붕소 (Boron (B)) 지화학의 개관

붕소는 2 형태의 안정 동위원소 (10B, 11B) 와 13 형태의 방사성 동위원소 (7B 부터 21B 까지. 안정적인 형태는 제외)을 가지고 있습니다. 안정한 형태의 붕소는 단지 자연에서만 발생하며, 10B 은 20% 정도이며 11B 는 약 80%로 이루어져 있습니다.

boron isotopes

이들 두 붕소 동위원소는 지화학적 연구 (왼쪽)에 주로 사용되며, 이외에 나머지 13개의 방사성 동위원소 (오른쪽)가 있습니다.

서로 다른 지구 시스템 물질과 환경적 조건에 의해 붕소 동위원소 비율의 범위가 특정 지워집니다. 따라서 이런 측정 값이 지화학적 지문, 기원 추적, 오염 예측, 전지구 탄소 사이클 및 해양 순환 연구에 광범위하게 사용됩니다.

시료 종류는 다음과 같습니다.: 조개껍질, 산호, 탄산염, 물
붕소 분석을 위한 시료 종류 및 선택 방법 추가 정보

고지 사항: 이 비디오는 제 3자의 사이트에서 방영되며, 광고를 포함하고 있을 수 있습니다.
이 비디오의 발췌 부분은 Beta 연구소 웨비나의 일부입니다: 붕소 동위원소 분석

고기후학 및 고해양학

바닷물에 용해된 붕소는 기본적으로 2가지의 단핵 형태로 존재합니다. 붕산 (boric acid) (H3BO3 or B(OH)3) 와 붕산염 (Borate) (BO3-3 or B(OH)4−). 붕산은 더 무거운 동위원소 (11B) 가 27.2% 정도까지 많은 것처럼 이들 2 종류 사이에는 명확한 동위원소 분별 작용을 가지고 있습니다. 이들의 상대적 부분은 아래 처럼 pH에 따라 달라집니다 :

B(OH)3 + H2O ↔ B(OH)4− + H+

고 pH ↔ 저 pH

붕소는 붕산염 형태로 바이오제틱 및 무기 탄산염에 포함되어 있습니다. 하지만, 바이오제닉 탄산염 (즉, 조개껍질)에 결합되어 있는 붕소의 특정 종류와 농도는 전적으로 pH에 달려있습니다. 따라서 해양 바이오제닉 탄산염의 붕소 동위원소 조성은 바닷물 pH에 영향을 받습니다.

Boron and pH in sediments 지난 15만년 동안 북 대서양의 퇴적물 코어에 있단 해양 탄산염의 δ11B 와 pH 의 연관성 (Chalk et al., 2019).
해양의 낮은 pH 수준에서 붕소는 B(OH)3 의 형태로 조개 껍질에 합해지며, 반면 B(OH)4− 은 고 pH 기간 동안 선택되는 형태입니다. 전형적으로 해수 pH가 0.1단위 증가하면 해양 바이오제닉 탄산염의 δ11B ~1‰ 증가하는 결과를 가져옵니다. 왜냐하면 이산화탄소 (CO2) 가스가 더 많이 흡수되는 것 처럼 해수 pH 값이 줄어들기 때문에, δ11B 은 과거 대기 중 CO2 농도 (pCO2) 및 해양 탄산염 정도의 추정 값을 한정하는데 쓸 수 있는 대리 값입니다. 이런 정보들은 전 지구 탄소 사이클에서 역사적 기후 조건들과 변화들에 대한 이해를 많이 도와줍니다. 붕소와 해양 pH 간의 이런 관계는 해양 순환 단계에서 분석될 수도 있으며, 지난 퇴빙기 동안의 해양 탄소 방출의 증거로도 사용될 수도 있습니다. (Martínez-Botí et al. 2015).
chemical composition of boron

pH와 붕소의 2 다른 형태의 백분율과의 관계 (https://jpt.spe.org/comparison-methods-boron-removal-flowback-and-produced-waters)

브로그 포스트 추가 읽어보기:

안정 동위원소를 이용한 과거 기후 연구

조개 껍질, 산호, 다른 탄산염

지화학적 지문 및 오염 기원 추적

붕소는 산업계 (윤할유, 플럭스, 첨가제), 농업 (비료의 영양분), 가정용 (세제) 으로 광범위하게 사용되고 있습니다. 붕소는 물질의 강도를 강화 시켜주기 때문에 철 생산에 중요한 첨가제로 쓰이기도 합니다. 예를 들어, 붕소 철강은 천연 중성자 흡수 능력으로 핵 반응을 조절하고 시스템을 보호하기 위해 핵 산업에 광범위하게 사용되고 있습니다. 다른 산업계로는, 붕산나트륨 (sodium borate) (“Borax”)으로 알려진 붕소 화합물은 얼룩과 곰팡이 제거하는 세제 및 보존제로 화장품에 광범위하게 사용되고 있습니다.

Boron Release New

1972년 이래로 환경에 진입된 붕소의 대략적인 량 (Data from EPA-68-01-3201,1976).

물에서의 붕소 및 질소 동위원소 비율의 기원 흔적 (Briand et al., 2013).

수많은 제품에 붕소가 광범위한 사용됨으로 인해 환경에 일정량 지속적으로 유입되고 있습니다. 미국 환경 보호청 (US Environmental Protection Agency)의 자료에 의하면 (EPA, 1976), 1972년 한해동안, 35.5 킬로톤의 붕소가 환경에 유입되었으며, 이중 73%가 물에 직접적으로 들어 갔습니다. 이런 붕소의 유입은 커다란 문제를 일으킵니다. 비록 붕소 자체는 환경을 파괴하지 않지만 흙, 퇴적물, 물의 다른 물질들과 분리, 또는 화합을 통해 변하기 때문입니다. 이들 붕소는 식물 성장의 필수 영양분으로 음식 (야채 및 과일)에 들어가 있을 수 있습니다.

참고 문헌

Briand, C., Plagnes, V., Sebilo, M., Louvat, P., Chesnot, T., Schneider, M., Ribstein, P. and Marchet, P., (2013). Combination of nitrate (N, O) and boron isotopic ratios with microbiological indicators for the determination of nitrate sources in karstic groundwater. Environmental Chemistry, 10(5), pp.365-369. DOI: 10.1071/EN13036

Chalk, T.B., Foster, G.L. and Wilson, P.A., (2019). Dynamic storage of glacial CO2 in the Atlantic Ocean revealed by boron [CO32−] and pH records. Earth and Planetary Science Letters, 510, pp.1-11. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.12.022

EPA (Environmental Protection Agency), (1976). Chemical technology and economics in environmental perspectives. Task II- Removal of Boron from wastewater. Environmental Protection Agency, Office of Toxic Substances, Washington, D.C. 20460

Giri, S.J., Swart, P.K. and Pourmand, A., (2019). The influence of seawater calcium ions on coral calcification mechanisms: Constraints from boron and carbon isotopes and B/Ca ratios in Pocillopora damicornis. Earth and Planetary Science Letters, 519, pp.130-140. DOI: 10.1016/j.epsl.2019.05.008

Martínez-Botí, M.A., et al. (2015). Boron isotope evidence for oceanic carbon dioxide leakage during the last deglaciation. Nature, 518(7538), pp.219-222. DOI: 10.1038/nature14155