[논문]동적광산란 방법을 이용한 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정성에 대한 연구

백민훈; 박종훈; 조원진

동적광산란 방법을 이용한 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정성에 대한 연구
A Study on the Stability of the Ca-Bentonite Colloids Using a Dynamic Light Scattering Method 원문보기

지하수토양환경 = Journal of soil and groundwater environment, v.11 no.3, 2006년, pp.12 - 19

백민훈 (한국원자력연구소) , 박종훈 (한스주식회사) , 조원진 (한국원자력연구소)

초록
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본 연구에서는 우리나라의 경주에서 산출된 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정성에 대한 연구를 동적광산란 방법을 이 용하여 이온강도 및 pH 등의 지화학적 조건 변화에 따른 크기 변화를 관측함으로써 수행하였다. 속도론적 및 평형상태에서 pH 및 이온강도의 변화에 따른 칼슘벤토나이트 콜로이드의 크기변화를 관측하였다. 실험결과 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정성은 접촉시간, 매질의 이온강도와 pH 에 매우 크게 의존함을 보였으며 0.01 M $NaClO_4$ 이상의 이온강도에서는 고려된 대부분의 pH 에서 콜로이드가 불안정함을 보였다. 아울러 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정비 W와 CCC(Critical Coagulation Concentration) 등을 속도론적 응집 실험 자료들을 이용하여 계산하였다. 안정비 W는 이온강도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 뚜렷하게 나타내었으며 pH 변화에 따른 W 값의 변화는 이온강도에 따라 다른 양상을 보였다. 또 pH 7 근처에서 칼슘벤토나이트 콜로이드의 CCC 는 약 0.05 M $NaClO_4$ 임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the stability of Ca-bentonite colloids from Gyeongju area was studied by investigating the changes in the size of the bentonite colloids using a dynamic light scattering method depending on the geochemical conditions such as pH and ionic strength. Kinetic and equilibrium coagulation behavior of the bentonite colloids was investigated by changing the pH and ionic strength of the bentonite suspensions. The results showed that the stability of the bentonite colloids strongly depended upon contact time, pH, and ionic strength. It was also shown that the bentonite colloids were unstable at higher ionic strength greater than 0.01 M $NaClO_4$ at whole pH values considered. In addition, the stability ratio Wand the critical coagulation concentration (CCC) were also calculated using the data from the kinetic coagulation experiments. The stability ratio W was decreased as the ionic strength increased and varied with pH depending on the ionic strength. The CCC of the Ca-bentonite colloids was about 0.05 M $NaClO_4$ around pH 7.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고준위방사성폐기물 처분장의 잠재적인 완충재 물질로 고려중인 국내 경주산 칼슘벤토나 이트를 이용하여 지화학적 조건 변화에 따른 콜로이드의 속도론적 응집 특성을 동적광산란 방법을 이용하여 고찰함으로서 방사성핵종 및 중금속과 같은 오염물 이동에 미치는 벤토나이트 콜로이드의 안정성을 평가하고자 한다.
본 연구서는 pH와 이온강도 등 용액의 지화학 조건 변화에 따른 속도론적 및 평형론적 응집특성을 콜로이드 입자크기의 변화를 동적광산란 방법을 이용하여 관측함으로서 국내 경주산 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정성에 대한 연구를 수행하였다. 실험결과 칼슘벤토나이트 콜로 이드의 안정성은 접촉시간 및 매질의 이온강도와 pH에 매우 크게 의존함을 보였으며 0.

제안 방법

사용된 레이저는 15 mW 고체상태 레이저(solid state laser)이고 측정가능한 입자크기 범위는 2 nm ~3 ㎛이고, 정확도는 단분산 (monodisperse) 입자들에 대해 약 1~2% 정도이고 재현성은 약 1~2%이다. 측정의 정확성을 위해 100 nm 표준 라텍스 입자들(Interfacial Dynamics Corporation)을 이용하여 측정기기를 검증하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 벤* 토]트는 경상북도 경주에서 산 출된 것으로 “경주벤토나이트”라 부른다. 경주벤토나이트의 주요 구성광물을 X-ray diflfractometer(XRD, D8 Advance, BrUker)를 이용하여 분석하였으며, 분석결과 약 59% 의 몬모릴로나이트(montmorillonite), 37%의 알바이트 (albite) 및 소량의 석영(quartz)과 클리놉틸로라이트(clinoptilolite) 등으로 구성되어 있다(Fig. 1 참조). 경주벤토나 이 트의 양이온 교환능(CEC, Cation Exchange Capacity)^ 71 meq.
본 연구에 사용된 벤* 토]트는 경상북도 경주에서 산 출된 것으로 “경주벤토나이트”라 부른다. 경주벤토나이트의 주요 구성광물을 X-ray diflfractometer(XRD, D8 Advance, BrUker)를 이용하여 분석하였으며, 분석결과 약 59% 의 몬모릴로나이트(montmorillonite), 37%의 알바이트 (albite) 및 소량의 석영(quartz)과 클리놉틸로라이트(clinoptilolite) 등으로 구성되어 있다(Fig.
시간 변화에 따른 벤토나이트 콜로이드의 크기를 측정하기 위하여 동적광산란(DLS, Dynamic Light Scattering) 또는 Quasi Elastic Light Scatterng(QELS)을 이용하는 PCS(Photon Correlation Spectroscopy) 방법을 이용하였 다(ZetaPlus BI-MAS, Brookhaven). 사용된 레이저는 15 mW 고체상태 레이저(solid state laser)이고 측정가능한 입자크기 범위는 2 nm ~3 ㎛이고, 정확도는 단분산 (monodisperse) 입자들에 대해 약 1~2% 정도이고 재현성은 약 1~2%이다. 측정의 정확성을 위해 100 nm 표준 라텍스 입자들(Interfacial Dynamics Corporation)을 이용하여 측정기기를 검증하였다.

이론/모형

시간 변화에 따른 벤토나이트 콜로이드의 크기를 측정하기 위하여 동적광산란(DLS, Dynamic Light Scattering) 또는 Quasi Elastic Light Scatterng(QELS)을 이용하는 PCS(Photon Correlation Spectroscopy) 방법을 이용하였 다(ZetaPlus BI-MAS, Brookhaven). 사용된 레이저는 15 mW 고체상태 레이저(solid state laser)이고 측정가능한 입자크기 범위는 2 nm ~3 ㎛이고, 정확도는 단분산 (monodisperse) 입자들에 대해 약 1~2% 정도이고 재현성은 약 1~2%이다.

성능/효과

시간이 증가함에 따라 벤토나이트 콜로이드 입자들의 크기가 갑자기 증가하다가 최대값에 도달한 후 점차 감소하는 경향을 모든 pH에서 보여주고 있다. 따라서 0.1 M NaCICU의 높은 이온강도에서는 벤토나이트 콜로이드들이 pH 상관없이 매우 불안정하다는 것을 알 수 있다.
001 M NaCICU의 낮은 이온강도에서 벤토나이트 콜로이드 입자들의 크기는 비록 그 변화가 크지는 않지만 모든 pH에서 시간이 증가함에 따라 증가하고 있음을 보여준다. 따라서 낮은 이온강도에서 벤토나이트 콜로이드 입자들은 대부분의 pH 영역에서 안정적임을 알 수 있었다.
준비된 칼슘벤토나이트 콜로이드 부유액을 오븐에서 105℃로 3일 동안 건조한 후 저울을 이용하여 부유액의 농도를 중력법으로 측정한 결과 약 1920 mg/L인 것으로 관측되었다. 또 XRD를 이용하여 구성광물을 분석한 결과 벤토나이트 콜로이드를 구성하는 주광물은 몬모릴 로나이트 이며 다른 부광물은 거의 없는 것으로 나타났다(Fig. 2 참조). 양이온교환능은 암모니아 전극(Thermo Orion)을 이용하여 (Busenberg and Clemency, 1973) NFLiCI을 벤토나이트의 이온교환 양이온과 치환하여 측정하였고 약 93.
01 M NaCICU일 때 pH 변화에 따른 벤토나이트 콜로이드 입자들의 속도론적 응집거동을 보여주고 있다. 시간 증가에 따라 벤토나이트 콜로이드 입자들의 크기 변화가 0.001 M NaClO₄ 일 때 보다 커졌고, 그 변화의 크기는 알카리 영역에서보다 산영역에서 더 크게 나타났다. 이것은 몬모릴로나이트 점토입자들이 알칼리 영역에서는 평판 점토입자들의 모서리점(edge sites)이 음전 하를 띠게 되고, 구조적으로 양이온 치환에 의해 형성된 층간음전하와 서로 동일 전하를 가지게 되어 안정화되는 반면, 산영 역에서는 점토입자들의 모서리점에서 양전하가형성되어 층간음전하와 서로 다른 전하를 띠게 되어 점토입자들이 서로 응집될 확률이 증가하기 때문이다(Lagaly and Ziesmer, 2003; Tombacz and Szekeres, 2004).
본 연구서는 pH와 이온강도 등 용액의 지화학 조건 변화에 따른 속도론적 및 평형론적 응집특성을 콜로이드 입자크기의 변화를 동적광산란 방법을 이용하여 관측함으로서 국내 경주산 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정성에 대한 연구를 수행하였다. 실험결과 칼슘벤토나이트 콜로 이드의 안정성은 접촉시간 및 매질의 이온강도와 pH에 매우 크게 의존함을 보였으며 0.01 M NaC₁₀4 이상의 이온강도에서는 pH에 상관없이 벤토나이트 콜로이드가 불안정함을 보였다. 아울러 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정비 W는 이온강도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 뚜렷하게 나타내었으며 pH 변화에 따른 W 값의 변화는 이 온강도에 따라 다른 양상을 보였고, 사용된 벤토나이트 콜로이드들의 모서리점들의 PZC가 약 pH 8 근처임을 실험 결과로부터 유추할 수 있었다.
01 M NaC₁₀4 이상의 이온강도에서는 pH에 상관없이 벤토나이트 콜로이드가 불안정함을 보였다. 아울러 칼슘벤토나이트 콜로이드의 안정비 W는 이온강도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 뚜렷하게 나타내었으며 pH 변화에 따른 W 값의 변화는 이 온강도에 따라 다른 양상을 보였고, 사용된 벤토나이트 콜로이드들의 모서리점들의 PZC가 약 pH 8 근처임을 실험 결과로부터 유추할 수 있었다. 또 pH 7 근처에서 벤토나이트콜로이드의 CCC는 약 0.
이온강도가 더 증가하여 0.1 M NaCIQt일 때는 모든 pH 영역에서 벤토나이트 콜로이드의 크기가 크게 증가하여 벤토나이트 입자들의 유효평균직경은 pH에 따라 약 7-10 ㎛ 정도인 것으로 나타났다. 그러나 상대적으로 pH의 영향은 적게 나타나고 있음을 보여 주었다.
준비된 칼슘벤토나이트 콜로이드 부유액을 오븐에서 105℃로 3일 동안 건조한 후 저울을 이용하여 부유액의 농도를 중력법으로 측정한 결과 약 1920 mg/L인 것으로 관측되었다. 또 XRD를 이용하여 구성광물을 분석한 결과 벤토나이트 콜로이드를 구성하는 주광물은 몬모릴 로나이트 이며 다른 부광물은 거의 없는 것으로 나타났다(Fig.

후속연구

또 이러한 콜로이드 입자들은 높은 수착성을 가지므로 유출된 방사성 핵종들과 결합하여 방사성 콜로이드의 형태로 이동할 가능성이 매우 높다. 따라서 본 연구의 결과들은 다양한 지화학적 조건에서의 벤토나이트 콜로이드의 안정성을 평가함으로써 방사성 핵종 및 중금속과 같은 오염물질의 지하매질을 통한 이동에 미치는 벤토나이트 콜로이드의 영향을 평가하는데 도움을 줄 것으로 사료된다.
따라서 본 연구의 결과들은 현재 방사성폐기물 처분장 의 인공방벽을 구성하는 잠재적 완충재로 고려되고 있는 국내 경주산 칼슘 벤토나이트로부터 벤토나이트 콜로이드 입자들이 발생된다면 이들 입자들은 일반적인 처분환경의 지하수 조건(즉, 낮은 이온강도 및 중성/칼칼리 영역)에서 매우 안정적이기 때문에 암반 균열에 존재하는 지하수를 따라 이동할 가능성이 있을 것으로 예상된다. 또 이러한 콜로이드 입자들은 높은 수착성을 가지므로 유출된 방사성 핵종들과 결합하여 방사성 콜로이드의 형태로 이동할 가능성이 매우 높다.
이러한 벤토나이트 콜로이드가 방사성폐기물 처분장으로부터 오염물질을 얼마나 유출시킬 수 있는가 하는 문제를 해결하기 위해서는 콜로이드의 발생, 안정성, 그리고 유동경로를 따른 이동 특성 등에 대한 연구를 필요로 한다. 지금까지 오염물질이 콜로이드와 결합하였을 때 더 긴 거리를 이동한다는 많은 보고들이 있었다(Buddemeier and Hunt, 1988; Penrose et al.

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저자의 다른 논문 :

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].

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