Colloids are ubiquitous in natural waters. Colloid-facilitated migration is of importance in safety assessment of a nuclear waste disposal. Aluminosilicate colloids are considered to be the kernel of aquatic colloids. Their stability is affected by a number of geochemical parameters. This work aims to study qualitatively and quantitatively the stability of aluminosilicate colloids formed by coprecipitation under various geochemical conditions, i.e. pH, concentration of Al and Si metal ions, ionic strength, and omnipresent cations ($Na^+$, $Ca^{2+}$, and $Mg^{2+}$).
The work is performed by colorimetric method and laser-induced breakdown detection (LIBD). Two consecutive phase separations at 450 nm and 1 kDa are applied to separate the precipitates and colloids from the ionic species. By means of colorimetry, Si and Al can be detected down to 5.8×$10^{-8}$ M and 7.4×$10^{-7}$ M, respectively. On the other hand, LIBD is able to quantify the colloidal size and its number density down to several ppt. Depending on the concentration of Al and Si metal ions, the formation trend of aluminosilicate colloid changes following its solubility curve. The lower the concentration, the higher the pH range in which the colloids start to emerge. Furthermore, the colloids are stable at higher Al and Si concentration and at low ionic strength. In the low pH range, cations provide different effects at low and high ionic strengths. At high ionic strength, the colloids are stable in the presence of a larger cation, while all cations exhibit similar effects at low ionic strength. However, in the high pH range, valence seems to have a stronger effect than ionic radius; colloids are more stable in the presence of monovalent cations than divalent ones. Meanwhile, XRD shows non- and/or poor crystalline structure of the aluminosilicate species. Nevertheless, results from XPS may suggest that the chemical composition (Si/Al ~ 0.6) of the aluminosilicate precipitates is sillimanite or imogolite.
지하수에 편재되어 있는 콜로이드에 의한 방사성 핵종 이동에 대한 이해는 방사성폐기물 처분장의 장기 안전성 평가에 있어서 매우 중요하다. 규소와 알루미늄은 지각을 형성하는 구성원소 중 산소 다음으로 많이 존재하는 원소이기 때문에 알루미노실리케이트는 수용액에 존재하는 다양한 무기성 콜로이드의 주요 핵심 광물질로 알려져 있다. 알루미노실리케이트 콜로이드의 생성 및 안정성은 다양한 지구화학적 변수들의 영향은 받는다. 따라서 본 연구의 목적은 공침으로 형성된 알루미노실리케이트 콜로이드의 안정성을 pH, 알루미늄, 실리콘 금속이온 농도, 이온세기, 그리고 나트륨, 칼슘, 마그네슘 등 다양한 종류의 양이온에 따른 지구화학적 조건에서 정성·정량 분석하는 것이다. 본 연구는 비색법(Colorimetry)과 레이저 유도 파열 검출법(LIBD)을 이용하였고 수화이온으로부터 침전물과 콜로이드의 상 분리에 한외여과(ultrafiltration: 450 nm와 1 kDa 크기의 필터 이용)를 이용하였다. 비색법으로 실리콘과 알루미늄은 각각 5.8×$10^{-8}$ mol/L, 7.4×$10^(-7}$ mol/L 농도까지 검측이 가능하였다. 고감도 레이저 기반 분석법인 LIBD 방법을 이용하여 수 nm 크기의 콜로이드와 수 ppt 입자밀도의 정량분석이 가능하였다. 알루미늄과 규소 농도에 따른 알루미노실리케이트 콜로이드 형성은 용해도 곡선에 따라 변화됨을 관찰하였다. 낮은 금속이온 농도와 높은 pH 영역에서 콜로이드가 생성되었고 그의 안정성은 이온세기의 영향을 받는다. 높은 이온세기에서 반발력이 줄어들고 응결이 증가하는 경향이 나타났으며 낮은 이온세기에서 형성 콜로이드가 가장 안정적이었다. 콜로이드 안정성에 대한 양이온의 영향은 낮은 pH 영역과 높은 pH 영역에서 상이하게 나타남을 관찰하였다. 낮은 pH 영역에서는 높은 이온세기에서 생성된 알루미노실리케이트 콜로이드는 양이온의 크기가 클수록 더욱 안정하였지만 이온세기가 낮은 경우에는 양이온의 크기에 거의 무관한 것으로 나타났다. 반면, 높은 pH 영역에서는 2가의 이온은 1가 이온보다 더 많은 응결을 유발시켰고 이는 이온 반지름보다 이온 전하가 더 많은 영향을 준다는 사실을 알 수 있었다. 결론적으로, 알루미노실리케이트 콜로이드는 지하수 조건(중성 pH 영역)에서 낮은 금속이온 농도, 나트륨 이온과 같은 1가 양이온이 존재할 때 안정적일 것으로 예상된다. 또한 XRD를 이용하여 알루미노실리케이트 콜로이드를 포함한 침전물의 구조분석을 수행하였으나 특정 XRD 스펙트럼은 관측되지 않았다. 이는 알루미노실리케이트 시료의 낮은 농도에 기인하거나 시료의 비결정성 구조 때문일 것으로 판단된다. 이와 아울러 동일 시료에 대한 XPS 측정결과는 알루미늄에 대한 실리콘 원자수의 비(Si/Al)가 0.6로 나타났으며, 이는 알루미노실리케이트 시료의 화학조성이 대부분 실리마나이트(sillimanite: $Al_2SiO_5$)이거나 이모고라이트(imogolite: $Al_2SiO_5$·$2.5H_2O$)인 것으로 예상된다.
