이온 선택성 전극을 이용한 탄산칼슘 형성 특성 연구 : 마그네슘-칼슘 비율과 반응 온도의 영향 = Characterization of CaCO₃ Formation Using an Ion Selective Electrode : Effects of the Mg/Ca Ratio and Temperature

국문 초록 (Abstract)

이산화탄소 순환 물질 중 대표적인 광물인 탄산칼슘의 형성 과정을 관찰하고, 대표적 조절 변수인 마그네슘-칼슘 이온의 혼합 비율(Mg/Ca 비)과 온도가 pre-nucleation cluster (PNC) 및 탄산칼슘 형성에 미치는 영향을 분석하고자 실험 과정에서 칼슘 이온 선택성 전극(calcium ion selective electrode, Ca ISE)을 이용하여 핵형성 과정을 연구하였다. 실험 결과 미량의 결정이 형성되었으며 표면 원소 분석을 위해 에너지 분산 X선 분석법(energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS)을 사용하였고, 형상 분석을 위해 주사 전자 현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 사용하였다. Mg/Ca 비와 온도 조건에 따라 다양한 형상의 결정질 탄산칼슘(방해석, 아라고나이트 등)을 확인하였으며 Ca ISE로부터 얻은 칼슘 이온 농도 그래프는 탄산칼슘 형성 과정을 보여주었다. 칼슘 이온 농도 그래프 분석을 통해 마그네슘 이온은 칼슘 이온과 탄산 이온의 결합을 방해하고 PNC 간 응집을 지연시켜 핵형성 및 탄산칼슘의 형성을 지연시킴을 확인하였다. 반면 온도는 이와 반대되는 효과를 보였으며, 본 실험 조건에서는 마그네슘 이온보다 더 큰 영향을 미쳤다. 또한 Mg/Ca 비와 온도에 따라 탄산칼슘의 형상이 뚜렷하게 변화하여 두 인자는 탄산칼슘 형성 과정에 전반적으로 영향을 미치는 중요 조절 변수임을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The nucleation mechanism was studied using a calcium ion selective electrode (Ca ISE) to observe the formation of CaCO₃, a representative mineral in the CO₂ cycle, and to analyze the effect of the Mg/Ca-ratio and temperature on the formation of pre-nucleation cluster (PNC) and CaCO₃. As a result of the experiment, a small amount of crystal was formed. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used for surface element analysis, and a field emission scanning-electron microscope (FE-SEM) was used for the morphology analysis of synthesized carbonates. These results showed that various shapes of crystalline CaCO₃ (calcite, aragonite, etc.) were observed for each Mg/Ca ratio and temperature. In addition, the calibration plot obtained from Ca ISE showed information on the formation process of CaCO₃. Our results showed that as magnesium ions interfered with the binding of calcium and carbonate ions and delayed the aggregation between PNCs, the nucleation and formation of CaCO₃ were delayed. On the other hand, the temperature showed an opposite trend as compared to the effect of magnesium under our experimental conditions, indicating that temperature accelerated the formation of CaCO₃. Furthermore, the morphology of CaCO₃ clearly changed according to the Mg/Ca ratio and temperature, and it was confirmed that the two factors are very important for CaCO₃ formation in that they could affect the overall process.