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문제 정의
- 본 연구에서는 원자력 2차 계통수를 모사한 염기성 환경에서 마그네타이트의 분산을 향상시키기 위해 카르복실기를 함유한 3종의 음 이온성 고분자(PAA, PMA, PAAMA)를 선정하여 이들의 첨가 농도가 마그네타이트의 분산 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 분산 특성을 평가하기 위해 염기성 환경에서의 마그네타이트 침강 시험, 투과율 측정, 입도 분석, 제타전위 측정을 수행하였다.
- 본 연구에서는 카르복실기를 함유한 고분자 3종을 선정하여 이들의 첨가가 마그네타이트 분산 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 후보 고분자 분산제로 polyacrylicacid (PAA, 분자량 : 100000, 99.
제안 방법
- 입도의 측정은 초음파를 이용한 분산 직후 측정된 결과와 12 h, 24 h 후 측정한 결과를 비교하여 응집 거동을 분석하였다. 12 h과 24 h 후 측정은 초음파로 분산시킬 경우, 응집이 진행된 입자의 분리 및 깨짐이 발생함으로 손으로 10회 정도 샘플 병을 흔들어 분산시킨 후 분석을 실시하였다. 재현성 확인을 위해 각 조건 당 3회 반복 측정을 실시하였다.
- 고분자 분산제가 마그네타이트의 제타전위에 미치는 영향을 평가하기 위해 전기영동(electrophoresis) 및 동적 광산란(dynamic light scattering) 원리를 이용한 BIC사의 제타전위/입도 분석기를 사용하였다. 제타전위 측정은 시료 셀 전극에 일정크기의 전기장을 걸어주어, 그 속에서 이동하는 마그네타이트의 전기영동속도를 측정한 후 분산매질의 점도 및 유전율의 관계를 통해 제타전위가 산출된다.
- 고분자 분산제가 수용액 상에 분산된 마그네타이트의 응집 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 시간차를 두고 입도 분석을 실시하였다. 입도 분석은 제타전위 측정에 사용된 장비와 같으며, 동적 광산란 원리를 이용한다.
- 분산 상태를 정량화하기 위해 투과율 측정을 수행한 후 분산 상태를 비교하였다. 투과율 측정 결과를 Figure 4에 나타내었다.
- 본 연구에서는 원자력 2차 계통수를 모사한 염기성 환경에서 마그네타이트의 분산을 향상시키기 위해 카르복실기를 함유한 3종의 음 이온성 고분자(PAA, PMA, PAAMA)를 선정하여 이들의 첨가 농도가 마그네타이트의 분산 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 분산 특성을 평가하기 위해 염기성 환경에서의 마그네타이트 침강 시험, 투과율 측정, 입도 분석, 제타전위 측정을 수행하였다.
- 제조된 시험 용액 내 마그네타이트를 분산시키기 위해 약 15 min간 초음파장비를 이용하였다. 분산된 마그네타이트 수용액의 초기 분산 상태와 24 h이 지난 후의 분산 상태는 사진촬영을 통해 비교하였다.
- 염기성 수용액 환경에서 음 이온성 고분자가 마그네타이트의 분산에 미치는 영향을 고찰하기 위해 이들의 종류 및 첨가 농도를 변화시켜가며 침강 시험을 진행하였다. Figure 3은 음 이온성 고분자 첨가 농도에 따른 마그네타이트의 침강 상태를 나타낸 그림으로, 왼쪽은 초음파로 분산시킨 직후 마그네타이트 수용액의 분산 상태이며, 오른쪽은 24 h이 지난 후의 분산 상태이다.
- 염기성 수용액 환경에서 음 이온성 고분자의 첨가가 마그네타이트 분산에 미치는 영향을 고찰하기 위해 침강 시험, 투과율 측정, 제타전위 측정, 입도 분석을 수행하였다.
- 음 이온성 고분자가 마그네타이트의 분산 거동에 미치는 영향을 육안으로 확인하기 위해 침강 시험을 수행하였다. 제조된 시험 용액 내 마그네타이트를 분산시키기 위해 약 15 min간 초음파장비를 이용하였다.
- 음 이온성 고분자가 마그네타이트의 분산에 미치는 영향을 알아보기 위해 침강시험, 투과율 측정, 제타전위 측정, 입도 측정을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 침강 시험 및 투과율 측정 시험은 저 농도의 마그네타이트가 첨가될 경우, 육안 확인 및 투과율 비교가 어렵기 때문에 1000 ppm의 농도를 첨가하였다. 음 이온성 고분자는 Table 1과 같이 0, 1, 10, 100, 1000 ppm까지 첨가하였다. 제타전위 측정과 입도 측정은 분석기기 특성상 1000 ppm의 마그네타이트를 첨가한 용액에서 측정이 불가능하여, 시험 용액의 제조 시 마그네타이트 농도는 100 ppm으로 고정하였다.
- 제타전위 측정과 입도 측정은 분석기기 특성상 1000 ppm의 마그네타이트를 첨가한 용액에서 측정이 불가능하여, 시험 용액의 제조 시 마그네타이트 농도는 100 ppm으로 고정하였다. 음 이온성 고분자는 침강 시험과 투과율 측정 시험의 농도비(ppm, 분산제/마그네타이트)에 맞춰 Table 2와 같이 0, 0.1, 1, 10, 100 ppm 까지 첨가하였다.
- 입도의 측정은 초음파를 이용한 분산 직후 측정된 결과와 12 h, 24 h 후 측정한 결과를 비교하여 응집 거동을 분석하였다. 12 h과 24 h 후 측정은 초음파로 분산시킬 경우, 응집이 진행된 입자의 분리 및 깨짐이 발생함으로 손으로 10회 정도 샘플 병을 흔들어 분산시킨 후 분석을 실시하였다.
- 12 h과 24 h 후 측정은 초음파로 분산시킬 경우, 응집이 진행된 입자의 분리 및 깨짐이 발생함으로 손으로 10회 정도 샘플 병을 흔들어 분산시킨 후 분석을 실시하였다. 재현성 확인을 위해 각 조건 당 3회 반복 측정을 실시하였다.
- 제작된 시험 용액들은 초음파를 이용하여 15 min간 수용액 내 마그네타이트를 분산시켰으며, 분산된 시험 용액을 측정용 셀(cell)에 옮겨담은 후 3회 반복 측정하여 재현성을 확인하였다.
- 음 이온성 고분자는 Table 1과 같이 0, 1, 10, 100, 1000 ppm까지 첨가하였다. 제타전위 측정과 입도 측정은 분석기기 특성상 1000 ppm의 마그네타이트를 첨가한 용액에서 측정이 불가능하여, 시험 용액의 제조 시 마그네타이트 농도는 100 ppm으로 고정하였다. 음 이온성 고분자는 침강 시험과 투과율 측정 시험의 농도비(ppm, 분산제/마그네타이트)에 맞춰 Table 2와 같이 0, 0.
- 침강 시험 및 투과율 측정 시험은 저 농도의 마그네타이트가 첨가될 경우, 육안 확인 및 투과율 비교가 어렵기 때문에 1000 ppm의 농도를 첨가하였다. 음 이온성 고분자는 Table 1과 같이 0, 1, 10, 100, 1000 ppm까지 첨가하였다.
대상 데이터
- 분산제로 사용될 고분자 구조를 Figure 1에 나타내었다. 마그네타이트는 입자 사이즈 50 nm 이하의 순도 98.99% 분말을 시그마 알드리치(sigma aldrich)사에서 구입하여 사용하였다.
- 본 연구에서는 카르복실기를 함유한 고분자 3종을 선정하여 이들의 첨가가 마그네타이트 분산 특성에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 후보 고분자 분산제로 polyacrylicacid (PAA, 분자량 : 100000, 99.99%), polymethacrylicacid (PMA, 분자량 : 3000, 99.99%, sodium salt), polyacrylicacid-co-maleicacid (PAAMA, 분자량 : 3000, 99.99%)를 시그마 알드리치(sigma aldrich)사에서 구입하여 사용하였다. 분산제로 사용될 고분자 구조를 Figure 1에 나타내었다.
이론/모형
- 분산 거동을 정량화하기 위해 다중 광산란(multiple light scattering) 원리를 이용한 formulaction사의 투과율 측정 장치(turbiscan)를 사용하였다. 투과율 측정은 샘플 내부로 보내진 광자(photon)가 여러 개의 입자들과 산란을 일으키기 때문에 다중 광산란이라고 하며, 이때 측정된 투과율(transmission) 또는 후방 산란(back scattering)되는 양(flux, %)을 가지고 정량적 및 정성적인 분산 거동을 분석할 수 있다.
- 고분자 분산제가 수용액 상에 분산된 마그네타이트의 응집 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 시간차를 두고 입도 분석을 실시하였다. 입도 분석은 제타전위 측정에 사용된 장비와 같으며, 동적 광산란 원리를 이용한다. 동적 광산란 원리는 분산매질에서 브라운 운동(brownian motion)을 하는 나노 입자들에 레이저 조사한 후 시간에 따른 산란광의 세기 변동을 분석하여 확산계수를 결정하고, 식 (1)의 스토크-아인슈타인 관계(Stokes-Einstein relationship)를 이용해 이 확산계수로부터 입도를 산출할 수 있다.
성능/효과
- 01 (ppm, 분산제/마그네타이트)인 1 ppm의 PAAMA를 첨가한 조건에서 분산 직후 초기 입도는 약 300 nm이며, 24 h 후의 입도 역시 약 300 nm로 입도의 변화가 거의 없었다. 0.1 ppm을 첨가한 조건에서는 분산 직후 약 250 nm에서 24 h 후 약 400 nm로 초기 입도에 비해 60% 정도 증가하였으며, 10 ppm 첨가한 조건의 분산 직후 입도는 270 nm에서 24 h 후 380 nm로 초기 입도에 비해 40% 정도 증가하였다. 100 ppm 첨가한 조건에서 분산 직후 입도는 약 290 nm에서 24 h 후 약 450 nm로 초기 입도에 비해 55% 증가하는 결과를 보여주었다.
- 1) 염기성 환경에서 마그네타이트의 분산성은 첨가되는 음 이온성 고분자의 농도에 따라 선형적으로 향상되는 것이 아니라, 특정 농도비를 이룰 때 분산효과가 극대화되었다. 본 시험에서는 농도비가 0.
- 첨가 농도에 따라 분산 상태가 비례하는 구간은 PAA와 마찬가지로 10 ppm까지였다. 10 ppm 이상의 농도에서는 PMA의 첨가 농도가 증가함에 따라 분산 상태가 감쇄되는 결과를 보여주었으며, 감쇄되는 정도는 PAA 비해 상대적으로 작았다.
- 첨가 농도에 따른 24 h 후 투과율을 비교해 보면 분산제를 첨가하지 않은 조건이 약 78%였으며, 1 ppm을 첨가한 조건이 약 72%로 분산제를 첨가하지 않은 조건에 비해 투과율이 미미하게 감소하였다. 10 ppm을 첨가한 조건에서는 투과율이 약 20%로 가장 작은 투과율 값을 보였으며, 이는 다른 조건에 비해 분산 향상 효과가 우수한 결과를 나타낸다. 100 ppm을 첨가한 조건에서 투과율은 약 57%, 1000 ppm을 첨가한 조건이 약 73%로 10 ppm 이상의 농도를 첨가하였을 경우, 침강 시험의 결과와 유사하게 분산 상태가 감쇄하는 결과를 보여주었다.
- PMA를 첨가한 조건에서도 첨가 농도와 비례하여 분산 상태가 향상되지 않았으며, PAA와 비슷한 경향을 보였다. 10 ppm의 PMA를 첨가한 조건에서 분산 향상 효과가 가장 우수했으며, 그 다음으로 첨가 농도가 100 ppm, 1000 ppm, 1 ppm 순으로 분산 향상 효과가 좋았다. 첨가 농도에 따라 분산 상태가 비례하는 구간은 PAA와 마찬가지로 10 ppm까지였다.
- 1 ppm을 첨가한 조건에서는 분산 직후 약 250 nm에서 24 h 후 약 400 nm로 초기 입도에 비해 60% 정도 증가하였으며, 10 ppm 첨가한 조건의 분산 직후 입도는 270 nm에서 24 h 후 380 nm로 초기 입도에 비해 40% 정도 증가하였다. 100 ppm 첨가한 조건에서 분산 직후 입도는 약 290 nm에서 24 h 후 약 450 nm로 초기 입도에 비해 55% 증가하는 결과를 보여주었다. PAAMA의 응집 거동 역시 PAA와 유사하게 농도비가 0.
- 10 ppm을 첨가한 조건에서는 투과율이 약 20%로 가장 작은 투과율 값을 보였으며, 이는 다른 조건에 비해 분산 향상 효과가 우수한 결과를 나타낸다. 100 ppm을 첨가한 조건에서 투과율은 약 57%, 1000 ppm을 첨가한 조건이 약 73%로 10 ppm 이상의 농도를 첨가하였을 경우, 침강 시험의 결과와 유사하게 분산 상태가 감쇄하는 결과를 보여주었다.
- 2) 염기성 환경에서 마그네타이트의 제타전위는 음 이온성 고분자 첨가 농도에 따라 음의 방향으로 상승하여 반발력 또한 증가하지만, 침강 시험 및 투과율 측정시험 결과 일정 농도 이상에서 제타전위의 크기와 분산성이 비례하지 않는 결과를 보였다. 이는 입자 표면에 과량으로 흡착된 고분자들의 가교에 의한 응집으로 인해 분산 상태가 감쇄하는 것으로 판단된다.
- 투과율 측정 결과를 Figure 4에 나타내었다. 24 h 동안 진행된 투과율 측정 결과를 보면 초기에는 마그네타이트의 침전이 진행되지 않아 투과율이 0%에 가까운 값을 나타내지만 시간이 흐름에 따라 침전이 진행되어 투과율이 점차적으로 증가하였다.
- 3) PAA와 PAAMA를 첨가한 조건에서 마그네타이트 입자의 시간에 따른 입도 분석결과 농도비가 0.01 (ppm, 분산제/마그네타이트)일 때 응집은 진행되지 않거나 천천히 진행되었다. 하지만 그 외의 농도에서는 시간이 흐름에 따라 응집이 진행되어 입도가 증가하는 결과를 보여주었다.
- PAA를 10 ppm 첨가한 조건에서 분산 향상 효과가 가장 우수하였으며, 그 다음으로 분산 향상 효과가 좋은 조건은 100 ppm을 첨가한 조건이었다. PAA 첨가 농도가 1 ppm, 1000 ppm 조건은 PAA를 첨가하지 않은 조건에 비해 미미하게 분상 상태가 향상되었다. PAA의 첨가 농도와 비례하여 분산성이 향상되는 구간은 10 ppm까지였으며, 그 이상의 농도에서는 첨가 농도가 증가함에 따라 10 ppm 첨가 조건에 비해 분상 상태가 감쇄하는 결과를 보여주었다.
- PAAMA를 첨가한 조건의 침강 시험 결과를 Figure 3(c)에 나타내었다. PAAMA 또한 다른 두 음 이온성 고분자를 첨가한 조건과 같이 24 h 후 10 ppm을 첨가한 조건에서 분산 향상 효과가 가장 우수했으며, 첨가 농도에 비례하여 분산 상태가 향상되는 구간은 10 ppm까지였다. 그 이상의 농도에서는 다른 두 음 이온성 고분자를 첨가한 조건에 비해 상대적으로 분산 상태가 급격히 감쇄하는 결과를 보여주었다.
- 01(ppm, 분산제/마그네타이트)일 때 시간에 따른 입도는 분산 직후 약 250 nm에서 24 h 후 약 260 nm로 변화가 거의 없었다. PAA가 0.1 ppm이 첨가된 조건에서는 분산 직후 약 300 nm에서 24 h 후 약 520 nm로 초기 입도에 비해 73% 정도 증가하였으며, PAA가 10 ppm 첨가된 조건에서는 분산 직후 약 250 nm에서 24 h 후 450 nm로 초기 입도에 비해 80% 정도 증가하였다. PAA가 100 ppm 첨가된 조건에서는 분산 직후 약 350 nm에서 24 h 후 470 nm로 초기 입도에 비해 28% 정도 증가하였다.
- PAA를 첨가하지 않은 조건보다 첨가한 조건에서 분산 상태는 향상되지만, 첨가 농도와 비례하여 분산 상태가 향상되지 않았다. PAA를 10 ppm 첨가한 조건에서 분산 향상 효과가 가장 우수하였으며, 그 다음으로 분산 향상 효과가 좋은 조건은 100 ppm을 첨가한 조건이었다. PAA 첨가 농도가 1 ppm, 1000 ppm 조건은 PAA를 첨가하지 않은 조건에 비해 미미하게 분상 상태가 향상되었다.
- 초음파를 이용한 분산 직후 마그네타이트의 분산 상태는 모두 비슷하지만, 24 h이 지난 후 분산 상태는 PAA 첨가 농도에 따라 큰 변화가 있었다. PAA를 첨가하지 않은 조건보다 첨가한 조건에서 분산 상태는 향상되지만, 첨가 농도와 비례하여 분산 상태가 향상되지 않았다. PAA를 10 ppm 첨가한 조건에서 분산 향상 효과가 가장 우수하였으며, 그 다음으로 분산 향상 효과가 좋은 조건은 100 ppm을 첨가한 조건이었다.
- PAA 첨가 농도가 1 ppm, 1000 ppm 조건은 PAA를 첨가하지 않은 조건에 비해 미미하게 분상 상태가 향상되었다. PAA의 첨가 농도와 비례하여 분산성이 향상되는 구간은 10 ppm까지였으며, 그 이상의 농도에서는 첨가 농도가 증가함에 따라 10 ppm 첨가 조건에 비해 분상 상태가 감쇄하는 결과를 보여주었다.
- pH 9∼9.5의 염기성 수용액 조건에서 마그네타이트의 제타전위는 약 -35 mv를 나타내었으며, 음 이온성 고분자의 첨가 농도가 증가함에 따라 음의 방향으로 상승하는 결과를 보였다.
- X축은 측정용 유리병의 높이를 나타내며, Y축은 각 높이에 따른 투과율 값을 나타낸다. 각 시간대별로 측정된 모든 높이에서의 투과율 값을 평균 내어 용액 전체의 투과율로 나타내었으며, 2회 반복 시험을 진행하여 재현성을 확인하였다.
- 첨가 농도에 따른 24 h 후 투과율은 1 ppm을 첨가한 조건에서 약 78%로 분산제를 첨가하지 않은 조건과 비슷한 결과를 보여주었으며, PMA 역시 첨가 농도가 10 ppm일 때 약 10%로 다른 조건에 비해 분산 향상 효과가 우수하였다. 그 이상의 농도에서는 PAA를 첨가한 조건과 유사하게 투과율이 증가하였지만, 100 ppm에서 약 30%, 1000 ppm에서 약 60%로 PAA를 첨가한 조건에 비해 증가 폭이 작았다. 이는 10 ppm 이상의 농도에서 분산성이 감쇄하는 정도가 PAA에 비해 상대적으로 작다는 결과를 나타낸다.
- PAAMA 또한 다른 두 음 이온성 고분자를 첨가한 조건과 같이 24 h 후 10 ppm을 첨가한 조건에서 분산 향상 효과가 가장 우수했으며, 첨가 농도에 비례하여 분산 상태가 향상되는 구간은 10 ppm까지였다. 그 이상의 농도에서는 다른 두 음 이온성 고분자를 첨가한 조건에 비해 상대적으로 분산 상태가 급격히 감쇄하는 결과를 보여주었다. 특히 1000 ppm을 첨가한 조건에서는 응집으로 인해 대부분의 마그네타이트가 침강되어 분산제를 첨가하지 않은 조건과 비슷한 결과를 보여주었다.
- 농도비(ppm, 분산제/마그네타이트)가 0.01일 때까지 제타전위 크기가 증가함에 따라 분산 상태가 비례적으로 향상되었으나, 농도비가 0.01 이상에서는 제타전위는 상승하지만 분산 상태는 농도비 0.01조건에 비해 상대적으로 감쇄하는 경향을 보인다(Figures 3∼5).
- PAAMA를 첨가한 조건의 투과율 측정 결과를 Figure 4(c)에 나타내었다. 농도에 따른 24 h 후 투과율은 다른 두 음 이온성 고분자와 마찬가지로 PAAMA를 10 ppm 첨가한 조건에서 약 13%로 분산 향상 효과가 가장 우수하였다. 그 외의 조건에서는 약 77∼79%로 분산제를 첨가하지 않은 조건과 비슷한 결과를 보여주었다.
- 1) 염기성 환경에서 마그네타이트의 분산성은 첨가되는 음 이온성 고분자의 농도에 따라 선형적으로 향상되는 것이 아니라, 특정 농도비를 이룰 때 분산효과가 극대화되었다. 본 시험에서는 농도비가 0.01 (ppm, 분산제/마그네타이트)일 때 분산 향상 효과가 현저하였다.
- 모든 시험조건에서 24 h 후 측정된 투과율 결과를 Figure 5에 종합하여 나타내었다. 시험에 사용된 3종의 고분자 모두 농도비(ppm, 분산제/마그네타이트)가 0.01일 때 즉, 분산제의 첨가 농도가 10 ppm에서 다른 조건에 비해 분산 향상 효과를 우수하였으며, PMA가 분산제로 쓰였을 때 다른 고분자들에 비해 상대적으로 분산 향상 효과가 우수하였다.
- PMA를 첨가한 조건의 투과율 측정 결과를 Figure 4(b)에 나타내었다. 첨가 농도에 따른 24 h 후 투과율은 1 ppm을 첨가한 조건에서 약 78%로 분산제를 첨가하지 않은 조건과 비슷한 결과를 보여주었으며, PMA 역시 첨가 농도가 10 ppm일 때 약 10%로 다른 조건에 비해 분산 향상 효과가 우수하였다. 그 이상의 농도에서는 PAA를 첨가한 조건과 유사하게 투과율이 증가하였지만, 100 ppm에서 약 30%, 1000 ppm에서 약 60%로 PAA를 첨가한 조건에 비해 증가 폭이 작았다.
- PAA를 첨가한 조건의 투과율 측정 결과를 Figure 4(a)에 나타내었다. 첨가 농도에 따른 24 h 후 투과율을 비교해 보면 분산제를 첨가하지 않은 조건이 약 78%였으며, 1 ppm을 첨가한 조건이 약 72%로 분산제를 첨가하지 않은 조건에 비해 투과율이 미미하게 감소하였다. 10 ppm을 첨가한 조건에서는 투과율이 약 20%로 가장 작은 투과율 값을 보였으며, 이는 다른 조건에 비해 분산 향상 효과가 우수한 결과를 나타낸다.
- PMA를 첨가한 조건에서 시간에 따른 입도 분석 결과를 Figure 7(b)에 나타내었다. 투과율 측정 결과와 비교 하였을 시 농도비가 0.01 (ppm, 분산제/마그네타이트)에서 다른 고분자들에 비해 상대적으로 분산 향상 효과가 우수하였지만, 입도 분석 결과는 모든 조건에서 입도가 증가하는 결과를 보여주었다. 이는 마그네타이트 농도가 입도분석장치의 측정농도 한계치인 100 ppm으로 투과율 측정 시험 마그네타이트 농도(1000 ppm)에 비해 1/10 수준의 농도이기 때문에 발생되는 문제로 판단되며, 추후 정밀한 입도 분석을 통해 연구를 진행할 예정이다.
후속연구
- 01 (ppm, 분산제/마그네타이트)에서 다른 고분자들에 비해 상대적으로 분산 향상 효과가 우수하였지만, 입도 분석 결과는 모든 조건에서 입도가 증가하는 결과를 보여주었다. 이는 마그네타이트 농도가 입도분석장치의 측정농도 한계치인 100 ppm으로 투과율 측정 시험 마그네타이트 농도(1000 ppm)에 비해 1/10 수준의 농도이기 때문에 발생되는 문제로 판단되며, 추후 정밀한 입도 분석을 통해 연구를 진행할 예정이다.
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