Sequential Extraction Method (단계별추출법)

세명대학교 자원환경공학과 환경지질 및 응용지구화학실험실 자료임.

일반적으로 사용되는 방법

I. Tessier et al., 1979

1. Exchangeable : 1M MgCl2 (pH=7) or 1M NaOAc (pH=8.2)

2. Bound to carbonates : 1M NaOAc (pH=5)

3. Bound to Fe-Mn Oxides : 0.3M Na2S2O4 + 0.175M Na-citrate + 0.025M H-citrate or 0.04M NH2OHㅑHCl in 25% (v/v) HOAc

4. Bound to organic Matter : 0.02M HNO3 + 30% H2O2(pH=2)+ 3.2M NH4OAc in 20% HNO3

5. Residuals : HF + HCLO4

II. Gibson and Farmer, 1986

1. Exchangeable : 1M NH4Ac (pH=7)

2. Carbonate-bound : 1M NaOAc (pH=5)

3. Easily reducible : 0.1 M hydroxylammonium chloride + 0.01M HNO3

4. Moderately reducible : 1 M hydroxylammonium chloride + 25% HOAc

5. Organic : 30% H2O2 + 0.02 HNO3

6. Residuals : Aqua regia (HCl:HNO3 = 3:1) + HF + H3BO3

III. Badri and Aston, 1983

1. Easily or freely leachable and exchangeable : 1M NH4Ac + 0.5M MgOAc (pH=7)

2. Oxidisible-organic : 30% H2O2 + 1M NH4Ac (pH=3.5)

3. Acid-reducible : 0.25M NH2OHㅑHCl, pH2 in HNO3

4. Residuals : HNO3 + HF + HClO4

IV. Khalid et al., 1981

1. Water soluble : directly measured after centrifuging and filtering

2. Exchangeable : 1M NaOAc adjusted to sediment suspension pH

3. Reducible : 0.15M C2H2O4 + 0.25M (NH4)2C2O4

4. DTPA-extractable : 0.05M DTPA + 0.2M NaOAc (pH=7)

5. Insoluble organic bound : 30% H2O2 + 1M NaOAc (pH=2.5)

V. Miller and McFee, 1983

1. Water soluble : H2O

2. Exchangeable : 1M KNO3

3. Organic bound : 1M Na4P2O7

4. Carbonate/noncrystalline Fe occluded : 0.1M EDTA

5. Mn oxide occluded : 0.1M NH2OHㅑHCl + 0.01M HNO3

6. Crystalline Fe occluded : 0.27M Na-citrate + 0.1M NaHCO3 + 0.25M Na2S2O4

7. Sulphides : 1M HNO3

8. Residuals : HNO3 + H2O2

VI. Shuman, 1979

1. Exchangeable : 1M MgCl2 (pH=7)

2. Organic : 30% H2O2

3. Hydrous Fe oxides : 0.2M C2H2O4, pH 3 + 0.2M (NH4)2C2O4

4. residuals : 1M HNO3

VII. Domingues and Silva, 1990

1. Exchangeable : 1M Mg(NO3)2 (pH=7)

2. Organic matter : 0.7M NaOCl (pH=8.5)

3. Mn oxides : 0.1M NH2OHㅑHCl (pH=2)

4. Amorphous Fe oxides : 0.2 (NH4)2C2O4ㅑH2) + 0.2M H2C2)4 (pH=3)

5. Crystalline Fe oxides : 0.1M ascobic acid

분석방법 (정명채, 자원환경지질, 27권 5호 469-477, 1994)

가. 추출용액의 준비

1. 0.5몰 MgCl2 (pH=7)

1) 101.65g의 MgCl2ㅑ6H2O를 1,000ml 플라스크에 넣고 증류순수 800ml를 첨가한다.

2) NH4OH 또는 HOAc로 pH를 7로 조절한 후 증류순수로 1,000ml를 만든다.

2. 1몰 NaOAc (pH=5)

1) 136.08g의 NaOAcㅑ3H2O를 1,000ml 플라스크에 넣고 증류순수 800ml를 첨가한다.

2) NH4OH 또는 HOAc로 pH를 5로 조절한 후 증류순수로 1,000ml를 만든다.

3. HOAc 25%가 들어있는 0.04몰 NH2OHㅑHCl

1) 2.780g의 NH2ㅑOHㅑHCl를 1,000ml 플라스크에 넣고 증류순수 500ml를 첨가한다.

2) 이 용액에 250ml의 HOAc를 첨가한후 증류순수로 1,000ml를 만든다.

4. 30% H2O2 (pH=2)

1) 30% (w/w)의 H2O2에 HNO3를 이용하여 pH를 2로 조절한다.

5. HNO3 20%가 들어있는 3.2몰 NH4Ac

1) 123.328g의 NH4Ac를 500ml 플라스크에 넣고 증류순수 300ml를 첨가한다.

2) 이 용액에 100ml의 HNO3 를 첨가한후 증류순수로 500ml를 만든다.

나. 추출방법

STEP 1 : 0.5몰 MgCl2 (pH=7)을 이용한 exchangeable fraction의 추출

1-1. 80메시 이하 (<180?m)로 분쇄한 시료 1g을 준비된 test tube (polysulfone)에 넣는다.

1-2. 각 tube에 pH 7로 조절된 0.5M MgCl2 8ml를 넣고 두껑을 닫는다.

1-3. tube를 자동진동기에서 10분간 흔들어 준다.

1-4. 원심분리기를 이용하여 2,000rpm (revolutions per minute, 분당 회전수)의 속도로 15분간 용액과 시료를 분리시킨다.

1-5. 분리된 용액에서 4ml를 채취하여 준비된 test tube (직경 18mm X 길이 180mm, PYREX)에 넣어 둔다.

1-6. 잔류물에 8ml의 증류순수를 넣고 2분간 흔들어준다.

1-7. 10분간 원심분리한 후 부유용액을 버린다.

1-8. 1-5단계에서 채취한 4ml 용액에 1ml 농질산을 넣고 heating block에서 120℃로 4시간 가열시킨후, 온도를 150℃에서 용액이 완전히 증발할때까지 가열한다.

1-9. 완전히 증발이 된 tube를 식히고 나서 5몰 염산 2ml를 넣고 70℃로 가열하여 금속을 추출한다.

1-10. 1시간이 지난후 tube를 냉각시키고 나서 각 tube에 8ml의 증류순수를 넣고 흔들어 준다.

1-11. 용액을 분석용 tube (polystyrene)로 옮긴후 두껑을 닫아서 분석하기 전까지 보관한다.

1-12. 이 단계의 희석비는 20ml/g이다.

STEP 2 : 1몰 NaOAc (pH=5)를 이용한 Carbonate bound의 추출

2-1. 첫번째단계의 잔류물이 들어있는 Tube에 8ml의 NaOAc (pH=5)를 넣는다.

2-2. tube를 자동진동기에서 5시간 흔들어준다.

2-3. 원심분리기를 이용하여 2,000rpm의 속도로 15분간 용액과 시료를 분리시킨다.

2-4. 분리된 용액에서 1ml를 채취하여 준비된 test tube (직경 18mm X 길이 180mm, PYREX) 넣어 둔다.

2-5. 1-6에서 1-11까지를 반복한다.

2-6. 이 단계의 희석비는 80 ml/g이다.

STEP 3 : 0.04몰 NH2OHㅑHCl을 이용한 Fe-Mn oxide fraction의 추출

3-1. 두번째단계의 잔류물이 들어있는 Tube에 HOAc 25%가 들어있는 0.04몰 NH2OHㅑHCl를 20ml 넣는다.

3-2. 20ml가 담긴 용액의 높이를 tube 표면에 표시해 둔다.

3-3. tube의 두껑을 열고 heating block에서 96℃로 6시간 가열한다.

3-4. 매 시간마다 tube를 흔들어 준다.

3-5. 6시간 후에 tube를 꺼낸후 냉각시킨다.

3-6. tube에 3-2 단계에서 표시한 높이까지 증류순수로 채운다.

3-7. tube의 두껑을 닫고 자동진동기로 5분간 흔들어 준다.

3-8. 원심분리기를 이용하여 2,000rpm의 속도로 15분간 용액과 시료를 분리시킨다.

3-9. 분리된 용액에서 15ml를 채취하여 준비된 test tube (직경 18mm X 길이 180mm, PYREX) 넣어 둔다.

3-10. 1-6에서 1-11까지를 반복한다.

※ 주의 : 이 단계에서 HNO3와 NH2OHㅑHCl는 격렬한 발열반응이므로 heating block에서 가열할때 가능한 천천히 온도를 올린다. 보통 50℃에서 2시간, 75℃에서 6시간, 100℃에서 10시간 동안 가열한 후 140℃에서 완전건조시킨다.

3-11. 이 단계의 희석비는 13.333 ml/g이다.

STEP 4 : 0.02몰 HNO3와 30% H2O2를 이용한 organic/sulphide fraction의 추출

4-1. 세번째단계의 잔류물이 들어있는 Tube에 0.02몰 HNO3 3ml와 30% H2O2 (pH=2) 5ml를 넣는다.

4-2. tube의 두껑을 열고 heating block의 온도를 천천히 올려 85℃에서 2시간동안 가열한다.

4-3. 20분마다 tube를 흔들어 준다.

4-4. tube를 heating block에서 꺼낸후 냉각시킨다.

4-5. tube에 30% H2O2 (pH=2)를 3ml 더 넣는다.

4-6. tube의 두껑을 열고 heating block의 온도를 천천히 올려 85℃에서 3시간동안 가열한다.

4-7. 매 시간마다 tube를 흔들어 준다.

4-8. tube를 heating block에서 꺼낸후 냉각시킨다.

4-9. 냉각된 tube에 20% 질산이 들어 있는 3.2몰 NH4OAc 5ml를 넣고 3-2단계에서 표시한 20ml 높이까지 증류순수로 채운다.

4-10. tube의 두껑을 닫고 자동진동기로 30분간 흔들어 준다.

4-11. 원심분리기를 이용하여 2,000rpm의 속도로 15분간 용액과 시료를 분리시킨다.

4-12. 분리된 용액에서 15ml를 채취하여 준비된 test tube (직경 18mm X 길이 180mm, PYREX) 넣어 둔다.

4-13. 1-6에서 1-11까지를 반복한다.

※ 주의 : 이 단계에서도 HNO3와 H2O2는 격렬한 발열반응이므로 heating block에서 가열할때 가능한 천천히 온도를 올린다. 보통 50℃에서 2시간, 75℃에서 6시간, 100℃에서 10시간 동안 가열한 후 140℃에서 완전건조시킨다.

4-14. 이 단계의 희석비는 13.333 ml/g이다.

STEP 5 : HF/HCLO4/HNO3를 이용한 residual fraction의 추출

5-1. 네번째단계의 잔류물이 들어 있는 tube에 5ml의 증류순수를 넣고 50ml 용량의 PTFE test tube로 잔류물들을 옮긴다.

5-2. 위 단계를 5회 반복하여 tube에 들어 있는 잔류물을 완전히 PTFE test tube로 옮긴다.

5-3. PTFE tube를 원심분리기를 이용하여 2,000rpm의 속도로 30분간 분리한다.

5-4. 분리된 용액을 주의하여 버린다.

5-5. 잔류물이 들어있는 PTFE tube에 4ml의 농질산, 2ml의 과염소산 그리고 15 ml의 불화수소를 넣는다. 이때 불화수소는 휘발성이 있는 강산이므로 특히 주의하여 다룬다.

5-6. PTFE tube를 heating block에서 90℃에서 9시간, 140℃에서 3시간, 190℃에서 10시간 동안 가열하여 완전건조시킨다.

5-7. PTFE tube를 heating block에서 꺼내 건조시킨후 4몰 염산을 4ml 넣고 다시 heating block 에서 70℃에서 1시간동안 금속을 추출시킨다.

5-8. tube를 냉각시킨후, 0.3몰 염산을 8ml 넣고 흔들어 준다.

5-9. 25ml용량의 플라스크에 용액을 옮긴다. 이때 0.3몰의 염산을 이용하여 PTFE tube에 들어 있는 잔류물과 추출용액을 씻어내며, 이 경우에는 플라스틱으로 제작된 깔대기를 이용하면 편리하다.

5-10. 최종부피가 25ml가 되도록 0.3몰 염산으로 채운다.

5-11. 이 단계의 희석비는 25ml/g이다.

다. 화학분석

항상 1몰 염산으로 조절되어 있는 최종용액은 다원소용 유도분극 플라즈마 원소 흡광 분광광도계 (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry; ICP-AES)를 이용하여 화학분석을 실시하였다. 자료의 정확도와 정밀도를 측정하기 위하여, 시료를 넣지않은 용액 (reagent blank), 중복시료 (duplicate samples), 원소의 함량이 알려진 표준시료 (standard reference materials) 등을 이용하였다. 동일한 표준시료를 이용하여 여러번 측정한 결과를 Table1에 정리하였다.

Table 1. The results of sequential extraction for standard reference materials and house reference materials

 

NBS 2710

NBS 2711

HRM 2

METALS

STEP

BATCH#1

BATCH#2

MEAN

STD

BATCH#1

BATCH#2

MEAN

STD

BATCH#1

BATCH#2

MEAN

STD

COPPER

1

 

 

 

 

0.93

0.97

0.95

0.02

2.64

2.94

2.79

0.15

2

 

 

 

 

5.69

5.37

5.53

0.16

5.53

4.83

5.18

0.35

3

 

 

 

 

14.3

14.3

14.3

0

9.98

9.84

9.91

0.07

4

 

 

 

 

17.7

18.1

17.9

0.2

417

418

418

0.5

5

 

 

 

 

66.9

69.3

68.1

1.2

104

106

105

1

CADMIUM

1

9.66

9.88

9.77

0.11

8.78

8.91

8.85

0.07

0.75

0.69

0.72

0.03

2

3.13

2.89

3.01

0.12

19.7

18.7

19.2

0.5

0.66

0.86

0.76

0.1

3

3.02

3.17

3.10

0.08

8.80

9.04

8.92

0.12

0.39

0.31

0.35

0.04

4

0.68

0.61

0.65

0.04

1.03

1.12

1.08

0.05

0.67

0.63

0.65

0.02

5

3.93

4.06

4.00

0.07

1.73

1.18

1.46

0.28

0.56

0.67

0.62

0.06

LEAD

1

552

542

547

5

2.03

2.45

2.24

0.21

5.45

5.25

5.35

0.1

2

1290

1290

1290

0

478

443

461

17.5

96.5

91.2

93.9

2.65

3

1180

1186

1183

3

421

423

422

1

204

202

203

1

4

836

882

859

23

128

134

131

3

7.64

77.6

77

0.6

5

1110

1110

1110

0

98.1

101

99.6

1.45

163

178

171

7.5

ZINC

1

732

740

736

4.0

0.46

0.51

0.49

0.03

12.0

12.6

12.3

0.3

2

449

434

442

7.5

27.0

25.9

26.3

0.70

34.6

34.4

34.5

0.1

3

1880

1860

1870

10

90.1

90.8

90.5

0.35

82.9

84.1

83.5

0.6

4

372

386

379

7.0

23.8

23.0

23.4

0.40

112

114

113

1

5

3050

3030

3040

10

175

182

179

3.5

151

155

153

2

1) STEP : 1(EXCHANGEABLE), 2(BOUND TO CARBONATES), 3(BOUND TO Fe & Mn OXIDES), 4(BOUND TO ORGANIC MATTER) AND 5(RESIDUALS)

2) STD : STANDARD DEVIATION

3) HRM2 : HOUSE REFERENCE MATERIALS

Table 2. The results of sequential extraction for mine dump soils sampled in the Dalsung Cu-W mine(unit in ?g g-1).

 

 

SAMPLE IDENTIFICATION

METALS

STEP

MD01

MD07

MD10

MD16

MD18

MD21

COPPER

EXCHANGEABLE

45.9

132

94.6

105

126

5.63

CARBONATES

19.7

685

68.9

28

57

8.96

Mn,Fe OXIDES

11.5

1360

200

21.7

131

74.3

ORGANIC

884

753

812

987

1210

645

RESIDUALS

1060

382

535

738

1170

1030

TOTAL

1985

3312

1711

1879

2694

1764

#2

1990

3560

1820

1990

3080

1940

RECOVERY(%)

99.8

93.0

94.0

94.4

87.5

90.9

CADMIUM

EXCHANGEABLE

0.55

1.05

0.2

0.1

0.2

0.1

CARBONATES

0.60

1.40

0.4

0.4

0.6

0.4

Fe,Mn OXIDES

0.13

3.17

0.6

0.33

0.03

0.03

ORGANIC

1.47

0.87

0.3

0.1

1.73

0.43

RESIDUALS

0.06

0.88

0.06

0.06

1.75

0.06

TOTAL

2.81

7.36

1.5

0.69

4.32

1.03

#2

6.20

8.9

3.3

1.9

6.6

2.10

RECOVERY(%)

45.3

82.7

45.3

36.5

65.4

48.9

LEAD

EXCHANGEABLE

114

0.5

1.5

8.1

19.5

12.6

CARBONATES

67.2

13.2

8.4

8.4

28.8

18.0

Fe,Mn OXIDES

47.8

69.2

14.8

32.2

177

116

ORGANIC

17

43.2

10.1

3.8

24.2

24.0

RESIDUALS

2590

591

858

1080

581

343

TOTAL

2836

717.1

893

1133

830.5

513.6

#2

3020

725

910

1330

844

554

RECOVERY(%)

93.9

98.9

98.1

85.2

98.4

92.7

ZINC

EXCHANGEABLE

34.2

73.8

12.5

3.82

16.9

1.44

CARBONATES

9.96

76.9

13.2

2.4

7.6

6.04

Fe,Mn OXIDES

57.4

480

165

3.33

64.4

5.81

ORGANIC

134

93.9

35.9

16

154

44.6

RESIDUALS

338

232

223

109

328

65.1

#2

585

968

441

144

604

120

RECOVERY(%)

98.0

98.8

102.0

93.4

94.5

102.5

1) #2 : CHEMICAL DECOMPOSITION BY NITRIC ACID AND PERCHLORIC ACID

2) TOTAL : SUM OF EACH FRACTION

3) RECOVERY(%) = (SEQ.TOTAL/#2)X100