KR20230108544A - 비료 및 토양 개량제, 이를 포함하는 온실가스 저감용 친환경 비료 및 이를 이용한 온실가스 저감 농작물 재배를 위한 토양 개량 방법 - Google Patents
비료 및 토양 개량제, 이를 포함하는 온실가스 저감용 친환경 비료 및 이를 이용한 온실가스 저감 농작물 재배를 위한 토양 개량 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 온실가스 저감하는 농작물 재배가 가능토록 하는 비료 및 토양 개질제에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로 설명하면 시스-코어형 비료 및 토양 개질제, 이를 이용한 비료 및 이를 이용한 온실가스 저감 농작물 재배를 위한 토양 개량 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 칼슘 카바이드(calcium carbide, CaC2)를 포함하는 비료 및 토양 개량제, 이를 이용한 온실가스 저감용 친환경 비료 및 온실가스 저감을 위한 토양 개량 방법에 관한 것이다.
칼슘 카바이드(Calcium carbide, CaC2)는 아세틸렌(Acetylene, C2H2)의 전구체로서 물과 급격히 반응하며 아세틸렌을 형성하는 것으로 알려져 있다. 이 아세틸렌은 온실가스인 메탄(CH4)과 아산화질소(N2O)의 생성을 저해시키는 것으로 잘 알려져 있으나 칼슘 카바이드가 물과 반응하는 속도가 너무 빨라 토양에 직접 적용하는데 어려움이 있다.
이전 연구들에서는 칼슘 카바이드의 분해 속도를 완화시키기 위해 여러가지 코팅 물질(왁스, 에나멜페인트, 폴리에틸렌 등)들을 사용하여 온실가스 배출량을 저감한 사례들이 존재한다. 하지만 이 사례들에서는 칼슘 카바이드를 농경지에 따로 시비하기 때문에 추가의 노동력이 필요하다는 단점을 가지고 있다.
이러한 온실가스 저감 특성을 가지는 칼슘 카바이드로 토양을 개량하거나, 비료 조성물로 적용하는 새로운 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 칼슘 카바이드를 토양 개량제로서 또는 비료 조성물로 적용시, 칼슘 카바이드가 아세틸렌으로 화학적 변화되는 것을 적절한 속도로 화학적 변화가 되도록 조절할 수 있는 비료 및 토양 개량제, 이를 이용한 친환경 비료 조성 및 이를 이용한 토양 개량 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 비료 및/또는 토양 분말이며, 상기 코어는 칼슘 카바이드(CaC2) 분말을 포함하고, 상기 시스는 폴리머층을 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 비료 및/또는 토양 개량제를 포함하는 온실가스 저감용 친환경 비료에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 비료 및/또는 토양 개량제를 이용한 토양 개량 방법에 관한 것이다.
본 발명의 비료 및/또는 토양 개량제는 칼슘 카바이드 외부에 폴리머층을 도입함으로서, 폴리머층이 칼슘 카바이드가 물과의 접촉을 막아 급격하게 아세틸렌으로 전환되는 것을 방지하고, 토양 내에서 폴리머층 안으로 서서히 물이 침투함으로써, 칼슘바이드가 아세틸렌으로 서서히 전환되도록 속도 조절함으로써, 농작물 재배시 토양 내에서 발생하는 온실 가스 저감 효과의 지속성을 확보할 수 있다. 또한, 본 발명의 비료 및/또는 토양 개량제는 구형의 분말 타입으로서, 보관성 및 사용성이 좋으며, 폴리머층으로 코팅되어 있어서 내습성이 우수하여 저장 안정성 또한 우수하다.
이하, 본 발명의 비료 및 토양 개량제에 대해 더 자세하게 설명한다.
본 발명의 비료 및 토양 개량제는 시스-코어(sheath-core)형 분말이며, 상기 코어는 칼슘 카바이드(CaC2) 분말을 포함한다.
이때, 상기 칼슘 카바이드 분말은 평균입경 0.5 ~ 5.0 mm, 바람직하게는 2.0 ~ 4.0 mm인 것이 좋으며, 칼슘 카바이드 분말의 입경이 0.5 mm 미만이면 너무 작아서 칼슘 카바이드 외부 표면에 코팅시 서로 뭉쳐서 추후 이를 분리하기 어려운 문제가 있을 수 있고, 5.0 mm를 초과하면 토양에 적용시 기존 비료와의 혼화성이 떨어지는 문제가 있을 수 있으므로 상기 범위의 크기를 가지는 것이 좋다.
그리고, 상기 시스는 폴리머를 포함하는 코팅층(고분자, 난분해성, 또는 생분해성 폴리머층)이며, 단층 구조의 폴리머층일 수 있으며, 또는 폴리머층이 2 ~ 5층으로 적층되어 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 폴리머층의 두께는 0.02 ~ 0.2 mm, 바람직하게는 0.02 ~ 0.1 mm인 것이 좋으며, 폴리머층의 두께가 0.02 mm 미만이면 너무 얇아서 코어를 구성하는 칼슘 카바이드가 물과 너무 빨리 접촉하여 화학적 변화가 너무 빨리 일어나는 문제가 있을 수 있고, 폴리머층의 두께가 0.2 mm를 초과하면 오히려 너무 두꺼워서 농작물 재배시 적정 시점에서 칼슘 카바이드가 아세틸렌으로 화학적 변화를 하지 못해서 온실 가스 저감 효과가 떨어지는 문제가 있을 수 있으므로, 폴리머층이 상기 범위 내의 두께를 가지도록 형성시키는 것이 좋다.
상기 폴리머층은 토양 산성화, 야기하지 않는 소재이면서 비료 코팅의 성질을 가지는 소재라면 제한없이 사용할 수 있으며, 바람직하게는 셀룰로오스 아세테이트 및 아세톤을 포함하는 폴리머 용액으로 코팅시킨 코팅층; 천연 밀랍 및 인공 밀랍을 포함하는 혼합물로 코팅시킨 코팅층; 완효성 비료에 사용되는, 키토산, 페인트류, 폴리우레탄, 폴리비닐계 화합물, 폴리아마이드계 화합물, 올레핀 중합체, 생분해성 폴리머(Biodegradable polymer) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 혼합물로 코팅시킨 코팅층; 또는 외부 표면이 글루타르알데하이드(glutaraldehyde)로 코팅된 PVA(polyvinyl alcohol) 캡슐층을 포함하는 코팅층;으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 폴리비닐계 화합물은 PVA(polyvinyl alcohol),PVC(Polyvinyl Chloride) 등을 포함할 수 있고, 상기 폴리아마이드계 화합물은 PA6(Nylon 6), PA16 등을 포함할 수 있으며, 상기 생분해성 폴리머는 PLA(poly lactic acid), PHA(poly hydroxyl alkanoate), PCL(polycaprolatone) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 비료 및 토양 개량제는, 다양한 방법으로 제조할 수 있으며, 이 중 하나의 방법은 다음과 같다(제법 1).
칼슘 카바이드를 폴리머 용액(생분해 및 난분해)에 침지하는 방법(침지법) 또는, 폴리머 용액을 칼슘 카바이드에 스프레이 도포시키는 방법(스프레이 코팅법)을 수행하여 시스-코어형의 구형을 제조할 수 있다.
제법 1에서, 상기 생분해성 폴리머 용액은 셀룰로오스 아세테이트를 아세톤에 용해시킨 용액으로서, 셀룰로오스 아세테이트 1.0 ~ 10.0 중량% 및 잔량의 아세톤을 포함할 수 있고, 바람직하게는 셀룰로오스 아세테이트 1.0 ~ 5.0중량% 및 잔량의 아세톤을 포함할 수 있다. 이때, 생분해성 폴리머 용액 내 셀룰로오스 아세테이트 함량이 1.0 중량% 미만이면 시스의 생분해성이 너무 빨리 발생하는 문제가 있을 수 있고, 셀룰로오스 아세테이트 함량이 10.0 중량%를 초과하면 생분해성 폴리머 용액의 점도가 너무 높아서 코팅성이 떨어지므로 상기 범위 내의 함량으로 셀룰로오스 아세테이트를 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 비료 및 토양 개량제는, 셀룰로오스 아세테이트 및 밀랍을 포함하는 혼합물을 열처리하여 상기 혼합물을 녹여서 이를 칼슘 카바이드를 코팅시켜서 칼슘 카바이드 외부에 코팅층을 형성시킬 수도 있다(제법 2).
상기 제법 1 및/또는 제법 2에서 상기 코팅층은 코팅 공정을 1회 수행하여 단층 구조의 코팅층으로 시스(sheath)를 형성할 수도 있으며, 2 ~ 5회 반복 수행하여 1층 내지 5층 구조의 코팅층으로 시스를 형성할 수도 있다.
또한, 본 발명의 비료 및 토양 개량제는, PVA(polyvinyl alcohol) 캡슐을 제조하는 1단계; 상기 PVA 캡슐에 칼슘 카바이드를 넣는 2단계; 및 칼슘 카바이드가 내재된 PVA 캡슐 외부 표면을 글루타르알데하이드로 코팅시키는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하여 제조(제법 3)함으로써, 외부 표면이 글루타르알데하이드(glutaraldehyde)로 코팅된 PVA(polyvinyl alcohol) 캡슐층을 포함하는 코팅층을 형성할 수도 있다.
3단계의 글리타르알데하이드의 코팅은 PVA 캡슐층을 고정시키는 역할을 한다.
이와 같은 방법(제법 1 ~ 제법 3)으로 제조된 본 발명의 비료 및 토양 개량제는 단독으로 사용할 수 있으며, 또는 다른 비료 성분들과 함께 사용하여 비료 조성물로도 사용할 수도 있다.
일례를 들면, 본 발명의 상기 비료 및 토양 개량제는, 생분해성 및 난분해성 폴리머(biodegradable and non- biodegradable polymer), 석고, 석회, 규산질 비료, 벤토나이트, 제올라이트, 돌로마이트, 복합비료 및 단일비료 중에서 선택된 1종 이상을 더 혼합하여 온실가스 저감용 비료를 제공할 수도 있다.
상기 생분해성 및 난분해성 폴리머는 셀룰로오스(cellulose) 유도체, 부식(humus) 침출액, 아미노산 발효 부산액(condensed molasses solubles) 및 아크릴(acryl)계 폴리머 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 비료 및 토양 개량제를 이용하여 온실가스 저감 농작물 재배를 위한 토양 개량 방법은, 비료 및 토양 개량제 내 칼슘 카바이드의 농도가 표토(15 cm 두께) 기준으로 1 ~ 10ppm이 되도록 토양과 배합하여 토양을 개량 처리할 수 있다.
예를 들면, 비료 및 토양 개량제를 농작물 재배 전에 농경지에 0.1 ~ 50 톤/헥타르(ton/ha)로 토양과 배합하여 처리할 수 있으며, 바람직하게는 농경지의 표토(15 cm 두께) 기준으로, 표토 1헥타르당 칼슘 카바이드가 2 ~ 20 kg이 되도록 토양의 표토에 배합 처리할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예]
실시예 1 : 비료 및 토양 개질제의 제조 1
(1) 폴리머 용액의 제조
셀룰로오스 아세테이트 2 중량% 및 100 중량% 중 나머지 잔량의 아세톤이 되도록 혼합 및 교반하여 생분해성 폴리머 용액을 준비하였다.
(2) 시스-코어형 분말 제조
평균입경 2 ~ 4 mm의 칼슘 카바이드 분말을 준비하였다.
다음으로, 상기 생분해성 폴리머 용액을 상기 칼슘 카바이드 분말을 스프레이 코팅시킨 후, 상온(25~30℃)`에서 건조하여 칼슘 카바이드 분말(코어) 및 상기 코어 외부에 생분해성 폴리머층(시스)이 형성된 시스-코어형 분말을 비료 및 토양 개질제로서 제조하였다.
이때, 상기 시스는 단층이고, 두께는 0.02mm 였다.
실시예 2 : 비료 및 토양 개질제의 제조 2
(1) 생분해성 혼합물의 제조
밀랍을 칼슘 카바이드와 1:1의 중량비율로 준비하고 이를 가열하여 칼슘 카바이드를 코팅할 수 있는 혼합물을 준비하였다.
(2) 시스-코어형 분말 제조
평균입경 2 ~ 4 mm의 칼슘 카바이드 분말을 준비하였다.
다음으로, 상기 혼합물을 100℃의 물로 중탕하여 녹인 다음, 상기 칼슘 카바이드 분말을 침지시킨 후, 이를 꺼낸 다음 상온에서 건조하여 칼슘 카바이드 분말(코어) 및 상기 코어 외부에 생분해성 폴리머 코팅층(시스)이 형성된 시스-코어형 분말을 비료 및 토양 개질제로서 제조하였다.
이때, 상기 시스는 단층이고, 두께는 0.03mm 였다.
실시예 3 : 비료 및 토양 개질제의 제조 3
(1) PVA(polyvinyl alcohol) 캡슐 제조
평균입경 18 mm인 PVA 캡슐을 준비하였다.
(2) 시스-코어형 분말 제조
평균입경 2 ~ 4 mm의 칼슘 카바이드 분말을 준비하였다.
칼슘 카바이드 분말을 제올라이트 분말과 1:9 비율로 혼합한 뒤, 상기 PVA 캡슐 하나당 150mg의 혼합물이 들어가도록 처리하였다.
다음으로, 칼슘 카바이드가 내재된 PVA 캡슐을 실시예 1의 폴리머 용액(2% 셀룰로오스 아세테이트)을 활용하여 코팅 및 건조하여 칼슘 카바이드(코어), PVA 캡슐층(시스) 및 상기 PVA 캡슐층 외부를 코팅시킨 고정층(시스) 형태의 시스-코어형 분말을 비료 및 토양 개질제로서 제조하였다.
실험예 1 : 생분해성 및 칼슘 카바이드 화학적 변환 지연 효과 측정
상기 실시예 1~2에서 제조한 비료 및 토양 개량제의 온실가스 메탄의 저감능을 측정하였다.
개질제의 시스(sheath)를 구성하는 생분해성 폴리머층의 생분해성은 실시예에서 제조한 개질제를 입경 2~3 mm인것 만을 선택하여 준비하였다.
벼 재배지 토양을 채취한 뒤 실시예 1~2의 개질제를 잘 혼합한 뒤 인큐베이션 용 플라스틱 통(500ml)에 넣어준 뒤 담수 조건에서 인큐베이션 테스트를 진행하였다. 이때, 혼합양은 표토 1 헥타르당 칼슘 카바이드가 9.75kg이 포함되도록 진행하였고, 담수 조건을 만들어 주기 위해서 증류수를 표토에서 3cm 높이까지 채워 주었다.
그리고, 50일 경과 시점까지 메탄 배출량을 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 1일 | 3일 | 8일 | 14일 | 21일 | 28일 | 35일 | 42일 | 50일 | |
| 무처리구 메탄배출량(g CH4 ha-1 day) | 148 | 698 | 1593 | 2477 | 2983 | 3408 | 1779 | 1447 | 789 | |
| 실시예 1 | 메탄발생량 (g CH4 ha-1 day) |
64 | 475 | 1003 | 431 | 528 | 621 | 577 | 394 | 315 |
| 메탄감축량(%) | 57 | 32 | 37 | 83 | 83 | 82 | 68 | 73 | 60 | |
| 실시예 2 | 메탄발생량 (g CH4 ha-1 day) |
43 | 365 | 621 | 376 | 372 | 410 | 445 | 462 | 174 |
| 메탄감축량(%) | 70 | 48 | 61 | 85 | 88 | 88 | 75 | 68 | 78 | |
| 실시예 3 | 메탄발생량 (g CH4 ha-1 day) |
38 | 325 | 508 | 324 | 349 | 401 | 415 | 440 | 190 |
| 메탄감축량(%) | 74 | 53 | 68 | 87 | 88 | 88 | 77 | 70 | 76 | |
상기 표 1의 메탄 발생량을 살펴보면, 그 결과 무처리의 메탄 배출량은 평균 1702.4g CH4 ha-1 DAY로 나타났으며, 실시예 1의 평균 메탄 배출량은 489.8g CH4 ha-1 DAY, 실시예 2의 평균 메탄 배출량은363.1gCH4 ha-1 DAY, 실시예 3의 평균 메탄 배출량은 332.2gCH4 ha-1 DAY인 것으로 측정되었다.
이를 통해 50일간 실시예 1은 평균 71.3%, 실시예 2는 평균 78.7%, 실시예 3은 80.5% 정도의 메탄 발생을 저감할 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 및 실험예를 통하여, 본 발명의 비료 및 토양 개질제는 시스에 생분해성 소재 도입을 통해서 칼슘 카바이드의 아세틸렌으로의 화학적 변환 속도를 적절하게 조절할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 본 발명을 이용하여 농작물 재배시, 온실가스 저감 시킬 수 있는 친환경 공법 및 친환경 비료을 제공할 수 있다.
Claims (5)
- 시스-코어(sheath-core)형 분말이며,
상기 코어는 평균입경 0.5 ~ 5.0 mm의 칼슘 카바이드(CaC2) 분말을 포함하고,
상기 시스는 1 ~ 5층의 폴리머층을 포함하는 것을 특징으로 하는 온실가스 저감용 비료 및 토양 개량제.
- 제1항에 있어서, 상기 폴리머층은,
셀룰로오스 아세테이트 및 아세톤을 포함하는 폴리머 용액으로 코팅시킨 코팅층;
천연 밀랍 및 인공 밀랍을 포함하는 혼합물로 코팅시킨 코팅층;
완효성 비료에 사용되는, 키토산, 페인트류, 폴리우레탄, 폴리비닐계 화합물, 폴리아마이드계 화합물, 올레핀 중합체, 생분해성 폴리머(Biodegradable polymer) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 혼합물로 코팅시킨 코팅층;
또는
외부 표면이 글루타르알데하이드(glutaraldehyde)로 코팅된 PVA(polyvinyl alcohol) 캡슐층을 포함하는 코팅층;으로 구성된 것을 특징으로 하는 비료 및 토양 개량제.
- 제1항 또는 제2항의 비료 및 토양 개량제를 포함하는 것을 특징으로 하는 온실가스 저감용 친환경 비료 조성물.
- 제3항에 있어서, 생분해성 및 난분해성 폴리머(biodegradable and non- biodegradable polymer), 석고, 석회, 규산질 비료, 벤토나이트, 제올라이트, 돌로마이트, 탈크, 왁스 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함하며,
상기 생분해성 및 난분해성 폴리머는 셀룰로오스(cellulose) 유도체, 부식(humus) 침출액, 아미노산 발효 부산액(condensed molasses solubles) 및 아크릴(acryl)계 폴리머 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 온실가스 저감용 친환경 비료 조성물.
- 제1항 또는 제2항의 비료 및 토양 개량제를 농작물 재배 전 농경지에 0.1 ~ 50 톤/헥타르(ton/ha)로 토양과 배합 처리하는 것을 특징으로 하는 온실가스 저감 농작물 재배를 위한 토양 개량 방법.
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