고분자 첨가제를 이용한 칼슘함유 미네랄과 불소 이온의 상호 작용 조절 연구

Abstract

칼슘은 다양한 생체미네랄 (biomineral)의 주요 성분으로, 그 예로는 연체 동물의 껍데기를 구성하는 탄산칼슘이나 인체의 뼈와 치아에 존재하는 인산칼슘 등을 들 수 있다. 칼슘함유 미네랄 (calcium-containing minerals)은 인체 내부를 구성하는 주요 성분으로 그 생성 메커니즘은 다양한 분야에서 관심을 받고 있다. 지질학적인 요인이나 산업 활동으로 인해 물 속에 많은 불소 이온들이 존재하는데, 불소 이온이 인체 조직 내의 인회석 (apatite) 성분을 변형시켜 불소증 (fluorosis)이라 불리는 질병을 유발하므로 수중 불소 이온의 제거에 관한 연구가 진행 중에 있다. 다양한 칼슘함유 미네랄들을 이용한 수중 불소 이온 흡수에 관한 연구를 진행하였다. 인산칼슘계 미네랄 [수산화인회석 (hydroxyapatite), 인산8칼슘 (octacalcium phosphate), 브루사이트 (brushite or DCPD, dicalcium phosphate dihydrate)]과 탄산칼슘계 미네랄 [캘사이트 (calcite)]를 각각 불소 이온과 반응시켰다. 인산칼슘계 미네랄들은 모두 플루오르화 인회석 (fluorapatite)으로 캘사이트는 플로라이트 (fluorite)로 변환하는 과정을 통해 불소를 흡수하였다. 고분자 첨가제 [폴리에틸렌 글리콜 (polyethylene glycol), 폴리아크릴 산 (polyacrylic acid), 폴리에틸렌이민 (polyethylenimine)]를 이용하여 실제의 지하수 속에 존재하는 자연 유기물로 인해 불소 이온 흡수가 방해 받는 것과 유사한 환경을 재현하였다. 특히 양전하를 띄는 폴리에틸렌이민은 칼슘함유 미네랄들의 표면에 강하게 흡착되어 불소 이온 흡수를 거의 완전하게 방해하였다. 이러한 고분자 첨가제의 방해 효과는 초음파 (ultrasound)를 이용하여 상쇄시킬 수 있었다. 추가하여 pH에 따른 PEI의 입체구조 (conformation) 변화가 칼슘함유 미네랄의 칼슘 이온이 분출되는 속도에 미치는 영향을 살펴 보았다. 또한 캘사이트에서 플로라이트로의 변환이 일어날 때 캘사이트의 (1 0 4) 면과 플로라이트의 (1 2 0) 면 사이에는 강한 에피택시 연관성 (epitaxial relationship)이 있으며, 그로 인해 캘사이트의 표면에서 플로라이트가 규칙적인 방향성을 가지고 자라나는 것을 확인하였다.