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1. 서론
방사성폐기물을 지하에 처분한 후 시간이 경과함에 따라 지하수가 처분시스템에 침투하게 되고, 어느 시점에 이르러 서는 처분용기를 부식시키고 방사성핵종들을 용해시켜 지하 수와 함께 서서히 생태계로 이동해 갈 것이다. 이 과정은 오 랜 시간이 걸릴 것으로 예상되기 때문에, 대부분 핵종들은 방 사능이 소멸하거나 지하매질과 상호반응을 통해 암석과 토 양에 수착되어 생태계로 이동이 저지될 것이다. 지하수에 용 해된 방사성 핵종들의 이동은 주어진 조건에 따라 다양한 고 체 매질과의 반응에 영향을 받게 된다. 이 중 심부 처분환경 에서 장기적인 변이과정으로 생기는 일부 부식생성물들이 관심을 끈다. 부식생성물 중, 처분환경에서 풍부할 뿐 아니 라 처분용기에서 유출될 수 있는 철, 구리 및 황과 관련한 광 물들이 방사성핵종들과 반응성이 좋은 것으로 알려지고 있 다[1]. 이런 현상을 처분안전성 향상이란 목표를 위해 연구하 기 위해선, 지상조건과는 다른 심부처분환경에 따른 핵종들 의 특성과 관심 광물들과 상호반응 및 관심 광물들의 장기 안 정성에 대한 이해가 충분히 이루어져야 한다.
심부 지하환경에서 처분용기의 주요 재료인 철이나 구 리는 지하수의 산화환원조건 변화, 미생물과의 반응, 방사선 의 영향 등으로 부식될 수 있다. 철이나 구리가 부식 될 경우, 부식생성물로 휘동석(Chalcocite, Cu2S), 황동석(Chalcopyrite, CuFeS2), 맥키나와이트(Mackinawite, FeS), 황철석(Pyrite, FeS2) 등이 형성될 수 있다[2]. 이 중 심부 처분환경 조 건에서 용존 황산염(SO42‐)에 의해 황화이온(S2‐)이 존재할 수 있는데, 이 경우 방사성폐기물 처분용기의 주 소재인 주철 의 표면에 맥키나와이트(mackinawite, FeS)가 이차황화물로 생성될 수 있다.
맥키나와이트는 다양한 2가 양이온들을 잘 수착한다고 알려져 있다. 맥키나와이트 광물의 구조나 표면특성도 상당 히 연구가 진행된 편이다. 최근에 주로 음이온으로 지하수중 에 용해되어 이동하기 때문에 지하매질에 수착이 거의 되지 않는 요오드에 대해 맥키나와이트가 뛰어난 수착능을 보인 다는 연구결과가 나왔다[3]. 이전 연구결과들에서 결합형태 를 살펴보면 수착양태를 결정짓는 주요 인자로는, 광물용해 도, pH, 용질 이온반경, 광물내 철이온과 상대적인 금속배 위 등이다[4].
일반 토양이나 암석에 대한 방사성핵종들의 수착에 대 해서는 방사성폐기물 처분연구가 시작되면서부터 많은 연 구성과가 축적되어 있으나, 용기부식반응의 결과로 생기는 광물들에 대한 핵종 수착 연구는 중요성이 인식된 지 얼마 되지 않아서 아직까지 국내외적으로 자료가 많지 않다. 특 히, 스트론튬에 대해서는 점토광물이나 암석에 대한 수착자 료는 많지만 맥키나와이트와 반응 연구는 보고된 바가 거의 없다. 이는 산성이나 중성영역에서 스트론튬의 수착능이 저 조하기 때문으로 짐작되는데, 알카리 영역에서는 스트론튬 의 수착능이 증가함을 이번 실험을 통해 보여주고자 한다. 방사성 스트론튬은 90Sr이 주를 이루며 반감기가 약 29년으 로 길지 않은 편이며 베타붕괴하여 Y-90으로 변환된다. 일부 85Sr 동위원소가 있으나 반감기가 65일로 짧아 무시할 수 있 는 수준이다. 방사성 니켈은 대부분 59Ni형태로 존재하는데, 반감기가 76,000년으로 상대적으로 길고, 주로 전자포획으 로 59Co 로 변환된다. 일부는 베타 붕괴한다. 니켈은 일반적 으로 점토광물에 대한 수착반응이 스트론튬보다 더 강한 것 으로 알려져 있다. 본 연구에서는 철용기가 심부지하 환경에 서 부식할 때 생성되는 광물인 맥키나와이트(mackinawite, FeS)를 실험대상으로 선정하여, 스트론튬과 니켈과의 수착 반응을 고찰하고자 한다. 특히, 심부처분환경에서는 지하수 가 약 알칼리성을 띄고, 인공방벽근처에서는 시멘트의 영향 으로 강 알칼리성을 나타내므로, 실험을 pH 8 ~ 12 수준에서 pH에 따른 수착 양상을 살펴보고자 한다
2. 수착실험
수착 대상핵종으로 시약급의 SrCl2와 NiCl2 (Sigma-Aldrich) 을 증류수에 용해시켜 수착실험대상 핵종으로 선정한 Sr과 Ni 이온의 수용액을 제조하였다. 시약조제를 위하여 산 소를 제거한 3차 증류수를 사용하였다. 수착대상 광물은 시 약급 맥키나와이트(mackinawite, FeS, Sigma-Aldrich)를 사 용하였다. 수착 실험은 대상광물 1 g에 실험용액 50 ml를 회분식 밀페용기에 넣고, 환원조건을 만들어 유지하기 위해 차아황산나트륨 (sodium hydrosulfite, Na2S2O4)을 0.01 M 첨가하였다. 스트론튬과 니켈의 초기농도는 1~100 μM 이 다. 알카리 환경에서 pH영향을 살피기 위해 용액의 pH 를 8.4, 10.3, 11.4, 12.4 네 영역으로 나누어 수착시켰다. pH 는 NaOH로 조절하였다. 수착 실험은 25℃ 항온항습실에서 수행하였다. 수착반응 중 pH변화를 파악하기 위해 시료채취 시 pH를 측정해 실험 전과 비교하였다. 2주간 수착실험을 수 행하였다. 수착 실험 후 시료를 채취한 다음, 반응용기에서 수용액을 제거한 후, 순차적 화학추출을 하였다. 먼저, 수착 실험용액이 제거된 광물에 0.1 M CaCl2 50 ml를 넣고 25℃에 서 일주일간 반응시켰다. 그후 시료를 채취하고, 용액을 다 제거한 다음, 다시 0.1 M KCl 50 ml를 넣고 일주일간 반응 시켰다. 채취한 시료용액을 8600 rpm으로 20분간 원심분리 후, 0.2 μm 필터로 여과시켜 침전물을 제거하였다. 농도 분 석은 ICP-MS (Agilent 7500CX)를 사용하였다.
3. 실험결과 및 논의
3.1 수착실험 결과 및 pH의존성
수착 실험 결과를 각 핵종별 pH별로 분류해 평형분배계 수(Kd) 값으로 나타내었다. 그런데, 암석이나 토양 같은 지 하매질들은 물과 접촉하면, 느리지만 지속적으로 풍화반응 이 일어나 매질의 물성이 조금씩 변해가기 때문에 엄밀한 의 미에서 평형상태를 정의하기 어렵다. 그래서, 실제실험에서 는 초기 반응이 거의 다 일어나고 미미한 수준에 반응만 있 는 상태를 가평형상태(quasi-equilibrium)로 정의하여 사용 한다. 지하매질에 핵종이 수착하는 경우, 대부분 수시간 내 에 핵종들이 광물 표면에 수착하는 반응이 일어나고 그 후에 는 느리게 광물 내부로 확산해 들어가서 내부공극표면에 수 착하는 양태를 보인다. 이 두번째 단계에서는 확산이 속도 결정 단계가 된다. 시간이 오래 경과하면 풍화반응도 일어나 광물 물성도 바뀌어 수착량도 바뀌나 몇 주에 해당하는 기간 동안에는 그 변화가 미미하다. 수착량은 첫번째 단계가 대부 분을 차지한다. 그래서, 대부분 수착실험은 첫번째 광물 표 면에서 반응이 종료된 이후 시점을 택해 시료 채취를 한다. 이 실험에서는 2 주 동안 반응시켜 광물 공극 내부에서도 대 부분 반응이 일어난 후 시점을 택했다.
평형분배계수는 다음 식으로 정의할 수 있다
분배계수 측정 및 계산 결과를 정리해 Table 1에 실었다.
실험한 모든 알칼리 영역에서 두 핵종 중 니켈의 수착 능이 월등하게 높았다. Wilkins 등[5]이 합성 맥키나와이트 로 pH 8.1~8.4 범위에서 니켈농도에 따른 수착량을 랑뮈에 등온선(Langmuir isotherm)으로 나타내었는데, 이를 저농도 선형수착관계가 성립하는 영역에서 분배계수로 환산하면 약 1020 [ml/g]수준의 값을 가져 본 실험결과와 유사한 결과를 얻었다. Morse등[4]도 비슷한 결과를 얻었다. 실험으로 측정 한 분배계수값은 용액 상에 잔존하는 니켈의 농도로 결정하 는 방식이므로, 실제 니켈과 광물 간 반응만이 아니라 니켈 과 수용액에 용존해 있는 성분과 결합해 침전을 형성할 가능 성도 검토가 필요하다. 이를 위해 Wilkins 등[5]이 지화학모 델을 사용해 계산해 본 결과, Ni(OH)2 등 새로운 화합물 형 성은 무시할 수준이라는 결과를 얻었다. 처분안전성 평가 측 면에서는 지하수에 용해되어 있는 핵종이 얼마만큼 제거되 는 지가 관심이므로, 핵종침전도 분배계수 계산에 포함된다. 스트론튬은 일반적인 지하수 알칼리 영역인 pH 8수준에서 수착능이 낮아 맥키나와이트 광물로 이동저지가 많이 되지 않음을 알 수 있다. 그러나, pH가 12이상이 되면 Kd값이 급 격히 증가하는 양상을 보여, 낮은 알칼리 영역과는 다른 요인 이 작용했음을 유추할 수 있다.
두 핵종 모두 알카리 환경에서 pH가 증가하면 분배계수 가 증가, 즉 수착량이 증가 하였다. Elprince[6, 7] 등에 따르 면 이온교환이 주된 수착기구일 때 분배계수는 pH와 다음과 같은 선형관계를 가진다.
여기서, ao, bo 는 용액 및 용질과 관계된 열역학적 매개 변수들로서 참고문헌[6, 7]에 잘 설명되어 있으므로 여기서는 자세히 다루지 않는다.
실험결과를 위의 선형관계식으로 표현해 보면, Fig. 1과 같은 결과를 얻는다.
그림에서 pH 8.4~11.3구간에서는 선형관계를 대체로 잘 만족하나, pH12.4에서는 분배계수 값이 급속히 치솟아 선형관계식에 많은 오차를 발생시키는 요인이 되었다. 즉, 이 구간에서는 수착기구에 변화가 있음을 예단할 수 있다.
이는 일차적으로 pH에 따른 맥키나와이트 광물표면에 작용기 변화와 관계된다. 이를 도식적으로 살펴보기 위해 Dulee[8]와 Kwon[9]등이 제안한 맥키나와이트 광물구조와 광물표면 작용기를 Fig. 2에 나타내었다. Wolthers 등[10]이 측정한 바에 따르면, 맥키나와이트의 영전하점(PZC, point of zero charge)은 pH7.5수준이다. 만약 용액상의 pH가 변 하면, 광물표면에 수산화철(=FeOH) 과 황화물(=SH) 작용기 가 H+나 OH‐ 이온과 작용해 광물표면에 전하가 바뀌게 된 다. 즉, pH가 증가하면, 용액상에 OH‐이온이 증가하고, 이 OH‐이온이 광물표면에서 탈양성자반응을 일으켜 양이온을 떼어내어 광물표면이 음전하를 띄게 된다. Fig. 2(b)에 오른 쪽 그림은 이 현상을 도시한 것이다. 그러면 이 자리에 Sr2+, Ni2+ 같은 양이온이 쉽게 수착할 수 있다.
알카리영역에서 음전하를 띈 광물표면에 니켈이 수착하 는 형태를 다음과 같은 화학식으로 나타낼 수 있다.
여기서, = 표시는 광물구조체를 나타낸다. 또한, Fig. 2(a) 에 나타낸 바와 같이 맥키나와이트는 점토와 유사하게 사면 체 구조체가 연결된 판상형태가 일반적인데, 사면체 광물표 면에 결합해 있는 수소나 양이온을 니켈이 치환해 수착하는 형태도 가능한데, 이는 다음 식으로 표시할 수 있다.
이 때 광물표면에 있던 양이온이 떨어져 나가는데, 이 양 이온 중 수소이온이 큰 비중을 차지하므로 용액 상 pH가 감 소하는 효과를 보인다.
반대로, pH가 감소하면, 용액상에 H+이온이의 농도가 증가하고, 이 H+이온이 광물표면에 음전하자리에 달라붙는 양성자반응을 일으켜 광물표면에의 음전하가 사라져, 양이 온 핵종들의 수착이 힘들어진다. Fig. 2(b)에 왼쪽 그림은 이 현상을 도시한 것이다.
수착실험 전후 pH를 측정해 변화를 살펴본 결과, pH 8.4 영역에서 평균적으로 pH8.3정도로 떨어졌으나, 더 강 한 알카리 영역에서는 뚜렸한 pH변화가 없었다. pH가 변 하는 또 다른 요인은, 물에 광물이 용해되어 주요성분인 철 (Fe)이온이 용액상 OH‐ 이온과 결합해 Fe(OH)x 결합을 이 루어 침전하면, OH‐ 이온과 pH가 감소한다. 하지만 맥키 나와이트의 용해도 상수(solubility product constant), Ksp = 1.6 × 10-19 [8]로 크지 않아 용액에 용해되는 광물량은 무 시할 수준으로 판단된다. 실험에서는 pH감소가 작은 이유 는 높은 pH에서 용액 상 OH‐가 상대적으로 과량인 때문으 로 판단된다.
한편, 수착은 광물표면에서 일어나는 표면반응뿐만 아니 라, 광물내부 격자상에서도 일어난다. 이를 개념적으로 살펴 보기 위해, Fig. 2(a)에 맥키나와이트의 결정구조를 도식하 였다. 맥키나와이트는 통상적으로 점토처럼 연속된 사면체 구조를 이루고 있는데, Fe-Fe 간 결합, Fe-S 간 공유 (covalent) 결합, S-S 간에는 정전기적 반데발스(Van der Waals)결 합을 하고 있다[9]. 그런데, 이 광물이 물과 접촉하면, 광물표 면에 몇 가지 주요한 반응기가 형성되는데, Fig. 2(b)에 보였 듯이, =FeOH, =SH 가 대표적이고 pH10 이하에서는 FeSH+ 가 지배적이다. Sub 는 철을 치환해 들어간 금속을 나타내 며, 이 실험에서는 Ni가 치환해 들어갈 수 있다. 그림에서 Int 는 격자 간격 내부로 침투해 들어온 핵종을 의미하며, 격자 간격은 약 0.5 nm 이다.
Wilkins 등[5]에 따르면 니켈은 수착반응 초기에는 맥키 나와이트 표면에 =SH 작용기와 주로 반응해 수착이 일어나 고, 시간이 경과하면 광물 결정 구조 판 사이 틈으로 확산해 들어가고, 광물구조체내 철이온과 치환해 들어가는 비가역 적 반응이 일어난다. 이런 수착유형을 분별해내기 위해서는 광물표면에 대한 기기분석이나 순차적 화학추출 등 추가 작 업이 필요하다.
3.2 순차적 화학추출 실험결과 및 수착양태
니켈과 스트론튬이 수착해 있는 광물을 CaCl2 와 KCl로 순 차적으로 추출해 나온 두 핵종의 농도를 전체 수착량에 백분 률(%)로 환산해 Table 2에 실었고, 이를 다시 가시적으로 이 해하기 쉽게 Fig. 3에 나타내었다. 표와 그림에서 remain으로 표시된 것은 두 시약으로 탈착시켜도 계속 광물에 결합되어 잔존해 있는 핵종 양을 표시한 것으로 비가역적 수착 정도 를 나타낸다.
먼저 스트론튬이 탈착해 나온 특성을 살펴보면, CaCl2 로 추출한 경우 수착되었던 양 중에서 50% 이상이 치환되 어 빠져 나왔다. Ca2+는 Sr2+과 같은 알카리토금속류로서 화 학적 물성이 비슷하다. 더불어 가역적 이온교환이 주된 수착 기구로 알려진 핵종이다[6, 7]. 또한, 표면복합반응(surface complexation model)측면에서 살펴보면 광물표면에서 전 기이중층을 형성할 때 주로 둘 다 외부구층에 전기적 인력으 로 결합하는 것으로 알려져 있다[11, 12]. 또한, 수착 안정성 은 가수분해상수 크기에 비례하는데[11, 12], 칼슘이 스트론 튬보다 커서 쉽게 수착된 스트론튬을 탈착시킨다. 이로 미루 어 스트론튬은 약한 전기적 인력에 의한 가역적 이온교환이 주된 수착반응이였음을 알 수 있다.
다음으로, pH별 탈착 실험에서, KCl로 추출해서 탈착된 스트론튬의 양은 pH11수준까지는 미미하였다. K+이온도 일반적으로 이온교환 반응을 주로 일으키고 외부구 복합체 를 형성하는 특성이 있기 때문에[11], 이온교환형태로 수착 된 대부분의 스트론튬은 Ca2+로 대부분 탈착되어, K+로 더 이 상 탈착시킬 것이 거의 없다고 해석할 수 있다. 다만, pH12.4 영역에서는 다른 결과를 보여주었다. 전반적으로 pH가 증가 할수록 스트론튬이 비가역적으로 수착한 량과 비율이 조금 씩 증가했으나, 가장 pH가 높은 pH12.4영역에서 KCl로 추 출한 스트론튬의 비율이 크게 증가했고 Table1에서 보듯 수 착능도 급격히 커진 흥미로운 결과가 나타났다. 여러 연구 자들이 스트론튬이 pH 변화에 따라 광물에 대한 수착메카 니즘이 달라지는 현상을 보고하였고[13-17], 이 현상을 구조 적으로 파악하기 위해 Fuller[13], Wallace[14], Collins[15]등 이 스트론튬 수착 실험 후 광물표면을 EXAFS로 관찰하였 다. 그 결과, 스트론튬은 pH12이하에서는 잘 알려진 대로 외 부구표면복합체를 형성하지만 pH12이상에서는 광물표면이 강한 음전하를 형성하는데 힘입어 결합력이 강한 내부 구표 면복합체를 형성하는 것을 관찰하였다. 그러므로, 이 영역에 서 스트론튬의 수착량이 급증하게 된다. 또, 한가지 더 고려 해 볼 수 있는 것은, 광물표면의 강한 음전하로 스트론튬이 표면 가까이 접근하면서 가능하게 되는 K+의 광물사면체 층 간 공극내로의 침투력이다. 일반적으로 K+이온은 Ca2+보다 결합력이 강할 뿐만 아니라, 광물내부로 침투력도 커서, Ca2+ 보다 비가역성이 큰 핵종이다[18]. 이는 pH가 한 단위 증가하 면 OH‐ 농도가 10배로 증가하고, 광물표면에서 음성을 띄는 자리도 급격히 늘어나, 광물표면에 양이온이 수착할 수 있는 자리가 많아졌고, 일부는 광물격자 층간으로도 들어가 수착 한 것으로 판단되고, Ca2+로 추출하면 주로 광물표면에 수착 해 있던 스트론튬이 탈착해 나오지만, K+로 추출하면 광물격 자간에 들어간 있던 스트론튬이 칼륨으로 치환되어서 나오 기 때문으로 여겨진다.
한편, 니켈의 경우에는 이온교환이 주된 결합반응으로 알려진, Ca2+, K+과는 치환반응이 Table 2에서 1%미만의 극 소량인 것으로 미루어, 가역적 이온교환 반응은 극히 적음을 알 수 있다. Fig. 3(b)는 Table 2에 나타낸 니켈의 탈착 결과 를 그림으로 도시한 것인데, 좌변 탈착비율을 스트론튬의 경 우인 Fig. 3(a)의 선형관계와는 다르게 log 척도로 나타내었 다. 표면복합반응이론에서 니켈은 광물표면과 강한 공유결 합을 형성하면서 내부구표면복합체를 형성하는 것으로 알려 져 있는데 여기서도 같은 경향임을 알 수 있다. 또, pH12.4에 서만 K+로 추출하면 치환되어 나오는 량이 조금 증가하는 것 으로 미루어, 이 pH영역에서 스트론튬과 같은 양상으로 광 물격자내부로 니켈이 침투해 들어가는 량이 조금 증가하지 만, 전체 수착량에 비하면, 그 비율은 적음을 알 수 있다. 즉, 니켈은 이온교환과는 다른 강한 비가역적 결합이 주된 수착 반응임을 나타내었다. 비가역적 수착에는 세가지 정도의 유 형을 고려해 볼 수 있다. 광물표면과 강한 공유결합, 광물격 자 층간으로 침투, 광물구조체를 형성하는 Fe이온을 Ni이온 이 치환하는 고정화 반응 등이다.
그러나, 화학추출 실험을 수착 가역성 평가로만 진행해, 더 이상 정량적으로 비가역성 수착 유형을 분별해 내지 못하 였다. 하지만, 비가역적 수착 유형 세번째로 언급한 광물구 조체로 치환반응 가능성을 이론적으로 살펴보면 다음과 같 다. 철과 니켈은 주기율표에서 같은 VIIIA족으로서 화학적 성질이나 이온반경이 비슷하다. 그래서, 수용액상의 니켈이 맥키나와이트 내부로 침투해 철과 결정구조내에 결합하고 있는 철원자와 치환반응을 일으킬 수 있다. 맥키나와이트에 서 Fe-S 간 결합거리가 2.26Å, 배윗수가 4이고, 황니켈 광물 인 폴리디마이트(polydymite, Ni3S4)같은 경우 Ni-S간 결합거 리가 2.38Å, 배윗수가 4로, 서로 비슷해, 니켈이 광물내 철 원자와 치환되는 반응이 어렵지 않게 일어날 수 있다[10]. 이 를 화학식으로 다음과 같이 표시할 수 있다.
윗 식은 사면체 구조를 가지는 맥키나와이트 구조내에 일부 니켈이온이 치환해 들어간 경우를 나타내는 식이지만, 일부는 니켈이 철을 완전히 치환해 밀러라이트(NiS) 같은 새 로운 광물을 형성할 수도 있다. 이러한 반응은 아래와 같은 화학식으로 나타낼 수 있다.
위 반응이 일어난 정도를 평가하기 위해서는, 추가로 용 액 속에 철이온 농도 증가와 침전으로 형성된 NiS를 정량분 석하는 작업이 필요한데, 이를 위해서는 긴 반응시간과 더 많 은 반응물들이 필요하다. 즉, 여기서 수행한 2주간 회분식 실 험 기간으로는 충분하지 않고[5], 또한, 이 실험에서는 맥키나 와이트와 반응하는 지하수 중에 니켈의 제거 수준을 분배계 수로 평가하는 작업에 초점을 맞추었기 때문에 이런 추가작 업을 수행하기 않았다.
맥키나와이트에 대한 스트륨튬과 니켈의 수착 실험 결과 를 종합적으로 살펴보면, 니켈은 맥키나와이트와 같은 용기 부식생성물과 반응성이 아주 우수하고, 수착의 비가역성도 좋아, 심부처분환경에서 용기가 부식될 경우 부식생성물과 반응으로 니켈의 이동성이 크게 저감될 수 있음을 시사한다. 한편, 스트론튬은 맥키나와이트에 대해 수착반응이 미약 할 뿐 아니라 가역성도 강해, 핵종이동저지에 큰 역할은 기대하 기 어렵다. 그러나, pH12이상 강알카리 영역에서는 수착메 카니즘이 바뀌면서 수착량이 크게 증가해 이동저지능도 양 호해졌다. 또, 화강암같은 일반 암석에서는 스트론튬의 Kd 값 이 10 -100 수준으로 비교적 양호한 수착능을 가지므로 원계 영역에서는 천연방벽에 의한 양이온 핵종들의 이동지연효과 를 기대할 수 있다.
4. 결론
처분시스템에서 용기 부식반응으로 생기는 광물들 중에 맥키나와이트를 선정하여 스트론튬과 니켈과의 수착실험을 하였다. 심부 지하는 환원 알카리 환경이기 때문에, pH 8 ~ 12.4까지 조건에서 pH에 따른 수착 영향을 살펴본 결과, 니 켈은 맥키나와이트에 뛰어난 수착 성능과 강한 비가역성을 보였다. 니켈은 표면복합반응이론상 내부구면에 주로 결합 하기 때문에 강한 공유결합으로 탈착이 잘 일어나지 않았다. 또, 니켈은 맥키나와이트 구성성분인 철과 화학주기율표상 같은 VIIIA족으로 화학물성이나 황과 결합구조가 유사해 철 과 치환반응도 일어난 것으로 파악된다. 한편, 스트론튬은 수착이 적게 일어나고 맥키나와이트로는 이동저지가 미약했 다. 스트론튬은 전기적 인력으로 이온교환을 주로 하는 핵종 으로 표면복합반응이론상 외부구면에 주로 결합하기 때문에 가역성이 높았다. 또, 두 핵종 모두 강 알카리 조건이 될수록 수착능이 증가하였다. 이는 pH가 증가하면 수용액 속에 수 산화이온(OH‐)이 증가하고, 수산화이온이 광물표면에 수소 와 같은 양이온들과 결합해 광물표면에서 이들을 탈착시키 기 때문에, 광물표면에 음전하가 증가하여 이 자리에 양이온 인 니켈과 스트론튬이 잘 수착하기 때문으로 판단된다. 또, 스트론튬은 pH12이상에서 내부구 표면 복합체를 형성하는 수착 메카니즘 변화를 일으켜 수착능이 급격히 증가하였다. 종합적으로 심부 방사성폐기물 처분환경에서 처분용기 부식 으로 생성될 수 있는 맥키나와이트 광물은 스트론튬이나 니 켈같은 핵종을 포획하여 이동을 저지시킬 수 있으며, pH가 증가할수록 수착능과 이동저지능이 증가하였다.
