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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.29 No.4 pp.229-238
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2016.29.4.229

Application of Yeongdong Illite to Remove Radiocesium for Severe Nuclear Accidents

Jeonghwan Hwang1,2, Sungwook Choung1*, Chan-Soo Park1, Jeong-Hee Han1, Sodam Jeon1,2
(Division of Earth and Environmental Research, Korea Basic Science Institute, Korea)
(Department of Earth System Sciences, Yonsei University, Korea)

Associate Editor: Chul-Min Chon

Corresponding author: +82-43-240-5340, schoung@kbsi.re.kr
September 20, 2016 November 30, 2016 December 2, 2016

Abstract

This study evaluated potential application of illite, which is produced at Yeongdong area in Korea, to remove radiocesium released to environmental system through severe nuclear accidents. The Yeongdong illite was formed by metamorphose of micaceous schist in hydrothermal condition, and composed of quartz, illite, and albite. Sorption distribution coefficient (Kd) of cesium by the Yeongdong illite was higher than the Kd values for other clay minerals. It may be affected by preferential adsorption of cesium to Frayed Edge Sites (FES) on illite. Nonlinear isotherm models were suitable to describe the sorption processes for the Yeongdong illite. Its max. single layer capacity was 250,000 μg kg-1 for cesium. Therefore, the Yeongdong illite could be an efficient and economic sorbent to prevent dispersion of radiocesium, and apply for remediation.


원자력 중대 사고에 대비한 영동 지역 일라이트의 방사성 세슘 흡착 특성 평가

황 정환1,2, 정 성욱1*, 박 찬수1, 한 정희1, 전 소담1,2
1한국기초과학지원연구원 지구환경연구부
2연세대학교 지구시스템과학과

초록

본 연구는 원자력 중대 사고 시, 환경에 유출된 방사성 세슘의 확산을 억제하기 위해 충북 영동 지역 일라이트의 활용 가능성을 평가하였다. 영동 일라이트는 운모질 편암의 열수변질 작용에 의해 형성되었으며, 주요 구성 광물은 석영, 장석, 일라이트이다. 저농도 세슘 용액을 사용한 회분식 흡착 실험 결과, 영동 일라이트의 흡착 분배 계수(Kd)는 약 4,200 L kg-1으로 다른 점토 광물에 비해 비교적 높은 값을 가지며, 이는 일라이트에 존재하는 풍화된 모서리면(FES)의 영향으로 판단된다. 영동 일라 이트와 세슘의 흡착등온선은 비선형 흡착 특성을 나타내며 단일 표면 한계 흡착 능력이 250,000 μg kg-1으로 우수한 흡착능을 보여주어 방사성 세슘 흡착제로서의 사용 가능성을 입증하였다. 이러한 결 과는 추후 방사능 누출 사고 등의 긴급 상황 발생 시, 영동 지역 일라이트를 오염 확산 방지 및 정화 작업에 사용하기 위한 평가 자료로 활용될 것으로 기대된다.


    Ministry of Science, ICT and Future Planning
    CAP-15-07-KICTKorea Basic Science Institute
    (C36701

    서 론

    전 세계적으로 화석연료 자원의 고갈과 친환경 에너지에 대한 요구가 증가함에 따라 많은 국가들 이 원자력 에너지를 사용하고 있으며, 그 중요성이 더욱 강조되고 있는 시기이다(Chang et al., 2013). 이러한 상황에서, 지난 2011년 발생한 일본 후쿠 시마 원자력 발전소 사고는 원자력 중대 사고에 대 한 위험성을 재조명시키는 계기가 되었다. 후쿠시 마 원전 사고로 인해 누출된 방사성 핵종들은 약 630,000-770,000 TBq로 집계되며 자연계로 유입 되어 환경과 생태계에 심각한 피해를 야기하였다 (Namiki et al., 2012). 방사성 핵종들 중 하나인 방사성 세슘(137Cs)은 우라늄과 플루토늄이 중성자 를 흡수하는 핵분열 과정을 통해 생성되는 휘발성 물질로서 원자력 발전소 중대 사고 초기에 주변 환 경 오염에 크게 기여한다. 또한 137Cs은 반감기가 30.2년으로 비교적 길기 때문에 한번 누출되었을 경우 오랜 시간 자연계에 잔류하여 피해를 증가시 킬 수 있다(Yang et al., 2016). 실제 일본 원전 운 영사인 도쿄전력이 사고로부터 2년이 지난 2013년 중순에 사고지점에서 채취한 지하수 표본에서는 약 16 × 109 Bq L-1137Cs이 검출(일본의 137Cs 환경 기준치 : 90 Bq L-1)되어 137Cs이 지속적으로 환경에 영향을 미치고 있음을 보여주었다(Chang et al., 2013). 137Cs의 생물학적 성질은 칼륨과 비 슷하기 때문에 인체에 유입될 경우 이온교환반응 을 통하여 체내에 농축되며, 베타 붕괴(β-dacay) 를 거쳐 바륨으로 전환되면서 고에너지파인 감마 선(γ-ray)을 방출하여 건강상 심각한 문제를 일으 킬 수 있다(Hinton et al., 2006; Lee et al., 2015).

    세계적으로 원자력 발전소가 밀집된 지역인 동 북아시아의 중심에 위치한 우리나라는 인접 국가 에서 발생하는 사고로 인한 방사능 낙진, 원자력 중대 사고, 핵폭탄 시험, 핵 테러 등 다양한 위협 요소에 항상 노출되어 있다. 실제 중대 사고 발생 시에 137Cs과 같이 상대적으로 휘발성이 높은 물질 은 대기를 타고 장거리를 이동하여 피해를 확산시 킬 수 있으며, 저농도의 137Cs이 낙진을 통하여 지 표수로 유입될 경우 2차 피해를 유발하는 요인이 될 수 있다(Kim et al., 2011). 따라서 다양한 시나 리오에 의해 저농도 137Cs이 토양 및 지표수 등의 환경에 유출되었을 경우를 대비하여 신속·효과적 으로 핵종을 포집하여 제거하고 오염의 확산을 억 제하는 제염 기술의 개발이 필요하다(Datta et al., 2014). 오염 물질을 제거하는 데에는 침전(precipitation), 멤브레인 필터(membrane filtration), 전 기 분해(electrolysis), 이온 교환 반응(ion-exchange), 식물정화법(phytoremedation) 등 다양한 방법들이 있으나, 그중에서도 흡착(adsorption)은 저농도의 오염물질을 제거하는 데에 효율적이며 범용성이 있고, 사용한 흡착제를 재사용할 수 있는 장점이 있어 보편적이고 경제적인 방법으로 여겨진다(Kim et al., 2014). 따라서, 오염 물질을 제거하기 위한 다양한 종류의 흡착제가 개발되어 사용되고 있으 며, 그중 천연 흡착제인 점토 광물은 저렴한 가격 과 풍부한 매장량, 친환경적인 장점을 가지고 있어 다양한 정화작업에 활용되고 있다.

    점토 광물 중 일라이트는 세슘 흡착에 매우 효율 적인 광물로 알려져 있으며(Brouwer et al., 1983; Cornell, 1993; Kim and Lee, 2004; Bellenger and Staunton, 2008; Long et al., 2014) 수리전도도가 낮은 장점이 있어 방사성 세슘으로 오염된 지역에 서 지하수 확산을 방지하고 토양 정화에 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다(DePourcq et al., 2015). 우리나라 충북 영동 지역에는 우수한 품질의 일라이트 수백 톤이 맥상으로 존재하는 것 으로 조사되었으나(Cho et al., 2007), 일부 공업용 이나 화장품용으로 이용될 뿐 방사성 핵종 제염을 위한 기술에 적용하려는 시도 등 원자력 산업에서 의 활용은 매우 미흡한 실정이다. 방사성 세슘 흡 착제로서 영동 일라이트의 우수성이 입증될 경우, 원자력 관련 중대 사고 발생 시 초기 제염 작업에 사용할 수 있는 다량의 흡착제를 저렴하고 신속하 게 확보할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구는 국내 영동 지역에서 생산되는 일라이트를 세슘 제 염제로서 활용하기 위한 기초 연구의 목적으로 수 행되었다.

    시료 및 연구방법

    연구 지역 및 시료 준비

    본 연구에 사용된 영동 일라이트는 충청북도 영 동군 산익리의 Y 일라이트 광산에서 채취되어 파 쇄 공정을 거쳐 270-325 mesh (45-53 μm) 규격으 로 판매되고 있는 산업용 시료이다(Fig. 1). 해당 지역은 선캄브리아기의 운모질 편암, 결정질 석회 암, 조립 화강 편마암이 넓게 분포하여 기저암을 이루며 영동 단층에 의해 백악기 퇴적층인 시금리 층, 회동리층과 경계를 이루고, 관입암인 백악기 석영 반암류가 분포하고 있다(Koh and Song, 2003). 일라이트 광체는 운모질 편암 내에 존재하 며 모암의 주향 방향과 평행한 북동-남서 방향으로 길게 협재한다(Kim et al., 2000). Koh (2008)는 충북 영동 지역 일라이트 광상에 대해 “선캄브리 아기 변성 퇴적암류인 석영-운모질 편암 및 운모질 편암류 내에 분포하고 이를 모암으로 배태된 변성 광상”으로 정의하였으며, 이 광상에서는 열수에 의 한 광역변성작용과 더불어 파쇄대 또는 압쇄대에 서 일어난 표성 변질작용(supergene alteration)에 의한 풍화의 양상이 모두 관찰된다. 영동 일라이트 이외에 해당 시료의 흡착 능력을 비교 평가하기 위 하여 다양한 점토 광물 참고 시료들을 사용하였으 며, 비교 시료들은 국외에서 다수 연구된 시료들로 선정하였다(Table 1).

    광물 시료 전처리 및 특성 분석

    광물 시료들은 알루미나 볼을 사용한 분쇄기 (Pulverisette2, FRITSCH)를 이용하여 파쇄한 후에 입자 크기별로 세분화되었으며, 45-53 μm 시료를 사용하여 시료들의 물리·화학적 특성에 대한 분 석을 수행하였다.

    주요 광물 성분과 화학 조성 분석을 위해 각각 XRD (X-ray diffraction)와 XRF (X-ray fluorescence) 분석을 실시하였다. XRD는 다기능 X- 선 회절 분석기(EMPYREAN, PANalytical)를 사 용하여 진행되었다. 40 kv, 25 mA 조건에서 CuK α (K-Alpha1 1.54060 Å, K-Alpha2 1.54443 Å) 방사선을 사용하여 2 theta(θ) 한 단계(step)당 0.013°로 5~65°까지 측정하였으며, PANalytical의 HighScore Plus 프로그램을 사용하여 조성 광물을 동정하였다. XRF는 X-선 형광분석기(XRF-1800, SHIMADZU)를 사용하여 Si4+, Al3+, Ti4+, Fe3+, Mn2+, Mg2+, Ca2+, Na+, K+, P5+의 질량 비(wt%)를 측정하였다.

    시료의 광물학적 형태를 관찰하기 위하여 SEM (scanning electron microscope) 분석을 수행하였 다. 분석을 위하여 시료에 백금(Pt) 코팅(20 mA, 250초)을 실시한 후, JEOL Ltd.의 Field Emission Scanning Electron Microscope (JEOL-7800F)을 사용하여 15.0 kV 조건에서 관찰하였다. 이와 함 께, 시료의 흡착 효율과 밀접한 관련이 있을 것으로 예상되는 양이온 교환능(cation exchange capacity) 을 아세트산-암모늄 방법(ammonium acetate method) 을 사용하여 측정하였으며, 암모늄 이온의 농도는 단백질/질소 자동분석기(Kjeltec auto 2400/8400 System Tecator AB, Sweden)를 사용하여 분석하 였다. 시료의 비표면적(specific surface area)은 비 표면적-공극 분석기(ASIQM0000-4, Quantachrome) 를 사용하여 질소의 흡착/탈착 등온선을 얻은 후 BET (Brunauer-Emmet-Teller) 공식을 통해 구하 였으며, 공극 크기(pore size)와 분포(distribution) 는 BJH (Barrett-Joyner-Halenda) 방법을 사용하였다.

    흡착 반응 실험

    점토 광물 시료들의 세슘 흡착 특성을 파악하기 위하여 저농도 세슘에 대해 회분식 흡착 실험을 실 시하였다. 실험에는 방사성 세슘인 137Cs과 화학적 성질이 유사한 안정동위원소인 133Cs을 사용하였으 며, 초순수(Direct-Q ICW-3000, Merck Millipore Corp.) 1 L에 염화세슘(CsCl, Sigma-Aldrich) 1.68 g을 녹여 약 1,000,000 μg L-1의 기준 용액을 제조 하였다. 해당 용액을 저농도(약 10-10,000 μg L-1) 로 희석하여 흡착 실험에 사용하였으며, 기준 용액 은 4°C 보관을 기준으로 제조일로부터 일주일간 사 용 후 폐기하였고 희석 용액은 실험 당일 제조하여 시간에 따른 변질의 가능성을 최소화하였다. 모든 용액은 폴리프로필렌(polypropylene) 재질의 병을 사용하여 제조 및 보관하였다(Volchek et al., 2011).

    모든 흡착 실험은 50 ml 코니칼 튜브 (polypropylene, JetBiofil)를 사용하여 이루어졌으 며, 광물 시료 20-50 mg에 농도를 알고 있는 세슘 용액 20 ml를 주입한 후 교반기(SK-600, Lab. Companion)를 사용하여 130 rpm으로 24시간 동 안 교반시켜 흡착 평형 상태로 만들어주었다 (Poinssot et al., 1999; Chiang et al., 2010; Fan et al., 2014; Kim et al., 2014). 시료와 용액의 비율 (Solid/Solution ratio)은 기존 연구결과에서 제시한 일라이트의 흡착분배계수 범위(Kd = Cs /Cw, Cs = 흡착제에 흡착된 세슘의 농도, Cw = 용액에 있는 세슘의 농도)를 바탕으로 예비 흡착 실험을 수행하 여 설정하였다(Cornell, 1993; Rajec et al., 1999; Vejsada et al., 2005). 이 후, 원심분리기(Centrifuge 5702, Eppendorf)에서 3,500 rpm으로 30분간 원심 분리하여 용액과 시료를 분리하고, 상등액 10 ml 를 채취하여 농축 질산으로 보존처리하였다. 상등 액에 잔류한 세슘의 농도는 유도결합플라즈마 질 량분석기(Inductively coupled plasma mass spectroscopy, X-series, Thermo)를 사용하여 측정하였 고, 초기 농도와 평형 농도의 차이를 이용하여 시 료에 흡착된 세슘의 양을 구한 후 이를 활용하여 분배계수 Kd (L kg-1)를 계산하였다(식 (1)).

    K d = C 0 C w C w × V w m s
    (1)

    위 식에서 C0 (μg L-1), Cw (μg L-1)는 각각 용액 의 초기 농도와 평형상태에서 용액 내에 잔류한 세 슘의 농도이며, Vw (L)는 용액의 부피이고, ms (kg) 는 사용된 시료의 질량이다. 실험이 이루어지는 동 안 온도는 23°C를 유지하였으며, 실험 전 후에 pH 를 측정하여 변화를 관찰하였다. 또한, 모든 실험 에 대하여 배경 시료(control sample)를 제조하여 초기 세슘 예상 농도와 비교하여 10 %의 오차범위 안에 들어오도록 설정하고 각 시료 배치(batch)에 대하여 삼중(triplicate)으로 시료를 제작하였다.

    각 농도별 흡착 실험 결과를 사용하여 흡착 등 온선을 구하고 선형(Linear, Cs = Kd·Cw) 및 비선 형 (Freundlich [Cs = Kf·Cwn] and Langmuir [Cs = Qm·Cw·KL/ Cw·KL +1]) 흡착 모델을 적용하 였다. 여기서 Kf [(μg kg-1)/(μg L-1)n]와 n [-]은 각 각 흡착 용량, 표면 불균일성(n = 1인 경우 선형 모델)을 의미하고, Langmuir 모델에서 사용되는 Qm은 단일 평면 최대 흡착량, KL은 흡착 속도와 관련된 상수를 지시한다(Lee et al., 2011).

    결과 및 토의

    시료의 물리·화학적 특성

    각 시료들의 XRD 분석 결과를 Fig. 2에 도시하 였다. 일라이트 시료에서는 공통적으로 일라이트 (2θ = 8.8°)와 석영 피크 (2θ = 26°)가 관찰되며, 영동 일라이트에서는 추가적으로 장석 피크(2θ = 27.5°)가 보인다. 영동 일라이트와 일라이트 비교 시료(IMT) 모두 석영의 함량이 70% 이상으로 가 장 높았으며, IMT 시료의 일라이트 함량은 29%로 영동 일라이트에 비해 높게 나타났다. 영동 일라이 트의 경우, 일라이트는 약 17%가 존재하였으며 나 머지는 장석(7%)으로 구성되어 있다. 비교 시료로 사용된 벤토나이트에서는 몬모릴로나이트와 유사 한 피크가 관찰되어 벤토나이트의 주 구성 광물이 순도 높은 몬모릴로나이트인 것을 확인할 수 있었 던 반면, 몬모릴로나이트 시료의 경우 몬모릴로나 이트 이외에 석영 피크가 함께 관찰되었다. 카올리 나이트 시료는 높은 카올리나이트 순도를 가진 것 으로 확인되었다.

    SEM을 이용하여 두 일라이트 시료들을 1,000배 율로 확대하여 보았을 때, 영동 일라이트는 IMT 시료에 비해 입자의 평균 크기가 크고, 결정성이 좋은 석영 덩어리가 나타났다(Fig. 3). 영동 일라이 트는 영동 지역 기반암인 운모질 편암에 포함된 운 모와 장석이 열수에 의해 화학적 풍화 작용을 받아 서 형성된 광체이며, 편암의 주 구성 광물 중 하나 인 석영은 풍화에 강하기 때문에 온전한 결정질 형 태로 일라이트 광체에 잔류한 것으로 사료된다.

    시료들에 대한 XRF 성분 분석 결과, 전체적으 로 SiO2의 비율이 가장 높았으나 약 44-70% 내외 로 시료별 큰 편차를 나타내었다(Table 2). K2O는 일라이트 시료들에서만 각각 4.14% (영동 일라이 트), 5.36% (IMT)로 높은 값을 나타내 층간에 칼 륨이 위치한 일라이트의 특성을 잘 보여주었다. 몬 모릴로나이트와 벤토나이트의 경우 K2O 함량이 1% 미만이고 MgO와 CaO, Na2O이 각각 1-3%의 함량을 나타내어 층간 양이온이 마그네슘, 칼슘, 나트륨으로 이루어진 것으로 판단되며, 카올리나이 트는 다른 광물들에 비해 Al2O3의 함량이 높고 다 른 양이온의 함량은 낮게 나타난다.

    시료의 비표면적은 벤토나이트 > 몬모릴로나이 트 > IMT > 카올리나이트 > 영동 일라이트 순서 로 감소한다(Table 3). 영동 일라이트는 비교적 낮 은 비표면적 값(4.02 m2 g-1)을 가지는데, 이는 시 료의 평균 입자크기가 상대적으로 크기 때문인 것 으로 사료된다. 또한, 평균 공극 부피가 0.022 ml g-1으로 가장 낮은 값을 보인 반면, 평균 공극 직경 은 21.77 nm로 높게 나타났다. 팽창성 광물인 몬 모릴로나이트와 벤토나이트는 평균 공극 직경이 약 13 nm로 유사하게 나타났으며, IMT 시료는 공 극 직경이 9.92 nm로 가장 낮은 값을 보였다.

    양이온 교환능은 몬모릴로나이트 > 벤토나이트 > IMT > 영동 일라이트 > 카올리나이트의 분포를 보인다. 몬모릴로나이트와 벤토나이트는 팽창성 점 토 광물로 층간 양이온의 교환이 비교적 쉽게 일어 나는 반면, 비팽창성 광물인 일라이트는 양이온인 칼륨(K+)이 음전하를 띄는 층 간에 강력하게 결합 하여 다른 양이온과의 이온 교환 반응이 잘 일어나 지 않는다(Missana et al., 2014). 카올리나이트는 양이온 교환 반응을 할 수 있는 층간 양이온이 거 의 없기 때문에 양이온 교환능이 매우 작다.

    회분식 흡착실험 결과

    저농도 세슘에 대한 흡착 효율을 비교하기 위하 여 본 연구에서 평가된 시료들의 평균 Kd 값을 Fig. 4에 도시하였다. 세슘 초기 농도를 약 100 μg L-1로 설정한 실험에서, Kd는 IMT > 영동 일라이 트 > 벤토나이트 > 몬모릴로나이트 > 카올리나이 트의 순으로 감소하였다. 영동 일라이트와 IMT 시 료가 4,200-6,300 L kg-1Kd 범위를 나타내 가장 높은 세슘 흡착 능력을 보였으며, 벤토나이트, 몬 모릴로나이트 및 카올리나이트(Kd = 620-2,100 L kg-1)는 현저하게 낮은 값을 보여주었다. 실험 전 세슘 용액의 pH는 5.6으로 약산성을 띄고 있으며 실험 후에는 각각 영동 일라이트 5.9, IMT 7.1, 카 올리나이트 5.8, 벤토나이트 8.9, 몬모릴로나이트 9.4로 시료에 따라 값의 차이가 발생하지만, Cornell (1993)Poinssot et al. (1999)의 결과에 따르면 pH 5-9의 범위는 이들 광물의 세슘 흡착능에 큰 영향을 미치지 않는다.

    흥미롭게도 일라이트 시료들은 다른 팽창성 광 물들에 비해 낮은 양이온 교환능과 비표면적에도 불구하고 높은 세슘 흡착 능력을 보여준다. 점토광 물의 흡착 지점은 크게 층간 양이온과의 이온 교환 (interlayer ion exchange)과 표면 흡착으로 나눌 수 있으며, 팽창성 광물인 몬모릴로나이트와 벤토 나이트에서는 주로 이온 교환 반응에 의하여 세슘 이 흡착되는 반면 비팽창성 광물인 일라이트에서 는 표면 흡착이 주된 흡착 기작으로 작용한다 (Cornell, 1993). 일라이트 표면에는 크게 두 종류 의 흡착 지점이 존재하며 세슘에 선택적 흡착을 하 지 않는 표면 자리(planar site [PS])와 세슘에 특이 적으로 흡착이 이루어지는 풍화된 모서리면(frayed edge site [FES])으로 구성된다(Hazotte et al., 2016). 저농도 회분식 실험에서 나타난 일라이트 시료의 세슘에 대한 특이적인 흡착 특성은 FES에 의한 영향으로 추정된다. FES의 흡착 특성은 저농 도에서 강하게 나타나고 고농도로 갈수록 약해지 는 경향을 보이며, 이러한 이유는 FES의 총 흡착 지점이 PS에 비해 차지하는 비율이 낮기 때문인 것으로 사료된다(Benedicto et al., 2014; Garcia-Gutierrez et al., 2014; Hazotte et al., 2016; Poinssot et al., 1999; DePourcq et al., 2015).

    영동 일라이트의 경우 IMT 시료보다는 낮지만, 다른 점토 광물에 비해 높은 흡착 분배 계수 값을 보여준다. 두 일라이트 시료에서 보이는 흡착능의 차이는 비표면적 및 양이온 교환능과 양의 상관성 을 가지며, 따라서 동일한 일라이트 시료 내에서는 양이온 교환능과 비표면적의 영향을 고려하는 것 이 의미 있다고 판단할 수 있다(Cornell, 1993; Garcia-Gutierrez et al., 2014). 이러한 시료의 특 성 차이는 각각의 일라이트 시료가 형성된 지역의 환경과 지질 작용 혹은 일라이트 결정의 차이에 의 해 나타날 수 있다(Rajec et al., 1999).

    Fig. 5는 영동 일라이트에 대한 저농도(10- 10,000 μg L-1) 세슘의 흡착 평형 실험 결과를 사 용하여 도시한 흡착 등온선이며, 이들 결과를 각각 Linear, Freundlich, 그리고 Langmuir 모델에 적용 하여 구한 파라미터들을 Table 4에 나타내었다. 각 흡착 모델에 대한 평균 제곱 오차(MSE)는 0.8518 (linear), 0.9833 (Freundlich), 0.9808 (Langmuir) 로 일라이트의 흡착 특성은 비선형 모델인 Freundlich 와 Langmuir 모델에 잘 부합하는 것으로 나타났 다. 이러한 결과는 용액의 농도가 변함에 따라 흡 착 특성이 함께 변화한다는 것을 의미하며 영동 일 라이트의 경우, 세슘 용액의 농도가 증가할수록 흡 착 능력이 감소하는 경향을 보인다. 실제 Freundlich 에서 구한 n 값은 0.43으로 선형 흡착 조건인 1에 비해 매우 낮은 값을 나타내 시료의 비선형 흡착 특성을 파악할 수 있다. Langmuir 모델을 사용하 여 구한 영동 일라이트의 단일 평면 최대 흡착량 (Qm)은 250,000 μg kg-1이다.

    일라이트 시료의 비선형 흡착은 일라이트에 존 재하는 두 흡착 지점인 PS와 FES의 세슘 흡착능 차이에 기인할 수 있다. 음전하를 띄는 점토광물의 표면에서 발생하는 정전기적 인력으로 흡착이 이 루어지는 PS는 한계 흡착량이 높지만 흡착능이 낮 으며, 구조적으로 세슘과 크기가 유사하여 우선적 으로 흡착이 이루어지는 FES는 흡착능이 높지만 흡착 지점이 상대적으로 적기 때문에 저농도에서 포화되어 영향이 감소한다(Garcia-Gutierrez et al., 2014; Poinssot et al., 1999). 따라서 흡착 등온선 의 비선형 모델은 영동 일라이트에 존재하는 농도 별로 나타나는 FES와 PS의 흡착 특성 차이로 인 해 나타나는 것으로 추론할 수 있다(Benedicto et al., 2014; Cornell, 1993; Poinssot et al., 1999).

    결론 및 제언

    본 연구는 충북 영동 지역 일라이트의 물리·화 학적 특성을 밝히고, 세슘 흡착 특성을 평가하기 위 하여 산업용 일라이트를 사용하여 수행되었다. 본 연구를 통하여 내릴 수 있는 결론은 다음과 같다.

    1. 충북 영동 지역의 산업용 일라이트는 석영 (76%), 일라이트(17%), 장석(7%)으로 구성되어 있 으며, SEM 이미지를 통해 결정성이 좋은 석영 덩 어리를 관찰할 수 있다. 이 지역의 일라이트는 화 강암 및 운모질 편암의 변성작용에 의해 생성된 광 체이며, 주 구성 광물인 석영이 혼재된 형태로 나 타나는 것으로 사료된다.

    2. 약 100 μg L-1의 저농도 세슘을 사용한 회분 식 흡착 실험 결과, 영동 일라이트는 다른 점토 광 물들에 비해 비교적 높은 흡착 분배계수 값(Kd = 4,200 L kg-1)을 나타내었다. 하지만, 비교 일라이 트 시료인 IMT (Kd = 6,300 L kg-1)보다 낮은 흡 착 분배 계수 값을 보여주었는데, 이러한 차이는 시료가 형성된 지역 환경의 지질 작용 및 변성 정 도에 따라 일라이트의 흡착 특성이 변화할 수 있다 는 것을 보여준다.

    3. 영동 지역의 산업용 일라이트는 세슘에 대해 단일 평면 한계 흡착 능력이 250,000 μg kg-1으로 우수한 흡착능을 보이며, 특히 세슘의 농도가 100 μg L-1 이하의 저농도인 경우에 더욱 효과적이다. 비록 실제 수계에 존재하는 다른 이온 성분에 비해 상대적으로 저농도로 분포할 수 있는 세슘에 대한 선택적 흡착에 대한 추가적인 연구가 필요하지만, 영동 지역 일라이트는 가격이 저렴하고 매장량이 풍부하여 추후 원전 사고 및 핵 테러 등의 비상 상 황에서 137Cs에 의한 지표수 오염 발생 시 신속하 게 대응하기 위한 초기 제염제로 고려될 수 있다.

    본 연구는 충북 영동 지역 산익리에서 생산된 산업용 일라이트만을 대상으로 하여 실시되었다. 하지만 동일한 지역의 일라이트라도 변성 및 풍화 정도에 따라서 흡착 특성이 달라질 수 있으며, 일 라이트의 함량도 변화할 수 있다. 따라서 추후에 영동 지역 일라이트에 대한 체계적인 조사가 필요 할 것으로 사료되며, 이를 통하여 영동 지역의 일 라이트에 대한 데이터베이스를 확보할 수 있을 것 으로 기대된다. 이러한 데이터베이스는 농업, 공업, 화장품 산업 등 각 분야에서 일라이트의 품위를 산 정하고 최적의 일라이트를 선정하는 근거자료로 활 용될 수 있으며, 특히 방사성 세슘의 제염에 특화 된 일라이트를 확보할 수 있게 될 것으로 기대된다.

    사 사

    본 연구는 정부(미래창조과학부)의 재원으로 국가과학 기술연구회 창의형 융합연구사업(CAP-15-07-KICT)과 한국기초과학지원연구원의 방사성 물질 분석 연구 과제 (C36701)를 통해 수행되었습니다. 논문을 세심하게 검 토하여 주신 익명의 심사위원들께 감사드립니다.

    Figure

    JMSK-29-4-229_F1.gif

    Geologic map of Sanig-Ri. Geologic map is from 1 : 50,000 Seolchon sheet (Yun and Park, 1968).

    JMSK-29-4-229_F2.gif

    XRD results for each sample (Q : Quartz, A : Albite, I : Illite, M : Montmorillonite, K : Kaolinite).

    JMSK-29-4-229_F3.gif

    SEM images of illite samples, (a) Yeongdong Illite (b) Illite (IMT).

    JMSK-29-4-229_F4.gif

    Sorption distribution coefficients of cesium for individual samples (Kd at Cw ≈ 25 μg L-1).

    JMSK-29-4-229_F5.gif

    Sorption isotherm of cesium for Yeongdong illite. The dotted line indicates the Freundlich sorption model.

    Table

    Information of illite and reference mineral samples

    The Chemical composition of samples from XRF analysis (wt%)

    *Fe2O3 : Total Fe
    **L.O.I : Loss of ignition

    Specific surface area, pore volume and dimension, and cation exchange capacity for each sample

    Fitting parameters of linear, Freundlich, and Langmuir isotherm models for Yeongdong illite

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