높은 CO₂를 배출하고 있는 실정이다.

따라서 본 야외 실험을 통하여 개발한 A~F챔버의 인공 배합토양은 기존의 원예 및 조경용 인공 토양보다 탄소 저감의 효과에 있어서 매우 우수함을 알 수 있었다.

부가적으로 고찰하자면 야외 현장에서 더욱 명확한 인공 배합토양 표면으로부터의 대기 중에 발생되는 CO₂flux의 연속 측정값들의 계절변동과 그 정량적인 연간 평가를 위해서는 앞으로 도심 생태계 또는 주어진 야외 환경 속에서 식생의 성장기와 비성장기를 모두 포함하는 사계절 내내 지속적인 모니터링 측정이 필요하다.

본 발명에서 개발하고자 하는 토양의 최적 조건은 1) 탄소를 토양에 오랫동안 저장시키고, 2) 토양으로부터 대기 중에 CO₂배출이 적고, 3) 식재된 식생들의 광합성 작용 및 빠른 성장에 의한 대기 중의 CO₂를 흡수하고, 4) 탄소(C)를 격리하여, 5)전체적인 도시생태계의 복합적인 탄소저감 효과를 높이는 것이다.

본 야외 현장 실험에 적용된 인공 배합토양별, 각 실험처리구 내의 초기 탄소저장량(탄소축적량)은 초기 설치 시에 각 배합토양별 시료를 샘플링하여 모든 유기 및 무기 탄소의 함량을 원소 분석(EA)하고 각 실험처리구의 일정한 용기에 투여 충전된 토양기반재들의 부피와 중량을 측정하여 산정하여 하기 표 5에 나타내었다.

실험구	배출량 (kgC/m2/y)	원소분석 (%C)	충전무게 (kg)	탄소저장량 (kgC/1101)	탄소저장량 (kgC/m3)
A	0.22	0	10.58	0	0
B	1.29	37.76	33.86	12.79	11.62
C	1.39	31.72	37.88	12.02	10.92
D	1.3	22.79	41.91	9.55	8.68
E	1.76	20.53	45.94	9.43	8.57
F	0.99	17.18	49.96	8.58	7.80

A챔버부터 F챔버까지 해당 6종류의 인공 배합토양별, 각 실험처리구 내에 함유된 초기 탄소저장량(탄소축적량)은 110 L의 일정한 용기의 부피당 각각 약 0, 12.8, 12.0, 11.4, 8.6, 그리고 7.9 kg C으로 나타냈다. A챔버를 제외한 실험처리구들에서 투여된 고온 바이오차의 비율적 양이 많을수록 초기 탄소량은 높게 나타났으며 B챔버 실험처리구 내의 초기 탄소저장량이 약 12.8 kg C로 가장 높았다.

고온 바이오차를 인공 토양배합에 투여함으로써 일반적으로 야외현장에서 통용되는 저온 바이오차의 초기 토양 CO₂발생량 보다 명확히 CO₂를 적게 발생시켰음을 확인하였다.

본 야외 실험처리구 가운데 F챔버의 경우, 다른 실험처리구 보다 토양 표면으로부터 대기 중에 가장 적은 CO₂(F챔버: 415 mg CO₂m^-2h^-1)를 배출하였으며, 이를 연간 수치와 탄소(C)로 환산하면 약 0.99 kg C m^-2y^-1임을확인하였다.

각 실험처리구 내에 투여된 인공 배합토양 기반재료의 전 탄소 화학성분을 분석한 결과를 바탕으로 각 실험처리구의 일정한 부피(110 L)에 충전 투여된 토양기반재의 모든 중량에 함유된 탄소의 양을 산정한 결과, F챔버 실험처리구(토양충전재 중량 약 50 kg)에는 약 8.58 kg C의 탄소가 저장 되어 있었다. 이 값을 1m × 1m × 1m 토양 부피(m³)로 환산하여 추정하면 1 m³당 약 7.80 kg C m^-3의 탄소를 인공 배합토양 속에 장기간 저장 또는 격리 시킬 수 있다. F챔버 실험처리구의 인공 배합토양 내에 함유되어있는 전체 유기 및 무기 탄소 성분들 가운데 피트모스와 바크의 유기물 속에 포함된 일부 적은 탄소를 제외한 대부분의 탄소 성분들은 800℃ 이상 고온에서 만들어진 바이오차로 이루어져있다. 이 고온 바이오차는 토양의 물리·화학적 및 토양생물 환경 속에서 잘 분해가 이루어지지 않고 비교적 단단한 화학적 구조를 가지며 저온 생성 바이오차 보다 20% 이상의 많은 탄소 성분으로 구성되었다. 이는 직접적으로 야외현장에 적용 시에 상당히 오랜 기간 많은 양의 탄소를 인공 배합토양 안에 저장시킬 수 있음을 시사한다.

F챔버 실험처리구의 인공 배합토양은 다른 실험처리구보다 수소이온농도가(H+)가 pH = 5.6인 약산성으로 실험처리구에 투여 적용된 건조저회(DBA)와 바이오차 토양 기반재의 비교적 높은 알카리성 성분을 적절히 낮추어 식재된 대상 식물들의 생장에 알맞은 인공 토양배합 비율을 상호 보완하였다. 또한 전기전도도(EC)는 1.1로 염류로 인한 식물의 성장 저해가 없는 수치를 보였다.

또한 본 실험을 통하여 바이오차의 과립 구조와 건조저회(DBA, 크기: 2~13 mm)의 다양한 입자들의 성분으로 이루어져 있어 토양의 공극률 향상시켰고 공기의 이동 및 투수성을 향상 시켰다.

상기 결과로부터 도출된 F챔버 실험처리구의 인공 토양과 바이오매스로서 볏짚을 8:2 중량비로 혼합하여 상토 조성물을 제조한 후, 해국과 수크렁을 식재하여 30일간 재배하였다. 비교를 위해 시판되는 상토 조성물 상에서도 해국과 수크렁을 식재하여 30일간 재배하였다.

실험 결과, 본 발명의 상토 조성물 상에서 재배된, 해국의 키는 시판 상토 조성물 상에서 재배된 해국의 키에 비해 10% 컸으며, 본 발명의 상토 조성물 상에서 재배된, 수크렁의 키는 시판 상토 조성물 상에서 재배된 해국의 키에 비해 20% 컸다. 따라서 본 발명의 F챔버 실험처리구와 바이오매스의 혼합물은 해국과 수크렁에 대한 원예용 상토 조성물로서 사용가능함을 확인하였다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 저술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구 범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

1. 제올라이트 5 중량%, 피트모스 24 내지 26 중량%, 바크 9 내지 11 중량%, 바이오매스를 800 내지 1000℃에서 탄화하여 제조된 바이오차 10 중량% 및 입자 크기가 2 내지 13mm인 건조저회 50 중량%로 이루어진 탄소저감형 조성물로서,
   상기 탄소저감형 조성물은 굴패각 및 팽창된 펄라이트를 더 포함하고,
   상기 굴패각은,
   1) 불순물이 제거된 굴패각을 분쇄 후 500 내지 1000℃의 온도에서 건조하는 단계;
   2) 건조된 상기 굴패각을 0.1 내지 25㎛ 입자크기를 갖는 분말로 선별하는 단계; 및
   3) 상기 굴패각 분말은 5 내지 75 중량부와 석고 분말 25 내지 80 중량부와 계면활성제 0.1 내지 5 중량부와 TiO₂ 분말을 혼합하는 단계;를 포함하여 제조된 것이고,
   상기 팽창된 펄라이트는,
   1) 펄라이트를 0.1 내지 2.0mm로 분쇄하는 단계;
   2) 상기 펄라이트 분쇄물을 800 내지 1000℃로 가열하여 원래 부피의 5 내지 20배로 발포 팽창시키는 단계; 및
   3)상기 팽창된 펄라이트와 규산나트륨, 5산화안티몬으로 이루어진 무기질 바인더와 혼합하여 제조된 것이고,
   상기 탄소저감형 조성물의 공극률은 69%인, 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 계면활성제는 알킬황산염, 알킬에테르 황산염, 황산염알카놀 아마이드 또는 그리세라이드 황산염 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 탄소저감형 조성물.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 무기질 바인더는 규산나트륨 75중량%와 5산화안티몬 25중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소저감형 조성물.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄소저감형 조성물의 탄소 대비 질소 비율은 59.9 내지 83.2인 것인, 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 탄소저감형 조성물의 면적당 연간 탄소배출양은 0.22 내지 1.76 kg C m^-2y^-1인 것인, 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 탄소저감형 조성물의 면적당 연간 탄소배출양은 0.22 내지 0.99 kg C m^-2y^-1인 것인, 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 탄소저감형 조성물은 상토 조성물인 것인, 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 탄소저감형 조성물은 육묘용 조성물인 것인, 바이오차를 포함하는 탄소저감형 조성물.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 탄소 저감형 조성물을 포함하는 원예용 상토 조성물.
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