본 연구에서는 pH 변화에 따른 카올리나이트-휴믹산, 카올리나이트-아메리슘 및 휴믹산-아메리슘 등의 이성분계 흡착반응을 조사하였다. 카올리나이트의 물리화학적 특성을 조사한 후, 휴믹산농도, 이온강도 및 pH 변화에 따른 카올리나이트에 휴믹산의 흡착실험을 하였다. pH 및 HA 농도가 증가함에 따라 KA에 대한 HA의 흡착율이 감소하였으나, 이온강도가 증가함에 따라 HA의 흡착율이 증가하였다. 또한 pH 변화에 따른 카올리나이트와 아메리슘과 흡착반응 및 아메리슘과 휴믹산과의 흡착반응도 연구하였다. 산성 및 중성영역에서는 Am이 HA에 쉽게 흡착되었으나, 염기성 영역에서는 정전기적 반발력으로 HA에 대한 Am 흡착이 감소되었다. 본 연구 결과는 수환경에서 휴믹산에 의한 아메리슘 흡착거동 특성을 이해하는데 활용이 가능하다.
본 연구에서는 pH 변화에 따른 카올리나이트-휴믹산, 카올리나이트-아메리슘 및 휴믹산-아메리슘 등의 이성분계 흡착반응을 조사하였다. 카올리나이트의 물리화학적 특성을 조사한 후, 휴믹산농도, 이온강도 및 pH 변화에 따른 카올리나이트에 휴믹산의 흡착실험을 하였다. pH 및 HA 농도가 증가함에 따라 KA에 대한 HA의 흡착율이 감소하였으나, 이온강도가 증가함에 따라 HA의 흡착율이 증가하였다. 또한 pH 변화에 따른 카올리나이트와 아메리슘과 흡착반응 및 아메리슘과 휴믹산과의 흡착반응도 연구하였다. 산성 및 중성영역에서는 Am이 HA에 쉽게 흡착되었으나, 염기성 영역에서는 정전기적 반발력으로 HA에 대한 Am 흡착이 감소되었다. 본 연구 결과는 수환경에서 휴믹산에 의한 아메리슘 흡착거동 특성을 이해하는데 활용이 가능하다.
In this study, the adsorption reactions in the binary component system such as kaolinite-humic acid, kaolinite-americium and humic acid-americium were investigated. After performing the basic physico-chemical properties of the kaolinite, the adsorption reactions of the humic acid on the kaolinite we...
In this study, the adsorption reactions in the binary component system such as kaolinite-humic acid, kaolinite-americium and humic acid-americium were investigated. After performing the basic physico-chemical properties of the kaolinite, the adsorption reactions of the humic acid on the kaolinite were carried out with varying concentration of humic acid and ion strength, and pH. With increasing HA concentration and pH, the sorption of HA onto KA decreased, while the sorption of HA onto KA increased with increasing ionic stre ngth. Also, with varying pH, the adsorption reactions of the americium-kaolinite and americium-humic acid were studied. In the acid and neutral region, Am easily adsorbed on the HA, while the sorption of Am on the HA in the alkali region decreased because of electrostatic repulsion. The results from these studies make it possible to understand the characteristics of adsorption behaviour of the americium by the humic acid in the water environment.
In this study, the adsorption reactions in the binary component system such as kaolinite-humic acid, kaolinite-americium and humic acid-americium were investigated. After performing the basic physico-chemical properties of the kaolinite, the adsorption reactions of the humic acid on the kaolinite were carried out with varying concentration of humic acid and ion strength, and pH. With increasing HA concentration and pH, the sorption of HA onto KA decreased, while the sorption of HA onto KA increased with increasing ionic stre ngth. Also, with varying pH, the adsorption reactions of the americium-kaolinite and americium-humic acid were studied. In the acid and neutral region, Am easily adsorbed on the HA, while the sorption of Am on the HA in the alkali region decreased because of electrostatic repulsion. The results from these studies make it possible to understand the characteristics of adsorption behaviour of the americium by the humic acid in the water environment.
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문제 정의
실리카 및 헤마타이트 등의 무기물과 우라늄 및 토륨등의 천연 방사성 핵종과 흡착에 대한 많은 연구가 보고되었으나, 자연 유기물인 HA과 점토물질인 KA의 흡착 반응에 대한 연구는 미미한 실정이다. 본 연구에서는 HA과 아메리슘 (Am) 및 점토입자 (KA)와 3성분계 흡착특성 연구에 앞서 pH 변화에 따른 KA-HA, KA-Am 및 HA-Am 등의 2성분계 흡착반응 특성을 조사하는 것을 목적으로 하였다 (Fig. 1 참조).
제안 방법
KA의 화합물 성분을 분석을 위해 ICP (Inductive Coupled Plasma) - AES (Atomic Emission Spectrometer)를 사용하였다. 8 M 질산을 사용하여 KA의 무기물을 추출한 후, ICP-AES를 사용하여 KA 성분 원소를 분석하였다.
KA에 대한 물리학적 특성 조사는 SEM (Scanning Electron Microscope) 및 XRD (X-Ray Diffraction)를 사용하였다.
SEM은 JEOL사의 JSM-6610 LV 기종을 사용하여 KA 구조를 조사하였고, XRD 측정에 사용한 X-선 회절기는 SIEMENS사의 D5000 모델로 측정시 X-선 발생전압과 전류는 40 kV와 40 mA로 조절하였고, X-선 방출 슬릿의 폭은1 mm, 검출슬릿의 폭은 0.1 mm, 간격별 측정시간은1 sec/0.02o (2θ)로 하였다.
흡착실험은 대기중 상온에서 수행하였다. pH를 3에서 10으로 조절한 0.01 M 및 0.1 M NaClO4 용액 10 mL에 KA 40 mg을 취하여 30 mL 폴리에틸렌 원심분리관에 각각 첨가한후 25 ℃로 조절된 항온 진탕기에 넣고 KA를 용액중에 평형 상태로 유지하기 위하여 수평 교반기에서 48시간 동안 교반시켰다. 교반 후 HA 기준용액 10 μL와 100 μL를 각각 첨가 하였다.
교반 후 HA 기준용액 10 μL와 100 μL를 각각 첨가 하였다.
KA를 함유한 용액의 pH를 5로 고정한 후, 일정량 (5 mg/L)의 HA을 첨가하여 6시간 동안 반응후에 KA에 대한 HA의 흡착율은 약 60%로 측정되었고, 72시간 경과 후에는 80% 이상의 HA이 KA에 흡착되었다. 또한 100시간 이상 교반시간을 해도 HA의 흡착율은 72시간과 비교하여 큰 변화가 없어서 본 연구에서는 교반시간을 72시간으로 고정하여 HA 흡착실험을 수행하였다.
HA 농도 측정시 Beer's law에 따라 HA의 농도의 함수이며 선형의 상관관계를 가지므로 UV/VIS spectrophotometer를 이용하여 HA을 쉽게 정량할 수 있다. 보통 HA을 측정하는 경우 absorbance를 3가지 다른 파장 즉, 254, 465, 665 nm에서 측정하나, 254 nm에서 흡광도 측정값이 가장 민감하므로 이 파장의 흡광도를 분석에 적용하였다. 본 실험에서는 HA의 초기농도가 5 mg/L와 50 mg/L에서 pH에 따른 UV254 변화를 측정하여 pH에 따른 흡광도의 변화를 측정하였다.
보통 HA을 측정하는 경우 absorbance를 3가지 다른 파장 즉, 254, 465, 665 nm에서 측정하나, 254 nm에서 흡광도 측정값이 가장 민감하므로 이 파장의 흡광도를 분석에 적용하였다. 본 실험에서는 HA의 초기농도가 5 mg/L와 50 mg/L에서 pH에 따른 UV254 변화를 측정하여 pH에 따른 흡광도의 변화를 측정하였다.
반응 후 시료용액을 초고속 원심분리기 (10,000 rpm, 60분)를 사용하여 원심분리하였다. 상등액을 5 mL 취한 후, 섬광체 (Ultima Gold AB) 15 mL를 취하여 20 mL 폴리에틸런 용기에 넣은 후, Am 방사능 농도를 액체섬광계수기 (Packard TR 2770)를 사용하여 측정 하였다.
제조된 0.01 M과 0.1 M의 NaClO4를 0.1 M의 HClO4과 0.1 M의 NaOH를 사용 하여 pH를 3∼11로 조절하여 흡착실험을 하였다.
흡착실험은 대기중 상온에서 수행하였다. pH를 3에서 10으로 조절한 0.
대상 데이터
1 M의 NaOH를 사용 하여 pH를 3∼11로 조절하여 흡착실험을 하였다. Amershan 에서 구입한 241Am를 희석하여 농도가 1 x 10-5 M Am(ClO4)3으로 조제하여 기준용액으로 사용하였다.
실험에 사용한 KA는 미국 점토광물협회 (clay minerals society ; CMS)에서 제공하는 표준점토 (source clay, KGa1b)를 구입하여 별도의 전처리 없이 사용하였다. HA은 Aldrich사의 HA을 화학적으로 분리/정제하여 사용하였다. 0.
02o (2θ)로 하였다. KA의 화합물 성분을 분석을 위해 ICP (Inductive Coupled Plasma) - AES (Atomic Emission Spectrometer)를 사용하였다. 8 M 질산을 사용하여 KA의 무기물을 추출한 후, ICP-AES를 사용하여 KA 성분 원소를 분석하였다.
1 M NaClO4 용액으로 조절하여 HA 기준용액 (stock solution) 농도를 5 g/L로 조제 하였다. NaClO4ㆍH2O (Merck) 시약을 이용하여 시료용액의 이온강도를 0.01 M과 0.1 M로 조절하였다. 제조된 0.
1에 나타내었는데 그 값들은 기존 문헌에 보고된 수치[6]와 유사한 값으로 나타내었다. 본 연구에서 사용한 Aldrich HA의 물리화학적 특성자료는 이미 발표된 논문을 참조하였다[7].
실험에 사용한 KA는 미국 점토광물협회 (clay minerals society ; CMS)에서 제공하는 표준점토 (source clay, KGa1b)를 구입하여 별도의 전처리 없이 사용하였다. HA은 Aldrich사의 HA을 화학적으로 분리/정제하여 사용하였다.
성능/효과
Am과 HA와의 흡착반응 실험 결과, 산성 및 중성영역에서는 Am과 HA와의 정전기적 반응으로 Am이 HA에 쉽게 흡착되었으나, 염기성 영역에서는 정전기적 반발력으로 산성 및 중성영역에 비해 HA에 대한 Am 흡착이 감소되었다. 또한 Am과 KA와의 흡착반응 결과 산성영역에서 Am의 70% 이상이 KA에 흡착되었고 중성 및 염기성 영역에서 Am의 95% 이상이 KA에 흡착되었다.
Fig. 6에서 pH 3 영역에서 이온강도에 따른 HA 흡착 변화를 살펴보면, 이온강도가 0.1 M NaClO4에서 HA의 80% 이상이 KA에 흡착되었고, 이온강도가 0.01 M NaClO4에서는 HA의 70% 이상이 KA에 흡착되었음을 관찰하였고 이온강도가 0.01 M에서 0.1 M로 변화할 때 흡착율이 증가하였다. 이온강도 변화에 따른 KA에 대한 HA 흡착율 변화는 HA의 형태 변화로 설명이 가능하다.
HA에 포함되어 있는 carboxyl group의 pKa 값이 pH 4.5부근이기 때문에 pH 4.5 이상에서 이온화된 형태가 주로 존재하게 되고 pH 3∼4에서도 약한 음전하를 띄게 되어 KA 표면에 정전기적 인력에 의한 음이온 흡착으로 KA에 대한 HA 흡착율이 높게 측정되었으며, pH가 높은 경우에는 HA내에 존재하는 많은 카르복실기가 해리되어 음전하가 강해지고 KA 표면도 음전하를 띄게 되므로 KA 표면과의 반발력에 의해 KA에 대한 HA 흡착이 감소됨을 알 수 있었다.
HA의 초기농도가 50 mg/L인 경우에 pH의 변화에 따른 흡착율 변화특성을 살펴보면 pH 3에서 HA의 70% 정도가 KA 에 흡착되었으며, pH 4∼5 부근에서 흡착율이 급격하게 떨어지는 것을 알 수 있었다.
또한 XRD 분석결과로부터 전형적인 KA [Al2Si2O5(OH)4] 구조와 일치함을 알 수 있었다. KA에 대한 pH는 10.3으로 측정되었고, 비표면적과 양이온교환능력은 각각 11.7 m2/g, 1.83 meq/100 g으로 측정되었다. KA에 질산을 가한 후 그 용액을 ICP-MS로 측정하여 화합물 조성을 Table.
7에 나타내었다. pH가 증가함에 KA에 대한 Am의 흡착율이 증가 하는 경향성을 보였다. pH 3에서 Am의 70% 이상이 KA에 흡착되었고, pH 6 이상에서 Am의 95% 이상이 KA에 흡착됨을알 수 있었다.
pH의 변화에 따른 KA에 대한 HA의 흡착율 변화특성을 살펴보면 HA의 농도가 5 mg/L인 경우 이온강도가 0.01 M에서 pH의 변화에 따른 HA의 흡착율 변화특성을 살펴보면 pH 3에서 HA의 90% 정도가 KA에 흡착되었으며, pH 9∼11 부근에서 흡착율이 급격히 감소함을 알 수 있었다.
SEM 분석결과 KA는 판상구조인 것으로 판명되었으며 규칙적인 결정으로 되어있지 않고 불규칙한 형태로 나타내었다. 또한 XRD 분석결과로부터 전형적인 KA [Al2Si2O5(OH)4] 구조와 일치함을 알 수 있었다. KA에 대한 pH는 10.
또한 HA의 형태는 pH에 따라 변하는데, 낮은 pH 영역에서는 밀집된 고리 (compact coil) 또는 구형의 모양을 하고 있어서 HA이 KA 표면 가장자리에 흡착이 잘되나, 높은 pH 영역에서는 HA이 연장된 사슬 (extended chain) 모양으로 용액 상에 존재하여 내부 분자의 전하 반발력의 원인이 되어 흡착율이 감소되었다고 생각된다[10]. 또한 낮은 pH 영역에서 HA은 KA 표면과음이온 혹은 리간드 교환에 의해서 흡착될 뿐만 아니라 HA 자체 침전도 HA 흡착율에 일정부분 기여하여 결과적으로 HA의 흡착율이 높게 측정되었다. 반면에 pH가 높은 경우에는 HA 내에 존재하는 더 많은 카르복실기가 해리되어 음전하가 강해지고 KA 표면도 음전하를 띄게 되므로 KA 표면과의 반발력에 의해 흡착이 감소되었다고 생각된다.
1 M) 및 HA 농도 (5 mg/L, 50 mg/L)에서 pH의 변화에 따른 KA에 대한 HA의 흡착율 변화 특성을 살펴보면 pH가 증가함에 따라 흡착율이 감소하였고, HA 농도 증가에 따라서 KA 대한 HA의 흡착율이 감소되었다. 또한 이온강도 변화에 따른 KA에 HA 흡착 실험 결과, 이온강도가 증가함에 따라 HA의 흡착율이 증가하였다.
낮은 pH에서 이온강도가 높을 경우 양전하를 띈 KA와 HA 사이의 정전기적 인력이 증가하고 높은 이온강도에서는 HA 거대분자의 음전하가 잘 차폐 (screen)되어 결국에는 HA이 무질서한 코일 (random coil) 형태로 꼬불꼬불 감기어서 KA에 흡착하는 특성이 증가되었다고 생각되며, 낮은 이온강도에서는 많은 HA 거대분자가선형형태의 열린구조 (open configration) 형태로 존재하여 KA에 흡착하는 성질이 감소되었다고 생각된다. 또한 이온강도 증가시에 KA의 electrical double layer가 수축되어 KA 표면의 zeta potential이 감소하여 즉 음전하가 감소하여 결과적으로 HA와 KA와 반발력이 감소하여 흠착율이 증가되었다고 생각된다. 따라서 이온강도가 증가할수록 HA 분자 내의 전하 반발력이 감소하고 이온강도를 더 증가시키면 거대 HA 분자는 용액 상에 존재하지 못하고 개별적으로 혹은 집합적으로 KA 표면에 흡착 또는 침전되는 것으로 생각된다[11].
본 연구결과 지하수 환경중의 HA 및 Am 거동은 지하수의 pH 영역이 산성이면 대부분의 HA이 KA 등의 점토광물과 흡착하여 침전 형태로 제거되나 염기성 영역에서는 가용성 착물 형태로 이동성이 증대되며 Am의 거동도 HA와 유사하여 산성영역에서는 HA와 Am이 쉽게 결합하여 침전형태로 떨어져서 이동성이 저하되나, 중성 및 염기성 영역에서는 HA와 착물을 형성하여 이동성이 증가된다고 생각된다. 본 연구에서는 KA-HA, KA-Am 및 HA-Am 등의 2성분계 흡착반응에 중점을 두고 기술하였으나, 차후에 3성분계 (HA-Am-KA) 흡착특성에 대한 연구를 수행할 예정이다.
본 연구에서 사용된 KA 및 HA의 물리화학적 특성은 기존 문헌에서 보고된 전형적인 KA 및 HA의 특성과 일치하였다. 경과시간을 변수로 pH 5에서 KA에 대한 HA 흡착실험 결과 48시간 경과후에 80% 이상의 HA이 KA에 흡착되었다.
일정한 이온강도 (0.01 M, 0.1 M) 및 HA 농도 (5 mg/L, 50 mg/L)에서 pH의 변화에 따른 KA에 대한 HA의 흡착율 변화 특성을 살펴보면 pH가 증가함에 따라 흡착율이 감소하였고, HA 농도 증가에 따라서 KA 대한 HA의 흡착율이 감소되었다. 또한 이온강도 변화에 따른 KA에 HA 흡착 실험 결과, 이온강도가 증가함에 따라 HA의 흡착율이 증가하였다.
후속연구
본 연구결과 지하수 환경중의 HA 및 Am 거동은 지하수의 pH 영역이 산성이면 대부분의 HA이 KA 등의 점토광물과 흡착하여 침전 형태로 제거되나 염기성 영역에서는 가용성 착물 형태로 이동성이 증대되며 Am의 거동도 HA와 유사하여 산성영역에서는 HA와 Am이 쉽게 결합하여 침전형태로 떨어져서 이동성이 저하되나, 중성 및 염기성 영역에서는 HA와 착물을 형성하여 이동성이 증가된다고 생각된다. 본 연구에서는 KA-HA, KA-Am 및 HA-Am 등의 2성분계 흡착반응에 중점을 두고 기술하였으나, 차후에 3성분계 (HA-Am-KA) 흡착특성에 대한 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하수 환경 내에서 용존 유기물은 어떤 역할을 하는가?
지하수 환경 내에서 용존 유기물 (dissolved organic matter)은 중금속 및 방사성 핵종 등의 금속이온과 착물을 쉽게 형성하여 오염물질을 변환시키거나 침전으로 제거하는 과정 등을 통하여 환경중 오염물질의 거동에 중요한 역할을 한다[1]. 휴믹 물질 (humic materials)은 동물과 식물의 분해과정에서 생성되는 천연 고분자물질로서 토양에서 흔히 발견되는 대표적인 용존 유기물이다.
휴믹 물질은 무엇인가?
지하수 환경 내에서 용존 유기물 (dissolved organic matter)은 중금속 및 방사성 핵종 등의 금속이온과 착물을 쉽게 형성하여 오염물질을 변환시키거나 침전으로 제거하는 과정 등을 통하여 환경중 오염물질의 거동에 중요한 역할을 한다[1]. 휴믹 물질 (humic materials)은 동물과 식물의 분해과정에서 생성되는 천연 고분자물질로서 토양에서 흔히 발견되는 대표적인 용존 유기물이다. 휴믹 물질은 주로 -COOH, -OH 등의 산성 작용기를 가지며 일반적으로 2∼10 meq g-1의 산도를 가진다[1].
휴믹 물질이 -COOH, -OH 등의 산성 작용기를 가짐으로서 어떤 역할을 하는가?
휴믹 물질은 주로 -COOH, -OH 등의 산성 작용기를 가지며 일반적으로 2∼10 meq g-1의 산도를 가진다[1]. 따라서 휴믹 물질은 토양환경에 노출된 금속이온에 대해 높은 친화력을 가지고 가용성의 이온교환처럼 작용하는 휴믹 콜로이드를 형성하며 자연환경에서 악티나 이드 이온들과 결합하는 중요한 역할을 한다. 휴믹 물질중 휴믹산 (humic acid, HA)은 분자량이 크고 음전하를 띠는 다가 전해질 (poly-electrolyte) 특성을 지니며, 자연수에서 직경이 2∼50 nm 크기의 친수성 콜로이드로 존재하며 점토, 알루미늄 또는 철 등의 금속산화물과 잘 결합한다[2].
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