[논문]석영모래 속에서의 Ferrihydrite 콜로이드 이동

김석휘; 이재훈; 박기훈; 김강주

[국내논문] 석영모래 속에서의 Ferrihydrite 콜로이드 이동
Transports of Ferrihydrite Colloids in Packed Quartz Sand Media 원문보기

韓國鑛物學會誌 = Journal of the Mineralogical Society of Korea, v.19 no.4 = no.50, 2006년, pp.231 - 238

김석휘 (군산대학교 공과대학 토목환경공학부) , , 이재훈 , , 박기훈 (군산대학교 공과대학 토목환경공학부) , 김강주 (군산대학교 공과대학 토목환경공학부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 컬럼실험을 통해서 여러 종류의 콜로이드가 같이 존재할 때의 거동을 관찰하였다. 본 실험에서는 일반 pH조건에서 서로 반대의 표면전하를 띠는 ferrihydrite (100 nm; 양전하)와 비정질 $SiO_2$ (40 nm, 80 nm; 음전하) 나노입자들와 음전하를 띠는 $177{\sim}250{\mu}m$의 석영을 고정상으로 이용하였다. 실험결과는, 양전하를 띠는 콜로이드(ferrihydrite)가 존재한다고 하더라도 그 비율이 많지 않으면 음전하를 띠는 콜로이드($SiO_2$)와의 상호작용에 의해서 석영고정상 속을 쉽게 이동될 수 있음을 보여주었다. 이는 자연조건하에서는 양전하를 띠는 오염물질과 음전하를 띠는 오염물질이 동시에 콜로이드에 의해서 이동될 수 있음을 지시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Transports of heterogeneously charged particles were investigated based on column experiments. Synthesized mono-dispersed ferrihydrite (${\sim}100nm$) and amorphous $SiO_2\;({\sim}40nm\;and\;{\sim}80nm)$ particles, of which surfaces are oppositely charged under pH < 9.0 (ferrihydrite, positive; amorphous silica, negative), were used. $177{\sim}250{\mu}m$ quartz sand was used as a stationary matrix. The results show that even favorable particles (i.e., ferrihydrite) can show a conservative transport through the oppositely charged media (i.e., quartz) when they coexist with humic acid or with much greater number of oppositely charged particles. These results imply that transports of both negatively and positively charged contaminants may be possible at the same time under a condition of heterogeneous colloidal system.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이러한 상황은 균질한 콜로이드만 존재할 때와는 전혀 다른 것이며, 균질한 콜로이드를 이용한 실험 결과로는 예측할 수 없다. 따라서, 본 연구에서는 자연상황에서처럼 불균질한 콜로이드 조건하에서 이들 입자들이 어떻게 움직이는 지를 관찰하였다.
본 연구에서는 일반 pH조건(5 ~ 9)에서 표면이 양전하를 띠는 ferrihydrite 입자가 음전하를 띠는 SiCh입자와 다양한 비율로 혼합된 콜로이드 용액을 준비하여, 이들이 음전하를 띠는 석영입자 사이를 어떻게 이동하는지를 관찰하였다. 본 연구에는 미국 Oak Ridge 국립연구소에서 합성된 107 nm의 ferrihydrite와 37 nm 및 80 nm 비정질 SiO₂ 콜로이드 용액이 이용되었다.
이들 입자들은 2<pH<9에서 각각 양전하(ferrihydrite)와 음전하(비정질 SiO₂를 띤다. 자연상황에서의 콜로이드 이동양상을 모사하는 것이 본 실험의 주된 목적인 바, 본 연구에서는 휴믹산(humic acid)이 존재하는 조건에서의 ferrihydrite입자의 이동양상도 관찰하였다. 본 실험에 이용된 휴믹산은 South Carolina의 습지에서 채취된 자연유기물질에서 추출된 것이다(Chen et al.
02 mL로 거의 일정하였다. 본 실험에서는 용출용액의 철농도를 분석하는 방법으로 ferrihydrite의 거동을 관찰하였다. 철농도 분석은 고순도 염산을 이용하여 콜로이드 입자를 모두 용해시킨 후, 일률적으로 10배 희석한 다음 ferrozine용액을 이용발색시켜 UV/Vis spectrometer를 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 ferrihydrite (10 ppm)만 단독으로 존재하는 경우(Exp. A), ferrihydrite (10 ppm)가 휴믹산(5 ppm)과 같이 존재하는 경우 (Exp. B), 그리고 ferrihydrite입자가 음의 표면전하를 띠는 비정질 SiC)2입자와 존재하는 경우 (Exp. C, D)에 대하여 수행되었다(표 1). 특히, ferrihydrite입자와 비정질 SiCh입자가 공존하는경우에 대한 실험에서는 그 혼합비율을 달리하여 실험하였다(Exp.

제안 방법

(2000)에 의하여 수행된 바 있다. 이들은 균질한 콜로이드를 실험에 이용하였으나, 고정상의 표면전하가 실제 자연환경에서처럼 불균질한 경우, 콜로이드의 이동이 어떻게 영향을 받는지에 대하여 실험을 수행하였다. 이들은 본 실험을 통하여 콜로이드와 전하적으로 우호적 조건을 갖는 고정상이 전체의 10%만 존재해도 콜로이드의 침전은 80%까지 증대될 수 있음을 관찰하였으며, 이 때문에, 고정상의 평균 표면전하 값을 가지고 콜로이드의 이동을 예측하는 모델은 무의미함을 주장하였다.
콜로이드의 분산상태는 pH뿐 아니라 이온강도에 의해서도 영향을 받을 수 있으므로, 컬럼내 체류시간(pore volume) 및 공극율 측정을 위한 추적자시험과 콜로이드 용액 주입실험은 별도로 수행되었다. 먼저 콜로이드 용액과 같은 pH의 염소이온(약 100 ppm)용액을 이용하여 보존성 화학종의 breakthrough curve를 얻었다.
수행되었다. 먼저 콜로이드 용액과 같은 pH의 염소이온(약 100 ppm)용액을 이용하여 보존성 화학종의 breakthrough curve를 얻었다. 이후에는 곧바로 three-way val.
바탕용액을 흘린 후에는 다시 three-way val.,e를 이용하여 실험모드로 전환시켜 콜로이드 용액을 흘려 보냄으로써 콜로이드가 이동되는 양상을 관찰하였다.
sonication하였다. 실험시 펌프속도는 0.4 ± 0.002 mL/min으로 항상 일정하게 유지시켜주었으며, 컬럼에서 용출되는 용액은 반응시간에 따라서 0.8 mL에서 4 mL씩 변화시키면서 자동시료채취기를 통하여 채취하였다. 처음 2~3 pore volume을 채취할 동안은 채취빈도를 작게 하여 관찰하였으며, 이후부터는 점차로 채취시간간격을 길게 하였다.
8 mL에서 4 mL씩 변화시키면서 자동시료채취기를 통하여 채취하였다. 처음 2~3 pore volume을 채취할 동안은 채취빈도를 작게 하여 관찰하였으며, 이후부터는 점차로 채취시간간격을 길게 하였다. 추적자를 이용하여 측정된 컬럼내 유효 공극율은 약 40%로 매 실험마다 일정하였으며, pore volume도 4.
본 실험에서는 용출용액의 철농도를 분석하는 방법으로 ferrihydrite의 거동을 관찰하였다. 철농도 분석은 고순도 염산을 이용하여 콜로이드 입자를 모두 용해시킨 후, 일률적으로 10배 희석한 다음 ferrozine용액을 이용발색시켜 UV/Vis spectrometer를 이용하여 분석하였다.
C, D)에 대하여 수행되었다(표 1). 특히, ferrihydrite입자와 비정질 SiCh입자가 공존하는경우에 대한 실험에서는 그 혼합비율을 달리하여 실험하였다(Exp. C, 5 ppm, 37 nm SiO2, 10 ppm ferrihydrite; Exp. D, 10 ppm, 80 nm SiO2, 10 ppm ferrihydrite). 순수하게 ferrihydrite 콜로이드 용액만을 이용한 Exp.
B의 경우는 ferrihydrite 콜로이드 이동이 휴믹산에 의해서 어떻게 변화되는지를 보여 줄 것이다. 본 실험에서는 모든 콜로이드 용액들의 이온강도와 pH를 각각 10-4 mM 및 5.8~6.1로 유지시켰다.

대상 데이터

본 연구에는 미국 Oak Ridge 국립연구소에서 합성된 107 nm의 ferrihydrite와 37 nm 및 80 nm 비정질 SiO₂ 콜로이드 용액이 이용되었다. 이들 입자들은 2<pH<9에서 각각 양전하(ferrihydrite)와 음전하(비정질 SiO₂를 띤다.
자연상황에서의 콜로이드 이동양상을 모사하는 것이 본 실험의 주된 목적인 바, 본 연구에서는 휴믹산(humic acid)이 존재하는 조건에서의 ferrihydrite입자의 이동양상도 관찰하였다. 본 실험에 이용된 휴믹산은 South Carolina의 습지에서 채취된 자연유기물질에서 추출된 것이다(Chen et al., 2002). 그림 1은 본 연구에 이용된 실험 장치에 대한 모식도이다.
,e를 이용하여 바탕용액을 최소한 10시간 이상 흘려 보냄으로써, 고정상의 표면화학이 콜로이드 용액과 미리 평형에 있도록 조정하였다(그림 1). 바탕용액은 실험대상이 되는 콜로이드 용액과 같은 pH 및 이온강도를 갖도록 NaCl, HCl 및 NaOH 용액을 이용하여 조제하였다. 바탕용액을 흘린 후에는 다시 three-way val.
본 실험에서는 177~250 nm의 석영입자를 고정상으로 사용되었으며, 석영입자는 HCl 20% 용액에 3개월간 담가 표면 불순물을 제거하였다. 이처럼 준비된 석영입자는 단면적 1 cm², 길이 10 cm의 HPLC컬럼에 증류수를 채 운후 공기가 들어가지 않도록 고무 막대로 천천히 두드리면서 채웠다.

성능/효과

이들은 균질한 콜로이드를 실험에 이용하였으나, 고정상의 표면전하가 실제 자연환경에서처럼 불균질한 경우, 콜로이드의 이동이 어떻게 영향을 받는지에 대하여 실험을 수행하였다. 이들은 본 실험을 통하여 콜로이드와 전하적으로 우호적 조건을 갖는 고정상이 전체의 10%만 존재해도 콜로이드의 침전은 80%까지 증대될 수 있음을 관찰하였으며, 이 때문에, 고정상의 평균 표면전하 값을 가지고 콜로이드의 이동을 예측하는 모델은 무의미함을 주장하였다. 고정상의 불균질성에 의한 효과를 콜로이드에 적용하여 보면, 표면전하가 균질하지 않은 콜로이드가 공존할 경우, 콜로이드는 쉽게 서로 엉기게 되어 큰 입자를 형성하고, 그 크기가 과도하게 커지면 침전될 것으로 예상해 볼 수 있다.
처음 2~3 pore volume을 채취할 동안은 채취빈도를 작게 하여 관찰하였으며, 이후부터는 점차로 채취시간간격을 길게 하였다. 추적자를 이용하여 측정된 컬럼내 유효 공극율은 약 40%로 매 실험마다 일정하였으며, pore volume도 4.0 ± 0.02 mL로 거의 일정하였다. 본 실험에서는 용출용액의 철농도를 분석하는 방법으로 ferrihydrite의 거동을 관찰하였다.
본 실험 결과는 자연상태에서는 고정상과 표면 전하가 서로 반대인 상황에서도 콜로이드가 흘러갈 수 있음을 보여준다. 이 같은 결과는 매우 중요한 환경적 의미를 갖는다.
이에 따라, 지금까지는 음전하콜로이드에 잘 흡착될 수 있는 양전하를 띠는 오염물질의 이 동만이 콜로이드를 매개로한 오염물질이동에서 주된 관심의 대상이 되어 왔다. 그러나, 양전하를 띠는 콜로이드도 휴믹산이나 음전하를 띠는 다른 콜로이드에 의해 음전하를 띠는 고정상속을 자유롭게 이동할 수 있음이 본 연구를 통하여 확인되었다. 이는 자연상태에서는 음전하를 띠는 오염물질과 양전하를 띠는 오염물질이 모두 동시에 콜로이드에 의해서 이동될 수 있음을 지시한다.

참고문헌 (11)

Chen, J., Gu, B., LeBoeuf, E.J., Pan, H. and Dai, S. (2002) Spectroscopic characterization of the structural and functional properties of natural organic matter fractions. Chemosphere, 48, 59-68

상세보기
Elimelech, M., Nagai, M., Ko, C.H. and Ryan, J.N. (2000) Relative insignificance of mineral grain zeta potential to colloid transport in geochemically heterogeneous porous media. Environmental Science and Technology, 34, 2143-2148

상세보기
Elimelech, M. and O'Melia, C.R. (1990) Kinetics of deposition of colloid particles in porous media. Environmental Science and Technology, 24, 1528-1536

상세보기
Harvey, R.W. and George, L.H. (1989) Transport of micro spheres and indigenous bacteria through a sandy aquifer: results of natural- and forced-gradient tracer experiments. Environmental Science and Technology, 23, 51-56

상세보기
Hayward, S.B. (1984) Field monitoring of chrysotile asbestos in California waters. Journal of American Water Works Association, 76, 66-73
Keswick, B.H., Wang, D.S. and Gerba, C.P. (1982) The use of microorganisms as ground-water tracers: A review. Ground Water, 20, 142-149

상세보기
Litton, G.M. and Olson, T.M. (1996) Particle effects on colloid deposition kinetics: evidence of secondary minimum deposition. Colloid and Surfaces, 107, 273-283

상세보기
Nightingale, H.I. and Bianchi, W.C. (1977) Groundwater turbidity resulting from artificial recharge. Ground Water, 15, 146-152

상세보기
Pulse, R.W. and Powell, R.M. (1992) Transport of inorganic colloids through natural aquifer material: Implication for contaminant transport. Environmental Science and Technology, 26, 614-621

상세보기
Ryan, J.N., Elimelech, M., Harvey, R.W. and Johnson, P.R. (1999) Bactriophage PRDI and silica colloid transport and recovery in an iron oxide-coated sand aquifer. Environmental Science and Technology, 33, 63-73

상세보기
Zhuang, J., Flury, M. and Jin, Y. (2003) Colloid-facilitated Cs transport through water-saturated Hanford sediment and Ottawa sand. Environmental Science and Technology, 37, 4905-4911

상세보기

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증