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슈베르트마나이트의 용해도

- 고용체 모델의 적용 가능성

The solubility of Schwertmannite: The applicability of a solid solution model
지질학회지 제54권 제3호, 2018.6, 301-309 (9 pages)
DOI :10.14770/jgsk.2018.54.3.301
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초록
슈베르트마나이트는 Fe8O8(OH)8-2x(SO₄)x․nH₂O의 화학식을 갖는 제이철산화수산화황산염 광물로 알려져 있다. 슈베르트마나이트의 용해도는 지표 부근의 수지구환경에서 오염물을 포함한 용존 화학종의 행동 해석 및 예측을 위해서는 반드시 필요하다. 그러나 지금까지 연구자들마다 보고하는 슈베르트마나이트의 용해도 값에 상당한 차이가 있어 논란이 지속되어 왔다. 이 연구의 목적은 그 동안 보고된 슈베르트마나이트의 용해도 값들을 정리하고, 이 값들 사이에 차이가 나는 이유들을 살펴보며, 이 차이가 고용체 모델을 통해 해석할 수 있는지 알아보는 것이다. 슈베르트마나이트의 용해도 값의 차이는 용액의 슈베르트마나이트에 대한 포화 정도, 시료채취시의 여과에 의한 영향, 용해도 계산에 사용된 열역학 자료의 차이, 슈베르트마나이트의 준안정성 및 시료의 순도, 슈베르트마나이트의 화학 조성의 차이 등 때문일 수 있는데, 이 중 가장 큰 원인은 화학 조성의 차이일 것으로 생각된다. 슈베르트마나이트의 화학조성이 일정 범위 내에서 연속적으로 변하는 것은 이 광물이 고용체라는 뜻이며, 그 용해도 또한 고용체를 구성하는 단성분의 비율에 따라 달라져야 함을 의미한다. 이 연구에서는 슈베르트마나이트 고용체를 구성하는 단성분 조합 두 가지를 살펴보았다. 어떤 경우의 단성분 조합이던, 이들 단성분에 대한 정확한 열역학적 자료가 부족하여 적절한 열역학적 모델에 따른 단성분 비율의 함수인 용해도를 계산하는 것은 현재로서는 불가능하다. 다만, 그동안 보고된 용해도 값을 x 값에 따라 도시하면 분명한 상관성을 보여, 고용체모델을 이용하여 슈베르트마나이트의 용해도를 예측하는 것이 가능할 것으로 보이나 이에 대한 좀 더 깊은 연구가 필요하다. 한편 슈베르트마나이트의 화학식으로부터 Fe와 S의 몰 수를 계산한 것과 실제 시료로부터 분석된 몰 수를 비교하면, 슈베르트마나이트가 단일 고용체가 아니라 여러 상들의 혼합체임을 나타낸다. 이는 단순 화학식에 의한 몰비 비교로부터 추론한 것이며, 아직 연구자들 사이에서는 슈베르트마나이트가 정말 고용체인가 하는 점에 대해서는 의견이 일치하지 않고 있다. 따라서 이 점에 대해서도 좀 더 심도 있는 연구가 진행될 수 있길 기대한다.

Schwertmannite has been known to be a ferric oxyhydroxysulfate mineral, having the chemical formula of Fe8O8(OH)8-2x(SO₄)x․nH₂O. The solubility of schwertmannite is absolutely necessary for the interpretation and prediction of the behavior of the dissolved species, including the pollutants, in the aqueous geochemical systems near surface. However, there has been dispute on the solubility of schwertmannite, because the reported solubility values of the mineral have shown considerable discrepancies among the researchers. The purpose of this study is to summarize the solubility values of schwertmannite reported by numerous researchers, discuss the plausible reasons for the discrepancies among the reported values, and check the possibility of interpreting the discrepancies with a solid solution model. The solubility discrepancies can be caused by the differences in the saturation degrees of the solution against schwertmannite, the filtration effects during the sampling, the different thermodynamic data set used in the calculation, the metastability and impurities of the sample, and the chemical compositional difference. The most significant factor among these should be the chemical compositional difference among the samples. The continuous chemical compositional variation of schwertmannite within a certain range suggests that the mineral is a solid solution, and thus its solubility should vary as a function of the mole fractions of the end members of the solution. This study examined two different possible combinations of the end members of the schwertmannite solid solution. At present, the thermodynamic data for the end members of any combination are insufficient and it is impossible to calculate the solubility as a function of the mole fractions of the end members based on an appropriate model. However, the solid solution model to estimate the solubility of schwertmannite may be still promising and need more investigation, because the plot of the reported solubilities against x values certainly shows a correlation. Meanwhile, the comparison of the mole numbers of Fe and S calculated from the chemical formula of schwertmannite with those from the analytical results of the real samples indicates that schwertmannite is not a single solid solution but a mixture of various phases. It is deduced from a simple comparison of chemistry, while many researchers are still arguing whether the mineral is really a single solution phase, which may suggest that more detailed research on this subject is also required.

목차
요약
ABSTRACT
1. 서론
2. 용해도의 평가
3. 용해도 비교
4. 토론
5. 결론
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