일본의 묘기 광상에서 산출되는 벤토나이트를 대상하여 광물학적, 물리화학적 성질 및 열적성질을 측정하였으며, 이 연구의 주목적은 악틴족 원소인 U, Th과 란탄족 원소인 Ce, Eu에 대해 천연산 Na-형 벤토나이트의 흡착특성을 파악하기 위함이다 묘기 벤토나이트는 pH 10.4 정도로 높은 알카리성을 나타낸다. 또한 높은 점도, 팽윤도, CEC 값을 나타내고, 수용액과의 반응에서 짧은 시간에 안정화되어 균질한 상태를 유지하였다. 화학성분 분석결과 Na2O가 CaO에 비해 상대적으로 높은 함량비를 보이는 것으로 보아 묘기 벤토나이트를 구성하는 스멕타이트는 Na-형에 속한다. 열분석 결과 벤토나이트의 전암시료와 점토입자 이하 시료는 각각 591℃와 658℃에서 분해됨이 확인되었다. 점토입자 시료 0.2g을 U. Th, Ce그리고 Eu의 각 여러 농도별, pH별 용액 20mL와 반응시킨 흡착실험을 행하였다. 그 결과, 농도 및 pH변화에 따른 흡착량의 변화는 Ce, Th과 Eu용액의 경우 비교적 일정한 흡착량의 감소를 보이나, U용액은 농도가 높아질수록, pH가 증가될수록 급격한 흡착량의 감소를 나타내었다. 흡착능력은 Ce, Th, Eu, U 순으로 나타난다. 벤토나이트의 Ce, Eu, Th, U 흡착은 스멕타이트의 양이온교환반응과 표면흡착반응 이외에도 수용액에 존재하는 이온들이 다양한 화학종의 형성과 침전물 형성이 흡착에 큰 영향을 끼치는 것으로 판단된다. 또한 수반되는 제올라이트가 이들 원소들의 흡착에 영향을 끼쳤을 것이다.

일본의 제3기 퇴적분지 내 분포하는 주요 벤토나이트 광상인 Myogi, Tsukinuno, Dobuyama 및 Kawasaki 광상의 산상과 성인을 비교하였으며, 각 광상에서 산출되는 대표적 벤토나이트를 대상하여 광물학적 특성 및 물리화학적 특성이 비교되었다. 일본에서 산출되는 벤토나이트 광상은 신생대 제3기 마이오세기～플라이오세기에 형성된 녹색응회암대 내에 주로 분포한다. Myogi, Tsukinuno 및 Kawasaki 광상은 속성변질작용에 의해, Dobuyama 광상은 열수변질작용에 의해 형성 되었다. 속성변질광상인 Myogi, Tsukinuno 및 Kawasaki 광상은 층상형 또는 성층형 광체형을 보이나 열수변질광상인 Dobuyama 광상은 콘형의 광체형을 나타낸다. 이 광상들의 형성 시기는 1.8～21 Ma까지 넓은 년대 범위를 보이나 대체로 초기～중기 마이오세기에 형성되었다. 몬모릴로나이트 함량비가 가장 높은 Dobuyama 광석이 높은 표면적, CEC, MB 흡착량 및 강도 값을 보인다 몬모릴로나이트 함량비도 다소 높고 Na-형인 Tsukinuno 광석은 강 알카리성, 높은 점도 및 팽윤도를 보인다. Na-Ca 혼합형인 Kawasaki 광석들은 Na-형에 비해서는 낮은 점도와 팽윤도를 보이나 Ca-형인 Dobuyama 보다는 다소 높다. 제올라이트 함량비가 높은 Myogi 광석은 Na-형이나 몬모릴로나이트 함량비가 가장 낮기 때문에 낮은 점도, MB 흡착량, 강도값을 나타내나 CEC와 표면적 값은 다소 높다. 이는 제올라이트의 영향으로 생각된다. 대체적으로 수용액계에서 Na-형은 강한 분산이 초래되나 Ca-형은 응집이 보다 강하게 일어나며, 두 유형 모두 매우 서서히 응집이 초래되었다. 벤토나이트의 물성은 몬모릴로나이트의 함량, 층간 양이온종이나 불순광물(특히 제올라이트)에 의해 주로 규제되는 시료도 있지만, 몇 시료는 이와 일치되지 않는다. 이는 이 연구에서 확인치 못한 몬모릴로나이트의 층전하 간과 같은 결정-화학적 및 몬모릴로나이트의 형상비와 같은 결정 형태적 특성에 의한 영향일 것으로 해석 된다.

이 연구는 산업체에서 다양하게 활용될 수 있는 세 종류의 유기­스멕타이트를 제조하여 Na­스멕타이트와의 제반 물성을 비교함으로서 유기­스멕타이트의 활용을 위한 과학적인 자료를 제공하고자 한다. 이 연구를 위하여 제4가 암모늄 양이온에 속하는 Hexadecyl­trimethylammonium(HDTMA), Benzyldimethyltetradecylammonium(BDTDA) 및 Cetylpyridinium(CP) 염화물을 Na­스멕타이트에 치환시켜 세 종류의 유기­스멕타이트를 제조하였다. 유기­스멕타이트인 HDTMA­, BDTDA­ 및 CP­스멕타이트는 pH 9 정도로 비교적 높은 알칼리성을 나타내었다. 이들 유기­스멕타이트는 Na­스멕타이트에 비해 극히 낮은 팽윤도, 점도를 나타내고, 짧은 시간에 강한 응집이 초래되었다. 양이온 교환능과 동일한 양의 유기 양이온을 스멕타이트에 치환시켜 제조된 유기­스멕타이트의 저면간격은 HDTMA­스멕타이트가 23.1a, BDTDA­스멕타이트가 19.2a 및 CP­스멕타이트가 23.2a로서, Na­스멕타이트의 12.7a에 비해 강한 격자 팽창이 초래 되었다. 유기­스멕타이트에 치환된 세 종류의 유기물은 250℃에서 분해하기 시작하여 400℃ 부근의 온도에서 분해가 거의 종료되었다. 이는 연구된 세 종류의 유기­스멕타이트가 250℃ 미만에서 안정함을 의미한다. 연구된 세 종류의 유기­스멕타이트는 대체로 유사한 광물학적, 물리­화학적 및 열적특성을 나타낸다. 이는 세 유기물의 화학적 성질의 유사성 때문일 것이다. 경제적인 면을 고려한다면 CP로 치환시킨 CP­스멕타이트의 활용이 매우 클 것으로 예측되며, 이에 대한 다양한 연구가 요구된다.

국내 정수장에서는 여과사를 이용하여 원수를 정수하는 급속 및 완속 여과시스템을 이용하고있다. 대부분의 여과사는 해사인 규사로써, 구성광물의 광물학적 특성이 매우 제한되어 중금속이나 유기 오염물의 여과능력이 높은 편이 아니다. 따라서 항상 예기치 않게 발생될 수 있는 오염된 원수를 효율적이고 경제적으로 여과할 수 있는 여과물질 개발이 요구되고 있다. 따라서 이 연구에서 해사를 대체할 수 있는 화강암 풍화산물인 장석질 모래에 일정량의 불석을 혼화하여 원수를 여과하였을 때 일어나는 지화학성의 변화 및 Cd, Cu, Pb와 같은 중금속의 제거능력을 시험하였다. 시험 대상 물질은 현재 정수장에서 사용하는 주문진 규사와 이 연구에서 제조된 장석질 여과사, 장석질 혼합사 I(불석 10% 혼화), 장석질 혼합사 II(불석 20% 혼화)이다. 장석질 혼합사 I 및 II는 주문진 규사와 장석질 여과사에 비해 대부분의 양이온 및 음이온이 높게 용출되었으며, Si, Ca, SO4 이온 용출은 Al, NO3, Fe, K, Mg, P 에 비해 높게 일어났다. 제올라이트의 함량을 높인 혼합사 II가 혼합사 I 비해 Na, Ca, Al과 같은 양이온의 용출농도가 보다 높게 일어났으며, 이 양이온들은 크리높틸로라이트 계열의 제올라이트로부터 주로 용출되었다. 주문진 규사와 장석질 여과사는 Cd, Cu, Pb에 대해 제거능이 거의 없거나 약한 제거율을 보였다. 이에 반하여 장석질 혼합사I, II는 Cd과 Cu에 대해 낮은 제거율을 보였으나 Pb에 대해서는 상대적으로 매우 높은 제거율을 보였다. 장석질 혼합사 I, II는 저농도(100 ppm)의 Cd, Cu, Pb에 대하여 비교적 높은 제거율을 보이는 것으로 나타났으며, 장석질 혼합사 II는 저농도(100 ppm)의 Pb 용액과 반응시킨 경우 상당히 높은 제거율 (90.7%)을 보였다. 고농도(500 ppm) 영역에서는 장석질 혼합사 I, II는 Cd의 흡착량이 Cu, Pb에 비하여 높게 나타났으며, 제거율도 각각 24.0%, 28.2%로 가장 높게 나타났다. 제올라이트의 혼합비가 10%에서 20%로 증가할수록 중금속의 흡착량과 제거율이 향상되었다. 이는 장석질 혼합사를 여과사로 이용 할 경우 제올라이트를 적정 비율로 혼화하면 높은 중금속 제거 효과가 있는 것으로 판단된다.

이 연구는 제 3기층 퇴적분지 내에 분포하고, 유사한 지질환경에서 형성된 일본의 2개 광상 (Tsukinuno 및 Tomioka)과 국내 5개 광상(두산, 나아, 옥산, 동양 및 연일16호)에서 산출하는 7개 벤토나이트를 대상으로 광물학적 특성 및 물리화학적 특성을 비교하여 벤토나이트의 물성을 주 지배하는 요인에 대한 분석을 시도하였다. 연구 대상 시료들 중 츄키누노(Tsukinuno) 광석은 천연산 Na-형 벤토나이트이며 나머지는 모두 Ca-형 벤토나이트이다. 벤토나이트의 물성을 지배하는 가장 중요한 요인은 몬모릴로나이트 함량비이지만 모든 물성이 몬모릴로나이트 함량비만으로는 설명되지 않는다. 이는 여러 가지 요인들이 복합적으로 벤토나이트의 물성을 지배하기 때문이다. 점토광물류의 경우는 입도 분포가 물성을 지배하는 주요한 요인으로 알려져 있다. 입도 분포와 같은 물리적 요인을 동일시한다면 광물학적 요인이 우세하게 영향을 미친다. 벤토나이트의 주성분광물인 몬모릴로나이트의 함량비와 층 전하에 따라 몇 가지 물성은 지배된다. 특히 층 전하값은 몬모릴로나이트의 양이온 교환능과 메틸렌블루 흡착량을 크게 지배한다. 부성분광물로 산출하는 불석과 황철석의 함량비가 물성을 크게 지배하며, 불석이 우세하게 산출하는 광석은 강한 알카리성을 띠며 양이온 교환능을 상승시키나 팽윤도, 점도, 강도 등의 다른 물성을 저하시킨다. 황철석이 함유된 시료 는 생형 압축 강도와 습태 인장 강도 값을 극히 저하시킨다. 층간 교환성 양이온 종에 따라 물성이 크게 달라지며, Na-형 벤토나이트는 Ca-형 벤토나이트보다 극히 향상된 팽윤도 및 점도를 보이며 보다 강한 알카리성을 띤다. 또한 몬모릴로나이트 결정크기와 형태가 물성을 지배하는 요인이 되며, 결정도가 우수하여 결정크기가 크고 얇은 엽편으로 구성된 광석에서 비 표면적, 양이온 교환능, 점도, 팽윤도, 메틸렌블루 흡착량, 생형 압축 강도 및 습태 인장 강도를 향상시킨다. 국내산 두산 벤토나이트가 가장 우수한 물성을 보이는 주 요인은 높은 몬모릴로나이트 함량비와 우수한 결정도에 기인된 것으로 해석된다.