카올린(kaolin)군 광물의 압력 처리에 따른 비표면적 상관성 연구 :Effect of pressure treatment on the specific surface area in kaolin group mineral

권소연

자료유형: 학위논문

저자정보: 권소연 (연세대학교, 연세대학교 대학원)

지도교수: 이용재

발행연도: 2024

저작권: 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수12

초록· 키워드

카올리나이트(Kaolinite)와 할로이사이트(Halloysite)는 카올린군 광물(Kaolin Group Mineral)에 속하는 대표적인 점토광물로서 층 구성은 Al2Si2O5(OH)4로 동일하지만 할로이사이트에는 층간에 물(H2O)을 포함하고 있어 Al2Si2O5(OH)4·2H2O의 조성이 되며 이에 따른 결정형의 특성을 보이는 층상 규산염 광물이다.
실제로 전계 방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지를 통해 확인한 결과, 카올리나이트는 하나의 실리카 사면체 시트와 하나의 알루미나 팔면체 시트가 결합되어 1: 1 층 구조를 형성하는 층상구조를 갖고 있는 반면, 할로이사이트는 층간수로 인해 카올리나이트 판이 둥글게 말린 나노튜브 형태를 가지고 있다. 이러한 구조로 인해 표면적과 반응성이 높으며 X-선 회절분석(XRD)을 진행하였을 때 카올리나이트는 면간거리가 대략 7 Å의 간격을 보이는 반면, 할로이사이트는 층간 물분자의 존재로 인해 (001) 간격이 대략 10 Å을 보이는 것이 확인된다. 할로이사이트 층간의 물 분자는 낮은 습도의 조건(또는 50 ℃ 이상 가열)에서 쉽게 제거될 수 있어 물 분자의 제거로 인해 층간 거리가 10 Å 에서 약 7.5 Å으로 줄어들게 된다.
최근 연구에 따르면 차가운 섭입대 약 75 km 깊이의 온도 압력 조건에서 카올리나이트 층에 물 분자가 삽입되어 할로이사이트보다 수분 함량이 높은 초수화(Super Hydration) 카올리나이트인 Al2Si2O5(OH)43H2O가 만들어짐이 보고된 바 있다. 초수화 카올리나이트 형성은 섭입대 물성 및 지진 발생에 대한 영향 외에도 광물 자체의 물리적 특성의 변화가 예상되며, 이는 이러한 유형의 점토광물을 사용하는 특정 응용 분야에서 선택적으로 활용될 수 있다. 예를 들면 카올리나이트와 할로이사이트는 수분 함량에 따라 소성과 강성을 가지기 때문에 세라믹 소재로 적합한 것으로 알려져 있으며, 나노기술, 화장품 및 의약품, 촉매 및 촉매 지지체로 응용되어지고 있다. 또한 환경 오염 물질에 대한 우수한 성능의 흡착특성으로 인해 환경복원연구 분야에서도 그 기능이 주목받고 있다.
본 연구에서는 압력이 카올리나이트와 할로이사이트의 결정 형태와 흡착 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해 압력 처리를 거친 두 광물에 대한 입자 크기 및 모양에 따른 흡착 거동의 변화와 이에 따른 비표면적 및 공극의 부피 변화를 알아보고자 하였다. 기가파스칼(GPa) 범위에서 압력 처리에 따른 카올리나이트와 할로이사이트의 흡착 특성 변화를 살펴보기 위하여 분말 형태의 시료를 준비하여 상온에서 1 GPa단위로 3 GPa까지 대부피고압기(LVP)를 이용해 압력을 가했으며 각 압력 단계에서 최대 0.35 g의 시료를 회수하여 분석을 진행하였다. 압력 처리된 시료의 비표면적, 공극 크기 분포, 기공 부피를 측정하기 위해 N2 가스를 사용하여 흡착특성(BET)분석을 진행하였고 그 결과, 압력 처리 전 카올리나이트의 비표면적은 증가하였고 흡착된 공극의 총부피도 점진적으로 증가함이 확인되었다. 반면, 할로이사이트의 비표면적은 카올리나이트와 달리 감소하였으며 공극의 전체 부피도 점차 감소하는 것을 확인하였다.
결론적으로 압력 처리는 카올리나이트와 할로이사이트의 비표면적에 영향을 미치며 압력에 의한 결정 형태의 비가역적인 변화가 흡착 및 공극의 부피에 영향을 미치는 주요 요인임을 알 수 있었다.

Kaolinite and halloysite are representative clay minerals belonging to the Kaolin Group. The layer composition is the same, Al2Si2O5(OH)4, but halloysite contains water (H2O) between layers, making it Al2Si2O5(OH)4·2H2O. It is a layered silicate mineral with a composition of Al2Si2O5(OH)4·2H2O and exhibits crystalline characteristics accordingly. Kaolinite has a layered structure in which one silica tetrahedral sheet and one alumina octahedral sheet are combined to form a 1: 1 layered structure, whereas halloysite has a nanotube shape where kaolinite plates are rounded due to interlayer water. Due to this structure, the surface area and reactivity are high. Kaolinite shows an interplanar distance of approximately 7 Å. It is confirmed that halloysite exhibits a (001) spacing of approximately 10 Å due to the presence of water molecules between layers. Water molecules between halloysite layers can be easily removed under conditions of low humidity, so the interlayer distance is reduced from 10 Å to about 7.5 Å due to the removal of water molecules.
Kaolinite and halloysite are known to be suitable as ceramic materials because they have plasticity and stiffness depending on water content, and are used in nanotechnology, cosmetics, medicine, catalysts, and catalyst supports. In addition, their function is attracting attention in the field of environmental restoration research due to their excellent adsorption properties for environmental pollutants.
In this study, to understand the effect of pressure on the crystal form and adsorption properties of kaolinite and halloysite, changes in adsorption behavior according to particle size and shape and corresponding changes in specific surface area and pore volume for the two minerals subjected to pressure treatment were investigated. In order to examine changes in the adsorption characteristics of kaolinite and halloysite according to pressure treatment in the gigapascal (GPa) range, samples in powder form were prepared and pressure was applied using a Large Volume Press (LVP) up to 3 GPa in 1 GPa units at room temperature. In order to measure the specific surface area, pore size distribution, and pore volume of the pressure-treated sample, an adsorption characteristic (BET) analysis was performed using N2 gas. As a result, the specific surface area of kaolinite before pressure treatment increased and the total amount of adsorbed pores also gradually increased. On the other hand, the specific surface area of halloysite decreased, unlike kaolinite, and the total volume of pores gradually decreased.
In conclusion, it was found that pressure treatment affects the specific surface area of kaolinite and halloysite, and that the irreversible change in crystal shape due to pressure is a major factor affecting adsorption and pore volume.

#카올리나이트 #할로이사이트 #압력처리 #비표면적 #공극도분포 #흡착특성 #형태학적 미세구조 #kaolin group minerals #kaolinite #halloysite #pressure treatment #specific surface area #pore size distribution #adsorption characteristics #morphological microstructure #카올리군 광물

차 례
List of Figures iii
List of Tables vi
국문 요약 vii
1. 서론 1
1.1. 카올린군 광물; 카올리나이트, 할로이사이트 1
1.2. 카올린군 광물 연구 현황 및 필요성 7
1.3. 연구목적 9
2. 연구방법 10
2.1. 시료준비 10
2.2. 대부피고압기 11
2.3. 분말 X-선 회절 분석 14
2.4. 열중량 분석 18
2.5. 비표면적 분석 20
2.6. 전계 방사형 주사전자현미경 분석 25
3. 연구결과 28
3.1. 광물조성 및 특성 28
3.1.1. 카올리나이트 29
3.1.2. 할로이사이트 33
3.1.3. 압력 처리 전후 입자 크기 비교 분석 36
3.2. 열중량 변화 특성 39
3.2.1. 카올리나이트 39
3.2.2. 할로이사이트 41
3.3. 비표면적 특성 43
3.3.1. 카올리나이트 43
3.3.2. 할로이사이트 49
3.4. 형태학적 미세구조 특성 54
4. 토의 57
4.1. 카올리나이트의 압력 처리에 따른 비표면적 변화 57
4.2. 할로이사이트의 압력 처리에 따른 비표면적 변화 60
4.3. 카올리나이트와 할로이사이트의 압력 처리에 따른 미세구조 변화 62
4.4. 향후 연구 방향 63
5. 결론 65
참고문헌 67
영문요약 73

최근 본 자료

전체보기

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	원문	원문 PDF 파일
AI 학습용 데이터	원문 + 메타 (기본/상세)	원문 PDF 파일 및 서지정보 CSV
대량 구매용 데이터	B2B 구독 방식	특정 자료 한정으로 원문 접근 권한 부여
대량 구매용 데이터	URL 전달 방식	바로 PDF 뷰어를 열람할 수 있는 URL 제공

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	기본 메타	발행기관명, 간행물명, 권호명, 권(vol), 호(issue), 통권, 발행연도, 발행월, 논문명, 저자명, 시작페이지, 종료페이지, 전체페이지, 상세페이지URL
상세 메타 데이터	발행기관 메타	발행기관 이명, 영문명, 창립연도, 홈페이지URL, 발행기관 소개
	간행물 메타	부제목, 간행물 유형, ISSN, ISBN, 최초발행연도, 폐간연도, 간행빈도, 발행주기, 등재사항, 이용수, 피인용수, 권호수, 논문수, 표지이미지
	논문 메타	작성 언어, 부제목, 대등제목, 목차, 키워드, 초록, 이미지, 참고문헌, 이용수, 피인용수, 논문활용도, DBpia통합주제분류, KDC분류, DDC분류, 한국연구재단분류, UCI, DOI
	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

구분	그룹	데이터 항목
※ 결합형/맞춤형 메타 데이터는 신청 내용에 따라 다양하게 제공 가능
이용순위 정보	주제분야별 많이 이용된 논문	“인문학”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	이용기관별 많이 이용된 논문	“중고등학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	세부기관별 많이 이용된 논문	“서울대학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	키워드별 많이 이용된 논문	“Chat GPT”에서 많이 이용된 논문 TOP100
키워드 정보	많이 이용된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 이용된 키워드
	많이 발행된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 발행된 키워드
	많이 검색된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 검색된 키워드
	연구 트렌드 키워드	특정 키워드 연관 연구동향 분석 데이터 키워드

논문 기본 정보

초록· 키워드

목차

최근 본 자료

댓글(0)