탈황공정석고 및 재생황산을 배합한 레드머드의 농업적 이용가능성 평가

Evaluation of Agricultural Feasibility of Red Mud with the Gypsum from Desulfurization Process and the Regenerated Sulfuric Acid

Article information

J Korean Soc Environ Eng. 2022;44(3):55-63
Publication date (electronic) : 2022 March 31
doi : https://doi.org/10.4491/KSEE.2022.44.3.55
Department of Environment and Energy Engineering, Chonnam National University, Republic of Korea
봉재은orcid_icon, 신동orcid_icon, 조영태orcid_icon, 박정훈,orcid_icon
전남대학교 환경에너지공학과
Corresponding author E-mail: parkjeo1@chonnam.ac.kr Tel: 062-530-1855 Fax: 062-530-1859
Received 2021 December 15; Revised 2022 February 8; Accepted 2022 February 21.

Abstract

목적

산업활동에서 발생한 부산물인 레드머드, 석유정제탈황석고, 재생황산을 이용하여 비료를 제조하였다. 제조한 비료의 화학성 및 비료 내 유해물질을 분석하여 적합성을 평가하였고, 상추 생육 실험을 통해 생육지표 조사 및 농업적 이용가능성을 판단하고자 한다.

방법

석고를 30 wt%, 50 wt%로 레드머드에 배합한 후, 재생황산을 이용하여 pH 6~7로 중화한 비료를 제조 (RMG30, RMG50)하고 화학성 및 중금속 함량 분석을 하였다. RMG30 및 RMG50을 각각 5~15% 혼합한 토양에서 상추생육을 통해 생육지표(발아율, 엽장, 엽폭 등)를 조사하고, 작물 생육을 위한 농업적 이용가능성을 판단하였다.

결과 및 토의

레드머드와 석고 혼합물은 목표한 pH 6~7 범위 내로 중화된 RMG30 및 RMG50가 제조되었다. 대조구 및 RMG30 및 RMG50을 혼합한 처리구 토양 내의 중금속 함량은 모두 토양오염우려기준(1지역) 이하였으며, 토양에 투입되는 비료량의 증가에 따라 토양의 pH와 EC가 상승하였다. 생육토양의 pH는 6.02~8.38으로 관찰되어, 무처리구를 포함한 대부분의 실험구에서는 생장에 영향을 받는 pH 범위(pH 5.5 이하, pH 8.0 이상)에 포함되지 않았다. 처리구 토양의 EC는 8.85~20.2 dS/m의 범위로 적정수준(2 dS/m 이하)을 초과하는 수치를 보였다. RMG50의 5%, 10% 처리구에서 일부 생육지수(엽장)가 무처리구의 생육지수보다 증진된 결과가 조사되었으며, RMG30 처리구보다 RMG50 처리구에서 더 높은 생육지표가 관찰되었다.

결론

RMG50을 생육하고자 하는 작물의 적정 EC 수준을 고려하여 사용한다면 농업적으로 이용가능 할 것으로 판단된다.

Trans Abstract

Objectives

Fertilizers were manufactured using red mud, petroleum refining desulfurized gypsum, and recycled sulfuric acid, which are byproducts generated from industrial activities. The chemical properties and heavy metals were analyzed for fertilizers feasibility evaluating, and growth indicators were investigated through lettuce growth experiments and the possibility of agricultural utilizing was determined.

Methods

After mixing gypsum with Red Mud at 30 wt% and 50 wt%, fertilizers neutralized at pH 6-7 using regenerated sulfuric acid (RMG30, RMG50) were prepared, and their chemical and heavy metal content were analyzed. In addition, growth indicators (e.g., germination rate, number of leaves, leaf length, leaf width, etc.) were investigated through lettuce growth in soil mixed with 5 to 15% of each fertilizer sample, and agricultural availability for crop growth was assessed.

Results and Discussion

Red mud and gypsum mixtures were neutralized by RMG30 and RMG50 within the pH range of 6-7. The contents of heavy metals in the soil of the control and the treatment mixed with RMG30 and RMG50 were all below the concern standards (1 area), and the pH and EC of the treatment soil increased as the amount of fertilizer was injected into the soil. The pH of the soil in growing lettuce was observed to be 6.02 to 8.38, and in most experimental districts, including control soil, it was not included in the growth-affected pH range (pH 5.5 or less, pH 8.0 or higher). The EC of the treatment soil was 8.85 to 20.2 dS/m. In 5% and 10% treatments of RMG50, some growth indices (leaf length) to be higher than those of untreated. And higher growth indicators were observed in RMG50 processing than in RMG30 processing.

Conclusion

There is no concern about soil pollution caused by heavy metals contained in fertilizers. It is judged that agricultural use will be possible if RMG50 is adjusted to the appropriate EC value of the crop to be grown or used in a salt tolerance crop.

1. 서 론

레드머드는 보크사이트를 이용한 알루미나 제조공정에서 발생하는 적색의 부산물로, 알루미나의 수요량 증가와 비례하게 부산물의 발생량이 증가하는 추세이다[1]. 발생한 레드머드의 대부분은 육상 매립으로 처리하며, 약 10% 정도가 재활용 되고 있다[1,2]. 레드머드는 건설, 건축 혹은 복토재, 자원회수, 중화처리제, 중금속 흡착 등으로 재활용 및 연구되고 있으며, 일부는 농업분야에서 토양개량제 등으로 연구되고 있다[1]. 레드머드를 밭 토양에 적용한다면 미량원소 Fe와 다량원소 Ca 를 공급할 수 있지만, 제련과정에서 사용되는 NaOH로 인한 강알칼리성(pH 11 이상) 및 Na 성분에 의해 작물의 염스트레스 및 양분흡수 저해 등이 발생한다[3].

한편, 석고를 토양에 적용할 경우에는 Ca과 S 등의 무기성분을 제공하게 된다[4]. 석고를 구성하고 있는 주요 성분인 Ca2+은 Na+와 이온 치환 반응을 통해 토양 내에 존재하는 Na의 비율을 감소 시킬 수 있다. Na+의 농도가 높은 토양에서는 점토의 분산 및 토양 공극 감소로 인한 토양으로의 공기 및 수분 공급의 문제가 발생한다[4]. 하지만, 탈황석고를 혼합함으로써 레드머드의 Na 성분 비율을 감소시킬 수 있으며, 이는 토양 구조 안정화에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다.

또한, 토양의 pH는 작물 생육 중에 이루어지는 무기성분 및 양분 흡수에 영향을 미치기 때문에 적정 범위를 유지해야 한다. 레드머드와 탈황석고를 토양에 적용한다면, 토양 pH를 상승시켜 양분흡수 저하 및 작물 고사까지 이어질 수 있다. 이 때문에 레드머드와 석고의 높은 pH를 조정하기 위해 산중화, 세척, 열처리 등의 중간과정을 필요로 한다[2]. 황산을 이용한 산중화 시에는 pH 중화와 더불어 pH 8 이하의 레드머드를 통한 인 보존능력의 증가 또한 기대할 수 있다[5].

본 연구에서는 Fe, Ca, Mg, S 등 생육에 필요한 영양원소를 포함하는 레드머드와 석유정제탈황석고를 재생황산으로 중화하는 비료를 제조하였다. 제조한 비료의 화학성 및 비료 내유해물질을 분석하여 적합성을 평가하였고, 상추 생육 실험을 통해 생육지표를 조사하고, 비료로서의 이용가능성을 판단하고자 한다.

2. 재료 및 방법

2.1. 비료시료 재료 및 제조 방법

2.1.1. 비료시료 재료

산업부산물들을 이용하여 제조한 비료의 이용가능성 평가를 위해 레드머드, 탈황석고, 재생황산이 사용되었다. 레드머드는 국내 수산화알루미늄 제조업체인 ㈜KC의 알루미나 제조공정에서 배출된 부산물이며, 슬러리 형태로 배출된 것을 다른 과정을 포함하지 않고 사용하였다. 탈황석고는 석유정제 공정에서 배출되었으며, 분말형태로 제공받아 사용하였다. 반도체 제조공정에서 발생한 폐황산으로부터 과산화수소를 제거하여 산화도를 낮춘 재생황산을 에스제이기술㈜로부터 제공받았으며, 63 wt% 농도의 황산을 50 wt%로 희석하여 사용하였다. 재료의 특성분석을 위해 레드머드와 탈황석고의 pH, EC, 중금속 분석 및 재생황산의 중금속 분석을 진행하였다.

2.1.2. 비료시료 제조 방법

국내 밭 토양의 적정 pH 범위는 6.0~7.0 사이이고, 평균 pH 는 5.6의 약산성으로 알려져 있다[6]. 또한 토양 내 양분의 대부분은 중성 부근(pH 6.5~7.0 사이)에서 유효도가 높아 중성부근으로 관리된 토양에서 작물을 생육하는 것이 적절하다[7]. 따라서 레드머드(100 기준)에 탈황석고를 30 wt%와 50 wt%로 혼합한 후 재생황산을 이용하여 pH 6~7 사이의 비료를 제조하였으며, 이를 각각 RMG30과 RMG50으로 명명하였다 (Table 1). 석고를 혼합한다면 수분함량 감소와 동시에 칼슘 공급 및 토양 물리성 개선이 가능할 것이라고 판단된다. 비료 시료를 제조한 후, pH, EC, 중금속, 수분함량, XRF 분석을 통해 비료의 특성 분석을 하였으며, 이 중 중금속 함량은 비료 공정규격과 비교를 통해 활용가능성을 판단하였다.

Fertilizer sample mixing methods.

2.2. 생육실험 재료 및 방법

제조한 비료의 실제 이용가능성을 판단하기 위해 생육기간이 비교적 짧고 생육관리가 용이한 특징을 가진 상추를 생육 작물로 선정하였다[8]. 세계종묘농업회사법인㈜의 초록스타청 치마상추를 이용하였으며, 청치마상추는 고온기에 비교적 유리한 특징을 갖고 있다[8]. 생육을 위해 사용한 전남대학교 인근 토양은 pH 6.03, EC 0.30 dS/m로 상추 생육에 적정한 범위 (pH 6~7, EC 2.0 dS/m 이하)에 해당한다. 각 실험구는 토양 100기준으로 비료시료를 0, 5, 10, 15 wt%씩 추가 및 혼합하였고, 각 실험구는 3포트(3반복)으로 구성하였다. 해당 혼합토양은 비료시료에 의한 토양오염을 판단하기 위해 1지역 토양 오염우려기준과 비교하였다. 상추 종자는 8월 27일에 파종하였고 9월 29일 수확하였다. 이 기간 동안의 하루 평균 기온은 18.4~28.4℃였으며, 생육기간 동안의 강수일은 14일이었다. 상추는 호냉성 채소로 생육기간 중 온도가 높아지면 추대, 쓴맛 증가, 생리적 장해 발생 등이 발생하기 때문에 생육 환경을 고려하여 고온기에는 흑색 차광막(30%)을 이용하여 관리하였다(Table 2) [9].

The parameter of the lettuce growth experiment.

2.3. 분석방법

화학성 분석을 위한 레드머드, 탈황석고, 토양 등에 대해서는 풍건하여 수소이온농도(pH), 수분함량, 중금속함량은 토양 오염공정시험기준에 따라 분석하였으며, 전기전도도 측정은 농촌진흥청의 토양화학분석법을 따랐다[10,11]. 토성분석의 경우, 5% (NaPO3)6 및 1.0M NaOH를 포함한 분산용액을 이용하여 토양 입자를 모래, 점토로 분리한 후 미국농무부 기준 (USDA)으로 판단하였다[12,13]. 화학적 조성 성분의 종류 및 함량은 XRF 측정기(Axios Minerals, Malvern Panalytical)를 이용하여 측정하였다.

상추 생육지표는 발아율, 엽수, 엽장, 엽폭, 생체중, 건체중을 조사하였다. 이 때, 발아율은 (N/S)ⅹ100 (N: 총 발아수, S: 총 공시 종자수)로 산출하였다[14]. 각 실험구의 모든 잎을 대상으로 엽수(잎의 수)를 산정하였고, 엽장(잎의 길이), 엽폭 (잎의 넓은 부분)을 측정하여 실험구별 평균을 내었다[7]. 생체중은 상추를 흐르는 물로 흙을 제거한 뒤 표면의 물기를 최대한 제거한 후 측정하였으며, 이후 건조하여 건체중을 측정하였다[15].

3. 결과 및 고찰

3.1. 레드머드, 탈황석고, 재생황산의 특성

3.1.1. 레드머드

레드머드는 pH 13.01으로 공정 중 사용되는 NaOH에 의해 강알칼리성을 띠고 있으며, EC는 99.8 dS/m로 나타났다. 수분 함량은 37.9%로 분석되었다(Table 3). 레드머드는 Ni과 Pb이각각 2.6 mg/kg, 29.7 mg/kg로 검출되었고, 이외의 항목은 검출되지 않았다. 또한, 박용호 등(2017)에 의하면 레드머드를 토양에 적용하였을 때 발생하는 용출수로 인한 지표수 및 지하수 등 주변 환경에 대한 오염 우려는 낮은 것으로 보고되었다[2]. 레드머드의 화학적 조성은 Fe2O3가 48.0%로 가장 높게 나타났으며, Al2O3 가 17.1%, SiO2가 12.0%로 세가지 성분이 전체의 77.1%를 차지하였다. 또한, Na2O, TiO2, CaO가 10% 미만 성분으로, SO3, ZrO2, P2O5, MgO, Cr2O3 등이 1% 미만 성분으로 관찰되었다(Table 4).

Analysis of chemical characteristic and heavy metal of Red Mud(RM), gypsum, soil before mixing.

Results for XRF analysis of Red Mud(RM), gypsum and fertilizer samples (RMG30, RMG50).

3.1.2. 탈황석고 및 재생황산

탈황석고의 pH와 EC는 각각 12.81, 52.2 dS/m로 강알칼리성 및 높은 EC 값을 보였으며, 수분함량은 1% 미만으로 나타났다(Table 3). 탈황석고에서는 Ni 201.8 mg/kg, Zn 8.7 mg/kg, As 3.3 mg/kg으로 중금속이 검출되었으며, 나머지 항목은 ‘불검출’ 되었다. 특히, Ni성분이 다량 검출되었으나, 토양에 소량 적용 할 예정으로 이에 대한 토양오염의 영향은 없을 것으로 판단된다. 탈황석고는 CaO와 SO3가 각각 69.4%, 26.4%로 구성되어 있으며, 이 외에도 MgO, SiO2, V2O5 등이 미량으로 구성되어 있는 것으로 관찰되었다(Table 4). 탈황석고에서 Ca 및 S 성분이 다량 함유된 것으로 확인되어 레드머드와 배합 시 해당성분으로 인한 비료효과의 증대가 기대되었다.

재생황산에서 Ni, Li, Cd, Cu, Zn이 각각 0.287 mg/L, 0.011 mg/L, 0.165 mg/L, 0.412 mg/L, 1.169 mg/L 등으로 검출되었으며, 재생황산 내 중금속 농도는 대부분 1 mg/L 미만으로 나타났다(Table 5).

Content of heavy metals in regeneration sulfuric acid (unit; mg/L).

3.2 황산 주입량 선정 및 시료 분석

레드머드와 탈황석고의 중간단계 혼합물을 제조한 후, 최종 혼합물(비료시료)의 목표 pH를 6~7로 설정하여 혼합물 대비 재생황산 투입비를 달리하여 중화하였다(Fig. 1). 레드머드 (100 기준)에 대해 석고를 30 wt%, 50 wt%으로 추가 투입하여 혼합한 초기 pH는 각각 12.54, 12.74 였다. 레드머드에 석고를 30 wt% 투입한 중간단계 혼합물의 무게 대비 20~30%의재생황산을 추가 주입하였다. 이 때, pH는 10.56~5.73으로 감소하였으며, 특히 28% 주입 시에 pH 6.66으로 목표 pH를 만족하였기 때문에 이를 RMG30으로 하였다. 레드머드에 석고를 50wt%에서 중단단계 혼합물의 무게 대비 45~50%를 주입한 결과 pH는 9.58~5.17으로 감소하였고, 무게 대비 48% 주입 시에 pH 6.25로 목표 pH를 만족하여 이를 RMG50으로 명명하였다. 목표 pH를 만족한 비료시료(RMG30, RMG50)는 육안상 적색으로, 수분함량은 각각 33.4%, 32.5%이었다(Fig. 2).

Fig. 1.

pH change with regenerative H2SO injection (w/w%) to mixed Red Mud and gypsum (RM : Gypsum = (a) 100 : 30, (b) 100 : 50).

Fig. 2.

Manufactured fertilizer sample ((a) RMG30, (b) RMG50).

제조된 RMG30과 RMG50은 Cd, Cu, Hg이 불검출 되었으며, RMG30은 Ni 64.6 mg/kg, Pb 14.6 mg/kg, Zn 1.5 mg/kg로 나타났다. 또한, RMG50은 Ni 80.0 mg/kg, Pb 10.5 mg/kg, Zn 2.2 mg/kg, As 0.3 mg/kg으로 나타났다(Table 6). 석고의 함량이 더 많은 RMG50에서 중금속 함량이 높게 나타났으며, Ni 성분의 경우 RMG30 및 RMG50에서 다른 항목에 비해 높게 나타났다. 이는 원재료인 석고에 의한 것으로, Ni의 경우 식물체 내에서 이동이 어렵고, 토양 전함량과 식물체 내 함량 의 상관성이 적기 때문에 다른 항목에 비해 높게 나타난 Ni 함량에 의한 피해는 없을 것으로 판단된다[16].

Content of heavy metal in fertilizer samples (RMG30, RMG50).

RMG30 및 RMG50의 화학적 조성은 Fe2O3, SO3, CaO가 대부분을 차지하고 Al2O3 , SiO2, TiO2, Na2O가 뒤를 이었으며 MgO, ZrO2, K2O, P2O5, Cr2O3 등이 1% 미만으로 관찰되었다. 레드머드의 함량이 비교적 많은 RMG30에서는 Fe2O3의 조성이 가장 높게 분석되었으며, 석고와 황산의 함량이 비교적 많은 RMG50에서는 SO3의 조성이 가장 높게 분석되었다. 이는 원재료의 함량에 따른 RMG30과 RMG50의 성분 차이임을 확인할 수 있었다(Table 4). 황 성분은 식물의 필수 영양소로 식물 생육 증진에 긍정적인 영향을 줄 수 있으며, 석고는 점토 입자들의 응집을 통해 토양구조 안정화를 이룰 수 있다[17]. RMG50은 RMG30에 비해 더 높은 황의 조성과 비교적 많은 양의 석고를 함유함으로써 RMG30보다 식물성장에 유리할 것으로 판단되었으며 이를 확인하기 위해 상추 생육실험을 진행하였다. 또한, RMG50을 비료로서 농업적으로 이용하게 된다면, 산업폐기물인 석유정제탈황석고와 재생황산의 사용량이 RMG30을 비료로 사용하였을 때보다 증가하기 때문에 재활용량 증가에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

3.3. 생육실험

3.3.1. 비료시료 배합토양

토양에 RMG30, RMG50을 0%(무처리구), 5%, 10%, 15%(처리구)로 혼합한 배합토양 내 중금속 농도 및 일반특성을 Table 7에 나타내었다. 무처리구에 비하여 비료시료가 혼합된 토양에서 일부 중금속 농도의 증가가 관찰되었지만, 이는 토양오염우려기준 이하로 나타났다.

Analysis of heavy metals in initial fertilized soil of lettuce growth.

비료시료를 다양한 비율(5, 10, 15%)로 혼합한 토양에서 혼합비율 증가에 따라 pH 및 EC (또는 염류농도)가 상승하였다. 토양의 pH는 양분 유효성에 영향을 미친다. 작물 생육 시에 양분 유효도는 중성에서 가장 높고, pH 5.5 이하 또는 pH 8.0 이상에서는 각각 높은 용해도로 인한 과량의 원소 흡수 또는 용해도 감소로 인한 양분흡수 결핍이 발생하여 작물의 성장이 저해된다[7]. 무처리구의 토양은 pH 6.02이고 처리구 토양은 pH 6.67~8.38의 범위로 나타났다. RMG50의 15% 처리구에서 pH 8.38로 가장 높았으며, 이는 용해도 감소가 발생하는 pH이다. 따라서 대조구 및 중성에 가까운 pH를 가진 처리구의 상추는 pH에 의한 작물 성장 저하와 같은 영향은 적을 것으로 판단된다.

RMG30 및 RMG50의 처리에 따른 EC의 상승은 레드머드에 포함된 Na+에 의한 것으로 판단되며, 신동 등(2020)도 레드머드 첨가에 따른 Na+와 EC의 상관관계를 언급하였다[3]. 작물 생육 시에는 EC가 2 dS/m 이하의 환경에서 양호한 생육이 이루어지는데, 처리구에서는 RMG30 및 RMG50에 의한 영향으로 적정치의 약 2~10배 이상으로 분석되었다. 또한, EC (dS/m)의 경우 염류 농도(%)로 환산 가능하며, 염류의 경우 토양에 다량 집적되면 삼투압 현상으로 인해 작물의 수분 및 미량필수원소의 흡수를 저해시키며, 특정 이온에 의한 작물로의 이온독성 발생에 대한 보고가 있다[18]. 따라서 RMG30 및 RMG50의 사용량에 의한 염류 집적 등에 의한 작물의 피해에 대해 유의하여야 할 것으로 판단된다.

3.3.2. 상추 생육지표

비료를 투입한 이후(처리구)의 상추 발아율(평균) 및 34일간의 생육 이후 수확한 상추의 엽장, 엽폭, 생체중, 건체중을 측정하였다(Fig. 3). 발아율은 무처리구에서 38.3%였으며, RMG30과 RMG50를 5% 투입한 처리구에서 각각 38.8%, 33.3%의 발아율을 보였다. 또한, 10% 처리구에서는 각각 31.1% 및 26.7%, 15% 처리구에서는 각각 20.0% 및 16.7%의 발아율이 관찰되었다. RMG30 및 RMG50의 투입량이 증가할수록 발아율은 감소하였다. 이는 EC 증가에 의해 늦어진 발아 시기로 인한 영향으로 투입량의 증가와 반비례한 발아율이 나타난 것으로 판단된다[19]. 또한, 적정 EC 범위에 해당하는 무처리구도 저조한 발아율로 관찰되었다. 이는 서늘한 기후에서 발아하는 특성을 가진 상추가 파종 및 발아 기간 동안 30℃ 이상의 높은 낮 기온 등의 생육환경에 의한 것으로 판단된다[7].

Fig. 3.

Indicators of lettuce grew with fertilizer types and ratios (Fertilizer types: RMG30, RMG50; Application rate: 5, 10, 15 w/w%; Period of lettuce growth: 34 days; Frequency of precipitation: 14 days; Average temperature during the growing period: 18.4 ~ 28.4℃).

RMG30의 5% 처리구의 EC는 8.85 dS/m로 처리구 중 가장 낮은 EC를 나타냈으며, 동시에 처리구 중 가장 높은 발아율을 보였다. 이에 다른 처리구보다 높은 생육지표가 기대되었으나, 생육기간 중 일부 고사하여 생육지표가 낮게 관찰되었다. 또한, 처리구 상추의 엽수와 엽폭은 무처리구와 유사하거나 낮은 결과를 보였다. 엽장의 경우에도 대부분의 처리구에서 무처리구의 엽장인 2.90 cm와 유사했다. 하지만, RMG50의 5% 및 10% 처리구는 3.10 cm 및 3.08 cm로 모든 실험구 중에서 가장 크게 나타났으며, 이는 무처리구에 비해 6.45%, 6.20% 증진된 결과였다. 또한, 이 두 처리구의 경우, RMG30 처리구 및 RMG50의 15% 처리구에 비해 높은 생육지표로 관찰되었다. 이는 다른 처리구에 비해 낮은 pH 및 EC를 가진 RMG50의 5%, 10% 처리구가 생육 저하에 영향을 덜 받은 것으로 판단된다. 야외 포트실험을 통해 재배한 실험구의 상추는 시설재배와 달리 생육 환경을 임의로 조절하지 못하였다. 이 때문에 생육 기간의 기온, 지온, 일조시간, 강수 등의 제어되지 못한 환경요소가 상추 생장에 일부 영향을 준 것으로 판단되어, 제어된 상태에서의 생육을 통해 RMG30 및 RMG50의 효과를 판단할 필요도 있을 것으로 사료된다.

3.4. 농업적 이용가능성 평가

영양성분 면에서, 본 연구의 레드머드 기반 비료는 탈황공정석고 및 재생황산을 통해 칼슘 및 황 성분을 보강하고자 하였다. 또한, RMG30과 RMG50의 5~15 wt% 처리구는 중금속 함량이 모두 1지역 토양오염우려기준 이하로 검출되어 레드머드 및 탈황석고로 인한 토양오염 가능성은 낮은 것으로 판단된다. 하지만, RMG30 및 RMG50의 사용량이 과다하여 염류에 대한 저항성이 낮은 상추에 대해 생장 저해가 관찰되었다고 판단되나, 다른 처리구에 비해 낮은 EC를 보인 RMG50을 사용한 일부 처리구에서 생육 증진이 관찰되었다[20] 본 연구에서 제조한 비료의 상추 생육을 통해 높은 EC에 의한 생육저해를 확인하였고, 비교적 낮은 EC의 실험구에서 생육 증진을 확인할 수 있었던 것으로 보아 본 연구를 기반으로 토양대비 비료의 사용량을 5% 이하로 사용한다면 농업적으로 이용이 가능할 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구는 레드머드와 석유정제탈황석고를 중화시킨 비료의 제조와 제조된 비료의 화학성 및 중금속 분석을 통해 비료 로서의 적합성을 판단하고 생육실험을 통해 이용 가능성을 평가하고자 하였다.

· RMG30과 RMG50은 각각 pH 6.66, EC 74.5 dS/m 및 pH 6.25, 51.0 ds/m였다.

· 모든 처리구 토양의 중금속함량은 1지역 토양오염우려기준 이하로 분석되었으며, RMG30과 RMG50을 토양무게 대비 5, 10, 15%를 혼합하였을 때 비료의 혼합량이 증가에 따라 pH 및 EC가 상승하였다.

· 상추 생육은 RMG50 처리구에 비해 RMG30 처리구에서 높은 발아율을 보였으며, 무처리구 및 RMG30의 5% 투입 시에 38.8%로 가장 높은 발아율을 보였다. RMG50의 15% 처리구가 가장 저조한 생육상태를 보였고, RMG50 의 5%, 10% 처리구에서 무처리구와 유사하거나 증진된 생육상태를 확인할 수 있었다.

· RMG50의 5% 처리구에서 토양 내 양분의 유효도가 높은 중성 부근의 pH 및 무처리구에 비해 증진된 생육지표가 관찰되었다.

· 상추의 경우 염류에 대한 저항성이 낮기 때문에 RMG50를 5% 이하로 하여 작물의 적정 EC 수준을 고려하여 적용한다면 농업적으로 이용 가능할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 한국연구재단 중견연구과제 연구비 지원으로 수행되었습니다(과제번호: 2022 R1A2B501002469). 이에 감사드립니다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

References

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Article information Continued

Fig. 1.

pH change with regenerative H2SO injection (w/w%) to mixed Red Mud and gypsum (RM : Gypsum = (a) 100 : 30, (b) 100 : 50).

Fig. 2.

Manufactured fertilizer sample ((a) RMG30, (b) RMG50).

Fig. 3.

Indicators of lettuce grew with fertilizer types and ratios (Fertilizer types: RMG30, RMG50; Application rate: 5, 10, 15 w/w%; Period of lettuce growth: 34 days; Frequency of precipitation: 14 days; Average temperature during the growing period: 18.4 ~ 28.4℃).

Table 1.

Fertilizer sample mixing methods.

Fertilizer Mixing methods
RMG30 Red Mud + Gypsum (100 : 30) + Regenerated H2SO4 ≈ pH 6 ~ 7
RMG50 Red Mud + Gypsum (100 : 50) + Regenerated H2SO4 ≈ pH 6 ~ 7

Table 2.

The parameter of the lettuce growth experiment.

Mixed ratio Soil Fertilizer
100 wt% + 0 wt%
+ 5 wt%
+ 10 wt%
+ 15 wt%
Seeding date August 27 (For 34 days)
Harvest date September 29
Average temperature range per day 18.4 ~ 28.4℃
Shading Screen O (Shading Rate; 30%)

Table 3.

Analysis of chemical characteristic and heavy metal of Red Mud(RM), gypsum, soil before mixing.

Item pH EC (dS/m) Soil texture Moisture content (wt%) (unit; mg/kg)
Ni Cd Pb Cu Zn As Hg Cr6+
Red Mud(RM) 13.01 99.8 37.9 2.6 N.D.* 29.7 N.D. N.D. N.D. N.D. N.D.
Gypsum 12.81 52.2 0.20 201.8 N.D. N.D N.D. 8.7 3.3 N.D. N.D.
Soil 6.03 0.30 Loam 3.7 N.D. 7.8 6.02 30.7 N.D. 0.10 N.D.
Warning Criteria(area 1)** <100 <4 <200 <150 <300 <25 <4 <5
*

N.D. : not detected

**

standard value of heavy metals in the soil, SOIL ENVIRONMENT CONSERVATION ACT OF KOREA

Table 4.

Results for XRF analysis of Red Mud(RM), gypsum and fertilizer samples (RMG30, RMG50).

Item Element wt. (%)
Al2O3 Fe2O3 SiO2 TiO2 Na2O CaO SO3 ZrO2 MgO
Red Mud (RM) 17.1 48.0 12.0 8.11 9.82 3.70 0.36 0.33 0.14
Gypsum 0.38 0.42 1.07 - 0.06 69.4 26.4 - 1.17
RMG30* 8.59 28.0 6.33 5.05 5.12 21.1 24.8 0.20 0.55
RMG50** 7.29 22.5 5.51 4.27 4.20 22.1 33.2 0.15 0.43
*

RMG30: Red Mud 100 + gypsum 30 + regenerated H2SO4 → pH 6 ~ 7

**

RMG50: Red Mud 100 + gypsum 50 + regenerated H2SO4 → pH 6 ~ 7

Table 5.

Content of heavy metals in regeneration sulfuric acid (unit; mg/L).

Item Ni Li Cd Cu Zn T-Cr As P Fe
Regenerated H2SO4 0.287 0.011 0.165 0.412 1.169 0.293 0.074 0.199 1.683

Table 6.

Content of heavy metal in fertilizer samples (RMG30, RMG50).

Fertilizer pH EC (dS/m) Moisture content (%) (unit; mg/kg)
Ni Cd Pb Cu Zn As Hg Cr6+
RMG30* 6.66 74.5 33.4 64.6 N.D. 14.6 N.D. 1.5 N.D. N.D. N.D.
RMG50** 6.25 51.0 32.5 80.0 N.D. 10.5 N.D. 2.2 0.3 N.D. N.D.
*

RMG30: Red Mud 100 + gypsum 30 + regenerated H2SO4 → pH 6 ~ 7

**

RMG50: Red Mud 100 + gypsum 50 + regenerated H2SO4 → pH 6 ~ 7

Table 7.

Analysis of heavy metals in initial fertilized soil of lettuce growth.

Treatment pH EC (dS/m) (unit; mg/kg)
Ni Cd Pb Cu Zn As Hg Cr6+
Control 6.02 0.32 3.72 N.D.* 7.80 6.02 30.7 N.D. 0.10 N.D.
RMG30 5% 6.99 8.85 6.42 N.D. 8.32 5.34 30.4 N.D. 0.14 N.D.
RMG30 10% 7.87 16.1 14.3 N.D. 9.23 11.7 33.8 N.D. 0.13 N.D.
RMG30 15% 8.38 20.2 15.8 N.D. 9.33 15.2 34.3 N.D. 0.14 N.D.
RMG50 5% 6.67 10.3 10.5 N.D. 8.82 9.61 34.7 N.D. 0.15 N.D.
RMG50 10% 7.40 15.7 13.1 N.D. 8.07 11.4 30.8 N.D. 0.15 N.D.
RMG50 15% 7.75 17.2 18.6 N.D. 8.62 10.6 30.9 N.D. 0.13 N.D.
Warning Criteria**(area1) <100 <4 <200 <150 <300 <25 <4 <5
*

N.D.: Not detected.

**

standard value of heavy metals in the soil, SOIL ENVIRONMENT CONSERVATION ACT OF KOREA