고령석

1. 개요

고령석(Kaolinite)은 화학식 Al₂Si₂O₅(OH)₄를 가지는 점토 광물로, 중국 장시성 가오링 마을의 지명에서 유래되었다. 1:1 또는 TO 점토 광물로, 사면체와 팔면체 시트가 층상 구조를 이루며, 비팽창성과 낮은 이온 교환 용량을 갖는다. 고령토는 제지, 도자기, 페인트, 고무, 의약품 등 다양한 산업 분야에서 활용되며, 특히 제지 산업에서 종이의 품질을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 또한, 지혈제로 사용되거나, 유기농업에서 살포제로 사용되기도 한다. 고령석은 일반적으로 안전하다고 알려져 있지만, 피부나 점막에 경미한 자극을 유발할 수 있으며, 결정질 규소를 소량 포함할 수 있다.

2. 명칭

영어 이름 kaolin은 1727년 프랑수아 자비에르 데탕트르콜의 1712년 프랑스어 보고서에서 차용되었다. 그는 징더전 도자기 제조에 대해 보고했다. 데탕트르콜은 高嶺土^중국어로 표기했는데, 이는 중국어 단어를 로마자 표기한 것으로, 현재 병음으로 로 표기되며, 푸량현 근처, 현재 장시성 징더전 시의 일부인 가오링("높은 능선") 마을의 이름에서 유래되었다. 마을 주변 지역은 청나라 시대 동안 징더전의 고령토 주요 공급원이었다. 광물학 접미사 -ite는 나중에 다른 지역의 거의 동일한 광물을 포함하도록 이름을 일반화하기 위해 추가되었다.

고령토는 때때로 고어인 리토마지와 라틴어 lithomarga^라틴어에서 유래된 리토마르가로도 논의되는데, 이는 litho-^라틴어 (λίθος^{고대 그리스어}, "돌")와 marga^라틴어 ("마사")의 조합이다. 보다 적절한 현대적 사용법에서 리토마지는 이제 고령토의 압축되고 덩어리진 형태를 특별히 지칭한다.

3. 특성

고령토는 화학적으로 Al₂Si₂O₅(OH)₄로 표기되며, 납석을 포함하기도 한다. 1:1 또는 TO 점토 광물로, 규소와 산소 이온으로 구성된 사면체(T) 시트와 산소, 알루미늄, 수산화 이온으로 구성된 팔면체(O) 시트가 층층이 쌓인 구조를 가진다. 층간 수소 결합으로 인해 비팽창성이며, 낮은 이온 교환 용량을 가진다.

--
--
--
--

물을 적시면 카오린석의 작은 판상 결정은 서로 부착되어 점토의 응집력을 부여하는 물 분자층을 얻는다. 결합은 점토를 성형할 때 판이 서로 미끄러지도록 할 만큼 약하지만, 판을 제자리에 고정하고 성형된 점토가 모양을 유지할 수 있도록 할 만큼 강하다. 점토를 건조하면 대부분의 물 분자가 제거되고 판이 서로 직접 수소 결합하여 건조된 점토는 단단하지만 여전히 부서지기 쉽다. 점토를 다시 적시면 다시 가소성이 된다.

pH에 따라 금속 이온을 흡착하거나 수소 이온을 방출하는 특징이 있으며, 이는 양이온 치환 용량(CEC)으로 정량화된다. 고령토는 CEC가 특히 높은 것으로 알려져 있다. 흡수성이 높고 촉감이 미끌미끌하며, 특유의 냄새를 가진다.

화강암 등의 장석이 장기간 풍화 작용을 거쳐 분해되어 생성된다. 고령토 자체는 반응성이 낮은 점토 광물이다.

금속 이온 흡착은 고령토에 부하를 줄 수 있다. 팽창, 분자 구조 내 압력, 응결, 전단 강도 저하, 투수 계수 및 압축성 상승 등이 일어날 수 있다.

500℃로 가열하면 부서지기 쉬워져 점토의 성질을 가지지 않게 되지만, 수산기에 의한 수소 결합에서 산소 원자에 의한 공유 결합으로 바뀌기 때문에 고령토 분자끼리 더욱 강하게 짧게 결합한다. 이 시점에서는 층 구조는 붕괴되고 분자끼리의 결합에 의한 비정질 구조가 된다. 1000℃에서 소성되면 매우 튼튼하고 다공질이 된다.

3.1. 구조적 변환

고령토 그룹 점토는 대기압 하에서 공기 중에서 열처리 시 일련의 상 변환을 겪는다.

4. 생성

고령토는 뜨겁고 습한 기후에서 암석의 화학적 풍화 작용으로 형성된 토양에서 풍부하게 발견된다. 예를 들어 열대 우림 지역에서 발견된다. 점차 서늘하거나 건조한 기후로 갈수록 고령토의 비율은 감소하는 반면, 일라이트(더 서늘한 기후) 또는 스멕타이트(더 건조한 기후)와 같은 다른 점토 광물의 비율은 증가한다. 이러한 기후 관련 차이는 고대 토양이 매몰되어 보존된 지질 시대의 기후 변화를 추론하는 데 종종 사용된다.

콩고 벨기에 농업 연구소(INEAC) 분류 시스템에서 점토 성분이 주로 고령토로 구성된 토양을 카올리솔(고령토와 토양에서 유래)이라고 한다.

고령토의 저온 합성은 여러 측면을 갖는다. 첫째, 성장하는 결정에 공급되어야 하는 규산은 단량체 형태여야 한다. 즉, 실리카는 매우 희석된 용액에 존재해야 한다. 둘째, 알루미늄 양이온은 산소에 관해 6배위되어야 한다. 셋째, 이 두 가지 초기 구성 요소가 층상 구조를 가진 하나의 혼합 결정에 통합되어야 한다. 카올리나이트 형성에 대한 다음 방정식에서
:2Al(OH)3 + 2H4SiO4 -> Si2O5 . Al2(OH)4 + 5H2O
형성된 카올리나이트 분자 하나당 5개의 물 분자가 반응에서 제거되어야 함을 알 수 있다. 카올리나이트 반응에서 물 제거의 중요성을 설명하는 현장 증거는 Gastuche와 DeKimpe (1962)에서 제공되었다. 카올리나이트는 건기와 우기의 뚜렷한 계절적 교체가 있는 지역에서만 발견되었다. 알로판이 카올리나이트로의 전이에 미치는 젖고 마르는 조건의 교차의 가능한 중요성은 Tamura와 Jackson (1953)에 의해 강조되었다. 카올리나이트 형성에 대한 젖고 마르는 조건의 교차 역할도 Moore (1964)에 의해 언급되었다.

5. 산지

전 세계적으로 중국, 미국, 영국, 브라질, 독일 등에서 고령석이 많이 생산된다. 대한민국에서는 주로 고령토 형태로 많이 산출되며, 주요 산지는 다음과 같다.

고령토는 열대 우림 지역과 같이 뜨겁고 습한 기후에서 암석의 화학적 풍화로 형성된 토양에서 풍부하게 발견된다. 서늘하거나 건조한 기후로 갈수록 고령토의 비율은 감소하고, 일라이트나 스멕타이트와 같은 다른 점토 광물의 비율은 증가한다.

미국에서는 조지아주 중부의 대서양 해안선 지역에 주요 고령토 매장지가 있다. 샌더스빌은 "세계의 고령토 수도"로 알려져 있다.

2012년 기준 전 세계 고령토 생산량은 26,651,000 톤으로, 주요 생산국은 다음과 같다.

👆

좌우로 밀어서 보기

📌 열 고정 해제

2012년 국가별 고령토 생산량 (단위: 1,000 톤)

대륙	국가	생산량
아프리카	이집트 (275), 나이지리아 (100), 알제리 (80) 등	583
아시아	중국 (3,950), 대한민국 (800), 베트남 (650) 등	6,348
유럽	독일 (4,800), 영국 (1,000), 체코 (650) 등	9,078
북아메리카	미국 (5,900), 멕시코 (120)	6,020
중동	이란 (1,500), 터키 (725) 등	2,398
오세아니아	오스트레일리아 (40), 뉴질랜드 (11)	51
남아메리카 및 중앙아메리카	브라질 (1,900), 아르헨티나 (80) 등	2,173

6. 용도

고령석은 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다.

제지 산업에서 고령토는 종이의 광택, 밝기, 매끄러움 등을 향상시키는 데 사용된다. 종이 코팅 및 충전재로 사용되며, 2009년에는 고령토의 최대 70%가 제지 생산에 사용되었다. 2021년 전 세계 고령토 생산량은 약 4,500만 톤으로 추정된다.

도자기 제조에도 사용된다. 백색 세라믹 제품의 경우, 고령토가 원료의 최대 50%를 구성할 수 있다. 고령토는 소성되지 않은 상태에서 성형 강도, 가소성 등 유변학적 특성에 기여하며, 소성 과정에서 뮬라이트 형성에 핵심적인 역할을 한다. 고령토 함량이 높을수록 고온에 잘 견디는 자기를 만들 수 있다.

카오울(Kaowool)이라고 불리는 단열재(일종의 광물 섬유) 생산을 위한 원료로도 사용된다.

그 외에도 페인트 첨가제로 사용되어 이산화 티타늄(TiO2) 백색 안료를 확장하고 광택 수준을 변경하며, 고무의 가황 시 특성을 변경하거나 레올로지를 변경하기 위한 접착제 첨가제로도 사용된다.

유기농법에서는 해충 구제 및 일소 현상 방지를 위한 살포제로 사용된다.

치약의 약한 연마제, 화장품의 충전재로도 사용된다.

6.1. 의료

고령석은 혈액 응고를 촉진, 유발하는 성질을 가지고 있어 지혈제로 활용된다. 2008년 4월, 미국 해군 의학 연구소는 고령토에서 파생된 알루미노실리케이트를 주입한 거즈를 개발하여 상업적으로 판매하였으며, 이는 미군에서 사용하는 지혈제이다. 퀵클롯을 참고하라.

고령토 기반 제제는 설사 치료제로 사용되며, 하제에도 포함된다. 또한, 위장 장애 완화제로도 사용된다. '사전 작업' 피부 보호 및 차단 크림(배리어 크림)의 성분으로도 사용된다.

6.2. 기타 용도

* 화장품 충전재, 팩, 비누 등에 사용된다.
* 흰색 백열전구의 빛을 확산시키는 재료로 사용된다.
* 에디슨 디스크 레코드 충전재로 사용된다.
* 백색 포틀랜드 시멘트 재료로 사용된다.
* 폐수 처리 시 흡착제로 활용된다.
* 아주 미량의 우라늄과 토륨을 포함할 수 있어 방사성 연대 측정 지표로 사용되기도 한다.

7. 안전성

고령토는 일반적으로 안전하다고 알려져 있지만 피부나 점막에 경미한 자극을 유발할 수 있다. 고령토 제품에는 흡입 시 알려진 발암 물질인 결정질 규소의 미량이 포함될 수도 있다.

미국에서 산업안전보건청(OSHA)은 작업장에서 고령토 노출에 대한 법적 한도(허용 노출 기준)를 8시간 작업일 기준 총 노출 15mg/m3, 호흡기 노출 5mg/m3으로 설정했다. 국립 산업 안전 보건 연구원(NIOSH)은 8시간 작업일 기준 총 노출 10mg/m3 TWA, 호흡기 노출 5mg/m3의 권장 노출 기준(REL)을 설정했다.

8. 카올리나이트-사문석 그룹

고령토, 다이크석, 나크라이트, 할로이사이트 등은 카올리나이트-사문석 그룹에 속하는 광물이다. 이들은 모두 Al₂Si₂O₅(OH)₄의 화학식을 가지거나 유사한 구조를 가지는 점토 광물이다.