KR0170017B1 - 방사성 폐이온교환수지의 전기투석식 재생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기투석 방법으로 방사성 폐 이온교환수지를 재생시켜 수지를 재사용할 수 있게 하여 최종 방출되는 폐기처분할 방사성폐기물양을 감소시키는 방법에 관한 것으로 방사성 폐이온교환수지를 두장의 양이온교환막 사이에 충전시키고 양극과음극 사이에 직류전류를 흐르게 하면 양극실에서 전기화학적으로 발생된 수소이온이 양극실로 부터 양이온교환막을 투과하여 충전된 폐수지층으로 전기투석된다. 폐이온교환수지 입자내 흡착되어 있는 방사성을질 및 미량의 양이온종은 공급되는 수소이온과 교체된 뒤 양이은교환막을 투과하여 음극실로 전기투석된다. 따라서 네온교환용량이 소모된 방사성 폐이온교환수지를재생약품의 첨가 없이 전기투석 방법으로 재생시키면 수지가 갖고 있는 이온교환능이 회복되므로 다시 사용할 수 있다.

Description

방사성 폐이온교환수지의 전기투석식 재생방법

제1도는 본 발명에 의한 방사성 폐이온교환수지의 전기투석식 재생을 보여 주는 파과곡선.

본 발명은 방사성 폐이온교환수지를 전기투석 방법으로 2차 폐백의 발생없이 재생시키므로써 폐기처분할 방사성 폐기물양을 감소시키는 방법에 관한 것이다.

원자력발전소에서 원자로를 순환하는 냉각수를 비롯하여 여러 가지 부속설비의 각종 계통수에서 이온성의 방사성 물질을 포함한 오염물을 제거하기 위해 이온교환수지가 많이 사용되고 있다. 일반 산업시설에서 사용하는 이온교환수지는 오염물의 흡착에 의해 이온교환용량이 소모되면 강산 또는 강알카리 용액으로 재생시켜 재사용하는데 반해, 원자력발전소를 비롯한 원자력시설에서 발생되는 방사성 폐이온교찬수지는 일반적으로 재생하지 않고 방사성폐기물로 분류하여 처분시설로 보낸다. 그 이유는 이온교환수지를 재사용하기 위해 방사성 폐이온교환수지를 강산이나 강알카리 용액을 사용하여 재생시킬 경우 방사성물질을 함유한 2차폐액이 발생되므로 오염확산의 우려와 2차폐액을 다시 처리해야 하는 부담이 생기기 때문에 바람직스럽지 못하다

현재까지 개발된 방사성 폐이온교환수지를 처분하기 위한 취급방법에는 여러가지가 있다. 폐이온교환수지 입자내 방사성물질을 고정화시키기 위하여 시멘트,아스팔트, 또는 여러 가지 고분자물질을 사용하여 폐수지를 고화시켜 처분한다. 고정화매질에 의한 고화처리는 방사성폐기물 발생량을 더욱 가중시키기 때문에 이리한 단점을 개선하기 위해 폐이온교환수지로부터 물을 제거한 뒤 고 건전성 용기에 폐수지를 담아 처분하는 방법이 개발되었다.

그러나 이 방법 역시 폐기처분할 폐수지양이 이온성 방사성물질의 양에 비해 매우 크므로, 처분장의 수납공간을 더욱 효율적으로 사용하기 위해서는 처분시켜야할 방사성 폐기물 양을 처분전에 가능한 한 가장 작게 만드는 기술이 요구된다.

또한 방사성 폐이온교환수지를 처리하여 방사성 폐기물양을 감용시키기 위해 이온교환수지 자체를 분해시키는 방법이 있으나. 이는 고분자물질인 이온교환수지를 산화시키는 것으로, 소각에 의한 처리와 습식산화 방법이 사용된다. 이와같은 폐수지 분해방법은 기술적으로 해결해야 할 많은 어려움을 수반한다. 특히 , 소각시에는 고온이 요구되고 방사성물질이 동반되는 고온 배기체의 처리등이 필요하며 많은 양의 탄화된 잔존물이 남는다. 습식산화 처리시에도 고농도의 강산용액을 사용하기 때문에 2차 폐기물로 방사성물질을 함유한 강산폐액과 기체가 발생되므로 이의 처리가 뒤따라야한다.

또한, 강산성 용액을 음극액으로 사용하여 방사성 폐이온 교환수지를 전기투석식으로 재생하는 일본 공개 특허 소 61-l16699호도 있으나, 이는 양이온교환수지재생시 음극액으로 황산을 사용하기 때문에 전기투석된 방사성 이온종을 함유한 황산 음극액은 재생에 따른 2차폐액으로 발생된다. 따라서 과거의 강산용액을 재생제로 사용하는 화학적 재생방법과 마찬가지로 재생에 의해 발생된 2차 폐백을 별도로 처리해야 하는 문제점이 있었다

위에서 기술한 여러 가지 처리방법은 폐이온교환수지 자체를 폐기물로 간주한 것이며 아무리 좋은 방법으로 처리한다고 하더라도 2차폐기물의 처리문제는 피할 수 없게 된다.

그리나 폐이온교환수지를 2차폐액의 발생없이 재생시킬 수만 있다면 위에 기술한 그 어느 방법보다도 폐기물 감용효과가 우수할 뿐만 아니라 원자력발전소에서 발생되는 방사성 폐수지양을 생각할 때 폐수지의 재활용 측면에서도 경제성을 크게향상시킬 수 있다.

본 발명은 방사성 폐이온교환수지를 2차 폐백의 발생없이 재생시키는 방법에관한 것으로, 과거의 강산용액 처리에 의한 화학적 폐수지 재생방법이나 강산성 용액을 음극액으로 사용하는 전기투석 재생방법(일본 공재특허 소 61-l16699호)이 갖고 있는 2차 폐액 발생문제를 해결하였다.

본 발명은 전기 투석조의 음극액으로 중성염 용액이나 알카리성 용액을 사용하여 전기투석방법으로 폐양이온 교환수지를 재생시키는 것으로, 수지를 재활용 할수 있게함과 동시에 재생에 따른 2차 폐액을 발생시키지 않게하여 최종 방출되는 방사성 폐기물양을 최소화시켜 준다.

이하 발명의 요지를 상세히 설명하면 다음과 같다.

양극과 음극 사이에 양이온만 선택적으로 통과시키는 특성을 갖는 막인 양이온교환막 두장을 설치하고, 이 두장의 양이온교환막 사이에 방사성 폐양이온교환수지를 충전시킨 다음 두 전극 사이에 직류전류를 흐르게 하면, 양극실에서 전기화학적으로 발생된 수소이온이 양극실로부터 양이온교환막을 투과하여 충전된 폐수지층으로 전기 투석 된다 .

이와같이 공급되는 수소이온에 의해 폐이온교환수지 입자내 흡착되어 있는 방사성 이온종 및 기타 양이온종은 수소이온과 이온교환된 뒤 두 전극사이에 형성된 전기장에 의해 양이온교환막을 투과하여 음극실로 전기투석된다. 여기서 본 발명에 의해 음극액으로 중성염 용액이나 알카리성 용액을 사용하면, 전기투석에 의해 양이온교환막을 투과하여 음극액으로 이동된 방사성 이온종 및 기타 양이온종을 침전제와 같은 별도의 화학약품의 첨가 없이 즉시 음극반응을 이용하여 여과기에 의해 제거하기 쉬운 침전물 입자 상태로 만들어 주어 추가로 처리할 2차 폐액을 발생시키지 않게하여 준다.

따라서 이온교환용량이 소모된 방사성 폐 이온교환수지는 2차 폐액을 발생시키지 않는 전기투석 방법으로 재생되어 수지의 이온교환능이 회복(제1도)되므로 다시 이온교환 처리에 사용할 수 있으며 여과기를 통과시켜 침전물입자를 제거한 음극액은 회수하여 폐수지의 전기 투석 재생시 음극액으로 반복하여 재사용 할 수 있어 방사성 폐기물 발생량이 크게 감축된다.

본 발명에 의한 폐수지 재생용 전해조의 양극실에 설치된 양극은 물의 전기분해반응에서 불순물 등에 의한 부반응에 불활성 특성을 갖는 백금이나 상용화되어있는 DSA 전극등과 같이 희귀금속 재료이고, 양극액은 양극반응에서 수소이온의 생성을 촉진시켜 줄 수 있도록 산성분위기를 만들어 준다.

음극실에 설치되는 음극의 재료는 음극 환원반응에서 일어나는 수소발생반응에 대한 과전압이 큰 재료인 납, 아연 또는 가공성 등을 고려할 경우 스테인레스강 등을 사용한다 또한, 음극액으로는 Na₂s04 중성염 용액이나 NaOH 알카리성 용액을 사용한다.

본 발명에서 방사성 폐 이온교환수지는 원자력발전소에서 원자로를 순환하는 냉각수를 비롯하여 여러 가지 부속설비의 각종 계통수에서 이온성의 방사성물질을 포함한 오염물을 제거하는데 사용된 양이온교환수지이며 , 특히 원자로의 일차계통내부표면, 사용후핵연료의 피복관 외부표면이나 사용후 핵연료 수송용기 내부표면의 제염후 나오는 제염폐액을 최종 정화처리시 발생되는 양이온교환수지로 폐수지내에는 주로 코발트-60 등과 같은 방사화된 방사성 이온종과 철이온종이 흡착되어있다

다음의 실시예는 본 발명을 수행하는 방식을 제시하기 위한 것이며 , 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

[실시예]

전해조내 양극에서 전기화학적으로 생성한 수소이온을 이용하여 코발트 또는 철이은 함유폐백을 정화처리한 폐이온 교환수지를 재생시키는 시험을 하였다. 전해조는 양이온종만이 선택적으로 투과되는 나피온(Nafion) 양이온교환막을 사용하여 3개의 실로 구분된 구조이다. 시험에 사용된 양이온교환수지는 수소이온형, IRN-77수지(nuclear grade)이다. 모의 폐액은 Co(II) 또는 Fe(III)이온의 농도가 26mM인 것을 사용하였다.

전해조 중앙부에 설치된 두장의 양이온교환막 사이에 양이온교환수지 입자를 채우고, 양측의 전극실은 비워둔 상태에서 모의 폐액을 수지층에 공급하여 이온교환시킨다. 이때 수지층을 통과해 나온 여백의 pH를 연속 측정하고, 시료를 채취하여 코발트 및 철이온 농도를 분석하였다. 여백의 pH변화에 의한 파과곡선으로부터 수지층이 포화되었음을 확인한 후 전해조의 양극실에는 강산용액을, 음극실에는 Na₂S0₄중성염 용액을 채워 순환시키면서 직류전류를 인가하여 전류밀도, 80mA/cm2에서 폐이온교환수지를 전기투석에 의해 재생시켰다. 재생시간을 180분으로 고정하여 재생시킨 뒤 , 다시 동일한 절차에 의해 모의폐액으로 수지층을 포화시키고 그 후 폐수지층을 전해 재생시키는 방법으로 4회에 걸쳐 반복시험하였다. 여기서 이온 교환막과 수지층은 교체하지 않고 동일한 것을 반복 사용하였다. 그리고 음극액은 여과기를 통과시켜 재순환시켰다.

모의 폐액의 이온교환에 의해 전해조내 두장의 양이온 교환막 사이에 충전된양이온교환 수지층의 이온교환용량이 소모되는 파과거동 및 전기투석식으로 재생됨을 보여주는 시험결과를 제 1 도에 나타내었다. 4회에 걸친 반복 시험결과는 이온교환에 의해 포화된 수지층을 재생용 전해조내에서 전기화학적으로 생성한 수소이온을 사용하여 재생시키면 수지가 갖고 있는 이온교환능을 회복할 수 있음을 보여준다. 또한 여과기를 통과한 음극액내 코발트 또는 철이온의 농도를 측정한 결과이들 이온종은 검출되지 않았다.

이 시험결과로부터 본 발명에 의한 두장의 양이온교환막에 의해 분리된 3개의 실구조로된 전해조와 음극액으로 중성염 용액이나 알카리성 용액을 사용하면 강산등 제 2 의 재생약품이나 침전제 약품을 사용하지 않고 폐수지를 전기 투석에 의해 재생시키고 수지재생에 의한 2차폐액의 발생이 없게 됨을 알 수 있다.

Claims (1)

1. 양극과 음극 사이에 양이온교환막 두장을 설치하여 두장의 양이온 교환막 사이에 방사성 폐양이온교환수지를 충전하고 두 전극 사이에 직류전류를 흐르게 하여 , 산성분위기의 양극실에서 전기화학적으로 발생시킨 수소이온을 양극실로부터 양이온교환막을 투과하여 충전된 폐수지층으로 전기투석시켜 , 폐양이온교환수지 입자내 흡착되어 있는 방사성 이온종 및 기타 양이온종을 수소이온과 이온교환시켜 폐수지를 재생시키는 방법에 있어서, 전기투석조의 음극액으로 Na₂S0₄중성염 용액 또는 NaOH 알카리성 용액을 사용하고 별도의 침전제 약품 첨가없이 이 음극액 분위기 하에서 음극반응에 의해 생성시킨 수산이온을 이용하여 양이온교환막을 투과하여 음극액으로 이동된 방사성이온종 및 기타 양이온종을 침전물 입자 상태로 만드는 단계와, 이를 여과기로 제거하여 이온교환용량이 소모된 방사성 폐양이온교환수지를 재생약품이나 침전제 약품의 첨가 없이 전기투석식으로 재생시킴과 동시에 , 전기투석조내에서 방사성 음극액을 직접 처리하는 단계를 결합함으로서 폐수지 재생에 의한 2차 폐액을 발생시키지 않게 하는 것을 특징으로 하는 방사성 폐이온 교환수지의 전기 투석식 재생방법.