KR20170085859A - 미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170085859A
KR20170085859A KR1020160005518A KR20160005518A KR20170085859A KR 20170085859 A KR20170085859 A KR 20170085859A KR 1020160005518 A KR1020160005518 A KR 1020160005518A KR 20160005518 A KR20160005518 A KR 20160005518A KR 20170085859 A KR20170085859 A KR 20170085859A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
organic ligand
chelate
raw material
mineral
Prior art date
Application number
KR1020160005518A
Other languages
English (en)
Inventor
김범규
신동혁
Original Assignee
김범규
신동혁
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 김범규, 신동혁 filed Critical 김범규
Priority to KR1020160005518A priority Critical patent/KR20170085859A/ko
Priority to CN201611271778.1A priority patent/CN106974293A/zh
Publication of KR20170085859A publication Critical patent/KR20170085859A/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L33/00—Modifying nutritive qualities of foods; Dietetic products; Preparation or treatment thereof
    • A23L33/10—Modifying nutritive qualities of foods; Dietetic products; Preparation or treatment thereof using additives
    • A23L33/16—Inorganic salts, minerals or trace elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05F—ORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C, e.g. FERTILISERS FROM WASTE OR REFUSE
    • C05F11/00—Other organic fertilisers
    • C05F11/02—Other organic fertilisers from peat, brown coal, and similar vegetable deposits
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
    • A01N59/00—Biocides, pest repellants or attractants, or plant growth regulators containing elements or inorganic compounds
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23K—FODDER
    • A23K20/00—Accessory food factors for animal feeding-stuffs
    • A23K20/20—Inorganic substances, e.g. oligoelements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05D—INORGANIC FERTILISERS NOT COVERED BY SUBCLASSES C05B, C05C; FERTILISERS PRODUCING CARBON DIOXIDE
    • C05D9/00—Other inorganic fertilisers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C05—FERTILISERS; MANUFACTURE THEREOF
    • C05G—MIXTURES OF FERTILISERS COVERED INDIVIDUALLY BY DIFFERENT SUBCLASSES OF CLASS C05; MIXTURES OF ONE OR MORE FERTILISERS WITH MATERIALS NOT HAVING A SPECIFIC FERTILISING ACTIVITY, e.g. PESTICIDES, SOIL-CONDITIONERS, WETTING AGENTS; FERTILISERS CHARACTERISED BY THEIR FORM
    • C05G3/00—Mixtures of one or more fertilisers with additives not having a specially fertilising activity
    • C05G3/80—Soil conditioners
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23V—INDEXING SCHEME RELATING TO FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES AND LACTIC OR PROPIONIC ACID BACTERIA USED IN FOODSTUFFS OR FOOD PREPARATION
    • A23V2002/00—Food compositions, function of food ingredients or processes for food or foodstuffs

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Pest Control & Pesticides (AREA)
  • Fertilizers (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Soil Sciences (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Mycology (AREA)
  • Animal Husbandry (AREA)
  • Nutrition Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Agronomy & Crop Science (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)

Abstract

본 발명은 유기 리간드가 결합되어 있는 금속 킬레이트 착물; 및 금속 성분을 함유하는 금속 원료를 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물 및 상기 미네랄 킬레이트 조성물 또는 착물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 얻어지는 미네랄 킬레이트 조성물은 금속 원료를 포함하고 있으므로, 금속 킬레이트 착물 형태의 금속 성분이 제거된 뒤에도 상기 금속 원료와 유기 리간드를 재결합하여 새로운 금속 킬레이트 착물을 생성할 수 있다. 저가의 원료를 사용하고, 불필요한 무기 염의 생성을 억제함으로써, 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하기 위한 공정의 경제성 및 효율성을 확보할 수 있다.

Description

미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법{MINERAL CHELATE COMPOSITION AND PROCESS OF FABRICATING THE COMPOSITION}
본 발명은 미네랄 킬레이트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비료, 동물용 사료 또는 식품 등으로 활용될 수 있는 미네랄 킬레이트 조성물 및 상기 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
식물이나 동물의 발육을 돕고 성장을 촉진시키는데 미네랄 성분은 필수적이다. 예를 들어, 생물의 생장을 촉진하기 위하여 필요한 미네랄 성분으로서 질소, 인산, 칼륨, 황, 붕소 등의 비료 인자 이외에도, 미량의 금속 이온(구리, 아연, 철, 망간, 마그네슘 등)은 생물의 대사 과정에서 필수적인 역할을 담당하고 있다. 이러한 미량 금속 이온들은 생물이 성장하는데 필요한 영양소와 마찬가지로 식물이나 동물의 빠른 성장을 도와주고, 특히 채소나 과일의 수확량을 증대시키며 병충해로부터 식물의 자생력을 증대시키는데 큰 역할을 한다. 이처럼 인간이 특정 종류의 영양소의 결핍으로 인하여 병이 유발되듯이, 식물도 일정한 토양 한도 내에서 미량 금속 이온들이 균형 있게 섭취되지 못하면 생육의 결핍이 초래된다.
식물이나 동물이 미네랄을 흡수하기 위하여 가장 좋은 형태 중의 하나가 미네랄 킬레이트 착물이다. 금속이 유기 리간드와 결합하여 금속 킬레이트 착물을 생성하는데, 이때 유기 리간드의 선정 및 금속과의 반응 조건 등의 설정이 매우 중요하다.
하지만, 종래 킬레이트 착물의 경우 불필요한 미네랄 성분이 무기 염 형태로 생성되었을 뿐만 아니라, 효율적인 킬레이트 착물을 얻을 수 없다는 문제점이 제기되었다. 예를 들어, 미합중국 특허 제4,588,145호에서는 HO-EDTAㆍNa3와, 질산 및 철을 반응시켜 제조된 HO-EDTAㆍFe+2ㆍNa의 금속 킬레이트 착물을 비료로 사용할 수 있다고 개시하고 있다. 또한 필요한 경우 철을 대신하여 구리, 아연, 마그네슘 등을 치환하여 킬레이트 착물을 제조할 수 있다고 개시하고 있다. 하지만, 종래 금속 킬레이트 화합물은 제조 공정에서 가열, 건조 공정 등을 수반하기 때문에, 킬레이트 화합물에 불순물이 포함되어 있어 유효한 킬레이트 착물을 얻기 어려웠다. 뿐만 아니라 상대적으로 고가의 원료를 사용하여 제조 공정의 경제성을 도모할 수 없었으며, 미량 금속 성분이 생물체에 의해 소모된 이후에 유기 리간드를 재활용하지 못하는 문제점을 가지고 있다.
미합중국 특허 제4,588,145호
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 생명체에 의하여 금속 성분이 섭취된 이후에도 재활용이 가능한 미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저가의 원료를 사용하여 공정의 경제성을 확보할 수 있으며, 원하지 않는 무기 염의 생성을 억제할 수 있으며, 효율적으로 제조될 수 있는 미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
전술한 목적을 가지는 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 유기 리간드가 결합되어 있는 금속 킬레이트 착물; 및 금속 원료, 무기 금속 염, 금속 이온 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 무기 금속 화합물을 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물을 제공한다.
선택적인 실시형태에서, 상기 미네랄 킬레이트 조성물은 탄소질 물질을 더욱 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 원료는 패각, 패화석, 광물 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
상기 무기 금속 염은 금속 무기산, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 황화물, 금속 염화물, 금속 수화물 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 상기 유기 리간드는 휴믹산(Humic acid), 풀빅산(Fulvic acid), 울믹산(Ulmic acid) 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 유기 리간드는 부식토, 토탄(peat moss), 이탄(peat), 연갈탄(leonardite), 갈탄(lignite), 역청탄(bitumen) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 탄소질 물질에서 유래한 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 전술한 미네랄 킬레이트 조성물을 포함하는 미네랄 식품, 동물 사료 및/또는 비료를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 a) 유기 리간드를 함유하는 탄소질(carbonaceous) 물질을 용매를 함유하는 반응기에 첨가하여, 상기 탄소질 물질에 함유된 상기 유기 리간드를 추출하는 단계; b) 상기 유기 리간드가 함유된 반응기에 금속 원료를 투입하는 단계; 및 c) 상기 추출된 유기 리간드와 상기 금속 원료에서 얻어진 금속 염 또는 금속 이온을 반응시켜 금속 킬레이트를 생성하는 단계를 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물의 제조 방법을 제공한다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 상기 a) 단계에서 상기 탄소질 물질과 함께, 알칼리제가 상기 용매가 함유된 반응기에 첨가될 수 있다.
예를 들어, 상기 c) 단계는 상기 금속 원료가 투입된 반응기에 이산화탄소를 주입하여 상기 금속 원료에 함유된 금속 염 또는 금속 이온을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
선택적인 하나의 실시형태에서, 상기 a) 단계에서, 석고가 상기 반응기에 첨가되고, 상기 추출된 유기 리간드가 상기 석고와 반응하여 칼슘 킬레이트 착물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 c) 단계에서, 상기 칼슘 킬레이트 착물과 상기 금속 염을 구성하는 금속이 상기 유기 리간드와 결합된 금속 킬레이트 착물과, 칼슘 염(예를 들어 CaSO4)을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 원료는 상기 탄소질 물질에 대하여 1:1 ~ 10:1, 바람직하게는 1:1 ~ 5:1의 중량비로 첨가될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 상기 c) 단계 이후에, 상기 금속 킬레이트가 생성된 반응기에 공기를 주입, 교반하여 얻어지는 상층액과 침전 고체를 분리, 추출하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물은 유기 리간드와 결합된 금속 킬레이트 착물과 금속 원료를 함유하고 있다. 킬레이트 형태로 결합된 금속 성분이 생물에 의해 섭취된 이후에 잔류하는 금속 원료와 유기 리간드가 다시 결합하여 새로운 금속 킬레이트 착물을 형성할 수 있는 이점을 갖는다.
또한 유기 리간드는 석탄 성분으로부터 추출되고, 금속 성분은 패각이나 광물 성분으로부터 얻어지는 등 저가의 원료를 사용하며, 제조 과정에서 생명체가 필요로 하지 않는 불필요한 무기 염의 생성을 최소화함으로써 효율적이고 경제적인 방법으로 미네랄 킬레이트 착물을 제조할 수 있다.
따라서 본 발명에 따라 합성된 금속 킬레이트 착물을 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물을 액상 또는 고형상으로 분리하여 식물의 성장을 촉진하는 비료로 사용되거나 동물의 사료 또는 인체가 섭취하는 미네랄 식품의 유효 성분으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하기 위한 반응기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하기 위한 공정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[미네랄 킬레이트 조성물]
본 발명의 미네랄 킬레이트 조성물은 유기 리간드가 결합되어 있는 금속 킬레이트 착물과, 금속 원료, 무기 금속 염, 금속 이온 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 무기 금속 화합물을 포함할 수 있다.
상기 금속 킬레이트 착물을 구성하는 유기 리간드는 예를 들어 금속 원료로부터 유래하는 금속 성분과 배위 결합을 통하여 연결될 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서 상기 유기 리간드는 탄소질(carbonaceous) 물질에 함유되어 있는 휴믹(humic) 물질에서 유래한 것일 수 있다.
상기 유기 리간드가 유래하는 상기 탄소질 물질은 예를 들어, 부식토, 토탄(peat moss), 이탄(peat), 연갈탄(leonardite), 갈탄(lignite), 역청탄(bitumen) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 탄소질 물질일 수 있다. 예를 들어, 석탄은 탄화 작용의 진행 정도 등에 따라 토탄, 이탄, 연갈탄, 갈탄, 역청탄 등으로 구분될 수 있는데, 이들 탄소질 물질에는 휴믹 성분을 포함하고 있다.
토탄(peat moss)은 저습지나 소택지 등의 수생식물, 이끼류, 습지대의 풀과 같은 식물 유체가 지표 근처에서 불완전하게 분해된 물질이 퇴적하여 생화학적으로 탄화된 탄소질 물질이다. 토탄은 90% 이상의 유기물을 함유하고 있으며 공극률이 대략 60 ~ 85%인 다공질 탄소질 물질이다. 재료에 따라 침적 토탄, 섬유질 토탄, 목질 토탄 등으로 구분될 수 있으며, 수분이 과잉 공급된 저습지에서 미생물 등의 활동이 억제되어 유체의 완전 분해가 안되어 황갈색 또는 암갈색을 띤다. 토탄은 흡습, 흡수, 흡취성 등이 우수하며, 무기 성분의 함량이 적고 가벼워 취급이 용이하다.
이탄(peat)은 화본과식물 또는 수목질의 유체가 분지에 두껍게 퇴적하여 생화학적인 탄화 작용에 의하여 변질된 탄소질 물질이다. 지하에 매몰된 수목질이 오랜 세월 동안에 지압과 지열 작용에 의해 생성되는 석탄과 달리, 식물질의 주성분인 리그닌(lignin)이나 셀룰로오스 등이 주표에서 분해 작용에 의해 형성된다.
연갈탄(leonardite)은 이탄층이 늪지대에 형성된 이후에 상부에 흙이 퇴적되고 토압에 의하여 수분이 제거되고, 지열로 물기가 제거되어 식물성 천연 고분자가 축합되어 섬유소가 완전히 사라지면서, 식물성 고분자들은 유기 탄소와 산소를 함유하면서 외부에서 부분적으로 산화되어 형성된다.
갈탄(lignite)은 석탄 중에서 가장 탄화도가 낮은 탄소질 물질로, 흑갈색을 띠며, 다른 석탄에 비하여 수분 및 휘발분이 많고 가루가 되기 쉬운 탄소질 물질이다. 유기물의 근원이 되는 식물 원목의 형상, 나이테나 줄기 등의 조직이 유안으로 보이기도 하는데, 전체 석탄 매장량의 약 45%를 차지한다. 흑탄이라고도 불리는 역청탄은 갈탄보다 탄화도가 높아서 탄소 함유량은 89~90%인 탄소질 물질이다.
이들 탄소질 물질에는 토양 유기물이 미생물 등에 의하여 분해되고 중합되면서 변성된 휴믹 물질(Humus), 다른 말로 부식질(Humus substance)라고도 불리는 유기물을 함유하고 있다. 일반적으로 토양 유기물은 동식물의 조직이 미생물 등에 의하여 분해되면서 부숙 과정에 있는 미숙 유기물, 미숙 유기물이 휴믹화(humification)되는 과정에 있는 다당류, 단백질, 지질, 아미노산 등의 비휴믹 물질(Non-Humus)과, 비휴믹 물질이 더욱 변화되어 갈색-흑색의 유기 교질(colloid)로 된 유기물인 휴믹 물질로 구분될 수 있다.
즉, 휴믹 물질이란 토양 유기물이 장기간에 분해, 축합, 중합되고, 산화되면서 축합 고리가 형성된 고분자 화합물로서 대략 1-100 nm 크기의 유기 교질 상태의 유기물을 의미한다. 휴믹 물질은 이화학적 특성에 따라 부식탄(휴민, Humin), 휴믹산(Humic acid), 풀빅산(Fulvic acid), 울믹산(Ulmic acid)으로 구분될 수 있다.
본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물을 구성하는 유기 리간드는 탄소질 물질에 함유되어 있는 휴믹 물질 중에서 휴믹산, 풀빅산, 울믹산 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 따라서 하나의 바람직한 실시형태에서, 이들 휴믹 물질의 함량이 상대적으로 높은 탄소질 물질을 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 예를 들어 부식토, 토탄, 이탄, 연갈탄 및 갈탄 중에서 적어도 1종의 탄소질 물질을 유기 리간드의 원료로 활용할 수 있다.
금속 킬레이트 착물을 구성하는 금속 성분은 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 나트륨(Na), 칼륨(K)과 같은 알칼리 금속; 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)과 같은 알칼리토금속; 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 전이금속일 수 있다.
금속 킬레이트 착물을 구성하는 중앙 금속 성분을 제공하기 위한 금속 원료는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 패각, 패화석, 광물, 예를 들어 전술한 금속 성분을 함유하는 광물 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
패각은 미네랄 염이 95% 이상을 차지하는데, 미네랄 염의 대부분은 금속 염 성분이다. 패각에 함유된 금속 염 성분은 탄산칼슘, 인산칼슘 및 탄산마그네슘을 들 수 있다. 한편, 패화석은 조개류 등은 연체부를 덮고 있는 외투막의 표피 세포로부터 단백질과 결합된 상태의 금속(예를 들어 칼슘)을 껍질 쪽으로 분비하는데, 이 분비된 금속 성분이 바다에서 용해되어 이산화탄소와 결합하여 탄산칼슘 등의 결정체로 존재하는 물질이다.
금속 원료로 사용될 수 있는 광물은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 황철석(pyrite, FeS2), 휘동석(chalcocite, Cu2S), 황석석(stannite, Cu2FeSnS4), 휘수연석(molybdenite, MoS2), 황동석(chalcopyrite, CuFeS2) 및 이들의 조합과 같은 황화광물; 자철석(magnetite, Fe3O4), 적철석(hematite, Fe2O3)은 물론이고 적철석이 수화되거나 능철석, 황철석 등의 산화에 의해 형성되는 갈철석(limonite, Fe2O3ㆍnH2O)과 같은 철 산화물이나 철 수화물인 철광석, 홍아연석(zincite, (Zn, Mn)O), 연망간석(pyrolusite, MnO2) 및 이들의 조합과 같은 산화/수산화 광물; 돌로마이트(dolomite), 능철석(siderite, FeCO3), 남동석(azurite, Cu3(CO3)2(OH)2), 공작석(malachite, Cu2(CO3)(OH)2), 선석(aragonite, CaCO3), 방해석(calcite, CaCO3), 능망간석(rhodochrosite, MnCO3), 능아연석(smithonite, ZnCO3), 능고토석(magnesite, MgCO3)이나, 석고(CaSO4ㆍ2(H2O)), 명반석(alunite, KAl3(SO4)2(OH)6), F, Cl, OH 성분의 변화에 따라 플루오르화인회석, 염화인회석, 수산화인회석으로 구분될 수 있는 인회석(apatite, Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)), 감람석(olivine, (Mg, Fe)2SiO4), 규산아연석(willemite, ZnSiO4) 및 이들의 조합과 같은 무기산 광물을 들 수 있다. 무기산 광물로서 특히 바람직하게는 탄산 성분이나 인산 성분이 함유된 무기산 광물이다. 광물 성분 중에서도 바람직하게는 돌로마이트나 자철석, 적철석, 갈철석 및 능철석인 철광석과 같은 가격이 저렴한 광물을 특히 사용할 수 있다.
예를 들어, 백운석이라고도 불리는 돌로마이트는 방해석의 돌로마이트화에 의해서 생성되는데, 기본적인 화학 성분은 탄산석회와 탄산마그네슘이 복탄산염을 이루는 CaMg(CO3)2이지만, 마그네슘의 일부는 철이나 망간으로 치환되어 있다. 이들 금속 원료는 예를 들어, 이산화탄소 등의 처리에 의하여 금속 성분이 추출되고, 금속 성분이 전술한 휴믹 물질일 수 있는 유기 리간드와 배위 결합을 형성하면서 금속 킬레이트 착물을 형성할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 금속 원료로부터 얻어지는 무기 금속 염은 금속 탄산염을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 칼슘 탄산염을 포함할 수 있다. 이러한 무기 금속 염을 함유하는 금속 원료는 패각, 패화석, 돌로마이트, 능망간석, 남동석, 공작석 등을 들 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 금속 원료는 유기 리간드를 생성하는 탄소질 물질에 대하여 1:1 내지 10:1, 바람직하게는 1:1 내지 5:1의 중량비로 첨가될 수 있다. 다시 말하면, 금속 원료는 유기 리간드를 함유하고 있는 탄소질 물질에 비하여 과량으로 첨가되는 것이 바람직하다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 유기 리간드와 금속 원자의 몰비가 대략 1:5 내지 1:20, 바람직하게는 1:5 내지 1:10이 될 수 있도록 탄소질 물질과 금속 원료가 배합될 수 있다.
이에 따라, 금속 원료가 유기 리간드와 반응하여 금속 킬레이트 착물을 형성한 이후에도, 유기 리간드와 반응하지 않아 유리 상태로 존재하는 금속 염, 금속 이온 및/또는 금속 염이나 금속 이온 형태로 전환되지 않은 금속 원료가 본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물에 잔류할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 본 발명의 미네랄 킬레이트 조성물을 구성하는 금속 킬레이트 착물은 전체 조성물 중에 약 10 ~ 50 중량부, 바람직하게는 20 ~ 30 중량부로 포함되고, 금속 원료, 무기 금속 염 및/또는 금속 이온인 무기 금속 화합물은 50 ~ 90 중량부, 바람직하게는 70 ~ 80 중량부로 포함될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 명세서에서 달리 언급하지 않는 한, 중량부는 배합되는 성분의 상대적인 중량 비율을 의미한다.
다시 말하면, 본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물은 유기 리간드와 금속 성분이 결합한 금속 킬레이트 착물 이외에도, 의도적으로 유기 리간드와 반응하지 않는 무기 금속 염, 금속 이온 성분 및/또는 무기 금속 염이나 금속 이온 형태로 전환되지 않은 금속 원료를 포함하고 있다. 따라서 금속 킬레이트 착물 형태의 금속 성분이 식물 등에 의해 흡수되어 유기 리간드 성분이 잔류하는 경우, 미네랄 킬레이트 조성물에 함유된 무기 금속 염, 금속 이온 성분 및/또는 금속 원료와 반응하여 다시 금속 킬레이트 착물을 형성하여 생물 흡수를 위한 소재로 재활용될 수 있는 이점을 갖게 된다.
무기 금속 염은 전술한 금속 원료로부터 얻어지며, 유기 리간드와 결합하지 않고 유리 상태로 존재한다. 무기 금속 염의 종류로는 전술한 금속 원료의 금속 성분을 포함하는 금속 무기산(예를 들어 탄산금속, 인산금속이나 황산금속), 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 수화물, 금속 황화물, 금속 염화물 및 이들의 조합으로 구성될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 금속 염은 금속 탄산염이다.
한편, 금속 염은 전술한 금속 원료로부터 유래할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 이온은 나트륨 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 칼슘 이온, 철 이온, 구리 이온, 아연 이온, 망간 이온, 몰리브덴 이온 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
하나의 예시적인 실시형태에 따라, 금속 킬레이트와 배위 결합하는 유기 리간드는 휴믹산, 풀빅산 등과 같은 휴믹 물질에서 유래한 것일 수 있다. 이들 휴믹 물질은 음전하를 띠고 있는데, 식물 뿌리에서의 양전하의 미량 원소를 흡수하여 식물의 생육을 촉진하고, 에너지 대사를 촉진하며, 효소의 활성을 증진할 뿐만 아니라, 양쪽성 분자이므로 세포막의 투과성을 증진하거나 담체 역할을 수행한다.
예를 들어, 탄소질 물질에서 추출된 유기 리간드의 하나일 수 있는 휴믹산은 식물 생육 촉진, 뿌리 발육 촉진, 근원 미생물의 활성화, 양분 유효도 및 흡수 증대, 식물에 흡수되는 주요 질소 형태의 하나인 질산태 질소(NO3--N)의 이용률을 향상시킬 수 있다. 이로 인하여 식물체의 엽록소 양 증대 및 광합성 능력을 향상시켜 작물의 수확량 증가는 물론이고, 당도 및 비타민 함량을 증가시켜 식물 수확물의 품질 향상에 기여한다.
뿐만 아니라, 휴믹산은 수분 스트레스 경감, 수분 이용 효율 증대, 한해 경감, 식물의 질병에 대한 저항성 증대, 해충에 대한 저항력 증대 등의 기능을 수해하여 안정적인 작물 재배 기반을 구축하는데 큰 역할을 수행한다. 아울러, 휴믹산은 종자 발아 시 발아율과 발아 속도를 증가시키고, 유묘 생장 촉진, 분열율 향상 등 작물의 종자에 영향을 미친다. 즉, 금속 킬레이트 착물에 포함될 수 있는 유기 리간드의 하나인 휴믹산은 식물을 비롯한 살아 있는 유기체에 필요한 영양소, 즉 미량 원소 및 유기물 등을 축적하여 유기체의 생장을 돕는다.
한편, 금속 킬레이트 착물을 구성하는 유기 리간드의 하나인 풀빅산은 휴믹산보다 강한 산성을 띠고 친수성이 높아서 휴믹산이 용해시키지 못하는 광물 입자를 녹일 수 있다. 또한 풀빅산은 광물질의 용해, 영양분 매개체 기능을 수행할 수 있으므로, 휴믹산과 비교해서 식물의 성장에 유익할 수 있다. 하지만, 풀빅산은 높은 친수성으로 인하여 물에 잘 녹아 토양에 머무르지 않고 식물이 흡수하기 전에 비나 지하수 등을 통하여 깊은 땅속으로 스며들어 제거될 수 있다. 따라서 너무 높은 함량의 풀빅산을 그대로 사용하는 것은 경제적이지 않다. 따라서, 본 발명에 따라 금속 킬레이트의 유기 리간드 성분으로서 풀빅산을 사용하는 경우, 식물의 줄기와 잎에 뿌려주는 비료로 활용될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물은 금속 킬레이트 착물에 결합된 유기 리간드인 휴믹산이나 풀빅산 등과 같은 휴믹 물질을 활용하여 동물 및 식물이 미네랄과 같은 영양원을 흡수하기 좋은 킬레이트 형태로 추출하여, 식물의 성장을 위한 비료의 유효 성분으로 활용될 수 있다.
뿐만 아니라, 금속 성분과 배위 결합을 형성하는 착물 형태의 유기 리간드는 동물에서는 중요한 무기 전해질 성분으로 작용한다. 휴믹 물질에서 유래된 유기 리간드는 또한 동물 장내의 미생물상을 안정화시켜 급식의 효율성을 증진시킬 수 있으며, 동물 위장에서 과도한 탈수를 방지할 뿐만 아니라 항균, 항-바이러스 효과를 가지고 있다. 따라서 본 발명에 다른 미네랄 킬레이트 조성물은 동물용 사료나 또는 인간이 섭취하고자 하는 미네랄 기능성 식품의 유효 성분으로 활용될 수 있다.
[미네랄 킬레이트 조성물의 제조 방법]
계속해서, 전술한 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하는 공정 및 방법에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하기 위한 반응기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하기 위한 공정을 개략적으로 도시한 순서도이다. 도 1 및 도 2를 동시에 참조하면서, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하는 방법에 대해서 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물을 합성하기 위한 반응기(1)는 원료 투입부(10)와, 공기 주입부(20)와, 반응물 배출부(30)와, 교반 막대와 같은 교반 수단(40)과, 선택적으로 구비될 수 있는 이산화탄소 주입부(50)와, 온도/압력 계측부(60)와, 압력 제어 밸브(70)를 포함할 수 있다. 도 1에서 원료 투입부 등의 구성은 단일 반응기에 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 2개 이상의 반응기를 사용할 수 있다. 예를 들어 제 1 반응기에서는 탄소질 물질로부터 유기 리간드를 추출하는 반응이 수행되고, 제 2 반응기에서는 추출된 유기 리간드와 금속 원료의 반응에 의한 금속 킬레이트 착물이 생성되는 반응이 수행될 수 있다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물을 제조하는 방법은 유기 리간드를 함유하는 탄소질 물질을 준비하는 단계(S210 단계), 탄소질 물질로부터 유기 리간드를 추출하는 단계(S220 단계), 선택적으로 칼슘 킬레이트 화합물을 생성하는 단계(S230 단계), 상기 유기 리간드와 반응할 수 있는 금속 성분을 함유하는 금속 원료를 투입하는 단계(S240 단계), 선택적으로 유기 리간드와 금속 원료가 혼합된 반응기로 이산화탄소를 주입하는 단계(S250 단계), 유리 리간드와 금속 원료에 함유된 금속을 반응시켜 금속 킬레이트를 생성하는 단계(S260 단계) 및 금속 킬레이트를 함유하는 미네랄 킬레이트 조성물로부터 액상 및 침전물을 분리, 추출하는 단계(S270 단계)를 포함할 수 있다.
먼저, 유기 리간드의 원료가 되는 탄소질 물질을 원료 투입부(10)를 통하여 물과 같은 용매가 함유된 반응기(1)에 첨가하여, 탄소질 물질을 준비한다(S210 단계). 전술한 바와 같이, 유기 리간드의 원료가 되는 탄소질 물질은 휴믹산, 풀빅산, 울믹산 및 이들의 조합과 같은 유기물과 같은 휴믹 물질을 함유하고 있는 부식토, 토탄, 이탄, 연갈탄, 갈탄, 역청탄 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는 탄소질 물질로서, 토탄, 이탄, 연갈탄 및 갈탄에서 적어도 1종 선택될 수 있다.
바람직하게는, 탄소질 물질이 반응기(1)에 투입되기 전에 적절한 크기로 분쇄되는 등의 전처리 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 토탄, 이탄, 연갈탄, 갈탄 등의 탄소질 물질은 분쇄, 분류 장치로 공급되어 적절한 크기로 분쇄, 분류, 건조될 수 있다. 이때, 분쇄 장치에서 탄소질 입자로 분쇄되고, 분쇄 장치 하부에서 바람이나 열풍을 공급하여 먼지 형태의 탄소질 입자와 적절한 크기를 갖는 탄소질 분획(fraction)만을 분류하고, 반응기(1)로 공급할 수 있다. 이에 따라 정확한 분획이 요구될 수 있는 격실형 또는 국자형 추출기에서 용제를 추출하는 매스 트랜스퍼 과정에 요구되는 탄소질 물질로 가공될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 반응기(1)에 투입되는 탄소질은 0.5 ㎜ 이하의 평균 입자 크기, 예를 들어 평균 입자 크기가 0.01 내지 0.5 ㎜, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 ㎜인 탄소질 입자를 사용할 수 있다. 탄소질 입자의 크기가 전술한 범위 미만이면 유기 리간드 성분의 추출은 용이하지만 탄소질 입자의 가공 비용이 증가할 우려가 있고, 전술한 범위를 초과하면 유기 리간드를 추출하기 위한 반응 시간이 길어질 수 있다.
이어서, 상기 탄소질 물질로부터 유기 리간드, 예를 들어 휴믹산, 풀빅산 및/또는 울믹산 등의 휴믹 물질을 추출한다(S220 단계). 탄소질 물질로부터 풀빅산을 추출하기 위해서는 특별한 처리가 요구되지 않을 수 있지만, 휴믹산을 추출하기 위해서 반응물의 pH를 알칼리성으로 변화시킬 필요가 있다. 이를 위하여, 원료 투입부(10)를 통하여 적절한 알칼리화제가 반응기(1)에 첨가될 수 있다.
사용될 수 있는 알칼리화제는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 알칼리화제는 생석회(CaO), 소석회(CaOH), 가성 소다(NaOH), 가성 칼륨(KOH) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 이러한 알칼리화제의 처리에 의하여 탄소질 물질 및 용매가 함유되어 있는 반응기(1)의 pH를 알칼리 상태로 변환한다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 상기 알칼리제의 첨가에 의한 반응물의 pH는 8 내지 12, 바람직하게는 8 내지 10 정도로 조절될 수 있다. 이를 위하여, 상기 알칼리화제는 용매 중에 약 5 ~ 30 %(w/v)의 농도로 반응기(1)에 투입될 수 있다.
선택적으로 알칼리화제가 투여되어 있으며, 적절한 입자 크기의 탄소질 물질이 용매에 용해되어 있는 반응기(1)를 교반 수단(40)을 이용하여 교반하면서, 반응물을 50 ℃ 이상, 예를 들어 80 ~ 100 ℃의 온도 및 대기압 이상, 예를 들어 1 ~ 2 대기압에서 12시간 이상, 바람직하게는 24 시간 내지 72 시간 반응시킨다. 이에 따라 탄소질 물질에 함유되어 있는 휴믹 물질이 팽윤되고, 유기 리간드의 형태로 용매에 녹으면서 추출된다. 이때, 반응기의 온도와 압력은 계측부(70)를 통해 측정할 수 있는데, 대기압 하의 공기는 예를 들어 공기 주입부(20)를 통해 반응기(1) 내부로 주입될 수 있다.
이러한 처리에 의하여 물에 잘 녹는 휴믹 물질은 물론이고, 물에 잘 녹기 어려운 휴믹 물질인 고분자의 일부가 작은 분자의 휴믹산, 풀빅산, 울믹산 등의 형태로 가수분해된다. 분자량이 작거나 물에 잘 녹는 형태의 유기 리간드가 추출되는데, 이러한 유기 리간드는 반응물 배출구(30)를 통하여 추출될 수 있다. 예를 들어, 유기 리간드의 하나인 휴믹산은 다수의 음이온을 함유하고 있는데, pH가 상승하여 알칼리성인 상태에서 음이온성을 띠는 각각의 분자들이 서로 밀어내는 방법으로 응결이 와해되면서 팽창을 하면서 콜로이드 상으로 변하게 되므로 이들 유기 리간드를 추출할 수 있다.
한편, 풀빅산은 물에 잘 용해되지만, 산성 조건의 pH에서 쉽게 물에 용해될 수 있다. 풀빅산을 추출하기 위하여, 예를 들어 질산이나 염산과 같은 무기계 강산이나, 젖산, 아세트산, 푸마르산, 개미산, 프로피온산, 사과산, 구연산과 같은 유기산일 수 있는 산성화제가 용매에 첨가될 수도 있다. 예를 들어, 이들 산성화제의 첨가에 의하여 반응물의 pH를 3 ~ 5 정도로 조절할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에 따르면, 전술한 탄소질 물질에 함유되어 있는 휴믹 물질 중에서 휴민은 산도와 관계 없이 물에 녹지 않으므로, 그 외의 다른 휴믹 물질, 예를 들어 휴믹산, 풀빅산, 울믹산 및 이들의 조합, 바람직하게는 휴믹산 및 풀빅산 중에서 선택되는 적어도 1종의 유기물이 유기 리간드로 분해된다.
탄소질 물질로부터 유래하는 휴믹 물질은 색깔, 중합도, 분자량, COOH기, OH기와 같은 관능기(functional group)의 수, 탄소와 산소의 수, 치환도, 수용성 등에 따라 휴민, 휴믹산, 풀빅산, 울믹산 등으로 구분될 수 있다. 이들 휴믹 물질은 중합 구조, 고리, 사슬의 형태 등에 따라 구분될 수 있으며, 대략 5 ~ 50 nm의 크기를 가지며, 입체적 구조와 크기는 휴믹화 과정에서 결정된다.
예를 들어, 휴믹산은 물에는 거의 녹지 않지만, 가성칼륨(KOH), 가성소다(NaOH) 등과 같은 알칼리제의 처리에 의하여 용해되는 고분자 화합물로서, 갈색-흑갈색을 띠고, 분재 내에 관능기가 많기 때문에, 각종 미량원소가 쉽게 결합되고 산화된 부분은 자연히 음전하를 띠게 된다. 휴믹산은 방향족의 고리와 고리 사이에 아미노산, 아미노당, 펩티드, 지방족화합물 등이 복잡하게 결합되어 있는 복합 방향족 고분자 화합물(aromatic macromolecules)로서, 방향족 고리에는 질소, 산소, 히드록시기, 카르복시기 등이 다양하게 결합되어 있다. 휴믹산 유기 구조에는 많은 부분이 자연 산화되어 음전하를 띠고 있다.
풀빅산(Fulvic acid)은 산도와 관계없이 물에 잘 녹는 고분자 화합물이며, 황색이나 주황색을 띤다. 풀빅산은 방향족, 지방족 구조를 가지며, 2개 구조 모두 광범위하게 산소를 함유하는 기능성기로 치환되어 있다. 풀빅산은 휴믹산에 비해 산소의 수는 많지만, 탄소의 수는 적은 부식 성분으로서, 기능성기, 특히 COOH기, OH기 C=O기를 많이 함유하고 있다.
하나의 선택적인 실시형태에서, 유기 리간드를 추출하는 단계(S220 단계)에서 전술한 알칼리화제와 함께, 또는 알칼리화제와 독립적으로 석고(CaSO4ㆍnH2O)가 반응기(1)에 첨가될 수 있다. 석고는 인산을 생성할 때 나오는 산업 폐기물인데, 본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물을 구성하는 금속 킬레이트 착물의 전구체 성분으로서 재활용될 수 있다.
용매 중에 추출된 유기 리간드와 석고를 첨가하면, 석고는 후술하는 금속 원료보다 물에 대한 용해도가 좋기 때문에, 유기 리간드인 휴믹산이나 풀빅산 등과 결합하여 칼슘 킬레이트 착물을 형성한다. 이 과정에서 유리된 황산은 금속 원료 성분에서 얻어지는 금속 염이나 금속 이온, 예를 들어 탄산칼슘과 반응하여 다시 황산칼슘으로 변환되어, 조성물의 pH 저하가 방지된다. 변환된 황산칼슘은, 금속 킬레이트 착물 형태의 금속이 제거되고 남은 유기 리간드와 다시 반응할 수 있다.
예를 들어, 탄소질 물질에 함유되어 있는 휴믹산, 풀빅산 등의 유기물은 거대 고분자 구조로 중앙에는 관능기가 적고 극성이 낮은 지용성 성분인 지방산과 리그닌 등의 벤젠 고리를 갖는 방향족 화합물의 영향에 의하여 형성되는 페놀계 하이드록시기로 대표되는 지용성 관능기와, 극성이 높고 수용성 천연 고분자인 아미노산이나 당 화합물의 영향에 의하여 형성되는 알코올성 하이드록시(ROH)와 카르복시기(RCOOH)로 대표되는 수용성 관능기를 모두 가지고 있다. 따라서 이들 유기 리간드는 양이온 교환 특성이 매우 높기 때문에, 주변의 다양한 양이온성 물질과 양이온 교환 반응을 통하여 킬레이트 착물을 생성할 수 있다.
다만, 석고, 즉 황산칼슘의 너무 많으면 본 발명에 따른 미네랄 킬레이트 조성물을 비료 등으로 활용하고자 할 때, 토양이 산성화될 수 있으며, 동식물의 섭취가 곤란해질 수 있다. 따라서, 석고는 탄소질 물질에 대하여 대략 5 ~ 20 중량부, 바람직하게는 5 ~ 10 중량부의 비율로 첨가되는 것이 바람직할 수 있다.
탄소질 물질로부터 적절한 유기 리간드를 추출한 뒤에, 금속 원료를 추출된 유기 리간드가 함유된 반응기에 투입한다(S240 단계). 금속 원료는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 나트륨(Na), 칼륨(K)과 같은 알칼리 금속; 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca)과 같은 알칼리토금속; 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 등과 같은 전이금속 성분을 함유할 수 있다. 예를 들어 금속 원료는 패각, 패화석, 광물 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 이들 금속 원료는 분말 형태 또는 적절한 크기로 절단된 괴상으로 투입될 수 있다. 바람직하게는 분말 형태의 금속 원료를 사용할 수 있는데, 이 경우에 대략 금속 원료는 0.1 내지 2 ㎜의 평균 입자 크기를 가질 수 있다. 금속 원료가 괴상으로 사용하는 경우에 그 크기는 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 0.5 ~ 20 ㎝, 바람직하게는 0.5 ~ 5 ㎝ 크기의 금속 원료를 사용하면, 금속 성분을 효율적으로 추출할 수 있는 이점을 갖게 된다. 다만, 본 발명에서 금속 원료의 크기는 특별히 문제되지 않는다.
본 발명에 따르면, 유기 리간드의 원료인 탄소질 물질에 비하여, 유기 리간드와 결합하는 금속 성분을 제공하는 금속 원료를 과량 첨가한다. 따라서, 유기 리간드와 금속 원료로부터 생성된 금속 염 및/또는 금속 이온의 반응에 의하여 금속 킬레이트 착물이 형성되면서, 유기 리간드와 반응하지 않는 무기 금속 염, 금속 이온 및/또는 금속 원료와 같은 무기 금속 화합물을 포함한다. 금속 킬레이트 형태로 된 금속 성분이 유기체에 의하여 흡수되고 남은 유기 리간드는 조성물 중에 유리되거나 잔류하는 무기 금속 염, 금속 이온 및/또는 금속 원료와 다시 반응하여 새로운 금속 킬레이트 착물을 다시 생성할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 금속 원료는 유기 리간드의 원료인 탄소질 물질에 비하여 과량으로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 금속 원료는 탄소질 물질에 대하여 1:1 내지 10:1, 바람직하게는 1:1 내지 5:1의 중량비로 첨가될 수 있다. 이에 따라, 금속 원료로부터 얻어지는 금속 염 및/또는 금속 이온의 일부는 유기 리간드와 반응하여 금속 킬레이트 착물을 형성하지만, 나머지는 유리된 상태의 금속 염 및/또는 금속 이온을 형성할 수 있다. 아울러, 필요한 경우에, 금속 원료에 함유된 금속 성분의 일부는 유리된 금속 염 및/또는 금속 염으로 변환되지만, 일부 금속 성분은 금속 원료에 잔류할 수 있다.
금속 원료로 사용되는 광물은 전술한 금속 성분을 함유하는 황화광물, 산화 및/또는 수산화 광물, 탄산염, 황산염, 규산염, 인산염 등의 형태로서 금속 성분을 함유하는 무기산 광물 및 이들의 조합을 들 수 있다. 이들 금속 원료로부터 적절한 무기 금속 염 및/또는 금속 이온을 얻을 수 있으며, 이들 무기 금속 염 및/또는 금속 이온은 추출된 유기 리간드와 직접 결합할 수 있다.
전술한 바와 같이 유기 리간드는 양이온 교환 능력이 매우 우수하다. 따라서 선택적인 실시형태에서 석고를 사용하여 칼슘 킬레이트 착물이 기-생성되어 있는 경우에, 이들 금속 원료로부터 얻어지는 무기 금속 염 및/또는 금속 이온과 칼슘 킬레이트 착물의 양이온 교환 반응에 의하여 무기 금속 염에서 유래된 금속이 유기 리간드와 결합하는 금속 킬레이트 착물을 얻을 수 있다.
금속 원료로부터 얻어지는 무기 금속 염은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 무기 금속 염의 종류로는 전술한 금속 원료의 금속 성분을 포함하는 금속 무기산(예를 들어 탄산금속, 인산금속이나 황산금속), 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 수화물, 금속 황화물, 금속 염화물 및 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 또한 금속 이온은 금속 원료로부터 유래된 나트륨 이온, 칼륨 이온, 마그네슘 이온, 칼슘 이온, 철 이온, 구리 이온, 아연 이온, 망간 이온, 몰리브덴 이온 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
예를 들어, 탄소질 물질로부터 추출된 유기 리간드와 금속 원료에서 얻어진 무기 금속 염 및/또는 금속 이온 사이의 반응은 대기압 이상, 예를 들어 대기압 내지 2 대기압에서 24시간 이상, 예를 들어 24시간 내지 48시간 수행될 수 있다. 이에 따라, 유기 리간드와 금속 원료에서 얻어지는 금속 염 및/또는 금속 이온 사이의 반응을 통하여 금속 킬레이트 착물을 생성할 수 있다.
만약, 금속 킬레이트 전구체로서 석고를 사용하고 있지 않은 경우, 전술한 금속 원료에 함유된 금속 성분을 용매에 추출하기 위하여, 이산화탄소 주입부(50)를 통하여 이산화탄소가 추출된 유기 리간드 및 금속 원료가 함유된 반응기에 주입될 수 있다(S250 단계). 이에 따라 금속 원료에 포함된 무기 금속 염 및/또는 금속 이온을 용매에 용해시키는 방법으로 추출할 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태로서, 금속 원료로서 패각, 패화석 및 탄산염 광물을 사용하는 경우, 패각 등에 함유된 금속 성분인 탄산칼슘은 용매인 물에 잘 용해되지 않는다. 이 경우, 이산화탄소를 반응기(1)에 주입하여 용매인 물에 용해시키면 이산화탄소는 탄산으로 변환되고, 용매의 pH가 내려가게 되고, 탄산칼슘이 물에 용해된다. 물에 용해된 탄산칼슘은 유리 리간드와 쉽게 결합할 수 있으므로, 금속 킬레이트 착물을 생성할 수 있다(S260 단계).
주입되는 이산화탄소의 양에 따라 금속 원료 중의 금속 성분이 모두 물에 용해된 무기 금속 염 및/또는 금속 이온 형태로 유리될 수도 있고, 금속 원료 중의 일부 금속 성분만이 무기 금속 염 및/또는 금속 이온 형태로 유리될 수도 있다. 금속 원료 중의 금속 성분을 모두 무기 금속 염 및/또는 금속 이온 형태로 유리하기 위해서 과량의 이산화탄소가 주입될 수 있다. 이산화탄소는 기체 상태의 것을 사용하거나 액체 상태의 것을 사용할 수도 있다. 필요한 경우에는 탄소질 물질로부터 유기 리간드를 추출하기 위한 고온의 열처리 과정에서 발생하는 이산화탄소를 사용할 수도 있다.
금속 킬레이트 착물을 생성하기 위하여 이산화탄소를 사용한 경우에는, 유기 리간드와, 무기 금속 염 및/또는 금속 이온 사이의 킬레이트 반응 후에, 압력조절밸브(60)를 조절하여 압력을 조절하여 여분의 이산화탄소를 반응기 외부로 배출한다. 이때, 금속 킬레이트 착물이 형성된 이후에 반응기의 온도를 상승시켜 이산화탄소를 제거하여 중성 상태로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 킬레이트 착물이 형성이 완료된 두에, 반응기(1)의 온도를 50℃ 이상, 예를 들어 80 ~ 100℃의 온도로 가온하고, 공기 주입부(20)를 통하여 공기를 주입하고, 교반 수단(40)으로 잘 저어주면, 유기 리간드와 금속 염 사이의 반응이 효과적으로 진행될 수 있다. 이어서 반응물의 pH를 확인하여 중성이 되면 교반을 멈추고 반응을 종료할 수 있다. 반응물의 pH 변화는 pH 페이퍼나 pH meter를 사용하여 확인할 수 있다.
탄소질 물질에서 유래한 유기 리간드와 금속 원료에서 얻어진 금속 염 및/또는 금속 이온 사이의 킬레이트 반응에 의하여 금속 킬레이트 착물을 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물이 생성되면, 침전물을 가라 앉히고 상층액을 따라 분리, 추출한다(S270 단계). 연한 갈색의 액상 성분에는 유기산 성분으로서 상대적으로 저분자인 풀빅산 성분을 함유하는데, 이들 액상 성분은 제품으로 포장하여 식물 성장을 위한 액체 비료 및/또는 동물의 미네랄 공급용 사료로 활용될 수 있다.
한편, 짙은 갈색 또는 검은 색의 침전 고체는 과립(granule) 형태로 만들어 고체 비료로 사용하거나 동물의 미네랄 공급용 사료로 활용될 수 있다. 과립 형태는 침전 고체를 혼합, 건조하는 방법으로 만들 수 있으며, 필요하다면 바인더가 혼합된 형태로 작은 구멍을 가지게 압출 가공하여 균일한 크기의 과립을 제조할 수 있다.
분리, 추출에 의하여 얻어진 액상 또는 고체는 동물 및 식물이 미네랄을 흡수하기 용이한 킬레이트 형태로 만들어진 금속 착물을 포함하고 있으므로, 식물의 비료, 동물의 사료 또는 인체에 적용되는 미네랄 제품의 원료 또는 유효 성분으로 활용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예에 기초하여 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은, 첨부하는 특허청구의 범위를 통하여 더욱 분명해질 것이다.
1: 반응기 10: 원료 투입부
20: 공기 주입부 30: 반응물 배출부
40: 교반 수단 50: 이산화탄소 주입부
60: 압력 제어 밸브 70: 온도/압력 계측부

Claims (13)

  1. 유기 리간드가 결합되어 있는 금속 킬레이트 착물; 및
    금속 원료, 무기 금속 염, 금속 이온 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 무기 금속 화합물
    을 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 원료는 패각, 패화석, 광물 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 미네랄 킬레이트 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 무기 금속 염은 금속 무기산, 금속 산화물, 금속 수산화물, 금속 황화물, 금속 염화물, 금속 수화물 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 미네랄 킬레이트 조성물.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유기 리간드는 휴믹산(Humic acid), 풀빅산(Fulvic acid), 울믹산(Ulmic acid) 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 미네랄 킬레이트 조성물.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 기재되어 있는 미네랄 킬레이트 조성물을 포함하는 미네랄 식품.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 기재되어 있는 미네랄 킬레이트 조성물을 포함하는 동물 사료.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 기재되어 있는 미네랄 킬레이트 조성물을 포함하는 비료.
  8. a) 유기 리간드를 함유하는 탄소질(carbonaceous) 물질을 용매를 함유하는 반응기에 첨가하여, 상기 탄소질 물질에 함유된 유기 리간드를 추출하는 단계;
    b) 상기 유기 리간드가 함유된 반응기에 금속 원료를 투입하는 단계; 및
    c) 상기 추출된 유기 리간드와 상기 금속 원료에서 얻어진 무기 금속 염 또는 금속 이온을 반응시켜 금속 킬레이트를 생성하는 단계
    를 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 a) 단계에서 상기 탄소질 물질과 함께, 알칼리제가 상기 용매가 함유된 반응기에 첨가하는 단계를 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물의 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 c) 단계는 상기 금속 원료가 투입된 반응기에 이산화탄소를 주입하여 상기 금속 원료에 함유된 무기 금속 염 또는 금속 이온을 얻는 단계를 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물의 제조 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 a) 단계에서, 석고가 상기 반응기에 첨가되고, 상기 추출된 유기 리간드가 상기 석고와 반응하여 칼슘 킬레이트 착물을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 c) 단계는 상기 칼슘 킬레이트 착물과 상기 무기 금속 염 또는 금속 이온이 양이온 교환 반응하여, 상기 무기 금속 염 또는 금속 이온을 구성하는 금속이 상기 유기 리간드와 결합된 금속 킬레이트 착물과, 칼슘 염을 생성하는 단계를 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물의 제조 방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 금속 원료는 상기 탄소질 물질에 대하여 1:1 ~ 10:1의 중량비로 첨가되는 미네랄 킬레이트 조성물의 제조 방법.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 c) 단계 이후에, 상기 금속 킬레이트가 생성된 반응기에 공기를 주입, 교반하여 얻어지는 상층액과 침전 고체를 분리, 추출하는 단계를 더욱 포함하는 미네랄 킬레이트 조성물의 제조 방법.
KR1020160005518A 2016-01-15 2016-01-15 미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법 KR20170085859A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160005518A KR20170085859A (ko) 2016-01-15 2016-01-15 미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법
CN201611271778.1A CN106974293A (zh) 2016-01-15 2016-12-29 螯合矿物质组合物及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160005518A KR20170085859A (ko) 2016-01-15 2016-01-15 미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170085859A true KR20170085859A (ko) 2017-07-25

Family

ID=59340970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160005518A KR20170085859A (ko) 2016-01-15 2016-01-15 미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20170085859A (ko)
CN (1) CN106974293A (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109566867A (zh) * 2017-09-29 2019-04-05 金范圭 有机矿物质组合物及应用

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2531158T3 (es) * 1996-11-13 2015-03-11 Stoller Ets Composiciones fertilizantes que contienen iones metálicos quelados
KR100453560B1 (ko) * 2001-08-01 2004-10-20 서희동 활성화된 부식물질의 인공제조방법
CN101684132A (zh) * 2008-09-25 2010-03-31 唐毅 从腐殖质提取腐殖酸和黄腐酸及其矿物化合物的有机盐的生产方法及应用
FR2954939B1 (fr) * 2010-01-04 2014-02-07 Timac Agro Internat Nouveaux composes phosphates et leur utilisation en tant qu'engrais
JP5833490B2 (ja) * 2012-04-10 2015-12-16 株式会社日本自動車部品総合研究所 金属イオン除去器

Also Published As

Publication number Publication date
CN106974293A (zh) 2017-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ahmad et al. Can lignin be transformed into agrochemicals? Recent advances in the agricultural applications of lignin
Park et al. Role of organic amendments on enhanced bioremediation of heavy metal (loid) contaminated soils
US20120125064A1 (en) Biochar complex
JP2020537623A (ja) 木材、樹皮、穀物わら、葉、草本植物、木菌、下水汚泥およびその他の有機廃棄物などのバイオマスからの腐植物質の生産プロセス
CN101351421A (zh) 肥料
CN101935243B (zh) 高水溶性有机肥
CN105272739A (zh) 腐植酸螯合中、微量元素肥料及其制备方法
CN102863277A (zh) 一种双酸螯合型有机无机复合肥的生产方法
CN104086313A (zh) 一种无机-有机营养型土壤改良剂及其制备方法
EP0282250B1 (en) Liquid crop stimulant
CN102674965A (zh) 一种锰渣复合肥及其制备方法
US5626881A (en) Humate dietary supplement
CN105819963A (zh) 以高硅铁尾矿为原料生产的盐碱土修复新肥
KR100401247B1 (ko) 무발효 퇴비, 유기질 비료 및 그의 제조방법
El-Sharkawy et al. Effect of nano-zinc application combined with sulfur and compost on saline-sodic soil characteristics and faba bean productivity
KR20170085859A (ko) 미네랄 킬레이트 조성물 및 그 제조 방법
KR20180035031A (ko) 유기 미네랄 조성물 및 응용
CN1948235A (zh) 高含量有机无机复混肥
CN111032597A (zh) 可溶性肥料调配物及其使用方法
CN109574764A (zh) 一种腐植酸水溶肥的制作方法
KR20150105509A (ko) 질산에 의한 산화를 이용한 갈탄에 함유된 부식산과 풀빅산의 생산방법
Garcia-Mina et al. The ability of several iron (II)—Humic complexes to provide available iron to plants under adverse soil conditions
CN115874477B (zh) 制浆副产物制备的水溶性肥产品及其应用
Kilmer Minerals and agriculture
CN108017441A (zh) 一种甘蔗的缓释肥及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal