버네사이트(birnessite)는 약 7Å의 d-spacing을 가지는 대표적인 층상형 산화망간광물로 높은 양이온 교환능력을 가지기 때문에 지하수나 퇴적물 공극 유체의 화학조성을 결정짓는 중요한 역할을 한다. 버네사이트의 양이온 교환 반응 기작을 규명하기 위해서는 층간 내 양이온의 배위 환경과 결정구조에 대한 원자 수준의 이해가 매우 중요하다. 이번 연구에서는 원자 수준의 계산광물학 방법인 고전 분자동역학(classical molecular dynamics; MD) 시뮬레이션을 이용하여 기존 실험에서 보고된 화학조성을 가지는 삼사정계 N a-와 K-버네사이트의 결정구조, 층간 양이온의 배위 환경 및 적층 구조를 계산하였다. 계산 결과는 기존 X-선 실험에서 보고된 격자 상수와 층간 배위 환경을 잘 재현하여 시뮬레이션 방법의 신뢰성을 보여주었으며, X-선 실험만으로는 구분하기 어려운 층간의 양이온과 물 분자 위치를 구별한 원자 수준의 정보를 제공하였다. 망간 팔면체 층의 적층 순서는 동일하지만 층간 내 N a+와 K+의 위치가 서로 상이하고, 층간 양이온의 배위 환 경과 결정구조 간의 상관관계를 보인다. 원자 수준의 분자동역학 시뮬레이션은 버네사이트의 양이온 교환 반응 기작 규명에 크게 기여할 것으로 기대한다.

버네사이트(birnessite, 7 Å manganate, δ-MnO2)는 망간단괴를 구성하는 주요한 광물이다. 버네사이트는 또한 이온교환제와 배터리 재충전 물질로서 사용될 수 있기 때문에 다양한 합성법이 연구되고 있다. 그러나 버네사이트는 화학양론적으로 성립하지 않는 화학조성을 가지기 때문에 합성시 단일 상을 수득하기에는 어려움이 존재한다. 버네사이트 합성과정 중에서 중간생성물로 페이크네타이트(β-MnOOH)가 나타나는데, 본 연구에서는 이 중간생성물이 버네사이트로 상전이 하는 특성 차이를 XRD와 SEM 결과를 통해 비교하였다. 이번 연구에서는 기존에 연구된 합성 방법 중에서 산화-환원(redox)반응을 기작으로 하는 Feng et al. (2004)와 Luo et al. (1998) 두 방법을 이용하였다. Feng et al. (2004) 방법으로는 27 °C에서 60일, Luo et al. (1998) 방법으로는 60 °C에서 3일 에이징 한 시료에서 단일 상의 버네사이트를 수득할 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 두 시료의 상전이 특성은 Mg2+ 도핑여부에 따라 차이가 나타나는 것으로 판단되며 Mg2+ 도핑된 Luo et al. (1998) 방법으로 합성된 버네사이트의 경우 페이크네타이트 상전이 속도가 느리게 나타났고 고온에서 거의 단일 상 버네사이트를 확인할 수 있었으며 결정 표면 및 형태 또한 두 방법 간의 차이를 확인하였다.

오늘날 다양한 산업분야와 군지기, 공장지역, 매립지 등에서 중금속과 휘발성 오염물질이 동시에 존재하여 심각한 환경오염을 유발하며 인간과 자연에 해를 끼쳐 세계적으로 규제가 강화되고 있다. 특히 p-Xylene은 토양매질에 흡착되지 않으며 노출 시 두통, 호흡장애 등을 유발하며 자정작용이 힘들고 이동속도가 느려 반영구적으로 존재한다. 납은 일상주변에서 접촉이 가능하며 체내에 쉽게 축적되어 신경계통을 마비시키며 뇌에 이상을 일으킨다. 현재 단일물질에 대한 제거는 많이 연구되고 있는 반면 복합오염물질에 대한 연구는 미비한 실정이며 오염물질에 대한 효과적인 제거를 위한 흡착제 개발이 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 망간산화물을 기반으로 하여 계면활성제와의 개질을 통해 TMA-birnessite를 합성하였으며 중금속과 휘발성 오염물질 제거를 판단하기 위해 대표적인 납과 p-Xylene을 이용하여 등온흡착실험과 동역학적실험을 하였다.

버네사이트를 25, 40, 60과 80℃ 각각에서 합성하였다. 이들 각 시료에 대해 X-선회절분석을 실시한 결과 합성 온도가 25℃에서 60℃까지 증가 시 X-선회절분석의 피크의 강도가 강해지는 반면 80℃에서는 오히려 피크의 강도가 약해지는 것으로 나타났다. 이는 60℃에서 합성된 버네사이트의 결정도가 상대적으로 가장 높다는 것을 의미한다. 그러나 60과 80℃에서 합성된 버네사이트의 BET 비표면적은 39.4에서 89.7 m2/g로 증가한다. SEM 분석 결과 25℃에서 합성된 버네사이트의 경우 2~500 nm 크기의 구형으로 나타난 반면 합성 온도가 증가함에 따라 판상의 버네사이트가 관찰되었다. 뿐만 아니라, 80℃에서 합성된 버네사이트의 경우 60℃에서 합성된 버네사이트와는 달리 판상의 결정에 많은 다공성을 띠고 있다. 따라서 80℃에서 합성된 버네사이트의 BET 비표면적 증가는 합성된 버네사이트 결정 내 다공성증가에 의한 것으로 판단된다. 따라서 합성된 버네사이트의 결정성, 형성 등과 같은 다양한 이화학적 특성은 온도와 같은 영향인자에 의해 매우 민감하게 변화함을 보여주고 있다.