<CH 14> 14. 8장 미량중금속 모델링을 공부하고 요약하라.

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1 <CH 14> 14. 8장 미량중금속 모델링을 공부하고 요약하라.
오 아 람

2 (1)금속의 가수분해 금속이온은 수화각(hydration shell)내에서 물분자의 산성도가 금속이온의 양전하에 의해 물분자 내에서 양성자가 반발작용을 하기 때문에 일반적인 물보다 산성도가 크다. 아쿠아 금속이온(aquo metal ion)의 산성도는 이온의 반지름에 반비례하고 금속이온의 전하에는 비례할 것으로 예상된다. 용액 내의 리간드에 대한 금속 양이온들의 최대 배위수는 보통 해당하는 금속 전하의 2배 이다. 양이온 금속은 2, 4, 6 또는 8개의 리간드와 배위결합한다.

3 (2)화학종 A 형태와 B 형태의 양이온 금속의 분류는 최외각 d 전자수로 결정되면 A형태의 양이온 금속은 d 오비탈에 전자가 없는(또는 거의 없는)불활성기체 형태이고, “강체구(hard sphere)" 양이온에 해당한다. 전자껍질은 리간드의 접근에 의한 전지장의 영향에 대해 쉽게 변형되지 않는다. A형태의 금속은 F뿐만 아니라 OH, CO, HCO 의 리간드와 산소 공여원자가 착화합물을 형성하게 된다. 이와 같은 형태의 금속들은 NH나 CN보다 HO분자와 더 강하게 결합한다.

4 (2)화학종 <hard(A 형태)와 soft(B 형태) 양이온 금속을 나타낸 주기율표>

5 (2)화학종 B형태의 금속(예를 들면 Ag, Au, Hg, Cu, Cd)은 최외각 d-오비탈에 많은 저자를 가지고 있다.
구형이 아니고 전자 구름은 배위자장(ligand fild)에 의해 쉽게 변형되며, HS,S와 강한 착화합물을 형성하고 침전한다. F의 리간드보다는  I나 Cl리간드와 더 잘 결합하고, 물분자보다는 암모니아와 더 잘 결합한다.

6 (2)화학종 Mn 〈 Fe 〈 Co 〈 Ni 〈 Cu〈 Zn
이러한 양이온 전이금속은 대부분 A형태(hard sphere)의 성질을 나타내고, 아연(Ⅱ)에서 착화물의 세기는 변화한다. 아연착화합물은 구리(Ⅱ)보다는 약한 착화물을 생성하지만, 전이원소계열에 있는 몇몇 것보다는 더 강한 착화물을 형성한다.

7 (3)용존금속과 입자형 금속 용액 내에서 강한 착화합물을 형성하는 경향을 가지고 있는 중금속은 동일한 리간드를 가지고 있는 입자와 표면 착화합물을 형성하는 경향이 있다. 화학평형 모델은 실질적으로 물에 용존된 것과 흡착된 것을 반드시 구별해야 하기 때문에 어렵다. 분석화학 자들은0.45μm의 멤브레인 여과지를 통과하는 모든 것을 “용존물질”이라고 정의 했다.

8 (4)강에 대한 물질수지와 폐기물 허용부하 _ 물질수지식
(4)강에 대한 물질수지와 폐기물 허용부하 _ 물질수지식 정상흐름상태(dQ/dt=0)하에서, 저층과 수층에서 시간에 따른 금속이온의 농도를 생각해 볼 수 있다. 흡착과 탈착과정은 이동과정보다는 빠르고 부유물질의 농도는 강의 구간 내에서 일정하다고 가정한다. 이러한 가정들은 반드시 필요하거나 항상 적용되는 것은 아니지만, 그렇게 함으로써 물질수지식에서 6가지(수층과 저층 내에서 부유고형물 농도와 흡착된 금속이온농도, 용존 금속 이온의 농도)로부터 단 두 개의 식(여과하지 않은 시료의 총 금속농도, 저층에 흡착된 금속농도)으로 줄일 수 있다.

9 (4)강에 대한 물질수지와 폐기물 허용부하 _ 물질수지식
흡착반응은 1시간 안에 끝나는 이동 과정의 경우를 제외하고 일반적으로 이동과정과 비교해 볼 때 빠르다. 부유고형물 농도는 정상흐름상태의 구간 내에서 상수로 가정할 수 있다.

10 (5)착화합물의 생성과 용해도 안정도상수는 물에서 착화물의 형태에 대한 평형 값이며 단계상수(stepwise constants)나 총안정도상수 중의 하나로 표현할 수 있다. 단계 상수는 식(1)에서 식(3)과 같은 일반적인 반응에 의해 얻을 수 있으며 전하는 무시하였다.

11 (5)착화합물의 생성과 용해도 총안정도 상수는 유리 아쿠아 금속이온이 반응물이라는 관점에서 쓰여진 반응들이다.
 단계 생성상수들의 생성물은 총안정도 상수로 나타낼 수 있다.

12 (6)표면 착화합물/ 흡착 1μm보다 작은 콜로이드는 현탁액에서 일반적으로 안정하고 후속응집을 제외하고는 자연수에서는 침전하지 않는다. 이들은 화학 및 풍화작용에 의해 매우 작아지는 점토입자이며 4μm보다 더 큰 부유입자들은 쉽게 침전되고 조류, 방해석 입자, 수화산화물, 미세한 석영이 여기에 속한다.   입자들은 금속이온, 산-염기 반응, 음이온 수착의 착화물을 위해 표면을 제공한다.

13 (6)표면 착화합물/ 흡착 <자연수에서 입자 크기의 스펙트럼 (Modified from Stumm and Morgan)>

14 (7)자연수 호수나 강에 있는 입사들은 수층의 미량금속의 총 농도를 세어하는 네 영향을 미친다.
흡착-침전은 물에서 금속을 없애 주는 공정이며, 금속물질을 침전물로 이동시킨다.

15 (8)응집(aggregation), 응결(coagulation) 그리고 플록locculation)형성
자연수에서 응결은 전해질에 의한 입자의 응집을 말한다. 고분자는 또한 “bridge"입자가 플록 형성을 일으키는 것으로 알려져 있다. 플록 형성은 철염 또는 알루미늄염 [FeSO4, FeCl3와 Al2(SO4)3]을 이용한 콜로로이드의 불안정화 플록 형성을 촉진시키는 침전물 [Fe(OH)3, Al(OH)3]과 polymers를 형성하기 위해 사용하는 수처리 공정에서는 특히 중요하다. 고분자 유기물은 자연수에서 특히 입자의 농도가 높은 침전물과 물의 계면 근처에서 응집하는 입자에 유효하다.

16 (9)토양에서 금속의 이동  K값이 큰 미량금속은 토양에 축적되고, 심지어 인위적인 요인에 의한 토양으로의 미량금속의 유입이 줄어드는 데도 회복시간은 길어질 수 있다. 이러한 이유는 다음과 같은 미량금속의 축적에 기인한 것이다. 미량금속은 토양입자에 흡착된 것에 의해 미량금속의 이동이 지연되며, 지연인자 R값이 클수록 용존 금속의 이동은 느리게 된다.

17 2. Study and explain the toxic model TOXIC5.
<Theory> 유기화학물, 중금속, 퇴적물 등 독성오염을 분석하는 모듈이다.

18 2. Study and explain the toxic model TOXIC5.
<Numerical Algorithm > 강에서 미량금속의 이동을 다음 그림에 도시하였다. <용준 및 흡착된 입자물질의 이등과 부유 및 저니의 부하를 나타내는 하천이나 강에서 금속이동의 개략적인 모델>

19 2. Study and explain the toxic model TOXIC5.
모델링 접근법은 위 그림에 나타낸 것처럼, 수층에서 총 금속농도를 나타내기 위해 화학평형 모델과 물질수지식을 합한 것이다. 화학평형을 적용하지 않을 경우, 대상이 되는 각 화학종은 각각의 물질수지식을 모사하여야 한다.