제주도 Andisols Bo층 토양의 산성화에 대한 완충능력: 광물상 용해도 특성의 영향 Buffer Capacity of So Horizon Soils of Andisols from Jeju Island: Solubility Effect of Mineral Phases원문보기
제주도 안디졸(Andisol) 토양 분포지역 중 화산성 쇄설물과 현무암으로부터 기원된 두 토양의 Bo층을 대상으로 완충능력을 계산하고 토양의 알루미늄 용해도가 완충능력에 미치는 영향을 연구하였다. 주상실험 결과는 pH 6.0과 4.0 부근에서 완충작용이 일어남을 보여 주며, 현무암기원의 토양보다 화산쇄설암기원 토양의 완충능력이 더 큰 것으로 나타났다. 다양한 pH조건에서의 배치평형실험 결과 다량의 알루미늄 함유 광물상을 갖는 제주도 안디졸 토양 Bo층에서의 알루미늄 거동은 $Al(OH)_3$, 이모골라이트 혹은 프로토-이모골라이트 등의 고상에 주로 영향을 받는 것으로 나타났다. Bo층 토양의 광물조성, 배치 평형실험결과, 그리고 주상실험 결과를 종합해 볼 때, pH 4.0 부근에서 나타나는 뚜렷한 완충능력($\beta$)은 깁사이트 및 프로토-이모골라이트의 용해도 특성에 의해서 좌우되는 것으로 해석된다. pH 6.0 내외의 완충작용은 규산염광물의 용해도 및 염기성양이온의 양이온교환반응에 의해 진행되고 있으나, 낮은 염기성 포화도는 토양산성화가 더 진행될 경우 이러한 완충효과가 오래 지속되지 못할 것임을 지시한다.
제주도 안디졸(Andisol) 토양 분포지역 중 화산성 쇄설물과 현무암으로부터 기원된 두 토양의 Bo층을 대상으로 완충능력을 계산하고 토양의 알루미늄 용해도가 완충능력에 미치는 영향을 연구하였다. 주상실험 결과는 pH 6.0과 4.0 부근에서 완충작용이 일어남을 보여 주며, 현무암기원의 토양보다 화산쇄설암기원 토양의 완충능력이 더 큰 것으로 나타났다. 다양한 pH조건에서의 배치평형실험 결과 다량의 알루미늄 함유 광물상을 갖는 제주도 안디졸 토양 Bo층에서의 알루미늄 거동은 $Al(OH)_3$, 이모골라이트 혹은 프로토-이모골라이트 등의 고상에 주로 영향을 받는 것으로 나타났다. Bo층 토양의 광물조성, 배치 평형실험결과, 그리고 주상실험 결과를 종합해 볼 때, pH 4.0 부근에서 나타나는 뚜렷한 완충능력($\beta$)은 깁사이트 및 프로토-이모골라이트의 용해도 특성에 의해서 좌우되는 것으로 해석된다. pH 6.0 내외의 완충작용은 규산염광물의 용해도 및 염기성양이온의 양이온교환반응에 의해 진행되고 있으나, 낮은 염기성 포화도는 토양산성화가 더 진행될 경우 이러한 완충효과가 오래 지속되지 못할 것임을 지시한다.
Buffer capacities for two Bo horizon soils or Andisols developed from different parent materials have been investigated. The titration curves from column leaching experiment show that buffering occurred at pH 4.0 and 6.0. The buffer intensity or soil developed from pyroclastic materials (P-soil) is ...
Buffer capacities for two Bo horizon soils or Andisols developed from different parent materials have been investigated. The titration curves from column leaching experiment show that buffering occurred at pH 4.0 and 6.0. The buffer intensity or soil developed from pyroclastic materials (P-soil) is higher than that from basalts (B-soil). From batch test we have found that proto-imogolite and/or imogolite may control Al solubility as well as $Al(OH) _3$in the moderate acid condition. The buffer intensities ($\beta$) of P-soils were plotted on the theoretical buffering curve of $Al(OH)_3$, while $\beta$ of B-soils approached to that of proto-imogolite, which shows the solubility of short-range-order materials in P-soil control the buffer capacity. Buffering at pH 6.0 is thought to be the result of dissolution of some silicate clays and exchange reactions between $H^{+ }$and base-forming cations. Considering the amount of annual acid precipitation, aluminum solubility of Andisols, and the low BS (Base Saturation percentage), it can be predicted that prolonged acid precipitation will reduce the buffer capacity of soils and lead to soil acidification.
Buffer capacities for two Bo horizon soils or Andisols developed from different parent materials have been investigated. The titration curves from column leaching experiment show that buffering occurred at pH 4.0 and 6.0. The buffer intensity or soil developed from pyroclastic materials (P-soil) is higher than that from basalts (B-soil). From batch test we have found that proto-imogolite and/or imogolite may control Al solubility as well as $Al(OH) _3$in the moderate acid condition. The buffer intensities ($\beta$) of P-soils were plotted on the theoretical buffering curve of $Al(OH)_3$, while $\beta$ of B-soils approached to that of proto-imogolite, which shows the solubility of short-range-order materials in P-soil control the buffer capacity. Buffering at pH 6.0 is thought to be the result of dissolution of some silicate clays and exchange reactions between $H^{+ }$and base-forming cations. Considering the amount of annual acid precipitation, aluminum solubility of Andisols, and the low BS (Base Saturation percentage), it can be predicted that prolonged acid precipitation will reduce the buffer capacity of soils and lead to soil acidification.
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문제 정의
배치평형반응 결과는 대상시료에 다량 함유된 프로토-이모골라이트 및 깁사이트가 물과의 반응시 알루미늄의 주요 기원물질임을 보여주 며, 또한 이로부터 용해되는 알루미늄이 pH 완 중작용에 주요일 가능성을 제시한다. 따라서 프 로토-이모골라이트 등 알루미늄 함유고상의 완충능력을 주상실험결과와 비교 검토하고자 한다.
이러한 토양 구성광물과 산성강우 상호반응에서, 토양내에 다량 함유되어 있는 낮은 결정도를 갖는 고상의 용해도 특성이 수소이온 완충작용(*-bHuff- ering)의 지배적인 역할을 할 것으로 생각된다. 본 연구에서는 제주도의 대표적 토양인 안디졸 Bo층 토양에 대하여 주상실험(column exper- iment)과 배치평형실험(batch experiment)을 이용하여 현 상태에서의 완충능력을 규명하고, 이에 영향을 주는 광물상, 특히 주구성광물인 낮은 결정도의 알루미늄 함유 광물상의 용해도 특성이 토양완충능력에 미치는 영향을 정량적으로 알아보고자 하였다.
평형반응으로부터 채취된 시료의 분석 및 열 역학적 모델링 결과를 pH-pAl3+ 상관도 및 pH- pAl3++0.5p(H4SiO4) 상관도에 도시하여 A1(OH)3 및 (HO)3Al2O3SiOH 상에 대한 포화도 및 상관관계를 알아보고자 하였다(Fig. 3). pH-pAl3+ 상 관도에서 기울기가 이상적인 ai(oh)3 상들의 기울기 3보다 작게 나타난다.
제안 방법
채취한 시료는 교란을 최대한 방지하면서 아크릴 컬럼에 채워서 들밀도(bulk density), 입자 밀도(particle density), 공극률(porosity) 등 각종 물성을 측정하였다(Table 2). 0.01N HCl 용액 (pH 2.0)을 연동펌프(peristaltic pump)를 사용하여 평균 0.025 mL/분의 속도로 컬럼의 하부로 부터 주입하여 토양과 충분한 반응을 갖도록 한 후 상부에서 유출되는 반응용액을 일정한 시간 간격으로 채취하고 pH를 측정하였다. 대기가 반응용액의 pH에 주는 영향을 최소화하기 위해 실험기구 전체를 밀폐용기(glove box)에 넣은 상태에서 실험을 수행하였다.
시료 20 g 을, 예비실험을 통해 반응 후의 pH 값이 적절한 범위 내로 유지될 수 있도록 HCl 로 초기 pH가 조절된 200 mL의 용액에 넣어(1:10) 교반기로 약 2달 동안 상온에서 충분히 반응시킴으로써 이루어졌다. pH의 변화를 계속적으로 측정하여 더 이상의 변화가 감지되지 않은 시점을 평형에 근접한 것으로 간주하고 원심분리를 통해 반응액을 분리하였으며, 최종 pH 값을 측정하였다. 이후, 반응액 내에 형성될 수 있는 프로 토-이모골라이트 졸(sol) 및 A1-유기물 복합체가 Al(monomer)의 분석시에 함께 분석되어 분석치에 영향을 줄 수 있으므로 투석 (dialysis)을 실시하여 이를 배제하였다.
025 mL/분의 속도로 컬럼의 하부로 부터 주입하여 토양과 충분한 반응을 갖도록 한 후 상부에서 유출되는 반응용액을 일정한 시간 간격으로 채취하고 pH를 측정하였다. 대기가 반응용액의 pH에 주는 영향을 최소화하기 위해 실험기구 전체를 밀폐용기(glove box)에 넣은 상태에서 실험을 수행하였다. 주상 실험은 약 4개월간 실시하였으며, 장기간의 용출에 따른 변화를 알아보기 위해 현재도 진행 중에 있다.
4는 앞서 유도한 프로토-이모골라이트에 의한 이론적 완충능력을 제시하는 식 (3)을 도 시한 결과이다. 동일한 방법으로 깁사이트에 대한 완충능력을 계산하여 함께 도시하였다. 주상 실험결과로부터 각 pore volume 사이의 pH 및 첨가 수소이온 몰수 차이를 각 시료 pH에서의 완충능력(0)으로 Fig.
본 실험은 이미 이규호 등(2002)에 의해 실시된 바 있으며, 여기서는 이와 동일한 방법으로 보다 다양한 pH 조건에서 실시하였다. 시료 20 g 을, 예비실험을 통해 반응 후의 pH 값이 적절한 범위 내로 유지될 수 있도록 HCl 로 초기 pH가 조절된 200 mL의 용액에 넣어(1:10) 교반기로 약 2달 동안 상온에서 충분히 반응시킴으로써 이루어졌다.
분석결과에 대하여는 PHREEQC(Parkhurst, 1995; Charlton et al., 1997)를 이용한 열역학적 모델링을 실시하여 원소들의 활동도를 계산하고, 주요 고상들에 대한 용해도 특성을 파악하였다.
여기서 괄호는 이온 활동도를 나타내며, Keq 값은 Table 1에 제시된 평형상수이다. 상기 관계 식으로부터 고상과의 평형상태에 있는 다양한 pH 조건을 갖는 용액의 알루미늄 농도를 측정 함으로써 각 고상의 포화도 및 용액 내 알루미늄 거동에의 영향도를 정량화할 수 있다.
pH의 변화를 계속적으로 측정하여 더 이상의 변화가 감지되지 않은 시점을 평형에 근접한 것으로 간주하고 원심분리를 통해 반응액을 분리하였으며, 최종 pH 값을 측정하였다. 이후, 반응액 내에 형성될 수 있는 프로 토-이모골라이트 졸(sol) 및 A1-유기물 복합체가 Al(monomer)의 분석시에 함께 분석되어 분석치에 영향을 줄 수 있으므로 투석 (dialysis)을 실시하여 이를 배제하였다.
주상 및 배치 실험을 통해 채취한 모든 반응액의 Al(total), Si(total) 및 양이온《/产, Mg2+, Na+, K+) 농도는 원자흡광분석기를, 음이온(C「, NO3; SO42') 농도는 이온크로마토그래피를 이용하여 각각 분석하였다. 분석을 위하여 일부 반응액을 0.
채취한 시료는 교란을 최대한 방지하면서 아크릴 컬럼에 채워서 들밀도(bulk density), 입자 밀도(particle density), 공극률(porosity) 등 각종 물성을 측정하였다(Table 2). 0.
대상 데이터
시료는 화산쇄설암을 기원물질로 하는 지역과 현무암을 기원물질로 하는 두 개 지역의 안디졸 토양에서 채취하였다. 토양 pH는 표토층 pH(약 5) 값과는 달리 화산쇄설암 기원 안디졸 Bo층은 5.
이론/모형
A1 (monomer)의 분석은 8-hydroxyquinoline 방법 (Lalande and Hendershot, 1986)을, Si(mono- mer)의 분석은 Thomsen et a/.(1983)의 방법을 각각 이용하였다.
성능/효과
다양한 pH조건에서의 배치 평형실험에서 다량의 알루미늄 함유 광물상을 갖는 제주도 안디졸 토양 Bo 층의 알루미늄 거동이 A1(OH)3, 이모골라이트 혹은 프로토-이모골라이트 등의 고상에 주로 영향을 받는 것으로 나타났다. Bo 층 토양의 광물조성, 배치 평형실험결과, 그리고 주상실험결과를 종합해 볼 때, pH 4.
배치평형반응 결과는 대상시료에 다량 함유된 프로토-이모골라이트 및 깁사이트가 물과의 반응시 알루미늄의 주요 기원물질임을 보여주 며, 또한 이로부터 용해되는 알루미늄이 pH 완 중작용에 주요일 가능성을 제시한다. 따라서 프 로토-이모골라이트 등 알루미늄 함유고상의 완충능력을 주상실험결과와 비교 검토하고자 한다.
주상실험결과를 첨가된 수소이온 몰수에 대한 pH 변화로 도시한 결과, pH가 약 6.0 ~ 6.5 및 4.0 구간에서 강한 H+에 대한 완충작용이 일어나고 있음을 알 수 있다(Fig. 2). 현무암에서 기원한 토양의 경우 약 45일, 즉 11 pore volume정도의 용액과 반응했을 때 pH 6.
주상실험에서 채취된 시료의 분석 및 열역학적 계산 결과를 pH-pAl算 상관도 및 pH-pAl3++ 0.5p(H4SiO4) 상관도에 도시하여 보면(Fig. 3), 깁사이트 및 프로토-이모골라이트 모두에 대하여 포화상태에 있으며, 이들 고상의 용해도선 에 근접한 약 3의 기울기를 갖는다.
0구간의 완충현상이 나타나는데 비해, 현무암 기원 토양에서는 급격히 완충능력이 소모되면서 두 번째 완충구간으로 전이되는 것을 볼 수 있다. 주상실험은 현재 계속 진행 중이나, 화산 쇄설암 기원 토양에서는 pH 4.0구간에 도달한 후, 약 10 pore volume의 HCl 용액과의 반응을 통해서도 pH의 변화는 0.1 미만으로 활발한 완 충작용이 일어나고 있는 것을 확인할 수 있다. 반면에 현무암 기원 토양에서는 완충능력의 감 소가 현저하여 반응용액의 pH가 꾸준히 감소하는 결과를 보여준다.
시료는 화산쇄설암을 기원물질로 하는 지역과 현무암을 기원물질로 하는 두 개 지역의 안디졸 토양에서 채취하였다. 토양 pH는 표토층 pH(약 5) 값과는 달리 화산쇄설암 기원 안디졸 Bo층은 5.9, 현무암 기원의 안디졸 Bo층은 5.4 의 pH(in H2O) 값을 보이며, 두 시료 모두 약 57%의 공극율과 1 ~ 1.4 wt.%의 탄소함량을 보인다.
현재까지의 실험결과 pH 4.0에서의 완충작용 은 현무암기원 토양의 경우 약 2.6X10®몰수의 H* 가 공급되었을 때 거의 소실되었으며, 화산 쇄설암기원 토양은 완충효과가 사라지기 시작 하는 시 점 까지 약 3.3 X I(注몰수의 h*가 첨 가되었다. 프로토-이모골라이트 등 알루미늄함유광 물상에 의해서 완충작용이 조절되는 이 구간에서 이들 광물의 함량 및 용해도 특성이 완충능 력을 좌우할 것이다.
후속연구
따라서 제주도 토양에 대한 산성화 진행여부 및 그 속도에 대한 정확한 예측을 위하여는 지 속적인 상성강우에 대한 모니터링과 함께, 토양 의 구성광물 조성비 및 구성광물의 용해도 특 성, 그리고 다양한 특성을 갖는 토양의 분포에 대한 정보가 파악되어져야 할 것이다.
프로토-이모골라이트 등 알루미늄함유광 물상에 의해서 완충작용이 조절되는 이 구간에서 이들 광물의 함량 및 용해도 특성이 완충능 력을 좌우할 것이다. 장기적인 주상실험을 통해 완충능력의 종말점까지의 실험결과와 토양 시료의 광물상의 변화를 직접 모니터링한 자료가 추가되면 토양 산성화를 예측하는 기초적인 자료를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
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