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흙의 분산 - 이중층 두께가 두꺼워지면 분산 이루어지고 반대면 응고

흙살림 조회수 1,308회 14-03-22 02:15

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흙의 성질-흙의 분산

이중층 두께가 두꺼워지면 분산 이루어지고 반대면 응고

글 : 신제성(흙살림 이사)

마른 논에 물을 대고 경운을 하고 써레질을 하고 모를 내는 동안 갈이흙은 곤죽이 되면서   분산(分散)되어 흙탕물로 오랫동안 부유하다가 가라앉게 되는데 이때 분산강도는 점토광물종류, 함량과 흙속에 들어있는 염류의 종류와 농도 등에 따라 주로 차이가 있다. 흙이 분산매(分散媒)인 물에 풀려 미립분산상(相)으로 브라운(Brownian)운동을 하면서 분산계(系)를 이루게 되고 미세광물입자는 흙속의 이온과 함께 콜로이드(膠質)용액 또는 현탁액(懸濁液,suspension)의 구성성분이 된다.

흙의 교질표면은 음전하로 대전되어 있고 이 주위에는 상대이온인 칼슘, 마그네슘, 칼리와 소디움의 교환성양이온과 알루미늄과 수소 등의 양이온이 포진하고 있다. 용액에서는 이들 상대이온이 극성(極性)을 띤 물분자 중 산소의 음전하 영향으로 전기적으로 수화되어 수각을 이루고 있다. 양이온은 교질의 음전하와 일정한 간격을 두고 대치하고 있다가 전하의 하전력으로 상대이온이 이 교질표면에 흡착되어 밀도가 높은 이온으로 대전된 층을 형성하게 된다. 이 층으로부터 멀리 떨어질수록 전기적 인력이 약해지면서 상대이온의 밀도는 지수적으로 낮아지게 된다. 이같이 용액에서 교질표면을 중심으로 상대이온의 밀도가 뚜렷하게 높은 층과 낮은 2층으로 구분되는 전기이중층(電氣二重層,electric double layer)이 분포하게 된다. 이 층은 교질표면의 전기적 인력과 이온의 확산으로 유지, 보전된다. 이중층의 교질표면 쪽의 층을 스턴(Stern)층, 그 외부의 바깥층을 확산층(diffuse)이라 한다.

이중층 외부의 교질용액은 이온농도가 더욱 낮으나 이중층의 최외각이온은 평형을 이루기 위하여 확산작용으로 이중층 안팎을 끊임없이 드나들면서 분산에 영향을 주게 된다. 이 같이 분산은 이중층 두께의 영향을 받게 되는데 물을 첨가하여 희석을 하게 되면 이 층이 팽창하여 두꺼워지고 건조하면 축소되어 얇아지게 된다. 입자표면전하의 척력이 인력보다 강하면 이중층의 두께가 두꺼워져 분산이 이루어지고 반대로 척력이 인력보다 약하면 이중층의 두께가 얇아져 응고(凝固)하게 된다.

흙 속에 흔한 알루미늄, 석회, 고토는 2,3가의 양이온으로 1가인 칼리나 소디움에 비해 높은 전하와 유효이온직경이 짧아 교질표면에 강력하게 흡착되어 이중층을 압착하게 된다. 반면 소디움은 수화되어 유효직경이 커져 이중층을 확장하게 된다. 즉 알루미늄, 석회, 고토와 칼리는 스턴층을 많이 채워 이중층이 축소하게 된다. 실제로 석회는 소디움에 비해 이중층의 두께를 크게 압축시키게 되어 소디움이 많이 들어있는 간척지의 해성토를 개량하는데 석회를 많이 쓰는 이유이기도 하다. 소금기가 많은 개흙에서 이양 후에도 쉽사리 흙탕물이 가라앉지 않는 것은 수화된 소디움이온으로 대전된 교질표면과 용액의 전기적 전위차인 제타전위(zeta potential)가 높고 전기이중층이 확장되어 교질입자간의 척력이 크게 작용한 때문이다. 따라서 갯벌 논에서 석회물질의 시용은 소디움으로 흡착된 흙의 분산을 억제하는 방안으로 석회를 이용하여 용액 중의 소디움 농도를 낮게 유지시키고 스턴층의 소디움을 석회로 교환함으로서 결과적으로 이중층의 두께를 감소시켜 응집을 유도하는 작업이다. 이는 분산의 원리를 역으로 이용하여 문제의 분산이 심한 흙을 개량하는 방법이다.