KR20060010170A

KR20060010170A - 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법 및 그유리 조성물

Info

Publication number: KR20060010170A
Application number: KR1020040058778A
Authority: KR
Inventors: 강원호
Original assignee: 강원호
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2006-02-02
Also published as: KR100567666B1

Abstract

본 발명은 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법 및 그 유리 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환경에 이미 존재하는 성분을 이용하여 완효성 비료용 수용성 유리 조성물을 제조함으로써, 환경을 오염시키지 않음은 물론 시간이 경과하면서 토양이나 수중에서 자연분해될 수 있으며, 내부에 기공을 함유함으로서 작물에 필요한 무기양분을 용출, 공급하고 작물의 뿌리가 착근할 수 있으며, 수분이 흡착 보존될 수 있도록 하는 것으로, P₂O₅, CaO 및 K₂O의 공급원을 칭량하여 P₂O₅의 총량이 40~60mol%, CaO의 총량이 20∼40mol%, K₂O의 총량이 0∼40mol%가 되도록 하고, 이를 700∼1300℃에서 용융하는 것을 포함하여 되는 것을 특징으로 한다.

완효성, 비료, 유리, 자연분해, 환경친화적

Description

완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법 및 그 유리 조성물{METHOD PRODUING COMPOSITION OF GLASS FOR SLOWLY-EFFECTIVE FERTILIZER AND THE GLASS COMPOSITION}

도 1은 본 발명의 실시예 10, 11, 12 및 13의 시간에 따른 무게감량을 나타낸 그래프.

도 2는 본 발명의 실시예 10, 11, 12 및 13의 시간에 따른 pH 변화를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 실시예 15, 16, 17 및 18의 시간에 따른 무게감량을 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 실시예 15, 16, 17 및 18의 시간에 따른 pH 변화를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 실시예 23, 24 및 25의 시간에 따른 무게감량을 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명의 실시예 23, 24 및 25의 시간에 따른 pH 변화를 나타낸 그래프.

본 발명은 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법 및 그 유리 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환경에 이미 존재하는 성분을 이용하여 완효성 비료용 수용성 유리 조성물을 제조함으로써, 환경을 오염시키지 않음은 물론 시간이 경과하면서 토양이나 수중에서 자연분해될 수 있으며, 내부에 기공을 함유함으로서 작물에 필요한 무기양분을 용출, 공급하고 작물의 뿌리가 착근할 수 있으며, 수분이 흡착 보존될 수 있도록 하는 것이다.

우리 나라의 농지는 화강암을 모암으로 하는 토양 특성과 년간 1,300mm에 달하는 강우의 영향으로 본래 무기양분의 용탈이 많고 산성화되기 쉬운 특성을 가지고 있으며, 수처년 간의 집약적인 경작으로 지력이 극히 쇠퇴하여 토양생산력이 높지 못한 문제점을 가지고 있다.

특히 논 토양의 경우 벼의 생리적 필수원소인 유효규산의 함량은 72ppm에 불과하여 적정치인 130∼180ppm에 크게 미달하고, 칼슘함량은 논 4.0ppm, 밭 1.4ppm으로 적정기준 5.6∼6.0ppm에 크게 미달하며, 마그네슘 함량은 논 1.2ppm, 밭 1.4ppm으로 역시 적정기준 1.5∼2.0ppm보다 낮은 문제점이 있다..(농림부, 1999; 정 등, 1999)

따라서 생산성의 증대를 위해서는 농지의 무기양분 공급의 증대가 필요로 되나, 현재 농지에서는 질소, 인산 및 칼리 등의 3대 다량원소 비료에만 지나치게 의존하고 그 외의 무기성분은 중요성 인식이 결여되어 소홀히 하고 있는 실정이며, 양액재배나 기타 식생용으로 쓰이는 환경 유니트를 사용함에 있어서도, 대부분 우 레탄 폼(Urethane Form)과 같은 다공질 플라스틱 패널을 유니트로서 사용함으로써 식물재배에 제약이 많고, 특히 폐기시 환경에 대한 부하가 크고 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

한편, 국내외적으로 환경친화성 재료의 개발 필요성이 크게 대두되고 있으며, 자원-소재-제품의 흐름에 있어서도 새로운 자원을 이용하기보다는 폐기물을 자원으로 재활용하는 시스템을 필요로 하게 됨에 따라, 재료분야에서 환경파괴 및 유해물질의 배출이 적으면서, 사용시 만족감을 주며, 사용 후 처리과정에서 환경에 대한 악영향이 적은 ECO(Environment Conscious Material)이라는 개념의 친환경적인 식생 및 토양개량 재료가 요구되고 있다.

따라서 상기한 종래의 토양개량 재료가 가지는 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 환경에 이미 존재하는 성분인 P₂O₅, CaO 및 K₂O를 이용하여 완효성 비료용 수용성 유리 조성물을 제조함으로써, 환경을 오염시키지 않음은 물론, 시간이 경과하면서 토양이나 수중에서 자연분해될 수 있으며, 내부에 기공을 함유함으로서 작물에 필요한 무기양분을 용출, 공급하고 작물의 뿌리가 착근할 수 있으며, 수분이 흡착 보존될 수 있도록 하는 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법 및 그 유리 조성물을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조 성물의 제조방법은, P₂O₅, CaO 및 K₂O의 공급원을 칭량하여 P₂O ₅의 총량이 40~60mol%, CaO의 총량이 20∼40mol%, K₂O의 총량이 0∼40mol%가 되도록 하고, 이를 700∼1300℃에서 용융하는 것을 포함하여 되는 것을 특징으로 하며,

그 수용성 유리 조성물은 P₂O₅의 총량이 40~60mol%, CaO의 총량이 20∼40mol%, K₂O 총량이 0∼40mol%이며, 700∼1300℃에서 용융하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명의 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법 및 그 유리 조성물은 인산(P₂O₅)의 총량이 40~60mol%, 산화칼슘(CaO)의 총량 20∼40mol%, 산화칼륨(K₂O)의 총량이 0∼40mol%가 되도록 하는 것인 바, 상기 P₂O₅의 총량이 30mol% 미만이면 하기의 실시예에서 나타나는 바와 같이 유리화가 되지 않으며, 40mol%인 경우도 K₂O의 mol%가 20∼40mol%의 범위를 벗어나면 유리의 실투가 발생되고, 60mol%를 초과하면 점성액체(Viscous Liguid)상의 유리가 되고, CaO의 총량이 20mol% 미만이면 점성액체 또는 실투가 발생되며, CaO의 총량이 40mol%를 초과하면 실투 또는 유리화 범위를 벗어나게 되고, K₂O의 총량이 40mol%를 초과하면 실투 또는 유리화가 되지 않게 된다.

또한, 상기 용융온도는 저온 전기로에서 조성에 따라 그 온도를 조절하는 것인 바, 최대 1300℃에서 용융한다. 이 때 용융 온도가 1300℃를 초과하면 P₂O₅ 와 알카리 성분의 휘발이 일어나는 문제점이 발생되며, 700℃ 미만에서는 용융되지 않아 유리화가 불가능하므로 용융온도를 700∼1300℃로 하는 것이다.

또한, 상기한 P₂O_5,CaO 및 K₂O의 공급원으로는 친환경적이면서도 공급이 용이한 인산칼슘화합물(calcium phosphate), 인산암모니움(NH₄H₂PO₄) 오르토인산(H ₃PO₄), 탄산칼슘(CaCO₃), 탄산칼륨(K₂CO₃) 등을 사용한다.

즉, 상기 P₂O₅의 공급원으로는 H₃PO₄,NH₃H₂PO₄ 및 Ca₂P₂O₇중 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물을, CaO의 공급원으로는 CaCO₃, Ca₂P₂O₇ 또는 그들의 혼합물을, K₂O의 공급원으로는 K₂CO₃을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조성으로 되는 본 발명의 유리 조성물의 제조방법 및 그 유리조성물은 다공질의 무기질 유리 조성물로서, 친환경적이며 자연분해가 가능하면서도 비료의 주요성분을 포함하고 있기 때문에, 작물에 필요한 무기양분을 용출, 공급하고 작물의 뿌리가 착근할 수 있도록 하며 수분이 흡착 보존될 수 있도록 할 수 있어, 완효성 비료 제조용으로 적합한 것이다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

(실시예)

먼저 출발원료인 H₃PO_4, CaCO₃및 K₂CO₃(85%)를 증류수와 함께 균질한 슬러리(Slurry)를 얻기 위하여 1:1의 비율로 섞어 5시간 동안 볼밀을 실시한 후, 얻어진 슬러리를 130℃의 온도로 건조오븐(Dry Oven)에 넣어 12시간 건조하였다. 건조 후 Pt 도가니에 넣어 저온 전기로에서 조성에 따라 최대 1300℃에서 용융하였으며, 끊어 넘치는 것을 방지하기 위해 400℃에서 1시간 유지하였고, CO₂의 분해온도인 900℃에서 30분간 유지하였다. 용융까지의 승온온도는 10K/min으로 선정하였다.

또한, 제조된 유리 조성물은 습기에 매우 민감하므로 반응을 막기 위하여 건조장치(desiccator) 내에 보관하였다.

하기 표 1은, 본 발명의 실시예에 따른 조성비 및 평균 체인 길이를 나타낸다.

실시예에 따른 조성비 및 평균 체인 길이

구분	CaO(mol%)	K₂O(mol%)	P₂O₅(mol%)	n_avg	appearance
비교예	-	-	90	-	Viscous Glass
실시예1	10	-	90	-2.57	Viscous Glass
실시예2	-	10	90	-2.25	Viscous Glass
실시예3	20	-	80	-4.00	Viscous Glass
실시예4	10	10	80	-3.20	Viscous Glass
실시예5	-	20	80	-2.67	Viscous Glass
실시예6	30	-	70	-14.00	Viscous Glass
실시예7	20	10	70	-7.00	Viscous Glass
실시예8	10	20	70	-4.67	Viscous Glass
실시예9	-	30	70	-3.50	Viscous Glass
실시예10	40	-	60	6.00	Glass
실시예11	30	10	60	12.00	Glass
실시예12	20	20	60	-	Glass
실시예13	10	30	60	-12.00	Viscous Glass
실시예14	-	40	60	-6.00	Viscous Glass
실시예15	50	-	50	2.00	Glass
실시예16	40	10	50	2.50	Glass
실시예17	30	20	50	3.33	Glass
실시예18	20	30	50	5.00	Glass
실시예19	10	40	50	10.00	Opaque
실시예20	-	50	50	-	Opaque
실시예21	60	-	40	1.00	Opaque
실시예22	50	10	40	1.14	Opaque
실시예23	40	20	40	1.33	Glass
실시예24	30	30	40	1.60	Glass
실시예25	20	40	40	2.00	Glass
실시예26	10	50	40	2.67	Opaque
실시예27	-	60	40	4.00	Opaque
실시예28	50	20	30	0.67	Opaque
실시예29	40	30	30	0.75	Opaque
실시예30	30	40	30	0.86	Opaque
실시예31	20	50	30	1.00	Opaque

상기 표 1의 n_avg 는 다음과 같은 식으로 구하였다.

상기한 표 1에서 각 조성비에 따른 유리화범위를 알 수 있었으며, 평균 체인 길이는 동일한 P₂O₅에서 K₂O의 함량이 감소함에 따라 길이가 감소하는 것으로부터, K₂O의 함량이 많아질 수록 결합력이 약해지는 것을 알 수 있으며( K⁺가 Ca⁺보다 활성하 에너지가 낮기 때문에 K₂O의 함량이 영향을 미침), 유리의 전이점 및 연화점은 감소하는 것을 알 수 있었다.

첨부된 도 1과 2는 각각 실시예 10, 11, 12 및 13의 시간에 따른 무게감량과 pH 변화를 나타낸 것이며, 도 3과 4는 각각 실시예 15, 16, 17 및 18의 시간에 따른 무게감량과 pH 변화를 나타낸 것이고, 도 5와 6은 실시예 23, 24 및 25의 시간에 따른 무게감량과 pH 변화를 나타낸 것이다.

도 1과 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 10, 11, 12 및 13은 담지 초기부터 알칼리 이온이 부족하여 물을 끌어들이게 되며, pH의 변화도 초기 망목의 붕괴로 인하여 용출되어 나온 인산이 메타인산(HPO₃)를 형성하여 산성으로 진행되고, K₂O 의 함량이 증가할수록 무게 감량은 급격히 일어나 유리의 망목이 빨리 붕괴되기 때문에 pH의 변화도 급격함을 알 수 있었다.

첨부된 도 3과 4에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 P₂O₅함량에 대하여 시간에 대한 무게 감량의 비율은 직선적으로 감소하였는 데, 특히 실시예18은 급격한 감소를 보임, 이는 K₂O의 함량이 증가하면서 유리 내에 P-O-P 결합의 분율이 많아지며, 증류수 속에서 K⁺ 가 쉽게 용출되어짐에 따라 빠르게 유리 망목이 붕괴되어 지 기 때문이고, 특히 실시예 15의 pH는 초기에는 약알칼리로 이동하나 시간이 지남에 따라 점착적으로 산성으로 진행됨을 알 수 있어, 이는 초기에는 유리의 망목이 안정한 상태로 유지되고 있기 대문에 증류수 담지 초기에는 알칼리 이온이 용출되어진 것으로 판단되나 점차적으로 P₂O₅함량에 대해 알칼리 성분의 부족으로 인해 물(H₂O)를 끌여들여 망목의 붕괴가 일어나는 것으로 판단되었다.

첨부된 도 5와 6에서 알 수 있는 바와 같이, 40mol%의 P₂O₅ 조성에 대해 K₂O의 함량이 증가하면서 알칼리 이온의 급격한 용출이 일어남을 알 수 있었으며, 실시예 25의 경우 증류수에 시편 담지 후 1시간 이후에 알칼리 이온의 용출로 인하여 염기성을 나타내며, 이후부터 점차적으로 P₂O₅ 망목의 붕괴로 인하여 산성으로 감을 알 수 있었다. 실시예 23과 실시예 24는 알칼리 이온의 용출로 인하여 초기에는 염기성으로 진행되나 시간이 지남에 따라 점차적으로 산성으로 진행하며, 이것은 초기의 무게감량은 알칼리 이온의 용출에 의한 것이고, 실시예 24는 6시간 이후부터, 실시예 23은 12시간 이후부터 P₂O₅ 망목의 붕괴에 의한 무게 감소임을 예측할 수 있었다.

하기 표 2, 3 및 4는 각 실시예의 시간에 따른 각 성분의 수중용출도를 나타낸 것이다.

각 실시예에 따른 P₂O₅의 수중용출도(단위 %)

구분	1일	3일	7일	15일	30일	45일
실시예11	9.3	13.8	22.5	50.5	78.2	94.5
실시예12	10.4	16.4	24.0	53.8	64.5	80.0
실시예16	38.0	46.5	69.2	81.0	92.4	93.8
실시예17	29.6	33.3	51.5	75.0	80.8	82.5
실시예18	60.3	74.8	75.3	84.5	82.3	87.7
실시예23	0.31	0.38	0.43	0.48	0.51	0.61
실시예24	24.4	35.5	36.3	40.4	42.8	48.3
실시예25	30.7	36.3	40.5	41.4	42.6	46.5

각 실시예에 따른 K₂O의 수중용출도(단위 %)

구분	1일	3일	7일	15일	30일	45일
실시예11	11.2	16.7	30.6	57.3	83.9	93.0
실시예12	9.9	15.3	23.4	60.3	62.1	69.0
실시예16	41.6	51.7	72.0	78.7	92.8	93.1
실시예17	36.3	42.6	63.7	74.1	81.8	83.4
실시예18	62.9	75.0	81.5	81.1	86.7	92.4
실시예23	0.36	0.44	0.48	0.54	0.58	0.69
실시예24	35.8	48.7	53.6	60.3	65.4	66.1
실시예25	33.0	39.3	41.2	43.4	47.0	48.9

각 실시예에 따른 CaO 의 수중용출도(단위 %)

구분	1일	3일	7일	15일	30일	45일
실시예11	7.5	11.0	18.4	43.2	79.7	94.1
실시예12	7.7	12.5	23.5	51.5	61.5	68.9
실시예16	35.4	39.8	53.0	53.1	79.7	85.4
실시예17	17.7	17.4	36.2	59.0	65.3	68.9
실시예18	28.8	41.1	50.2	53.4	56.4	65.7
실시예23	0.02	0.14	0.15	0.16	0.17	0.17
실시예24	2.8	3.0	3.1	3.2	3.3	3.3
실시예25	0.8	1.1	1.0	1.0	1.0	1.0

상기 표 2, 3, 4에서 알 수 있는 바와 같이, 각 수중용출도는 P₂O₅, CaO 및 K₂O의 조성에 따라 다양하게 나타났으며, 이중 실시예 23은 3성분의 용출량이 45일 차까지 1% 미만으로 매우 늦어 극서방 용출에 필요한 토양자재용으로, 실시예 24와 실시예 11은 서방적 용출경향으로보아 수도용 및 전작용 완효성비료에 적용이 가능할 것으로 판단되었다.

이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 실시예에 한하여 설명하였지만 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

이상의 설명에서 알 수 있듯이 본 발명의 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법 및 그 유리 조성물에 의하면, 환경에 이미 존재하는 성분인 P₂O₅, CaO 및 K₂O를 이용하여 완효성 비료용 수용성 유리 조성물을 제조함으로써, 식물생육 필수원소를 공급할 수 있어 토양 개량 및 비료사용을 대체할 수 있는 것은 물론, 종래의 플라스틱 난분해성 환경 유니트를 환경친화적인 물질로 대체할 수 있게되어 사용비용의 절감은 물론 폐기비용을 크게 절감할 수 있는 등의 유용한 효과를 제공한다.

또한 노후화된 우리 나라 농지 토양에 무기양분을 공급할 수 있어 토양비옥도 증진에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 다공질 유리의 공극에 수분이 흡착됨으로 토양보습재로도 활용할 수 있고 담체로도 활용할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims

수용성 유리 조성물의 제조방법에 있어서,

P₂O₅, CaO 및 K₂O의 공급원을 칭량하여 P₂O₅의 총량이 40~60mol%, CaO의 총량이 20∼40mol%, K₂O의 총량이 0∼40mol%가 되도록 하고, 이를 700∼1300℃에서 용융하는 것을 포함하여 되는 것을 특징으로 하는 완효성 비료 제조용 수용성 조성물의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 P₂O₅의 공급원은 H₃PO₄,NH₃H₂PO₄ 및 Ca₂P₂O₇중 어느 하나 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 CaO의 공급원은 CaCO₃, Ca₂P₂O₇ 또는 그들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 K₂O의 공급원은 K₂CO₃인 것을 특징으로 하는 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물의 제조방법.
수용성 유리 조성물에 있어서,

P₂O₅의 총량이 40~60mol%, CaO의 총량이 20∼40mol%, K₂O 총량이 0∼40mol%이며, 700∼1300℃에서 용융하여 제조되는 것을 특징으로 하는 완효성 비료 제조용 수용성 유리 조성물.