KR20030025974A

KR20030025974A - 작물재배용 고농도 용존산소 발생재료 및 촉매의 제조방법

Info

Publication number: KR20030025974A
Application number: KR1020010058920A
Authority: KR
Inventors: 김성훈
Original assignee: (주)에코텍
Priority date: 2001-09-24
Filing date: 2001-09-24
Publication date: 2003-03-31

Abstract

식물들은 계속해서 호흡작용이 일어나 광합성과 그 밖의 생합성 과정으로 만든 물질을 분해하고 소모하여 에너지를 얻게되며, 또 한편으로 분해 중간물의 일 부분은 다른 물질의 합성 기질로 사용된다.

호흡은 산소의 소비와 더불어 시작되며 최종에는 탄산가스와 물 및 식물이 생장할수 있는 에너지를 발생하게 된다.

밀폐된 공간 내에서의 작물의 재배 또는 무토양 재배시스템에서는 뿌리로부터의 산소흡수를 위해서는 물 속에서 함유된 용존산소 농도가 높아야만 한다.

본 발명에서는 용존산소 농도를 증가시키는 고농도 산소발생제와 발생촉진제를 개발하였다.

본 발명에서 얻어진 고농도 산소발생제는 촉진제와의 병용으로만 산소를 발생할 수 있도록 설계되어 있으며 환경친화적인 무공해 물질로 구성되어 있다.

Description

작물재배용 고농도 용존산소 발생재료 및 촉매의 제조방법{The synthetic method of super concentration oxygen generating materials for agriculture}

식물이 광 에너지를 가지고 공기중의 탄산가스를 고정하여 탄수화물을 합성하는 것을 광합성(photosynthesis) 또는 탄소동화작용이라 한다.

그리고, 산소를 흡수하여 탄수화물을 물과 탄산가스로 분해하는 작용을 호흡(respiration)이라 한다.

광합성에서 생성되는 탄수화물은 식물체를 구성할 뿐만아니라 호흡의 기질로 사용되며 호흡작용에서 얻어지는 에너지는 생명활동을 가능하게 한다.

따라서 광합성은 수량증대의 관점에서 바람직한 생리작용이므로 광합성이 최대로 이루어질 수 있도록 탄산가스 공급 등의 방법 사용되어 진다.

한편 호흡은 생리활동과 생장을 가능하게 하는 생리작용으로서 지나치게 억제할 경우 생장을 지연시키게 된다.

예를 들어 탄수화물(포도당)이 보통 호흡의 기질로 사용될때 다음과 같은 간단한 종합식으로 나타낼 수 있다.

C₆H₁₂O₆+ 60₂→6CO₂+ 6H₂O + 에너지

이때 얻어지는 에너지는 탄수화물(포도당) 1 mol에서 야 686 Kcal이며, 이 에너지의 용도는 작물 내에 화학에너지의 형태로 축적되어 있다가 생장과 이온의 축적과 같은 필수적인 과정에 사용되는 것이다.

대기중의 산소농도가 21%에서 차차 감소하면 호흡속도로 점차 감소하며 산소농도가 5 ~ 10%에 이르면 크게 감소한다.

산소농도가 21%를 넘으면 호흡속도가 일시 증가하나 계속되지 않으며 90%에 이르면 급속히 감퇴하고 100%에서는 작물이 고사하게 된다.

산소가 과잉상태인 때에는 원형질의 기능이나 효소의 작용에 해로운 것으로 생각되어 지고 있다.

이와 같이 대기중의 산소농도인 21%는 작물이 호흡하는데 가장 알맞은 농도로 되어 있기 때문에 대기중의 산소농도는 ㅈ가물의 재배상 별로 문제를 제기하지 않는다.

그러나, 밀폐된 공간 즉 시설원예재배 또는 양액재배에 있어서는 부족한 산소의 농도를 보충시켜 줄 필요가 있다.

한편 토양 내에도 산소가 함유되어 있으며 토양에서 생활하고 있는 여러 생물의 호흡작용으로 토양 내의 산소농도는 감소하는 반면에 CO₂의 양은 증가한다.

토마토의 경우 뿌리 근처의 산소량이 10% 이하 또는 O₂의 분압(partial pressure)이 0.1 bar이하가 되면 탄수화물 대사에 난조를 일으킨다.

즉, 당류의 산화분해가 저하되며 발효작용(fermentation)이 일어나서 에틸알콜이 발생하게 되어 식물의 성장에 치명적인 장애를 일으키게 되어 수확량은 감소한다.

뿌리의 호흡은 주로 뿌리의 생장과 양분흡수에 이용되는데 뿌리에서 흡수된 산소는 공기중의 산소와 물(배양액 등)에 녹아 있는 산소(용존산소)를 흡수한 것이다.

용존산소(Dissolved Oxygen:DO)란 물에 녹아 있는 산소의 양을 말하며 온도가 높을수록 DO포화도는 감소한다.

DO의 양은 수온, 기압, 기타 조건에 따라 달라지며 수온이 높아지면 그 양이 적어지고 공기중에 산소가 많아지면 증가한다.

하천 상류의 깨끗한 물에는 거의 포화에 가까운 정도의 DO가 포함되어 있으나 가정,공업폐수 등에는 그 양이 줄어든다.

DO의 값이 크면 클수록 양질의 물이라 할 수 있다.

용존산소는 식물의 양분흡수를 위한 에너지의 원동력으로 사용되어 작물의 재배관리에 있어서 중요한 인자 중의 하나이다.

용존산소가 부족할 때에는 다음과 같은 증상이 일어난다.

①뿌리의 신장, 능동적 또는 선택적인 양분흡수로 특히 인산, 칼륨, 칼슘, 망간 등의 흡수가 적어 진다.

②에틸렌의 생성이 많아져서 뿌리가 고사하게 된다.

③곁뿌리 발생이 억제되는 등 뿌리에 피해가 나타난다.

④시토기닌과 같은 식물호르몬의 합성 등 뿌리의 여러가지 기능이 저하되어 식물의 생장이 저해된다.

종래에는 용존산소의 농도를 높이가 위해 아래와 같은 방법 들이 사용되어 왔다.

①배양액이 배액구에서 탱크로 떨어질 때 그 높이에 차이를 두어 대기중의 산소를 녹이는 방법.

②배양액의 수위를 상하로 이동시켜 뿌리를 일시적으로 공기에 노출하여 공기중의 산소흡수를 촉진시키는 법.

③배양액을 흡수할 수 있는 섬유로 된 시트의 표면에 뿌리를 펼쳐 시트에서 배양액을 흡수하고 뿌리를 향상 공기에 노출시키는 법.

④공기주입 장치를 이용하는 방법(펌프 중에는 공기도 동시에 흡입하는 것이 있으며, 어향에서 사용하는 공기주입기와 유사한 공급장치를 이용하기도 함)

⑤여름철 고온에서 수온을 낮추는 법.

용존산소가 약 5ppm 이하이면 곁뿌리의 발생이 억제되므로 용존산소의 농도를 충분히 높여 주어야만 한다.

수온이 높을수록 용존산소의 농도는 낮아지다.

예를 들어 15℃의 수온에서는 10.2 ppm이 녹지만 30℃에서는 7.6 ppm만 녹는다.

그러나 현재까지 알려진 상기 방법 들은 공기중의 산소를 물리적 방법에 의해 물속으로 끌어 들이는 방법이므로 장치 등이 필요하게 된다.

또한 하우스 내부에서 배양액을 제조할 경우에는 하우스 내부의 산소농도가 낮아진다는 단점을 가지고 있다.

작물 뿌리가 정상적으로 생육하고 양분을 흡수하려면 양액 또는 물속의 용조산소량이 많아야 한다.

수중의 포화 용존산소량은 수온에 따라 다르면 온도가 높아질수록 포화량이 적어서 35℃에서는 10 ppm 에 불과하다.

따라서 온도가 높을 때 밀폐된 시설원예 재배 등에서는 산소가 부족하게된다.

작물 뿌리는 계속해서 산소를 흡수하기 때문에 용존산소량은 감소하므로 어떤 방법으로든지 부족한 산소를 보충시켜 주어야만한다.

또한 관수된 작물은 체내 수분을 잃기 쉬운 상태로 있고 뿌리도 상해 있기가 쉽다.

이 때도 논물을 배출한 후 새 물을 여러번 갈아대면 새뿌리의 발생을 조장시킬 수 있다.

수경재배시 배양액 내의 용존산소가 약 5 ppm이하이면 곁뿌리(측근)의 발생이 억제될수 있다.

본 발명에서는 상기에서 열거한 산소 부족현상을 해결하기 위하여 고체분말형 고농도 산소발생제 및 촉진제를 개발하였으며, 산소발생제에 대하여 20,000배의 물에 산소발생제와 촉진제를 첨가하여 골고루 저어주므로서 종래의 산소발생제에 비해 50배 이상의 산소발생량을 나타내는 초고농도 산소 발생재료의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 농업용 초고농도 산소발생제 및 촉진제의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 초고농도 산소 발생재료는 고체형 산소발생제, 고체형 촉진제 및 지지제로 구성되어 있으며, 일정량의 산소발생제와 지지제에 담지된 촉진제를 물에 첨가하여 용해시키면 고농도의 용존산소가 생성되어 지속성을 가지게 구성되어 있다.

고체형 산소 발생재료는 유기재료와 무기재료로 나뉘어지며 유기재료로서는 유기 과산화물 중에서 케톤 피옥시드(Ketone peroxide)류로는 메틸 에틸 케톤 퍼옥시드(methyl ethyl keton peroxide), 메틸 이소부틸 케톤 퍼옥시드(methyl iso-butylketon peroxide), 시클로 헥사논 디퍼옥시드(Cyclo hexanone diperoxide), 메틸 시클로헥사논 퍼옥시드(methyl cyclohexanone peroxide),3,3,5-트리메틸 헥사논 피옥시드(3.3.5-trimethyl hexanone peroxide)를, 디아실 피옥시드(diacyl peroxide)류로서는 아세틸 퍼옥시드(acetyl peroxide),프로피오닐 퍼옥시드(propionylperoxide), 이소부티릴 퍼옥시드(isobutyryl peroxide), 옥타노일 퍼옥시드(octonoyl peroxide) 3.5.5-트리메틸 헥사노일 퍼옥시드(3.5.5-trimethylhexanoyl peroxide), 데카노일 퍼옥시드(decanoyl peroxide), 라우로일 퍼옥시드(lauroyl peroxide),벤조일 퍼옥시드(benzoyl peroxide),파리클로로벤조일 퍼옥시드(p-chlorobenzoyl peroxide), 2,4-디클로로벤조일 퍼옥시드(2.4-dichlorobenzoyl peroxide),아세틸 시클로헥산술포닐 퍼옥시드(acetyl cyclohexanesulfonyl peroxide)를, 하이드로 퍼옥시드( hydro peroxide), 류로는 부틸 히드로퍼옥시드(butyl hydroperoxide),큐멘 히드로퍼옥시드(cumen hydroperoxide),이소프로필 벤젠 히드로퍼옥시드(isopropyl benzene hydroperoxide)중 한가지 또는 두 가지 이상의 혼합물로 구성되어 있다.

무기재료로서는 촉매의 첨가 또는 가열에 의해 산소를 발생시킬수 있는 무기염인 과황산암모늄[(ZH₄)₂S₂O₈],과황산나트륨(Na₂S₂O₈), 과염소산칼륨(KCIO₄), 과황산칼륨 (K₂S₂O₈), 염소칼륨( KCIO₃), 아염소산나트륨 수화물(NaCIO nH₂O) 중 한 가지 또는 두 가지 이상의 혼합물로 구성되어 있다.

고체형 산소발생 촉진제로서는 요오드화합물인 요드화칼륨(KI)또는 요드화나트륨(Nal) 중 한가지 또는 두가지 이상의 혼합물로 구성되어 있다.

상기의 산소발생 촉진제를 담지시켜주는 지지제로서는 표면개질 실리카로 구성되어 있다. 표면개질 실리카는 다공성 실리카와 3-아미노프로필 트리에틸실란(3-aminopropyl triethyl silane)을 반응시켜 얻었다.

이 때 사용되는 다공성 실리카는 40Å의 세공경과 750m²/g의 표면적을 가지는 것을 사용하였으며, 이 범위를 벗어나는 다공성 실리카를 사용할 경우에는 산소의 발생량이 현저히 저하되었다.

구체적으로는 상기에서 언급한 물성의 다공성 실리카 3 part를 10%의 3-아미노프로필 트리에틸실란 (3-aminopropyl triethyl silane)의 벤젠(benzene)용액에 첨가하여 30분간 상온에서 교반한 후 여과하여 건조시키면 표면개질 실리카가 얻어진다.표면개질 실리카에 살리실알데히드(salicyl aldehyde)를 적하하면 표면개질 실리카의 표면이 노란 색으로 발색하여 실리카에 아미노기가 도입되었다는 것을 쉽게 눈으로 확인할 수 있다.

이와 같이 제조된 표면개질 실리카 10 part와 산소발생 촉진제 20 part를 에탄올 20 part에 분산시킨 후 2시간 교반하여 여과 및 건조하므로서 표면개질 실리카에 담지된 산소발생 촉진제를 제조할 수 있다.

상기 두 가지 요소 즉, 산소발생제와 촉진제를 적당한 비율로 물에 첨가하면 필요로 하는 용존산소의 발생의 일어나며 또한 지속적으로 산소를 방출할 수 있게 된다.

물 5,000 ~ 20,000 part

산소발생제 2 ~ 5 part

촉진제 0.2 ~ 0.7 part

상기 혼합물 중 산소발생제와 촉진제는 섞어 놓을 수 없으며, 사용할 때 물에 첨가하여 사용한다.

(실시예 1)

유기계 산소발생제 메틸에틸케톤 퍼옥시드 2 part를 소량의 알콜에 용해시킨 후 물5,000 part에 첨가한다.

이어서 산소발생 촉진제(요오드화칼륨계) 0.5 part를 상기 수용액에 첨가하여 골고루 교반하여 용해시킨다.

(실시예 2)

유기계 산소발생제로서 유기과산화물 중 케톤퍼옥시드류, 디아실퍼옥시드류, 하이드로퍼옥시드류를 사용한 것을 제외하고는 [실시예 1과]과 동일한 공정 및 조건을 사용하였다.

(실시예 3)

산소발생 촉진제로서 요오드화나트륨을 사용한 것을 제외하고는 [실시예 2]와 동일한 공정 및 조건을 사용하였다.

(실시예 4)

물 10,000 part를 사용한 것을 제외하고는 [실시예 2]와 동일한 공정 및 조건을 사용하였다.

(실시예 5)

물 20,000 part를 사용한 것을 제외하고는 [실시예 2]와 동일한 공정 및 조건을 사용하였다.

(실시예 6)

무기계 산소발생제인 과황산암모늄 2 part와 요오드화 칼륨계의 촉진제 0.5 part를 물 5,000 part에 용해하여 교반시킨다.

(실시예 7)

무기계 산소발생제로서 과황산나트륨, 과염소산칼륨, 과황산칼륨, 염소산칼륨, 아염소산나트륨 수화물을 사용한 것을 제외하고는 [실시예 6과]과 동일한 공정 및 조건을 사용하였다.

(실시예 8)

산소발생 촉진제로서 요드화칼륨을 사용한 것을 제외하고는 [실시예 6]과 동일한 공정 및 조건을 사용하였다.

(실시예 9)

물 10,000 part를 사용한 것을 제외하고는 [실시예 6]과 동일한 공정 및 조건을 사용하였다.

(실시예 10)

물 20,000 part를 사용한 것을 제외하고는 [실시예 6]과 동일한 공정 및 조건을 사

용하였다.

(비교예 1)

시판품 A 제품을 사용한 것을 제외하고는 [실시예 6]과 동일한 공정 및 조건을 사용하였다.

(비교예 2)

산소발생 촉진제로서 요드화칼륨을 사용한 것을 제외하고는 [비교예 1]과 동일한 조건을 사용하였다.

< 표 > 용존산소량의 비교 ( 20℃ ) [ DO:mg/1 ]

구분	물	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5	실시 예 6	실시예 7	실시예 8	실시예 9	실시예10	비교예 1	비교예 2
용존산소농도	5.2	10.5	10.4	10.7	9.2	8.4	22.4	22.2	23.0	20.2	18.5	5.7	5.4

상기에서 기술한바의 효과를 나타내는 본 발명의 고농도 산소 발생재료는 시설원예 및 수경재배용 용존산소 공급제이며, 종래의 물리적인 산소공급 방식에 비해 사용법이 간단하며, 산소 이외의 작물에 피해를 주는 유해가스가 발생되지 않는 특성을 가진다. 또한 물 속에 함유된 고농도의 산소 일부는 물 표면으로부터 공기 속으로 배출되므로 뿌리 이외의 산소의 호흡도 가능하게 하며 작업환경의 쾌적성에도 도움을 준다.

Claims

산소발생제, 촉진제, 지지제를 주성분으로 하는 산소 발생재료를 이용한 고농도 용존산소 제조법.
1항에 있어서 유기계 산소발생제로서는 유기과산화물 중에서 캐톤퍼옥시드류, 디아실퍼옥시드류, 하이드로퍼옥시드류 중 한가지 또는 두 가지 이상의 혼합물로 구성된 산소발생제.
1항에 있어서 무기계 산소발생제로서는 과황산암모늄, 과황산나트륨,과염소산칼륨, 과황산칼륨, 염소산칼륨, 아염소산나트륨 수화물 중 한 가지 또는 두 가지 이상의 혼합물로 구성된 산소발생제.
1항에 있어서 요드화칼륨, 요드화나트륨 중 한 가지 또는 두 가지 이상의 혼합물로 구성된 촉진제.
1항에 있어서 세공경이 35Å이고 표면적이 900m²/g인 다공성 실리카.
5항에 있어서 다공성 실리카를 알킬아미노실란으로 표면개질한 표면개질 실리카로 구성된 지지제.
1항에 있어서 초고농도 산소 발생재료가 아래와 같이 구성됨을 특징으로 함.

물 5,000 ~ 20,000 part

산소 발생제 2 ~ 5 part

촉진제 0.2 ~ 0.7 part
1항에서 산소발생제, 촉진제, 지지제 및 물을 주요 성분으로 하는 초고농도 산소발생제가 10.5 ~ 23.0 ppm 이상을 방출하는 것을 특징으로 하는 초고농도 산소 발생재료의 제조방법.