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문제 정의
- 특히 한우 사육 농가에서는 황토를 사료로 급여하여 사육하는 경우가 많이 있다. 따라서 이번 연구에서는 실제로 한우 사육에 사용하는 황토시료를 대상으로 이에 대한 광물성분 및 화학성분 등의 특성을 검토하였다. 황토에는 굵은 자갈에 해당되는 입자에서 점토에 이르기까지 다양한 입자들로 구성되어 있으며, 석영, 장석, 점토광물, 산화철광물 등의 여러 광물이 혼재되어 있다.
- 황토에는 굵은 자갈에 해당되는 입자에서 점토에 이르기까지 다양한 입자들로 구성되어 있으며, 석영, 장석, 점토광물, 산화철광물 등의 여러 광물이 혼재되어 있다. 따라서 황토의 유효한 특성 파악과 효과적 이용을 모색하기 위해서 황토 시료를 입도별로 분리하여 각 입도에 따른 광물성분과 화학적 특성을 밝히고자 연구하였다. 이러한 연구는 한우 사육 등의 가축 사료로 황토를 이용할 때보다 효과적으로 활용할 수 있는 유효한 자료를 제공하는데 목적이 있다.
- 따라서 황토의 유효한 특성 파악과 효과적 이용을 모색하기 위해서 황토 시료를 입도별로 분리하여 각 입도에 따른 광물성분과 화학적 특성을 밝히고자 연구하였다. 이러한 연구는 한우 사육 등의 가축 사료로 황토를 이용할 때보다 효과적으로 활용할 수 있는 유효한 자료를 제공하는데 목적이 있다.
- 이 논문은 1998년도 농림수산부의 농림기술개발연 구과제 연구비에 의해 연구되었음을 밝히며, 이에 감 사한다. 그리고 논문의 내용에 대해 좋은 지적과 평가를 해 주신 한국기초과학연구소의 이석훈 박사님 과 다른 심사위원님께도 감사 드린다.
- 황토의 입도분리에 따른 시료에 대하여 산 및 알카리 용액에 의한 원소들의 용탈실험과 양이온교환용량 측정 및 밀도 측정 등을 행하여 그 결과를 여기에 기술한다.
제안 방법
- 채취한 황토시료는 실내에서 자연건조시킨 후 표준채를 이용하여 자갈 및 모래를 분리하고 그 입도비를 측정하였다. 그리고 황토시료를 탄산나트륨용액에 분산시킨 후에 수중침 강법에 의하여 coarse clay (2 pm 이하) 및 fine clay (0.
- 채취한 황토시료는 실내에서 자연건조시킨 후 표준채를 이용하여 자갈 및 모래를 분리하고 그 입도비를 측정하였다. 그리고 황토시료를 탄산나트륨용액에 분산시킨 후에 수중침 강법에 의하여 coarse clay (2 pm 이하) 및 fine clay (0.2 m 이하)의 점토분으로 분리하였다. 원심 분리로 침강하지 않는 fine clay의 현탁액은 응집제인 NaCl로 응집 및 침강시킨 후 membrane tube (molecularporous membrane No.
- 수용액 내에서 황토의 현탁성을 향상시키고 미립분의 효과적인 분리방법을 검토하기 위하여 탄산나트륨(NaKQ)과 인산나트륨(NaPo3) 을 분산제로 사용하였다. 그리고 SCINCO사제 UV S-2100 U V - Spectrophotometer# 이용해서 410 nm에서 분산제의 농도에 따른 UV흡광도 (%)를 측정하여 현탁성을 검토하였다.
- 입도분리된 황토시료에 대해서 화학분석 (XRF, ICP/MS)을 행하였고, 점토시료에 대해서는 시차주사열용량분석(DSC)을 행하였다. 그리고 양이온치환용량(CEC)을 측정하였고 Micro- meritics사제 AccuPyc 1330 Pycnometer# 사용하여 밀도를 측정하였다.
- 입도분리된 황토시료에 대해서 화학분석 (XRF, ICP/MS)을 행하였고, 점토시료에 대해서는 시차주사열용량분석(DSC)을 행하였다. 그리고 양이온치환용량(CEC)을 측정하였고 Micro- meritics사제 AccuPyc 1330 Pycnometer# 사용하여 밀도를 측정하였다. 교환성양이온의 함량은 NHKIAc을 사용한 간이법(농업기술연구소, 1988)에 따라 분석하였다.
- 교환성양이온의 함량은 NHKIAc을 사용한 간이법(농업기술연구소, 1988)에 따라 분석하였다. 또한 rStandard Soil Color Charts(小山, 竹原, 1999)를 사용하여 색상 (Hue), 명도 (Value)/채도 (Chroma)를 결정하였다.
- 1 N NaOH을 각각 넣은 후 항온 진탕기를 이용하여 25℃를 유지하면서 1시간 흔들어 반응시켰다. 반응시킨 용액은 원심분리를 하고, 다시 거름종이로 거른 후 그 여액을 유도결합플라즈마 원자방 출분광분석(ICP/AES)을 이용하여 측정하였다.
- 축산 농가에서는 큰 돌들이 포함되지 않은 부더러운 황토는 그대로 가축에 급여하기도 하며, 경우에 따라 채망을 이용하여 굵은 것을 골라낸것을 사용하기도 한다. 황토를 사료용으로 채굴하여 모아둔 더미를 대상으로 시료를 채취하여 입도분석을 하였다. 우선 자연건조된 황토 시료를 #9 (2 mm) 채로 쳐서 자갈크기의 입자를 분리해 내었다.
- 미립의 황토입자를 분리하기 위하여 2 mm 이하의 황토시료와 탄산나트륨용액 을 사용하여 충분히 현탁시킨 후, #230 (1/16 mm) 채에 통과시켜 sand와 silt를 분리하였다. 그리고 분리된 silt 이하의 입도를 원심분리기를 이용한 수중침강법 에 의하여 silt와 2 "m 이 하인 clay를 분리하였다. 이렇게 분리된 clay를 다시 원심분리법으로 coarse clay와 fine clay로 분리하였다.
- 이렇게 분리된 clay를 다시 원심분리법으로 coarse clay와 fine clay로 분리하였다. 이상의 과정으로 분리된 각 입도를 건조시켜 중량에 대한 입도 비율을 구하였다. 그 결과, 실험에 사용한 황토시료는 gravel 15.
- 따라서 황토의 현탁성을 향상시키고 미립분의 효과적인 분리를 위해서는 분산제의 사용이 필히 요구된다. 분산제로는 인산나트륨, 탄산나트륨, 규산나트륨, 가성소다, 과산화수소 등의 여러 가지가 있지만 이번 연구에서는 비교적 일반적으로 사용되는 탄산나트륨(NazCO)과 인산나트륨((NaPC)3)6)을 채택하여 분산제의 농도에 따른 황토의 현탁성을 조 사하였다.
- 이들 분산제를 여러 농도의 용액으로 만들고, 각 용액 1000 mL에 2 mm 이하 입경의 황토 시료 100 g을 넣고 충분히 혼합하여 1시간 방치하였다. 그리고 그 상부의 액체를 채취하여 파장 410 nm에서 UV흡광도(%)를 측정하여 현탁성을 검토하였다. Fig.
- 황토 시료에 포함된 점토광물의 판별을 위해서 coarse clay (<2 m)와 fine clay (<0.2 "m)에 대하여 정방위시편을 만들어 각각 무처리, 에칠 렌글리콜처리, K 포화처리(25℃), K 포화 후가 열처리(300℃, 550℃) 등을 수행하였다. Fig.
- Coarse clay와 fine clay의 열적 특성을 검토하기 위해 시차주사열용량분석(DSC)을 행하여 Fig. 3에 나타냈다. 여기서 보듯이 80~100℃ 부근에 흡착수 및 층간수의 탈수에 의한 흡열 반응이 나타나고, 구조수의 탈수에 의한 490 및 5371'의 흡열반응이 나타난다.
- 각 입도로 분리한 시료에 대해 화학분석을 행하여 주성분원소와 미량성분원소 및 희토류 원소의 함량을 조사하였다. 주성분원소의 분석 결과(Table 3), 입도에 따라 원소함량에 많은 차이를 나타냈다.
- 천연상태 그대로의 황토 시료(이하 bulk라고 함)와 각 입도로 분리한 황토 시료(gravel, sand, silt, coarse clay, fine clay)에 대해서 구성광물 및 여러 특성에 대하여 검토하였다. 이들 입도에 따라 색도의 차이가 나타났으므로, 표준색도표를 이용하여 색상, 명도, 채도를 결정하여 Table 1에 나타냈다.
대상 데이터
- 본 연구에는 전북 익산지역에 넓게 분포하는 중생대 쥬라기 화강암을 모암으로 하는 풍화잔 류토인 적갈색의 황토를 사용하였다. 이 곳에는 적갈색의 황토층이 두껍고 넓게 비교적 잘 발달되어 있다.
- 이 곳에는 적갈색의 황토층이 두껍고 넓게 비교적 잘 발달되어 있다. 전북 익산시 함라면 신대리에 위치 하는 한우축산농장에서 한우사료용으로 실제로 사용하고 있는 황토를 채취하여 이를 대상으로 각종 실험을 행하였다. 이곳 익산지역에는 황토가 많이 분포되어 있고, 한우의 사육에 황토를 급여하는 축산농가가 많아 황토를 급여한 한우가 특산품으로 판매되고 있는 실정이다.
- 수용액 내에서 황토의 현탁성을 향상시키고 미립분의 효과적인 분리방법을 검토하기 위하여 탄산나트륨(NaKQ)과 인산나트륨(NaPo3) 을 분산제로 사용하였다. 그리고 SCINCO사제 UV S-2100 U V - Spectrophotometer# 이용해서 410 nm에서 분산제의 농도에 따른 UV흡광도 (%)를 측정하여 현탁성을 검토하였다.
이론/모형
- 이렇게 입도분리된 시료는 X-선 회절분석을 행하여 구성광 물을 식별하였다. X-선 회절분석은 Rigaku사 Geigerflex 2301을 사용하여 CuKa 선으로 Ni- filter를 사용하였다. 측정조건은 전압 30 Kv, 15 mA, scan speed는 2° 2 0 /min, 시정수 1 sec, slit 조건은 l°~0.
- 그리고 양이온치환용량(CEC)을 측정하였고 Micro- meritics사제 AccuPyc 1330 Pycnometer# 사용하여 밀도를 측정하였다. 교환성양이온의 함량은 NHKIAc을 사용한 간이법(농업기술연구소, 1988)에 따라 분석하였다. 또한 rStandard Soil Color Charts(小山, 竹原, 1999)를 사용하여 색상 (Hue), 명도 (Value)/채도 (Chroma)를 결정하였다.
- 주성분원소의 화학분석은 기초과학지원연구소 부산분소의 Philips사제 모델 Philips PW 2400 X-선 형광분석(XRF)로 실시하였고, 미량성분원 소와 희토류원소의 화학분석도 기초과학지원연 구소 부산분소 소재, PERKIN ELMER사제 모델 ELAN 6100 유도결합플라즈마 질량분석(ICP/ MS)을 사용하였다. 시차주사열용량분석(DSC)은 한국해양대학교 금속공학과 소재, MAC SCI- ENCE사제 모델 DSC-3300을 사용하였다.
- 주성분원소의 화학분석은 기초과학지원연구소 부산분소의 Philips사제 모델 Philips PW 2400 X-선 형광분석(XRF)로 실시하였고, 미량성분원 소와 희토류원소의 화학분석도 기초과학지원연 구소 부산분소 소재, PERKIN ELMER사제 모델 ELAN 6100 유도결합플라즈마 질량분석(ICP/ MS)을 사용하였다. 시차주사열용량분석(DSC)은 한국해양대학교 금속공학과 소재, MAC SCI- ENCE사제 모델 DSC-3300을 사용하였다. 시료는 각각 25 mg씩 사용하여, 분당 10℃의 승온 속도로 측정하였다.
성능/효과
- 우선 자연건조된 황토 시료를 #9 (2 mm) 채로 쳐서 자갈크기의 입자를 분리해 내었다. 그 결과 2 mm 이하 입경(모 래 이하)의 비율은 51.8%, 2 mm 이상 입경(자갈)의 비율은 48.2%로 나타났다. 약 절반에 가까운 비율로 2 mm 이상 입자가 매우 많이 포함되었다.
- 따라서 실제 입도 크기로 분리하기 위하여 황토 시료를 물에 충분히 세척하여 #9 (2 mm) 채에 통과 시켜서 순수 자갈을 분리해 내었다. 이렇게 분리한 결과, 전체 황토에 대한 2 mm 이상 입자의 비율은 15.5%이며, 2 mm 이하 입자의 비율은 84.5%로 작은 입도가 크게 증가되어 나타났다.
- 이상의 과정으로 분리된 각 입도를 건조시켜 중량에 대한 입도 비율을 구하였다. 그 결과, 실험에 사용한 황토시료는 gravel 15.5%, sand 31.7%, silt 27.6%, coarse clay 22.7%, fine clay 2.5%으로 나타났다. 입자가 큰 gravel과 sand가 차지하는 비율이 47% 정도이고, 입자가 작은 silt와 clay가 53% 정도로 나타났다.
- 5%으로 나타났다. 입자가 큰 gravel과 sand가 차지하는 비율이 47% 정도이고, 입자가 작은 silt와 clay가 53% 정도로 나타났다. 여기서 sand와 silt가 가장 많은 비율을 나타내고 fine clay가 가장 적은 함량을 나타냈다.
- 여기서도 아주 높은 농도에서는 흡광도가 감소하는 경향을 나타낸다. 이러한 결과로 보아 인산나트륨을 사용할 경우는 황토의 현탁에 효과적인 최적농도는 약 1 g/L인 것으로 나타났다.
- 주성분원소의 분석 결과(Table 3), 입도에 따라 원소함량에 많은 차이를 나타냈다. 전체적으로 보면, SiCh의 함량은 41.78-94.05%, AhO는 2.49 ~31.29%, Fe2O3 는 0.90- 14.35%, IGO는 1.75-6.16%, L.O.I (작열감량, 주로 H0)는 0.5~10%의 범위로 아주 큰 폭의 차이를 나타낸다. 이는 전술한 광물 조성의 차이에 크게 기인하기 때문으로 볼 수 있다.
- 0.1 N 염산에 의한 용출 실험 결과, 분석한 원소 중에는 Pb, Cr, Zn, Mn 등의 중금속들은 모든 시료에서 용출 함량이 아주 적게 나타났다 (Table 6). 그러나 이들은 미립의 점토입자 시 료에서 약간 함량이 높은 경향을 보인다.
- 황토의 입도에 따른 양이온치환용량(CEC)을 측정하여 Table 8에 나타냈다. 분석 결과, 양이 온치환용량은 fine clay에서 가장 높고 sand에서 가장 낮게 나타나서 입자의 크기가 감소할수록 양이온치환용량은 증가하는 경향을 보인다. 이는 입자가 작은 시료일수록 점토광물의 함량이 증가하고, 결정구조의 불규칙성이 증가되기 때문으로 생각된다.
- 08 g/cn"으로 나타났다. 입자가 작은 fine clay에서 가장 큰 밀도를 나타내어 입경이 작은 시료일수록 밀도가 증가하는 경향을 나타냈다. 특히 fine clay에는 밀도가 높은 산화철광물이 포함되어 있는 것도 영향을 끼칠 것으로 보인다.
- 금번 연구에 사용한 전북 익 산지역 의 황토를 입도 분석한 결과, gravel과 sand가 전체 황토에서 차지하는 비율이 47%로 비교적 많으며, silt 와 clay 등의미 립분이 차지하는 비율은 53%로 다른 지역의 황토(황진연 외, 2000)에 비해 비교적 적게 나타났다. 입자가 큰 gravel과 sand 시료에서는 주로 석영과 장석으로 구성되어 있어 가축 사료로서 효과가 거의 없는 것에 해당 된다.
- 그래서 수중에 현탁시 킨 후 침강법으로 분리하는 것이 가장 좋은 것으로 보인다. 황토의 현탁액을 만들기 위해서는 분산제가 필요한데, 이번 연구에서 분산제의 최적 농도가 도출되었다. 이를 이용하여 필요에 따른 입도로 황토를 정제할 수 있을 것으로 생각된다.
- 1. 전북 익 산지역 의 한우사육에 사용한 황토 시료를 입도분리한 결과, gravel 15.5%, sand 31.7%, silt 27.6%, coarse 이ay 22.7%, fine clay 2.5%로 구성된다. 47% 정도를 차지하는 grav이 및 sand에 해당 부분은 석영과 장석으로 구성되어 있어 가축의 급여에는 좋지 못한 부분으로 사료된다.
- 2. 황토의 미립분 분리에 필요한 분산제에 의한 분산특성의 검토 결과, 탄산나트륨의 분산 최적농도는 1.56 g/L, 인산나트륨의 분산 최적 농도는 1.0 g/L으로 나타났다.
- 3. 황토시료의 광물조성은 석영과 장석 이외 에 점토광물인 카오린광물, 일라이트, 수산화층 간 버미큘라이트(HIV)가 주로 나타났으며. Grav- el과 sand에는 석영과 장석으로 주로 구성되고, clay와 silt에는 점토광물의 함량이 우세하며, 산 화철광물은 fine clay에서 주로 포함된다.
- 4. 입도별 시료의 주성분원소 분석 결과, 입 도가 감소함에 따라 Al, Fe, 0의 함량이 증가 하여 점토광물의 함량 증가와 잘 일치한다.
- 5. 입도별 시료의 미량성분원소 분석 결과, Zn, Rb, Sr, Ba, 의 함량이 입도에 따라 큰 함량 차이를 보였다. Ba, Sre 장석이 많은 sand 에 다량 함유되어 주로 장석에 존재하는 것으로 나타났다.
- Ba, Sre 장석이 많은 sand 에 다량 함유되어 주로 장석에 존재하는 것으로 나타났다. Pb 및 Sme 입도 분리 과정에서 제거되기 쉬운 형태로 존재하는 것으로 나타났다. Nb, La, Th, Ce 등은 silt 시료에 가장 많은 함량을 보였다.
- 6. 교환성양이온 함량과 산 및 알카리에 의한 용탈 원소 함량 등은 입도가 작은 점토시료에서 높게 나타나, 황토의 활용에 유용한 특성이 증가하는 것으로 나타났다.
- 7. 가축사료 등 황토의 활용에 있어서 천연상 태의 황토를 그대로 사용하는 것보다는 입도 분리를 통한 정제과정을 거쳐서 미립의 점토분 을 주로 사용한다면 황토의 이온교환성, 원소 용탈성, 흡착성, 흡수성 등의 특성을 향상시킬 수 있을 것으로 나타났다.
후속연구
- 이것으로 보아 Pb는 그 수용액에 의한 입도 분리과정에서 제거되기 쉬운 형태로 존재함을 알 수 있다. 이와 같이 광물성분과 일치하여 미 량성분의 함량이 포함되어 나타나므로, 이를 통하여 미량성분의 존재형태를 알 수 있으며 가 축 사육에 대한 미량성분의 습취 정도를 파악 하는데 자료로 이용될 수 있다.
- 황토의 입도분리에 따른 광물조성과 화학적 특성에 대한 이번의 연구는 다방면에서 황토를 활용하는데 기초적인 자료로서 활용될 것으로 생각된다. 가축사료에 이를 이용할 경우는 가축 체내에서 광물 및 원소들의 거동과 그 효과에 대해서 축산, 광물, 생물 등의 여러 분야에서 유기적인 많은 연구가 이루어져야 될 것으로 생각된다.
- 황토의 입도분리에 따른 광물조성과 화학적 특성에 대한 이번의 연구는 다방면에서 황토를 활용하는데 기초적인 자료로서 활용될 것으로 생각된다. 가축사료에 이를 이용할 경우는 가축 체내에서 광물 및 원소들의 거동과 그 효과에 대해서 축산, 광물, 생물 등의 여러 분야에서 유기적인 많은 연구가 이루어져야 될 것으로 생각된다. 황토뿐만 아니고 벤토나이트, 제올라이트 등의 여러 광물을 사료로 이용하는데도 관련되기 때문에 이러한 축산분야에 대해서도 광 물학적 지식을 적용하는 많은 연구가 필요한 것으로 생각된다.
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