KR20210088954A - 친환경 미량원소 액상비료 제조장치 - Google Patents

친환경 미량원소 액상비료 제조장치 Download PDF

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Abstract

천연 유황을 수용한 상태로 열처리하여 증기 기포를 생성하는 열처리 반응조와, 천연광석과 물이 혼합된 혼탁액이 수용되며 열처리 반응조에서 생성된 증기 기포를 공급받아 천연광석으로부터 천연의 무기질 성분(미네랄)을 용출시키는 미네랄 용출조와, 열처리 반응조에서 생성된 증기를 미네랄 용출조 내부의 하부로 기포화하여 공급하는 유황 증기 공급부 및 유황 증기 공급부를 통해 열처리 반응조에서 미네랄 용출조로 이송되는 유황 증기를 가열하는 이송 증기 가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 액상비료 제조장치가 개시된다.

Description

친환경 미량원소 액상비료 제조장치{AN APPARATUS FOR MANUFACTURING ECO-FRIENDLY TRACE-ELEMENT FERTILIZER}
본 발명은 액상비료 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 천연광석에 포함된 무기질의 미량영양소를 고효율로 이온 용출시킨 미량원소 액상비료를 제조하기 위한 친환경 미량원소 액상비료 제조장치에 관한 것이다.
토양에 대부분 알려진 작물의 영양소원들은 수십, 수백 종의 양이온과 음이온 또는 화합물 형태로 존재하고 있으며 주로 뿌리를 통해 흡수되고 있다.
식물생육에 반드시 필요한 영양소를 '필수영양소'라고 하는데 크게 6대(N, P, K, Ca, Mg, S)영양소와 미량영양소(Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, B, Cl)로 구분하고 있다.
하지만, 대한민국 토양은 약 55%가 화강암계인 석영, 장석, 백운모 등으로 이루어져 있어 무기질 영양소가 적은 산성토양이며, 토양의 주요 광물은 양분 보유력이 낮은 카올리나이트(Al2Si2O5(OH))라는 점토광물로 이루어져 있다.
일반적으로 토양 속에 존재하는 영양소는 눈, 비와 같은 기상 현상에 의한 용탈, 세탈 등으로 지하수 및 하천으로 유실될 뿐만 아니라 동일한 장소에서 연작할 경우 토양 속의 영양성분이 고갈되어 농작물의 수확량과 영양 함량은 점점 떨어지게 된다.
또한, 식물체가 요구하는 무기질 영양소의 양은 극히 미량이긴 하지만 어느 한 성분이라도 균형이 깨지거나 상당량 결핍되면 농작물의 생리장애 현상을 일으키고, 이러한 생리장애는 쉽게 회복되지 않아 결과적으로 농가에 식물 생장 저해에 따른 막대한 경제적 손실을 입힌다.
아래 표 1은 식물생장에 필요한 영상소를 분류해놓은 것이다.
구분 분류 원소 주요 흡수형태 주요기능
무
기
성		 다량
영양소		 1차
영양소		 N NO3 －, NH4 + 아미노산, 단백질, 핵산, 효소 등의 구성요소
P H2PO4 -, HPO4 2- 에너지 저장과 공급(ATP 반응의 핵심)
K K+ 효소의 형태유지 및 기공의 개폐조절
2차
영양소		 Ca Ca2+ 세포벽 중엽층의 구성요소
Mg Mg2+ 엽록소 분자구성
S SO4 2-, SO2 황함유 아미노산 구성요소
미량
영양소		 Fe Fe2+·Fe3+,chelate 시토크롬(cytochrome)의 구성요소, 광합성 작용의 전자전달
Cu Cu2+ ·chelate 산화효소의 구성요소
Zn Zn2+·chelate 알코올탈수소효소 구성요소
Mn Mn2+ 탈수소효소 및 카르보닐효소 구성요소
Mo MoO4 2-·chelate 질소환원효소 구성요소
B H3BO3 탄수화물 대사에 관여
Cl Cl- 광합성반응에서 산소 방출
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 토양 중에서 유실 및 고갈된 영양소를 인위적으로 보충하게 되는데 이러한 물질을 비료라고 일컫는다. 비료는 '식물에 영양을 주거나 식물의 재배를 돕기 위하여 흙에서 화학적 변화를 가져오게 하는 물질, 식물에 영양을 주는 물질, 그 밖에 농림축산식품부령으로 정하는 토양개량용 자재 등'으로 정의하고 있다(비료관리법 제2조).
근래 무기(화학)질 비료의 발달로 인해 농가에서는 논, 밭 또는 비닐하우스 등의 작물재배지에 일반적으로 무기(화학)질 비료를 이용하고 있다. 그러나 무기(화학)질 비료의 경우 속효성으로 단시간 내 농작물의 생산량을 증대시키는 장점이 있으나, 과다 사용은 토양의 산성화, 생리장해, 병충해 등을 심화시킬 수 있으며, 비료, 양분 등의 지나친 투입은 가스 발생 및 양분의 불균형을 초래하여 연작 장해를 일으킬 수 있다.
이러한 문제 해결을 위해 정부는 1997년 '친환경 농업육성정책'을 실시하여 친환경 비료의 사용을 권장하면서 무기(화학)질 비료의 사용량은 감소하고 반대로 친환경 유기질 비료의 사용량은 증가하는 추세에 이르렀다.
그러나 유기질 비료 제조회사는 주로 톱밥을 이용한 미발효 퇴비를 제조 판매하고 있으며, 상기 미발효 퇴비는 시비 후 발생되는 암모니아 등의 가스로 인해 많은 악취가 발생되고, 작물이 생장하지 못하는 문제점 등으로 인하여 농가에서는 상기 제조 판매되는 유기질 비료의 사용을 기피하는 사례가 발생되고 있다.
또한, 근래에 들어 축산분뇨에 연탄재, 톱밥 등을 혼합하고 발효하여 유기질 비료를 제조하여 판매하고 있으나, 상기 축산분뇨를 이용한 유기질 비료의 경우 살포시 악취가 발생되어 주변 민원을 유발하는 한편, 식물은 리비히의 최소량의 법칙에 의해 자신이 흡수할 수 있는 모든 원소 중에서 가장 소량의 원소를 기준으로 하여 여러 가지 원소들을 흡수하게 되는데, 유기질 비료는 무기질 영양성분을 거의 포함하고 있지 않기 때문에 식물생장에 필요한 각종 성분을 균형 있게 공급하는 데 한계가 있어 식물의 생장을 위해서는 유기 성분 이외에 무기질 영양소의 지속적인 주입이 필요하다.
현재 농업 및 원예 분야에서는 이러한 무기질 영양소를 효과적으로 제공할 수 있는 비료에 관한 연구가 널리 이루어지고 있으며, 상기와 같이 식물에 공급되기 위한 영양소는 6대(N, P, K, Ca, Mg, S)영양소와 미량영양소(Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, B, Cl)가 주로 이용되며, 6대 영양소는 단일염 형태로 토양에 뿌려주며, 미량영양소는 수용성 상태로 작물에 엽면시비로 사용하고 있다.
즉, 도 1을 참조하면, 6대 영양소 중 N, P, K는 작물의 생산성을 높이기 위해 중요한 영양소 이며, Ca, Mg, S는 품질, 광합성, 맛, 향을 높이는데 필요한 영양소로 활용이 된다. 미량영양소는 과일 모양, 크기, 신초를 높이는 데 활용이 되고 있다.
그런데 이러한 영양성분을 혼합하여 식물에 필요한 여러 가지 복합 미량영양소를 제조하는 데 있어 화학약품을 사용하는 경우 제조과정이 위험할 뿐만 아니라 친환경 농산물에 대한 선호도가 높은 소비자의 욕구를 만족시키기에 부족함이 있고, 미생물을 사용할 경우 제조시간이 길고 유기질 성분이 다량 함유되어 있어 장기적 사용은 환경적 측면에서 토양흡착 능력이 낮은 유기질의 유실로 시비효과의 지속성이 낮으며, 비소, 질산성 질소 등의 지하수 오염 및 인근 수질의 부영양화를 초래할 수 있다.
또한, 종래의 미량원소 비료는 N, P, K 등이 없고, 미량원소가 미량 함유되어 있으면서 4종복비와 비슷한 가격으로 유통되어 비료 가격의 혼란과 농가의 비료구입비 상승요인이 되고 있다. 이로 인해 대부분의 농가에서는 자급자족하여 비료를 생산하여 사용하는 실정인데, 제조방법이 매우 위험함은 물론, 영양성분 함량 보증이 어려워 과다 살포 및 연작 장애에 따른 피해 사례가 발생하고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0142444호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 천연광석으로부터 천연 유황 증기용출법을 이용하여 친환경 미량원소 액상비료를 제조할 수 있는 친환경 미량원소 액상비료 제조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 친환경 미량원소 액상비료 제조장치는, 천연 유황을 수용한 상태로 열처리하여 증기 기포를 생성하는 열처리 반응조; 천연광석과 물이 혼합된 혼탁액이 수용되며, 상기 열처리 반응조에서 생성된 증기 기포를 공급받아 상기 천연광석으로부터 천연의 무기질 성분(미네랄)을 용출시키는 미네랄 용출조; 상기 열처리 반응조에서 생성된 증기를 상기 미네랄 용출조 내부의 하부로 기포화하여 공급하는 유황 증기 공급부; 및 상기 유황 증기 공급부를 통해 상기 열처리 반응조에서 상기 미네랄 용출조로 이송되는 유황 증기를 가열하는 이송 증기 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 천연광석으로부터 미네랄 용출속도를 향상시켜서 친환경 미량원소 액상비료를 용이하게 제조할 수 있다.
여기서, 유황 증기 공급부는, 상기 열처리 반응조와 상기 미네랄 용출조를 연결하여, 상기 열처리 반응조의 유황 증기를 상기 미네랄 용출조로 공급하는 유황 증기 공급라인; 상기 미네랄 용출조 내부의 하부에 설치되어 상기 유황 증기 공급라인을 통해 공급되는 유황 증기를 상기 미네랄 용출조의 바닥을 향해 기포화하여 토출시키는 유황 증기 토출부;를 포함하는 것이 바람직하다.
이로써, 미네랄 용출조의 내부로 유황 증기가 미세 기포화 되도록 공급하여 미네랄 용출속도를 촉진시킬 수 있다.
또한, 상기 유황 증기 토출부는, 상기 미네랄 용출조 내부에 설치되어, 상기 미네랄 용출조의 바닥을 향해 유황 증기를 기포 형태로 노출하는 토출부재; 및 상기 유황 증기 공급라인을 상기 토출부재의 복수 위치로 연결하여 유황 증기를 분기하여 공급하는 분기라인;을 포함하고, 상기 토출부재의 하면에는 유황 증기가 압력에 의해 토출되는 닙이 형성되는 것이 좋다.
이로써, 미네랄 용출조 내부에서 유황 증기를 미세 기포화하여 효과적으로 공급할 수 있다.
또한, 상기 토출부재는 상기 유황 증기 공급라인을 중심으로 하여 폐루프 형상으로 형성되며, 상기 토출부재의 하면은 내측에서 외측으로 하향 경사지게 형성되어, 상기 하면의 상부 및 하부 테두리 각각에 상기 닙이 형성되는 것이 좋다.
이로써, 토출되는 유황 증기를 미네랄 용출조의 중심을 향하도록 하여 교반효과를 높일 수 있다.
또한, 상기 토출부재의 측면에는 상기 혼탁액과 상기 기포의 상승을 지연하면서 와류를 형성하도록 하는 메인 와류형성부가 형성되는 것이 좋다.
이로써, 유황 증기를 더욱 미세 기포화하여 미네랄 용출 효과를 높일 수 있다.
또한, 상기 미네랄 용출조의 내벽에는 상기 혼탁액과 상기 기포의 상승을 지연하면서 와류를 형성하도록 유도하는 서브 와류형성부가 설치되고, 상기 서브 와류형성부는, 상기 미네랄 용출조의 내벽에서 수평 방향으로 일정 간격으로 돌출되게 형성되는 바 형상의 제1리브, 상기 미네랄 용출조의 내벽에 나선 형상으로 돌출되는 제2리브, 상기 미네랄 용출조 내벽에 링 형상으로 돌출형성되는 제3리브 및 상기 미네랄 용출조의 내벽에 나선 형상으로 인입 형성되는 인입홈 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 토출되는 유황 증기와 혼탁액이 혼합된 상태에서 오랜 시간 머물면서 혼합되도록 하여 미네랄 용출효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 미네랄 용출조를 경유한 가스에 포함된 유황성분을 처리하는 잔류 유황 처리부를 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 상기 잔류 유황 처리부는, 가스 유입구와 가스 배출구를 가지며, 내부에 세정액이 수용되는 세정조; 상기 가스 유입구를 통해 유입된 가스를 상기 세정조 내부의 수중으로 배출시켜 기포를 발생시키는 기포 발생부재; 및 상기 세정조 내부의 상부에서 세정액을 분사하는 세정액 분사부;를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 잔류 유황성분을 세정한 세정수를 용출조의 원료수로 재이용할 수 있게 되어 폐수가 발생하지 않는 소위 폐수 무발생 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 미네랄 용출에 사용하고 남은 유황을 처리하여 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 토출부재에 마주하도록 설치되며, 구동시 상기 토출부재에서 토출되는 유황 증기와 상기 혼탁액을 함께 교반시키는 교반기를 더 포함하는 것이 좋다.
이로써, 혼탁액과 유황 증기를 효과적으로 혼합하여 천연광석 분말액으로부터 이온 용출속도를 촉진시킬 수 있도록 반응면적을 확대시킬 수 있고, 유황 증기의 상승속도를 지연시킬 수 있다.
본 발명의 친환경 미량원소 비료 제조장치에 따르면, 화학적 처리 약품을 사용하지 않고 천연광물에 포함되어 있는 식물생장에 필요한 미네랄 성분 즉, 미량원소를 효율적으로 용출시켜서 친환경 미량원소 액상비료를 용이하게 제조할 수 있게 된다.
특히, 유황 증기를 이용하여 천연광물 분말액에서 폭기시켜 용출효율을 향상시킬 수 있게 되어 단기간에 대량의 친환경 미량원소 액상비료를 제조할 수 있다. 따라서 저렴한 가격으로 친환경 미량원소 액상비료를 제조하여 보급할 수 있게 되어 농가 소득 증대는 물론, 작물을 더욱 효과적으로 재배할 수 있게 된다.
또한, 열처리 반응조에서 생성된 유황 증기를 미네랄 용출조로 공급하는 과정에서 온도를 가열하여 높여줌으로써, 유황 증기의 이동시 응결되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 미네랄 용출조 내에서 유황 증기를 토출하여 공급하되, 미네랄 용출조의 내부 바닥을 향하도록 토출시키고, 그 상부에서 구동하는 임펠러에 의해 와류를 형성하도록 함으로써, 토출된 유황 증기가 더욱 조밀하게 폭기 될 수 있다. 이로써, 천연광물과 유황 증기의 접촉 면적을 넓히고, 오랜 시간 유황 증기가 혼탁액 내에 어물도록 상승을 지연시킴으로써, 천연광물로부터 미네랄이 용출되는 시간을 연장하고, 촉진시켜서 단기간에 미량원소 생산량을 증대시킬 수 있다.
도 1은 영양소들의 기능과 역할을 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 미량원소 액상비료 제조장치를 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 토출부재를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 미네랄 용출조의 횡단면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.
도 6은 서브 와류형성부의 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 서브 와류형성부의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 7의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 9는 서브 와류형성부로서 나선형 홈을 나타내 보인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 친환경 미량원소 액상비료 제조장치를 자세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 미량원소 액상비료 제조장치는, 천연 유황을 수용한 상태로 열처리하여 증기 기포를 생성하는 열처리 반응조(100), 미네랄 용출조(200), 상기 열처리 반응조(100)에서 생성된 증기를 상기 미네랄 용출조(200) 내부의 하부로 기포화하여 공급하는 유황 증기 공급부(400), 상기 유황 증기 공급부(400)를 통해 상기 열처리 반응조(100)에서 상기 미네랄 용출조(200)로 이송되는 유황 증기를 가열하는 이송 증기 가열부(500) 및 잔류 유황 처리부(300)를 구비한다.
상기 열처리 반응조(100)는 에어 유입구(111)와 가스 배출구(113)를 가지는 반응조 본체(110), 상기 반응조 본체(110)를 가열하기 위한 히터(120), 상기 반응조 본체(110)의 상태를 모니터링하는 열처리 반응조 모니터링부(130)를 구비한다.
상기 반응조 본체(110)의 내부에는 천연 유황이 일정량 수용되며, 일측에 외부로부터 에어가 공급되는 에어 유입구(111)가 설치되고, 반응조 본체(110) 내부에서 생성된 유황 증기가 배출되는 가스 배출구(113)가 반응조 본체(110)의 상부에 설치된다. 에어 유입구(111)에는 체크 밸브(112)가 설치되어, 에어 유입량을 조절할 수 있다.
상기 히터(120)는 반응조 본체(110)의 하부 또는 외측에 설치되어, 반응조 본체(110)를 가열한다. 이러한 히터(120)는 히터 구동제어부(140)에 의해 온, 오프 구동 및 구동 온도가 제어된다. 상기 히터(120)는 반응조 본체(110)와 격리된 별도의 설치 공간에 배치될 수 있으며, 반응조 본체(110)의 하부 또는 외측을 감싸도록 설치되는 발열 코일을 포함할 수 있다.
상기 반응조 모니터링부(130)는 상기 에어 유입구(111)에 설치되어 에어 유입측의 압력을 측정하는 유입측 압력계(131)와, 반응조 본체(110) 내부의 압력을 측정하는 차압계(133)를 구비할 수 있다. 또한, 반응조 모니터링부(130)는 반응조 본체(110)의 온도를 측정하는 온도센서(135)를 더 포함할 수도 있다. 이와 같은 구성을 가지는 반응조 모니터링부(130)에서 획득된 모니터링 정보는 장치 제어부(600)로 전달되어 장치를 최적의 상태로 구동 제어할 수 있게 된다.
상기 미네랄 용출조(200)는 용출조 본체(210), 용출조 본체(210) 내부에 설치되는 교반기(220)를 구비한다.
상기 용출조 본체(210)의 내부에는 천연광석 분말과 물이 혼합된 혼탁액이 일정 수위 수용된다. 그리고 용출조 본체(210)에는 가스 배출구(213) 및 미네랄 수용액 배출구(215)가 설치된다.
상기 가스 배출구(213)는 용출조 본체(210)의 상부에 설치된다. 이 가스 배출구(213)를 통해서 용출조 본체(210)의 혼탁액에서 천연광물의 미네랄 용출에 사용되고 남은 유황 잔류물질을 포함하는 가스가 배출되어 후술할 세정조(310)로 공급된다. 이를 위해서 가스 배출구(213)는 용출조 본체(210) 내의 혼탁액의 수위보다 높은 위치에 설치된다.
상기 미네랄 수용액 배출구(215)는 용출조 본체(210)의 하부에 설치된다. 이 미네랄 수용액 배출구(215)를 통해서 천연광물에서 용출된 미량원소 즉, 미네랄이 수용된 수용액을 비료로 사용할 수 있도록 배출시킬 수 있다. 상기 미네랄 수용액 배출구(215) 측에는 필터(240)가 설치되어 천연광물 분말 입자와 불순물을 걸러내고, 미네랄 수용액만을 배출시켜서 미량원소 비료를 얻을 수 있다.
상기 교반기(220)는 용출조 본체(210)에 설치되어 혼탁액을 교반시킴으로써, 천연광물 분말 간의 물리적 충돌이 발생하도록 하여 입자 크기를 더욱 미립자가 되도록 하여 수중 이온 용출될 수 있는 반응면적을 확대시킴으로써, 용출속도를 촉진시킬 수 있다. 이로 인해 물만을 사용하는 종래의 방법에 비하여 단기간에 용출농도를 향상시킬 수 있다. 또한, 교반기(220)의 교반작용에 의해서 유황 증기의 기포를 폭기시켜서 수중 이온 용출 반응이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 교반기(220)는 용출조 본체(210) 내부에 회전 가능하게 설치되는 교반축(221)과, 교반축(221)에 설치되는 임펠러(223) 및 교반축(221)을 회전 구동시키도록 용출조 본체(210)의 외측에 설치되는 교반모터(225)를 구비한다.
바람직하게는 상기 교반모터(225)는 용출조 본체(210)의 상부에 설치되는 것이 좋다. 그리고 상기 임펠러(223)는 용출조 본체(210) 내부의 하부에 위치하도록 교반축(221)에 설치되며, 복수가 상하로 이격되어 배치될 수도 있다. 특히, 상기 임펠러(113)는 후술할 토출부재(420)에 마주하도록 그 상부에 배치됨으로써, 토출부재(420)에서 토출되는 유황 증기를 효과적으로 폭기시킴과 더불어 혼탁액과 교반하여 오랜 시간 반응하도록 유도할 수 있게 된다.
또한, 용출조 본체(210)에는 내부의 상태를 외부에서 확인할 수 있도록 확인창(미도시)이 더 설치될 수 있다.
또한, 용출조 본체(210)에는 후술할 세정조(310)에서 사용된 세정액을 재활용할 수 있도록 공급되는 세정액 공급구(217)가 더 구비되는 것이 좋다.
또한, 용출조 본체(210)에는 내부의 광물 혼탁액의 Ph 농도를 측정하기 위한 용출조 농도측정기(250)가 설치되어, 측정한 광물 혼탁액의 농도값을 장치 제어부(600)로 전달한다. 따라서 상기 용출조 농도측정기(250)에서 측정된 값이 기준값 이상이면, 미네랄 용출작업을 중지하고, 용출조 본체(210) 내의 미네랄 수용액을 미네랄 수용액 배출구(215)를 통해 배출하여 원하는 농도의 친환경 미량원소 비료를 획득(생산)할 수 있게 된다.
상기 유황 증기 공급부(400)는 열처리 반응조(100)와 미네랄 용출조(200)를 연결하여 상기 열처리 반응조(100)의 유황 증기를 미네랄 용출조로 공급하는 유황 증기 공급라인(410)과, 미네랄 용출조(200) 내부의 하부에 설치되어 유황 증기 공급라인(410)을 통해 공급되는 유황 증기를 미네랄 용출조(200)의 바닥을 향해 기포화하여 토출시키는 유황 증기 토출부(420)를 구비한다.
유황 증기 공급라인(410)은 일단이 열처리 반응조(100)의 상부의 가스 배출구(113)에 연결되고, 타단은 미네랄 용출조(200)의 하부에 연결되어 유황 증기를 미네랄 용출조(200) 내부에 설치되는 유황 증기 토출부(420)로 공급한다.
상기 유황 증기 토출부(420)는 미네랄 용출조(200) 내부에 설치되어 미네랄 용출조(200)의 바닥을 향해 유황 증기를 기포 형태로 토출하는 토출부재(421)와, 상기 유황 증기 공급라인(410)을 상기 토출부재(421)의 복수 위치로 연결하여 유황 증기를 분기하여 공급하는 분기라인(413)을 구비한다.
유황 증기 공급라인(410)의 하류단은 미네랄 용출조(200)의 하부벽을 통과하여 미네랄 용출조(200)의 바닥 중앙에서 소정 높이로 돌출 연장되게 설치된다. 이러한 유황 증기 공급라인(410)을 중심으로 토출부재(421)가 배치된다. 그리고 유황 증기 공급라인(410)의 하류단에서 방사상으로 분기되는 복수의 분기라인(423)을 통해 유황 증기가 토출부재(421)의 복수 위치로 균일하게 공급될 수 있다.
상기 토출부재(421)는 폐루프 형상을 가지는 것이 좋으며, 바람직하게는 원형의 링 구조 또는 각진 폐루프 구조를 가질 수 있다.
상기 토출부재(421)의 하면에는 유황 증기가 압력에 의해 토출되는 닙(N1, N2)이 형성되는 것이 좋다. 구체적으로 보면, 토출부재(421)의 하부벽(421a)은 내측에서 외측으로 하향 경사지게 형성되어, 상기 하부벽(421a)의 상단부 및 하단부의 테두리 각각에 상기 닙(N1, N2)이 형성된다. 이를 위해서 하부벽(421a)은 별도로 제작되어 토출부재(421)의 내측벽(421b)과 외측벽(421c)의 하단을 연결하도록 결합되며, 결합시의 미세한 공차에 의해 유황 증기가 노출되어 나올 수 있도록 닙(N1, N2)이 형성될 수 있다. 이처럼, 하부벽(421a)이 내측에서 외측으로 하향 경사지게 형성됨으로써 내측의 닙(N1)이 외측의 닙(N2)보다 높게 형성되며, 그 닙들(N1, N2)을 통해 배출되는 유황 증기는 토출부재(421)를 기준으로 하부방향의 내측, 즉 토출부재(421)의 중앙을 향하여 토출될 수 있게 된다. 따라서, 기포를 형성하면서 토출되는 유황 증기는 미네랄 용출조(200)의 내부 바닥을 향하되 토출부재(421)의 중심을 향하여 토출됨으로써, 상술한 임펠러(223)에 의한 와류 형성 구간으로 집중적으로 공급될 수 있고, 폭기 효과를 높일 수 있게 된다. 이처럼, 유황 증기의 토출 방향을 제어함으로써, 노출되는 유황 증기가 임펠러(223)에 의해 혼탁액과 혼합되는 효율을 높일 수 있게 되어 미네랄 용출량을 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 토출부재(421)의 측면에는 상기 혼탁액과 상기 기포의 상승을 지연하면서 와류를 형성하도록 하는 메인 와류형성부(430)가 형성되는 것이 좋다.
상기 메인 와류형성부(430)는 토출부재(421)의 내측벽(421b)의 외측에 일정 간격으로 돌출되게 형성되는 돌출 리보를 포함할 수 있다.
또한, 미네랄 용출조(200)의 내벽에는 상기 혼탁액과 상기 기포의 상승을 지연하면서 와류를 형성하도록 유도하는 서브 와류형성부(260)가 설치되는 것이 좋다. 상기 서브 와류 형성부(260)는, 상기 미네랄 용출조(200)의 내벽에서 수평 방향으로 일정 간격으로 돌출되게 형성되는 바 형상의 제1리브(261), 상기 미네랄 용출조(200)의 내벽에 나선 형상으로 돌출되는 제2리브(263;도 6 참조), 상기 미네랄 용출조 내벽에 링 형상으로 돌출형성되는 제3리브(265, 도 7 및 도 8 참조) 및 상기 미네랄 용출조의 내벽에 나선 형상으로 인입 형성되는 인입홈(267, 도 9 참조) 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 링 구조의 제3리브(266)는 상하로 일정 간격으로 복수 설치될 수 있으며, 바람직하게는 제3리브(265)의 내주에 돌기(265a)가 원주 방향으로 일정 간격으로 돌출되게 형성될 수도 있다.
이처럼 메인 와류 형성부(430)와 서브 와류 형성부(260)를 형성함으로써, 토출되어 공급되는 유황 증기가 혼탁액과 더욱 효과적으로 혼합되도록 하고, 상승 이동시간을 지연시킴으로써 천연광물로부터 미네랄이 용출될 수 있는 시간을 연장하여 미네랄 용출량을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 토출부재(421)에는 히터(425)가 더 설치되는 것이 좋다. 상기 히터(425)는 전원을 공급받아 구동시, 열을 가하는 열선이나 히터봉을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 토출부재(421)의 외측에 설치되는 것이 좋다. 이러한 히터는 토출부재(421)를 가열함으로써, 토출부재(421)를 통해 토출되기 전의 유황 증기를 가열하여 유황 증기가 증기 상태를 유지하면서 토출되도록 할 수 있다.
상기 이송 증기 가열부(500)는 열처리 반응조(100)에서 상기 미네랄 용출조(200)로 이송되는 유황 증기를 가열하여, 유황 증기가 증기 상태를 유지하도록 하여 미네랄 용출조(200) 내에서 토출될 수 있도록 하기 위한 것이다. 이러한 이송 증기 가열부(500)는 유황 증기 공급라인(410)을 따라 설치되는 가열 히터(510) 즉, 열선과, 열선(510)을 구동 제어하는 히터 제어부(520)를 구비할 수 있다. 상기 열선(510)은 유황 증기 공급라인(410)을 감싸도록 외측에 설치되며, 구동시 열을 발생하여 유황 증기 공급라인(410)을 가열함으로써, 유황 증기 공급라인(410)을 통해 이동하는 유황 증기가 일정 온도 이상을 유지하도록 한다. 여기서, 상기 이송 증기 가열부(500)의 가열히터(510)는 열선 이외에도 다양한 구성이 가능하며, 특정한 구성에 한정되는 것은 아니다.
상기 잔류 유황 처리부(300)는 상기 미네랄 용출조(200)를 경유한 가스에 포함된 잔류 유황성분을 처리하기 위한 것이다. 이러한 잔류 유황 처리부(300)는 가스 유입구(311)와 가스 배출구(313)를 가지며 내부에 세정액이 수용되는 세정조(310)와, 가스 유입구(311)를 통해 유입된 가스를 세정조(310) 내부의 수중으로 배출시켜 기포를 발생시키는 기포 발생부재(320) 및 세정조(310) 내부의 상부에서 세정액을 분사하는 세정액 분사부(330)를 구비한다.
상기 세정조(310)에는 물이 일정 수위로 수용된다. 세정조(310)의 가스 유입구(311)는 용출조 본체(210)의 가스 배출구(213)와 사용가스 이송라인(340)을 통해 연결되어, 용출조 본체(210)에서 사용된 유황 잔류가스가 세정조(310) 내부로 유입되도록 한다. 사용가스 이송라인(340)에는 역류방지용 체크밸브(341)가 설치되는 것이 좋다. 가스 배출구(313)는 세정조(310)의 상부 즉, 물(세정액) 수위보다 높은 위치에 형성되어, 물을 통과하면서 유황 잔류물질이 처리된 처리가스가 배출된다.
상기 기포 발생부재(320)는 세정조(310) 내의 세정액에 잠기도록 하부에 설치되어 기포를 발생시키도록 다수의 가스 배출공을 가지는 기포 발생부(321)와, 기포 발생부(321)와 가스 유입구(311)를 연결하는 가스 공급라인(323)을 구비한다. 기포 발생부(321)는 세정액 내에 잠기도록 세정조(230) 내부의 바닥에 위치하도록 설치되며, 가스 공급라인(323)을 통해 공급된 가스를 폭기시켜서 배출되도록 함으로써, 세정액에 작은 기포들이 발생하면서 상승하도록 하여, 가스에 포함된 잔류 유황 물질이 세정액에 의해 처리되도록 한다.
상기 세정액 분사부(330)는 세정조(230)의 내부의 상부에서 세정액을 분사하는 세정액 분사부재(331)와, 세정조(310) 내의 세정액을 상기 세정액 분사노즐(331)로 공급하는 세정액 공급라인(333), 세정액 공급라인(333)에 설치되는 세정액 공급펌프(335)를 구비한다. 세정액 분사부재(331)는 복수의 분사노즐(331a)을 포함하여, 세정조(310) 내의 상부에서 하부로 세정액을 분사하여 분무 상태가 되도록 함으로써, 세정액을 기포 상태로 통과하여 나온 가스에 포함되는 유황 잔류물질을 추가로 세정하여 처리한다. 상기 세정액 공급라인(333)은 세정조(310)의 하부에 설치되는 세정액 배출구(315)와 상기 세정액 분사부재(331)를 연결한다.
또한, 상기 세정액 공급라인(333)에서 분기된 세정액 재활용라인(334)는 용출조 본체(210)의 세정액 공급부(217)에 연결되어 세정조(310)의 세정액을 용출조 본체(210)로 공급되어 재사용할 수 있다. 그리고 세정액 재활용라인(334)의 분기부에는 3웨이 밸브(336)가 설치되어 세정액의 공급 방향을 결정할 수 있다.
상기 구성에 의하면, 세정조(310) 내의 세정액의 농도 즉, 유황 잔류물질의 농도가 기준치 이상일 경우, 상기 재활용 라인(334)을 통해 용출조 본체(210)로 공급함으로써, 용출조 본체(210)에서 천연광물의 미네랄 용출 반응에 사용되도록 할 수 있다. 반대로 세정조(310) 내의 세정액의 농도가 기준치 미만이면, 세정액 분사부(330)를 이용하여 세정조(310) 내에서 유황 잔류물질을 처리하는데 사용할 수 있게 된다. 이를 위해서, 상기 세정조(310) 내의 환경을 모니터링하기 위한 세정조 모니터링부(350)를 더 구비하는 것이 좋다. 세정조 모니터링부(350)는 세정조(310) 내의 세정조의 Ph를 측정함으로써, 세정액의 잔류 유황의 농도값을 획득할 수 있으며, 이처럼 획득된 측정값은 장치 제어부(600)로 제공되다. 따라서 장치 제어부(600)는 세정액의 농도에 따라서 세정액에 잔류하는 잔류 유황의 처리공정을 제어할 수 있다.
또한, 세정조(310)의 가스 배출구(313)에는 압력 발생부(700)가 더 연결될 수 있다. 이러한 압력 발생부(700)는 세정조(310)의 가스 배출구(313)에 연결되는 압력 전달라인(710)과, 압력 전달라인(710)에 설치되는 펌프(720)를 구비한다. 압력 전달라인(710)에는 압력 트랩(730)과, 압력계(740)가 설치되는 것이 좋다. 상기 구성을 가지는 압력 발생부(700)는 장치 제어부(600)에 의해 구동 제어됨으로써, 세정조(310) 내의 가스압력을 조절하면서 처리가스를 배출할 수 있다.
상기 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 미량원소 비료 제조장치를 이용하여 친환경 미량원소를 제조하는 방법을 자세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 먼저 열처리 반응조(100)에서 천연 유황을 히터(120)로 가열하여 천연 유황 증기를 생성한다.
상기 열처리 반응조(100) 내에서 생성된 유황 증기는 유황 증기 공급라인(410)을 통해 미네랄 용출조(200)로 공급되어 광물 혼탁액이 폭기되어 유입된다. 이때, 토출부재(420)의 닙(N1,N2)을 통해 유황 증기가 토출되면서 폭기 효율이 향상될 수 있다. 또한, 유황 증기의 공급시 교반기(220)가 구동되도록 제어함으로써, 폭기되어 공급되는 유황 증기와 혼탁액이 더욱 효과적으로 혼합됨은 물론, 유황 증기의 상승을 지연시켜서 미네랄 용출량을 증대시킬 수 있다.
한편, 미네랄 용출조(200) 내에서 폭기된 유황 증기에 의해 천연광물 분말액은 pH가 대폭 낮아지면서 미네랄 용출이 촉진되고, 단기간에 대량의 미네랄을 용출시킬 수 있게 된다.
즉, 반응조(100)에서 생성된 유황 증기가 용출조(200)에서 물과 만나면서 천연광석 분말액(혼탁액)은 pH7에서 pH2로 내려가게 되고, 미네랄 용출을 촉진하게 된다. 또한, 교반기(230)의 교반작용에 의해 천연광석 분말 간 물리적 충돌에 의해서 입자의 크기가 더욱 미립자로 만들어지게 되어 수중 이온 용출될 수 있는 반응면적을 확대시켜 미네랄 용출속도를 촉진시킴으로써, 기존에 물만을 사용하여 용출시키는 것에 비하여 미네랄 용출속도를 대폭 단축시킬 수 있게 된다.
또한, 열처리 반응조(100)에서 생성된 유황 증기를 미네랄 용출조(200)로 공급하면서 유황 증기를 가열함으로써, 이동 중에 온도가 낮아져서 액화되는 것을 방지하여, 미네랄 용출조(200) 내부로 유황 증기를 효과적으로 공급할 수 있게 된다.
상기 미네랄 용출조(200)에서 천연 미네랄이 용출된 미네랄 수용액은 일정 농도 이상이 되면, 필터(240)를 통과시켜서 천연광물 분말을 걸러내고, 순수한 미네랄 수용액을 얻을 수 있게 된다. 이처럼 생성된 미네랄 수용액에는 천연광물로부터 용출된 다양한 미량원소가 포함되어 있어 친환경 미량원소 비료로 사용될 수 있게 된다. 특히, 종래의 화학적 방법이 아닌 친환경 원료인 천연광물과 물만을 통해 제조할 수 있게 된다.
한편, 상기 미네랄 용출조(200)에서 천연 미네랄 용출에 사용된 후에 공기 중에 잔류하는 유황 잔류성분은 이후의 처리 과정을 통해서 안전하게 처리된다. 즉, 앞서 설명한 세정조(310)를 통해 유황성분을 처리할 수 있으며, 이때 유황 잔류성분이 포함된 세정액(처리수)은 용출조(210)로 재공급하여 재사용될 수 있다.
또한, 친환경 미량원소 비료 제조장치의 용량과 사용빈도에 따라서 상기 세정조(310)를 복수 단계로 병렬 또는 직렬 설치하여 복수 회 반복하도록 구성하여 유황 잔류성분을 안전하게 처리하여 배출할 수 있다. 이 경우 상기 세정조(310)를 복수를 직렬 또는 병렬 연결하여 구성할 수 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 친환경 미량원소 비료 제조장치를 이용하여 천연광물로부터 미량원소를 용출해낸 실험예를 살펴보기로 한다.
실험예 실험조건 : 사용된 광석 분말은 천연 유황, 마그네시아석, 붕사석, 망가니즈석, 규회석, 고로슬래그를 사용하였으며, 물 200g에 광석 분말 5g(각 1g씩)을 혼합하고, 유황 6.5g을 100℃로 가열하여 증기화시켜 미네랄 반응조에서 폭기하면서 교반을 2시간 진행 후 ICP-OES로 측정하였다.
비교예 실험조건 : 실험계의 실험조건과 동일하고, 유황만을 사용하지 않고 2시간 에어로 폭기하고 교반한 후 ICP-OES로 측정하였다.
그 실험결과는 다음의 표 2와 같다.
성분 Mg(%) Mn(%) Fe(%) Ca(%) B(%)
실험예 0.34 1.13 0.22 0.34 0.63
비교예 0.09 0.01 0.09 0.04 0.06
상기 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 본원 발명에 의하면, 별도의 화학적 약품처리 없이 짧은 시간 내에 친환경 미량원소 액상비료를 대량으로 생산할 수 있게 된다. 따라서 저렴한 비용으로 안전하게 친환경 미량원소 액상비료를 제조하고 농가에 보급할 수 있게 되어 농가 작물 수확량을 늘리고, 재배 비용을 줄이면서도 소득을 증대시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100..열처리 반응조 110..반응조 본체
120..히터 130..반응조 모니터링부
140..히터 구동제어부 200..미네랄 용출조
210..용출조 본체 220..교반기
240..필터 250..용출조 농도측정기
260..서브 와류생성부 300..잔류 유황 처리부
310..세정조 320..기포 발생부재
330..세정액 분사부 340..세정조 모니터링부
400..유황 증기 공급부 410..유황 증기 공급라인
420..토출부재 430..메인 와류형성부
500..이송 가스 가열부 510..가열히터
520..히터 제어부 600..장치 제어부
700..압력 발생부 470..압력 전달라인
720..펌프

Claims (11)

  1. 천연 유황을 수용한 상태로 열처리하여 증기 기포를 생성하는 열처리 반응조;
    천연광석과 물이 혼합된 혼탁액이 수용되며, 상기 열처리 반응조에서 생성된 증기 기포를 공급받아 상기 천연광석으로부터 천연의 무기질 성분(미네랄)을 용출시키는 미네랄 용출조;
    상기 열처리 반응조에서 생성된 증기를 상기 미네랄 용출조 내부의 하부로 기포화하여 공급하는 유황 증기 공급부; 및
    상기 유황 증기 공급부를 통해 상기 열처리 반응조에서 상기 미네랄 용출조로 이송되는 유황 증기를 가열하는 이송 증기 가열부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 액상비료 제조장치.
  2. 제1항에 있어서, 유황 증기 공급부는,
    상기 열처리 반응조와 상기 미네랄 용출조를 연결하여, 상기 열처리 반응조의 유황 증기를 상기 미네랄 용출조로 공급하는 유황 증기 공급라인;
    상기 미네랄 용출조 내부의 하부에 설치되어 상기 유황 증기 공급라인을 통해 공급되는 유황 증기를 상기 미네랄 용출조의 바닥을 향해 기포화하여 토출시키는 유황 증기 토출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 액상비료 제조장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유황 증기 토출부는,
    상기 미네랄 용출조 내부에 설치되어, 상기 미네랄 용출조의 바닥을 향해 유황 증기를 기포 형태로 토출하는 토출부재; 및
    상기 유황 증기 공급라인을 상기 토출부재의 복수 위치로 연결하여 유황 증기를 분기하여 공급하는 분기라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 액상비료 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 토출부재의 하면에는 유황 증기가 압력에 의해 토출되는 닙이 형성되는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 액상비료 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 토출부재는 상기 유황 증기 공급라인을 중심으로 하여 폐루프 형상으로 형성되며,
    상기 토출부재의 하면은 내측에서 외측으로 하향 경사지게 형성되어, 상기 하면의 상부 및 하부 테두리 각각에 상기 닙이 형성되는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 제조장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토출부재의 측면에는 상기 혼탁액과 상기 기포의 상승을 지연하면서 와류를 형성하도록 하는 메인 와류형성부가 형성되는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 제조장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미네랄 용출조의 내벽에는 상기 혼탁액과 상기 기포의 상승을 지연하면서 와류를 형성하도록 유도하는 서브 와류형성부가 설치되는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 제조장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 서브 와류형성부는,
    상기 미네랄 용출조의 내벽에서 수평 방향으로 일정 간격으로 돌출되게 형성되는 바 형상의 제1리브, 상기 미네랄 용출조의 내벽에 나선 형상으로 돌출되는 제2리브, 상기 미네랄 용출조 내벽에 링 형상으로 돌출형성되는 제3리브 및 상기 미네랄 용출조의 내벽에 나선 형상으로 인입 형성되는 인입홈 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 제조장치.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미네랄 용출조를 경유한 가스에 포함된 유황성분을 처리하는 잔류 유황 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 제조장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 잔류 유황 처리부는,
    가스 유입구와 가스 배출구를 가지며, 내부에 세정액이 수용되는 세정조;
    상기 가스 유입구를 통해 유입된 가스를 상기 세정조 내부의 수중으로 배출시켜 기포를 발생시키는 기포 발생부재; 및
    상기 세정조 내부의 상부에서 세정액을 분사하는 세정액 분사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 미량원소 액상비료 제조장치.
  11. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토출부재에 마주하도록 설치되며, 구동시 상기 토출부재에서 토출되는 유황 증기와 상기 혼탁액을 함께 교반시키는 교반기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미량원소 액상비료 제조장치.
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