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분광학을 이용한 흄산의 모델 리간드인 2,6-Dihydroxybenzoic acid와 우라늄(VI)의 착물형성 반응에 관한 연구
차완식,조혜륜,정의창,Cha, Wan-Sik,Cho, Hye-Ryun,Jung, Euo-Chang 한국방사성폐기물학회 2011 방사성폐기물학회지 Vol.9 No.4
UV-Vis 분광광도법과 시간분해 레이저 유도 형광분광법(TRLFS)을 이용하여 흄산의 모사 리간드로 사용한 2,6-Dihydroxybenzoate(DHB)와 U(VI)의 착물형성반응을 조사하였다. U(VI)-DHB 착물 고유의 전하이동 흡수 스펙트럼을 분석한 결과, 착물형성반응은 우라늄-리간드 비가 1:1 또는 1:2 착물을 형성하는 이중 평형반응이며, 산도에 따라 착물종의 분포가 변한다는 것을 밝혔다. 계산된 착물형성상수 (log $K_1$ and log $K_2$)는 $12.4{\pm}0.1$과 $11.4{\pm}0.1$이다. 이에 더하여, TRLFS 방법으로 조사한 결과, DHB는 U(VI) 화학종들의 형광 소광제(quencher)로서 역할을 한다는 것을 확인하였다. 특히, 확인된 U(VI) 화학종 모두(${UO_2}^{2+}$, $(UO_2)_2{(OH)_2}^{2+}$과 $(UO_2)_3(OH)_5{^+})$에서 정적 (static) 및 동적 (dynamic) 소광작용이 공존하는 것으로 관찰되었다. 시간분해 형광 스펙트럼으로부터 리간드 농도에 따른 U(VI) 화학종의 형광세기와 형광수명을 측정하였으며, Stern-Volmer 식을 이용하여 분석하였다. 결정된 정적소광계수(KS)는 ${UO_2}^{2+}$, $(UO_2)_2{(OH)_2}^{2+}$ 과 $(UO_2)_3(OH)_5+$에 대하여 각각 $4.2{\pm}0.1$, $4.3{\pm}0.1$ 과 $4.34{\pm}0.08$이다. Stern-Volmer 식을 이용한 분석 결과, 단일 또는 이중 배위자 구조(mono- and bi-dentate)의 U(VI)-DHB 착물이 모두 정적소광효과에 관여하는 바닥상태 착물임을 확인하였다. In this study the complex formation reactions between uranium(VI) and 2,6-dihydroxybenzoate (DHB) as a model ligand of humic acid were investigated by using UV-Vis spectrophotometry and time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS). The analysis of the spectrophotometric data, i.e., absorbance changes at the characteristic charge-transfer bands of the U(VI)-DHB complex, indicates that both 1:1 and 1:2 (U(VI):DHB) complexes occur as a result of dual equilibria and their distribution varies in a pH-dependent manner. The stepwise stability constants determined (log $K_1$ and log $K_2$) are $12.4{\pm}0.1$ and $11.4{\pm}0.1$. Further, the TRLFS study shows that DHB plays a role as a fluorescence quencher of U(VI) species. The presence of both a dynamic and static quenching process was identified for all U(VI) species examined, i.e., ${UO_2}^{2+}$, $(UO_2)_2{(OH)_2}^{2+}$, and $(UO_2)_3{(OH)_5}^+$. The fluorescence intensity and lifetimes of each species were measured from the time-resolved spectra at various ligand concentrations, and then analyzed based on Stern-Volmer equations. The static quenching constants (log $K_s$) obtained are $4.2{\pm}0.1$, $4.3{\pm}0.1$, and $4.34{\pm}0.08$ for ${UO_2}^{2+}$, $(UO_2)_2{(OH)_2}^{2+}$, and $(UO_2)_3{(OH)_5}^+$, respectively. The results of Stern-Volmer analysis suggest that both mono- and bi-dentate U(VI)-DHB complexes serve as groundstate complexes inducing static quenching.
환원성 지하수 환경에서 우라늄 나노입자와 유기물의 상호작용 연구
차완식(Wansik Cha),윤인학(In Hak Yoon),조혜진(Hyejin Cho),조혜륜(Hye-Ryun Cho) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10
심지층 사용후핵연료 처분장의 지화학 환경은 산소유입이 거의 차단되는 환원분위기로 우라늄은 대부분 +4가의 산화 상태로 존재할 것으로 본다. 일반적으로 +4가 우라늄(U(IV))은 넓은 pH 영역에서 낮은 용해도를 갖는 고체상을 형성하는 것으로 알려져 있는데, 지하수계에서 생물적 혹은 비생물적 U(IV) 광물상 변환과 U(IV) 콜로이드 형성 과정은 광범위하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 환원성 지하수 환경의 유기물이 U(IV)-나노입자의 콜로이드 안정성과 반응성에 미치는 영향을 조사하였다. 자연계 유기물에 존재하는 기능기를 갖는 모델 화합물로 유기인산염 유도체와 카테콜 유도체를 선택하였다. 연구결과 U(IV)-나노입자는 다양한 반응성을 갖는 것으로 나타났는데, 표면 수산화기에 기인한 산염기 반응특성, 유기인산에스터를 분해하는 촉매반응 특성, 그리고, 유/무기 이온 또는 분자와 표면착물을 형성하는 흡착 특성을 관찰하였다. 따라서, U(IV)-나노입자를 포함한 수용액의 콜로이드 안정성은 매질의 pH뿐만 아니라 유기물의 농도에 높은 의존성을 보인다. 특히, 높은 pH에서 U(IV)-나노입자 콜로이드의 안정성이 카테콜과 같은 유기분자의 나노입자 표면착물 형성으로 증가한다는 것을 보고하였는데, 이는 본 연구의 중요한 결과 중 하나이다. 연구에 적용된 다양한 실험방법과 분광학적 관찰결과를 살펴보고, 심지층 처분환경에서 콜로이드 기반 핵종이동과 관련하여 본 연구 결과의 의미를 논의하고자 한다.
윤인학,차완식,조혜륜,조혜진 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-
Understanding of the long-term geochemical behavior of various forms of radionuclides including colloidal nanoparticles is required for the reliable safety assessment of deep geological repository systems of spent nuclear fuels. In this study, the colloidal behavior of tetravalent uranium nanoparticles (U(IV)<sub>NPs</sub>) was investigated under reducing aqueous conditions by varying the ionic strength, pH and concentrations of anions and an organic ligand, which are among the key parameters that define a groundwater system. First, the effect of ionic strength and anions on the formation and stability of U(IV)<sub>NPs</sub> colloids was studied. Based on DLS analysis, Cl<sup>-</sup> more significantly affects the colloidal stability of U(IV)<sub>NPs</sub> than ClO<sub>4</sub><sup>-</sup>. Second, the effects of pH and organic ligand (nitrocatechol, nCA) on colloid stability of U(IV)<sub>NPs</sub> were also investigated. Interestingly, our results demonstrate that the surface adsorption of nCA at high pH was found to improve the stability of U(IV)<sub>NPs</sub>.
KURT 암반단열 내 미생물의 생지화학적 활동과 방사성 우라늄의 수착거동 특성 변화
이승엽,백민훈,차완식,류지훈 한국자원공학회 2016 한국자원공학회지 Vol.53 No.5
지하심부 환경에 처분된 방사성폐기물은 오랜 기간 지하수와 반응하면서 일부 핵종들은 용출되고 암반 단열을 통해 지표 생태계에 최종 도달하게 될 것이다. 이를 가정하여 실내 처분환경조건 하에서 방사성 우라늄과 KURT 단열충전물과의 상호반응 실험을 수행하였다. 실험에 앞서 단열충전물 내에 토착미생물이 생존하고 있음을 확인하였고, 이들 미생물에 의해 장기적으로 단열충전물이 변질되고 방사성 우라늄의 수착 거동이 달라짐을 확인하였다. 관찰된 현상으로는 토착미생물에 의해 철함유 광물들이 용해되거나 새로운 황화물이 생성되었고, 단열충전물에 대한우라늄의 수착량도 상대적으로 증가하였다. 이와 같은 결과를 통해, 단열을 따라 이동하게 될 우라늄과 같은 핵종들은단열충전물 내 토착미생물들의 생지화학적 활동으로 장기적으로 핵종들의 수착 및 이동성이 크게 영향받을 것으로예상된다. The radioactive wastes that would be disposed in a deep underground environment could interact with groundwater, and subsequently some radionuclides would be released and finally reach to the surface ecosystem through rock fractures. We conducted an experiment to make radioactive uranium interacted with KURT fracture-filling materials under a laboratory disposal condition. First, we identified indigenous bacteria that were alive in some fracture-filling materials. They have made the fracture-filling materials altered, and affected the adsorption behaviors of uranium for a long-term experimental period. There occurred a characteristic dissolution of some iron-bearing minerals and a subsequent new formation of sulfides, including a relative increase of uranium adsorption onto the fracture-filling materials by the indigenous bacteria. These results show that some radionuclides such as uranium that could move through the rock fractures are expected to be largely affected by the biogeochemical activity of the fracture-living bacteria on their adsorption and mobility.
김태형,윤종일,차완식 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-
Predicting the migration behavior for uranium species in groundwater is necessary for the long-term safety assessment of a deep geological repository for nuclear waste. Since the aqueous speciation of uranium highly affects its migration behavior, reliable thermodynamic data such as complexation constants of various uranium species are required. Many interests have arisen in the complexation of uranly sicliates, since the silicate species are ubiquitous in groundwater with a concentration up to approximately 1.6 mM. Several studies on the complexation of uranly silicate have been reproted in the acidic pH range, but most studies did not consider the solubility limit of amorphous silica and the formation of the first uranly hydrolysis. With these two consdierations, the interaction of uranium(VI) with aqueous silicate in the acidic pH range was studied using time-resolved laser-induced luminescence spectroscopy.