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벤토나이트의 일라이트화에 의한 세슘 수착 특성 변화 연구
황정환,정성욱,한원식,윤원우,Hwang, Jeonghwan,Choung, Sungwook,Han, Weon Shik,Yoon, Wonwoo 한국지하수토양환경학회 2021 지하수토양환경 Vol.26 No.5
This study investigated the mineralogical properties of bentonite and illite and evaluated the Cs sorption at various concentrations (C<sub>w</sub>≈1-10<sup>5</sup> ㎍/L). Bentonite samples, collected from South Korea and USA, majorly consisted of Ca- and Na-montmorillonite, showed large cation exchange capacity (CEC, 91.4 and 47.3 meq/100 g) and specific surface area (SSA, 46.1 and 39.7 m<sup>2</sup>/g). In contrast, illite sample (USA) had relatively low values for 14.4 meq/100g of CEC and 29.3 m<sup>2</sup>/g of SSA, respectively. Bentonite and illite had different non-linear sorption for Cs along with C<sub>w</sub>. At low C<sub>w</sub><10 ㎍/L, illite showed higher sorption capacity than bentonite despite low CEC because of the existence of specific sorption sites at the weathered mineral edge. However, as C<sub>w</sub> increased, bentonite represented high sorption capacity because the cation exchange between Cs and interlayer cations was effective at high C<sub>w</sub> conditions. These results implicated that the Cs concentration is important to evaluate the sorption performance of bentonite and illite. Finally, the Cuadros' kinetic model for illitization using various K concentrations (2×10<sup>-5</sup> and 1.7×10<sup>-3</sup> mol/L) and temperature (100-200℃) showed that up to 50% of the montmorillonite in bentonite could be converted to illite, suggesting that the illitization should be considered to evaluate the sorption performance of the bentonite in deep geological disposal repository.
양이온 교환 모델을 활용한 천연 일라이트의 세슘 흡착 특성 규명
황정환 ( Hwang Jeonghwan ),한원식 ( Han Weon Shik ),정성욱 ( Choung Sungwook ),이재현 ( Lee Jaehyun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
원자력 중대 사고 등으로 인하여 지표수 자원이 방사성 세슘(137Cs)에 노출되었을 경우, 천연 점토광물을 이용한 흡착 제염은 가장 효율적이고 신속한 초동 대응 방법으로 고려될 수 있다. 하지만 점토광물을 제염제로 활용하기 위해서는 불균질한 천연 시료가 가지는 복잡한 흡착 특성을 보다 정확하게 규명하는 것이 필요하다. 양이온 교환 (CE) 모델은 점토광물의 흡착 특성을 평가하기 위한 강력한 모델링 방법이다. CE 모델은 영구 음전하가 점토광물 표면의 서로 다른 흡착 용량 및 친화도를 가지는 세 종류의 흡착 지점 (Frayed edge sites, Type Ⅱ sites [높은 흡착 친화도 / 저용량] 및 Planar sites [낮은 흡착 친화도 / 고용량])에 분포되어 있다고 가정한다. 세 종류의 흡착 지점은 복합적으로 흡착에 영향을 미치며, 이를 이용하여 점토광물의 복잡한 흡착 특성을 효과적으로 규명할 수 있다. 본 연구에서는 CE 모델을 활용하여 국내 영동 지역에서 채취한 3개 천연 일라이트 시료의 세슘 흡착 특성을 평가하였다. XRD를 활용한 광물 동정에서 모든 시료는 약 70% 내외의 일라이트 함량을 가지는 것으로 확인되었으며, 이들의 양이온 교환능은 약 0.05-0.08 eq/kg으로 측정되었다. 흡착 실험은 3가지 유형의 배경 용액 (DIW, 10<sup>-3</sup>M, 10<sup>-1</sup>M KCl)을 사용하여 10<sup>-7</sup>-10<sup>-3</sup>M의 세슘 농도 조건에서 수행하였으며, 지화학 모델인 PHREEQC v.3 (USGS)을 사용하여 CE 모델을 구현하였다. 흡착 실험 결과, 배경 용액의 칼륨 농도 증가에 따라 일라이트 시료들의 세슘 흡착이 현저히 감소하여 칼륨과 세슘의 경쟁 이온 효과를 보여주었다. CE 모델은 일라이트 시료들의 서로 다른 흡착 특성을 정확하게 평가했으며, 이들의 불균질한 흡착 특성은 흡착 지점의 상대적인 비율이 각기 다르기 때문으로 확인되었다. 또한, 세슘의 농도가 낮을수록, 배경 양이온의 농도가 높을수록 Frayed edge sites의 영향이 커지는 경향이 나타났으며, 이는 수자원 환경 및 세슘 오염 정도에 따라서 주로 작용하는 흡착 지점이 다를 수 있음을 시사한다. 추가 연구는 CE 모델을 1D 반응 거동 모델에 적용하여 각 흡착 지점이 일라이트의 흡탈착 특성에 미치는 영향을 평가하는 것이다.
양이온 교환 모델을 활용한 천연 일라이트의 세슘 흡착 특성 규명
황정환 ( Hwang Jeonghwan ),한원식 ( Han Weon Shik ),정성욱 ( Choung Sungwook ),이재현 ( Lee Jaehyun ) 한국물환경학회 2020 한국물환경학회·대한상하수도학회 공동 춘계학술발표회 Vol.2020 No.-
원자력 중대 사고 등으로 인하여 지표수 자원이 방사성 세슘(137Cs)에 노출되었을 경우, 천연 점토광물을 이용한 흡착 제염은 가장 효율적이고 신속한 초동 대응 방법으로 고려될 수 있다. 하지만 점토광물을 제염제로 활용하기 위해서는 불균질한 천연 시료가 가지는 복잡한 흡착 특성을 보다 정확하게 규명하는 것이 필요하다. 양이온 교환 (CE) 모델은 점토광물의 흡착 특성을 평가하기 위한 강력한 모델링 방법이다. CE 모델은 영구 음전하가 점토광물 표면의 서로 다른 흡착 용량 및 친화도를 가지는 세 종류의 흡착 지점 (Frayed edge sites, Type Ⅱ sites [높은 흡착 친화도 / 저용량] 및 Planar sites [낮은 흡착 친화도 / 고용량])에 분포되어 있다고 가정한다. 세 종류의 흡착 지점은 복합적으로 흡착에 영향을 미치며, 이를 이용하여 점토광물의 복잡한 흡착 특성을 효과적으로 규명할 수 있다. 본 연구에서는 CE 모델을 활용하여 국내 영동 지역에서 채취한 3개 천연 일라이트 시료의 세슘 흡착 특성을 평가하였다. XRD를 활용한 광물 동정에서 모든 시료는 약 70% 내외의 일라이트 함량을 가지는 것으로 확인되었으며, 이들의 양이온 교환능은 약 0.05-0.08 eq/kg으로 측정되었다. 흡착 실험은 3가지 유형의 배경 용액 (DIW, 10<sup>-3</sup>M, 10<sup>-1</sup>M KCl)을 사용하여 10<sup>-7</sup>-10<sup>-3</sup>M의 세슘 농도 조건에서 수행하였으며, 지화학 모델인 PHREEQC v.3 (USGS)을 사용하여 CE 모델을 구현하였다. 흡착 실험 결과, 배경 용액의 칼륨 농도 증가에 따라 일라이트 시료들의 세슘 흡착이 현저히 감소하여 칼륨과 세슘의 경쟁 이온 효과를 보여주었다. CE 모델은 일라이트 시료들의 서로 다른 흡착 특성을 정확하게 평가했으며, 이들의 불균질한 흡착 특성은 흡착 지점의 상대적인 비율이 각기 다르기 때문으로 확인되었다. 또한, 세슘의 농도가 낮을수록, 배경 양이온의 농도가 높을수록 Frayed edge sites의 영향이 커지는 경향이 나타났으며, 이는 수자원 환경 및 세슘 오염 정도에 따라서 주로 작용하는 흡착 지점이 다를 수 있음을 시사한다. 추가 연구는 CE 모델을 1D 반응 거동 모델에 적용하여 각 흡착 지점이 일라이트의 흡탈착 특성에 미치는 영향을 평가하는 것이다.