완효성 요소 비료 개발을 위한 피복 물질 탐색 및 요소의 용출량 예측

한일민, 이건홍

포항공과대학교 환경공학부

Search for coating materials and prediction of urea-release amount for the development of controlled-release urea fertilizer

Il-Min Han, Kun-Hong Lee

School of Envrionmental Engineering

Pohang University of Science and Technology

서론

작물의 생육에 반드시 필요한 질소원의 공급은 대부분 요소(urea)비료의 형태로 이루어지는데 이는 요소가 질소의 함량(46%)이 높고 생산비가 적게 들기 때문이다.  그러나 요소는 물에 의해 빠른 속도로 용해되어 많은 양이 양분으로 이용되지 못하고 유실된다.  보통의 경우 유실되는 비료의 양은 30%에서 50%가량으로 추정되며 부족해진 질소원을 보충하기 위해서는 반복적으로 시비해야 하므로 비용 및 노동력이 추가되어야 하는 문제점이 있다. 또한 하천이나 지하수로 유실된 요소는 수질오염을 유발하기도 한다.

이를 해결하기 위해 비료의 용출을 조절할 수 있는 기술 즉, 완효성 비료를 개발할 필요가 있다.  완효성 비료를 개발하는 방향은 크게 두가지로 나눌 수가 있는데, 첫째는 용해도가 매우 낮은 비료를 개발하는 것이고 둘째는 용해도가 높은 비료를 고분자 물질로 코팅하여 용출속도를 조절하는 것이다 [1].

상용화된 완효성 비료의 경우 용해도가 낮은 비료는 반응에 드는 비용이 비싼 단점이 있으며 피복비료의 경우 공정상 사용되는 피복용제로 인해 오염이 유발되거나 생분해가 되지않는 고분자물질이 토양에 축적되는 문제가 발생할 수 있다.  따라서 공정상 비용이 적게 들며 환경친화적이며 용출특성도 만족스러운 완효성 비료를 개발하는 것이 필요하다 [2].

완효성 피복비료를 개발함에 있어서 가장 중요한 단계는 피복물질의 탐색이다.  피복물질이 될 수 있는 대상은 환경 친화적이며 경제성이 우수한 천연 및 합성 고분자이다.  여러 가지 대상 물질 가운데 우수한 물질을 찾기 위해서는 짧은 기간내에 용출특성을 예측할 수 있는 방법을 확립하는 것이 중요하다.

본 연구는 피복하고자 하는 재료의 요소에 대한 확산계수를 측정하여 그 값으로부터 피복된 요소의 용출속도를 예측하는 것이다.  따라서 직접 코팅하여 용출특성을 살피는 것에 비해 재료 탐색에 드는 시간과 비용을 줄일 수 있었다.  실험에 사용된 재료는 천연고분자 물질로서 생분해가 가능하며 물을 용매로 사용하는 장점을 지니고 있다.

이론

(1) 확산계수의 측정

막의 확산계수를 측정하기 위해서는 Fig.1과 같은 모델을 설정한다.  막의 위치는 요소의 초기농도 값이 각각 c1과 c2인 chamber1과 chamber2 사이에 있으며 chamberd안의 용액은 완전 교반하여 용액내 농도구배는 무시한다.  두 개의 chamber와 막 내에서의 bulk fluid간의 물질전달저항이 없다고 가정하면 막 내의 확산 과정은 다음의 편미분방정식으로 나타낼 수 있다.

[eqn: PARTIALc over partialt =D{ partial^2 c} over {partial x^2}]                              (1)

where,   	c = concentration in the membrane

D = diffusion coefficient

t = time

x = distance

경계조건은 다음과 같다.

c = c1   at  x = 0,  c = c2   at  x = l                   (2)

정상상태를 가정하면 위의 식(1)은 아래의 식(3)과 같이 표현된다.

[eqn: 0 =D{ partial^2 c} over {partial x^2}]                              (3)

식(3)에 경계조건(2)를 적용하여 확산계수 D를 구하면 아래와 같다 [3].

[eqn: D = l over {(c_1 - c_2 ) A} ( dQ over dt )_ss]                         (4)

(2) 용출양의 예측

Christensen 등은 피복된 구형의 약물이 확산되는 경우에 대해 pseudo-steady state 가정하여 약물의 용출시간 및 용출량을 구하였는데 본 연구에서는 이를 요소의 용출에 관하여 적용하였다 [4].  코팅된 요소의 용출량 예측은 다음의 Fig.2와 같은 모델을 가정하여 계산한다.  피복된 두께가 a-b인 요소비료 하나가 30℃에서 100mL의 증류수에 방치되었을 경우를 가정하여 용출양을 예측하였다.  막내로 물이 확산되어 고체상태의 요소가 용해된 후 다시 막을 통하여 확산에 의해용출된다.  이때 막내(Cc)의 요소 농도는 고체상태의 요소가 모두 용해되어 농도가 감소하기 전까지 포화농도(Csat)로 유지되므로 용출의 단계를 다음의 두단계로 나눌 수 있다.  첫 번째 단계에서는 [eqn: t <= t_s], [eqn: C_c =C_sat]가 되며 두 번째 단계에서는 [eqn: t> t_s], [eqn: C_c < C_sat]가 된다.  포화농도가 끝날 때 까지의 시간 ts를 구하면 다음과 같다.

[eqn: t_s = - 1over N_1 ln[1- alpha (beta-1)]]                          (5)

[eqn: N_1 == {4 pi D} over{ V_e} {ab} over {a-b}],  [eqn: alpha ~ == ~ {V_c} over { V_e}],   [eqn: beta == W_u over { V_c C_sat }]               (6)

여기서, Vc는 요소구(urea ball)의 부피, Ve=100mL, Wu는 요소구의 질량, Csat는 30℃에서 요소의 포화농도이다.

포화농도가 끝난 후 피복요소로부터 용출된 요소의 양과 용출되기 까지의 시간은 아래의 식으로부터 구할 수 있다.

[eqn: M_t = V_c C_sat left[ ( beta-1) + {1- alpha (beta -1)} over {1+alpha} LEFT { 1-exp[-N_2 (t-t_s )] RIGHT } right]]      (7)

where,                [eqn: N_2 = {1+alpha } over alpha N_1]                               (8)

실험

Fig.3는 본 실험에 사용된 확산계수 측정장치를 나타내고 있다.  Diffusion cell은 donor cell과 receptor cell로 이루어져 있으며 그 사이에 확산계수를 구하고자하는 막을 gasket으로 밀봉하여 두 개의 cell사이에 장착한 후 밀착시킨다.  각 cell의 한 쪽에는 요소용액이 통과할 수 있는 hole을 만들었으며 magnetic bar를 이용하여 교반한다.  시간에 따른 receptor cell내의 요소 농도를 측정하여 확산계수를 구한다. 분석 방법으로는 Spectrophotometry 법을 사용하였으며 사용된 분석기기는 UV-Vis Spectrophotometer (Spectronic 21D, Milton Roy)였다 [5].

결과 및 토론

Fig.4는 같은 재질의 천연고분자 물질에 대해 막의 두께를 달리하여 확산실험을 한 결과이다.  SampleA1, A2, A3, A4에 대해 확산계수를 구한 결과 각각 1.246 ×10-9, 1.205 ×10-9, 1.215×10-9, 1.150 ×10-9 cm2/s이다.  네가지 sample의 재질이 같으므로 확산계수가 비슷한 값을 가짐을 알 수 있다.  계산된 확산계수를 토대로 sampleA1을 피복막으로 사용하여 2mm인 요소를 피복할 경우 코팅 두께에 따른 용출속도는 Fig.5와 같이 예측된다.  즉, 직경 2mm인 요소를 sampleA1으로 0.04mm 피복할 때는 정상상태 속도로 약 9일간 방출한 후 25일이 지나면 초기질량의 90%를 방출함이 예측된다.

참고문헌

1. Hignett, T. P., Fert. News, 1971, 16, 42-48

2. Orteli, J. J. Agrochimica 1974, 18(1-2), 3-9

3. J. Crank and G.S. Park, Eds., Academic Press, New York, 1968, p.4.

4. Christensen, F. N., F. Y. Hansen and H. Bechgaard, J. Pharm. Pharmacol., 1980,

32, 580-582

5. Potts. T. J., J. Assoc. Off. Agric. Chem., 46 (1963) 303.

Fig. 2. Schematic diagram

of urea release

Fig.1. Concentration gradient

in a membrane

1. Donor cell    2. Receptor cell    3. Screw cap

4. Nut and bolt  5. O-ring and gasket

6. Magnetic bar  7. Membrane

Fig.3. Diffusion cell