점토광물

3. 점토 광물의 종류

점토 광물은 화학 조성, 결정 구조, 층의 배열 방식 등에 따라 다양하게 분류된다. 1:1 점토는 하나의 사면체 시트와 하나의 팔면체 시트로 구성되며 고령토(카올리나이트), 사문석이 그 예이다. 2:1 점토는 두 개의 사면체 시트 사이에 팔면체 시트가 끼워져 있는 형태로, 활석, 버미큘라이트, 몬모릴로나이트가 대표적이다. 1:1 점토의 층은 전하를 띠지 않고 층 사이에 수소 결합으로 결합되지만, 2:1 층은 순 음전하를 띠며 개별 양이온(예: 일라이트의 칼륨, 스멕타이트의 나트륨 또는 칼슘)이나 양전하를 띤 팔면체 시트(예: 녹니석)에 의해 결합될 수 있다.^[4]

점토 광물은 일반적인 광학 현미경이나 물리적인 방법으로는 특성 파악이 어렵기 때문에, X선 회절(XRD) 기술과 같은 특수한 분석 기술을 통해 연구된다.^[3]

3. 1. 주요 점토 광물

• 고령토 그룹: 고령토, 다이카이트, 할로이사이트, 나크라이트 (Al2Si2O5(OH)4의 다형체)^[15]
• * 일부 자료에서는 구조적 유사성으로 인해 고령토-사문석 그룹을 포함한다.^[3]
• 스멕타이트 그룹: 몬모릴로나이트, 논트로나이트, 베이델라이트와 같은 2가 팔면체 스멕타이트와 사포나이트와 같은 3가 팔면체 스멕타이트^[15]
• 일라이트 그룹: 점토 운모를 포함하며, 이 그룹에서 유일한 일반적인 광물은 일라이트^[15]
• 녹니석 그룹: 상당한 화학적 변이를 가진 다양한 유사 광물 포함^[15]
• 기타: 팔리고르스키트 (아타펄가이트) 및 해포석과 같이 구조 내부에 긴 물 채널을 가진 2:1 점토 유형 존재

3. 2. 혼합층 점토 광물

4. 점토 광물의 생성

점토 광물은 장석과 같은 광물이 풍화 작용을 거치면서 생성되거나, 저온 열수 변질 작용의 결과로 생성되는 흔한 광물이다. 점토 광물은 토양, 셰일, 이암, 실트스톤과 같은 세립질 퇴적암과 점판암, 필라이트와 같은 세립질 변성암에서 매우 흔하게 발견된다.^[4]

5. 점토 광물의 활용

금속 이온(알루미늄, 나트륨, 칼슘 등)과 규산이 연결되어 생긴 시트가 층상으로 형성되어 있다. 이 시트 사이에 물, 금속 이온, 경우에 따라서는 유기물까지 쉽게 잡아서 방출하기 때문에 습도 조절, 이온 교환성, 촉매 등 기능성 재료로서 생활용품을 비롯한 다양한 분야에서 이용되고 있다. 또한 세라믹 소재와 도자기의 원료로 이용되고 있다.

점토는 매우 흔한 물질이며, 가장 오래된 세라믹으로 알려져 있다. 선사 시대 인류는 점토의 유용한 특성을 발견하고 도자기를 만드는 데 사용했다. 칼륨 및 암모늄과 같은 영양 양이온을 유지하는 점토의 화학적 특성은 토양 비옥도에 중요하다.^[2]

점토 광물은 석회-메타카오린 모르타르에 혼합되어 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.^[27] 전기화학적 분리는 높은 스멕타이트군 광물 농도, 더 작은 광물 입자 크기, 더 조밀한 구조, 더 큰 표면적을 가진 변형된 사포나이트 함유 제품을 얻는 데 도움이 된다. 이러한 특성은 사포나이트 함유 제품으로부터 고품질 세라믹 및 중금속 흡착제를 제조할 가능성을 열어준다.^[28]

또한, 세라믹 원료 준비 과정에서 테일 연삭이 발생하며, 이 폐기물 재처리는 점토 펄프를 중화제로 사용하는 데 매우 중요하다. 이는 반응에 미세 입자가 필요하기 때문이다. 히스토솔의 알칼리성 점토 슬러리를 이용한 탈산 실험에서 펄프 30% 첨가 시 평균 pH 7.1의 중화가 이루어졌으며, 다년생 풀이 있는 실험 현장에서 이 기술의 효과가 입증되었다. 또한, 훼손된 토지 복원은 광산 회사의 사회적, 환경적 책임의 필수적인 부분이며, 이 시나리오는 지역 및 광역 수준에서 지역 사회의 요구를 충족시킨다.^[29]

5. 1. 전통적인 활용

5. 2. 현대적인 활용

점토 광물은 석회-메타카오린 모르타르에 혼합되어 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.^[27] 전기화학적 분리는 높은 스멕타이트군 광물 농도, 더 작은 광물 입자 크기, 더 조밀한 구조, 더 큰 표면적을 가진 변형된 사포나이트 함유 제품을 얻는 데 도움이 된다. 이러한 특성은 사포나이트 함유 제품으로부터 고품질 세라믹 및 중금속 흡착제를 제조할 가능성을 열어준다.^[28]

또한, 세라믹 원료 준비 과정에서 테일 연삭이 발생하며, 이 폐기물 재처리는 점토 펄프를 중화제로 사용하는 데 매우 중요하다. 이는 반응에 미세 입자가 필요하기 때문이다. 히스토솔의 알칼리성 점토 슬러리를 이용한 탈산 실험에서 펄프 30% 첨가 시 평균 pH 7.1의 중화가 이루어졌으며, 다년생 풀이 있는 실험 현장에서 이 기술의 효과가 입증되었다. 또한, 훼손된 토지 복원은 광산 회사의 사회적, 환경적 책임의 필수적인 부분이며, 이 시나리오는 지역 및 광역 수준에서 지역 사회의 요구를 충족시킨다.^[29]

6. 생명 기원과의 관련성 (가설)

점토광물 기원 가설은 1985년 그레이엄 케언스-스미스에 의해 제안되었다.^[21][22] 이 가설에 따르면, 복잡한 유기 분자는 수용액과 접촉하는 규산염 결정의 기존 무기 복제 표면에서 점진적으로 발생한다. 점토 광물인 몬모릴로나이트는 수용액에서 뉴클레오타이드 단량체로부터 RNA의 중합을 촉매하며,^[23] 지질로부터 막 형성을 촉매하는 것으로 나타났다.^[24] 1998년, 하이먼 하트만은 다음과 같이 주장했다. "최초의 유기체는 이산화탄소를 옥살산 및 기타 이염기산으로 고정하는 자기 복제 철분이 풍부한 점토였다. 복제 점토와 그 대사 표현형의 이 시스템은 황화물이 풍부한 온천 지역으로 진화하여 질소 고정 능력을 얻었다. 마지막으로 인산염이 진화하는 시스템에 통합되어 뉴클레오티드와 인지질의 합성이 가능해졌다."^[25]

7. 점토 광물의 분석 방법

점토 광물은 매우 미세한 입자로 구성되어 있어 일반적인 광학 현미경으로는 관찰하기 어렵다. 따라서 점토 광물을 식별하고 연구하기 위해서는 다음과 같은 특수한 분석 기술이 필요하다.

• X선 회절 (XRD): 점토 광물의 결정 구조를 분석하는 데 필수적인 기술이다. 1930년대에 이 기술이 발달하면서 점토 광물의 결정학적 구조가 더 잘 이해되었다.^[3]
• 전자 회절: X선 회절과 함께 점토 광물 연구에 사용되는 방법이다.^[5]
• 분광학적 방법:
• 뫼스바우어 분광법:^[6]
• 적외선 분광법:^[5]
• 라만 분광법:^[7]
• SEM-EDS:^[8]
• 자동 광물학:^[5]
• 편광 현미경: 점토 광물의 기본 발생 또는 암석학적 관계를 설정하는 전통적인 기술이다.^[9]
• 기타: 글리콜 흡착, 양이온 교환 능력, 시차 열 분석, 화학적 시험^[30]

8. 점토질 암석

점토질 암석은 점토 광물을 상당량 포함하는 암석을 말한다.^[31] 예를 들어, ''점토질 석회암''은 주로 탄산 칼슘으로 구성된 석회암이며,^[32] 10~40%의 점토 광물을 포함한다. 이러한 석회암은 부드러울 경우 종종 마르라고 불린다. 마찬가지로, 사암의 일종인 ''점토질 사암''은 주로 석영 입자로 구성되어 있으며, 공극이 점토 광물로 채워져 있다.

참조

_[1] 논문 Formation and Occurrence of Clay Minerals 1952
_[2] 웹사이트 Soil fertility basics http://www2.mans.edu[...] Soil Science Extension, North Carolina State University 2020-12-08
_[3] 논문 Summary of recommendations of AIPEA nomenclature committee on clay minerals http://www.minsocam.[...] 1980
_[4] 서적 Introduction to mineralogy Oxford University Press 2000
_[5] 논문 Chapter 12.2 Identification and Quantitative Analysis of Clay Minerals 2006
_[6] 논문 Clays and clay minerals: What can Mössbauer spectroscopy do to help understand them? 1998
_[7] 논문 Raman Spectroscopy of Clay Minerals 2017
_[8] 논문 Characterization of clay minerals in the Sundarban mangroves river sediments by SEM/EDS 2012-09
_[9] 논문 Rediscovering polarized light microscopy http://www.msscweb.o[...] 2021-09-20
_[10] 뉴스 Clays on Mars: More plentiful than expected https://www.scienced[...] 2019-03-22
_[11] 논문 The surface composition of Ceres: Discovery of carbonates and iron-rich clays http://irtfweb.ifa.h[...] 2006
_[12] 웹사이트 NASA's recovered Bennu asteroid samples show evidence of carbon and water, scientists say https://www.cbsnews.[...] 2023-10-16
_[13] 논문 The origin of life in comets 2007
_[14] 웹사이트 Clay-Like Minerals Found on Icy Crust of Europa http://www.nasa.gov/[...] 2013-12-21
_[15] 웹사이트 The Clay Mineral Group http://mineral.galle[...] 2007-02-22
_[16] 웹사이트 NASA Rover Finds Conditions Once Suited for Ancient Life on Mars http://www.jpl.nasa.[...] NASA 2013-03-12
_[17] 웹사이트 Mars Could Once Have Supported Life: What You Need to Know http://www.space.com[...] 2013-03-12
_[18] 뉴스 Mars Could Once Have Supported Life, NASA Says https://www.nytimes.[...] 2013-03-12
_[19] 서적 X-Ray Diffraction and the Identification and Analysis of Clay Minerals Oxford University Press
_[20] 서적 Fundamentals of Soil Behavior
_[21] 서적 Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life Cambridge University Press 1982-09-02
_[22] 서적 The Blind Watchmaker W.W. Norton & Company
_[23] 논문 One-Step, Regioselective Synthesis of up to 50-mers of RNA Oligomers by Montmorillonite Catalysis 2006-07-12
_[24] 논문 Semi-permeable vesicles composed of natural clay
_[25] 논문 Photosynthesis and the Origin of Life 1998
_[26] 논문 Biomedical Applications of Clay 2013
_[27] 논문 Influence of clay minerals addition on mechanical properties of air lime–metakaolin mortars 2014
_[28] 논문 Advanced Techniques of Saponite Recovery from Diamond Processing Plant Water and Areas of Saponite Application 2018
_[29] 논문 Reutilization Prospects of Diamond Clay Tailings at the Lomonosov Mine, Northwestern Russia 2020
_[30] 문서 Fundamentals of soil behavior
_[31] 논문 Argillaceous rocks https://www.accesssc[...] 2019
_[32] 웹사이트 Argillaceous limestone: Mineral information, data and localities. https://www.mindat.o[...] 2019-12-27
_[33] 서적 학술용어집 지학편 일본학술진흥회