석탄회(石炭灰)를 이용한 육묘(育苗) 상토용(床土用) 인공(人工) 제올라이트의 제조와 배추 생육에 미치는 효과(效果)

Synthesis of Artificial Zeolite from Fly Ash for Preparing Nursery Bed Soils and the Effects on the Growth of Chinese Cabbage

매년 석탄화력발전소에서 다량으로 배출되어 나오는 폐기물 fly ash를 효율적으로 재활용하고 환경오염을 줄이기 위해서 fly ash를 알카리 처리하여 인공 zeolite를 합성하고 광물학적 특성 및 형태학적 구조를 X-ray, IR, SEM 분석으로 밝혀냈다. 또한 $NH_4{^+}$, $K^+$, $H_2PO_4{^-}$ 이온에 대한 fly ash와 인공 zeolite의 흡착능을 비교하기 위해 반응시간, 시료의 양, 이온의 농도에 따른 흡착량을 조사하였고, 4% PVA(Polyvinylalcohol)용액으로 입자화시킨 인공 zeolite를 다양한 비율로 첨가하여 상토를 제조하고 폿트 실험을 실시한 결과를 종합하면 다음과 같다. 인공 zeolite의 양이온치환용량(CEC)은 $257.7cmol^+kg^{-1}$으로 fly ash의 $7.0cmol^+kg^{-1}$보다 36배나 증가된 값을 보였으며 $SiO_2/Al_2O_3$의 비가 감소하였고, $Na^+$의 양은 증가하였다. 인공 zeolite의 이화학성질, X-ray, IR 분석의 결과를 종합해볼 때 천연 zeolite 조성 ($Na_2O-SiO_2-Al_2O_3-H_2O$)과 유사하였다. SEM 촬영 결과 fly ash는 전체적으로 표면에 전혀 공극이 없는 구형의 형태를 지녔으며, 인공 zeolite는 알카리 처리로 인해 다공성이 큰 물질로 변화되어 표면적이 한층 증대된 것을 볼 수 있었다. fly ash와 인공 zeolite 모두 반응시간이 증가할수록, 시료의 양이 증가할수록, 이온의 농도가 높을수록 흡착량이 많았으며 대체적으로 $NH_4{^+}$ 이온이 $K^+$ 이온보다 더 많은 흡착량을 보였으며, fly ash 보다는 인공 zeolite가 이온에 대한 흡착능이 더 우수함을 볼 수 있었다. NPK+토양+입자상태의 zeolite 20%+퇴비 5%구에서 배추의 생육이 가장 좋았으며 시중 상토의 경우 재배기간이 20일이 넘었을 때 엽이 황색으로 변했지만 제조한 상토에서 자란 배추는 이러한 증상을 나타내지 않았다. 폐기물인 fly ash를 알카리 처리하여 양이온치환용량이 증가된 인공 zeolite를 합성하고 여기에 비료 성분 N, P, K를 첨가하여 입자화 시킨 후 이를 상토제조에 이용하는 것이 석탄회의 부가가치를 높이는 가장 효과적인 방법이라고 판단된다.

To reduce the environmental contamination and to utilize fly ash massively produced from the coal power plant every year, we synthesized the artificial zeolite using fly ash treated with alkaline, and then analyzed the mineralogical and morphological properties by X-ray, IR, and SEM. The amount of $NH_4{^+}$, $K^+$, and $H_2PO_4{^-}$ adsorbed by the fly ash and the artificial zeolite were determined with reaction time, amount of adsorbate used, ion concentrations. The results obtained from the pot experiments packed with the top soil, amended with granulated artificial zeolite which was made by treatment of 4% polyvinylalcohol, showed that CEC of the artificial zeolite was $257.7cmol^+kg^{-1}$, that was almost 36 times greater than that of fly ash. The ratio of $SiO_2/Al_2O_3$ decreased but the amount of Na increased. The physico-chemical properties analyzed by X-ray, IT, and SEM represented that the artificial zeolite synthesized had a similar morphological structure to that of the natural zeolite. The structures of the artificial zeolite had a significantly enlarged surface having a lot of pores, while the fly ash looked like spherical smooth shape with having not pores on the surface. Thus, the artificial zeolite was successfully synthesized. The results of adsorption isotherms of fly ash and artificial zeolite showed that the amount of $NH_4{^+}$, $K^+$, and $H_2PO_4{^-}$ adsorbed increased as the equilibrium concentration increased, while $NH_4{^+}$ was strongly adsorbed on the surface of fly ash and artificial zeolite than that of $K^+$. The most distinctive growth of Chinese cabbage was found from the top soil(NPK + soils + 20% of granulated artificial zeolite + 5% of compost). Therefore, we concluded that one of the most effective methods to effectively recycle a fly ash was to make the artificial zeolite as we did in this experiment.