The mobility of radionuclides is largely determined by their radiological properties, geochemical conditions, and adsorption reactions, such as surface adsorption, chemical precipitation, and ion exchange. To evaluate the safety assessments of radionuclides in nuclear sites, it is essential to understand the behavior and mechanism of radionuclides onto soils. Since nuclear power plants are located in coastal areas, the chemical composition of groundwater can vary depending on the intrusion of seawater, altering the adsorption distribution coefficient (Kd) values of radionuclides. This study examines the impact of seawater on the Kd values of clay minerals for cesium (Cs) and strontium (Sr). The results of Cs+ adsorption experiments showed a broad range of Kd values from 36 to 1,820 mL/g at an initial concentration of 1 mg/L and a high sorption coefficient of 15-613 mL/g at an initial concentration of 10 mg/L. Montmorillonite, hydrobiotite, illite, and kaolinite were ranked in terms of their CEC values for Cs+ adsorption, with hydrobiotite having the highest adsorption at 1 mg/L. The results of Sr adsorption experiments showed a wide range of Kd values from 82 to 1,209 mL/g at an initial concentration of 1 mg/L and a lower adsorption coefficient of 6.68-344 mL/g at an initial concentration of 10 mg/L. Both Cs+ and Sr2+ demonstrated lower Kd values at higher initial concentrations. CEC of clays found to have a significant impact on Sr2+ Kd values. Ca2+ ions showed a significant impact on Sr2+ adsorption distribution coefficients, demonstrating the greater impact of seawater on Sr2+ compared to Cs+. These findings can inform future safety assessments of radionuclides in nuclear sites.

The removal of cesium (Cs) from contaminated clay minerals is still a challenge due to the limited efficiency of the process. Thus, this study aimed to enhance the removal for Cs+ ions during the conventional acid washing process by incorporating a bead-type adsorbent. Polyacrylonitrile-based nickel potassium hexacyanoferrate (NiFC-PAN) was utilized as the Cs adsorbent to selectively adsorb Cs+ ions in a strongly acidic solution that contained competing ions. To enable easy separation of clay particles and protect the adsorbent from harsh environmental conditions, PAN was deliberately constructed as large beads. The synthesized adsorbent (NiFC/PAN in a 2:1 ratio) displayed high selectivity for Cs+ ions and had a maximum capacity of 162.78 mg/g for Cs+ adsorption in 0.5 M HNO3 solution. Since NiFC-PAN exhibited greater Cs selectivity than the clay mineral (hydrobiotite, HBT), adding NiFC-PAN during the acid washing substantially increased Cs desorption (73.3%) by preventing the re-adsorption for Cs+ ions on the HBT. The acid treatment in the presence of NiFCPAN also significantly decreased the radioactivity of 137Cs-HBT from 209 to 27 Bq/g, resulting in a desorption efficiency of 87.1%. Therefore, these findings suggest that the proposed technique is a potentially useful and effective method for decontaminating radioactive clay.

The behaviors of various desorption agents were investigated during the desorption of cesium (Cs) from samples of clay minerals and actual soil. Results showed that polymeric cation exchange agents (polyethyleneimine (PEI)) efficiently desorbed Cs from expandable montmorillonite, whereas acidic desorption solutions containing HCl or PEI removed considerable Cs from hydrobiotite. However, most desorption agents could desorb only 54% of Cs from illite because of Cs’s specific adsorption to selective adsorption sites. Cs desorption from an actual soil sample containing Cs-selective clay mineral illite (< 200 μm) and extracted from near South Korea’s Kori Nuclear Power Plant was also investigated. Considerable adsorbed 137Cs was expected to be located at Cs-selective sites when the 137Cs loading was much lower than the sample’s cation exchange capacity. At this low 137Cs loading, the total Cs amount desorbed by repeated washing varied by desorption agent in the order HCl > PEI > NH4+, and the highest Cs desorption amount achieved using HCl was 83%. Unlike other desorption agents with only cation exchange capabilities, HCl can attack minerals and induce dissolution of metallic elements. HCl’s ability to both alter minerals and induce H+/Cs+ ion exchange is expected to promote Cs desorption from actual soil samples.

본 연구는 도시지역 도로측구 등에 설치할 비점오염원의 정화장치 개발을 위해 여과재의 개발에 연구의 초점을 맞추었다. 필터는 다양한 미세기공을 갖고 있어 물리적 흡착능력이 뛰어나며, 결정 구조 안에 다양한 양이온이 배위되어 있어 화학적 흡착이 탁월한, 다공성 점토광물을 직경 3mm 볼 형태로 제작하였다. 성형한 필터에 도시지역 강우 직후 발생한 오염 원수를 통과시켜 SS, COD, T-P, T-N의 제거 능력을 폐수정화에 흔히 이용되는 첨착활성탄(Impregnated Activated Carbon) 필터와 비교 분석하였다. 다공성 점토광물 필터와 첨착활성탄 필터의 T-N과 T-P 여과능력은 거의 차이가 없음을 알 수 있었다.

The clay minerals of thirty-four bottom sediments collected from the northwestern continental shelf of the East China Sea have been determined by X-ray diffraction analysis. The clay mineral distribution is mainly controlled by the sediment source and the dominant circulation pattern. The predominant clay mineral in our study area is illite comprising more-than 70% of whole clay fraction. The highest concentration of illite (〉72%) is found in the southeastern offshore parts beyond the reach of terrigenous input from the Cheju Island. It means that these illites are largely transported by the Kuroshio Current from the South China Sea. Smectite is highly concentrated in the northwest middle part and in the outer-shelf mud patch. It seems to be due to the high supply of smectite transported from China where the fine-grained sediments are discharged from the modern and ancient Huanghe River. The relatively high abundance of kaolinite is likely derived from the Changjiang River via Taiwan ·Warm Current. In contrast, the large amounts of chlorite and high chlorite/kaolinite ratios occur in the northwestern are, reflecting the transportation by the Huanghai Sea Coastal Current from the southern Yellow Sea.

점토 광물로부터 황산 처리법을 이용하여 수화 황산 알루미늄을 제조하였다. 하동 카올린 을 황산 처리하였을 때 수화 황산 알루미늄 형성에 미치는 카올린의 하소 온도와 하소 시간, 산처리 반응 온도와 반응 시간 및 황산의 농도의 영향을 조사하였다. 또한, 황산 처리된 용액으로부터 수화 황산 알루미늄이 석출되는 최적 조건을 구하였으며, 생성된 수화 황산 알루미늄을 상온에서 1200˚C 까지 각각의 온도 구간에서 열처리한 분말에 대해서 XRD, TG-DTA, FT-IR, SEM, 입도 분석 및 불순물 분석을 하였다. 최적 조건 하에서, 카올린 중의 알루미나가 수화 황산 알루미늄으로 생성되는 전화율은 약 60%였고, XRD, TG-DTA, FT-IR 등의 분석 결과로 부터 생성된 수화 황산 알루미늄의 열분해 반응은 Al2(SO4)3·18H2O→Al2(SO4)3·6H2O→Al2(SO4)→ amorphous alumina→γ-alumina→δ-alumina→θ-alumina→α-alumina이었다. 또한 생성된 수화 황산 알루미늄을 1200˚C에서 하소 하여 얻은 알루미나 분말의 순도는 99.99%였다.

The textural characteristics, the total suspended matter and the coarse fraction components of the surface sediments of the marine environment on the Cheju Strait are described and the distribution pattern of clay mineral discussed. The sediments are subdivied into ten textural classes; namely sand, slightly gravilly muddy sand, muddy sand, sandy clay, slightly gravelly sandy mud, mud and clay. the coarse sediments are distributed in the central and southeastern parts of the Cheju Strait which are bathymetric highs, whereas the fine-grained deposits are mainly distributed in the northeastern region, and the small scale of coarse and fine-grained mixed sediments are distributed in the western part of the study area. The high concentration of the total suspended matter in the study area gradually increase toward the northeastern nearshore area. The light minerals such as K-feldspar show a high content toward the northern region, which is related to the weathering of granites and metamorphic rooks on the adjacent lands, but the Na-Ca feldspars are relatively high near the northern part off Cheju Island. The illite is the most widespread clay mineral and the high concentrations of illite gradually increase toward the southern offshore. It is presumed that they are largely transported by the Kuroshio Current from the East China Sea such as Yellow Sea Warm Current and Tsushima Warm Current. Smectite is highly concentrated in the central part and arround off the Cheju Island it may have been partly derived from the central Yellow Sea by the local ocean current and the result of supplies of smectite altered from volcanic materials distributed in the Cheju Island. Therelative abundance of kaolinite shows a high in the northern nearshore area rather than in other regions, which are probably the results of supply from the southwestern Korea Rivers such as the Youngsan and Seomjin River. Chlorite shows partly similar distribution trend to that of kaolinite. This is related to the weathering of metamorphic rocks on adjacent lands. As to the controlling factors of the distribution pattern of clay minerals on the Cheju Strait, it is concluded that not only regional on-land geology but also local turbid plume and major ocean circulation are important.

경수(硬水)나 오수(汚水)로부터 청정(淸淨)하고 안전(安全)한 음용수(飮用水)를 얻기 위한 기초자료(基礎資料)를 제공할 목적으로 한국산 점토광물(粘土鑛物)(Kaolinite, Montmorillonite)의 이화학적(理化學的) 특성(特性)과 이들에 의한 각종 양이온들의 경쟁흡착(競爭吸着)을 조사(調査)하였다. 양이온들간의 흡착력(吸着力)의 세기는 Kaolinite나 Montmorillonite의 두 점토광물(粘土鑛物) 공(共)히 > > > 의 순(順)이었으며 Kerr의 공식에 의한 Montmorillonite에서의 양(陽)이온 선택성계수(選擇性系數)(K)는 > , > 의 순(順)이었다. 한편 으로 포화(飽和)된 Montmorillonite의 경우 양(陽)이온의 흡착량(吸着量)이 가장 많았다. 따라서 경수(硬水)나 오수(汚水) 중의 각종 양(陽)이온들을 보다 효과적으로 제거(除去)하기 위해서는 Montmorillonite에 을 포화(飽和)시켜 사용하는 것이 바람직하다고 하겠다.

사질계(砂質系) 답토양(畓土壤) 유형별(類型別)로 질소(窒素), 인산(燐酸), 가리(加里) 및 Bentonite와 Zeolite를 동시(同時)에 전량전층시용(全量全層施用)이 수도생육(水稻生育)고 수량(收量) 및 토양개량(土壤改良) 효과(效果)에 미치는 영향(影響)을 포장(圃場) 시험(試驗)하였다. 수도수량(水稻收量)은 삼요소(三要素) 전량전층시용(全量全層施用)에 비(比)해 삼요소(三要素)와 점토광물(粘土鑛物) 동시(同時) 전량전층(全量全層) 시용(施用)이 증수(增收)되었는데 사양토(砂壤土)에서는 Zeolite 1.0 M/T, 사토(砂土)에서는 Bentonite 0.5 M/T, 시용(施用)이 각각(各各) 5%수준(水準)에서 유의성(有意性)이 있었고 사토((砂土)에서 Bentonite 1.0 M/T 시용(施用)은 1% 수준(水準)에서 유의증수(有意增收)되었다. 출수기(出穗期) 수도경엽중(水稻莖葉中)의 양분함량(養分含量)은 삼요소(三要素) 전량전층시용(全量全層施用)에 비(比)해 삼요소(三要素)와 점토광물(粘土鑛物)을 동시(同時)에 전량전층시용(全量全層施用)함으로써 질소(窒素)와 규산함량(珪酸含量)은 높아졌고 인산(燐酸) 및 염기(鹽基)의 함량(含量)도 증가(增加)하는 경향(傾向)이었다. 또 토양(土壤)의 pH와 염기치환용량(鹽基置換容量)은 다소 높아졌고 유효규산(有效珪酸) 및 치환성염기(置換性鹽基)의 함량(含量)이 증가(增加)하였다.

Kaolinite, Zeolite 및 Montmorillonite에 Trifluralin을 첨가(添加)하여 흡착실험(吸着實驗)을 행하고 대맥(大麥)을 사용(使用)하여 점토(粘土) 현탁액중(懸濁液中)에서의 Trifluralin의 활성변화(活性變化)를 조사(調査)하였다 Trifluralin의 흡착량(吸着量)은 Montmorillonite>Zeolite>Kaolinite의 순서(順序)이었으며 점토량(粘土量)이 많아질수록 흡착량(吸着量)은 증가(增加)되었으나, 단위(單位) 중량당(重量當) 흡착량(吸着量)은 감소(減少)하였다. Trifluralin의 농도(濃度)가 높을수록 흡착량(吸着量)은 증가(增加)하였으며 각(各) 농도(濃度)에서 Montmorillonite가 가장 높은 Kd치(値)를 나타냈다. Trifluralin은 현탁액(懸濁液)의 pH변화(變化)에도 불구하고 흡착량(吸着量)의 차이(差異)는 없었다. 이는 점토(粘土) 표면(表面)에 Trifluralin이 물리적(物理的)인 힘에 의해서 흡착(吸着)된 것이라 판단(判斷)되었다. Trifluralin의 농도(濃度)가 증가(增加)함에 따라 대맥(大麥)의 생육(生育)은 조해(阻害)되었으나 점토광물(粘土鑛物)의 첨가(添加)로 대맥(大麥)의 생육조해율(生育阻害率)은 약간 감소(減少)되었다.

남극 로스해 펜넬-이젤린 퇴의 동쪽 대륙사면에 위치한 정점 RS14-C2에서 2014년 PNRA XXIX 탐사(Rosslope II Project)동안 중력코어(RS14-GC2)를 획득하였다. 퇴적물의 기원지 추정을 위하여 대자율, 모래 입자 함량, 점토광물 조성을 분석하고 AMS 14C 연대를 측정하였다. 퇴적물은 주로 빙운쇄설물을 포함한 반원양성 사질 점토 또는 실트질 점토로 구성되어 있다. 코어의 최상부 연대는 현생 퇴적물과 홀로세 퇴적물을 지시한다. 방사성 탄소동위원소 연대와 퇴적물의 색, 대자율 및 모래입자 함량을 이용하여 코어 퇴적물을 간빙기와 빙하기 퇴적물로 구분하였다. 간빙기의 갈색퇴적물은 대자율과 모래 입자 함량이 낮은 반면에 빙하기의 회색퇴적물은 대자율과 모래 입자 함량이 높다. 코어 퇴적물의 점토광물 조성은 전체적으로 일라이트(61.8~76.7%)가 가장 우세하며, 녹니석(15.7%~21.3%), 카올리나이트(3.6%~15.4%), 그리고 스멕타이트(0.9~5.1%)의 순서로 나타나고, 간빙기와 빙하기/후빙기로 뚜렷하게 구분된다. 빙하기 동안 일라이트와 녹니석 함량이 우세한 것은 퇴적물의 기원지가 주로 로스해 빙상 하부에 위치한 남극종단산맥의 기반암을 지시하기 때문이다. 반면 빙상 후퇴에 의한 일라이트와 녹니석의 공급이 감소되어 간빙기 동안 상대적으로 스멕타이트 함량이 약간 증가하며 카올리나이트 함량은 많이 증가한다. 더불어 간빙기 동안 로스해 서안의 빅토리아랜드 연안의 맥머도 화산군에서 북동쪽으로 흐르는 해류에 의해 스멕타이트가 추가로 공급되며, 카올리나이트는 카올리나이트의 함량이 풍부한 퇴적암이 분포하는 에드워드 7세 반도에서 공급되고 대륙사면류에 의해 대륙사면으로 운반되었을 것으로 예상된다.

점토광물은 지하수 바닥부터 산림에 이르는 지구의 얇은 표면에 해당하는 ‘크리티컬존(critical zone)’에 존재하는 금속원소의 지구화학적 순환에 중요한 역할을 한다. 입자 크기가 매우 작은 점토광 물에 대한 원자 수준(atomistic scale)의 연구는 지구화학적 순환 과정에 대한 정확한 기작(mechanism) 을 규명할 수 있을 뿐만 아니라 재료개발과 같은 산업분야에도 응용될 수 있다. 원자 간의 페어 퍼텐 셜(pair potential)을 파라미터화한 힘 장(force field)을 사용하는 분자동역학(molecular dynamics) 컴퓨 터 시뮬레이션은 원자 수준의 정보를 제공할 수 있기 때문에 실험과 함께 점토광물의 결정구조와 반 응도 연구에 사용된다. 점토광물 시뮬레이션을 위한 힘 장으로는 이팔면체(dioctahedral) 광물을 기반 으로 만들어진 ClayFF 힘 장이 보편적으로 사용된다. 삼팔면체(trioctahedral) 광물 시뮬레이션에도 ClayFF를 사용하는 연구가 보고되고 있으나, 같은 광물을 계산하더라도 각 연구마다 다른 파라미터 값을 사용하고 있기 때문에 파리미터 선택이 시뮬레이션의 정확도에 어떤 영향을 미치는지 체계적인 테스트가 필요하다. 이번 연구에서는 삼팔면체 광물인 수활석, 리자다이트, 활석을 대상으로 팔면체 마그네슘(Mg)의 원자간 페어 퍼텐셜을 나타내는 파라미터 ‘mgo’와 ‘mgh’를 각각 사용하여 분자동역 학 시뮬레이션 계산결과를 비교하였다. 격자상수, 원자 간의 거리 등 삼팔면체 점토광물의 결정구조는 주어진 두 가지 파라미터에 관계없이 거의 일정한 결과를 보여주었지만, 진동 파워 스펙트럼(vibrational power spectrum)으로 계산한 수산기의 진동수는 파라미터에 따라 상대적으로 뚜렷한 차이를 보였다.

점토광물은 자연에서 쉽게 얻을 수 있고, 환경친화적이며 다양한 물리화학적 특성을 갖고 있어 인류 역사상 여러 분야에 활용되어 왔다. 최근에는 몬모릴로나이트, 카올리나이트, 세피올라이트, 금 속이중층수산화물과 같은 점토 화합물에 화학적 개질을 도입하여 산업분야에 활용하고자 하는 연구 가 활발히 진행되고 있다. 넓은 비표면적과 높은 측면비율, 나노수준의 입자 두께, 그리고 조절가능한 표면전하를 갖는 점토화합물에 화학적 개질을 적용하면, 고분자의 기계적 성질과 기체차단성을 개선 하고, 고분자 필름에 지속적 항균성을 부여하는 충전제로 사용할 수 있다. 또한, 개질된 점토화합물은 높은 흡착능과 화학적 선택성을 지니므로, 수질이나 토양을 오염시키는 화학적, 생물학적 오염원을 효 과적으로 제거하는 물질로도 활용 가능하다. 본 논평에서는 이러한 점토화합물들이 미래의 주요산업 군인 식품포장재 및 환경개선 분야에 활용될 가능성에 대해 최근 연구 결과를 소개하고자 한다.

점토광물의 물리화학적 특성에 대한 분자 또는 원자 스케일의 연구 중요성이 강조되고 있다. 그러나 실험만으로는 광물의 미시적 현상을 이해하기 어려운 경우가 많다. 특히 2:1 점토광물 팔면체에 존재하는 수산기(hydroxyl)가 금속 양이온 흡착과정에 큰 역할을 한다는 가정은 X-ray를 이용하는 실험만으로는 명확하게 테스트하기 어렵다. 이번 논문에서는 점토광물 내의 수산기 연구에 대한 전산광물학(computational mineralogy) 이용 가능성에 대하여 조사하였다. 점토광물의 기본구조인 팔면체 층만으로 구성된 광물, 1:1 구조를 갖는 광물, 2:1 구조를 갖는 광물 중 대표적인 이팔면체 및 삼팔면체 층상규산염 광물을 선별하여 구조최적화를 실시하였다. 분자역학적(molecular mechanics) 계산과 양자역학적(quantum mechanical) 계산 모두 실험값의 격자상수(lattice parameters)를 잘 재현할 수 있었다. 그러나, 사면체층과 팔면체의 구조적 뒤틀림(structural distortion) 등 광물 내부구조를 기존 실험결과와 비교했을 때, 양자역학적 계산결과가 분자역학적 방법을 이용한 결과 보다 더 낮은 오차를 보였다. 파이로필라이트(pyrophyllite) 수산기가 (001)면과 이루는 각은, 수산기의 H(proton)과 사면체의 Si 양이온 간의 척력으로 결정되는데, 양자역학적 방법은 약 25-26˚로 예측하였고, 분자역학적 방법은 약 35˚ 정도로 양자역학계산 결과와 무려 10˚의 큰 차이를 보였다. 전산광물학은 점토광물 구조연구에 신뢰성이 매우 높은 연구방법으로 양이온 흡착과정 중 수산기의 역할 규명에 사용될 수 있다.

본 연구는 황토와 황토에서 분리한 점토(clay fraction)를 이용하여 수용액 내 양이온의 종류와 농도에 따른 점토광물의 분산과 응집의 변화를 알아보고자 하였다. 본 연구를 위하여 사용한 황토는 전남 나주시 동강면 장동리 황토로 지표면으로 부터 90~130 cm 깊이에서 채취하였다. 황토와 황토에서 분리한 점토(〈 2 μm) 그리고 이들 시료로부터 결정질 철과 비결정질 철을 제거한 황토와 점토시료를 이용하여 실험을 실시하였다. 이온의 종류와 농도에 따른 점토광물의 저면간격과 물리적 성질의 변화를 알아보기 위하여 4가지 양이온(Na+, K+, Mg2+, Ca2+)과 이들 이온의 농도(0.001 M~1 M)를 변화시켰을 때 광물의 침강속도와 점토광물의 저면간격의 변화를 연구하였다. 장동리 황토의 주 구성광물은 석영이며, 황토로부터 분리한 점토는 카올리나이트, 일라이트, 버미큘라이트로 이루어져 있다. 장동리 황토의 비결정질 철과 결정질 철의 함량은 각각 16.3 mg/kg과 436 mg/kg으로 주로 결정질 철로 이루어져 있다. 이온농도가 다른 4가지 이온을 추가한 수용액에서 구성 입자의 크기가 작은 점토가 황토에 비하여 분산이 더 잘되었다. 황토광물을 코팅하고 있는 결정질 철과 비결정질 철을 제거하기 전과 제거한 후 광물의 분산실험 결과에서 철을 제거한 시료가 분산이 더 잘 일어났으며 이는 코팅된 철 산화물이 광물입자들의 분산을 방해하는 것으로 사료된다. 수용액 중 이온의 종류와 농도가 광물의 분산에 미치는 영향 실험결과에 따르면 첨가한 이온의 농도가 클수록 그리고 양이온 전하량이 클수록 침강속도가 빨랐다. X-선 회절 분석 결과에 따르면 카올리나이트와 일라이트는 양이온의 종류와 농도에 따른 저면 간격의 변화가 없었다. 하지만 버미큘라이트는 일반적으로 +2가 양이온을 첨가한 경우 저면간격이 14.04 a으로 +1가 양이온의 13.9 a보다 크게 나타났다. 이는 +2가 양이온들의 수화반경이 +1가 양이온보다 크기 때문으로 사료된다. 따라서 광물에 코팅된 철과 수용에 내의 이온의 종류와 농도가 광물의 분산 및 버미큘라이트와 같은 팽창성 점토광물의 저면간격에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.

경북 북부 지역, 낙동강 상류 배수유역의 기반암별 토양 점토광물의 분포 특성을 이해하기 위하여, 준정량광물학적 분석을 실시하였다. 화강암류 분포지역에는 캐올리나이트와 스멕타이트가 다른 기반암 지역에 비하여 상대적으로 많이 함유되어 있었다. 퇴적암 지역 토양에는 일라이트의 함량이 다른 점토광물에 비해 월등히 높고, 캐올리나이트, 스멕타이트, 전이형(녹니석-스멕타이트 혼합층 및 층간수산기 질석 등) 광물들이 소량 수반된다. 변성암류와 화산암류 지역은 일라이트와 캐올리나이트 함량이 화강암류와 퇴적암류 지역의 중간 정도이나, 전이형 광물의 함량이 조금 더 높았다. 토양 점토광물의 조성은 기반암의 광물조성 및 각 광물의 풍화도 차이와 관련성이 있다. 화강암류 지역 토양의 높은 캐올리나이트 함량은 사장석의 풍화작용에 기인하나, 국지적으로 높은 스멕타이트 함량은 모암의 부분적인 열수변질작용과 관련된 것으로 추정된다. 퇴적암 지역 토양에 특히 풍부한 일라이트는 대부분 모암에서 잔류한 것이다.