Application of Exchange Equations for NH₄-K NH₄-Ca Equilibria

정종배,사동민,Chung, Jong-Bae,Sa, Tong-Min 한국토양비료학회 1995 한국토양비료학회지 Vol.28 No.3

복숭아 묘목으로 부터 채취한 근권 및 그 주변 토양을 이용하여 $NH_4-K$와 $NH_4-Ca$ 치환 현상을 조사하였으며 이 결과를 토양중 암모니움 등 양이온의 이동과 분포의 모델화에 적용할 수 있는 치환식을 찾고자 했다. 토양시료를 $NH_4Cl$, KCl과 $CaCl_2$ 용액으로 평형에 도달시킨 후 $Sr(NO_3)_2$ 용액으로 추출하여 평형상태에서의 치환태 양이온 조성을 구하였다. Vanselow, Gapon 그리고 kerr의 식은 $NH_4-K$와 $NH_4-Ca$ 치환 현상을 적절히 기술할 수 없었으나 치환태 양이온 농도에 임의의 지수를 갖는 다음과 같은 경험식이 매우 적절한 것으로 나타났다. ${\frac{\alpha_i^m}{a_j^n}}=K{\frac{(iX)^{mPi}}{(jX)^{nPj}}}$ 이 식에서 ${\alpha}i$와 ${\alpha}j$는 원자가가 m과 n인 양이온 i 및 j의 용액 중 activity이며(iX)와 (jX)는 치환태양이온 i와 j의 농도이다. 치환태 양이온의 농도 단위로는 몰 분율 또는 당량 분율을 사용할 수 있다. 임의상수 $P_i$와 $P_j$ 그리고 분배상수 K는 이 식의 대수형을 이용하여 다중 회귀 방법으로 구할 수 있다. Ion exchange equilibria in bulk and rhizosphere soil collected from peach seedlings were studied to find exchange equations that could be used in chromatographic models dealing with movement and distribution of fertilizer ammonium and exchangeable cations in soil profiles. Soil samples were equilibrated with mixtures of $NH_4Cl$, KCI, and $CaCl_2$ solutions and then extracted with $Sr(NO_3)_2$ solution to determine exchangeable cation compositions at equilibrium. Exchange data were fitted to Vanselow's, Gapon's, and Kerr's equations, but those formulations did not adequately describe the equilibria. An empirical equation of the form : ${\frac{\alpha_i^m}{a_j^n}}=K{\frac{(iX)^{mPi}}{(jX)^{nPj}}}$ which has an exponent on each of the exchangeable cation concentrations could describe the equilibria very well over the range of treatments. In this equation ${\alpha}^i$ and ${\alpha}^j$ are activities of cation i and j with valences m and n respectively. (iX) and (jX) are concentrations of exchangeable cations. Mole or equivalent fractions can be considered as the exchangeable ion concentration unit. Arbitrary constants $P_i$ and $P_j$, and distribution coefficient K can be found with multiple regression for the logarithmic form of the equation.

Chromium Speciation in Cr(III) Oxidation by Mn-Oxides: Relation to the Oxidation Mechanism

정종배,Chung, Jong-Bae 한국응용생명화학회 1998 Applied Biological Chemistry (Appl Biol Chem) Vol.41 No.1

크롬의 산화는 자연계에 존재하는 여러 가지의 Mn-oxide에 의해 일어나며 산화과정에 존재하는 크롬 화학종들은 반응계 내에서 흡착, 침전 현상을 유발할 수 있고 결과적으로 산화반응을 조절할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 birnessite와 pyrolusite에 의한 크롬의 산화에서 크롬 화학종이 반응에 미치는 영향을 조사하였다 Mn-oxide는 그 종류에 따라 크롬 산화력에서 큰 차이를 보였으며 용액의 pH와 초기 3가 크롬 첨가량도 산화반응에 큰 영향을 미쳤다. 동일 표면적당의 산화력을 비교하면 pyrolusite의 산화력은 birnessite의 5% 정도에 불과하였다. 이는 pyrolusite 의 결정도에 크게 기인하며 또한 양으로 하전된 표면 특성 때문에 반응물인 3가 크롬의 접근이 어렵고 반응산물인 6가 크롬의 흡착 등에 기인하는 것으로 보인다. Birnessite에 의한 산화반응에서 pH 3에서는 oxide의 표면에서의 크롬 화학종들의 흡착이나 침전 현상은 발견되지 않았으며 pyrolusite의 경우 일부 6가 크롬의 흡착이 나타났으나 침전현상은 발견되지 않았다. 따라서 pH 3의 경우 산화반응은 Mn-oxide의 특성에 따라 결정된다. Mn-oxide에 의한 크롬의 산화는 열역학적으로 용액의 pH가 높아질수록 더 진행되어야 한다. Birnessite의 경우 pH 5에서 오히려 산화반응이 현저히 저해되었는데 이는 birnessite의 표면에 형성되는 3가 크롬의 침전이 반응표면을 감소시킴으로써 나타나는 현상으로 판단된다. Pyrolusite의 경우 pH 3보다 pH 5에서 크롬의 산화는 더 일어나나 초기 3가 크롬의 첨가량이 많아지면서 반응이 억제된다. 일부 3가와 6가 크롬의 흡착이 일어나나 이 경우도 역시 pyrolusite의 표면에 형성되는 3가 크롬의 침전이 반응을 조절하는 주 요인으로 생각된다. Mn-oxide의 표면에 형성되는 3가 크롬의 침전은 산화가 일어날 수 있는 반응표면을 감소시키고 또한 반응물의 농도를 낮춤으로써 용액의 pH가 높고 3가 크롬의 첨가량이 많아질 때 크롬의 산화반응을 억제하는 주 요인이 되는 것으로 판단된다. Various Mn-oxides can oxidize Cr(III) to Cr(VI). Behaviors of chromium species in the oxidation system, especially on the oxide surface, are expected to control the reaction. During Cr(III) oxidation by birnessite and pyrolusite, Cr species in the reaction system were determined to elucidate their effects on the oxidation. Capacities of Cr oxidation of the two Mn-oxides were quite different. Solution pH and initial Cr(III) concentration also had significant effects on the Cr(III) oxidation by Mn-oxides. Chromium oxidation by pyrolusite was less than 5% of the oxidation by birnessite. The high crystallinity of pyrolusite could be one of the reasons and the difficulty of Cr (III) diffusion to the positive pyrolusite surface and Cr(VI) and Cr(III) adsorption seems to be other controlling factors. At pH 3, adsorption or precipitation of Cr species on the surface of birnessite were not found. Small amount of Cr(VI) adsorption was found on the surface of pyrolusite, but arty Cr precipitation on the oxide surface was not found. Therefore Cr(III) oxidation at pH 3 seems to be controlled mainly by the characteristics of Mn-oxides. Chromiun oxidation by Mn-oxides is thermodynamically more favorable at higher solution pH. However as solution pH increased Cr oxidation by birnessite was significantly inhibited. For Cr oxidation by pyrolusite, as pH increased the oxidation increased, but as Cr(III) addition increased the reaction was inhibited. Under these conditions some unidentified fraction of Cr species was found and this fraction is considered to be Cr(III) precipitation an the oxide surface. Chromium(III) precipitation on the oxide surface seems to play an important role in limiting Cr(III) oxidation by armoring the reaction surface on Mn-oxides as well as lowering Cr(III) concentration available for the oxidation reaction.

Kinetics of Chromium(III) Oxidation by Various Manganess Oxides

정종배,임선옥,Chung, Jong-Bae,Zasoski, Robert J.,Lim, Sun-Uk 한국응용생명화학회 1994 Applied Biological Chemistry (Appl Biol Chem) Vol.37 No.5

망간 산화물 birnessite, pyrolusite, hausmannite의 표면에서 일어나는 3가 크롬의 산화현상을 조사하였다. 이들은 zero point of charge, 표면적, 그리고 결정도 등에서 차이가 많은데, 크롬 산화현상은 모두 1차 반응이었으며 반응용액의 pH 및 최초 3가 크롬농도가 반응에 큰 영향을 미쳤다. 일반적으로 hausmannite에 의한 산화가 가장 빨랐으며 pyrolusite에 의한 산화는 상대적으로 매우 느렸다. 용액 pH와 최초 3가 크롬농도의 상호 작용이 전체 반응속도를 조절하는 것 같으며 pH가 높고 3가 크롬농도가 높을 경우 망간산화물 표면에 3가 크롬 침전되거나 complex를 형성할 수 있을 것이다. Birnessite와 hausmannite에서는 $pH\;3.0{\sim}5.0$ 범위에서 pH가 낮을수록 산화력이 높았으나 pyrolusite의 경우에는 pH가 높을수록 산화력이 증가하였다. 반응속도는 온도에 또한 민감했다. pH 3.0에서의 산화반응의 activation energies는 일반적으로 diffusion에 필요한 activation energy보다 크게 나타났으나 반응속도를 결정하는 단계가 무엇인지는 확실하지 않다. Birnessite, pyrolusite and hausmannite were synthesized and tested for the ability to oxidize Cr(III) to Cr(VI). These oxides differed in zero point of charge, surface area, and crystallinity. The kinetic study showed that Cr(III) oxidation on the Mn-oxide surface is a first-order reaction. The reaction rate was various for different oxide at different conditions. Generally the reaction by hausmannite, containing Mn(III), was faster than the others, and oxidation by pyrolusite was much slower. Solution pH and initial Cr(III) concentration had a significant effect on the reaction. Inhibited oxidation at higher pH and initial Cr(III) concentration could be due to the chance of Cr(III) precipitation or complexing on the oxide surface. Oxidations by birnessite and hausmannite were faster at lower pH, but pyrolusite exhibited increased oxidation capacity at higher pH in the range between 3.0 and 5.0. Reactions were also temperature sensitive. Although calculated activation energies for the oxidation reactions at pH 3.0 were higher than the general activation energy for diffusion, there is no experimental evidence to suggest which reaction is the rate limiting step.

연구보문 : 토양환경 ; 논토양에서 질산 이온이 철의 환원과 인의 용출에 미치는 영향

정종배 ( Jong Bae Chung ) 한국환경농학회 2009 한국환경농학회지 Vol.28 No.2

환원상태가 발달된 담수상태의 토양이나 습지생태계에서 NO3-는 환원상태의 진전을 지연시키는 완충역할을 할 수 있다. 논토양에서 NO3-가 Fe의 환원과 그에 따른 P의 가용화에 미치는 영향을 조사하였다. 담수 후 10 cm 깊이 토양의 산화환원전위 변화는 NO3-를 처리한 토양과 처리하지 않은 토양에서 현저하게 달리 나타났으며, NO3-의 환원이 일어나는 동안에는 산화환원전위가 330~360 mV 범위에서 유지되었다. 그리고 이 기간 동안 Fe의 환원은 현저히 억제되었다. NO3-를 처리한 토양 용액의 PO4(3-) 함량은 담수 이후 0.2~0.3 mg/L 수준 또는 그 이하로 유지되었으며, 반면 NO3-를 처리하지 않은 경우에는 담수 후 9일째부터 Fe의 환원과 함께 토양 용액의 PO4(3-) 함량이 급격히 증가하였다. 일반적인 토양에서 무기태 P의 상당부분이 Fe 산화물에 고정된 형태 및 Fe와 결합된 형태로 존재하므로 Fe의 환원에 따라서 PO4(3-)가 함께 용출되는 것이다 이상의 결과를 보면 토양중의 NO3-가 Fe2+와 PO4(3-)의 용출을 조절하는 요인인 것으로 확인할 수 있다. 토양 용액중의 NO3- 농도가 1 mg/L 이상으로 유지되는 상태에서는 토양의 산화환원전위가 330 mV 이하로 낮아지지 못하며, 따라서 Fe의 환원과 그에 따른 P의 용출 또한 현저히 억제되는 것으로 판단된다. The increase in P availability to rice under flooded soil conditions involves the reductive dissolution of iron phosphate and iron (hydr)oxide phosphate. However, since NO3- is a more favourable electron acceptor in anaerobic soils than Fe, high NO3- loads function as a redox buffer limiting the reduction of Fe. The effect of adding NO3- on Fe reduction and P release in paddy soil was investigated. Pot experiment was conducted where NO3- was added to flooded soil and changes of redox potential and Fe2+, NO3-, and PO4(3-) concentrations in soil solution at 10 cm depth were monitored as a function of time. Redox potential decreased with time to -96 mV, but it was temporarily poised at about 330~360 mV when NO3- was present. Nitrate addition to soil led to reduced release of Fe2+ and prevented the solubilization of P. Phosphate in pore water began to rise soon after incubation and reached final concentrations about 0.82 mg P/L in the soil without NO3- addition. But, in the soil with NO3- addition, PO4(3-) in pore water was maintained in the range of 0.2~0.3 mg P/L. The duration of inhibition in Fe2+release was closely related to the presence of NO3-, and the timing of PO4(3-) release was inversely related to the NO3- concentration in soil solution. The results suggest that preferential use of NO3- as an electron acceptor in anaerobic soil condition can strongly limit Fe reduction and P solubilization.

용성인비와 비교한 골분의 인산질 비료 효과

정종배 ( Jong-bae Chung ),정병룡 ( Byeong-ryong Jeong ) 한국환경농학회 2017 한국환경농학회지 Vol.36 No.1

유기농업자재로 친환경농업에서 널리 사용되고 있는 골분의 적정 시비량을 추정하고자 포트시험으로 골분과 용성인비를 각각 150 및 300 mg P₂O₅/kg 수준으로 처리한 토양에서 옥수수를 4-5주씩 3회 연속 재배하여 골분의 인산 비효를 용성인비와 비교하여 조사하였다. 포트당 옥수수 지상부 총 건물 중은 150 및 300 mg P₂O₅/kg 처리에서 용성인비에 비해 골분 처리에서 각각 6% 및 3% 적었으며, 인산 흡수량 또한 골분 처리에서 7-9% 정도 적었다. 이러한 결과를 보면, 골분을 기존 작물별 표준시비량 보다 대략 10% 정도 높여 시용하면 용성인비와 대등한 수준의 비효를 거둘 수 있을 것으로 판단된다. 비료용 시판 골분에는 직경 1 mm 이상의 굵은 뼈 입자가 18% 이상 함유되어 있다는 점과 이러한 골분을 연용할 경우 잔류효과가 기대되는 점을 고려하여 포장시험을 통해 작물별 적정시비량이나 시용주기 등 보다 상세한 골분 시용방법을 결정해야 할 것이다. BACKGROUND: Bone meal is commonly used as a phosphorus (P) fertilizer in organic farming. Effectiveness of bone meal was compared with mineral P fertilizer to elucidate the optimum application rates of bone meal in crop production. METHODS AND RESULTS: The effects of bone meal and fused phosphate on plant growth and P uptake were determined in a pot experiment with maize (Zea mays L.) in a clay loam soil. Bone meal and fused phosphate were applied at 150 and 300 mg P₂O₅/kg soil, and maize was grown for 3 consecutive growth periods of 4 to 5 weeks each. As compared with fused phosphate, total shoot growth of maize per pot was 3-6% lower in bone meal fertilization, and the difference was not significant in the application of 300 mg P₂O₅/kg. At the same P application rate, uptake of P by maize plants was 7-9% lower in bone meal treatment. The P use efficiency in bone meal treatments ranged from11.9-13.6%, equivalent to 73-84% of the efficiency for fused phosphate treatments. CONCLUSION: The equivalence of immediate effectiveness of bone meal as a P fertilizer was at least 90% compared with fused phosphate in the pot experiment with maize. The results indicate that bone meal could be a reasonable alternative to chemical P fertilizers.

시설재배 참외의 생육과 토양 특성에 미치는 인산석고의 효과

정종배(Jong-Bae Chung) 한국토양비료학회 2005 한국토양비료학회지 Vol.38 No.6

가축분 비료가 토양과 작물에 미치는 영향

정종배 ( Jong Bae Chung ),사동민 ( Tong Min Sa ),한광현 ( Gwang Hyu Han ) 한국토양비료학회 2008 한국토양비료학회 학술발표회 Vol.2008 No.1

Genotypical Varization in Nitrate Accumulationm of Lettuce and Spinach

Jong-Bae Chung(정종배),Yong-Woo Lee(이용우),Hee-Youl Choi(최희열),Yong Park(박용),Moon-Soo Cho(조문수) 한국토양비료학회 2005 한국토양비료학회지 Vol.38 No.1

Distribution of Micronutrients in Plastic Film House Soils of Yeongnam Province

Jong-Bae Chung(정종배),Bok-Jin Kim(김복진),Kwan-Sig Ryu(유관식),Seung-Ho Lee(이승호),Hyun-Jin Shin(신현진),Tae-Kyung Hwang(황태경),Hee-Youl Choi(최희열),Yong-Woo Lee(이용우),Yoon-Jeong Lee(이윤정),Jong-Jib Kim(김종집) 한국토양비료학회 2006 한국토양비료학회지 Vol.39 No.4

Micro-Pipette법과 Hydrometer법에 의한 토양 입경 분석의 비교

정종배(Jong-Bae Chung),김민경(Min-Kyeong Kim),김복진(Bok-Jin Kim),김계훈(Kye-Hoon Kim) 한국토양비료학회 1999 한국토양비료학회지 Vol.32 No.3