KR100351554B1 - Method for extraction and mutual separation of actinide elements and rare earth elements from radioactive liquid waste - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소와 희토류 원소를 추출 및상호 분리하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 트리부틸 포스페이트 또는 고분자량 알코올과 인산계 화합물의 금속 염을 포함하는 혼합 추출제를 사용하여 용매 추출법에 의해 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 및/또는 희토류 원소를 추출·분리하는 방법에 관한 것이며, 본 발명에 의한 혼합 추출제를 사용하면 질산 농도 0.1M 이상인 방사성 액체 폐기물에서도 악티늄족 원소와 희토류 원소를 고효율로 추출 및 상호분리할 수 있다.The present invention relates to a method for extracting and mutually separating actinium elements and rare earth elements from radioactive liquid waste, and specifically, using tributyl phosphate or a mixed extractant containing a metal salt of a high molecular weight alcohol and a phosphoric acid compound. The present invention relates to a method for extracting and isolating actinium elements and / or rare earth elements from radioactive liquid wastes by solvent extraction. When the mixed extractant of the present invention is used, actinium elements and rare earths are used even in radioactive liquid wastes having a concentration of 0.1 M or more. The elements can be extracted and separated with high efficiency.

Description

방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소와 희토류 원소를 분리하는 방법{Method for extraction and mutual separation of actinide elements and rare earth elements from radioactive liquid waste}Method for extraction and mutual separation of actinide elements and rare earth elements from radioactive liquid waste}

본 발명은 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소와 희토류 원소를 추출 및상호 분리하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 트리부틸 포스페이트 또는 고분자량 알코올과인산계 화합물의 금속 염을 포함하는 혼합 추출제를 사용하여 용매 추출법에 의해 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 및/또는 희토류 원소를 추출 및 상호 분리하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for extracting and mutually separating actinium elements and rare earth elements from radioactive liquid wastes. Specifically, a mixed extractant comprising tributyl phosphate or a metal salt of a high molecular weight alcohol and a phosphate compound is used. A method for extracting and mutually separating actinium elements and / or rare earth elements from radioactive liquid waste by solvent extraction.

후행 핵연료 주기에서 발생되는 방사성 액체 폐기물에는 여러 종류의 핵종들이 함유되어 있으며, 이들 중에는 산업적으로 유용한 원소들도 다량 포함되어 있다. 예를 들어, 아메리슘 (Am)은 의료 분야에서 뼈의 무기 성분을 분석하기 위한 용도로, 토양학 분야에서는 흙의 수분 또는 밀도 측정에 사용되고 있으며, 광물의 온라인 분석, 콘크리트의 시멘트 성분 분석, 검출기 교정용 방사선 계측기 및 가스 밀도 측정용 가스 검출기 등 여러 분야에서 사용되고 있다 (W. W. Schulz',The Chemistry of Americium, TID-26971, pp 29-32 (1976)). 또한 란탄족 원소들은 탈황, 탈산소 작용을 하기 때문에 합금의 물리적 성질을 개선하기 위해 사용되거나 직접 합금의 재료로 사용되고 있고, 요업 분야에서는 탈색 및 착색 또는 도자기 및 반도체의 특성을 개선시킬 목적으로 사용되거나 직접 형광 재료로서 또는 도자기 콘덴서의 구성 성분으로서 사용되고 있으며, 그 외에도 자석, 촉매 또는 가스 센서의 재료로서 쓰일 뿐만 아니라 원자력 산업 분야에서도 유용하게 쓰이고 있다 (하영구, 하윤경, "란탄족 원소들의 화학" 제9장 '란탄족 원소들의 활용과 용도', pp 481∼617, 푸른길, 1999).Radioactive liquid waste from subsequent fuel cycles contains many species of nuclear species, many of which are industrially useful elements. For example, Americium (Am) is used for the analysis of inorganic compounds in bones in the medical field, and for soil moisture or density measurement in the soil field, and for the online analysis of minerals, the analysis of cement components in concrete, and the calibration of detectors. It is used in various fields such as radiometers and gas detectors for gas density measurement (WW Schulz ', The Chemistry of Americium , TID-26971, pp 29-32 (1976)). In addition, lanthanide elements are used to improve the physical properties of alloys because of desulfurization and deoxygenation, or as direct alloy materials, and in the ceramics field for the purpose of decoloring and coloring or improving the properties of ceramics and semiconductors. It is used as a direct fluorescent material or as a constituent of ceramic capacitors. In addition, it is not only used as a material for magnets, catalysts, or gas sensors, but also useful in the nuclear industry (Ha Young-gu, Yun-kyung, "Chemistry of Lanthanide Elements"). Chapter 'Use and Use of Lanthanides', pp 481-617, Blue Road, 1999).

또한 최근에는 방사성 폐기물을 보다 효율적으로 관리하기 위해, 이들 원소들 중 반감기가 긴 장수명 핵종 (long-lived nuclide)을 분리하여 반감기가 짧은 핵종 또는 다른 안정한 원소로 변환시키는 소멸 처리 (transmutation) 기술 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, in order to manage radioactive waste more efficiently, the development of a transmutation technology that separates the long-lived nuclide of long-lived nuclide among these elements and converts into short-lived nuclide or other stable element. Research is actively being conducted.

한편 방사성 액체 폐기물로부터 상기와 같은 산업적으로 유용한 원소들을 재활용하거나 소멸 처리하기 위해서는, 먼저 이들 원소들을 효율적으로 추출·상호 분리할 수 있어야 한다. 현재까지 방사성 액체 폐기물로부터 원소들을 추출·분리하기 위한 여러 가지 방법이 개발되어 왔는데, 화학적 특성이 비슷한 원소들을 하나의 군 (group)으로 분류하여 추출하는 것이 일반적이다. 또한 대개의 경우 분류된 군에 속하는 원소들에 적합한 추출제를 사용하여 용매 추출법으로 추출 및 분리하고 있다.On the other hand, in order to recycle or annihilate such industrially useful elements from radioactive liquid waste, these elements must first be efficiently extracted and separated. Several methods have been developed for the extraction and separation of elements from radioactive liquid waste, and it is common to classify and extract elements with similar chemical properties into a group. Also, in most cases, extraction and separation are performed by solvent extraction using an extractant suitable for the elements belonging to the classified group.

현재 용매 추출법에서 가장 널리 사용되고 있는 추출제 중 하나는 디-(2-에틸헥실)인산 [di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid]이다. 이 물질을 추출제로 사용하면 0.1M 이하의 낮은 질산 농도에서는 악티늄족 원소 (Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No 및 Lw)와 희토류 원소 (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu)를 효율적으로 추출 및 상호 분리할 수 있다. 그러나 일반적으로 방사성 액체 폐기물은 질산 농도가 매우 높으며 질산 농도가 0.1M를 초과하게 되면 추출 효율이 급격히 떨어지는 문제가 있다. 따라서 0.1M 이상의 질산 농도인 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 및/또는 희토류 원소를 추출할 때에는 추출 공정에 앞서 먼저 탈질산 (denitration) 공정을 거쳐야만 하므로, 추가 공정에 따른 비용 상승을 피할 수 없었다. 더욱이 탈질산 공정에 의해 방사성 액체 폐기물의 질산 농도를 0.1M 이하로 낮추게 되면, 가수분해가 일어나 악티늄족 원소와 희토류 원소가 침전되어 용매 추출이 효율적으로 진행될 수 없었다 (Evaluation of actinide partitioning and transmutation, International Atomic Energy Agency, Technical Report Series No. 214, Vienna, (1982); C. Keller,The chemistry of the transuranium elements, Verlag ChemieGmbH, (1971); L. H. Baetsle, T. Wakabayashi, and S. Sakurai, "Status and assessment report on actinide and fission product partitioning and transmutation" in OECD-NEA meeting on partitioning transmutation, 5th Information exchange meeting, Mol, Belgium, 25-27 Nov. (1988); M. Kubota and Y. Morita, "Preliminary assessment on four group partitioning process developed in JAERI", International Conference on Future Nuclear Systems, Proceedings, October 5-10, 1997, Yokohama, Japan, Global 1997 Vol 1, pp 458-468 (1997)). 또한 추출제를 사용한 후 알칼리 용액으로 다시 재생할 때 제 3상이 분리되어 추출제를 재사용하기 어려웠다.One of the most widely used extractants in the present solvent extraction method is di- (2-ethylhexyl) phosphoric acid. When used as an extractant, it is possible to use actinium elements (Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No and Lw) at low nitric acid concentrations of 0.1 M or less. Rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu) can be efficiently extracted and separated from each other. In general, however, radioactive liquid waste has a very high nitric acid concentration, and when the nitric acid concentration exceeds 0.1 M, there is a problem that the extraction efficiency drops rapidly. Therefore, when extracting actinium elements and / or rare earth elements from radioactive liquid waste having a concentration of nitric acid of 0.1 M or more, a denitration process must be performed prior to the extraction process. Furthermore, when the nitric acid concentration of the radioactive liquid waste was lowered to 0.1 M or less by the denitrification process, hydrolysis occurred and precipitation of actinium elements and rare earth elements resulted in inefficient solvent extraction ( Evaluation of actinide partitioning and transmutation , International Atomic Energy Agency, Technical Report Series No. 214, Vienna, (1982); C. Keller, The chemistry of the transuranium elements , Verlag Chemie GmbH, (1971); LH Baetsle, T. Wakabayashi, and S. Sakurai, " Status and assessment report on actinide and fission product partitioning and transmutation "in OECD-NEA meeting on partitioning transmutation, 5th Information exchange meeting, Mol, Belgium, 25-27 Nov. (1988); M. Kubota and Y. Morita," Preliminary assessment on four group partitioning process developed in JAERI ", International Conference on Future Nuclear Systems, Proceedings, October 5-10, 1997, Yokohama, Japan, Global 1997 Vol 1, pp 458-468 (1997)). In addition, when the extractant was used and then regenerated with an alkaline solution, the third phase separated, making it difficult to reuse the extractant.

이에 본 발명자들은 고농도의 질산 용액인 방사성 액체 폐기물에서도 악티늄족 원소와 희토류 원소를 효율적으로 추출하는 방법을 개발하기 위해 노력한 결과, 트리부틸 포스페이트 (tributyl phosphate) 또는 고분자량 알코올과 인산계 화합물의 금속 염을 포함하는 혼합 추출제를 사용함으로써 고농도의 질산을 포함하는 방사성 액체 폐기물에서도 용매 추출법에 의해 악티늄족 원소와 희토류 원소를 효율적으로 추출 및 상호 분리할 수 있다는 것을 알아내어 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors have tried to develop a method for efficiently extracting actinium element and rare earth element even in radioactive liquid waste, which is a high concentration of nitric acid solution. As a result, tributyl phosphate or metal salt of high molecular weight alcohol and phosphate compound The present invention has been completed by finding that a mixed extractant containing a compound can efficiently extract and separate the actinium group element and the rare earth element by a solvent extraction method even in a radioactive liquid waste containing a high concentration of nitric acid.

본 발명의 목적은 고농도의 질산 용액인 방사성 액체 폐기물에서도 악티늄족 원소와 희토류 원소를 효율적으로 추출 및 상호 분리하는 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for efficiently extracting and separating actinium group elements and rare earth elements even in radioactive liquid waste which is a high concentration of nitric acid solution.

도 1은 방사성 액체 폐기물로부터 악티늄족 원소 및 희토류 원소를 추출·분리하는 공정을 나타낸 것이다. 1 shows a process for extracting and separating actinium elements and rare earth elements from radioactive liquid waste.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 트리부틸 포스페이트 (tributyl phosphate) 또는 알코올과 인산계 화합물의 금속 염을 포함하는 혼합 추출제를 사용하여 용매 추출법에 의해 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 및/또는 희토류 원소를 추출하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, actinium element and / or rare earth in radioactive liquid waste by solvent extraction method using tributyl phosphate or mixed extractive agent containing alcohol and metal salt of phosphate compound Provides a way to extract elements.

본 발명에서 악티늄족 원소는 주기율표에서 악티늄 계열에 속하는 원소로서 방사성 액체 폐기물에 함유되어 있는 원소를 의미한다. 악티늄 계열에 속하는 원소는 구체적으로 악티늄 (Ac), 프로탁티늄 (Pa), 우라늄 (U), 넵투늄 (Np), 플루토늄 (Pu), 아메리슘 (Am), 큐륨 (Cm), 버켈륨 (Bk) 및 캘리포늄 (Cf)이다.Actinium group element in the present invention means an element contained in the radioactive liquid waste as an element belonging to the actinium series in the periodic table. Elements belonging to the actinium series are specifically actinium (Ac), protitanium (Pa), uranium (U), neptunium (Np), plutonium (Pu), americium (Am), curium (Cm), and burkelium (Bk) And californium (Cf).

또한 본 발명에서 희토류 원소는 주기율표에서 3A족에 속하는 Sc, Y 및 란탄 계열에 속하는 원소로서 방사성 액체 폐기물에 함유되어 있는 원소를 의미한다. 희토류 원소는 구체적으로 스칸듐 (Sc), 이트륨 (Y), 란타늄 (La), 세륨 (Ce), 프라세오다이뮴 (Pr), 데오다이뮴 (Nd), 프로메튬 (Pm), 사마륨 (Sm), 유로퓸 (Eu), 가돌리늄 (Gd), 테르븀 (Tb), 다이스프로슘 (Dy), 홀로뮴 (Ho), 에르븀 (Er), 툴륨 (Tm), 이터븀 (Yb) 및 루테튬 (Lu)이다.In addition, in the present invention, the rare earth element means an element contained in the radioactive liquid waste as an element belonging to Sc, Y and lanthanide series belonging to group 3A in the periodic table. Rare earth elements are specifically scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), deodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), Europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb) and lutetium (Lu).

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

방사성 액체 폐기물로부터 악티늄족 원소 및/또는 희토류 원소를 추출하기 위한 본 발명의 추출제는 트리부틸 포스페이트 또는 알코올과 인산계 화합물의 금속 염으로 이루어진 혼합 추출제인 것이 특징이다. 즉, 종래에는 디-(2-에틸헥실)인산 하나의 물질만을 추출제로 사용하여 0.1M 이상의 질산 용액에서는 추출 효율이 떨어졌으나, 본 발명의 혼합 추출제를 사용하면 0.1M 이상의 질산 용액에서도 악티늄족 원소 및 희토류 원소의 추출 효율이 높다.The extractant of the present invention for extracting actinium elements and / or rare earth elements from radioactive liquid waste is characterized by being a tributyl phosphate or a mixed extractant consisting of metal salts of alcohols and phosphoric acid compounds. That is, in the past, only one di- (2-ethylhexyl) phosphate was used as the extractant, but the extraction efficiency was decreased in the nitric acid solution of 0.1 M or more. However, when the mixed extractant of the present invention is used, the actinium group is used in the nitric acid solution of 0.1 M or more. The extraction efficiency of elements and rare earth elements is high.

구체적으로 본 발명의 혼합 추출제에 사용되는 상기 인산계 화합물은 유기 인산 화합물로서, 디알킬인산 (dialklylphosphoric acid) 및 알킬페닐인산 (alkyl phenyl phosphoric acid)을 포함하는 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다. 이 때 상기 디알킬인산으로는 디-(2-에틸헥실)인산 (di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid)을 사용할 수 있다. 또한 상기 알킬페닐인산에서 알킬기는 C8∼C10의 직쇄 또는 분쇄상 알킬기인 것이 바람직하며, 그 예로는 2-에틸헥실 페닐 인산 (2-ethylhexyl phenyl phosphoric acid), n-옥틸 페닐 인산 (n-octyl phenyl phosphoric acid) 등이 있다.Specifically, the phosphate compound used in the mixed extractant of the present invention is an organic phosphate compound, it is preferably selected from the group containing dialkyllyphosphoric acid and alkyl phenyl phosphoric acid. In this case, di- (2-ethylhexyl) phosphoric acid may be used as the dialkyl phosphoric acid. In addition, the alkyl group in the alkylphenyl phosphoric acid is preferably a C 8 ~ C 10 linear or crushed alkyl group, for example 2-ethylhexyl phenyl phosphoric acid, n-octyl phenyl phosphoric acid (n- octyl phenyl phosphoric acid).

또한 상기 인산계 화합물의 금속 염에서 금속은 Zr, Hf 및 Ti를 포함하는 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.In addition, the metal in the metal salt of the phosphoric acid compound is preferably selected from the group containing Zr, Hf and Ti.

또한 상기 트리부틸 포스페이트 대신 사용될 수 있는 알코올은 탄소수 7 이상인 고분자량 알코올인 것이 바람직하며, 그 예로는 n-옥틸 알코올 (n-octyl alcohol), 이소옥탄올 (isooctanol) 등이 있다.In addition, the alcohol which may be used instead of the tributyl phosphate is preferably a high molecular weight alcohol having 7 or more carbon atoms, and examples thereof include n-octyl alcohol and isooctanol.

본 발명에 의한 상기 혼합 추출제에서 각 성분의 조성은 트리부틸 포스페이트를 사용하는 경우에는 [트리부틸 포스페이트]/[인산계 화합물의 금속 염]의 몰비가 0.09 이상 되도록 하는 것이 바람직하고, 알코올을 사용하는 경우에는 [인산계 화합물의 금속 염]/[알코올]의 몰비가 4 이상 되도록 하는 것이 바람직하다.In the mixed extractant according to the present invention, the composition of each component is preferably such that the molar ratio of [tributyl phosphate] / [metal salt of phosphate compound] is at least 0.09 when tributyl phosphate is used, and alcohol is used. In this case, the molar ratio of [metal salt of phosphate compound] / [alcohol] is preferably 4 or more.

본 발명에 의한 상기 트리부틸 포스페이트 또는 알코올과 인산계 화합물의 금속 염으로 이루어진 혼합 추출제는 이 두 가지 성분만으로 구성될 수도 있으며, 용매에 희석하여 사용될 수도 있다. 종래 디-(2-에틸헥실)인산을 추출제로 사용하한 경우에는 알칼리 용액을 사용하여 추출제를 재생하면 제3상 (third phase)이 분리되는 현상이 발생하였으나, 알칼리 용액을 사용하여 본 발명의 혼합 추출제를 재생하는 경우에는 제3상의 분리 현상이 발생하지 않는다.The mixed extractant consisting of the tributyl phosphate or the metal salt of an alcohol and a phosphate compound according to the present invention may be composed of only these two components, or may be used after dilution in a solvent. When di- (2-ethylhexyl) phosphoric acid is conventionally used as a extractant, a third phase is separated when the extractant is regenerated by using an alkaline solution. In the case of regenerating the mixed extractant, separation of the third phase does not occur.

제3상의 분리 현상이란 특정한 용매 추출 (Liquid-Liquid extraction) 공정에서 용매의 성질 변화로 인해 나타나는 현상으로서, 추출된 화학종의 농도가 추출 용매와 희석제 용매로 구성된 혼합 용매에 대한 용해도보다 큰 경우에 제3상이 나타난다. 즉, 초기에는 수용상과 유기상 2개의 상이 존재하지만 유기상이 2개의 상 (추출 용매의 상과 희석제 용매의 상이 분열 (split)됨)으로 분열되면서 제3상이 나타내게 되는 것이다.The separation of the third phase is a phenomenon caused by the change of the properties of the solvent in a specific liquid extraction process, when the concentration of the extracted species is higher than the solubility in the mixed solvent consisting of the extraction solvent and the diluent solvent. The third phase appears. In other words, initially there are two phases, an aqueous phase and an organic phase, but the third phase appears as the organic phase is split into two phases (the phase of the extraction solvent and the phase of the diluent solvent are split).

제3상이 생성되는 원인으로는 추출제, 희석제 및 무기산의 종류, 금속 원소의 종류와 산화가 상태, 추출 온도 등을 들 수 있다. 특히, 희석 용매의 종류에 따라 제3상의 생성 여부가 결정되는데, 모든 용매에서 제3상이 생기는 것은 아니다. 일반적으로 희석 용매로 사용되는 물질은 지방족 화합물 (aliphatic compound), 방향족 화합물 (aromatic compound) 및 그 외의 기타 화합물로 구분할수 있다. 지방족 화합물인 용매로는 구체적으로 도데칸 (dodecane) 등의 C10∼C16인 파라핀 탄화수소(paraffin hydrocarbon), 케로센 (kerosene) 등을 들 수 있는데, 한 번에 추출할 수 있는 시료의 양 (loading capacity)이 많은 반면 제3상이 생성될 수 있는 단점이 있다. 방향족 화합물인 용매로는 벤젠, 데칼린 (decalin) 등을 들 수 있는데, 한 번에 추출할 수 있는 시료의 양이 적은 반면 제3상이 생성되지 않는다. 기타 용매로는 사염화탄소를 예로 들 수 있으며, 사염화탄소의 경우 비중이 물보다 크므로 용매 추출시 유기층이 물층의 아래에 위치하게 되는 문제가 있고 염소 원자 (Cl)로 인해 장치가 부식되고 공해가 유발되기 때문에 상용 규모의 시설에서는 사용이 제한되고 있다. 따라서 추출제의 희석에 사용되는 용매는 상기와 같은 조건들을 고려하여 선택되어야 한다.The cause of the third phase may include the kind of extractant, diluent and inorganic acid, the kind of metal element and oxidation state, extraction temperature and the like. In particular, whether or not a third phase is generated depends on the type of dilution solvent, but not all solvents generate a third phase. Generally, a substance used as a dilution solvent may be classified into an aliphatic compound, an aromatic compound, and other compounds. Examples of the solvent that is an aliphatic compound include C 10- C 16 paraffin hydrocarbons and kerosene, such as dodecane, and the like. While there is a lot of loading capacity, a third phase may be generated. Examples of the solvent, which is an aromatic compound, include benzene and decalin, but the amount of samples that can be extracted at one time is small while the third phase is not produced. Other solvents include carbon tetrachloride, and in the case of carbon tetrachloride, the specific gravity is greater than that of water, which causes the organic layer to be located under the water layer during solvent extraction, and the chlorine atom (Cl) causes the device to corrode and cause pollution. As a result, their use is limited in commercial scale facilities. Therefore, the solvent used for dilution of the extractant should be selected in consideration of the above conditions.

본 발명의 상기 혼합 추출제를 희석하기 위해 사용되는 용매는 케로센, 도데칸 등의 C10∼C16인 파라핀 탄화수소, 벤젠, 데칼린, 사염화탄소를 포함하는 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다.The solvent used to dilute the mixed extractant of the present invention is preferably selected from the group containing C 10- C 16 paraffinic hydrocarbons such as kerosene, dodecane, benzene, decalin, carbon tetrachloride.

본 발명의 실시예에서 DEHPA의 농도가 1 M이고 DEHPA에 함침된 Zr의 농도가 13.5 g/L, TBP의 농도가 0.09 M일 때, 1 M 질산 용액에서 Am과 Eu 추출율을 각각 81.9%, 94.9%이다. 유기상으로 추출된 Am과 Eu 중 Am의 선택적 역추출을 위한 제1단계 역추출에서 0.05 M DTPA (diethylene triamine pentaacetic acid)와 1 M 젖산 (lactic acid) 혼합 용액을 사용한 결과 Am의 역추출율은 53%, Am/Eu 상호 분리비는 5.2로 나타났다. 유기상에 남아 있는 Eu를 역추출하기 위한 제2단계 역추출에서 역추출제로 6 M 질산 용액을 사용하였으며, 이 때 Eu 역추출율은 90.9% 이었다. 또한 [TBP]/[DEHPA]의 몰비가 0.09 이상인 조건에서 알칼리 용액으로 DEHPA를 재생할 때 발생하는 제3상의 생성 현상을 방지할 수 있었다. 따라서 재생된 DEHPA와 TBP를 사용하여 Zr의 농도를 다시 맞추어 줌으로써 (make-up), 새로운 혼합 추출제를 제조하여 재사용할 수 있다.In the embodiment of the present invention, when the concentration of DEHPA is 1 M, the concentration of Zr impregnated in DEHPA is 13.5 g / L, and the concentration of TBP is 0.09 M, the extraction ratio of Am and Eu in the 1 M nitric acid solution is 81.9% and 94.9, respectively. %to be. The reverse extraction rate of Am was 53% using 0.05 M DTPA (diethylene triamine pentaacetic acid) and 1 M lactic acid mixed solution in the first stage back extraction for the selective back extraction of Am in the organic phase. , The Am / Eu separation ratio was 5.2. In the second step of back extraction of Eu remaining in the organic phase, 6M nitric acid solution was used as a back extraction agent, and the Eu reverse extraction rate was 90.9%. In addition, it was possible to prevent the formation of a third phase generated when regenerating DEHPA with alkaline solution under the condition that the molar ratio of [TBP] / [DEHPA] was 0.09 or more. Thus, by re-establishing the concentration of Zr using regenerated DEHPA and TBP, a new mixed extractant can be prepared and reused.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 내용이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the examples.

<제조예> 혼합 추출제의 제조Preparation Example Preparation of Mixed Extract

디-(2-에틸헥실)인산 (di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid, DEHPA) (Merck사, 독일) 329 g을 1ℓ짜리 부피 플라스크에 넣고 n-도데칸을 넣어 1M의 DEHPA 도데탄 용액을 제조하였다.329 g of di- (2-ethylhexyl) phosphoric acid (DEHPA) (Merck, Germany) was added to a 1 L volumetric flask and n-dodecane was added to a 1M solution of DEHPA dodetan. Prepared.

1M H2SO4수용액 1000 ㎖에 Zr(SO4)2(Aldrich사, 미국) 60 g을 넣어 녹였다. 상기에서 제조된 1 M DEHPA 도데칸 용액과 Zr(SO4)2/1M H2SO4용액을 1:1의 부피비로 혼합하여 분별 깔대기에 넣고 용매 추출 방법에 의해 Zr을 함침시켜 금속 염 Zr-DEHPA를 제조하였다. 유기층으로부터 얻은 Zr-DEHPA는 1M 황산 용액으로 1회 세척하였다.60 g of Zr (SO 4 ) 2 (Aldrich, USA) was dissolved in 1000 mL of an aqueous 1 M H 2 SO 4 solution. The 1 M DEHPA dodecane solution prepared above and the Zr (SO 4 ) 2 / 1M H 2 SO 4 solution were mixed in a volumetric ratio of 1: 1, put into a separatory funnel, and impregnated with Zr by a solvent extraction method. DEHPA was prepared. Zr-DEHPA obtained from the organic layer was washed once with 1M sulfuric acid solution.

상기에서 제조된 Zr-DEHPA 900 ㎖와 1M 트리부틸 포스페이트 (tributyl phosphate, TBP) (Merck사, 독일) 90 ㎖를 1ℓ짜리 부피 플라스크에 넣은 후 n-도데칸 10 ㎖를 넣고 녹여서, 도데칸으로 희석한 Zr-1M DEHPA/TBP 혼합 추출제를 제조하였다. Zr-1M DEHPA/TBP 혼합 추출제는 실험에 사용하기 전에, 실험에 사용되는 질산 농도 조건과 같은 질산 용액으로 1회 세척 (pre-equilibrium)하여 사용하였다.900 ml of Zr-DEHPA prepared above and 90 ml of 1M tributyl phosphate (TBP) (Merck, Germany) were placed in a 1 l volumetric flask, 10 ml of n-dodecane was dissolved, diluted with dodecane. One Zr-1M DEHPA / TBP mixed extractant was prepared. The Zr-1M DEHPA / TBP mixed extractant was used once in pre-equilibrium with nitric acid solution, such as the nitric acid concentration conditions used in the experiment, prior to use in the experiment.

<실시예> 악티늄족 원소 및 희토류 원소의 추출EXAMPLES Extraction of Actinium and Rare Earth Elements

악티늄족 원소 및 희토류 원소를 포함하는 질산 표준 용액을 사용하여,도 1에 나타낸 바와 같은 공정에 의해 악티늄족 원소와 희토류 원소를 추출·분리하였다.Using a nitric acid standard solution containing an actinium group element and a rare earth element, the actinium group element and the rare earth element were extracted and separated by a process as shown in FIG . 1 .

(단계 1) 악티늄족 원소 및 희토류 원소의 1차 추출(Step 1) Primary Extraction of Actinium Elements and Rare Earth Elements

추출에 사용한 질산 표준 용액은 Am-241 (tracer), Eu-152 (방사성 동위원소, IPL (Isotope Product Laboratories)사, 미국) (tracer), Np-237 (방사성 동위 원소, AEA Technology사, 미국) (tracer), 0.002 M Eu(NO3)3·5H2O (Aldrich사, 미국), 0.04 M Nd(NO3)3·6H2O (Aldrich사, 미국), 0.008 M Y(NO3)3·5H2O (Aldrich사, 미국), 0.033 M Ce(NO3)3·6H2O (Aldrich사, 미국), 0.037 M CsNO3(Aldrich사, 미국), 0.0165 M Sr(NO3)2(Aldrich사, 미국)이 되도록 제조하였다.The nitric acid standard solution used for extraction was Am-241 (tracer), Eu-152 (radioisotope, IPL (Isotope Product Laboratories), USA) (tracer), Np-237 (radioisotope, AEA Technology, USA) (tracer), 0.002 M Eu (NO 3 ) 3 5 H 2 O (Aldrich, USA), 0.04 M Nd (NO 3 ) 3 6 H 2 O (Aldrich, USA), 0.008 MY (NO 3 ) 3 5H 2 O (Aldrich, USA), 0.033 M Ce (NO 3 ) 3 6H 2 O (Aldrich, USA), 0.037 M CsNO 3 (Aldrich, USA), 0.0165 M Sr (NO 3 ) 2 (Aldrich Inc., USA).

상기 제조예에서 제조된 혼합 추출제 50 ㎖와 상기에서 제조된 혼합 금속 용액 (질산 농도: 실험 조건에 맞춤) 50 ㎖를 분별 깔대기 (또는 유사한 유리 용기)에 넣고 추출하여 유기층을 분리하였다. 액체 섬광 분석기 (liquid scintillation counter, Packard사, Model 2500TR/AB), 다중 파고 분석기 (Multi channel analyzer, Oxford사, PCA-Multiport-Plus, HPGe detector) 및 유도 결합 플라즈마 분석기 (Induction Coupling Plasma Analyzer, Jobin Yvon사, Model JY 38 Plus)로 분석한 결과, 물층에는 Sr과 Cs가 포함되어 있었다. 또한 유기층에서는 그 외의 원소들이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 1.0 M 질산 용액인 경우 추출율은 Am 81.9%, Eu 94.9%, Np 66%, Nd 84% 이었다.50 ml of the mixed extractant prepared in the above preparation and 50 ml of the mixed metal solution (nitric acid concentration: adapted to the experimental conditions) prepared above were put into a separatory funnel (or similar glass container) and extracted to separate the organic layer. Liquid scintillation counter (Packard, Model 2500TR / AB), multi-channel analyzer (Multi channel analyzer, Oxford, PCA-Multiport-Plus, HPGe detector) and Induction Coupling Plasma Analyzer, Jobin Yvon , Model JY 38 Plus), the water layer contained Sr and Cs. In addition, it was confirmed that other elements were included in the organic layer, and in the case of the 1.0 M nitric acid solution, the extraction rates were 81.9% Am, 94.9% Eu, 66% Nd, 84% Nd.

상기 단계 1을 통해 질산 표준 용액으로부터 추출하여 분리해 낸 악티늄족 원소 및 희토류 원소 중에서 특히 Am과 Eu의 추출율을 하기표 1에 나타내었다. 추출율은 최초 질산 표준 용액에 포함되어 있던 원소량을 기준으로 한 것이다. 비교예로서는 DEHPA만을 사용한 추출법에 대해 종래 문헌에 보고된 수치를 인용하였다 (Svantessonet al.,J. Inorg. Nucl. Chem. vol 42, 1037-1043 (1980)).Among the actinium group elements and the rare earth elements extracted and separated from the nitric acid standard solution through step 1, extraction rates of Am and Eu are shown in Table 1 below. The extraction rate is based on the amount of elements contained in the original nitric acid standard solution. As a comparative example, numerical values reported in the prior art were cited for the extraction method using only DEHPA (Svantesson et al. , J. Inorg. Nucl. Chem . Vol 42, 1037-1043 (1980)).

Am 및 Eu의 추출율Extraction Rate of Am and Eu 질산농도Nitrate concentration Am (추출율, %)Am (extraction rate,%) Eu (추출율, %)Eu (extraction rate,%) DEHPADEHPA TBP+Zr-DEHPATBP + Zr-DEHPA DEHPADEHPA TBP+Zr-DEHPATBP + Zr-DEHPA 0.1 M0.1 M 99.999.9 99.699.6 99.499.4 99.999.9 0.5 M0.5 M 86.386.3 94.794.7 46.246.2 98.698.6 1.0 M1.0 M 41.241.2 81.981.9 8.848.84 94.994.9 1.5 M1.5 M 16.616.6 5555 3.23.2 85.385.3 2.0 M2.0 M 9.99.9 31.231.2 1.771.77 68.468.4

상기표 1에서 볼 수 있듯이, 종래의 방법에 따라 DEHPA만을 사용한 경우 0.1 M인 질산 용액에서는 Am과 Eu의 추출율이 각각 99.9%, 99.4%로서 매우 높다. 그러나 질산 용액의 농도가 높아질수록 각 원소의 추출율이 현저히 감소하는 것을 볼 수 있었다. 즉, 0.5 M의 질산 농도에서는 Am 및 Eu의 추출율이 각각 86.3%, 46.2%이고, 2.0 M의 질산 농도에서는 각각 9.9%, 1.77%로 급격히 낮아졌다.As shown in Table 1 , in the case of using only DEHPA according to the conventional method, the extraction ratio of Am and Eu is very high as 99.9% and 99.4%, respectively, in 0.1 M nitric acid solution. However, as the concentration of nitric acid solution increased, the extraction rate of each element was significantly decreased. That is, the extraction rates of Am and Eu were 86.3% and 46.2%, respectively, at a concentration of 0.5 M nitric acid, and rapidly decreased to 9.9% and 1.77%, respectively, at a concentration of 2.0 M nitric acid.

반면 본 발명에 의한 혼합 추출제 TBP+Zr-DEHPA를 사용한 경우에는 0.1M 질산 용액에서 Am과 Eu의 추출율이 각각 99.6%, 99.9%로서 DEHPA만을 사용한 종래의 경우와 비슷하게 높았다. 또한 질산의 농도가 0.5 M로 높아져도 Am과 Eu의 추출율이 각각 94.7%, 98.6%로서 여전히 우수하였으며, 질산의 농도가 2.0 M로 높아져도 Am과 Eu의 추출율이 31.2%, 68.4%로서 종래의 경우와 비교하여 각각 310배, 3800배 이상 증가하였다. 특히, DEHPA만을 사용한 종래의 방법에서는 질산의 농도가 높으면 Eu의 추출율이 현저히 감소하였으나, 본 발명에 의한 혼합 추출제를 사용한 경우에는 고농도의 질산 용액에서도 Eu의 추출율이 여전히 높게 유지되었다.On the other hand, in the case of using the mixed extractant TBP + Zr-DEHPA according to the present invention, the extraction rates of Am and Eu in the 0.1M nitric acid solution were 99.6% and 99.9%, respectively, which were similar to those of the conventional case using only DEHPA. In addition, even if the concentration of nitric acid was increased to 0.5 M, the extraction rates of Am and Eu were still excellent as 94.7% and 98.6%, respectively, and even if the concentration of nitric acid was increased to 2.0 M, the extraction rates of Am and Eu were 31.2% and 68.4%, respectively. Compared with the case, it increased by 310 times and 3800 times, respectively. In particular, in the conventional method using only DEHPA, the extraction rate of Eu was significantly decreased when the concentration of nitric acid was high. However, the extraction rate of Eu was still maintained even in a high concentration of nitric acid solution when the mixed extractant according to the present invention was used.

(단계 2) 악티늄족 원소 Am 및 Cm의 역추출(Step 2) Back Extraction of Actinium Group Am and Cm

단계 1에서 유기층에 포함되어 있는 질산을 세척하여 제거하기 위하여, 단계 1에서 얻은 유기층을 분리한 후 유기층 : 0.1M 질산 용액 = 1 : 2의 부피비가 되도록 하여 1회 세척하였다.In order to wash and remove nitric acid contained in the organic layer in step 1, the organic layer obtained in step 1 was separated and washed once with a volume ratio of organic layer: 0.1M nitric acid solution = 1: 2.

0.05 M DTPA (di-ethylene triamine pentaacetic acid, Aldrich사, 미국)와 1 M 젖산 (lactic acid, Junsei사, 일본)를 포함하는 수용액 40 ㎖ (pH=3.6)를 사용하여 상기 단계 1에서 얻은 유기층을 역추출하여 유기층 (A층)과 물층 (B층)을 분리하였다. 분리된 물층 (B층) 중 일부분을 취하여 액체 섬광 분석기 (liquid scintillation counter, Packard사, Model 2500TR/AB)와 다중 파고 분석기 (Multi channel analyzer, Oxford사, PCA-Multiport-Plus, HPGe detector)로 분석한 결과, 물층 (B층)에 악티늄족 원소인 Am이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 1.0 M 질산 용액의 경우 Am의 역추출율은 53%, Am/Eu의 상호 분리비는 5.2였다. 분리된 후 남은 유기층 (A층)은 다음 단계에 사용하였다.The organic layer obtained in step 1 was prepared using 40 ml of aqueous solution containing 0.05 M DTPA (di-ethylene triamine pentaacetic acid, Aldrich, USA) and 1 M lactic acid (lactic acid, Junsei, Japan). Back extraction was performed to separate the organic layer (A layer) and the water layer (B layer). Part of the separated water layer (B layer) is taken and analyzed by liquid scintillation counter (Packard, Model 2500TR / AB) and multi-wavelength analyzer (Multi channel analyzer, Oxford, PCA-Multiport-Plus, HPGe detector) As a result, it was confirmed that Am which is an actinium group element was contained in the water layer (B layer). In the case of 1.0 M nitric acid solution, the reverse extraction ratio of Am was 53% and the ratio of Am / Eu was 5.2. The organic layer (A layer) remaining after separation was used in the next step.

(단계 3) 희토류 원소 Eu, Y, Nd, Ce의 역추출(Step 3) Back Extraction of Rare Earth Elements Eu, Y, Nd, and Ce

6 M 질산 용액 40 ㎖을 사용하여 상기 단계 2에서 얻은 유기층 (A층) 중 40㎖를 역추출하여 유기층 (C층)과 물층 (D층)을 분리하였다. 분리된 물층 (D층) 중 일정량을 취한 용액을 액체 섬광 분석기와 유도 결합 플라즈마 분석기 (Induction Coupling Plasma Analyzer, Jobin Yvon사, Model JY 38 Plus)로 분석한 결과, 물층 (D층)에 희토류 원소인 Eu, Y, Nd, Ce이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 1.0 M 질산 용액의 경우 Eu의 역추출율은 90.9%였다. 분리된 후 남은 유기층 (C층)은 다음 단계에 사용하였다.40 ml of the organic layer (A layer) obtained in step 2 was back extracted using 40 ml of 6 M nitric acid solution to separate the organic layer (C layer) and the water layer (D layer). A solution of a certain amount in the separated water layer (D layer) was analyzed by a liquid scintillation analyzer and an induction coupling plasma analyzer (Induction Coupling Plasma Analyzer, Jobin Yvon, Model JY 38 Plus). It was confirmed that Eu, Y, Nd, and Ce were included. In the case of 1.0 M nitric acid solution, Eu's reverse extraction rate was 90.9%. The organic layer (C layer) remaining after separation was used in the next step.

(단계 4) 악티늄족 원소 Np의 역추출(Step 4) Back Extraction of Actinium Group Np

0.5 M H2C2O4(옥살산, Kanto Chemical사, 일본)의 수용액 30 ㎖을 사용하여 상기 단계 3에서 얻은 유기층 (C층) 중 30 ㎖를 역추출하여 유기층 (E층)과 물층 (F층)을 분리하였다. 분리된 물층 (F층) 중 일정량을 취한 용액을 액체 섬광 분석기와 다중 파고 분석기로 분석한 결과, 물층 (F층)에 악티늄족 원소인 Np가 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 1.0 M 질산 용액의 경우 Np의 역추출율은 91.4%였다.30 ml of the organic layer (C layer) obtained in step 3 was back-extracted using 30 ml of an aqueous solution of 0.5 MH 2 C 2 O 4 (oxalic acid, Kanto Chemical, Japan) to obtain an organic layer (E layer) and a water layer (F layer). ) Was separated. As a result of analyzing the solution taking a certain amount of the separated water layer (F layer) with a liquid scintillation analyzer and a multi-wavelength analyzer, it was confirmed that the water layer (F layer) contains the actinium element Np. In the case of 1.0 M nitric acid solution, the reverse extraction rate of Np was 91.4%.

(단계 5) 혼합 추출제의 재생(Step 5) Regeneration of the Mixed Extract

상기 단계 4에서 악티늄족 원소 및 희토류 원소를 추출하고 남은 유기층 (E층) 중 20 ㎖를 취하여 분별 깔대기에 넣고, 0.5 M (NH4)2CO3과 0.05 M (CH2OH)2(CHOH)4의 혼합 용액 20 ㎖를 혼합한 후 강하게 흔들어 (Zr-DEHPA+TBP)/도데칸을 분리하였다. 이 과정에 의해 추출제에 포함되어 있던 악티늄족 원소 및 희토류 원소들이 모두 제거되었으며, 이 때 제3상의 분리 현상은 발생하지 않았다.In step 4, the actinium element and the rare earth element were extracted, and 20 ml of the remaining organic layer (E layer) was taken into a separatory funnel, and 0.5 M (NH 4 ) 2 CO 3 and 0.05 M (CH 2 OH) 2 (CHOH) 20 ml of the mixed solution of 4 were mixed and shaken vigorously to separate (Zr-DEHPA + TBP) / dodecane. By this process, all actinium elements and rare earth elements included in the extractant were removed, and no separation of the third phase occurred.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 혼합 추출제를 사용하면 질산농도 0.1M 이상인 방사성 액체 폐기물에서도 악티늄족 원소와 희토류 원소를 고효율로 추출 및 상호 분리할 수 있다. 또한 본 발명에 의한 혼합 추출제는 사용 후 알칼리 용액으로 재생할 때에도 제3상이 분리되지 않는 장점을 갖는다. 따라서 본 발명에 의한 혼합 추출제는 방사성 액체 폐기물로부터 악티늄족 원소 및 희토류 원소를 추출·분리하는 공정에 유용하게 사용될 수 있다.As described above, when the mixed extractant according to the present invention is used, the actinium group element and the rare earth element can be efficiently extracted and separated from each other even in radioactive liquid waste having a nitric acid concentration of 0.1 M or more. In addition, the mixed extractive agent according to the present invention has the advantage that the third phase does not separate even after regeneration with alkaline solution after use. Therefore, the mixed extractant according to the present invention can be usefully used for the process of extracting and separating actinium element and rare earth element from radioactive liquid waste.

Claims (7)

트리부틸 포스페이트 (tributyl phosphate)와 인산계 화합물의 금속 염을 포함하는 혼합 추출제를 사용하여 용매 추출법에 의해 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 또는 희토류 원소를 추출 및 상호 분리하는 방법.A method of extracting and mutually separating actinium elements or rare earth elements from radioactive liquid waste by solvent extraction using a mixed extractant comprising tributyl phosphate and a metal salt of a phosphate compound. 제 1 항에 있어서, 인산계 화합물은 디-(2-에틸헥실)인산 (di-(2-ethyl hexyl)phosphoric acid)을 포함하는 디알킬인산 (dialklylphosphoric acid) 및 C8∼C10의 직쇄 또는 분쇄 알킬기를 갖는 알킬페닐인산 (alkyl phenyl phosphoric acid)을 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 또는 희토류 원소를 추출 및 상호 분리하는 방법.The method of claim 1, wherein the phosphoric acid compound is a dialkyl (phosphoric acid) containing di- (2-ethyl hexyl) phosphoric acid (dilklylphosphoric acid) and a straight chain of C 8 ~ C 10 or A method for extracting and separating an actinium group element or a rare earth element from a radioactive liquid waste, characterized in that it is selected from the group comprising alkyl phenyl phosphoric acid having a ground alkyl group. 제 1 항에 있어서, 인산계 화합물의 금속 염에서 금속은 Zr, Hf 및 Ti를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 또는 희토류 원소를 추출 및 상호 분리하는 방법.2. A process according to claim 1, wherein the metal in the metal salt of the phosphoric acid compound is selected from the group comprising Zr, Hf and Ti. 삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 추출제인 [트리부틸 포스페이트]/[인산계 화합물의 금속 염]의 몰비가 0.09 이상이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 또는 희토류 원소를 추출 및 상호 분리하는 방법.The actinium group element or rare earth element is extracted and recited in the radioactive liquid waste according to claim 1, characterized in that the molar ratio of [tributyl phosphate] / [metal salt of phosphate compound], which is the mixed extractant, is 0.09 or more. How to separate. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 추출제는 C10∼C16인 파라핀 탄화수소 (paraffin hydrocarbon), 케로센 (kerosene), 벤젠, 데칼린 (decalin) 및 사염화탄소를 포함하는 그룹에서 선택되는 용매로 희석된 것을 특징으로 하는 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 또는 희토류 원소를 추출 및 상호 분리하는 방법.The method of claim 1, wherein the mixed extractant is diluted with a solvent selected from the group consisting of C 10- C 16 paraffin hydrocarbon, kerosene, benzene, decalin and carbon tetrachloride. A method for extracting and mutually separating actinium elements or rare earth elements from a radioactive liquid waste. 트리부틸 포스페이트와 인산계 화합물의 금속 염을 포함하는 것을 특징으로 하는, 방사성 액체 폐기물에서 악티늄족 원소 또는 희토류 원소를 추출 및 상호 분리하기 위한 혼합 추출제.A mixed extractant for extracting and mutually separating actinium elements or rare earth elements from a radioactive liquid waste, comprising metal salts of tributyl phosphate and a phosphoric acid compound.
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