We assessed the effects of combining bio-char with straw residue mulching on the loss of soil soluble nutrients and citrus yield in sloping land. The two-year study showed that straw residue mulching (ST) and bio-char application combined with straw residue (ST+BC) can significantly reduce soil soluble nutrient loss when compared with the control treatment (CK). The comparative volume of the soil surface runoff after each of the treatments was as follows: CK > ST > ST + BC. Compared with the CK, the runoff volume of the ST was reduced by 13.6 % and 8.5 % in 2014 and 2015, respectively. Compared with the CK, combining bio-char with the ST application reduced the loss of soluble nitrogen and improved the soil total nitrogen content reaching a significant level in 2015. It dramatically increased the soil organic matter content over the two year period (36.3% in 2014, 50.6% in 2015) as well as the carbon/nitrogen ratio (C/N) (16.6% in 2014 and 39.3% in 2015). Straw mulching combined with bio-char showed a trend for increasing the citrus yield.

암모니아성 질소는 생활하수, 축산폐수, 산업폐수 등의 점오염원과 화학적 비료 남용에 의한 유출 등의 비점오염원으로부터 수계로 방류되어 부영양화 등의 수질 오염을 유발할 수 있다. 생활하수 등에서 암모니아성 질소를 제거하기 위해 생물학적 처리공정이 주로 적용되고 있으나 운영상의 어려움, 비점오염원 저감의 어려움으로 인하여 대체방안이 요구된다. 바이오차를 흡착제로 활용하는 방안은 적용이 간단하며 효율적으로 수중 암모니아를 제거하는 방안으로 주목받고 있다. 선행 연구에서는 대부분 암모니아성 질소 흡착을 NH4+ 양이온 흡착으로 설명하고 있으나 수중의 암모니아성 질소는 pH에 따라 NH4+와 NH3(aq)로 분배될 수 있어 적용 조건에 따라 두 화학종이 모두 흡착에 참여할 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 화학종 분배를 함께 고려하는 것의 필요성을 검증하고자 하였다. 바이오차는 발생량이 많은 농업부산물인 볏짚을 300, 400, 500, 600℃ 네 가지 최고온도로 열분해하여 얻었다. 암모니아성 질소 용액은 NH4Cl을 이용하여 준비하였다. 이후 20℃에서 바이오차 투여량 5 g/L 조건으로 초기농도 10 ~ 500 mg/L 용액에 대하여 등온흡착실험을 진행하였다. 흡착반응속도실험은 20℃에서 투여량 5 g/L 조건으로 초기농도 50 mg/L에서 진행하였다. 바이오차 투여 이후 pH는 NH4+의 pKa인 9.25 부근까지 증가하여 NH3(aq)가 액상에 존재할 수 있음을 확인하였다. 등온흡착곡선은 BET 모형에 의해 설명되었기에 응축에 의한 다층 흡착이 진행되는 것을 확인하였다. NH4+만이 흡착에 참여할 경우 쿨롱 반발력에 의해 응축이 일어날 수 없다. NH3(aq)가 흡착에 참여한다면 극성 분자의 쌍극자모멘트 또는 약한 수소결합으로 부터 응축에 의한 다층 흡착을 설명할 수 있다. 반응속도 실험결과 300℃에서 제조한 바이오차에 의한 암모니아성 질소 흡착은 유사 1차 반응속도 모형으로부터 설명할 수 있어 NH4+ 흡착이 주요한 것으로 생각된다. 300℃보다 높은 온도에서 제조한 바이오차의 경우 Elovich’s Equation이 암모니아성 질소의 흡착반응속도를 더 잘 설명하여 흡착 메커니즘을 NH4+ 흡착으로 설명할 수 없었다. Elovich’s Equation은 분자 상 물질의 화학적 흡착을 설명하는 모형이므로 NH3(aq)이 흡착에 참여하는 것으로 해석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 바이오차에 의한 암모니아성 질소 흡착은 NH4+ 이온의 흡착뿐만 아니라 NH3(aq)의 흡착도 함께 고려해야 함을 확인하였다.

The amount of food waste is generated every year in Korea. Despite food waste contain a large amount of valuable organic resources, The rate of recycling is low because of high moisture contents and sodium. It proposed a solution to the problem is the Hydrothermal carbonization (HTC) technology. The Bio-char is produced by HTC allows to increase the recycling uses. The agents of heavy metal adsorption are mainly used with lime and activated carbon. However, these have difficulties such as low economical feasibility and solubility. This study focused on the application of the adsorbent. It is expected to have advantages in heavy metal waste water like Acid Mine Drainage (AMD) or industrial effluent. In this study, the adsorption capacity of bio-char was measured with the conditions of the time and the amount of bio-char inputs to remove in the artificial AMD. Artificial waste water 10 ppm and 100 ppm was prepared using Cu, Pb, Cd, As, and analyzed a batch-test to find the optimum condition. The experimental results showed The optimal blending ratios with activated bio-char and contaminated water were 1 : 20 for high concentration (100 ppm), 1 : 100 for low concentration (10 ppm). As the results, the absorption efficiency of the heavy metals, shows more than 99% except for arsenic.

한 해 한국의 음식물 폐기물 발생량은 2012년 기준 13,209 ton/day 이며, 이는 전체 생활폐기물 발생량의 약 27%에 해당한다. 이처럼 다량으로 발생하는 음식물 폐기물은 유용한 유기성 자원을 다량 함유함에도 불구하고 재활용이 저조하다. 때문에 음식물 폐기물을 bio-char로 탄화시켜 활용성을 높이는 연구가 전 세계에서 수년전부터 진행 중이다. 문헌고찰을 통해 열수가압탄화반응으로 생성된 bio-char가 중금속 흡착이 가능하다는 것을 확인 하였다. 따라서 광산배수와 같은 고농도의 중금속 오염수 처리에 bio-char를 활용하여 중금속 흡착･침전 여부를 확인해 보고자 하였다. 본 연구에서는, 인공오염수를 제작하여 일정량의 bio-char를 일정시간 교반시켜 투입 전 / 후 농도 차이로 흡착율을 확인하고, 최적의 조건을 찾고자 하였다. 인공오염수는 Accustandard 사의 Reference Standard 를 사용하여 만들었고, 광산배수의 평균 오염농도에 맞추기 위해 증류수와의 희석으로 50ppm, 100ppm, 150ppm 으로 조성하였다. 중금속은 Cd, As, Hg, Pb, 6가 크롬을 분석하였고 한 비커에 복합적으로 혼합하였다. Bio-char 는 음식물폐기물 60kg을 2.2Mpa의 압력 하에 열수가압탄화반응을 통해 4시간동안 반응시켜 생성하였다. 그 후 bio-char의 미세기공을 증가시키기 위하여 KOH를 이용한 화학적 활성화를 시행하였다. 원 시료의 중금속 함량 분석, 교반 시간 별 중금속 제거율 분석, 교반속도 별 중금속 제거율 분석 등을 시행하였으며 인공오염수 및 처리수의 분석 평가는 pH, 중금속, 시안, 등의 항목을 분석하였다.

Due to rapid industrialization and population growth uncontrolled release of heavy metals are entered into the waters. Among these heavy metals Pb(II) is one of the major toxic metal and in recent years the production and consumption of lead is increasing worldwide. Pb(II) can be entered to aqueous streams from several industries and can enter into the humans food chain through drinking water and crop irrigation. Lead can causes severe damage to the kidney, nervous system, reproductive system, liver and brain. The permissible level for lead in drinking water is 0.05 mg/l. Thus in recent years a number of methods and materials were developed to removal Pb(II) from aqueous solutions. Among these material bio-chars obtained from plant materials have gained special attention due to their low-cost and abundant nature. In present investigation we have developed magnetic bio-char composite from pine bark. Pine trees are wide spread throughout the South Korea and the bark from pine tree has no commercial use and is available as waste. Thus we have utilized this waste inexpensive material from preparing bio-char composite. The pin bark obtained was initially made into fine powder and washed several times with water and was filtered. To this powder an appropriate amounts of nitrate salts of cobalt and iron dissolved in ethanol solution was added and stirred for 15 minutes. This solution was oven dried at 70℃ and this was further calcined at 900℃ in nitrogen atmosphere. As obtained material was washed several times with water and dried in oven over night. This was used as adsorbent for treating lead contaminated aqueous solutions. As obtained bio-char composite was used to remove Pb(II) from aqueous solutions. Various parameters influencing Pb(II) removal like initial pH, contact time and initial concentration were studied. Effect of pH on Pb(II) removal was studied in the pH range from 2-8 at Pb(II) concentration 10 mg/L using an adsorbent dose of 300 mg. At below pH 3 a lower percent removal was observed whereas above pH 4>90% removal was observed. Further effect of contact time on Pb(II) removal was studied from time range between 10-180 min. Two kinetic models pseudo-first, pseudo-second-order models were used to evaluated the kinetic data and found that the data was better fitted to the pseudo-second-order model. From the overall results it was found that as prepared magnetic bio-char composite prepared from pin bark waste was effective and economic for treating Pb(II) contaminated aqueous solutions.

바이오매스에서 얻어지는 바이오차는 토질 개량제와 탄소 격리제로 제한적인 분야에서 성공적으로 사용되고 있다. 현재 산업전반에서 CO2 에 의한 환경에 부정적인 영향을 완화시키고 지속가능성을 증진시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 고탄소 바이오차를 탄소 격리제 또는 시멘트의 혼화재로써 활용 가능성을 평가하고자 하였다. 견목재에서 얻어진 바이오차를 혼화재로 사용하여 시멘트 배합조건을 달리하면서 모타르의 압축강도, 마이크로구조, 압축강도, 유동성, 중량감소와 같은 화학적, 물리적 재료성질을 평가하였다. 또한 플리이애쉬를 사용한 모르타르의 역학적 특성과 비교 평가하였다.