KR20140099765A

KR20140099765A - 바이오 숯을 이용한 산성화된 토양의 회복방법

Info

Publication number: KR20140099765A
Application number: KR1020130012573A
Authority: KR
Inventors: 장윤영; 양재규; 노훈
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-13

Abstract

본 발명은, 각종 폐기되는 유기성 폐자원의 재활용도를 높이기 위하여 제조한 분말형의 바이오 분말을 토양 계량제로 사용하여 산성화가 진행된 토양에서 산성화 회복에 적용할 수 있는 바이오 분말의 적용방법에 관한 것이다. 본 발명의 적용방법은, 상온 하에서 바이오 분말과 산성화된 토양을 혼합하는 과정으로 이루어지며, 산성화가 진행된 토양에 바이오 분말을 혼합해줌으로 토양의 산성화를 회복하고 식물의 생장을 촉진시키는 과정으로 이루어지며, 바이오 분말을 비율별로 첨가하여 비료를 사용하지 않고도 산성화된 토양에서 식물 생장과 발아율을 촉진시키는 기술적 특징이 있다. 본 발명의 바이오 숯에 의한 토양의 산성화 회복방법은, 바이오 숯 분말 비율, 산성화가 진행된 토양의 pH 회복, 식물의 발아율, 식물의 생장에서 최적인 조건을 선정하는데 있다.

Description

바이오 숯을 이용한 산성화된 토양의 회복방법{Restoration method of acidified soil using biochar}

본 발명은, 폐기되는 임목부산물을 열분해과정을 통하여 생성된 바이오 숯을 이용하여 산성화된 토양을 회복시키는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열분해된 단풍잎 돼지풀 분말을 이용하여 과도한 경작이나 산성 강우 등으로 인해 산성화가 진행된 토양 및 임야에 바이오 숯 분말을 적용하여 산성화가 진행된 토양을 회복하는 방법에 관한 것이다.

1950년대 이후 급속한 산업화로 인하여 여러 가지 환경문제가 대두되었다. 그 중에서도 토양의 산성화는 확연하게 들어나지 않지만 간과해서는 안되는 주요 환경문제로 대두되고 있다. 토양오염의 특성과 마찬가지로 토양의 산성화도 그 진행정도가 눈에 보이지 않고 피해 또한 확연히 들어나지 않는 문제점을 가지고 있다. 토양은 인류에게 여러 가지를 제공해 주는 기능을 가지고 있는데, 그중에서도 오염물질의 정화나 홍수의 방지, 토양의 침식방지 등 인간의 주변환경을 보전시켜주는 기능과 특히 주요 수자원으로 사용되는 지하수를 보호하는 기능을 가지고 있다. 토양의 산성화는 산림의 황폐화뿐만 아니라 더 나아가서는 토양의 유실까지도 유발할 수 있는 심각한 환경문제이다. 토양 산성화는 토양 내 H⁺ 이온의 과다로 중금속 성분이 용출되어 식물의 뿌리에 흡수되고 종국에 이르러서는 식물이 생장할 수 없는 황폐한 토양으로 바뀌게 된다. 산림청의 조사에 따르면 우리나라 7개 광역시의 산림토양이 모두 산성이었고 대구를 제외한 6개 시는 pH 5.0 미만으로 산성화가 진행되고 있는 것으로 나타났다. 토양산도는 1980년 평균 pH 5.6에서 2008년에는 평균 pH 5.0으로 산성화가 급속히 진행되고 있는 것으로 나타났다.

산성토양을 개량하기 위한 토양개량제로서 가장 많이 사용하는 것은 석회성분 또는 규산질 비료이다. 석회, 규산 성분의 비료를 토양개량제로서 사용할 경우 지속적인 토양관리 측면에 한계가 있어 기존의 비료를 대체할 수 있는 지속가능성 친환경 토양개량제의 연구가 필요하다. 지속적으로 사용할 수 있는 바이오 숯은 탄소격리와 저장의 기능으로 지구 온난화에 도움을 줄 수 있고, N₂O, 메탄가스 방출 절감, 악취 저감 같은 대기적인 측면의 기능과 토양개량제의 기능으로 토양을 비옥하게 하고 농작물의 질을 향상시키고 경작지의 다양성을 보존하며 화학비료의 사용량을 줄이게 하며 토양에 농약의 사용량을 줄여 수질의 향상시킨다. 또한 바이오 숯의 생산은 농업폐기물 관리를 위한 간단하며 지속가능한 도구이다.

국내에서 한해 발생하는 목질계 폐기물은 연간 581만톤으로 추산되며, 이중 숲 가꾸기 사업을 위해 간벌된 채 그대로 방치되는 양이 연간 246만톤, 개발사업에서 발생한 폐목재가 97만톤, 그밖의 폐목재도 238만톤에 달한다. 또한 국내에서 연간 82,000m³의 폐벌목이 발생되고 있으나 이중 60% 정도만이 재활용되고 있으며, 나머지는 임지내에 폐기된다.

바이오 숯은 모든 바이오매스 즉 임목, 농수산물, 축산물 자체 또는 부산물의 열분해과정을 통하여 생성되는 것으로 공기공급이 제어되는 조건하에서 산화반응의 발열에 의해서 탄소화가 진행되는데, 이때 반응에 의해 오일 같은 액체와 탄소함량이 많은 고체의 탄화수소 혼합물인 숯이 생성한다.

이러한 바이오 숯의 제조과정은 도 4에 모식도로 나타나 있다.

위와 같은 폐유기자원을 효율적으로 재활용하기 위하여 임목부산물을 공기공급이 제어되는 조건하에서 산화반응의 발열에 의해서 탄소화를 진행시켜 탄소함량이 많은 고체의 탄화수소 혼합물인 분말형의 바이오 숯을 생성하는 것과 이를 산성화 개량제로 이용하려는 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 산업의 발달로 인해 퇴비 보다는 화학비료 사용으로 인하여 토양의 산성화가 진행된 지역에 바이오 숯 분말을 이용해 산성화 회복 및 천연토양 개량제로서 사용되고 있다. 산성화로 인해 산림이 황페해진 지역에 바이오 숯 분말을 살포하여 산림의 황폐화 회복 및 비옥도를 증진시켜 산림의 회복에 이용하고 있고, 비료의 과다시비로 인한 토양 산성화가 진행된 밭에 살포하여 식물의 작황을 개선시키는 등의 성과를 보이고 있다.

이 분야의 선행기술로는 한국공개특허 2011-0136520이 있다.

이와 같은 기술적 배경하에서 본 발명자들은 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

결국, 본 발명의 목적은 바이오 숯 분말을 산성화된 토양에 적용하여 토양을 회복시키고 식물의 발아율 및 식물의 생장을 촉진시키는 천연소재 토양개량제를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 바이오 숯 분말을 산성화된 토양에 적용하여 토양을 회복시키고 식물의 발아율 및 식물의 생장을 촉진시키는 토양개량 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상온 하에서 바이오 숯을 분말형태로 가공하고, 상기 바이오 숯 분말 0.5 wt%를 산성화된 토양과 혼합하는 것을 특징으로 하는 산성화된 토양의 회복방법이 제공될 수 있다.

기존의 산성화 및 토양개량제로서 사용되는 비료의 경우 과다한 시비로 인하여 주변 환경에 부영양화 현상 및 토양 내 양분 용탈현상 등의 문제점을 가지고 있다. 바이오 숯 분말을 토양 개량제로서 사용하는 경우 비료보다 사용이 편리하고, 천연소재를 활용하여 친환경적인 토양 개량제 및 산성화 회복방법으로 비료의 과다한 시비로 인한 주변 환경에 대한 영향을 최소화할 수 있고 식물의 발아율 및 생장을 촉진시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토양에서 식물의 발아율 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 산성화 회복 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 토양에서 식물의 생장 그래프이다.
도 4는 바이오 숯의 제조과정에 대한 모식도이다.

본 발명은, 유기성 폐임목 부산물을 소재로 하여 열분해 반응에 의하여 제조된 바이오 숯 분말을 토양에 혼합하는 과정을 통해 산성화 회복 및 방지, 식물의 발아율, 생장을 촉진시키는 적용방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 열분해된 바이오 숯을 가공하여 분말형태로 만들고 이를 산성화된 토양과 혼합하는 공정을 적용하여 토양 개량제로 활용하였다. 이때 바이오 숯 분말 (0, 0.5 1, 3 wt%)의 양을 달리 혼합하여 토양의 산성화 회복 및 식물의 발아율, 생장에 있어 최적의 조건을 찾는 단계가 포함된다.

본 발명 바이오 숯 분말과 토양의 혼합방법은, 유기성 폐자원인 단풍잎돼지풀을 열분해 반응에 의하여 바이오 숯 분말을 제조하여, 산성화된 토양에 혼합하여 토양의 pH 회복 및 식물 생장에 필요한 양분을 회복하는 기술적 특징이 있다.

상기와 같은 본 발명 바이오 숯 분말과 산성토양의 혼합방법은, 상온하에서 제조된 바이오 숯을 분말형태로 가공하는 단계; 및 바이오 숯 분말과 산성화된 토양의 혼합 단계로 이루어져 있다.

바이오 숯 시료를 갈아서 0.5 mm 이하의 탄가루를 체질한 후 제조된 바이오 숯 분말을 산성화가 진행된 토양과 혼합하여 토양 산도회복 및 식물 생장 실험에 사용하였다.

상기와 같은 본 발명 바이오 숯 분말과 토양의 혼합방법에 대하여 다음의 실시예를 통하여 살펴보기로 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.

실시예

실험에 사용된 토양은 산성화가 진행된 대전 인근 과수원에서 토양을 채취하였다. 채취한 토양을 풍건하여 2mm 이하로 체거름을 하고, 미국농무성 기준으로 입도분석, 토양공정시험법에 의거하여 토양의 pH를 측정하였다. 입도분석 결과 대부분이 모래질 토양인 것으로 나타났고, 토양의 pH는 4.65 ~ 4.76의 분포를 나타내었다.

입도구분		지름(mm)	분포비(%)
모래	극조사(very coarse sand)	2.00-1.00	17.6
	조사(coarse sand)	1.00-0.50	42.5
	중립사(medium sand)	0.50-0.25	25.4
	세사(fine sand)	0.25-0.10	11.6
	극세사(very fine sand)	0.10-0.05	1.8
실트(silt)		0.05-0.002	1.1
점토(clay)		<0.002	-

풍건하여 2mm 이하 체거름 된 토양에 식물의 발아율 및 토양 산성화 회복정도를 알아보기 위하여 알팔파, 겨자, 메밀, 3종류의 식물을 선택하여 배양용 화분에 토양 150g, 화분당 3개의 씨앗을 파종하여 실험하였다. 바이오 숯 분말을 대조군, 0.5, 1, 3 % (w/w) 비율로 토양과 혼합한 후, 약 2주간 식물을 생장시켜 발아율 및 토양의 산성화 회복을 확인하였다. 모든 경우에서 토양의 pH는 대조군보다 증가하는 경향을 나타내었고, 특히 대조군보다는 바이오 숯 분말을 첨가한 화분의 발아율이 비교적 높게 나타났다. 바이오 숯 분말을 대조군, 0.5, 1, 3% (w/w) 비율로 토양과 혼합한 후, 2주간 식물을 생장시켜 발아율 확인하였다. 특히 대조군보다는 바이오 숯 분말을 첨가한 화분의 발아율이 비교적 높게 나타났다. 알팔파의 경우 대조군의 발아율은 26%로 나타났으나 0.5 wt% 비율로 혼합한 경우 발아율이 80 %로 약 3배 이상 높게 나타났고, 겨자의 경우 대조군의 발아율은 6%였으나, 0.5 wt% 비율로 혼합한 경우에서 발아율이 66%로 약 10배 이상 높은 발아율을 보였다. 메밀의 경우는 모든 혼합비율에서 높은 발아율을 나타내고 있으나 대조군의 발아율 보다는 바이오 숯 분말을 혼합한 경우 발아율이 대조군보다 높은 경향을 보였다. 바이오 숯 분말이 0.5 wt% 혼합된 화분의 토양 pH는 5.86 ~ 5.90으로 나타났다. 바이오 숯 분말이 0.5 wt% 혼합비율에서 알팔파는 80%, 겨자는 66%, 메밀은 100%의 발아율을 나타내었다. 발아율에 있어서는 약간의 차이를 나타내고 있지만, 식물의 생장 길이를 비교했을 경우 알팔파는 대조군에서 평균 2.12 cm, 0.5 wt% 혼합비율에서는 4.68 cm로 약 두 배 이상의 생장 길이를 보여주었고, 겨자는 대조군에서 평균 1.4 cm, 0.5 wt% 혼합비율에서 2.56 cm, 메밀의 경우에서도 대조군은 평균 9.87 cm, 0.5 wt% 혼합비율에서 평균 10.93 cm의 생장 길이를 보여주어 모든 식물의 경우 대조군보다 바이오 숯 분말이 혼합된 경우가 식물의 생장이 활발한 것으로 나타났다. 건조중량에서도 마찬가지로 대조군보다 0.5 wt% 혼합비율에서 높게 나타났다. 알팔파의 경우 대조군은 평균 0.0034 g, 0.5 wt% 혼합비율에서 0.0054 g, 겨자의 경우 씨앗도 매우 작고 발아된 후 개체도 작은 편이어서 건조중량도 매우 적게 나타났지만 대조군에서 평균 0.0008 g, 0.5 wt% 혼합비율에서 0.0052 g로 대조군보다 높은 건조중량으로 보여주었다. 메밀의 경우 모든 혼합비율에서 발아율도 높게 나타났고 개체의 크기가 커서 건조중량도 다른 식물들보다 높게 나타났다. 대조군에서 평균 0.07 g, 0.5 wt% 혼합비율에서 0.13 g으로 대조군보다 높은 수치를 보여주었다. 산성화가 진행된 토양에서 바이오 숯 분말을 혼합했을 경우 대부분의 경우에서 대조군보다는 발아율 및 식물길이, 건조중량이 높게 나타났다. 메밀의 경우를 제외하고는 3 %(w/w) 이상 바이오 숯 분말을 혼합한 경우 pH의 상승으로 인하여 식물의 생장을 저해하는 요인으로 작용하는 것으로 나타났다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

상온 하에서 바이오 숯을 분말형태로 가공하고, 상기 바이오 숯 분말 0.5 wt%를 산성화된 토양과 혼합하는 것을 특징으로 하는 산성화된 토양의 회복방법.