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문제 정의
- 천연방사성핵종으로부터 방출되는 방사선량은 일반 환경에서 인체에 미치는 영향이 미비하지만 산업활동 등에 의해 인위적인 조작과정을 거치면서 천연 방사성물질이 농축 또는 변형되는 경우 방사선 노출에 따른 잠재적인 위험성이 보고되고 있다.1-3 국내에서는 우주/지각 방사선을 포함하여 원료물질, 공정부산물, 가공제품에서 발생하는 방사선의 체계적인 관리를 위해서 2012년 7월에 생활주변방사선 안전관리법(이하 생방법)을 시행하였으며, 천연방사성물질을 취급하는 작업종사자 및 최종 가공제품 사용에 따른 불필요한 방사선 피폭을 예방하며 생활주변에서 발생될수 있는 방사선 피폭을 저감하는데 그 목적이 있다.4 이를 위해서 정확한 방사능 농도 분석 자료가 필요하며 유효성이 검증된 분석방법의 이용 및 개발이 필수적이다.
- 따라서 본 연구에서는 신속 스크리닝 목적으로 EDXRF를 이용하고 정밀분석 목적으로 ICP-MS를 이용하여 생활주변 가공제품군 중 건축자재 및 생활제품 중의 천연방사성핵종의 농도를 분석하고 두 분석법간의 결과를 비교 평가하였다. 분석법의 유효성 평가를 위해 인증표준물질(Certified Reference Material) 5 종을 사용하였으며 국내의 천연방사성핵종 함유 가능성이 있는 제품 중 타일, 시멘트, 페인트, 벽지, 석고보드와 같은 건축자재 47 종, 건강제품, 섬유제품, 광물질 등과 같은 생활밀착형 제품 47 종을 선정하여 U과Th의 방사능 농도를 분석하고 분포 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 ED-XRF와 ICP-MS를 이용하여 우리 생활과 밀접한 관련이 있는 실내 건축자재와 생활 가공제품 내의 천연방사성핵종 중 238U, 232Th의 방사능 농도를 분석하였다. 실제 시료 사용에 앞서 분석전과정의 적합성 및 유효성 평가를 위해 시료와 매질이 유사한 인증표준물질 5 종을 사용하였으며 분석값의 인증값에 대한 진도를 평가하는 지표인 U-test를 수행하였다.
- 본 연구에서는 ED-XRF의 신속분석에 대한 적용성을 평가하기 위하여 94 종의 가공제품 중 238U과232Th의 방사능 농도를 ED-XRF를 이용하여 분석하였으며 동일시료에 대해 정밀분석법으로서 ICP-MS 분석이 수행되었다. 두 분석법에서 도출된 결과를 비교하였을 때, 0.
- 분석 시험방법의 유효성 평가는 인증표준물질의 해당 원소에 대한 인증값과의 근접성을 평가하는 정확도와 정밀도 평가와 다양한 매질에 대한 적용성을 평가하는 선택성(selectivity), 둔감도(ruggedness) 평가, 그리고 불확도 평가를 주요 요인으로 포함한다. 본 연구에서는 분석 유효성 평가 항목 중 측정치의 참값에 대한 접근도를 나타내는 분석 정확도[(experimental value-certified value)/certified value, %]와 정밀도(standard deviation/mean of experimental value, %)를 다양한 매질의 인증표준물질 5 종에 대하여 평가하였다. 또한 통계적 방법을 통해 분석값의 인증값에 대한 진도(trueness)를 평가하는 지표인 U-test 결과를 Fig.
- 1 Bq·g−1)에서비교적 정확하고 신속하게 평가할 수 있는 신속분석법으로써 ED-XRF는 적용성이 매우 뛰어난 것으로 판단된다. 본 연구에서는 이러한 ED-XRF의 신속분석에 대한 적용성을 평가하기 위하여 가공제품 중 238U과 232Th의 방사능 농도를 ED-XRF를 이용하여 분석하였으며 동일시료에 대해 정밀분석법으로써 ICP-MS 분석이 수행되었다. 두 방법을 이용하여 분석된 결과는 다음의 Fig.
가설 설정
- 24-25 인증값이 제시되지 않은 SRM 600의 경우 α-spectrometer 분석 결과를 이용하였고, 인증값의 불확도가 주어지지 않은 경우에는 인증값의 5%를 상대확장불확도로 가정하고 U-score 값을 계산하였다.
제안 방법
- 철공침법 시 용액화 된 시료에 Fe(III) carrier 30 mg을 넣고 NH4OH를 사용하여 pH 7로 조정 한 후 3700 rpm에서 5분 동안 원심분리하였으며 상등액은 버리고 침전물만 65 % HNO3 3 mL에 용해하였다.23 용해 된 시료는 초순수를 채워 전량을 약 30 mL로 표충하고 칭량하였으며 10 mL vial에 시료를 2 % HNO3으로 100~1000 배 희석하여 약 3 ppb의 수준으로 맞춰서 ICP-MS 분석용 시료로 하였다. 내부표준물질로서 187Re을 2 μg·L−1가 되도록 첨가하였다.
- 27 따라서, ICP-MS 분석용 시료 제작을 위한 희석배수는 ED-XRF를 이용해서 대략적인 농도 수준을 파악한 후결정하였다.
- 24-25 인증값이 제시되지 않은 SRM 600의 경우 α-spectrometer 분석 결과를 이용하였고, 인증값의 불확도가 주어지지 않은 경우에는 인증값의 5%를 상대확장불확도로 가정하고 U-score 값을 계산하였다. ED-XRF 분석결과에 대한불확도는 반복분석에 따른 변동과 기기 안정성, 검량선의 직선성을 주요 불확도요인으로 산정하였으며, ICP-MS 분석 결과의 불확도는 시료의 용융 회수율,측정시료의 희석, 검량선 작성에 따른 오차 요인 및 ICP-MS 농도 측정의 안정성을 주요 요인으로 산정하여 계산하였다.
- ICP-MS를 이용하여 238U, 232Th 측정 시 필요한 검량선 작성용 표준용액은 10 μg·mL−1의 U과 Th의 단일원소표준용액(INORGANICTM, USA)을 희석 및 혼합하여 0.5, 1, 2.5, 5 μg·L−1의 범위로 제작하였다.
- ICP-MS를 이용한 천연방사성핵종 농도를 분석을 위해 quadrupole-ICP-MS (iCAP-RQ, Thermo fisher scientific, Germany)를 이용하였다. 시료도입부, 검출기 등의 ICP-MS 분석 조건은 다음의 Table 2에 나타내었으며, 시료의 ICP-MS 주입 전 setup 및 tuning solution을 이용하여 분석 조건을 최적화하고 분석을 수행하였다.
- 사용된 분석법에는 시료의 매질효과의 보정을 위하여 약 25 종의 다양한 표준시료를 대상으로 컴프턴 산란과 레일리 산란율의 비를 분석하고 질량감쇠 계수를 결정하여 보정되었으며 컴프턴 피크에 따른 전체 스펙트럼의 계수율을 보정하는 알고리즘이 적용되었다. U, Th의 ED-XRF 측정 시 Rb, Sr 등 인접 피크에 의한 영향을 많이 받게 되는데 특성에너지에 대한 인접 피크의 영향은 각 특성 피크를 정량하고 목적원소의 피크에서 타원소의 피크를 감해주는 방식으로 피크분리를 수행하였다. 이러한 X-선의 획득 및 보정, 분석은 X-Labpro 프로그램을 이용하여 자동으로 수행되었다.
- 본 연구에서는 ED-XRF와 ICP-MS 분석 방법에 대한 정확도와 정밀도 평가를 위해 시료와 매질이 유사한 토양, 암석, ash, 보크사이트, 지르콘 등의 인증표준물질에 대한 U과 Th의 분석을 수행하였다. 각 인증표준물질 시료는 각 3 개의 복제시료를 제작하여 분석을 수행하였다. 다음의 Fig.
- 각 인증표준물질 시료는 각 3 개의 복제시료를 제작하여 분석을 수행하였다. 다음의 Fig. 2에 본 연구에서 수행된 시료의 전처리 방법 및 분석과정을 나타내었으며 시료를 건조, 회화, 체분리 등의 전처리를 수행하여 제작된 분석 시료를 ED-XRF로 U과 Th을 측정한 후 알칼리 용융법을 이용하여 용해 후 ICP-MS로 U과Th을 분석하는 과정을 거쳤다.
- 따라서 상대적으로 큰 부피를 가진 분석시료는 파쇄 후 디스크 분쇄방식 milling machine(8530 Enclosed Shatterbox, SPEX SampePrep, USA)을이용하여 분쇄하였으며, 120 번 표준 실험체로 106 μm 이하의 입자로 분리하였다.
- 분석법의 유효성 평가를 위해 인증표준물질(Certified Reference Material) 5 종을 사용하였으며 국내의 천연방사성핵종 함유 가능성이 있는 제품 중 타일, 시멘트, 페인트, 벽지, 석고보드와 같은 건축자재 47 종, 건강제품, 섬유제품, 광물질 등과 같은 생활밀착형 제품 47 종을 선정하여 U과Th의 방사능 농도를 분석하고 분포 특성을 평가하였다. 또한 ED-XRF와 ICP-MS의 분석 결과 비교를 통해 ED-XRF를 이용한 신속 스크리닝의 적용성 평가 및 ICP-MS를 이용한 정성, 정량분석법의 유효성을 평가하였다.
- 또한 실험실 내부품질 관리를 위해 사용된 α-spectrometer를 이용한 분석 값을 추가하여 비교하였다.
- 본 연구에서 사용 된 ED-XRF (Xepos HE, SPECTRO,Germany)는 텅스텐 양극의 X-선 발생튜브를 사용하고 있으며 목적원소에 따라 최대 8 개의 secondary target을 선택 후 펠티어 냉각 방식의 SDD (Silicon drift detector) 검출기를 이용하여 분석 할 수 있다. 측정은 제조사에서 환경/광물 시료 측정용으로 제공하는 Geochemistry trace powder method를 이용하였으며 다음의 Table 1에 목적원소 및 검출을 위한 secondary target, 전압,전류, 분석시간 등 분석조건을 정리하였다.
- 본 연구에서는 ED-XRF와 ICP-MS 분석 방법에 대한 정확도와 정밀도 평가를 위해 시료와 매질이 유사한 토양, 암석, ash, 보크사이트, 지르콘 등의 인증표준물질에 대한 U과 Th의 분석을 수행하였다. 각 인증표준물질 시료는 각 3 개의 복제시료를 제작하여 분석을 수행하였다.
- 알칼리 용융법은 시료의 완전 분해, 빠른 분해 시간, 적은 시료 오염 등의 장점이 있으나 시료의 용융 과정에서 과량의 융제를 사용하기 때문에 산성 용액에 용해된 시료의 매질이 매우 복잡해지는 단점이 존재한다. 본 연구에서는 시료의 용융과 용액화가 자동으로 이루어지는 자동용융장치(K2 prime, KatanaxTM, Canada)를 이용하여 알칼리 용융을 수행하였다.19-21
- 따라서 본 연구에서는 신속 스크리닝 목적으로 EDXRF를 이용하고 정밀분석 목적으로 ICP-MS를 이용하여 생활주변 가공제품군 중 건축자재 및 생활제품 중의 천연방사성핵종의 농도를 분석하고 두 분석법간의 결과를 비교 평가하였다. 분석법의 유효성 평가를 위해 인증표준물질(Certified Reference Material) 5 종을 사용하였으며 국내의 천연방사성핵종 함유 가능성이 있는 제품 중 타일, 시멘트, 페인트, 벽지, 석고보드와 같은 건축자재 47 종, 건강제품, 섬유제품, 광물질 등과 같은 생활밀착형 제품 47 종을 선정하여 U과Th의 방사능 농도를 분석하고 분포 특성을 평가하였다. 또한 ED-XRF와 ICP-MS의 분석 결과 비교를 통해 ED-XRF를 이용한 신속 스크리닝의 적용성 평가 및 ICP-MS를 이용한 정성, 정량분석법의 유효성을 평가하였다.
- 본 연구에서 선정된 시료는 제품군에 따라 형상이 다르기 때문에 ED-XRF와 ICP-MS 측정을 위한 시료 형태로 전처리가 필수적으로 동반된다. 분석시료는 105 ℃에서 5시간 이상 건조하여 수분을 제거하고 550 ℃에서 5시간 이상 강열하여 유기물의 함량을 측정하였으며 전처리 후 각 시료의 유기물함량을 계산하여 최종 방사능 농도의 환산에 적용하였다. 건축자재 중 타일은 토양을 원료물질로 사용함으로서 유기물함량이 0.
- 건축자재 및 생활제품은 시료 구성성분에 따른 매질 및 배경스펙트럼의 차이가 존재하며 이러한 요인이 분석 시 오차를 발생시킬 수 있으므로 보정이 필요하다. 사용된 분석법에는 시료의 매질효과의 보정을 위하여 약 25 종의 다양한 표준시료를 대상으로 컴프턴 산란과 레일리 산란율의 비를 분석하고 질량감쇠 계수를 결정하여 보정되었으며 컴프턴 피크에 따른 전체 스펙트럼의 계수율을 보정하는 알고리즘이 적용되었다. U, Th의 ED-XRF 측정 시 Rb, Sr 등 인접 피크에 의한 영향을 많이 받게 되는데 특성에너지에 대한 인접 피크의 영향은 각 특성 피크를 정량하고 목적원소의 피크에서 타원소의 피크를 감해주는 방식으로 피크분리를 수행하였다.
- ICP-MS를 이용한 천연방사성핵종 농도를 분석을 위해 quadrupole-ICP-MS (iCAP-RQ, Thermo fisher scientific, Germany)를 이용하였다. 시료도입부, 검출기 등의 ICP-MS 분석 조건은 다음의 Table 2에 나타내었으며, 시료의 ICP-MS 주입 전 setup 및 tuning solution을 이용하여 분석 조건을 최적화하고 분석을 수행하였다.22
- 알칼리 용융은 시료와 융제(LiBO2, XRF scientific Limited, Australia)를 1:2의 비율로 백금도가니(Pt 95 %, Au 5 % 합금)에 넣고 각 시료의 용융정도에 따라 시료와 융제의 양을 조절하였으며, 박리제(LiBr, XRF scientific Limited, Australia)를 첨가하여 백금도가니로부터 용융물(Molten flux)을 완전히 분리하였다. 용융물은 5 % HNO3 60 mL에 넣고 80 ℃에서 30분 이상 가열 교반 시키면서 완전히 용해시켰다.
- ) 388 (Zircon)이다. 천연방사성물질의 방사능 농도 평가를 위한 실제 시료는 94 종으로 현재 시중에 판매되고 있는 제품들을 선정하여 건축자재와 생활제품으로 분류하였다. 건축자재는 타일 21종, 시멘트 17종, 페인트 5 종, 벽지 2 종, 석고보드 2 종으로 총 47 종이며 생활제품은 정수 필터, 세라믹 볼, 음이온발생기 등의 건강제품(Health)으로 홍보되는 것들과 매트, 패드, 팔찌, 목걸이, 비누, 입욕제, 안대, 속옷, 베개 등의 피부밀착형 제품(Body)으로 총 47 종이다(Fig.
- 회화 분쇄 후 건조된 시료는 클린 후드 내에서 mylar 필름을 부착한 원통형의 플라스틱 시료컵(φ32 mm)에 높이 약 15 mm 정도로 옮겨 담아 ED-XRF 분석용 시료로 준비하고 약 30분 동안 He 가스를 충진하여 3 회 반복 측정하였다.
대상 데이터
- α-spectrometer 분석 결과는 인증표준물질의 U, Th 동위원소를 실험실 내부품질 관리 절차에 따라 주기적으로 반복하여 실험한 결과(n > 15)이며 U, Th의 동위원소 분석은 알칼리 용융과 추출크로마토그래피를 이용한 분리-정제법, 전기전착하여 측정시료를 준비한 후 α-spectrometer를 이용하여 측정한 결과이며 화학 수율의 보정을 위해 232U, 229Th 추적자를 사용하였다.
- 천연방사성물질의 방사능 농도 평가를 위한 실제 시료는 94 종으로 현재 시중에 판매되고 있는 제품들을 선정하여 건축자재와 생활제품으로 분류하였다. 건축자재는 타일 21종, 시멘트 17종, 페인트 5 종, 벽지 2 종, 석고보드 2 종으로 총 47 종이며 생활제품은 정수 필터, 세라믹 볼, 음이온발생기 등의 건강제품(Health)으로 홍보되는 것들과 매트, 패드, 팔찌, 목걸이, 비누, 입욕제, 안대, 속옷, 베개 등의 피부밀착형 제품(Body)으로 총 47 종이다(Fig. 1 참조).
- 본 연구에서는 ED-XRF와 ICP-MS를 이용한 시료농도 분석결과의 유효성 평가를 위해 시료와 유사한 매질의 인증표준물질을 사용하였다. 사용된 인증물질은 NIST (National Institute of Standard and Technology) SRM (Standard Reference Materials) 2709a (San Joaquin soil), 1646a (Estuarine sediment), 1633c (Trace Elementsin Coal Fly Ash), 600 (Bauxite, Australian-Darling Range)과 BCS (Bureau of analyzed samples LTD.
- 본 연구에서는 ED-XRF와 ICP-MS를 이용한 시료농도 분석결과의 유효성 평가를 위해 시료와 유사한 매질의 인증표준물질을 사용하였다. 사용된 인증물질은 NIST (National Institute of Standard and Technology) SRM (Standard Reference Materials) 2709a (San Joaquin soil), 1646a (Estuarine sediment), 1633c (Trace Elementsin Coal Fly Ash), 600 (Bauxite, Australian-Darling Range)과 BCS (Bureau of analyzed samples LTD.) 388 (Zircon)이다. 천연방사성물질의 방사능 농도 평가를 위한 실제 시료는 94 종으로 현재 시중에 판매되고 있는 제품들을 선정하여 건축자재와 생활제품으로 분류하였다.
데이터처리
- 다음의 Table 3에 본 연구에서 분석한 인증표준물질의 인증값과 ED-XRF 및 ICP-MS 농도 분석 결과를 비교하여 나타냈으며 정확도와 정밀도를 나타내는 상대오차와 상대표준편차를 동시에 표기 하였다. 또한 실험실 내부품질 관리를 위해 사용된 α-spectrometer를 이용한 분석 값을 추가하여 비교하였다.
- Th의 방사능 농도를 분석하였다. 실제 시료 사용에 앞서 분석전과정의 적합성 및 유효성 평가를 위해 시료와 매질이 유사한 인증표준물질 5 종을 사용하였으며 분석값의 인증값에 대한 진도를 평가하는 지표인 U-test를 수행하였다. ED-XRF와 ICP-MS 분석법에 대한 유효성 평가 결과, 상대오차는 전체적으로 ± 30 % 이내의 결과를 보였고 상대표준편차는 약 10 % 이내에서 나타났으며 분석 결과는 모두 통계적으로 신뢰성 있는 것으로 나타났다.
- U, Th의 ED-XRF 측정 시 Rb, Sr 등 인접 피크에 의한 영향을 많이 받게 되는데 특성에너지에 대한 인접 피크의 영향은 각 특성 피크를 정량하고 목적원소의 피크에서 타원소의 피크를 감해주는 방식으로 피크분리를 수행하였다. 이러한 X-선의 획득 및 보정, 분석은 X-Labpro 프로그램을 이용하여 자동으로 수행되었다.17-18
이론/모형
- 본 연구에서 ICP-MS 측정을 위한 전처리 방법은 알칼리 용융법(alkali-fusion)이 사용되었다. 알칼리 용융법은 습식산화법으로 완전 분해되지 않는 silicates,Al2O3, CaO, phosphate, carbide 등의 난용성 염을 포함하는 토양, 암석 등의 시료에 적용될 수 있는 방법으로서 난용성, 불용성 염을 산성 또는 알칼리성 융제와 고온에서 반응시켜 가용성 염으로 변환하는 반응을 이용한 전처리법이다.
- 용융물은 5 % HNO3 60 mL에 넣고 80 ℃에서 30분 이상 가열 교반 시키면서 완전히 용해시켰다. 알칼리 용융으로 준비된 용액의 복잡한 매질을 단순화하고 목적 핵종을 농축시키기 위하여 철공침법(Fe co-precipitation)을 이용하였다. 철공침법 시 용액화 된 시료에 Fe(III) carrier 30 mg을 넣고 NH4OH를 사용하여 pH 7로 조정 한 후 3700 rpm에서 5분 동안 원심분리하였으며 상등액은 버리고 침전물만 65 % HNO3 3 mL에 용해하였다.
- 본 연구에서 사용 된 ED-XRF (Xepos HE, SPECTRO,Germany)는 텅스텐 양극의 X-선 발생튜브를 사용하고 있으며 목적원소에 따라 최대 8 개의 secondary target을 선택 후 펠티어 냉각 방식의 SDD (Silicon drift detector) 검출기를 이용하여 분석 할 수 있다. 측정은 제조사에서 환경/광물 시료 측정용으로 제공하는 Geochemistry trace powder method를 이용하였으며 다음의 Table 1에 목적원소 및 검출을 위한 secondary target, 전압,전류, 분석시간 등 분석조건을 정리하였다.
성능/효과
- 17종의 시멘트의 경우 238U과 232Th에서 각각 0.04±0.04 Bq·g−1, 0.03±0.03 Bq·g−1의 농도 범위로 국내외 선행 연구결과(238U: 0.057 Bq·g−1 (0.020~0.218Bq·g−1), 232Th: 0.035 Bq·g−1 (0.008~0.220 Bq·g−1))의 평균값과 비슷한 수준을 나타내었다.
- Table 3에 나타낸 바와 같이 ED-XRF 분석법 및 ICP-MS 방법을 이용한 인증표준물질 분석 결과는 전체적으로 상대오차 ± 30 % 이내, 상대표준편차 10 % 이내의 결과를 나타내었다. ED-XRF를 이용한 Th 분석 결과의 경우, 석탄재 매질의 SRM 1633c를 제외하면 모두 5 % 이내의 분석 정확도를 나타내고 있었으며, 분석 정밀도 역시 6 % 미만으로 매우 정확한 분석 결과를 도출하였다. U 분석 결과의 상대오차는 토양 매질의 SRM 2709a, 하천토 매질의 SRM 1646a, 석탄재 매질의 SRM 1633c, Zircon 매질의 BCS 388에서 각각 12.
- ED-XRF와 ICP-MS 분석법에 대한 유효성 평가 결과, 상대오차는 전체적으로 ± 30 % 이내의 결과를 보였고 상대표준편차는 약 10 % 이내에서 나타났으며 분석 결과는 모두 통계적으로 신뢰성 있는 것으로 나타났다.
- Table 3에 나타낸 바와 같이 ED-XRF 분석법 및 ICP-MS 방법을 이용한 인증표준물질 분석 결과는 전체적으로 상대오차 ± 30 % 이내, 상대표준편차 10 % 이내의 결과를 나타내었다.
- U 분석 결과의 상대오차는 토양 매질의 SRM 2709a, 하천토 매질의 SRM 1646a, 석탄재 매질의 SRM 1633c, Zircon 매질의 BCS 388에서 각각 12.2 %, -20.0 %, 24.0 %, -7.7 %로 나타났으며 보크사이트 매질의 SRM 600의 경우 α-spectrometer 분석 결과와 비교하였을 때 약 11.0 %로 나타나 10 mg·kg−1 미만의 농도 수준에서 분석 정확도가 상대적으로 좋지 않은 것으로 평가되었다.
- 3에는 U-score 분석 결과를 U과 Th을 분리하여 나타내었다. U-score 계산 결과, ED-XRF으로 분석한 SRM 1633c의 Th의 분석 결과를 제외하면 모두 1.50 미만의 U-score 값을 나타내었다. 이러한 평가결과는 대부분의 인증표준물질 분석 결과가 통계적으로 유의한 수준인 것을 보여주고 있으며 따라서 시료의 전처리가 거의 없으며 측정시간이 30분 정도로 매우신속하게 고농도의 U, Th 농도를 측정할 수 있는 ED-XRF의 신속 스크린닝에 대한 적용성은 매우 우수한 것으로 판단된다.
- 이 경우 X-선 튜브의관전류를 낮추어 Zr 신호의 크기를 줄여 U, Th 피크와의 간섭을 최소화 할 수 있다. 그 결과 인증표준물질 중 Zr 계열 시료(BCS 388)의 측정 정확도와 정밀도는 5 % 수준으로 확보할 수 있었다. 또한 Rb, Sr, Fe 등의 특성 피크 중첩에 의해 분석 결과에 영향을 미칠 수 있으며 특히 Rb을 많이 함유한 시료는 Rb피크와 U 피크의 중첩에 따라 분석 결과가 과대평가되거나 검출한계가 높아 질 수 있다.
- 그러나 10 mg·kg−1 이하의U과 Th 농도 수준은 대부분 관리 기준의 최저하한치인 1.0 Bq·g−1에 약 10 배 이하의 방사능 농도 수준이므로 분석시료의 스크린닝에 대한 적용성은 충분히 확보되는 것으로 판단된다.
- 0 %로 나타나 10 mg·kg−1 미만의 농도 수준에서 분석 정확도가 상대적으로 좋지 않은 것으로 평가되었다. 그러나 모두 분석 결과의 정밀도를 나타내는 상대표준 편차는 10 % 이내로 우수한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 10 mg·kg−1 이하의 저 농도 영역에서 시료 매질에 대한 컴프턴 산란,질량감쇠 등의 매질 효과에 따른 영향으로 판단되며 이러한 불확실성의 보정을 위한 알고리즘의 보완이 필요한 것으로 사료된다.
- 그러나, 232Th의 방사능 농도는 0.66±1.75 Bq·g−1의 농도 범위로 상대적으로 매우 높은 수준이었으며 음이온 효과를 내세운 입욕제, 패치, 안대, 벨트 제품류에서 1.4~8.2 Bq·g−1의 고농도로 나타났다.
- 그러므로 일정 수준 이상의 농도, 즉 관리기준의 10 배 이하의 농도(0.1 Bq·g−1)에서비교적 정확하고 신속하게 평가할 수 있는 신속분석법으로써 ED-XRF는 적용성이 매우 뛰어난 것으로 판단된다.
- 두 분석법에서 도출된 결과를 비교하였을 때, 0.1~0.5 Bq·g−1 이하의 저농도 방사능 범위와 1.0 Bq·g−1 이상의 고농도 방사능 범위 모두에서 ED-XRF의 분석 결과는 ICP-MS 정밀 분석 결과와 선형적인 결과를 나타내었다.
- 이러한 결과는 알칼리 용융을 이용하였을 때 토양, 하천토, 석탄재와 같은 환경시료와 비중이 매우 높고 결합력이 강하여 일반 산분해법으로 용해하기 어려운 보크사이트, 지르콘과 원료물질 매질에 대해서도 완전한 분해가 가능한 것을 알려주고 있으며 ICP-MS 측정에도 U, Th의 분석에 매질에 따른 영향이 없음을 나타낸다. 따라서 본 연구에서 적용한 알칼리 용융과 ICP-MS 분석법을 이용한 U, Th의 측정방법은 시료의 완전 용해와 저농도 영역에서도 정밀 측정이 가능함을 보여주고 선택성과 둔감도가 우수하여 대부분의 매질에서 분석 적용성이 우수한 것으로 판단된다.
- ED-XRF와 ICP-MS 분석법에 대한 유효성 평가 결과, 상대오차는 전체적으로 ± 30 % 이내의 결과를 보였고 상대표준편차는 약 10 % 이내에서 나타났으며 분석 결과는 모두 통계적으로 신뢰성 있는 것으로 나타났다. 따라서 일정 수준 이상의 방사능 농도 범위에서 신속 스크리닝 목적으로 ED-XRF, 정밀분석 목적으로 ICP-MS를 사용하기에 적합한 것으로 판단된다.
- 반면, ICP-MS를 이용한 분석 결과의 경우 U, Th의 모든 분석 값에서 8 % 이내의 분석 정확도와 정밀도를 나타내고 있었다. 이러한 결과는 알칼리 용융을 이용하였을 때 토양, 하천토, 석탄재와 같은 환경시료와 비중이 매우 높고 결합력이 강하여 일반 산분해법으로 용해하기 어려운 보크사이트, 지르콘과 원료물질 매질에 대해서도 완전한 분해가 가능한 것을 알려주고 있으며 ICP-MS 측정에도 U, Th의 분석에 매질에 따른 영향이 없음을 나타낸다.
- 반면, 건강제품(Health)와 피부밀착형 제품(Body)로구분된 생활제품의 경우, 원료물질의 1.0 Bq·g−1의 관리 기준을 초과하는 방사능 농도를 나타내는 제품이 47 종 중 6 개로 나타났다.
- 본 연구에서 47 종의 건축자재 시료를 평가한 결과, 238U과 232Th에서 각각 최대 0.13 Bq·g−1,0.10 Bq·g−1로 나타나 관리 기준인 1.0 Bq·g−1 보다 매우 낮은 수준으로 평가되었다.
- 본 연구에서 분석된 47 종의 생활제품 시료 중 238U의 방사능 농도는 0.11±0.19 Bq·g−1이며 입욕제 제품에서 최대 0.77 Bq·g−1로 나타났지만 1.0 Bq·g−1을 초과하는 제품은 없었다.
- 본 연구에서 분석한 238U, 232Th의 질량 농도 값은 각각 12.44, 4.069 Bq·mg−1의 변환인자를 이용해서 방사능농도로 변환 할 수 있다.
- 생활제품을 세부적으로 나누었을 때, 정수 필터, 세라믹 볼, 음이온발생기 등의 건강제품(Health)으로 홍보되는 제품의 238U과 232Th 농도는 각각 0.13±0.19 Bq·g−1, 0.35±1.2 Bq·g−1의 농도 범위이며 건강증진용 여과제품(세라믹볼 사용)에서 최대 4.9 Bq·g−1의232Th 농도를 나타내었다.
- Th의 방사능 농도를 분석한 결과, 타일과 시멘트는 토양 수준의 낮은 방사능 농도를 나타내었으며, 페인트, 벽지,석고 보드는 타일과 시멘트에 비해 상대적으로 매우 낮은 수준의 방사능 농도를 보였다. 생활제품의 경우,방사능 농도는 원료물질 관리 기준치인 1.0 Bq·g−1을초과하는 제품이 47 개중 6 개로 나타났으며 방사능농도의 분포 범위가 매우 큰 것으로 평가되었다.
- 5 % 이하의 수준을 보였다. 석고보드의 유기물 함량은 약 20 %, 벽지는 60~70 % 수준의 유기물 함량을 보였다. 특히 페인트의 경우 석유화학공정의 유기탄소 및 안료 등을 원료물질로 사용함으로서 유기물 함량이 약 60~80 %로 가장 높은 수준을 보였다.
- 한편 생활제품은 제품의 용도에 따라 섬유제품, 토르말린 및 게르마늄 등의 광물질, 음이온 및 원적외선 관련 가공제품 그리고 머드제품 등으로 시료의 매질이 다양하며 재질에 따른 다양한 유기물 함량을 보였다. 섬유재질은 내의류, 복대, 마우스패드 등을 포함하여 유기물함량이 약 60~99 %의 수준으로 매우 높았으며 토르말린 및 게르마늄 등의 광물질, 세라믹 및 금속 제품은 유기물함량이 약 10 % 이내의 수준을 보였다. 회화된 분말형태의 시료는 균질하며 표면적 증가로 인해 반응성이 좋고 알칼리 용융(alkali-fusion)시 완전한 분해가 가능해진다.
- 이러한 결과는 0.1~0.5 Bq·g−1 이하의 저농도 방사능 범위와 1.0 Bq·g−1 이상의 고농도 방사능 범위 모두에서 ED-XRF의 분석 결과는 ICP-MS 정밀 분석 결과와 유사한 결과를 도출할 수 있음을 보여준다.
- 반면, ICP-MS를 이용한 분석 결과의 경우 U, Th의 모든 분석 값에서 8 % 이내의 분석 정확도와 정밀도를 나타내고 있었다. 이러한 결과는 알칼리 용융을 이용하였을 때 토양, 하천토, 석탄재와 같은 환경시료와 비중이 매우 높고 결합력이 강하여 일반 산분해법으로 용해하기 어려운 보크사이트, 지르콘과 원료물질 매질에 대해서도 완전한 분해가 가능한 것을 알려주고 있으며 ICP-MS 측정에도 U, Th의 분석에 매질에 따른 영향이 없음을 나타낸다. 따라서 본 연구에서 적용한 알칼리 용융과 ICP-MS 분석법을 이용한 U, Th의 측정방법은 시료의 완전 용해와 저농도 영역에서도 정밀 측정이 가능함을 보여주고 선택성과 둔감도가 우수하여 대부분의 매질에서 분석 적용성이 우수한 것으로 판단된다.
- 50 미만의 U-score 값을 나타내었다. 이러한 평가결과는 대부분의 인증표준물질 분석 결과가 통계적으로 유의한 수준인 것을 보여주고 있으며 따라서 시료의 전처리가 거의 없으며 측정시간이 30분 정도로 매우신속하게 고농도의 U, Th 농도를 측정할 수 있는 ED-XRF의 신속 스크린닝에 대한 적용성은 매우 우수한 것으로 판단된다.
- 총 94 종의 가공제품을 대상으로 238U과 232Th의 방사능 농도를 분석한 결과, 타일과 시멘트는 토양 수준의 낮은 방사능 농도를 나타내었으며, 페인트, 벽지,석고 보드는 타일과 시멘트에 비해 상대적으로 매우 낮은 수준의 방사능 농도를 보였다. 생활제품의 경우,방사능 농도는 원료물질 관리 기준치인 1.
- 특히 페인트의 경우 석유화학공정의 유기탄소 및 안료 등을 원료물질로 사용함으로서 유기물 함량이 약 60~80 %로 가장 높은 수준을 보였다. 한편 생활제품은 제품의 용도에 따라 섬유제품, 토르말린 및 게르마늄 등의 광물질, 음이온 및 원적외선 관련 가공제품 그리고 머드제품 등으로 시료의 매질이 다양하며 재질에 따른 다양한 유기물 함량을 보였다. 섬유재질은 내의류, 복대, 마우스패드 등을 포함하여 유기물함량이 약 60~99 %의 수준으로 매우 높았으며 토르말린 및 게르마늄 등의 광물질, 세라믹 및 금속 제품은 유기물함량이 약 10 % 이내의 수준을 보였다.
후속연구
- 0 Bq·g−1 이상의 고농도 방사능 범위 모두에서 ED-XRF의 분석 결과는 ICP-MS 정밀 분석 결과와 유사한 결과를 도출할 수 있음을 보여준다. 따라서 ED-XRF를 이용하여 고농도의 방사성 물질을 함유한 가공제품을 신속하게 선별할 수 있을 것으로 판단된다.
- 0 Bq·g−1 이상의 고농도 방사능 범위 모두에서 ED-XRF의 분석 결과는 ICP-MS 정밀 분석 결과와 선형적인 결과를 나타내었다. 따라서 유통되는 원료물질과 가공제품의 효과적인 관리방법으로서 ED-XRF를이용하여 다양한 농도 범위의 방사성 물질을 함유한 가공제품을 신속하게 선별할 수 있을 것으로 판단되며 선별된 시료에 대하여 ICP-MS 분석을 이용한 정밀분석이 동반되어야 할 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 10 mg·kg−1 이하의 저 농도 영역에서 시료 매질에 대한 컴프턴 산란,질량감쇠 등의 매질 효과에 따른 영향으로 판단되며 이러한 불확실성의 보정을 위한 알고리즘의 보완이 필요한 것으로 사료된다.
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