고로슬래그를 이용한 인공토 개발 = Development of artificial soil using blast furnace slag

국문 초록 (Abstract)

철강산업에서 철 생산 후 발생하는 부산물 중 수재슬래그(이하 고로슬래그)는 일반적으로 고로슬래그를 지칭하며, 고로에서 발생하는 부산물이 급속도로 냉각된 비정질의 슬래그를 말한다. 고로슬래그는 연간 2,000만 ton에 육박하는 막대한 양이 배출되고 있으며, 발생량은 점차 증가하고 있다. 그 중 대부분은 시멘트 및 규산질 비료로서 활용되고 있다. 그러나 이 외의 고로슬래그를 다양한 용도로 활용하기 위한 연구는 아직 부족한 현실이다. 한편, 고로슬래그의 90 % 이상을 차지하고 있는 것은 CaO, SiO2, Al2O3이며, 그 중 Ca은 작물생육에 필요한 원소이다. 이러한 고로슬래그를 인공토로 재활용할 경우, 비중이 약 1.38 kg/L로 무거워 경량형 인공 지반이 아닌 중량·혼합형 인공 지반에 활용되기에 적합하며, 비산 방재, 작물 생육 증대 등과 같은 기능을 기대할 수 있다. 따라서 철강 부산물인 고로슬래그를 활용함으로써 부가가치를 향상시키고자 연구를 진행하였다. 고로슬래그를 이용한 인공토를 제조하기 위해 먼저 고로슬래그의 이화학적 특성을 확인하였는데, pH 및 모래함량이 높으며, CaO와 SiO2 가 약 77 %를 차지한다는 것을 확인했다. 또한 중금속 용출 시험을 통해 유해 물질이 용출되지 않음을 확인하였다. 이후, 모래 함량이 높으며 알칼리성인 고로슬래그의 점토 함량을 높이고 pH를 낮추기 위해 점토광물인 규조토를 사용했고, 최적의 기준 pH인 6-7로 맞추어보니, 혼합비가 4:1(W/W)임을 확인했다. 또한, 식물체의 유기물 공급을 위해 바이오차와 피트모스를 2.5:2.5(W/W)로 혼합하여 전체 무게의 10 %로 하여 활용하였다. 배합한 인공토의 작물 생장 실험을 통해 이화학성 및 생물성과 작물 생장성을 확인해본 결과, 이화학성은 조경설계기준에서 제시하는 기준에 부합했다. 생물성은 다른 처리구와 유의미한 차이가 나타나지 않았고 대조구인 상토와 혼합한 인공토 처리구의 생중량 및 건물중이 가장 높았으나, 엽록소 함량과 엽각 측정 결과, 인공토 처리구의 작물생육성이 높았다. 이는 고로슬래그의 규산이 식물체를 직립시켜 광합성 효율이 증진되었으며, 비교적 높은 비중으로 식물체의 활착에 긍정적인 영향을 끼친 것으로 판단된다. 결론적으로, 고로슬래그를 주 원료로 활용한 인공토는 혼합형·중량형 인공 지반에서 활용 시 기존 인공토보다 물리·화학적 특성이 준수하며 작물생육에 적합한 환경을 제공할 수 있는 인공토임을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Granulated blast furnace slag (referred as blast furnace slag) is a by-product produced after iron production in the steel industry, and is generally referred to as blast furnace slag. It is an amorphous slag that is a rapidly cooled by-product of the blast furnace. Blast furnace slag is produced in an enormous amount of about 20 million tons per year, and the amount is gradually increasing. 98 % of them are utilized as cement and siliceous fertilizers. However, various studies for other uses are still lacking. On the other hand, CaO, SiO2, and Al2O3 account for more than 90 % of blast furnace slag, and among them, Ca is a necessary element for crop growth. When such blast furnace slag is recycled as artificial soil, its bulk density is about 1.38 kg/L, so it is suitable for use in heavy/mixed artificial ground rather than lightweight artificial ground, and scattering disaster prevention and crop growth enhancement can be expected. Therefore, research was conducted to improve value by using blast furnace slag. The physicochemical properties of the blast furnace slag were analyzed to make artificial soil from the blast furnace slag, and the pH and sand content were high, and about 77 % were composed of CaO and SiO2. Also, it was analyzed that no heavy metal were leached through the elution test. Afterwards, it was confirmed that the optimal mixing ratio with diatomite, a clay mineral, was 4:1 (W/W) to increase the clay content and lower pH of the sand-rich, alkaline blast furnace slag. In addition, biochar and peat moss were mixed at a ratio of 2.5:2.5 (W/W) to supply organic matter to plants, and 10% of the total weight was used. As a result of analyzing the physicochemical and biological properties and crop growth through the pot experiment of the mixed artificial soil, the physicochemical properties met the standards presented in the landscape design standards. In the case of biological properties, there was no significant difference from other treatments. The fresh weight and dry weight of artificial soil treatment group with bed soil treatment group were the highest. However, as a result of measuring chlorophyll content and leaf angle, crop growth in the artificial soil treatment was high. It is judged that the silicic acid of the blast furnace slag increased the photosynthetic efficiency by erecting the plant, and had a positive effect on taking root on soil with a relatively high bulk density. In conclusion, it is judged that artificial soil using blast furnace slag as a main material can be used in heavy/mixed artificial ground, and it was confirmed that it is an excellent artificial soil for crop growth.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• Ⅱ. 연구사 4
• Ⅲ. 재료 및 방법 6
• 1. 고로슬래그의 특성 분석 6
• 1.1. 고로슬래그의 이화학적 특성 6
• 1.2. 고로슬래그의 중금속 용출 시험 9
• 1.2.1. KOEP(한국 용출 시험법) 9
• 1.2.2. TCLP(미국 용출 시험법) 9
• 2. 인공토 배합비 선정 11
• 2.1. 점토광물 선정 11
• 2.2. 유기물 선정 12
• 3. 인공토를 이용한 식물체 생육 실험 13
• 3.1. 처리구별 혼합 비율 및 처리구 배치 13
• 3.2. 공시 식물 및 재배 환경 14
• 3.3. 처리구별 토양의 이화학적 특성 14
• 3.4. 처리구별 토양의 생물성 분석 15
• 3.4.1. CFU 15
• 3.4.2. 토양 호흡 활성도 15
• 3.4.3. 토양 효소 활성도 16
• 3.5. 식물체 생육 분석 17
• 4. 통계분석 17
• Ⅳ. 결과 및 고찰 18
• 1. 고로슬래그의 특성 18
• 1.1. 고로슬래그의 이화학적 특성 18
• 1.2. 고로슬래그의 중금속 용출 시험 22
• 2. 인공토 배합비 선정 23
• 2.1. 점토광물 배합비 23
• 2.2. 유기물 배합비 25
• 3. 인공토를 이용한 식물체 생육 실험 26
• 3.1. 처리구별 이화학성 26
• 3.1.1. 토성 및 점토함량 26
• 3.1.2. pH 및 EC 27
• 3.1.3. 유효인산, 유효규산, 유기물 함량 및 총 질소 28
• 3.1.4. 치환성 양이온 및 양이온치환용량 30
• 3.2. 처리구별 생물성 32
• 3.2.1. CFU 32
• 3.2.2. 토양 호흡 활성도 33
• 3.2.3. 토양 효소 활성도 34
• 3.3. 식물체 생육 분석 36
• 3.4. 처리구 주차 별 사진 39
• Ⅴ. 결론 44
• 참고문헌 46
• Abstract 55