일라이트는 닳은 모서리(frayed edge)의 존재에 의하여 다른 알칼리 금속과 비교할 때 낮은 농도에서 선택적으로 Cs을 더 잘 흡수하는 것으로 알려져 있다. 이 닳은 모서리는 기존의 일반적인 흡착실헐에 의하여 존재한다고 알려져 있지만 다른 분석방법으로는 증명되지 않은 상태이다. 일라이트 표면에서의 Cs의 흡착특성을 알아보기 위하여 닳은 모서리를 증가시킨 인위적으로 풍화된 일라이트와 Cs을 여곤 농도에서 반응을 시켰다. 일라이트는 0.001 M의 HC1 용액에서 1시간, 2일, 14일 동안 반응시켜 K 이온의 방출 및 XRD, SEM, TEM 등으로 풍화상태를 확인하였다. 풍화되지 않은 일라이트와 풍화된 일라이트를 Na-일라이트로 교환한 후 $10^{-3}$ ～ $10^{-7}$ M 농도의 CsCl 용액에서 24시간 반응시켰다. Cs의 흡착특성은 $10^{ -5}$M Cs 용액농도를 기준으로 뚜렷한 차이를 보이다. 일라이트에 흡착된 Cs은 낮은 Cs 농도 (<$10^{-5}$ M )에서 높은 Cs 농도보다 상대적으로 많은 Cs이 흡착되었으며 이러한 상대적 흡착 농도는 용액의 농도가 낮아질수록 높아진다. 일반적으로 흡착된 Cs는 풍과가 오래된 시료일수록 낯은 농도에서 뚜렷하나 높은 농도에서는 그 차이가 적다. 이러한 결과는 낮은 농도에서 닳은 모서리라고 불리는 흡착자리의 존재에 의한 것이고 이러한 자리는 풍화가 진행됨에 따라서 증가된다.
일라이트는 닳은 모서리(frayed edge)의 존재에 의하여 다른 알칼리 금속과 비교할 때 낮은 농도에서 선택적으로 Cs을 더 잘 흡수하는 것으로 알려져 있다. 이 닳은 모서리는 기존의 일반적인 흡착실헐에 의하여 존재한다고 알려져 있지만 다른 분석방법으로는 증명되지 않은 상태이다. 일라이트 표면에서의 Cs의 흡착특성을 알아보기 위하여 닳은 모서리를 증가시킨 인위적으로 풍화된 일라이트와 Cs을 여곤 농도에서 반응을 시켰다. 일라이트는 0.001 M의 HC1 용액에서 1시간, 2일, 14일 동안 반응시켜 K 이온의 방출 및 XRD, SEM, TEM 등으로 풍화상태를 확인하였다. 풍화되지 않은 일라이트와 풍화된 일라이트를 Na-일라이트로 교환한 후 $10^{-3}$ ～ $10^{-7}$ M 농도의 CsCl 용액에서 24시간 반응시켰다. Cs의 흡착특성은 $10^{ -5}$M Cs 용액농도를 기준으로 뚜렷한 차이를 보이다. 일라이트에 흡착된 Cs은 낮은 Cs 농도 (<$10^{-5}$ M )에서 높은 Cs 농도보다 상대적으로 많은 Cs이 흡착되었으며 이러한 상대적 흡착 농도는 용액의 농도가 낮아질수록 높아진다. 일반적으로 흡착된 Cs는 풍과가 오래된 시료일수록 낯은 농도에서 뚜렷하나 높은 농도에서는 그 차이가 적다. 이러한 결과는 낮은 농도에서 닳은 모서리라고 불리는 흡착자리의 존재에 의한 것이고 이러한 자리는 풍화가 진행됨에 따라서 증가된다.
Illite has been known to adsorb Cs preferentially to other alkali cations, especially at lower Cs concentration due to the frayed edge site. This frayed edge site was only verified by isotherm experiments, but not by other analytical methods. To investigate the Cs sorption properties on the surface ...
Illite has been known to adsorb Cs preferentially to other alkali cations, especially at lower Cs concentration due to the frayed edge site. This frayed edge site was only verified by isotherm experiments, but not by other analytical methods. To investigate the Cs sorption properties on the surface of illite, artificially weathered illite with increasing frayed edge sites was reacted with Cs at different solution concentrations. The illite was weathered f3r 1 hour, 2 days, 14 days in 0.001 M HCl solution. With increasing reaction time, increasing amount of K in solution was observed, indicating formation of frayed edges by weathering, which was also verified by XRD, SEM, and TEM analysis. Original and weathered illites were converted to the homoionic Na form and reacted with $10^{-3}$ / ～ $10^{-7}$ M CsCl solutions for 24 hour. The aspect of Cs sorption was clearly distinguished around $10^{-5}$ M Cs concentration. The relative Cs amount sorbed on illite at low concentration (<10$^{-5}$ M) was higher than high concentration and increased with decreasing Cs concentration. In general, the amount of sorbed Cs increases with increasing weathering time and this trend is more noticeable at lower concentration while not much differentiated with weathering time at high concentration. These results indicate that the selective Cs sorption site exists in illite at low concentration, known as frayed edge site, and the number of those sites increases with weathering time.
Illite has been known to adsorb Cs preferentially to other alkali cations, especially at lower Cs concentration due to the frayed edge site. This frayed edge site was only verified by isotherm experiments, but not by other analytical methods. To investigate the Cs sorption properties on the surface of illite, artificially weathered illite with increasing frayed edge sites was reacted with Cs at different solution concentrations. The illite was weathered f3r 1 hour, 2 days, 14 days in 0.001 M HCl solution. With increasing reaction time, increasing amount of K in solution was observed, indicating formation of frayed edges by weathering, which was also verified by XRD, SEM, and TEM analysis. Original and weathered illites were converted to the homoionic Na form and reacted with $10^{-3}$ / ～ $10^{-7}$ M CsCl solutions for 24 hour. The aspect of Cs sorption was clearly distinguished around $10^{-5}$ M Cs concentration. The relative Cs amount sorbed on illite at low concentration (<10$^{-5}$ M) was higher than high concentration and increased with decreasing Cs concentration. In general, the amount of sorbed Cs increases with increasing weathering time and this trend is more noticeable at lower concentration while not much differentiated with weathering time at high concentration. These results indicate that the selective Cs sorption site exists in illite at low concentration, known as frayed edge site, and the number of those sites increases with weathering time.
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문제 정의
따라서 실제로 이러한 흡착 자리에 대한 직접적인 증거는 거의 없었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 흡착 자리의 존재를 확인하기 위하여 실험실에서 인공적으로 일라이트를 풍화시킨 후 이 시료들을 각기 다른 농도의 Cs 수용액에서 반응시켜 Cs 흡착 거동을 밝히고, 풍화에 따른 흡착특성의 변화를 통하여 흡착자리의 특성 변화를 관찰해 보고자 하였다.
제안 방법
Cs 이온의 선택적 흡착에 관여하는 일라이트의 닳은 모서리의 존재를 연구하기 위하여 순수한 일라이트를 1시간, 2일, 14일 동안 각각 풍화시켜서 인위적으로 풍화에 의한 닳은 모서리를 만든 시료로 흡착실험을 실시하였다. 풍화된 일라이트에서 용출된 K 이온의 농도를 분석한 결과 일라이트의 풍화시간이 길수록 K 이온의 농도 또한 높게 나타났으며, 여기서 용출된 K 이온은 X-선회절분석, 주사전자현미경 분석, 투과전자현미경 분석 결과 일라이트가 스멕타이트화된 양상이 나타나지 않는 것으로 볼 때, 일라이트의 풍화로 인해 형성된 닳은 모서리 자리에서 빠져 나온 것을 간접적으로 확인할 수 있었다.
Cs을 이용하였다. CsCl 수용액은 10-3〜 10-7 M의 범위에서 다양한 농도로 희석시켰으며, 모두 배경전해질을 0.01 M NaCl 용액을 동일하게 사용함으로써 이온강도의 영향을 배제시켰다. 흡착실험은 40 ㎎의 일라이트 시료에 40 mL의 CsCl 수용액을 혼합하여 25℃ 에서 24시간 동안 반응시킴으로써 평형에 이르게 하였다.
풍화된 시료와 풍화되지 않은 시료는 주사전자현미경 (Scanning Electron Micco-scope, SEM, S-4200, HITACHI)과 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM, H-7100, HITACHI) 분석을 실시하였다(기초과학지원연구원 대구분소). 또한 이들 4개의 시료를 슬라이드글라스에 정방향 시료를 만들어 X 선 회절분석 (X-Ray Diffraction, XRD, Phillips, 기초과학지원연구원 대구분소)을 실시하였고 같은 시료로 에틸렌글리콜 처리한 후 다시 X선회절분석을 실시하여 처리 전후의 변화를 관찰하였다.
흡착실험은 40 ㎎의 일라이트 시료에 40 mL의 CsCl 수용액을 혼합하여 25℃ 에서 24시간 동안 반응시킴으로써 평형에 이르게 하였다. 반응 후 용액은 원심분리 시키고, 유도결합플라즈마질량분석기(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer, ICP-mass, PQ3, VG Elemental Ltd., 대전 기초과학지원연구원)로 Cs의 농도를 측정하였다.
불순물을 제거시킨 일라이트 2 g을 0.001 M HCl 200 mL 용액과 항온수조기를 이용하여 25℃의 일정한 온도에서 170 rpm의 속도로 각각의 시료를 1시간, 2일, 14일 동안 반응시켰다. 그 후 각각의 용액을 3000 rpm의 속도로 10분 동안 원심분리 시킨 후 상층액을 플라스틱 용기에 따라냈다.
그 후 각각의 용액을 3000 rpm의 속도로 10분 동안 원심분리 시킨 후 상층액을 플라스틱 용기에 따라냈다. 이 상층액은 일라이트의 층간에서 빠져나온 K의 양을 측정하기 위해 기초과학 지원연구원 대구분소에서 원자흡수분광기 (Atomic Absorption Spectroscopy, AAS, Spectra AA 800, Varian)를 이용하여 분석을 수행하였다.
3은 일라이트의 풍화에 따른 Cs의 흡착양상을 알아보기 위해서 각 농도별로 반응 전 CsCl 용액의 Cs 농도에 대해서 반응 후 용액에 남아있는 Cs의 몰농도를 로그 함수로 나타낸 그래프이다. 일반적으로 흡착 실험결과는 반응용액의 농도에 대하여 흡착된 양을 표시하는 것이 일반적이지만 이런 등온흡착표시방법은 본 실험 결과와 같이 낮은 농도에서의 변화를 표시하는 데는 제한점이 있어서 반응 전 농도와 반응 후 농도를 그래프로 비교하였다. 반응 후 용액 속의 Cs의 몰농도는 10-5 M의 Cs의 평형 농도 주변에서 기울기의 양상이 뚜렷하게 구별되는데, 낮은 농도(10” M)에서의 기울기가 높은 농도에서 보다 급하게 나타나며 이는 낮은 농도에서 Cs이 상대적으로 많이 흡착됨을 지시한다.
풍화된 시료와 풍화되지 않은 시료는 주사전자현미경 (Scanning Electron Micco-scope, SEM, S-4200, HITACHI)과 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM, H-7100, HITACHI) 분석을 실시하였다(기초과학지원연구원 대구분소). 또한 이들 4개의 시료를 슬라이드글라스에 정방향 시료를 만들어 X 선 회절분석 (X-Ray Diffraction, XRD, Phillips, 기초과학지원연구원 대구분소)을 실시하였고 같은 시료로 에틸렌글리콜 처리한 후 다시 X선회절분석을 실시하여 처리 전후의 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 일라이트는 유문암의 열수변질에 의해서 형성된 경남 양산 지역의 유광 광산에서 산출된 시료를 사용하였다(Kim et al., 1990). 이 일라이트는 2 M1 형의 일라이트로서 BET 방법으로 측정한 순수한 일라이트의 비표면적은 7.
준비된 4개의 Na-일라이트와 Cs의 흡착에 사용된 Cs은 방사성 137Cs 대신에 화학적 특성이 동일하고 자연에서 100% 산출되는 비방사성 Cs인 133Cs을 이용하였다. CsCl 수용액은 10-3〜 10-7 M의 범위에서 다양한 농도로 희석시켰으며, 모두 배경전해질을 0.
이론/모형
알 수 있다. 풍화에 의하여 발생할 수 있는 팽창성 층간의 생성 여부를 알아보기 위하여 강도비 (Ir: Intensity ratio)를 Srodon and Eberl (1984)의 정의에 의하여 다음과 같이 구하였다.
성능/효과
또한 풍화시간에 따른 흡착된 양을 비교해 보면 낮은 농도에서는 풍화시간이 길수록 상대적으로 흡착된 양이 크게 나타난 반면에 높은 농도에서는 풍화시간에 따른 흡착된 양의 차이가 거의 나타나지 않았다. 따라서 일라이트의 흡착 자리 중 낮은 농도에서 Cs의 흡착에 선택성을 보이는 흡착 자리가 존재한다는 것을 알 수 있고, 이 자리는 닳은 모서리 자리이며, 풍화 시간이 길수록 닳은 모서리 자리의 양은 많아진다는 것을 알 수 있었다. 또한 Cs의 농도가 높을 때는 풍화에 따른 흡착된 양의 차이가 나타나지 않는 것으로부터 닳은 모서리 자리는 수용량은 작지만 다른 이온에 비해 원자반경이 큰 Cs의 흡착이 선택적으로 일어나는 것을 지시한다.
낮은 농도에서는 흡착된 Cs의 상대적인 양이 높은 농도에서 보다 높게 나타났다. 또한 풍화시간에 따른 흡착된 양을 비교해 보면 낮은 농도에서는 풍화시간이 길수록 상대적으로 흡착된 양이 크게 나타난 반면에 높은 농도에서는 풍화시간에 따른 흡착된 양의 차이가 거의 나타나지 않았다. 따라서 일라이트의 흡착 자리 중 낮은 농도에서 Cs의 흡착에 선택성을 보이는 흡착 자리가 존재한다는 것을 알 수 있고, 이 자리는 닳은 모서리 자리이며, 풍화 시간이 길수록 닳은 모서리 자리의 양은 많아진다는 것을 알 수 있었다.
일반적으로 흡착 실험결과는 반응용액의 농도에 대하여 흡착된 양을 표시하는 것이 일반적이지만 이런 등온흡착표시방법은 본 실험 결과와 같이 낮은 농도에서의 변화를 표시하는 데는 제한점이 있어서 반응 전 농도와 반응 후 농도를 그래프로 비교하였다. 반응 후 용액 속의 Cs의 몰농도는 10-5 M의 Cs의 평형 농도 주변에서 기울기의 양상이 뚜렷하게 구별되는데, 낮은 농도(10” M)에서의 기울기가 높은 농도에서 보다 급하게 나타나며 이는 낮은 농도에서 Cs이 상대적으로 많이 흡착됨을 지시한다. 풍화 시간에 따른 양상도 이 농도 주변에서 구별이 되는데 낮은 농도에서는 일라이트의 풍화 시간에 따라 상대적으로 흡착된 양의 차이가 커지는 경향을 볼 수 있지만 높은 농도에서는 흡착된 양에 별다른 차이를 보이고 있지 않다.
훨씬 큰 값을 갖게 된다. 본 시료들의 Ir 값은 풍화시키지 않은 일라이트 1시간, 2일, 14 일 동안 풍화시킨 일라이트의 순서대로 1.28, 1.25, 1.39, 0.82 등으로 실험의 오차를 고려하였을 때 대부분 1의 근처 값을 갖고 있으며 풍화시간이 길어질수록 Ir 값이 증가되지 않는 것으로 미루어 보아 풍화로 인하여 팽창 가능한 층의 증가가 일어나지 않았음을 보여준다.
본 실험에 사용된 일라이트의 시간에 따른 풍화는 Table 1에서처럼 반응시간이 길어질수록 K의 양이 증가함으로부터 시간에 따른 풍화의 진행정도를 알 수 있다. 풍화에 의하여 발생할 수 있는 팽창성 층간의 생성 여부를 알아보기 위하여 강도비 (Ir: Intensity ratio)를 Srodon and Eberl (1984)의 정의에 의하여 다음과 같이 구하였다.
이렇게 풍화된 일라이트에 대하여 Cs의 농도와 일라이트의 풍화시간에 따른 Cs의 흡착 특성을 비교해 본 결과, 일라이트에서의 Cs의 흡착은 낮은 농도(<10-5 M)와 높은 농도에서 흡착양상이 구별되었다. 낮은 농도에서는 흡착된 Cs의 상대적인 양이 높은 농도에서 보다 높게 나타났다.
시료로 흡착실험을 실시하였다. 풍화된 일라이트에서 용출된 K 이온의 농도를 분석한 결과 일라이트의 풍화시간이 길수록 K 이온의 농도 또한 높게 나타났으며, 여기서 용출된 K 이온은 X-선회절분석, 주사전자현미경 분석, 투과전자현미경 분석 결과 일라이트가 스멕타이트화된 양상이 나타나지 않는 것으로 볼 때, 일라이트의 풍화로 인해 형성된 닳은 모서리 자리에서 빠져 나온 것을 간접적으로 확인할 수 있었다.
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