KR100627694B1 - 중수로형 수지탑에서의 누출 탄산종 고감도 검출 장치 및검출 방법 - Google Patents
중수로형 수지탑에서의 누출 탄산종 고감도 검출 장치 및검출 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 탄산종 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중수로형 원자력 발전소의 이온교환수지탑에서 누출되는 탄산종을 고감도로 검출하는 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것이다.
본 발명은,
1) 이온교환수지탑을 통과한 처리수의 일부를 취하여 시료수를 구하는 단계;
2) 상기 시료수를 혼합칼럼에 통과시켜 시료수 중의 중탄산 이온을 염화나트륨으로 전환시키는 단계;
3) 상기 염화나트륨이 포함된 시료수를 양이온 칼럼에 통과시켜 염산으로 전환시키는 단계;
4) 전기전도도셀을 이용하여 염산농도를 측정하는 단계;를 포함하는 탄산종 고감도 검출 방법을 제공한다.
원전, 계통수, 이온교환수지탑, 탄산이온, 중탄산이온
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출장치의 구성을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출방법의 각 공정을 나타내는 공정도이다.
도 3은 여러가지 이온의 당량 전도도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 물의 pH에 따른 탄산종의 존재 상태를 나타내는 그래프이다.
도 5는 검출방법별 중탄산이온 검출특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 중탄산이온 농도에 따른 검출특성을 나타내는 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 시료수 제공부 20 : 혼합 칼럼
30 : 양이온 칼럼 40 : 시료수 재사용부
50 : 전기전도도 측정부 60 : 음이온 칼럼
T : 이온교환수지탑 T1 : 처리수 출구
T2 : 계통수 입구 V1, V2 : 밸브
본 발명은 탄산종 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중수로형 원자력 발전소의 이온교환수지탑에서 누출되는 탄산종을 고감도로 검출하는 검출 장치 및 검출 방법에 관한 것이다.
일반적으로 중수로형 원자력 발전소에서는 원자력 발전소 운전 중에 1차 감속재 계통에서 방사성 핵종인 C-14이 발생된다. 따라서 이 C-14가 포함되어 있는 탄산가스(CO2)를 제거하기 위하여 정화계통에 이온교환수지탑이 설치된다. 이 이온교환수지탑 내에는 이온교환수지가 충진되어 있고, 이 이온교환수지는 이온교환수지탑을 통과하는 계통수 중의 C-14를 포함하는 탄산이온을 제거한다. 그런데 이 이온교환수지는 계속하여 사용되다 보면 수지의 성능이 다하여 탄산이온이 흡착, 제거되지 못하고, 누출되기 시작한다. 이렇게 C-14가 누출되는 경우, 방사성 물질의 일반환경 노출 및 방사성 폐기물 발생의 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 이온교환수지를 적기에 교체하여 방사성 물질의 유출을 방지하여야 한다.
그러나 지금까지는 이온교환수지의 교환성능이 다하는 시점에서 누출되기 시작하는 미량의 중탄산이온(HCO3
-) 또는 탄산이온(CO3
2-)을 직접 검출할 수 있는 방법이 없었기 때문에, 발전소에서는 안전하다고 판단되는 범위 내에서 이온교환수지탑을 일정기간 운전후 이온교환수지를 교체하고 있어 방사성 폐기물 발생량을 증가시 킬 뿐만 아니라 운영비용이 많이 소요되고 있다.
따라서 이온교환수지의 포화시점을 신속하게 파악하고, 적절한 시점에서 이온교환수지를 교환하여 이러한 문제의 발생을 예방할 필요성이 있다. 이에 따라 이온교환수지탑에서 누출되는 탄산이온(CO3
2-) 또는 중탄산이온(HCO3
-)을 검출하는 방법으로 개발된 것이, 중탄산이온(HCO3
-)을 염소이온(Cl-)으로 전환시킨 후 그 염소이온의 농도를 전기전도도법으로 검출하는 방법이다. 즉, 중탄산이온 또는 탄산이온 그 자체는 전기전도도법으로 그 농도를 측정하기가 어려우므로 이들을 염소이온을 전환시킨 후 이 염소이온의 농도를 전기전도도법을 통해 검출하고, 그 염소이온의 농도를 이용하여 역으로 중탄산 이온 또는 탄산이온의 농도를 측정하는 것이다.
이러한 중탄산이온 검출법에서는 염소형 음이온 교환수지만을 사용한다. 그러나 중탄산이온의 농도가 낮을수록 응답시간이 늦어지는 특성으로 인하여 이온교환수지의 포화시점을 적기에 검출하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 낮은 농도의 중탄산이온도 신속하게 검출할 수 있는 고감도 탄산종 검출 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 낮은 농도의 중탄산이온도 신속하게 검출할 수 있는 고감도 탄산종 검출장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
1) 이온교환수지탑을 통과한 처리수의 일부를 취하여 시료수를 구하는 단계;
2) 상기 시료수를 혼합칼럼에 통과시켜 시료수 중의 탄산을 염화나트륨으로 전환시키는 단계;
3) 상기 염화나트륨이 포함된 시료수를 양이온 칼럼에 통과시켜 염산으로 전환시키는 단계;
4) 전기전도도셀을 이용하여 염산농도를 측정하는 단계;를 포함하는 탄산종 고감도 검출 방법을 제공한다.
그리고 본 발명의 다른 관점에서는,
1) 이온교환수지탑을 통과한 처리수의 일부를 취하여 시료수를 구하는 단계;
2) 상기 시료수를 양이온 칼럼에 통과시킨 후 전기전도도셀을 이용하여 그 시료수의 전기전도도를 측정하는 단계;
3) 상기 시료수를 혼합칼럼에 통과시켜 시료수 중의 탄산을 염화나트륨으로 전환시키는 단계;
4) 상기 염화나트륨이 포함된 시료수를 양이온 칼럼에 통과시켜 염산으로 전환시키는 단계;
5) 전기전도도셀을 이용하여 상기 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 단계;
6) 상기 2) 단계에서의 전기전도도와 상기 5) 단계에서의 전기전도도의 차이로부터 중탄산이온의 농도를 구하는 단계;를 포함하는 탄산종 고감도 검출 방법을 제공하여, 시료수 내에 황산이온, 질산이온 및 염소 이온 등이 공존하는 경우에도 신속, 정확하게 탄산이온을 검출할 수 있도록 한다.
본 발명의 또 다른 관점에서는, 이온교환수지탑의 처리수 출구에 연결되며, 상기 이온교환수지탑을 통과한 처리수 중 일부를 취하여 시료수로 제공하는 시료수 제공부; 상기 시료수 제공부의 일 단에 연결되며, 상기 시료수 내의 탄산을 염화나트륨으로 전환시키는 혼합 칼럼; 상기 혼합 칼럼과 연결되며, 상기 시료수 내의 염화나트륨을 염산으로 전환시키는 양이온 칼럼; 상기 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정부; 상기 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 양이온 칼럼을 통과한 시료수를 상기 이온교환수지탑 입구로 보내는 시료수 환송부;를 포함하여 구성되는 탄산종 고감도 검출장치를 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 관점에서는, 이온교환수지탑의 처리수 출구에 연결되며, 상기 이온교환수지탑을 통과한 처리수 중 일부를 취하여 시료수로 제공하는 시료수 제공부; 상기 시료수 제공부의 일 단에 연결되며, 상기 시료수 내의 양이온을 수소이온으로 전환하는 제1 양이온 칼럼; 상기 제1 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 제1 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 제1 전기전 도도 측정부; 상기 제1 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 시료수 내의 탄산을 염화나트륨으로 전환시키는 혼합 칼럼; 상기 혼합 칼럼과 연결되며, 상기 시료수 내의 염화나트륨을 염산으로 전환시키는 제2 양이온 칼럼; 상기 제2 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 제2 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정부; 상기 제2 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 제2 양이온 칼럼을 통과한 시료수를 상기 이온교환수지탑 입구로 보내는 시료수 환송부;를 포함하여 구성되는 탄산종 고감도 검출장치를 제공하여, 시료수 내에 황산이온, 질산이온 및 염소 이온 등의 음이온이 공존하는 경우에도 신속, 정확하게 탄산이온을 검출할 수 있도록 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출 장치를 설명한다.
< 실시예 1 >
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출장치(1)의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출장치(1)는, 시료수 제공부; 혼합 칼럼; 양이온 칼럼; 전기전도도 측정부; 시료수 환송부;를 포함하여 구성된다.
여기에서 시료수 제공부(10)는 이온교환수지탑(T)으로부터 시료수를 취하여 본 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출장치(1)에 제공하는 역할을 한다. 즉, 그 일단은 이온교환수지탑(T)의 처리수 출구(T1)에 연결되고, 그 타단은 혼합 칼럼(20)의 입구에 연결되는 관구조로 이루어지며, 이온교환수지탑(T)을 통과한 처리수 중 일부를 취하여 탄산종 고감도 검출장치(1)에 시료수로 제공하는 것이다.
이 시료수 제공부(10)에는 그 소정부분에 시료수 제공부를 통과하는 시료수의 양을 측정하고 조절할 수 있는 시료수 조절밸브(12)가 더 마련되는 것이 바람직하다. 너무 많은 양의 시료수가 빠른 속도로 칼럼을 통과하는 경우에는 칼럼이 제 기능을 발휘할 수 없으므로, 이 시료수 조절밸브(12)는 시료수 제공부를 통과하는 시료수의 양을 측정하여 적합한 양의 시료수가 통과하도록 시료수의 양을 조절한다.
다음으로 혼합 칼럼(20)은 시료수 내의 중탄산 이온(HCO3
-)을 염소이온(Cl-)으로 전환시키는 역할을 한다. 즉, 그 일단이 전술한 시료수 제공부(10)의 말단에 연결되며, 그 타단은 양이온 칼럼(30)의 일단에 연결되며, 그 내부에는 혼합수지가 충진되어 있어서, 중탄산 이온(HCO3
-)을 염소이온(Cl-)으로 전환시키는 것이다. 여기에서 '혼합 칼럼'이라 함은, 나트륨형 양이온 교환수지와 염소형 음이온 교환수지가 혼합된 혼합수지가 충진되어 있는 칼럼을 말한다. 따라서 이 혼합 칼럼은 수소이온을 나트륨 이온으로, 중탄산이온을 염소이온으로 전환시킨다. 본 실시예에서 는 이 혼합 칼럼 내에 충진되는 혼합수지를 나트륨(Na)형 양이온교환수지와 염소(Cl)형 음이온교환수지가 혼합되어 형성되는 혼합수지로 한다.
다음으로 양이온 칼럼(30)은 전술한 혼합 칼럼(20)을 통과한 시료수 내의 염화나트륨(NaCl)을 염산(HCl)으로 전환시키는 역할을 하는 구성요소이다. 즉, 그 일단이 혼합 칼럼(20)의 말단에 연결되고, 그 타단은 시료수 환송부(40)의 입구와 연결되며, 그 내부에는 양이온 교환수지가 충진되어 있어서, 나트륨 양이온(Na+)을 수소이온(H+)으로 전환시켜 염화나트륨(NaCl)을 염산(HCl)으로 전환시키는 것이다. 여기에서 '양이온 칼럼'이라 함은 그 내부에 수소형 양이온 교환수지가 충진되어 그 내부를 통과하는 액체에 포함되어 있는 특정한 양이온을 수소이온으로 전환할 수 있는 칼럼을 말한다. 본 실시예에서는 이 양이온 칼럼 내부에 수소(H)형 양이온 교환수지를 충진시킨다.
다음으로 전기전도도 측정부(50)는 양이온 칼럼 말단(30) 소정 부분에 연결되어 양이온 칼럼(30)을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 구성요소이다. 본 실시예에서는 이 전기전도도 측정부(50)를, 양이온 칼럼(30)을 통과한 시료수가 통과하는 경로에 설치되어 시료수와 직접 접촉되는 전기전도도셀(52); 그 전기전도도셀(52)과 전기적으로 연결되어 전기전도도셀(52)에서 전달되는 데이타를 처리하여 전기전도도를 계산하고, 출력하는 전기전도도 측정기(54)로 구성된다.
다음으로 본 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출장치(1)에는, 그 일단이 상기 양이온 칼럼(30)의 말단에 연결되고, 그 타단은 상기 시료수 환송부(40)와 연결되 며, 양이온 칼럼(30)을 통과한 시료수 내의 염소이온(Cl-)을 흡착하여 제거하는 음이온 칼럼(60)이 더 마련되는 것이 바람직하다. 여기에서 '음이온 칼럼'이라 함은 그 내부에 수산이온(OH-)형 음이온 교환수지가 충진되어 그 내부를 통과하는 액체에 포함되어 있는 음이온을 흡착하여 제거할 수 있는 칼럼을 말한다. 본 실시예에서는 이 음이온 칼럼 내부에 수산이온(OH-)형 음이온 교환수지를 충진시킨다.
전술한 양이온 칼럼(30)을 통과한 시료수는 다시 이온교환수지탑(T)으로 보내져서 계통수로 사용된다. 그런데 양이온 칼럼(30)을 통과한 시료수 내에는 염소이온(Cl-)이 포함되어 있으므로 이 염소이온(Cl-)을 제거하기 위하여 음이온 칼럼(60)을 마련하고, 염소이온(Cl-)을 흡착하여 제거하는 것이다.
다음으로 시료수 환송부(40)는 본 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출장치(1)를 통과한 시료수를 이온교환수지탑(T)으로 환송시켜 계통수로 재사용되도록 하는 구성요소이다. 즉, 전술한 음이온 칼럼(60)의 말단에 그 일단이 연결되고, 그 타단은 이온교환수지탑의 입구(T2)에 연결되어, 시료수를 이온교환수지탑(T)으로 환송시키는 것이다.
< 실시예 2 >
한편 시료수 중에 황산이온(SO4
2-), 질산이온(NO3
-), 염소이온(Cl
-) 등의 음이 온이 공존하는 경우에는 전술한 제1 실시예와 다른 구조의 탄산종 고감도 검출장치를 사용하여야 한다. 즉, 이미 존재하는 음이온에 의한 전기전도도의 기여분을 제거하고 순수하게 C-14을 포함하는 탄산이온으로부터 전환된 염소이온에 의한 전기전도도만을 고려하기 위한 장치가 요구되는 것이다.
따라서 본 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출장치는, 시료수 제공부; 제1 양이온 칼럼; 제1 전기전도도 측정부; 혼합 칼럼; 제2 양이온 칼럼; 제2 전기전도도 측정부; 시료수 측정부;를 포함하여 구성된다. 여기에서 시료수 제공부, 혼합 칼럼, 시료수 측정부는 제1 실시예의 그것과 그 구조 및 기능이 동일하므로 반복하여 설명하지 않는다.
다음으로 제1 양이온 칼럼은 시료수 제공부의 일 단에 연결되며, 타단은 혼합 칼럼의 일 단에 연결된다. 이 제1 양이온 칼럼은 그 내부에 양이온교환수지가 충진되어 있으며, 그 내부를 통과하는 시료수 내의 양이온을 흡착하여 제거하는 역할을 한다. 본 실시예에서는 이 제1 양이온 칼럼 내부에 수소(H)형 양이온 교환수지를 충진시켜 사용한다.
그리고 이 양이온 칼럼의 말단에는 제1 전기전도도 측정부가 연결되어 마련된다. 즉, 이 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하여 시료수 내에 존재하는 음이온의 농도를 구하려는 것이다. 제1 전기전도도 측정부는 제1 실시예에서의 전기전도도 측정부와 동일한 기능과 구조를 가진다.
다음으로 양이온 칼럼을 통과한 시료수를 혼합 칼럼 및 제2 양이온 칼럼에 통과시켜 중탄산 이온(HCO3
-)을 염산(HCl)으로 전환시킨다. 그리고 나서 제2 양이온 칼럼 말단에 제2 전기전도도 측정부를 설치하고, 제2 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정한다. 이 제2 전기전도도 측정부에서 측정되는 전기전도도는 시료수에 처음부터 포함되어 있던 황산이온(SO4
2-), 질산이온(NO3
-
), 염소이온(Cl-) 등의 음이온에 의한 전기전도도와 본 실시예에 따른 혼합칼럼과 제2 양이온 칼럼에 의하여 중탄산이온(HCO3
-)이 전환되어 생성된 염소이온(Cl-)에 의한 전기전도도가 합해져서 측정된다.
따라서 이 제2 전기전도도 측정부에서 측정되는 전기전도도와 제1 전기전도도 측정부에서 측정되는 전기전도도의 차이를 이용하여 시료수 내의 중탄산 이온(HCO3
-)의 농도를 알아 낼 수 있는 것이다.
다음으로는 본 발명에 따른 탄산종 고감도 검출 방법의 실시예를 설명한다.
먼저 이온교환수지탑을 통과해서 배출되는 처리수의 일부를 취하여 시료수를 구하는 단계(S110)가 진행된다. 본 실시예는 이온교환수지탑을 통과한 처리수에 C-14가 포함되어 있는 탄산종을 검출하여 이온교환수지탑의 성능을 감시하기 위한 것이므로, 이온교환수지탑을 통과한 처리수 중에 일부를 취하여 그 속에 탄산종이 포함되어 있는지를 검출해야 한다. 따라서 이온교환수지탑 중 처리수가 배출되는 출 구 소정 부분에 처리수 중의 일부를 시료수로 취하는 것이다.
다음으로 이 시료수를 혼합칼럼에 통과시켜 시료수 중의 중탄산 이온(HCO3
-)을 염소인온(Cl-)으로 전환시키는 단계(S120)가 진행된다. 본 실시예에서는 전기전도도법으로 시료수 중의 이온의 농도를 구한다. 그러나 중탄산 이온(HCO3
-)은 전기전도도법에 의하여 농도를 구하기 어려운 이온종이다. 따라서 중탄산 이온(HCO3
-)을 전기전도도법으로 농도 측정이 용이한 염소 이온(Cl-)으로 전환시켜 간접적으로 중탄산 이온(HCO3
-)의 농도를 측정하려는 것이다. 중탄산 이온(HCO3
-
)을 염소이온(Cl-)으로 전환하는데 있어서, 본 단계에서는 탄산(H2CO3)을, 혼합 칼럼을 이용하여, 염화나트륨(NaCl)으로 전환시킨다.
다음으로는 양이온 칼럼을 이용하여 나트륨 이온(Na+)을 수소이온(H+)으로 전환시켜 염화나트륨(NaCl)을 염산(HCl)으로 전환시키는 단계(S130)가 진행된다.
그리고 나서 이 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 단계(S140)가 진행된다. 즉, 혼합칼럼과 양이온 칼럼을 통과하여 중탄산 이온(HCO3
-)이 염소 이온(Cl-)으로 전환된 상태에서 이 염소이온에 의한 전기전도도를 측정하 여 간접적으로 시료수 중의 중탄산 이온(HCO3
-)의 농도를 구한다.
다음으로 시료수 중에 포함되어 있는 염소이온(Cl-)을 제거하고, 이온교환수지탑으로 돌려보내는 단계(S150)가 진행된다. 이 단계에서는 시료수를 음이온 칼럼에 통과시켜 염소이온을 제거한다. 이때 수산이온형 음이온 교환수지가 충진된 음이온 칼럼을 이용하여 염소이온이 수산이온으로 치환되도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하여 염소이온이 제거된 시료수는 이온교환수지탑으로 되돌려 보내진다(S160).
따라서 본 실시예에 따른 탄산종 고감도 검출방법은, 이온교환수지탑을 통과한 처리수 중 일부를 연속적으로 시료수로 채취하여 그 속에 포함되어 있는 중탄산 이온의 농도를 측정하고, 시료수를 다시 이온교환수지탑으로 돌려보낸다. 따라서 본 실시예에 의하면 처리수 중 일부를 계속하여 순환시키면서 실시간으로 처리수 중의 탄산이온의 농도를 측정하여 이온교환수지탑의 성능을 감시하는 것이다.
한편 시료수 내에 황산이온(SO4
2-), 질산이온(NO3
-), 염소이온(Cl
-) 등이 이미 공존하는 경우에는 전술한 방법과 약간 다른 방법을 사용하여 탄산이온의 농도를 구하여야 한다. 즉, 이미 시료수 중에 존재하는 음이온이 기여하여 발생하는 전기전도도를 제외하고, 순수하게 중탄산 이온(HCO3
-)이 전환되어 발생되는 염소이온(Cl-)이 기여하여 발생하는 전기전도도만을 얻어야 하는 것이다.
따라서 중탄산 이온(HCO3
-)을 염소이온(Cl-)으로 전환하기 전에 미리 시료수의 전기전도도를 측정하고, 중탄산 이온(HCO3
-)을 염소이온(Cl-)으로 전환한 후에 시료수의 전기전도도를 측정하여 그 값의 차이를 이용하여 중탄산 이온의 농도를 구할 수 있다.
이 경우에도 나머지 단계는 전술한 탄산종 고감도 검출 방법과 동일하므로 반복하여 설명하지 않는다. 다만, 중탄산 이온을 염소이온으로 전환하기 전에 시료수의 전기전도도를 한번 더 측정하는 것이 상이하다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의하여 중탄산 이온의 농도를 구할 수 있는 이론적 배경을 설명하면서 본 발명이 종래 기술보다 우수한 장점을 설명한다.
먼저 본 발명에서 탄산종의 농도를 측정하기 위하여 사용하는 전기전도도 측정방법은 수중에 존재하는 이온상 물질의 함유 정도를 파악하기 위하여 가장 널리 사용되는 방법이다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 이온의 농도와 전기전도도 사이에 직선관계가 성립하므로 전기전도도를 측정하여 이에 비례하는 이온의 농도를 측정하는 것이다. 그러나 도 3에 도시된 바와 같이, 염소이온(Cl-), 황산이온(SO4
2-) 등은 이온의 농도와 전기전도도 간에 직선관계가 잘 성립되지만, 중탄산 이온(HCO3
-
)의 경우에는 직선관계가 성립하지 않기 때문에 전기전도도를 이용하여 이온의 농도를 정확하게 측정할 수 없다. 즉, 탄산가스가 물에 용해되는 경우 그 해리도(이온으로 되는 정도)가 극히 작기 때문에 전기전도도에 미치는 영향이 작아 전기전도도법을 이용하여 검출하는 것이 어려운 것이다. 따라서 본 발명에서는 중탄산이온(HCO3
-)을 염소이온(Cl-)으로 전환시켜 간접적으로 중탄산이온(HCO
3
-)의 농도를 측정하는 것이다.
이하에서는 중탄산이온(HCO3
-)이 이온교환수지에 의하여 염소이온(Cl-)으로 전환되는 과정을 설명한다.
탄산가스(CO2)는 도 4에 도시된 바와 같이, 수중에 용해되면 여러가지 형태로 존재한다. 즉, 물의 pH에 따라서 존재하는 탄산종이 크게 달라진다. pH 4 이하에서는 거의 대부분의 탄산종이 수화된 탄산가스(CO2(aq))로 존재한다. 그리고 pH가 높아짐에 따라 중탄산이온(HCO3
-)의 비율이 점차 높아져서 pH 8 부근에서 최대로 된다. pH가 그 이상으로 높아지면 중탄산이온(HCO3
-)은 점차 감소하고, 탄산이온(CO
3
2-)이 증가되어 pH 11 에서 최대로 된다. 그런데 염소이온으로 전환되는 탄산종은 수화된 탄산가스(CO2(aq))가 아니라 중탄산이온(HCO3
-) 및 탄산이온(CO3
2-) 같은 이온성 탄산종이다. 따라서 물의 pH가 높아지면 이온상으로 존재하는 탄산종이 증가하므로 염소이온으로 전환되는 비율이 높아지게 된다. 결과적으로 물속에 존재하는 전체 탄산종의 농도가 낮더라도 이온으로 존재하는 탄산종이 많으므로 보다 신속하게 탄산종을 검출할 수 있는 것이다.
따라서 본 실시예에서는 물의 pH를 높이기 위하여 수화된 탄산 가스(H2CO3(aq))에서 수소 이온(H+)을 나트륨 이온(Na+)으로 치환시킨다. 즉, 수화된 탄산 가스(H2CO3(aq))에서 수소 이온을 나트륨으로 치환시키면 중탄산나트륨(NaHCO3)이 형성되어 물의 pH가 높아진다. 따라서 중탄산이온이 증가되어 염소로 치환되는 비율이 높아지는 것이다.
그 화학적 과정은 다음과 같다.
< 화학식 1 >
< 화학식 2 >
탄산가스는 물에 용해되면 수화된 탄산가스로 된다. 이 탄산가스는 해리 상수가 매우 작아서 매우 적은 양이 해리되어 중탄산이온과 수소이온으로 된다. 여기에서 양이온 교환수지를 이용하여 수소이온(H+)을 나트륨 이온(Na+)으로 전환시키면 화학식 3에 나타난 바와 같이, 중탄산 나트륨(NaHCO3)이 생성되어 물의 pH가 높아진다.
< 화학식 3 >
이때 본 발명에서는 혼합칼럼이 사용되므로 화학식 4에서 알수 있듯이, 중탄산이온(HCO3
-)은 다시 염소형 이온교환수지의 염소이온(Cl-)과 치환된다.
< 화학식 4 >
결과적으로 염화나트륨(NaCl)이 물에 용해된 상태가 된다.
< 화학식 5 >
R-H + Na+ + Cl- ----> R-Na + H+ + Cl-
(화학식 3, 4, 5 에서 R은 수지 본체를 나타낸다)
그리고 나서 수소형 양이온 교환수지를 이용하여 화학식 5에 나타난 바와 같이, 나트륨 이온(Na+)을 수소이온(H+)으로 치환하여 염산(HCl)이 생성되도록 한다. 따라서 생성된 염산(HCl)의 농도는 중탄산이온(HCO3
-)의 농도에 비례한다. 그러므로 염산농도를 전기전도도 측정법을 이용하여 측정하면 중탄산이온(HCO3
-)의 농도를 구할 수 있다.
종래의 중탄산 이온 검출방법은 단순히 염소형 음이온 교환수지를 이용하여 중탄산이온(HCO3
-)을 염소이온(Cl-)으로 전환하는데 불과하지만, 본 발명에 의하여 혼합수지를 이용하여 탄산가스의 수소이온을 나트륨 이온으로 치환하여 물의 pH를 높여서 물속의 중탄산이온(HCO3
-)을 증가시키는 적극적인 중탄산이온 검출 방법이므로 종래의 방법보다 더 신속하게 중탄산이온(HCO3
-)의 농도를 검출할 수 있는 것이다.
이는 도 5에 도시된 각 방법별 중탄산이온 검출특성을 보면 명확하게 알 수 있다. 즉, 종래의 방법에서는 시료 주입후 55분이 경과하여 전기전도도가 최대로 나타나며, 두가지 이온교환수지를 각각 사용한 경우에는 6분 정도가 경과후 일차적인 전기전도도 증가가 있은 후 35분이 경화하면 다시 2차적으로 전기전도도가 증가하기 시작하여 48분 정도에서 최대를 나타낸다. 따라서 어느 정도의 검출 속도 증가 효과가 있지만 응답성이 크게 향상되지는 않은 것으로 판단된다.
반면에 혼합칼럼을 사용한 경우에는 시료 주입 후 즉시 전기전도도가 증가하 기 시작하여 30분 정도에 최대를 나타내어 응답성이 종래보다 현저하게 향상되었음을 알 수 있다.
그리고 도 6은 혼합 칼럼을 사용하되, 중탄산이온(HCO3
-)의 농도를 달리하며 검출특성을 나타낸 그래프이다. 도 6에 의하면 중탄산이온(HCO3
-)의 농도에 따라 전기전도도의 차이가 현저하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명이 수중의 중탄산 이온 검출에 매우 유용하게 활용될 수 있는 것임을 알 수 있다.
본 발명은 중수형 원자력발전소 1차계통에서 운전 중에 발생하는 방사성 핵종인 C-14를 포함하는 탄산가스(CO2)를 제거하기 위한 정화계통의 이온교환수지탑의 성능이 저하시점에서 누출되는 중탄산이온(성능 저하시 가장 먼저 누출된다)을 감시하여 적기에 이온교환수지를 교체함으로서 대기중으로 방출되는 방사성 핵종인 C-14를 최소화하고 방사성 폐기물의 발생량을 줄이는 한편, 운영비를 줄이는데 기여할 수 있다. 특히 본 발명에 의하면 낮은 농도의 중탄산이온도 신속하게 검출할 수 있는 장점이 있다.
Claims (14)
1) 이온교환수지탑을 통과한 처리수의 일부를 취하여 시료수를 구하는 단계;
2) 상기 시료수를 혼합칼럼에 통과시켜 시료수 중의 탄산을 염화나트륨으로 전환시키는 단계;
3) 상기 염화나트륨이 포함된 시료수를 양이온 칼럼에 통과시켜 시료수 중의 염화나트륨을 염산으로 전환시키는 단계;
4) 전기전도도셀을 이용하여 시료수의 전기전도도를 측정하는 단계;를
포함하는 탄산종 고감도 검출 방법.
제1항에 있어서,
상기 4) 단계 수행 후에, 상기 시료수를 음이온 칼럼에 통과시켜 염소이온을 제거하고, 상기 이온교환수지탑 입구로 보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출방법.
1) 이온교환수지탑을 통과한 처리수의 일부를 취하여 시료수를 구하는 단계;
2) 상기 시료수를 양이온 칼럼에 통과시킨 후 전기전도도셀을 이용하여 그 시료수의 전기전도도를 측정하는 단계;
3) 상기 시료수를 혼합칼럼에 통과시켜 시료수 중의 탄산을 염화나트륨으로 전환시키는 단계;
4) 상기 염화나트륨이 포함된 시료수를 양이온 칼럼에 통과시켜 염산으로 전환시키는 단계;
5) 전기전도도셀을 이용하여 상기 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 단계;
6) 상기 2) 단계에서의 전기전도도와 상기 5) 단계에서의 전기전도도의 차이로부터 중탄산이온의 농도를 구하는 단계;를
포함하는 탄산종 고감도 검출 방법.
제3항에 있어서,
상기 6) 단계 수행 후에, 상기 시료수를 음이온 칼럼에 통과시켜 염소이온을 제거하고, 상기 이온교환수지탑 입구로 보내는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출방법.
이온교환수지탑의 처리수 출구에 연결되며, 상기 이온교환수지탑을 통과한 처리수 중 일부를 취하여 시료수로 제공하는 시료수 제공부;
상기 시료수 제공부의 일 단에 연결되며, 상기 시료수 내의 탄산을 염화나트륨으로 전환시키는 혼합 칼럼;
상기 혼합 칼럼과 연결되며, 상기 시료수 내의 염화나트륨을 염산으로 전환시키는 양이온 칼럼;
상기 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정부;
상기 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 양이온 칼럼을 통과한 시료수를 상기 이온교환수지탑 입구로 보내는 시료수 환송부;를
포함하여 구성되는 탄산종 고감도 검출장치.
제5항에 있어서, 상기 혼합칼럼은,
나트륨형 양이온교환수지와 염소형 음이온교환수지의 혼합수지가 충진된 칼럼인 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출장치.
제5항에 있어서, 상기 양이온 칼럼은,
수소형 양이온교환수지가 충진된 칼럼인 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출 장치.
제5항에 있어서,
일단이 상기 양이온 칼럼의 말단에 연결되고, 그 타단은 상기 시료수 환송부와 연결되며, 상기 시료수 내의 염소이온을 흡착하여 제거하는 음이온 칼럼이 더 마련되는 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출장치.
제8항에 있어서, 상기 음이온 칼럼은,
수산이온형 음이온교환수지가 충진된 칼럼인 것을 특징으로 하는 탄산종 고 감도 검출장치.
이온교환수지탑의 처리수 출구에 연결되며, 상기 이온교환수지탑을 통과한 처리수 중 일부를 취하여 시료수로 제공하는 시료수 제공부;
상기 시료수 제공부의 일 단에 연결되며, 상기 시료수 내의 양이온을 수소이온으로 전환시키는 제1 양이온 칼럼;
상기 제1 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 제1 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 제1 전기전도도 측정부;
상기 제1 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 시료수 내의 탄산을 염화나트륨으로 전환시키는 혼합 칼럼;
상기 혼합 칼럼과 연결되며, 상기 시료수 내의 염화나트륨을 염산으로 전환시키는 제2 양이온 칼럼;
상기 제2 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 제2 양이온 칼럼을 통과한 시료수의 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정부;
상기 제2 양이온 칼럼의 말단에 연결되며, 상기 제2 양이온 칼럼을 통과한 시료수를 상기 이온교환수지탑 입구로 보내는 시료수 환송부;를
포함하여 구성되는 탄산종 고감도 검출장치.
제10항에 있어서, 상기 혼합칼럼은,
나트륨형 양이온교환수지와 염소형 음이온교환수지의 혼합수지가 충진된 칼 럼인 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출장치.
제10항에 있어서, 상기 제2 양이온 칼럼은,
수소형 양이온교환수지가 충진된 칼럼인 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출 장치.
제10항에 있어서,
일단이 상기 제2 양이온 칼럼의 말단에 연결되고, 그 타단은 상기 시료수 환송부와 연결되며, 상기 시료수 내의 염소이온을 흡착하여 제거하는 음이온 칼럼이 더 마련되는 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출장치.
제13항에 있어서, 상기 음이온 칼럼은,
수산이온형 음이온교환수지가 충진된 칼럼인 것을 특징으로 하는 탄산종 고감도 검출장치.
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| CN113030226B (zh) * | 2021-03-30 | 2023-08-11 | 大唐秦岭发电有限公司 | 一种在线钠表校准方法 |
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| KR100518267B1 (ko) | 2002-12-21 | 2005-10-04 | 한국전력공사 | 검출감도를 향상시킬 수 있는 수중 유기물 측정 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 장치 |
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2004
- 2004-08-05 KR KR1020040061696A patent/KR100627694B1/ko not_active IP Right Cessation
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