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입자 크기 분석 또는 토양 텍스처 분석이란 무엇인가요?

토양 조직 테스트 또는 토양 입자 크기 분석(토양 조직 분석 또는 입자 크기 분석이라고도 함)은 연구자들이 토양의 미네랄 분획을 분석하는 데 사용하는 방법입니다. 토양 조직을 정확하게 측정하는 것은 토양 수분 보유력, 수리 전도도, 토양 수분 침출, 침식 가능성, 토양 영양소 저장, 유기물 역학, 탄소 격리 능력 등을 이해하는 데 매우 중요합니다.

토양의 질감 또는 입자 크기는 토양의 기본적인 물리적 특성으로, 토양의 입자 크기 분포 또는 입자 크기 분포는 돌과 암석부터 미크론 이하의 점토까지 다양한 입자 크기를 가질 수 있습니다. 일반적으로 입자 크기와 토양 질감을 볼 때 토양 입자는 2000마이크론보다 작습니다. 이러한 토양 입자는 일반적으로 모래, 미사, 점토의 세 가지 등급으로 나뉩니다. 이 구분의 좋은 예는 토양 텍스처 삼각형(그림 2)에 나와 있으며, USDA 분류 체계에 익숙한 사람이라면 누구나 알아볼 수 있습니다. 이 삼각형은 고체 입자 크기를 모래, 미사, 점토의 여러 부분으로 나눕니다.

입자 크기 분석: 어떤 방법이 적합할까요?

입자 크기 분포 곡선을 만들기 위해 입자 크기 분석 방법을 선택할 때는 과학자들이 전통적으로 이러한 분석을 수행한 방법과 시간이 지남에 따라 측정이 어떻게 발전해 왔는지 이해하는 것이 중요합니다.

수년 동안 연구자와 재배자들은 리본을 사용하여 손으로 토양을 텍스처링하고 손으로 거칠기를 확인했습니다. 이 방법은 현장의 토양을 특성화할 때 여전히 유용하지만 주관적이고 오류가 발생하기 쉽습니다. 빠른 특성 분석을 위한 정성적 도구로 사용할 수 있지만, 오늘날에는 더 정확한 방법이 있습니다.

정확한 입자 크기 측정을 위한 한 가지 방법은 ASTM 표준 크기의 체를 사용한 체 분석입니다(때로는 체 크기에 대한 다른 표준을 가진 다른 분류 시스템을 사용하기도 합니다). 이 방법에서는 토양이 체를 통과할 때 다양한 크기 범위를 포착하기 위해 토양 입자 크기를 측정합니다. 일반적으로 이 방법은 더 거친 토양의 분획에 가장 적합합니다.

2000미크론 또는 2밀리미터 이하의 특성을 분석할 때는 스토크스 법칙에 기반한 침전법이 더 효과적입니다(Gee et al, 2002). 이 중 가장 일반적인 방법은 비중계와 피펫 방법입니다(Gee et al, 2002). 기술의 발전으로 X-선 감쇠, 레이저 회절 및 VisNIR 분광법과 같은 새로운 광학 방법도 도입되었습니다. 이 글과 아래 동영상에서는 가장 일반적으로 사용되는 방법인 침전법과 레이저 회절법의 기초와 과학적 이론을 비교하는 데 중점을 둡니다.

입자 크기 분석 방법을 선택하기 전에 알아야 할 사항

앞서 언급했듯이 토양 입자는 그림 5에 표시된 것처럼 돌과 암석(일반적으로 크기가 0.25미터를 초과)부터 미크론 점토(일반적으로 1미크론 미만)까지 다양한 크기를 가지고 있습니다. 여기서는 2mm 또는 2000um보다 작은 입자 측정에 초점을 맞추지만, 이러한 모든 구성 요소(또는 크기 분수)는 분류의 일부이므로 고려해야 합니다. 따라서 토양을 특성화하려고 할 때는 존재할 수 있는 더 큰 분획도 고려해야 합니다.

그림 5는 미국에서 일반적으로 사용되는 USDA 및 통합 토양 분류 시스템과 같은 다양한 크기 분류 및 토양 분류 시스템을 보여줍니다. 사용 사례와 위치에 따라 사용하는 시스템이 변경될 수 있습니다(예: 토양 분류에 대한 독일 표준도 있습니다). USDA 분류 시스템은 농업 및 환경 목적으로 사용되는 반면, 통합 시스템은 주로 엔지니어링 용도로 사용됩니다. 결과를 보고할 때 어느 것이 필요한지 이해하는 것도 중요합니다. 보고 대상과 결과의 사용 방식에 따라 어떤 유형의 분류 시스템을 선택할지 결정됩니다.

입자 크기 분포 곡선이란 무엇인가요?

데이터를 표시하는 방법도 고려해야 할 중요한 사항입니다. 입자 크기 분석 데이터를 표시하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적인 방법 중 하나는 누적 입자 크기 분포 곡선(또는 입자 크기 분포 곡선)입니다. 그림 6과 같은 입자 크기 분포 곡선은 입자 지름에 따라 다양한 토양 질감과 그 누적 분포가 어떻게 보이는지 보여줍니다.

입자 크기 분석 데이터는 다양한 크기 클래스의 질량 기반 백분율로 보고할 수도 있습니다. 즉, 크기 등급을 점토 백분율, 모래 백분율, 미사 백분율로 보고할 수 있습니다. 토양을 분류하는 더 간단한 방법은 토양 텍스처로 보고하는 것입니다.

어떤 보고 방법을 선택할지는 필요한 세부 정보 수준에 따라 달라집니다. 누적 입자 크기 분포 곡선(그림 6)이 가장 자세한 정보를 제공하지만, 분포 곡선 데이터를 해석하기가 항상 쉬운 것은 아닙니다. 따라서 사용 사례에 따라 더 간단한 방법을 사용하기로 결정할 수 있습니다.

전처리 과정에서 토양을 처리하는 방식은 데이터의 정확성에 영향을 미칠 수 있으므로 중요한 과정입니다. 많은 연구자들이 이 책을 참고합니다, 토양 분석 방법, 4부: 물리적 방법 를 참고하여 신뢰할 수 있는 샘플 준비 방법을 찾습니다. 그러나 ASTM 방법과 국제 표준의 다양한 방법을 포함하여 다른 전처리 방법도 사용할 수 있습니다.

모든 측정 방법에서 토양은 동일한 초기 준비 과정을 거칩니다. 모래, 미사, 점토 입자는 개별 분석을 위해 분리됩니다. 유기물, 산화철, 유기 탄소는 측정을 방해할 수 있으므로 상당량 존재하는 경우 제거할 수도 있습니다.

가장 일반적으로 사용되는 방법 중 일부는 침전 및 스토크스 법칙을 기반으로 합니다. 침전 분석은 침강 속도와 입자 직경 사이에 존재하는 관계에 의존합니다. 입자를 수용액에 현탁시키면 시간이 지남에 따라 입자 크기에 따라 다양한 속도로 입자가 떨어지거나 침전됩니다(그림 7).

이 관계는 1851년 케임브리지 대학의 아일랜드계 영국인 물리학자이자 현재 스토크스 법칙으로 알려진 것을 개발한 조지 가브리엘 스토크스에 의해 처음 정의되었습니다.

스토크스 법칙과 침전 기반 방법에는 몇 가지 기본 가정이 있습니다. 이러한 가정은 다음과 같습니다:

1. 정착이 시작되는 즉시 터미널 속도에 도달합니다.
2. 침전에 대한 저항은 전적으로 유체의 점성 때문입니다.
3. 모든 입자는 매끄럽고 구형입니다.
4. 솔루션의 개별 입자 간에는 상호 작용이 없습니다.

이러한 가정은 완벽하지는 않지만, 이러한 가정으로 인한 잠재적인 문제가 있더라도 침전 방법은 잘 확립되어 있으며 정확한 결과를 얻기 위해 광범위하게 테스트되었습니다. 이를 이해하면 다양한 측정 방법 중 하나를 결정할 때 도움이 됩니다.

침전 측정에 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 방법에는 비중계와 피펫 방법이 있습니다. 세 번째 방법인 적분 현탁 압력은 시간이 지남에 따라 학습한 내용을 바탕으로 침전 방법을 발전시킨것으로, 각 방법은 실린더 내의 특정 구역을 측정하기 때문에 몇 가지 눈에 띄는 차이점이 있습니다. 이러한 차이점은 아래에서 각 방법과 정확도, 해당 측정에서 기대할 수 있는 결과를 살펴보면서 설명합니다.

입자 크기 분석을 위한 비중계 방법은 무엇인가요?

비중계 방법은 스토크스 법칙의 기본에 따라 달라집니다. 토양 수용액을 현탁액에 넣고 따로 보관한 후 주어진 시간 동안 가라앉도록 합니다. 일반적으로 2미크론 크기의 점토를 정량화하려는 경우 측정에는 24시간이 걸립니다. 이 기간 동안 비중계(그림 9)를 사용하여 입자가 침전되기 시작하면서 용액의 밀도 변화를 측정합니다. 이러한 밀도 변화(또는 비중계의 침강 깊이)와 아직 현탁 상태인 다양한 입자 크기 사이에는 관계가 있습니다.

정확한 측정을 위해서는 사전에 체 분석을 통해 모래 분획을 분리하고 정량화해야 합니다. 이 단계는 비중계 방법으로 정확한 점토 비율을 추정하는 데 매우 중요합니다. 모래 입자는 너무 커서 너무 빨리 가라앉기 때문에 정확한 측정이 어렵습니다. 이는 거의 모든 침전 기반 방법에서 공통적으로 발생하는 문제이며, 마지막으로 이 방법에는 제어용 '빈' 실린더가 필요합니다. 거의 모든 테스트에서 헥사메타인산나트륨(화학 분산제)을 침전 실린더에 첨가하여 물의 밀도를 변화시킵니다. 빈 실린더는 헥사메타인산나트륨으로 인한 온도 및 분산 효과를 보정하여 대조군처럼 작용합니다.

마지막으로, 이 방법에는 대조용 '빈' 실린더가 필요합니다. 거의 모든 테스트에서 침전 실린더에 헥사메타인산나트륨(화학적 분산제)을 첨가하여 물의 밀도를 변화시킵니다. 빈 실린더는 헥사메타인산나트륨으로 인한 온도 및 분산 효과를 보정하여 대조군처럼 작용합니다.

입자 크기 분석을 위한 비중계 방법의 장단점

비중계 방법의 장점: 어려움에도 불구하고 비중계 방식은 비용이 저렴하고 정확도가 +/- 3% 정도입니다.

비중계 방법의 단점: 대부분의 침전 방법과 마찬가지로 비중계에도 어려움이 있습니다. 비중계 방식은 시간이 많이 걸리며, 하루 중 가장 좋은 시간대나 한밤중이 아닌 일정한 시간 간격으로 지속적으로 주의를 기울여야 합니다. 또한 모든 작업이 수동으로 수행되므로 오류가 발생할 수 있습니다.

도전 과제 1: 비중계 방식은 수동 측정입니다. 수동 측정은 장시간 실린더를 주의 깊게 관찰하면서 비중계를 정확하게 판독해야 하므로 항상 오류가 발생하기 쉽습니다.

과제 2: 비중계를 실린더에 삽입할 때 발생하는 침전 과정의 교란은 오류의 원인이 될 수 있습니다. 특히 이 방법은 고정된 측정 시간이 필요하기 때문에 많은 문제가 발생할 수 있습니다. 이 절차를 올바르게 사용하려면 입자 크기 분포 곡선의 지점에 따라 30초, 1분, 4분 또는 12시간 간격 등 특정 간격으로 측정을 수행해야 합니다.

도전 과제 3: 끔찍한 24시간 측정. 금요일에 측정을 시작하고 토요일에 24시간 측정을 위해 다시 방문해야 하는 경우가 종종 있습니다.

토양 질감 분석을 위한 피펫 방법은 무엇인가요?

일반적으로 입자 크기 분석이나 토양 질감 분석을 위한 침전 방법을 언급할 때는 피펫 방법이 표준으로 사용됩니다. 이 방법을 사용하면 더 정확한 측정이 가능하며 접근 방식에 따라 비중계 방법보다 미세한 점토를 더 잘 설명할 수 있습니다.

비중계 방법과 유사하게 모래 분획을 미리 분리하고 체 분석을 통해 별도로 정량화해야 합니다. 그러나 비중계와 달리 피펫은 더 작은 시료 영역에서 직접 시료를 채취합니다. 스토크스 법칙을 사용하여 샘플을 현탁액에 넣은 후, 작은 하위 샘플을 정해진 간격으로 채취하여 오븐에서 건조시킵니다. 그런 다음 건조된 샘플의 무게를 측정합니다. 각 무게는 해당 시간 동안 샘플 영역의 다양한 입자 크기를 나타냅니다. 예를 들어, 한 측정은 2마이크론 크기 범위, 다른 측정은 5마이크론 크기 범위, 또 다른 측정은 20마이크론 크기 범위에서 이루어질 수 있습니다.

입자 크기 분석을 위한 피펫 방법의 장단점

피펫 방식 사용의 장점은 다음과 같습니다:

1. 피펫 방법은 점토 분획을 추정하는 데 있어 정밀도가 높기 때문에 종종 골드 표준 방법으로 불립니다.
2. 비중계 방식의 경우 24시간이 걸리는 것과 달리 이 방식은 6시간만 걸립니다.

피펫 방법의 문제점이나 단점은 비중계 방법과 유사합니다:

1. 수동으로 읽어야 하므로 오류가 발생하기 쉽습니다.
2. 피펫을 삽입할 때 침전 과정을 방해할 가능성이 있습니다.
3. 특정 분획을 정확하게 측정하기 위해 측정 시간도 고정되어 있습니다.

마지막으로 입자 크기 분포 곡선의 정확도가 높아졌음에도 불구하고 정확도는 +\- 3%로 유지됩니다.

일체형 서스펜션 압력 방식(ISP 방식)이란 무엇인가요?

적분 현탁 압력 또는 ISP 방법은 스토크스 법칙에 기반한 다른 침전 방법과 동일한 원리를 따릅니다. 기존 방법과 달리 ISP 방법은 고정밀 압력 변환기를 사용하여 입자가 침전되는 동안 용액의 밀도 변화를 측정합니다(그림 12).

완전하고 정확한 입자 크기 분포 곡선을 얻는 방법

적분 서스펜션 방법(ISP 방법 및 ISP+ 방법)은 완전한 입자 크기 분포 곡선을 자동으로 생성합니다. 그림 15는 이 곡선이 어떻게 생겼는지 보여주는 예시입니다.

그림 13은 실제 압력 측정값이 어떤 모습인지 보여줍니다. 이 그래프의 눈금은 매우 작은 눈금(또는 저압 측정)인 압력의 파스칼 단위로 측정됩니다. 이를 위해서는 정밀하고 정확한 압력 트랜스듀서가 필요합니다.

그림 14는 이 측정이 누적 입자 크기 분포 곡선을 생성하는 방법을 보여줍니다. 이 전체 프로세스는 볼프강 더너 박사의 적분 현탁 압력 방법(ISP+)에 대한 동료 검토 논문 (Durner et. al, 2017)에 설명되어 있습니다.

입자 크기 분석을 위한 일체형 현탁액 방법의 단점

단점: ISP 접근 방식에는 자동화되고 상세하며 완전한 입자 크기 분포 곡선이라는 분명한 장점이 있는 반면, 상당한 문제점도 있습니다.

1. 0.1 Pa의 분해능을 가진 최첨단 압력 센서 기술에도 불구하고 구현된 ISP의 정확도는 수치 해석에서 예상보다 낮습니다. 위에서 언급한 논문을 포함한 수치 분석 및 합성 측정 데이터를 살펴보면 점토 함량을 결정하는 데 필요한 시간이 당초 예상을 초과합니다.
2. 사용자가 지정한 총 건조 토양 질량의 오류 또는 측정에 대한 온도 영향으로 인한 초기 기록 압력 데이터의 편향으로 인해 불일치가 발생할 수 있습니다.
3. 서스펜션과 열적으로 평형을 이루지 못하면 장치가 온도와 평형을 이루는 과정에서 초기 드리프트가 발생할 수 있습니다.
4. 천천히 배수되는 실린더의 필름 물은 정확한 압력에 영향을 미쳐 측정값에 변화를 일으킬 수 있습니다.
5. 모래 비율 추정에서 오류가 발생할 가능성이 있습니다: 이 특정 방법은 추정된 모래 분율에 의존합니다. 모래 비율 추정치에 오류가 있으면 점토 비율과 같이 더 미세한 비율로 선형적으로 전파될 수 있습니다. 예를 들어 모래가 50%, 점토가 5%인 모래 토양에서 모래 분율의 상대 오차가 2.5%이면 점토 분율에 25%의 상대 오차가 발생하여 점토 분율 추정에서 상당한 오차가 발생합니다.

입자 크기 분석을 위한 ISP+ 방법으로 정확도 문제를 해결하는 이유

이러한 문제점을 알고 있었기 때문에 편리하면서도 측정의 전반적인 실용성에 영향을 미치지 않는 ISP 방법론의 개선을 모색해야 한다는 동기가 생겼습니다. 그 결과 실험적인 ISP 프로토콜을 확장한 ISP+ 방법이 개발되었습니다.

ISP+ 방법에서는 일정 시간이 지나면 특정 깊이에 위치한 측면의 배출구를 통해 침전 실린더에서 현탁액의 일부가 배출됩니다. 이 현탁액을 비커에 모은 다음 오븐에서 건조시킵니다(그림 16 참조). 배수된 용액은 현탁액에 남아있는 모든 미세한 입자로 구성됩니다. 하위 샘플이 배수되는 위치와 용액이 배수되는 시점에 따라 현탁액에 남아있는 입자가 달라질 수 있습니다. 이는 압력 센서의 측정값과 결합되어 그림 13 그래프에 표시된 급격한 강하를 초래합니다.

예를 들어 2시간 후에 측정한 다음 6센티미터에 위치한 배출구에서 해당 용액을 배출하는 것입니다. 이 깊이에서 최대 입자 크기는 2.8마이크론이 될 것입니다. 그런 다음 이를 사용하여 남은 용액에 무엇이 남아 있는지 정량화하고 분석 창을 좁힐 수 있습니다. 결과적으로 ISP+ 방법은 양쪽에서 제약을 받습니다. 모래 범위는 외부 체 데이터에 의해 제약을 받고 점토 범위는 배수에 의해 제약을 받습니다. 이는 점토 분율에 대한 계산을 강화하여 ISP+ 방법을 더욱 강력하고 정확하며 신뢰할 수 있는 방법으로 만듭니다.

ISP+ 방식의 다른 장점

ISP+ 방법의 또 다른 주요 장점은 측정 시간이 8~12시간에서 단 2.5시간으로 단축된다는 점입니다. 또한 ISP+는 자동화로 인해 측정 시간이 크게 개선될 뿐만 아니라 측정의 전반적인 정확도도 크게 향상됩니다. 정확도는 +\- 3%(ISP, 피펫 및 비중계 방식)에서 +\- 0.5%의 정확도로 증가합니다.

METER에서 만든 PARIO (그림 18) 는 ISP+ 방법을 자동화하여 토양 질감을 측정하는 입자 크기 분석 장비의 한 예입니다.

토양 입자 크기 분석을 위한 광학 방법에는 어떤 것이 있나요?

오늘날 가장 일반적으로 사용되는 광학 방법은 X-선 감쇠, 회절 측정에 의한 레이저 광 산란, VisNIR 적외선 분광법입니다. VisNIR 분광법은 토양 입자 크기를 정확하게 정량화할 수 있는 유망한 방법으로, 특히 점토 분획과 같은 것을 살펴볼 수 있습니다. 하지만 가장 일반적으로 사용되는 방법이기 때문에 여기서는 주로 레이저 광 산란에 초점을 맞추겠습니다.

레이저 회절법은 특정 크기의 입자가 특정 각도로 빛을 회절한다는 원리를 기반으로 합니다. 입자 크기가 작아질수록 빛의 회절 각도가 커집니다. 즉, 점토와 같은 작은 입자는 모래나 미사 같은 큰 입자보다 더 큰 각도로 빛을 회절합니다.

그림 20의 회로도는 레이저 입자 크기 분석기의 설계를 보여줍니다. 장치에서 단색 광선의 평행 빔이 다른 모든 방법과 유사한 시료 현탁액을 통과하여 비춰집니다. 그런 다음 회절된 빛이 감광성 링 검출기에 집중됩니다. 검출기에서 측정된 강도는 입자 크기 분포를 추정하는 데 사용되는 각도의 함수입니다. 이는 MIE 이론(Gee 외 2002)을 기반으로 합니다.

레이저 회절 방법의 측정 범위는 0.04~2000미크론입니다. 레이저 빔의 폭이 10~25밀리미터에 불과하기 때문에 장치와 제한된 측정량에 따라 달라질 수 있습니다.

토양 입자 크기 분석을 위한 레이저 회절 방법의 장단점

단점: 다른 방법과 마찬가지로 레이저 회절에는 어려움이 있습니다.

1. 입자 모양과 방향에 대한 의존도가 높습니다: 몇몇 저자는 레이저 회절법이 피펫법에 비해 점토 입자의 양을 20~70% 과소평가한다고 주장했습니다. 이는 점토 입자의 방향 때문일 수 있습니다.
2. 많은 점토 입자는 평평합니다. 이러한 입자의 방향은 레이저 회절계에 실제 크기보다 크게 표시되어 측정에 영향을 받아 부정확한 결과를 초래할 수 있습니다.
3. 이러한 기기의 또 다른 문제는 가격이 비싸서 5만~6만 달러 이상에 달할 수 있다는 것입니다. 불확실성 및 보정 요소와 함께 높은 기기 비용으로 인해 이러한 방법은 그다지 매력적이지 않습니다.

장점: 레이저 회절계 또는 레이저 회절법의 장점은 주어진 시간에 더 많은 샘플을 실행할 수 있고 더 빠르게 측정값을 얻을 수 있다는 점입니다. 또한 측정을 완료하는 데 몇 시간이 걸리지 않습니다. 따라서 측정에 높은 처리량이 필요한 경우, 필요한 상대적 정확도에 따라 이 방법을 사용하는 것이 좋습니다.

어떤 토양 입자 크기 분석 방법을 선택해야 하나요?

상황에 따라 다릅니다. 연구 목표를 검토하고 측정의 용도를 정의한 다음 위 방법의 장단점을 비교해야 합니다. 토양 텍스처 분석과 입자 크기 분포 곡선의 정확도는 사용하는 방법과 도구에 따라 달라진다는 점을 명심하세요.

예를 들어 PARIO (ISP+ 방법) 은 다른 침전 기반 방법보다 정확도를 향상시키면서 노동력을 줄여 입자 크기 분석에 소요되는 시간과 노동력을 최소화하려는 사람들에게 좋은 방법입니다.

어떤 방법을 선택하든 샘플을 전처리하고 모래 조각을 체로 쳐야 한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 요컨대, 각 방법의 장단점을 이해하고 원하는 결과를 정의하면 어떤 방법이 가장 효과적인지 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

참조

데인, 제이콥 H. 및 클라크 G. 톱, 편집. 토양 분석 방법, 4부: 물리적 방법. Vol. 존 와일리 & 아들, 2020. 기사 링크.

더너, 볼프강, 사샤 C. 이덴, 게오르그 폰 우놀드. "중력 침강에 의한 정확한 입자 크기 분석을 위한 일체형 현탁 압력 방법(ISP)." 수자원 연구 53, 1 (2017): 33-48. 기사 링크.

Gee, G.W. and Or, D. (2002). 2.4 입자 크기 분석. 토양 분석 방법 (J.H. Dane 및 G. Clarke Topp 편집). 기사 링크.

맥키그, J.A., 및 피터 C. 스토브. "캐나다 토양 조사의 역사 1914-1975." (1978). 기사 링크.

시비츠키, 제임스 PM, 편집. 입자 크기 분석의 원리, 방법 및 응용. Vol. 388. Cambridge: 캠브리지 대학 출판부, 1991. 도서 링크.

용, 레이몬드 넨, 벤노 P. 워켄틴. 토양 거동 소개. No. 451 pp. 1966. 기사 링크.

일부. 정말 감사합니다!

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