달, 지구, 바다의 토양과 퇴적물의 크기와 모양 탐구하기
2022-04-13Application Note
토양 및 퇴적물 분석은 인간에게 필수적이며, 그 기원을 알 수 있는 지문을 제공합니다. 토양 및 퇴적물 분석의 주요 범주에는 수문학 및 지질학 연구가 포함됩니다. 토양 및 퇴적물 분석에서 입자 크기와 모양은 까다로운 문제입니다. 왜 그럴까요? 토양 샘플은 다형성이며 항상 넓은 크기 분포 범위를 포함합니다. Bettersizer S3 Plus는 0.01 μm에서 3.5mm까지 넓은 범위의 입자 크기를 분석하여 토양 및 퇴적물 크기 측정의 요구 사항을 완벽하게 충족합니다. 이 애플리케이션 노트에서는 달의 암석, 사막 및 해양 퇴적물을 다루는 세 가지 응용 분야에 초점을 맞추고 세 가지 샘플에서 입자 크기와 모양의 차이를 살펴봅니다.
| 제품 | 베터사이저 S3 플러스 |
| 산업 | 환경 분석 |
| 샘플 | 달의 레골리스, 해양 퇴적물, 사막 및 표준 모래 |
| 측정 유형 | 입자 크기 입자 모양 |
| 측정 기술 | 레이저 회절 동적 이미지 분석 |
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소개
지형에 따라 토양은 다양한 특성을 가지고 있어 그 원산지에 대한 지문을 제공합니다. 국제 토양 과학 연합(IUSS) 표준에 따르면 토양의 종류는 점토, 미사, 고운 모래, 거친 입자, 자갈로 분류할 수 있습니다. 미국 농무부(USDA)의 또 다른 표준 시스템에서는 그림 1과 같이 모래를 8가지 등급으로 분류합니다. [1].
그림 1. 다양한 시스템에서의 토양 분류
토양 및 퇴적물 분석의 주요 범주에는 수문학 및 지질학 연구가 포함됩니다. 수문학 연구에서 퇴적물 분석은 판구조론과 환경 유역의 지속 가능성에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 지질학 연구에서는 오염과 기후 변화를 감지하기 위해 토양 샘플을 연구합니다.
수문학
입자 크기의 변화로 인해 하천의 흔적이 달라집니다. 입자 크기 변동을 모니터링하고 홍수 위험을 평가하려면 여러 해에 걸쳐 동일한 지점에서 샘플링해야 합니다.
해양 퇴적물 분석은 가장 큰 입자는 1센티미터 이상일 가능성이 높고 가장 작은 입자는 수 마이크로미터에 불과하기 때문에 까다로운 작업입니다. 체질은 미세 입자에 대한 감도가 제한적이며 레이저 회절은 거친 입자에 대해 동일한 문제를 가지고 있습니다.
이 문제에 대한 해결책은 체질 방법과 레이저 회절 방법을 결합하여 체질은 밀리미터 입자를 제거하고 레이저 회절은 마이너스 메시 입자를 측정하는 것입니다.
지질학
토양은 인간의 삶에 영향을 미칠 수 있기 때문에 토양 분석은 매우 중요합니다. 토양 상태는 농업, 건설, 환경과 밀접한 관련이 있습니다. 또한 토양과 퇴적물은 생태와도 밀접한 관련이 있습니다. 생태학에서 토양의 역할을 탐구하기 위해 과학자들은 토양의 모든 물리적, 화학적, 생물학적 측면을 분석합니다. 토양의 종합적인 분석에는 입자 크기, 모양, 밀도, 유기 화합물, 화석, 원소 분석 등이 포함됩니다.
토양과 퇴적물의 물리적 특성을 분석할 때는 입자 크기와 모양이 측정해야 할 주요 변수입니다. 토양 샘플은 다형성이며 항상 넓은 크기 분포 범위를 포함합니다. Bettersizer S3 시리즈는 0.01 μm에서 3.5mm까지 넓은 범위의 입자 크기를 분석하여 점토에서 자갈까지 모든 등급을 완벽하게 커버합니다. 또한 Bettersizer S3 시리즈는 하나의 장비에 두 가지 기술을 결합하여 레이저 회절과 동적 이미지 분석을 모두 수행합니다. 따라서 토양 시료의 입자 크기와 모양을 한 번의 측정으로 분석할 수 있습니다. 많은 대학과 실험실에서 토양과 퇴적물을 측정하기 위해 Bettersizer S3 시리즈를 사용하고 있습니다. 이 백서에서는 달의 레골리스, 사막, 해양 퇴적물을 다루는 세 가지 응용 분야를 소개합니다.
측정 분야
1. 달의 레골리스 [2]
첫 번째 샘플은 창어 5호(CE-5) 탐사선이 달에서 귀환한 달 레골리스(LR)입니다. 이 샘플은 중국 우주 기술 아카데미(CAST)의 첸쉐센 우주 기술 연구소에서 입수했습니다. 역사상 최초의 달 샘플은 1976년에 채취되었으며, 20세기에는 소련과 미국만이 달 샘플을 채취한 바 있습니다. 2020년에 CE-5는 1,731g의 달 샘플을 지구로 가져왔습니다. 그림 2는 CE-5의 샘플링 현장을 보여줍니다. 첸쉐센 연구소는 달의 레골리스를 분석할 수 있는 최초의 실험실 그룹이었습니다.
그림 2. 창어 5호 샘플링 전후의 현장 이미지
입자 형상 분석과 입자 크기 측정 모두에 베터사이저 S3 플러스가 사용되었습니다. 그림 3의 단일 입자 이미지 맵에 따르면 토양은 매우 작은 입자뿐만 아니라 거친 입자로 구성되어 있습니다. 분석된 총 120,597개의 입자의 입자 크기 분포는 15.0~438.2 µm입니다. 입자의 평균 원형도는 0.875이며, 0.805보다 작은 원형도를 가진 입자는 10%에 불과합니다. 이 경우 CE-5 샘플링 지점의 달 레골리스는 규칙적인 모양을 하고 있습니다. 지구의 다양한 지형이 서로 다른 범주에 속하는 것처럼 달의 지형도 마찬가지입니다. 베터사이저 S3 플러스는 과학자들이 토양 샘플에 대한 심층적인 통찰력을 얻고 달과 지구의 역사와 진화에 대해 밝혀낼 수 있도록 도와줍니다.
그림 3. 단일 입자 이미지, 원형성 및 입자 크기 분포
2. 해양 퇴적물
해양 퇴적물 샘플은 국립해양환경감시센터의 세 가지 크기 분포를 가진 샘플입니다. 베터사이저 S3는 베터사이즈 연구소에서 측정을 수행했습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 세 샘플의 입자 크기는 위에서 아래로 갈수록 증가합니다.
그림 4. 해양 퇴적물 샘플
표 1. 세 가지 샘플에 대한 베터사이저 S3 크기 결과
| 샘플Name | D10(μm) | D50(μm) | D90(μm) | D97(μm) |
| 샘플A | 60 | 185 | 500 | 700 |
| 샘플B | 160 | 292 | 997 | 1412 |
| 샘플C | 224 | 762 | 1531 | 1785 |
입자 크기 값은 표 1에 나와 있으며, 세 샘플 모두 분포 범위가 넓다는 것을 알 수 있습니다. 샘플 A는 세 샘플 중 입자 크기 분포가 가장 작으며, D10과 D90 값 사이의 간격이 400μm 이상입니다. 샘플 C에 비해 샘플 A와 샘플 B는 입자 크기 값이 더 가깝습니다. 샘플 B는 매우 거친 입자를 포함하고 있어 부피 기반 입자 크기 분포에 큰 영향을 미칩니다. 그림 5의 이미지 분석에서 단일 입자 이미지를 보면, 샘플 A의 입자 크기는 비교적 균일한 반면 샘플 B에는 입자가 지나치게 큰 것을 알 수 있습니다.
그림 5. 샘플 A(위)와 샘플 B(아래)의 이미지 분석 결과
그림 6의 샘플 B 그래프에 따르면 최소 두 개의 피크가 나타나 서로 다른 입자 크기 그룹을 나타냅니다. 베터사이저 S3 시리즈는 다양한 입자 크기 그룹을 구분하는 데 있어 높은 해상도를 제공합니다. 이미지 측정은 거친 범위에서 정확도가 높고 레이저 회절은 미세 및 중간 범위에서 탁월하기 때문에 이 두 가지 테스트를 결합하여 측정했습니다.
그림 6. 세 샘플의 입자 크기 분포
3. 사막과 표준 모래 [3]
하노버의 연방 지구과학 연구소는 사막 모래와 표준 모래를 비교하는 실험을 설계하여 사막 모래가 건설 산업에서 사용되는 표준 모래를 대체할 수 있는지 분석했습니다. 레이저 회절, 동적 이미지 분석, 레이저 회절과 동적 이미지 분석의 조합 방법 등 세 가지 측정 모드가 모두 사용되었습니다. 그림 7에서 동적 이미지 분석과 결합 분석이 표준 모래 샘플에 대해 유사한 입자 크기 분포 그래프를 보여주는 것을 볼 수 있습니다.
그림 7. 사막과 표준 모래의 입자 크기 분포
표준 모래 샘플에는 사막 모래 샘플에는 없는 거친 입자가 많이 포함되어 있습니다. 표 2에서 볼 수 있듯이 사막 모래의 D10 값은 표준 모래와 약 220μm로 비슷합니다. 그러나 표준 모래와 사막 모래의 D90 값은 각각 약 1800μm와 740μm입니다.
표 2. 입자 크기 분포의 일반적인 백분율 값
| 샘플 | D3 | D6 | D10 | D16 | D25 | D50 | D75 | D84 | D90 | D99 |
| 사막 모래 동적 이미지 분석 | 145.9 | 185.5 | 223.1 | 263.1 | 316.8 | 433.6 | 575.9 | 656.9 | 740.8 | 1544 |
| 표준 모래 동적이미지 분석 | 150.9 | 177.7 | 216.8 | 298.6 | 461.4 | 958.9 | 1476 | 1678 | 1828 | 2422 |
| 표준 모래 - 빛 회절과 이미지 분석의 조합 | 150.3 | 177.8 | 217.4 | 295 | 457.5 | 943.9 | 1434 | 1631 | 1781 | 2341 |
표 3. 일반적인 개별 파티클 모양 파라미터
레이저 분별이 보여주는 크기 차이를 제외하면 모양에는 상당한 차이가 있습니다. 표 3의 동적 이미지 분석에 따르면 사막 모래의 등가 직경은 표준 모래보다 작습니다. 이 둘의 가장 큰 차이는 L/D 값입니다. 그림 8에 따르면 표준 모래는 평균 L/D 값이 1에 가깝지만 사막 모래의 L/D 값은 그보다 높은 값으로 변동합니다.
그림 8. 사막 모래와 표준 모래의 L/D 값 분포
사막 모래는 중입자와 큰 입자가 부족하기 때문에 건설 자재로 사용할 수 없습니다. 하지만 사막 모래에 중모래와 굵은 모래를 적절한 비율로 첨가할 수 있다면 사막 모래를 건축 자재로 대체할 수 있을 것입니다.
결론
토양 및 퇴적물 측정의 가장 중요한 과제는 넓게 분포된 샘플을 정확하게 측정하는 것입니다. Bettersizer S3 시리즈는 동적 이미지 분석 시스템과 레이저 회절 시스템을 갖추고 있어 토양과 같이 넓은 크기의 분포 시료를 측정하는 데 이상적입니다. Bettersizer S3 시리즈는 고객의 요구 사항에 맞는 신뢰할 수 있는 입자 크기 및 모양 결과를 제공합니다.
참고 문헌
[1] Madhan Mohan.M 및 Prabhu Prasadini. 2019. 실용 토양 물리학 매뉴얼. 지역 농업 연구 스테이션, 72 페이지.
[2] H. Zhang, X. Zhang, G. Zhang, K. Dong, X. Deng, X. Gao, Y. Yang, Y. Xiao, X. Bai, K. Liang, Y. Liu, W. Ma, S. Zhao, C. Zhang, X. Zhang, J. Song, W. 야오, H. 첸, W. 왕, Z. 저우, M. 양 (2022), Chang'E-5 임무로 돌아온 달 샘플의 크기, 모양 및 구성, Sci. 중국-물리 기계. Astron. 65, 000000.
[3] 콘크리트 생산의 원료로서 사막 또는 재활용 모래의 적합성. 3P Instrument. https://www.bgr.bund.de/DE/Gemeinsames/Nachrichten/Aktuelles/2019/2019-08-06_wuestensand.html
저자 소개
 | 시우롱 치우 애플리케이션 엔지니어 @ 베터사이즈 인스트루먼트 |
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