KR20100003586A

KR20100003586A - 규산염광물을 포함한 천연광물자원들로부터 제조된 수용성무기조성물재료

Info

Publication number: KR20100003586A
Application number: KR1020080063557A
Authority: KR
Inventors: 남오준; 김대희
Original assignee: 남오준; 김대희
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2010-01-11
Also published as: KR101194193B1

Abstract

본 발명은 규산염광물 등 천연광물자원을 주요 원재료로 하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법 및 상기 무기조성물재료를 함유하는 토양개량제 또는 작물생육자재에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 규산염광물, 탄산칼슘광물, 및 아연함유광물을 포함한 분체혼합물을 고온에서 용융반응시킨 후 냉각시키는 것을 포함하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법 및 이에 따라 제조된 수용성 무기조성물재료를 제공한다. 상기 무기조성물재료에 적당량의 물을 가하면 대부분 용해되어 알칼리성 수용액을 이루는바, 그 구성 성분이 토양의 일부로서 고착화되는 대신 작물이 흡수하기 쉬운 이온형태로 제공될 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 무기조성물재료는 토지개량제로서 일반적으로 사용되는 종래의 규산질비료 내지 석회질비료에 비하여 농지의 개선효과가 뛰어나다. 또한 상기 무기조성물재료 또는 그 수용액을 작물생육자재로서 사용할 경우 소량을 사용하여도 작물의 수확량을 20% 이상 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

규산염광물, 장석, 수용성, 토지개량제, 작물생육자재

Description

규산염광물을 포함한 천연광물자원들로부터 제조된 수용성 무기조성물재료{WATER-SOLUBLE INORGANIC COMPOSITE MATERIAL PREPARED FROM NATURAL ORE RESOURCES INCLUDING SILICATE ORE}

본 발명은 규산염광물 등의 천연광물자원을 이용하여 제조할 수 있는 수용성 무기조성물재료 및 이를 함유한 토양개량제 및 작물생육자재에 관한 것으로, 특히 물에 잘 용해되지 않는 규산염광물을 탄산칼슘광물 및 아연함유광물과 함께 고온에서 용융반응시킴으로써 얻어지는 친환경성 수용성 무기조성물재료에 관한 것이다. 상기 무기조성물재료를 함유한 토양개량제 및 작물생육자재는 토양의 물리적, 화학적 성질을 개선하고 토양에 유용한 미생물의 활동을 왕성하게 함과 아울러 작물의 성장에 필요한 성분을 직접 공급하여 작물의 품질을 향상할 수 있도록 해준다.

토양의 성질을 개선하는 방법은 농업분야에서 수확증대를 위한 방법중 하나로서 실시되고 있다. 이러한 목적을 위하여, 지력이 소진된 농지를 점토함량이 높은 식질토양을 사용하여 객토(客土)하는 방법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 상기 객토방법을 채용할 경우 우량한 객토원을 찾기 어려운 문제, 그리고 다른 지역에서 우량한 객토원을 선정하였을 경우 객토를 운반하기 위한 수송비 등에 따른 경제성 악화의 문제가 수반된다.

이와 같은 객토에 따른 문제점을 해소하기 위하여 인공적으로 제조된 화학비료와 농약의 사용이 늘고 있다. 그러나, 화학비료와 농약을 사용함에 따라 토양의 특수성분(미량원소)이 결핍되고 작토의 염기가 융해되어 작토층에 양분결핍 현상이 나타나며, 토양이 산성화되어 농작물의 정상적인 성장여건을 조성하지 못하는 부작용이 수반되고 있다. 이에 따라, 수확된 농작물의 품질이 떨어지며, 각종 환경오염의 발생에 따른 문제가 대두되어 화학비료와 농약의 사용에 대한 거부감이 확산되고 있다.

최근 화학비료로 인한 토양의 산성화를 방지할 목적으로 천연광물자원을 이용한 토양개량제가 속속 개발되고 있다. 상기 토양개량제는 농작물의 생산량 증가 및 품질향상을 위해 토양의 성질을 농작물의 생육에 적합하게 변화시켜 준다. 상기 토양개량제는 통상 산성화된 농경지에 살포되어 토양의 산성도를 약화 또는 중화시키는바, 그 대표적인 것이 석회질비료이다. 산성화된 농경지에 석회를 살포하는 주된 목적은 토양을 중화시켜 지력을 보강시키기 위한 것이다. 그러나, 석회를 사용할 경우 토양의 흙 입자 사이에 석회가 침투하여 점차 굳어져 토양의 공극을 막게됨으로써 통기성이 악화되어 토양에 산소공급이 원활하지 못하게 되는 부작용이 따른다. 그 결과 석회의 살포에 따라 농작물의 호흡이 방해받음으로써 오히려 토양이 농작물 생육에 불리한 구조로 변하는 문제점이 있다.

종래기술에 따른 또 다른 방법으로서, 규산염광물과 같은 천연광물 속에 함유되어 있는 유효성분을 농작물에 유효하게 제공하기 위하여 상기 광물을 분쇄하여 미분말 상태로 토양살포하는 방법이 있다. 특히, 규산질을 보충하기 위해 규조토나 도석을 분쇄하여 사용하거나, 철분의 보충을 위해 산화철을 사용하는 것은 농업분야에서 널리 알려져 있다. 그러나, 이와 같이 천연광물이 함유하고 있는 주성분을 활용하기 위하여 그 미분말을 토양에 살포하는 경우 토양의 부족한 성분을 공급해 주는 효과는 있으나, 그 유효성분이 대부분 토양의 일부로서 고착화됨으로써 작물의 생장에 실제 제공되기 어려우므로 많은 양을 살포하고도 충분한 효과를 얻지 못하는 단점이 있다.

본 발명의 첫째 목적은 비수용성인 규산염광물을 주요 원재료로 하여 합성될 수 있는 무기조성물재료로서, 적당량의 물에 대부분 용해될 수 있을 정도의 수용성을 가지는 무기조성물재료를 제공하려는데 그 목적이 있다. 본 발명의 또 하나의 목적은 상기 무기조성물재료 및 그 수용액을 함유하는 토양개량제 및 작물생육자재를 제공하려는데 있는바, 수용성이 큰 무기조성물재료의 경우 수용성이 낮은 종래의 규산염광물비료에 비해 소량을 살포하여도 토양의 개선효과가 극대화되며 작물이 필요로 하는 필수성분이 충족되게 함으로써 작물의 수확을 획기적으로 증대시켜줄 수 있을 것으로 기대되기 때문이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 규산염광물 30~87 중량%, 탄산칼슘광물 10~40 중량%, 및 아연함유광물 3~30 중량%를 포함하는 분체혼합물을 고오반응로에서 용융점 이상으로 가열하여 용융반응시키고, 이를 냉각시키는 것을 포함하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법을 제공한다.

다른 방법으로, 상기 규산염광물은 장석, 석영, 운모, 홍주석, 도석, 고령토, 제올라이트, 맥반석, 고토감람석, 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나일 수 있다.

또 다른 방법으로, 상기 아연함유광물은 능아연석(ZnCO₃), 홍아연석(ZnO), 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나일 수 있다.

또 다른 방법으로, 상기 분체혼합물 100중량부당 염화나트륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 수산화나트륨, 및 이들의 조합으로 이루어진 일군중에서 선택된 하나를 1~10 중량부 첨가하여 용융반응시킬 수 있다.

또 다른 방법으로, 상기 분체혼합물 100 중량부당 1~10 중량부의 붕사 또는 붕산을 첨가하여 용융반응시킬 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 제조방법들 중 하나에 따라 제조된 수용성 무기조성물재료를 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 무기조성물재료를 함유하는 토지개량제 또는 작물생육자재를 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 무기조성물재료를 물에 용해시킴으로써 얻어지는 수용액을 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 수용액을 함유하는 액상의 토지개량제 또는 작물생육자재를 제공한다.

본 발명에 따른 무기조성물재료는 규산염광물을 주원료로 하면서도 적당량의 물에 대부분 용해될 수 있을 정도로 수용성이 높고, 그 수용액은 알칼리성을 가진다. 상기 수용성 무기조성물재료를 함유하는 토양개량제 또는 작물생육자재를 살포할 경우, 토양의 산성화를 방지하는 동시에 토양중에 농작물에 생장에 유용한 가용성 필수무기성분을 효과적으로 공급해줄 수 있다. 종래기술에 따른 비수용성 규산 염비료에 비하여, 상기 무기조성물재료는 소량을 사용할 경우에도 작물의 원활한 성장을 위한 환경을 조성할 수 있으므로 농가의 경제적 부담을 줄일 수 있는 장점을 가진다.

본 발명은 천연광물자원들을 원재료로 사용하여 합성되는 수용성 무기조성물재료에 관한 것이다. 상기 무기조성물재료는 수용성이 낮은 천연광물자원들인 규산염광물, 탄산칼슘광물, 및 아연함유광물을 혼합한 후 고온반응로에서 용융반응시킴으로써 제조될 수 있다. 상기 무기조성물재료를 분말상 또는 액상으로 가공하여 토양에 살포할 경우 식물의 생장에 필수적인 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 아연(Zn)과 같은 미량원소를 이온상태로서 작물에 공급할 수 있는바 농지의 생산성을 획기적으로 높일 수 있다.

규산염광물을 강알칼리 물질인 수산화나트륨과 같이 반응시켜 규산나트륨유리를 합성하는 기술은 잘 알려져 있다. 종래기술에 따른 규산나트륨유리는 그 구성성분 중 산화나트륨(Na₂O) 함량이 높을 경우 적당량의 물에 완전히 용해될 수 있는 바 이를 일컬어 물유리라고 한다. 그러나 상기 물유리를 토양에 살포할 경우, 상기 물유리로부터 용출되는 고농도의 수산화나트륨 성분이 환경문제를 야기할 수 있다. 따라서, 우리는 상기 규산나트륨 물유리에 비하여 나트륨 성분을 훨씬 적게 함유하면서도 적당량의 물에 완전히 용해될 수 있는 규산염-베이스의 새로운 무기조성물재료를 찾는데 주력하였다. 그 결과 우리는 규산염광물에 탄산칼슘광물 및 아연함 유광물을 일정 비율의 범위내에서 혼합하여 용융점 이상의 고온에서 용융반응시킬 경우 규산나트륨 물유리에 비해 나트륨 성분을 훨씬 덜 함유하면서도 수용성을 가지는 신규한 무기조성물재료를 합성하는데 성공하였다. 상기 무기조성물재료는 순수한 천연광물자원들만을 원재료로 사용하여 합성될 수 있고, 다양한 미량원소를 포함할 수 있도록 수요자에게 편리하게 응용되어 제조될 수 있는 바, 친환경적인 무기소재로서 농업분야에 광범위하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 수용성 무기조성물재료는 규산염광물을 주요 원재료로 사용하며, 이를 탄산칼슘광물 및 아연함유광물과 같이 혼합하여 고온로에서 용융반응시킴으로써 제조될 수 있다. 이에 따라 생성되는 무기조성물재료는 그 구성성분중 산화칼슘(CaO) 성분 및 산화아연(ZnO) 성분이 상호연계된 상태로 일정 범위의 함량으로 조절될 경우 종래의 규산나트륨 성분의 물유리에 필적하는 수준으로 물에 용해될 수 있음을 확인하였다. 본 발명에 따른 수용성 무기조성물재료는 나트륨(Na) 성분을 종래의 물유리에 비하여 매우 낮은 수준으로 함유하면서도 적당량의 물에 대부분 녹을 수 있으며, 상기 수용액은 강알칼리성을 나타낸다. 상기 무기조성물재료 또는 그 수용액을 토양에 살포할 경우 토양의 산성도를 효과적으로 중화시킬 수 있고, 아울러 작물의 성장시 반드시 필요한 미량원소인 K, Ca, Mg, Zn 등을 이온상태로 공급하므로 상기 미량성분이 토양에 고착되지 않고 작물에 용이하게 흡수되도록 해줄 수 있다.

본 발명에 사용되는 규산염광물은 우리나라 전역에 걸쳐 다양한 광물의 형태로 분포되어 있는바, 그 예로는 장석, 석영, 운모, 홍주석, 도석, 고령토, 제올라 이트, 맥반석, 고토감람석 등을 들 수 있다. 이 중에서, 장석은 용융점이 800~1000℃로서 규산염광물 중에서 가장 낮은 온도에서 용융되며, 작물의 생육에 필수적이면서도 일반 토양으로부터 활성이온 형태로 공급되기 어려운 칼륨(K)의 함량이 많아 토양개질제 및 작물생육자재의 용도를 위한 원재료로서 특히 바람직하다.

본 발명에 사용되는 탄산칼슘광물의 예로는 석회석(CaCO₃), 방해석(CaCO₃), 및 고회석(CaMg(CO₃)₂) 등을 들 수 있다. 상기 칼슘함유광물을 대기상에서 가열하면 분해과정을 거쳐 강알칼리 물질인 산화칼슘(CaO) 또는 산화마그네슘(MgO)으로 전환되어 본 발명에 따른 무기조성물재료에 수용성을 부여해 주는 역할을 한다.

본 발명에 사용되는 아연함유광물의 예로는 능아연석(ZnCO₃) 또는 홍아연석(ZnO)을 들 수 있다. 능아연석은 방해석계의 아연광석광물의 하나이며, 삼방정계이며 스미소나이트라고도 하는데, 이중 일부 아연이 칼슘, 마그네슘, 철, 망간, 구리 등으로 치환된 상태일 수 있다. 상기 아연함유광물을 대기상에서 가열하면 분해 또는 산화과정을 거쳐 양쪽성 물질인 산화아연(ZnO)이 되는데, 본 발명의 무기조성물재료의 수용액과 같은 강알칼리 환경에서는 수산화아연 상태로 수화물을 형성할 수 있다. 수산화아연은 일반적으로 물에 용해되기 어려우나, 강알칼리 수용액에서는 아연산염을 형성하여 물에 쉽게 용해된다. 본 발명에 따라 제조된 무기조성물재료에 함유된 산화아연(ZnO) 성분 및 산화칼슘(CaO) 성분은 수용액상에서 상호작용하여 상기 무기조성물재료의 수용성을 산화칼슘 자체의 용해도에 비해 훨씬 높은 수준으로 상승시켜 준다.

상기한 바와 같이, 규산염광물, 탄산칼슘광물, 및 아연함유광물을 혼합한 분체혼합물을 고온로에서 용융반응시킴으로써 합성되는 상기 무기조성물재료는 규산염 이외에도 산화칼슘(CaO) 및 산화아연(ZnO)을 그 구성성분으로 갖는다. 상기 무기조성물재료 중의 산화칼슘(CaO) 성분 및 산화아연(ZnO) 성분을 일정 범위의 함량으로 조절할 경우 종래의 규산나트륨 물유리에 필적하는 수준의 수용성을 갖춘 무기조성물재료를 합성할 수 있다. 상기 무기조성물재료 중 산화칼슘의 함량이 너무 낮으면 알칼리성이 낮아져 산화아연을 아연산염으로 전환시키기 어려우므로 수용성이 낮아지며, 그 반면에 산화칼슘의 함량이 너무 높으면 산화칼슘 자체의 용해도가 낮으므로 수용성이 낮아지는 문제점이 있다. 상기 무기조성물재료 중 산화아연 함량이 너무 낮으면 이로부터 발생하는 아연산염에 따른 수용성 부여 효과가 감소하며, 그 반면에 산화아연 함량이 너무 높을 경우 이를 수용성의 아연산염으로 전환시키기에 충분한 수준의 알칼리성분(산화칼슘)이 제공되기 어려워지는 문제점이 있다. 상기 무기조성물재료가 농업용 액상비료로 사용되기에 충분한 수준의 수용성을 갖추기 위해서는, 용융반응되는 분체혼합물의 조성을 규산염광물 30~87 중량%, 탄산칼슘광물 10~40 중량%, 및 아연함유광물 3~30 중량% 범위로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 무기조성물재료의 수용성을 더욱 증가시키기 위하여 규산염광물, 탄산칼슘광물, 및 아연함유광물이 혼합된 상기 분체혼합물 100중량부에 1~10 중량부의 나트륨함유광물을 첨가하여 함께 용융반응시킬 수 있다. 상기 나트륨함유광물은 염화나트륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 수산화나트륨, 및 이들의 조합으 로 이루어진 일군중에서 선택된 하나일 수 있다. 수산화나트륨을 첨가할 경우, 상기 용융반응의 반응성이 증가하는 경향이 있다. 하지만, 본 발명에서는 순수한 천연광물자원만을 사용한다는 취지에서 염화나트륨만을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 염화나트륨은 녹는점이 800.4℃이며, 본 발명의 용융반응중에 산소와 결합하여 강염기인 산화나트륨(Na₂O)을 생성시킴으로써 상기 무기조성물재료의 수용성을 증가시키는데 도움을 준다.

또한 상기 분체혼합물에 소량의 붕사 또는 붕산을 첨가하여 본 발명에 따른 무기조성물재료의 제조할 수 있다. 이 경우, 붕사 또는 붕소가 첨가됨으로써 상기 분체혼합물의 용융온도를 낮추어 생산성을 제고시키며 생성된 무기조성물재료의 수용성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

장석분말 20 kg, 방해석분말 8 kg, 능아연석 2 kg, 식염 0.5kg을 혼합기에 투입한 뒤 골고루 혼합한다. 상기 혼합분말을 반응용기에 넣고 1400℃ 이상의 온도에서 용융시켜준다. 용융상태로 1 h 반응시킨후, 용융상태의 반응생성물을 몰드에 붓고 대기상에서 냉각시켜 유리상의 무기조성물재료를 얻는다. 상기 무기조성물재료는 비취색의 투명한 고체이며, 상온에서 물에 서서히 녹아 알칼리성 수용액을 형 성할 수 있다. 상기 무기조성물재료 중의 주요성분의 함량은 하기의 표 1과 같다.

표 1. 본 발명에 따른 무기조성물재료의 성분분석 결과

성분	함량(중량%)
SiO₂	45.2
Al₂O₃	9.5
CaO	23.1
K₂O	10.5
Na₂O	3.5
ZnO	5.3
기타	2.9

<실시예 2>

실시예 1에 따라 제조된 무기조성물재료 60kg을 분체화하여 물 200kg에 투입하고 100℃ 이상의 열을 가하면서 1 h 교반한 결과 옅은 청색을 띠는 투명한 수용액을 얻었다. 상기 수용액의 산도를 리트머스지로 측정한 결과 pH 12.5를 기록하였다. 상기 수용액 250㎖를 취하여 물 250ℓ에 희석한뒤 고추가 파종된 20평의 밭 중에서 미리 구분시킨 10평의 밭에 한번에 10ℓ씩 고추의 생육기간동안 5회에 걸쳐 살포하였다. 컨트롤로서, 나머지 10평의 고추밭에는 물만을 살포하였다. 고추가 자란 뒤 수확하여 무게를 달아보니, 시비한 밭의 고추는 시비하지 않은 밭의 고추(컨트롤)에 비하여 20% 이상의 증수 효과가 있었다. 한국기초과학지원연구원에 의뢰하여 상기 고추작물에 함유된 미량원소를 분석한 결과는 하기 표 2와 같다.

표 2. 본 발명에 따른 무기조성물재료의 수용액으로 시비한 고추의 미량원소 분석결과(단위: ppm)

	Ca	Cu	Mg	Mn	Zn
시비하지 않은 고추(컨트롤)	378	7.3	11.33	8.4	8.3
시비한 밭의 고추	607	7.5	12.56	10.1	19.8
미량원소 함량의 증가율	60.5%	2.7%	10.8%	20.2%	140%

Claims

규산염광물 30~87 중량%, 탄산칼슘광물 10~40 중량%, 및 아연함유광물 3~30 중량%를 혼합하고,

상기 분체혼합물을 고온반응로에서 용융점 이상으로 가열하여 30분 이상 용융반응시키고,

상기 용융상태의 반응생성물을 냉각시키는 것을 포함하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 규산염광물은 장석, 석영, 운모, 홍주석, 도석, 고령토, 제올라이트, 맥반석, 고토감람석, 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 탄산칼슘광물은 석회석(CaCO₃), 방해석(CaCO₃), 고회석(CaMg(CO₃)₂), 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 아연함유광물은 능아연석(ZnCO₃), 홍아연석(ZnO), 및 이들의 조합으로 이루어진 일군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 분체혼합물을 용융반응시키기 전에, 상기 분체혼합물 100중량부당 염화나트륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 수산화나트륨, 및 이들의 조합으로 이루어진 일군중에서 선택된 하나를 1~10 중량부 첨가하는 것을 더 포함하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 분체혼합물을 용융반응시키기 전에, 상기 분체혼합물 100중량부당 1~10 중량부의 붕사 또는 붕산을 첨가하는 것을 더 포함하는 수용성 무기조성물재료의 제조방법.
제 1 내지 제 6 항에 기술된 제조방법들 중 선택된 하나에 따라 제조된 수용성 무기조성물재료
제 7 항의 무기조성물재료를 함유하는 토지개량제 또는 작물생육자재.
제 7 항의 무기조성물재료를 물에 용해시킴으로써 얻어지는 수용액.
제 9 항의 수용액을 함유하는 액상의 토지개량제 또는 작물생육자재.