단일 및 복합광물계에서 우라늄의 수착특성 : 열역학적 수착모델의 적용 및 해석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The mobilization of metal contaminants through geological media is strongly influenced by the reaction between metals and the surrounding rocks and mineral phases. Sorption on mineral surfaces is a main retardation mechanism of toxic elements migration in the mineral-groundwater system. In this study, the batch type experiments of U(VI) sorption on single minerals and natural composite minerals were carried out over a wide range of pH, ionic strength, U(VI) concentration and carbonate concentration. The thermodynamic sorption models were also applied to evaluate and estimate the U(VI) sorption on minerals. The single minerals included goethite, hematite, kaolinite, and quartz; and natural composite minerals included the sediment soils and the crushed granite particles.The chemical aqueous speciation of U(VI) was calculated by the geochemical code MINTEQA2 at different aqueous conditions to investigate the correlation between the aqueous speciation and sorption of U(VI). Free uranyl ion (UO22+) and uranyl hydroxides were the dominant species in solution in anaerobic condition, while uranyl carbonates, such as UO2CO3, UO2(CO3)22-, and UO2(CO3)34- were increased in an alkaline pH region as increased the carbonate concentration. It insinuated that the carbonates in solution could inhibit the U(VI) sorption onto minerals and thus enhance the mobility of U(VI) in solution-mineral interface due to the low sorption affinity of uranyl carbonato species to mineral surfaces.A diffuse double layer model (DLM) was used to evaluate the reactions between U(VI) and single mineral surfaces and U(VI) surface formation constants were also calculated. U(VI) sorption onto the mixture of goethite and kaolinite was accomplished to investigated the mineralogical contribution of iron oxide and clay mineral to U(VI) sorption. Sorption of U(VI) onto the natural composite minerals, i.e. sediment soil was estimated from the information of the reactions between U(VI) and single minerals. U(VI) sorption on the sediment soils were successfully evaluated by using a DLM despite of its complex mineralogical composition.The factors affecting the sorption of U(VI) onto the crushed granite particles were empirically investigated. The solution pH and carbonate concentration had an important role in U(VI) sorption onto granite while the ionic strength effect was insignificant. The fraction of U(VI) associated with clay minerals and refractory minerals in granite was about 19% from the study of a sequential chemical extraction procedure and the XRD pattern identified that it was chlorite. Though chlorite contents in granite was below 1%, its contribution to U(VI) sorption on granite was very high.A non-electrostatic model was used to interpret the U(VI) sorption properties of granite because there wasn't any electrostatic information available for the charge and potential of the crushed granite particles. Several U(VI) surface species, such as SOUO2+, SOUO2OH, SOUO2CO3-, and SOUO2(CO3)23- were assumed and at least two types of surface binding sites (strong and weak) were considered to describe U(VI) surface reactions with granite surface. From the model calculation, it was suggested that UO22+ and UO2CO30(aq) would dominantly react with the granite surface and the strong binding sites were 1% of total binding sites.

국문 초록 (Abstract)

지하 환경에서 오염물질은 다양한 경로를 통하여 지표권으로 이동하게 되며 지하매질에 대한 오염물질의 수착은 이동속도를 지연시키는 역할을 담당하게 된다. 본 연구에서는 회분식 실험을 수행하여 다양한 광물에서 우라늄의 수착특성에 영향을 주는 pH, 이온강도, 우라늄 농도, 그리고, 탄산염 등의 영향을 평가하였다. 또한 단일광물 및 복합광물계에서 우라늄의 수착특성을 이해하기 위하여 열역학적 수착 모델을 적용하고 그 결과를 해석하였다.우라늄의 수착을 열역학적 모델로 평가하기 위하여 실험과 동일한 조건에서의 우라늄 화학종 분포를 구하였다. 우라늄은 수용액의 조건에 매우 민감하게 반응하여, 탄산염이 없을 경우 우라늄은 광물과 반응성이 좋은 우라닐 또는 수산화 우라닐 이온으로 주로 존재한다. 그러나, 수용액 중의 탄산염이 증가하게 될 경우 UO2CO3, UO2(CO3)22-, 그리고, UO2(CO3)34- 등의 광물에 대한 수착친화도가 낮은 우라닐 탄산 화학종의 분포가 증가한다.광물에 대한 우라늄의 회분식 수착실험을 위하여 단일광물로는 토양시료의 주 구성광물인 침철석, 적철석, 석영, 그리고, 카올리나이트를 사용하였으며, 복합광물로는 4 종류의 토양시료와 심부지질 암석인 화강암을 사용하였다.토양시료를 구성하고 있는 단일광물에 대한 전기적 특성은 비교적 잘 알려져 있으므로, 단일광물에 대한 우라늄 수착을 확산 이중층 모델로 평가하여 탄산염을 배제한 조건과 탄산염이 대기압 수준으로 존재하는 수용액 조건에 대한 단일광물 표면의 우라늄 화학종 형성상수를 도출하였다. 또한 토양시료에 다량 분포하고 있는 카올리나이트와 산화철광물인 침철석의 혼합물에 대한 확산 이중층 모델 평가를 통하여 산화철광물의 우라늄 수착에 대한 기여도를 평가하였다.확산 이중층 모델 모사를 통하여 얻은 단일광물 및 혼합광물에 대한 우라늄의 표면 착화물 형성상수를 이용하여 토양시료에 대한 우라늄 수착을 예측하였으며, 토양시료의 구성광물의 수착기여도를 예측하였다. 토양시료는 복잡한 광물학적 조성을 가지고 있음에도 불구하고 단일광물에 대한 열역학적 수착 모델의 결과를 이용하여 토양시료에 대한 우라늄 수착 실험결과를 성공적으로 평가하였다.화강암에 대한 우라늄 수착특성을 평가하기 위하여 다양한 수용액 조건에 대한 회분식 수착실험을 수행하였다. 구성광물의 수착기여도를 직접적으로 확인하기 위하여 연속화학추출법을 이용하였다. 연속화학추출 시험결과 점토광물 및 난분해성 광물에 수착된 전체 우라늄의 19%가 추출되었으며, 추출 전후의 수착에 관여한 광물이 녹니석임을 확인하였다. 또한 화강암-녹니석의 혼합광물에 대한 수착실험을 통하여 녹니석이 소량으로 존재하여도 우라늄 수착에 크게 기여하는 것을 확인하였다.화강암은 매질 표면의 특성이 매우 복잡하여 표면의 전기적 특성에 대한 정보를 직접적으로 얻기 어렵다. 따라서, 열역학적 모델의 적용에 있어서 조성이 복잡하고 표면 특성 분석이 어려운 복합광물에 적용 가능한 비정전기적 표면 착화반응 모델을 이용하여 우라늄 수착을 해석하였다. 열역학적 모델을 적용하기 위하여 화강암 표면과 반응하는 화학종은 SOUO2+, SOUO2OH, SOUO2CO3-, 그리고, SOUO2(CO3)23-등으로 고려하였으며, 강한 수착점과 약한 수착점의 두 자리 표면 수착점을 가정하였다. SOUO2+와 SOUO2CO3-의 두가지 표면 화학종을 가정하고, 강한 수착점은 전체 수착점의 1%로 가정하였을 때 모사결과는 실험결과와 비교적 잘 일치하였다.