KR20200100318A - 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 바이오매스를 250 내지 1000℃ 무산소에서 열분해 온도를 증가시킴에 따라 내부 구조가 안정한 형태인 방향족 구조로 재배열되어 얻어지는 바이오차 5 내지 50 중량%, 피트모스 5 내지 30 중량%, 코코피트 5 내지 30 중량%, 천연 광물질 1 내지 20 중량%, 질석 1 내지 20 중량%, 펄라이트 1 내지 20 중량% 및 수분이 제거된 커피 부산물 1~50 중량%를 포함하여 구성되는 분체 조성물과 상기 분체 조성물 100 중량부를 기준으로 습윤제, 바인더 및 pH 조절제를 포함하는 첨가제 0.1~20 중량부를 포함하는 혼합 조성물을 분체 상태로 사용하거나 진공 건조기로 건조, 혼합 및 파쇄하여 성형기로 입상화하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 바이오차를 이용해 토양의 개량 효과(토양의 pH 및 EC를 상승) 및 농산물 수확량 증대와 함께, 토양의 개량 효과에 있어서 열처리된 천연 광물질들과 바이오차의 다공질 입자구조의 기공 형성에 의해 상호 침투 흡수되는 구조를 이용해 바이오차의 작용 속도를 늦추게 되어 장시간 그 효과를 발휘하도록 할 수 있고, 특수 다공질 구조의 바이오차를 포함함으로써 미생물 분해에 대한 강한 저항성을 가지고 토양 내에서 분해되지 않고 존재함으로써 작물에의 탄소 공급원으로서 충분한 기능을 수행할 수 있다. 또한, 탄소공급원 안정적인 탄소 공급이 가능하도록 함으로써 병해에 대한 저항성을 강화하고 통기성을 향상시켜 유해균에 의한 피해를 줄이며, 특히 연작 피해를 감소시킴으로써 토양의 지력을 향상시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 바이오차 및 천연 광물질의 다공질 입자구조에 의해 유용 미생물이 포함되어 식물의 생장에 도움을 주고, 토양 내에서 유기물이 효과적으로 분해되도록 하여 환경오염을 최소화하며, 유익한 미생물이 살아 있어 식물의 뿌리와 줄기를 보호할 수 있는 효과가 우수하다. 또한, 화학비료 및 유기부산물 비료의 추가로 인해 토양내 양분 함량을 급격히 높이지 않으면서 원재료 내 중금속과 같은 유해성분량이 매우 낮고 토양내 유기물 함량을 증가시키며 발효 가스가 발생하지 않는 등 우수한 퇴비 효과 및 토양개량 효과를 가지며, 동시에 작물 생육에 필요한 초기 영양분을 공급할 수 있는 비료 효과가 우수하여 한 번의 시비로 3가지 기능을 동시에 부여할 수 있고, 기존의 파우더상 개량제나 비료 등에 비하여 살포 편의성이 우수하고 기계를 이용한 작업이 용이하는 등의 편리성이 증대될 수 있으며, 농업 부산물 등의 부산물을 이용하여 양질의 성분을 함유하고 식생에 의한 양분의 흡수가 원활하게 됨으로써 비료 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법{Organic carbon fertilizer composition using bio-char, and preparation method of the same}
본 발명은 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 바이오차를 이용하여 유기질비료로 사용함으로써, 토양 내에서 충분한 탄소 공급원으로서의 기능을 수행할 수 있는 동시에, 온실가스 저감, 토양의 개량 효과(토양의 pH 및 EC를 상승) 및 농산물 수확량 증대 등을 이루도록 할 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 유기질 비료는 유기물을 주원료로 하는 유기질 비료 및 부산물을 주원료로 하는 부산물 비료 등으로 나뉜다.
유기질의 기본은 탄화수소로서, 탄소와 탄소 및 탄소와 수소의 결합이 주요 결합을 구성한다. 또한, 탄소와 수소 외에 산소, 질소, 황 등 타 원소를 작용기로 포함할 수 있으며 단일 결합 외에 이중, 삼중 결합을 포함함으로써 수많은 유도체가 형성될 수 있다. 이러한 유기물은 물에는 잘 녹지 않으며 유기용매에 잘 녹는 성질이 있다.
또한, 상기 부산물 비료는 부숙겨, 재, 분뇨 잔사, 부엽토, 부숙왕겨, 톱밥 등이 예시될 수 있다.
유기질 비료는 상기 협의의 유기질 비료와 상기 부산물 비료를 포괄적으로 포함한다.
유기질 비료는 종래 화학비료 및 농약의 과용에 따라 토양이 산성화하고 지력이 쇠퇴하는 심각한 문제가 발생하여 이를 개선하기 위한 방안으로서 대두되고 있으며, 유기질 비료의 대표적인 것으로서 퇴비를 들 수 있다. 이러한 퇴비를 포함한 유기질 비료를 사용할 경우 퇴비 중에 함유된 비료 성분의 효과와 더불어 유기물이 분해되어 부식 효과도 함께 발생할 수 있다. 퇴비 중에는 탄소, 질소, 인산 및 칼륨을 비롯한 작물의 생육에 필수적인 미량 원소들이 다량 함유되어 있으므로 이를 사용할 경우 미량 원소의 결핍에 따른 작물의 피해를 방지할 수 있으며 작물의 생육과 성장에 상당한 개선을 이룰 수 있다.
상기 유기질 비료를 사용할 경우에는 부족한 탄소를 공급할 수 있도록 탄소원을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 종래에는 탄소원으로서 톱밥이나 왕겨 등을 주로 사용하였으나 이들은 충분한 탄소 공급원으로서의 기능을 수행하지 못하는 한계가 있었다. 또한, 미생물 분해에 대한 저항성이 낮아 토양 내에서 유기물 상태로 존재하지 않아 실제 적용에 있어서는 충분한 탄소 공급원으로서의 기능을 수행하지 못하는 문제가 있었다.
이에 따라 해당 기술분야에 있어서는 미생물 분해에 대한 강한 저항성을 가지고 토양 내에서 분해되지 않고 존재함으로써 작물에의 탄소 공급원으로서 작용할 수 있는 제품에 대한 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
[관련 선행기술 문헌]
1. 대한민국 등록특허 제10-1638822호
2. 대한민국 공개특허 제10-2018-0054938호
3. 대한민국 공개특허 제10-2018-0001832호
4. 대한민국 등록특허 제10-1390454호
5. 대한민국 등록특허 제10-1897161호
6. 대한민국 등록특허 제10-1179661호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 바이오차를 이용해 토양 내에서 충분한 탄소 공급원으로서의 기능을 수행할 수 있는 동시에, 토양의 개량 효과(토양의 pH 및 EC를 상승) 및 농산물 수확량 증대와 함께 토양의 개량 효과에 있어서, 열처리된 천연 광물질들과 바이오차의 다공질 입자구조의 기공 형성에 의해 상호 침투 흡수되는 구조를 이용해 바이오차의 작용 속도를 늦추게 되어 장시간 그 효과를 발휘하도록 하고, 또한 농업 부산물을 이용하여 양질의 성분을 함유하고 식생에 의한 양분의 흡수가 원활하게 됨으로써 탄소 공급원으로서의 비료 효과를 극대화시킬 수 있는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법에 관한 기술을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 달성하기 위해 본 발명은
바이오매스를 250 내지 1000℃ 무산소에서 열분해 온도를 증가시킴에 따라 내부 구조가 안정한 형태인 방향족 구조로 재배열되어 얻어지는 바이오차 5 내지 50 중량%, 피트모스 5 내지 30 중량%, 코코피트 5 내지 30 중량%, 천연 광물질 1 내지 20 중량%, 질석 1 내지 20 중량%, 펄라이트 1 내지 20 중량% 및 수분이 제거된 커피 부산물 1~50 중량%를 포함하여 구성되는 분체 조성물과 상기 분체 조성물 100 중량부를 기준으로 습윤제, 바인더 및 pH 조절제를 포함하는 첨가제 0.1~20 중량부를 포함하는 혼합 조성물을 분체 상태로 사용하거나 진공 건조기로 건조, 혼합 및 파쇄하여 성형기로 입상화하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입상화하여 얻어지는 입상 성형물에 상기 분체 조성물 100 중량부를 기준으로 미생물 함유액 0.1 내지 10.0 중량부를 추가로 포함하여 얻어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 혼합 조성물에 상기 혼합 조성물 100 중량부를 기준으로 화학비료, 유기부산물 비료, 부식산, 아미노산 또는 그 혼합물로 이루어진 비료 성분 1~50 중량부가 추가로 포함되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 유기부산물 비료는 쌀겨, 패각류, 당밀, 왕겨, 축분 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 바이오차는 캐슈넛 바이오차, 목재 바이오차, 숯 및 탄화 왕겨 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 천연 광물질은, 토르마린, 귀양석, 제올라이트, 일라이트, 벤토나이트, 포졸란, 의왕석, 옥, 천기토, 운모, 감람석 및 목어석 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 미생물 함유액은 미생물 0.01~10 중량부 및 물 100 내지 200 중량부를 혼합한 혼합물을 사용하며, 상기 입상 성형물에 미생물 함유액을 표면 코팅함에 의해 얻어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물은, 열처리된 천연 광물질들과 바이오차의 다공질 입자구조의 기공 형성에 의해 상호 침투 흡수되는 구조를 이용해 바이오차의 작용 속도를 늦추게 되어 장시간 그 효과를 발휘하도록 할 수 있다.
또한, 특수 다공질 구조의 바이오차를 포함함으로써 미생물 분해에 대한 강한 저항성을 가지고 토양 내에서 분해되지 않고 존재함으로써 작물에의 탄소 공급원으로서 충분한 기능을 수행할 수 있다. 또한, 탄소공급원 안정적인 탄소 공급이 가능하도록 함으로써 병해에 대한 저항성을 강화하고 통기성을 향상시켜 유해균에 의한 피해를 줄이며, 특히 연작 피해를 감소시킴으로써 토양의 지력을 향상시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 바이오차 및 천연 광물질의 다공질 입자구조에 의해 유용 미생물이 포함되어 식물의 생장에 도움을 주고, 토양 내에서 유기물이 효과적으로 분해되도록 하여 환경오염을 최소화하며, 유익한 미생물이 살아 있어 식물의 뿌리와 줄기를 보호할 수 있는 효과가 우수하다.
또한, 화학비료 및 유기부산물 비료의 추가로 인해 토양내 양분 함량을 급격히 높이지 않으면서 원재료 내 중금속과 같은 유해성분량이 매우 낮고 토양내 유기물 함량을 증가시키며 발효 가스가 발생하지 않는 등 우수한 퇴비 효과 및 토양개량 효과를 가지며, 동시에 작물 생육에 필요한 초기 영양분을 공급할 수 있는 비료 효과가 우수하여 한 번의 시비로 3가지 기능을 동시에 부여할 수 있는 효과가 있다.
또한, 펠렛, 과립 등의 입상형으로 제조되므로 기존의 파우더상 개량제나 비료 등에 비하여 살포 편의성이 우수하고 기계를 이용한 작업이 용이하는 등의 편리성이 증대될 수 있다.
또한, 농업 부산물 등의 부산물을 이용하여 양질의 성분을 함유하고 식생에 의한 양분의 흡수가 원활하게 됨으로써 비료 효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세하게 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명에 따른 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물은 바이오차, 피트모스, 코코피트, 천연 광물질, 질석, 펄라이트 및 수분이 제거된 커피 부산물을 포함하여 구성되는 분체 조성물과 상기 분체 조성물 100 중량부를 기준으로 습윤제, 바인더 및 pH 조절제를 포함하는 첨가제 0.1~20 중량부를 포함하는 혼합 조성물을 그대로 사용하거나 진공 건조기로 건조, 혼합 및 파쇄하여 성형기로 입상화하여 얻어진다.
구체적으로, 상기 분체 조성물을 이루는 각 성분의 함량은 바이오차 5 내지 50 중량%, 피트모스 5 내지 30 중량%, 코코피트 5 내지 30 중량%, 천연 광물질 1 내지 20 중량%, 질석 1 내지 20 중량%, 펄라이트 1 내지 20 중량% 및 수분이 제거된 커피 부산물 1~50 중량부를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물에서 재배하기 위한 작물의 초기 양분 공급을 더욱 원활하게 하기 위하여 상기 혼합 조성물에 비료 성분 1~50 중량부가 추가로 포함될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 사용되는 각 성분에 관하여 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에서는 퇴비와 같은 유기물 효과를 나타내도록 하기 위해서 코코피트와 피트모스에 바이오차를 주 구성요소로 추가하여 사용한다.
바이오차를 제조하기 위한 바이오매스(biomass)에 대해서 살펴보면, 유기물체를 총칭하여 바이오매스라 하며 생물 현존량 또는 생물량으로 번역하며 지구상에 존재하는 유기물체의 전부를 의미한다. 바이오매스에는 목재, 초본, 수중식물, 동물, 물고기 등이 포함되며, 가장 다량 존재하는 것이 plant biomass인 "식물 바이오매스(PHYTOMASS)"에 해당한다.
바이오차는 바이오매스를 산소가 없는 환경에서 열분해를 통해 얻어지는 고체 물질로, 유기물의 열분해를 거치면서 넓은 표면적을 가지며, 표면 전하가 많아져서 원료물질인 유기물보다 흡착능력이 뛰어나고, 유기성 오염물질과 유기성 오염물질을 다양하게 흡착 가능하며, 토양의 비옥도를 높이고, 토양의 개량효과로 작물의 생산성을 증가시키며, 공기중의 온실가스를 흡착시키는 효과 등이 보고되어 오늘날 농업적 활용성이 높아지고 있다.
한편, 바이오차 생산 공정을 상세하게 설명하면, 바이오매스 원료 투입, 이물질 분리, 1차 파쇄, 입도 분리, 건조 및 탄화에 따른 바이오차 제조 과정을 거친다. 또한, 상기 건조 및 탄화 이후에 냉각시설에 의한 냉각 과정이 추가될 수 있고, 상기 탄화 과정에 의해 숯 타입의 바이오차 중간 가공물이 생성된 뒤, 냉각 과정이 수행되고, 혼련시설 및 용수 급여에 의한 반죽 형태로 형성한 뒤, 포장시설에 의한 가공에 의해 바이오차 제조 과정을 완료한다.
여기서, 바이오차 생산을 위해 유기성 물질인 바이오매스를 약 250 내지 1000℃ 무산소에서 열분해 온도를 증가시킴에 따라 내부 구조가 안정한 형태인 방향족 구조로 재배열되고, 표면적이 많이 증가하게 거대기공이 생성되도록 한다.
다음으로, 코코피트(cocopeat)는 열대지방(스리랑카, 인도, 인도네시아, 필리핀 등) 주요 수목인 야자수의 열매인 코코넛(coconut)에서 야자수유 및 야자섬유 등을 뽑고 난 부스러기 부산물을 자연 상태에서 부식시켰다가 규격화한 제품을 말한다.
본 발명에 사용되는 또 다른 성분인 피트모스(peat moss)는 약 3,000년 이전 늪지대의 수생식물, 갈대, 이끼 등의 식물이 높아진 지하수위에 의해 혐기 상태로 오랜 세월 동안 퇴적 침적된 유기물을 말한다. 피트모스는 다음과 같은 특징이 있다.
상기 피트모스는 캐나다 등 북미지역, 북유럽, 시베리아, 알라스카 등과 같이 한랭한 지역에서 주로 매장되어 있으며 주로 유기질 비료 및 상토 원재료로 많이 활용되고 있다.
본 발명에서 상기 바이오차는 캐슈넛 바이오차, 목재 바이오차, 숯 및 탄화 왕겨 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 바이오차를 형성할 수 있는 모든 재료를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 천연 광물질은 토르마린, 귀양석, 제올라이트, 일라이트, 벤토나이트, 포졸란, 의왕석, 옥, 천기토, 운모, 감람석, 목어석 중 적어도 하나 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
여기서, 본 발명에 적용되는 토르마린은 광물 중 유일하게 영구적인 전기적 특성을 가진 전기석이고, 보석의 일종으로 복잡한 구조 내 자연적인 원자들의 불규칙적인 흔들림으로 음이온이 발생하며, 본 발명에 적용되는 귀양석은 적색과 백색의 2종류가 있으며, 각각의 특징으로는, 백색은 원적외선 방사율이 광석 중에서 가장 높이 나타나고 있고, 적색은 음이온의 발생량이 대단히 높은 에너지를 가진 천연광석이다.
이에, 천연 광물질들은 원적외선, 음이온을 다량 방출함으로써, 공기 정화작용, 먼지제거 및 살균작용, 중금속제거, 탈취, 방균효과, 곰팡이 번식방지 등으로 인하여 수질정화 및 토양의 부패를 방지한다.
그리고, 본 발명에 적용되는 제올라이트(Zeolite)는, Na+, K+ 의 양이온이 풍부하여 높은 양이온 교환 능력으로 산성화된 토양을 중성으로 중화시키며, 작물에 유용한 원소들이 고루 들어 있고, 높은 흡착력으로 인해 비료의 성분을 충분히 흡착하고 서서히 작물에 나눠 줌으로써 비료의 유실을 방지하는 기능이 있다.
보다 구체적으로, 제올라이트는 대체로 나트륨, 칼륨 등의 알칼리 금속과 칼슘 등의 알칼리 토금속을 함유하고 있으며 물분자를 결정수의 형태로 함유한 함수 규산염광물을 말한다. 제올라이트는 2~10Å 크기의 공동(surface pore)으로 연결되어 있는 특이한 세공구조를 가지고 있으며 현재 약 46종의 천연 제올라이트와 200 여종의 합성 제올라이트가 있다. 미세한 세공 구조와 (Si, Al)O4 사면체 내에서 Si4의 일부가 Al3 로 치환됨으로써 발생하는 전하 결손을 보상하기 위해서 양이온들이 구조 내로 들어오기 쉬워 보수 능력이 우수하고 200~400meq/100g 에 달하는 치환성 양이온능력(CEC)이 우수하다.
본 발명에 적용되는 일라이트는 물속의 부유물질을 흡착하고, 음이온을 띠기 때문에 양이온의 부유 미립자와 전기적인 중화로 응집 침전을 유발하며, 용존산소를 발산하여 물 분자를 활성화함으로써 물을 깨끗하게 하며, 물, 토양 중의 각종 중금속 및 유독가스를 흡착 탈취 분해하고, 바이러스, 박테리아, 곰팡이 등의 정균 작용도 한다.
또한, 본 발명에 적용되는 벤토나이트는, 수분을 갖게 되면 전자와 분자 성분이 빠르게 변화하여 전하를 생성시켜 다공성의 스펀지처럼 팽창하게 되며, 다공성 스펀지 형태의 공간으로 이온이 독소를 끌어당김으로써, 이러한 능력이 독소, 불순물, 중금속과 다른 내부 오염물을 흡수하게 하여 수질을 정화한다.
한편, 본 발명에 적용되는 포졸란은, 친환경 소재의 광물로 대표적인 게르마늄 함량이 2.0ppm이며, 음이온, 원적외선 방사로 탈취효과, 항균,살균 및 곰팡이 제거효과가 있으며, 작물에 필요한 미네랄성분을 보강하고 오염된 토양을 활성화하고 개선하여 주며, 본 발명에 적용되는 의왕석은, 미네랄이 풍부한 광물이며 원적외선과 다량의 음이온을 방출하여, 방부작용, 정수작용, PH조절작용, 산화, 환원작용과 염소, 초산, 대장균, 일반세균등을 흡착하여 청정한 물로 만들어 준다.
또한, 본 발명에 적용되는 옥은 연옥, 경옥 등이 있으며, 칼슘, 마그네슘을 함유하고 있고 그 성분 중에는 마그네슘이 40% 이상을 차지하고 있는데, 마그네슘은 엽록소의 구성물질로 되어있어, 옥에서 나오는 기 파동이 식물 세포에 골고루 침투하여 공명공진 작용을 함으로써 조직의 부활 및 생장을 촉진한다.
그리고, 본 발명에 적용되는 천기토는, 염기치환능력(CEC)이 30.70meq으로 각종 미네랄용출, pH조정, 산소증가 등 수질개선 및 탈취효과와, 미량요소인 미네랄, 칼슘 등으로 세포막 기능을 강화하며, 항생제작용 등을 하여 식물의 생장을 촉진시켜 생산성과 품질을 개선하는 효능이 있으며, 본 발명에 적용되는 '운모'는, 견운모, 황운모, 백운모, 흑운모 등이 있으며, 광물의 특성에 따라 수십여 종의 필수 미네랄과 미량원소 등을 풍부하게 함유하고 있고 원적외선과 음이온을 방출하여, 항균, 항곰팡이 작용과 악취제거 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명에 적용되는 감람석은, 일반광석에 비해 3~4배의 원적외선을 방사하며, 음이온 방출이 높고 살균과 수질정화능력이 뛰어나고, 물분자 구조를 육각수 형태로 재배열하여 물 구조가 안정될 뿐 아니라 산소량이 증가되어 식물의 뿌리 활성화에 도움을 주며, 본 발명에 적용되는 목어석(목문석)은, 수종의 미량원소를 함유하고 있고 물에 대해 신선도유지, 자기화 및 소독작용이 있으며, 목어석을 물에 반 시간만 담가 두면 일반 물이 양질의 광천수로 변하므로 수질정화에 탁월한 효능이 있다.
이에. 상기 천연 광물질들은 식물생장에 필요한 미량요소들을 함유하고 있으며, 다량의 음이온, 원적외선 방사로 공기정화, 오염방지, 각종 중금속 및 유독가스를 흡착 탈취 분해하고 수질을 정화하는 기능이 있다.
한편, 천연 광물질들은 입자 크기를 700 내지 1000 메쉬로 분쇄한 후, 소정비율로 혼합하고 예를 들어 약 300 내지 1000℃로 열처리하여 세균 및 바이러스 등을 소멸시키는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 열처리된 천연 광물질들은 독특한 다공질 입자구조의 기공을 형성하고 있으며, 천연 광물질의 기공 속에 바이오차를 침투시켜 흡수하게 되면, 바이오차의 작용 속도를 늦추게 되어 장시간 그 효과를 발휘하는 하는 이점이 있다.
다음으로, 펄라이트는 유문암질 암석의 일종으로 진주광택을 가진 연회색에서 암회색, 갈색, 녹색, 검은색을 띠는 진주암을 예를 들어 약 870 ~ 1100℃ 정도에서 결합수가 증발하면서 생기는 증발 압력으로 10 ~ 20배 정도 팽창시켜 제조한다. 펄라이트는 공기 공급을 원활히 하기 때문에 배수가 불량한 토양에 주로 사용한다.
질석은 일반적으로 운모와 같은 결정구조를 가지는 단사정계에 속하는 광물로 버미큘레이트(vermiculate) 라고도 한다. 산에 쉽게 분해되고 양이온 교환능력이 크며 흡습수와 중간수 및 결정수의 3가지 수분을 함유하고 있어 약 1000℃ 내외로 가열하면 질석 결정 속에서 발생하는 상기 수분이 증기로 변하며 압력때문에 질석 내의 다공질 구조가 부풀어 오르거나 분리되며 박리 팽창한다. 팽창은 8 - 20배 증가하나 개별 편들은 최대 30배까지도 팽창할 수 있다. 질석의 화학성분은 알루미늄/마그네슘/철의 수산화규산염으로 된 점토광물로 비중 2.76 정도이다. 사문암 지대에서 많이 출토되며 명칭은 가열했을 때 지렁이와 비슷하여 지렁이를 뜻하는 라틴어 vermiculate에서 유래하였다.
질석은 물리성과 화학성이 좋아 많은 분야에서 활용되고, 특히 흡수 능력이 좋아서 농업용 비료나 배양토의 원료로 쓰이고 있다. 또한, 질석은 내화성 및 흡수성, 탈취성과 항균성이 우수하고, 인체에 유익한 원적외선을 방출한다.
본 발명에서 상기 수분이 제거된 커피 부산물은 커피 원두에서 커피 성분을 추출하고 남은 커피 찌꺼기로서, 지방, 단백질 등을 함유하고 있어 비료의 성분을 보조 및 보완하는 기능을 한다. 이와 같은 커피 부산물은 건조 후 분쇄하여 분말로 형성하는 것이 바람직하며, 분체 성분에 포함된다.
본 발명에서 상기 미생물 함유액은 미생물 0.01~10 중량부 및 물 100 내지 200 중량부를 혼합한 혼합물을 사용하며, 상기 미생물은 유용 미생물을 포괄적으로 함유할 수 있다.
본 발명에서 상기 미생물 함유액은 상기 얻어지는 입상 성형물에 미생물 함유액을 표면 코팅하게 되는데, 스프레이법을 이용하거나 함침법을 이용하여 입상 성형물 표면에 코팅할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 습윤제는 토양 주변의 모관수를 흡수하여 식물의 뿌리에 수분을 공급하며, 토양수분의 증발을 최소화하는 목적으로 포함될 수 있다.
상기 습윤제의 구체적인 예로는 바인더, 식물산염 및 폴리올을 포함할 수 있으며, 바인더는 상기 토양개선용 조성물의 점도를 적절하게 조절하여 토양수분의 증발을 최소화하기 위해 포함될 수 있다. 본 발명의 일실시예로, 바인더로는 전분(starch), 아라비노키시란(arabinoxylan), 펙틴, 글리코겐, 셀룰로오스, 밀가루, 덱스트린 및 키틴 등을 사용할 수 있다. 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.
이러한 성분을 포함시 토양 내에서 자연분해되어 환경을 오염시키지 않으면서 효과적으로 습윤 효과를 가져 가뭄피해예방 및 관수 주기를 절감할 수 있다.
다음으로, 식물산염은 습윤제의 습윤효과를 더욱 증가시키기 위해 포함될 수 있으며, 알파-하이드록시프로피온산(a-hydroxypropionic acid)의 나트륨염 및 칼륨염 중에서 하나 이상 포함하는 할 수 있다. 이런 식물산염을 사용시 상기 습윤제의 습윤효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 마지막으로, 폴리올은 조성물의 습윤성을 위해 포함될 수 있으며, 폴리올은 글리콜, 글리세롤, 아라비톨, 자일리톨, 에리트리톨, 말티톨, 리비톨, 라시톨 및 소르비톨 중에서 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 비료 성분은 바이오차 및 비료 양분 효과를 나타내도록 하기 위해서 화학 비료나 유기부산물 비료, 기타 부식산(휴믹, 펄빅 및 기타), 아미노산, 해조추출물 또는 그 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 화학 비료로는 규산질 비료, 규회석 비료, 광재 규산질, 패화석 비료, 소석회, 석회석, 석회 고토, 부산 소석회, 부산 석회, 석고 비료, 석회질 비료, 규조토, 구아노 및 혈분 등을 사용한다. 이 중 중요한 몇가지에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
석회질 비료는 토양 pH 개선 및 칼슘 성분이 많이 필요로 하는 전작 작물에 필요하고 규산질 비료는 pH 개선 및 규산 성분을 많이 필요로 하는 수도작 작물에 필요하다.
패화석 비료는 남해안 굴껍질을 소성 및 분쇄 가공한 비료로서 칼슘 성분뿐만 아니라 미량성분을 다량 함유하고 있어 토양개량뿐만 아니라 작물의 16대 영양소 중 공기와 물에서 오는 탄소, 수소, 산소를 제외한 13대 영양소 (N,P,K,Ca,Mg,S,B,Fe,Mn,Mo,Zn,Cu,Cl)를 대부분 공급할 수 있어 유기농 작물의 영양소 공급에 아주 우수한 효과를 발휘한다.
패화석 비료의 비료 양분으로 부족한 일반 농작물은 화학비료를 첨가하여 작물에 필요한 양분을 충분히 공급하면 된다.
상기 유기부산물 비료로는 쌀겨, 패각류, 당밀, 왕겨, 축분 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
구체적으로 유기질 비료는 진공발효 건조기로 건조, 파쇄 혼합하여 사용할 수 있고, 왕겨는 생왕겨를 팽연하여 사용할 수 있다. 이러한 유기질 비료는 식물의 지지력을 강화하며 특히 육묘 기간이 오래 지속되는 경우 N, P, K 등 영양소의 공급원이 될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 pH조절제는 상기 혼합 조성물의 pH를 중성으로 조절하기 위해 사용된다.
즉, pH조절제는 혼합물의 pH를 중성 조건으로 되돌려서 최종 제조되는 토양 조성물의 pH를 중성에 가깝도록 하여 악취 발생, 악취 발생을 억제하기 위해 첨가된다.
본 발명의 다른 실시예로, pH(산도)를 식생의 요구 조건에 따라 차이가 있겠지만, 기본적으로 약산성에서 약알칼리성의 토양이면 입체 녹화시 유리한바, pH조절제는 혼합물의 pH 5.5 내지 8.0으로 기준을 충족할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로, pH조절제는 후술하는 각 제조예의 도표에 나타나는 pH 조건으로 조절하기 위해 사용된다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명에 따른 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 및 그 제조 방법에 관하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
[ 실시예 ]
제조예 1. 바이오차 성분을 많이 포함시킨 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물
바이오차 120kg, 분쇄된 코코피트 150kg, 해면된 피트모스 112kg을 혼합기로 송부하고, 혼합된 천연 광물질 76kg, 질석 37kg, 펄라이트 72kg, 수분을 제거하여 건조된 커피 부산물 5 kg를 계량하여 분체 조성물을 얻고, 여기에 습윤제 0.62kg, 비료성분 0.5kg 및 pH조절제 0.2kg를 혼합하여 혼합 조성물을 얻은 다음, 이를 진공 건조기로 건조하고 혼합 및 파쇄하여 성형기를 이용하여 적당한 직경을 갖는 과립 형상으로 입상화하였다.
이렇게 얻어진 과립에 미생물 함유액 7kg을 스프레이하여 원하는 형상의 입상형 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 제조하였다.
제조예 2. Si 성분을 많이 필요로 하는 화본과 작물용 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물
상기 제조예 1과 동일한 방법에 규산질 비료 120kg 추가하여 규산질 성분을 필요로 하는 화본과 작물용 종합 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 제조하였다. 제조예 2에서 얻은 Si 성분을 많이 필요로 하는 화본과 작물용 종합 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 분석한 결과를 표 1에 나타내었다.
pH EC 유기물 (%) T-N (%) Av-P2O5 (%) SiO2 (%)
8.42 1.53 28.5 0.32 0.15 25.0
제조예 3. 칼슘(Ca) 성분을 필요로 하는 밭 작물용 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물
상기 제조예 1과 동일한 방법으로 규산질비료를 대신하여 소석회 120kg을 투입하여 칼슘 성분을 필요로 하는 밭 작물용 종합 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 제조하였다. 제조예 3에서 얻은 칼슘 성분을 많이 필요로 하는 밭 작물용 종합 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 분석한 결과를 표 2에 나타내었다.
pH EC 유기물 (%) T-N (%) Av-P2O5 (%) CaO (%)
8.2 1.9 27.1 0.32 0.14 18.45
시험예 1. 바이오차 성분을 많이 포함시킨 종합 토양 조성물 제조
본 발명의 시제품이 시판중인 토양 개량제의 효과와 유사한 효과가 있는지를 파악하기 위해 상기 제조예 1의 방법으로 제조한 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 배추 육묘 상자(120cm(length)X60cm(wide)X9cm(depth))에 가득 채우고 배추를 2018년 2월 10일에 이식하여 재배하여 2018년 7월 10일 생육효과를 점검하였다.
비교 시험예 1
시중 시판중인 바이오차가 포함되지 않은 N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 사용하여 시험예 1과 동일량, 동일 방법으로 육묘상 상토를 채취하여 건조 없이 측정한 결과 하기의 표 3과 같은 이화학적 분석결과를 얻었다. 여기서 N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물은 피트모스 1 내지 70 중량%, 코코피트 1 내지 70 중량%, 천연광물질 1 내지 20 중량%, 질석 1 내지 10 중량%, 펄라이트 1 내지 20중량%, 그 밖의 습윤제, 화학비료, pH조절제 각각을 0.5 중량% 이내로 혼입하여 제조한다.
처리구 내 용 pH1:5 EC1:5(dS/m) 비 고
A N사 제품 5.98 0.09 분석방법 : 육묘상 상토를 채취하여 건조 없이 측정 함.
B 바이오차 30% 6.14 0.09
비교 시험예 2
시중 시판중인 바이오차가 포함되지 않은 N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 사용하여 시험예 1과 동일량, 동일 방법으로 배추 재배 시험을 실시하였다.
상기와 같은 방법으로 시험한 결과 배추 형성에 따른 중량 변화가 아래의 표 5와 같이 본 발명에 따른 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물이 타 비교 제품보다 월등하였으며 지상부 생육도 매우 우수하였다.
처리구 내 용 지상부 지하부 비 고
g/plant
A N사 제품 0.164 0.033 지상부 및 지하부 모두 월등한 생육
B 바이오차 중량 30% 0.267 0.043
비교 시험예 3
시중 시판중인 바이오차가 포함되지 않은 N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 사용하여 시험예 1과 동일량, 동일 방법으로 배추 재배 시험을 실시하였다.
상기와 같은 방법으로 시험한 결과 배추 형성에 따른 생육상태 조사결과가 아래의 표 5과 같이 본 발명에 따른 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물이 타 비교 제품보다 월등하게 우수하였다.
처리구 A B
N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물(33일) 바이오차 30 중량%(30일)
R1
Figure pat00001
Figure pat00002
R2
Figure pat00003
Figure pat00004
R3
Figure pat00005
Figure pat00006
생육상태 : B > A
비교 시험예 4
시중 시판중인 바이오차가 포함되지 않은 N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 사용하여 시험예 1과 동일량, 동일 방법으로 배추 재배 시험을 실시하였다.
상기와 같은 방법으로 시험한 결과 배추 형성에 따른 뿌리 길이 조사결과가 아래의 표 6과 같이 본 발명에 따른 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물이 타 비교 제품보다 월등하게 우수하였다.
처리구 A B
N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물(33일) 바이오차 30 중량%(30일)
R1
Figure pat00007
Figure pat00008
R2
Figure pat00009
Figure pat00010
R3
Figure pat00011
Figure pat00012
평균 길이 : 6.2cm 평균 길이 : 9.4cm
시험예 2. Si 성분을 많이 필요로 하는 화본과 작물용 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물
본 발명의 시제품이 시판중인 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 효과와 유사한 효과가 있는지를 파악하기 위해 제조예 2의 방법으로 제조한 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 벼 육묘 묘 상자(60cm(length)X30cm(wide)X3cm(depth))에 가득 채우고 잔디를 2018년 2월 10일에 이식하여 재배하여 2018년 7월 10일 생육효과를 점검하였다.
비교 시험예 2-1
상술한 제조예 1의 바이오차 성분을 많이 포함시킨 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 사용하여 시험예 2와 동일량, 동일 방법으로 잔디 재배 시험을 실시하였다.
비교 시험예 2-2
시판중인 N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 사용하여 시험예 2와 동일량, 동일 방법으로 잔디 재배 시험을 실시하였다.
상기와 같은 방법으로 시험한 결과 잔디 뿌리 형성이 본 발명에 따른 Si 성분을 많이 필요로 하는 화본과 작물용 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물이 타 비교 제품보다 월등하였으며 지상부 생육도 매우 우수하였다. 다음 표 7은 시험예 2 및 비교 시험예 2-1, 2-2에 따른 잔디 생육을 조사한 결과이다.
구분 엽색도(SPAD) 지상부 생체중(g) 지상부 건물중(g) 초장(cm) 비고
시험예 2 28.5 77 42 192 시험예 2가 가장 생육 우수
비교 시험예 2-1 27.9 71 38 181
비교 시험예 2-2 27.5 60 24 165
시험예 3. 칼슘(Ca) 성분을 필요로 하는 밭 작물용 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물
상기 제조예 3과 동일하게 제조한 입상형 토양 개량제 및 비료 조성물을 돌산갓(늦둥이) 육묘 상자(120cm(length)X60cm(wide)X9cm(depth))에 가득 채우고 돌산갓(늦둥이) 묘종을 2018년 2월 10일에 정식하였고 화학비료 처리 및 생육관리는 농촌진흥청 표준 재배법에 따라 작물 재배 시험을 실시하여 6월 17일에 최종 수확하여 시험 종료하였다.
비교 시험예 3-1
상술한 제조예 1의 바이오차 성분을 많이 포함시킨 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 사용하여 시험예 3과 동일량, 동일 방법으로 돌산갓(늦둥이) 재배 시험을 실시하였다.
비교 시험예 3-2
시판중인 N사 제품 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물을 사용하여 시험예 3과 동일량, 동일 방법으로 돌산갓(늦둥이) 재배 시험을 실시하였다.
시험 결과 표 8과 같이 본 발명의 칼슘(Ca) 성분을 필요로 하는 밭 작물용 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물 제품이 비교 시제품보다 생육이 월등히 우수하였으며 본 발명의 조성물이 퇴비 대용으로도 충분한 효과가 있음을 입증하였다.
구분 토양중 유기물함량(%) 엽색도
(SPAD)		 초장
(cm)		 평균 생체중(g/ea)
재배전 수확후
시험예 3 2.5 4.2 48.32 41.0 429
비교 시험예 3-1 2.4 3.7 47.12 38.6 418
비교 시험예 3-2 2.1 2.7 43.16 35.1 326
또한, 본 발명에서는 바이오차 시용량을 달리하였을 때 유기농 김장배추와 감자의 생육 및 수량에 미치는 영향을 검토하였다.
바이오차 처리효과는 작물의 종류에 따라 차이가 있었으며, 김장배추에서는 무처리에 비하여 생육과 수량에 차이가 없었으나 감자재배에서는 생육과 수량에 뚜렷한 차이를 나타내었다. 배추의 초장이나 직경은 바이오차를 증가시켜도 유의적인 차이가 없었으나 수량에서 유박을 함께 시용할 경우 효과가 있었다.
그러나 김장배추와는 달리 감자재배시 바이오차 시용 효과(trial effect)는 지상부 생육량, 포기당 감자 개수 및 수량에서 유의적으로 증가하여 뚜렷한 차이를 나타내었다. 감자의 초장, 줄기직경, 엽록소 함량은 바이오차의 시용효과가 인정되지 않았으며, 유박을 추가할 경우 다소 초장이 길어졌다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때 바이오차의 시용 효과는 엽채류 보다는 덩이줄기 등 근채류 작물에서 효과가 높을 것으로 생각된다. 또한 바이오차 시용량은 150kg 이상을 시용하고, 단독으로 사용하기보다는 질소성분이 높은 유박과 혼합하여 사용하는 것이 더욱 효과적이라는 결과를 도출할 수 있었다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (7)

  1. 바이오매스를 250 내지 1000℃ 무산소에서 열분해 온도를 증가시킴에 따라 내부 구조가 안정한 형태인 방향족 구조로 재배열되어 얻어지는 바이오차 5 내지 50 중량%, 피트모스 5 내지 30 중량%, 코코피트 5 내지 30 중량%, 천연 광물질 1 내지 20 중량%, 질석 1 내지 20 중량%, 펄라이트 1 내지 20 중량% 및 수분이 제거된 커피 부산물 1~50 중량%를 포함하여 구성되는 분체 조성물과 상기 분체 조성물 100 중량부를 기준으로 습윤제, 바인더 및 pH 조절제를 포함하는 첨가제 0.1~20 중량부를 포함하는 혼합 조성물을 분체 상태로 사용하거나 진공 건조기로 건조, 혼합 및 파쇄하여 성형기로 입상화하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서 상기 입상화하여 얻어지는 입상 성형물에 상기 분체 조성물 100 중량부를 기준으로 미생물 함유액 0.1 내지 10.0 중량부를 추가로 포함하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 조성물에 상기 혼합 조성물 100 중량부를 기준으로 화학비료, 유기부산물 비료, 부식산, 아미노산 또는 그 혼합물로 이루어진 비료 성분 1~50 중량부가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유기부산물 비료는 쌀겨, 패각류, 당밀, 왕겨, 축분 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 바이오차는 캐슈넛 바이오차, 목재 바이오차, 숯 및 탄화 왕겨 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 천연 광물질은, 토르마린, 귀양석, 제올라이트, 일라이트, 벤토나이트, 포졸란, 의왕석, 옥, 천기토, 운모, 감람석 및 목어석 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 미생물 함유액은 미생물 0.01~10 중량부 및 물 100 내지 200 중량부를 혼합한 혼합물을 사용하며, 상기 입상 성형물에 미생물 함유액을 표면 코팅함에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 바이오차를 활용한 유기 탄소 비료 조성물.

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