Study of Utilization of Natural Zeolites as Functional Materials for Water Purification (I): Cation Exchange Property of Domestic Zeolites

Domestic zeolite ores are mostly composed of Ca-type clinoptilolite, accompanying a little amounts of mordenite. However, other types of zeolite ores rich in ferrierite, heulandite, or mordenite are less commonly found. Based on the quantitative XRD analysis, zeolite contents are determined to be nearly 50∼90 wt%. Impurities (mostly ＞ 10 wt%) in the zeolite ores chiefly consist of quartz, feldspar, smectite, and opal-CT. The determined CEC values ($CEC_{AA}$ ) of powdery samples (grain size: < 125 $\mu\textrm{m}$) of zeolite ores by the Ammonium Acetate method are mostly higher than 100 meq/100 g. Some zeolites from the Guryongpo area, corresponding to the clinoptilolite ore, are measured to be dominantly high in CEC values ranging 170∼190 meq/100 g. Cation exchange property of the zeolite ores varies greatly depending on the types or zeolite species present in the ores. Despite of the lower grade in zeolite content, the $CEC_{AA}$ of ferrierite ore is comparatively high. Compared to this, the $CEC_{AA }$ of heulandite ore is very low, though the zeolite ore exhibits the highest grade ranging up to about 90 wt%. In addition, the CEC values calculated theoretically from the framework composition of clinoptilolite-heulandite series are not consistent with those determined by the cation exchage experiment. The measured $CEC_{AA}$ of clinoptilolite ores are generally higher than those of heulandite ores. This may be due to the higher Ca abundance in exchangeable cation composition and the presence of probable stacking faults in heulandite. The variation of $CEC_{CEC}$ is roughly proportional, though not strictly compatible, to the zeolite contents in clinoptilolite ores. It seems to be caused by the fact that the $CEC_{AA}$ of clinoptilolite locally varies depending on crystal-chemical diversity, i. e., the variation in framework composition (Si/Al) and exchangeable cation composition (especially, the contents of Ca and K). In addition, the determined CEC values ($CEC_{MB}$ ) of zeolite ores by the Methylene Blue method are much higher than those calculated from smectite contents. It suggests a probable reaction of Methylene Blue ion ($C_{16}$ $H_{18}$ $N_3$S+) with larger-pore zeolites than clinoptlolite-heulandite series, i.e., ferrierite and mordenite as well as with smectite. This can be supported by the fact that the ferrierite ore accompanying little amount of smectite has the highest value in CE $C_{MB}$ .

천연 제올라이트의 수환경 개선용 기능성 소재로의 활용에 관한 연구 (I): 국내산 제올라이트의 양이온 교환 특성

국내산 제올라이트는 대부분 모오데나이트를 부수적으로 약간씩 수반하는 Ca-형 클리놉틸로 라이트 위주의 광물상을 이루는 것이 대부분이지만, 드물게 페리어라이트, 휼란다이트나 모오데나이트 계열의 광석도 산출된다. X-선회절 정량분석 결과에 의하면, 이들은 대개 50∼90 wt% 정도의 제올라이트 함유 수준을 나타낸다. 제올라이트 광석에 상당량 (대개 10 wt% 이상) 수반되는 불순 광물성분으로는 석영, 장석류, 스멕타이트 및 단백석이 대부분을 이룬다. 국내산 제올라이트 광석 (125 $\mu\textrm{m}$ 이하의 입도)의 CEC 값은 암모늄아세테이트 법 기준으로 대부분 100 meq/100 g 이상의 CEC 값 ($CEC_{AA}$ )을 갖는 것으로 밝혀졌다. 특히 구룡포 지역에서 산출되는 일부 클리놉틸로라이트 계열의 광석들은 170∼190 meq/100 g 정도의 높은 CEC 값을 보였다. 제올라이트의 양이온 교환특성은 광종에 따라 현격한 차이를 보이는 것으로 나타난다 페리어라이트 계열의 광석은 낮은 품위에도 불구하고 비교적 높은 $CEC_{AA}$ 수준을 보이는데 비해서, 휼란다이트는 90 wt% 가까울 정도로 높은 품위에도 불구하고 상대적으로 매우 낮은 $CEC_{AA}$ 을 나타내는 것이 특징이다. 또한 고용체 상을 이루는 클리놉틸로라이트-휼란다이트 계열의 광석들의 골격조성으로부터 계산된 이론적 CEC값과 실험적으로 구해진 실측치, 즉 $CEC_{AA}$ 는 상호 부합되지 않는 것으로 나타난다. 클리놉틸로라이트 계열의 광석은 일반적으로 휼란다이트의 경우보다 상대적으로 높은 $CEC_{AA}$ 를 보인다. 이는 휼란다이트의 교환성 양이온의 조성, 즉 Ca 이온의 함유도와 중합단층과 같은 공동 구조상의 특이성에 기인한 것으로 사료된다. 클리놉틸로라이트 계열의 광석들의 $CEC_{AA}$ /은 제올라이트의 함량 변화와 대체적으로는 부합되는 경향을 보이지만, 전적으로 엄밀히 규제되지는 않는 경향을 보인다. 이는 이 제올라이트의 결정화학적 다양성, 즉 골격조성(Si/Al)과 교환성 양이온 조성(특히 Ca과 K의 함량)에 의해서 단위 광물 당의 $CEC_{AA}$ /가 변하기 때문인 것으로 해석된다. 또한 메칠렌블루 법으로 측정된 CEC 값($CEC_{MB}$ /)이 예상보다 높은 수준을 보이는 것은 광석 내에 함유된 스멕타이트에 의한 효과뿐만 아니라, 공동의 입경이 클리놉틸로라이트-휼란다이트 보다 상대적으로 큰 제올라이트들, 즉 페리어라이트와 모오데나이트도 메칠렌블루 이온 ($C_{16}$ $H_{18}$ $N_3$S+)과 부분적으로 반응했을 개연성을 시사하는 것으로 사료된다. 특히 스멕타이트의 함유도가 상대적으로 낮은 페리어라이트 광석이 가장 높은 수준의 $CEC_{AA}$를 보인다는 사실이 이를 뒷받침한다.