KR100736020B1 - Method of recovery of low grade deuterium oxide having improved purity - Google Patents

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이민수
백승우
안도희
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Abstract

A method for re-collecting low grade deuterium oxide vapor having improved purity is provided to re-collect the deuterium oxide vapor having improved purity by collecting the low grade deuterium oxide vapor when a density of the deuterium oxide vapor is reduced in an outlet of an absorption tower. A method for re-collecting low grade deuterium oxide vapor having improved purity includes the steps of: absorbing the low grade deuterium oxide vapor to an absorbent of an absorption tower; performing elution to a movable phase by heating the absorbent of the previous step and detaching the deuterium oxide vapor from the absorbent; and classifying a moisture density of the eluted deuterium oxide vapor by the purity and collecting the deuterium oxide vapor when the moisture density of the eluted deuterium oxide vapor at the previous step is reduced from a saturated state.

Description

순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법{Method of recovery of low grade deuterium oxide having improved purity}Method of recovery of low grade deuterium oxide having improved purity

도 1은 중수소 순도에 따른 H2O, HDO 및 D2O 평형 조성 다이아그램; 1 is a diagram of H 2 O, HDO and D 2 O equilibrium composition according to deuterium purity;

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따라 순도가 0.3 몰분율인 중수증기를 회수하기 위해 탈착시 경수(H2O) 및 저등급 중수(HDO)의 시간에 따른 용리 거동을 나타낸 그래프; 2A is a graph showing elution behavior over time of hard water (H 2 O) and low grade heavy water (HDO) upon desorption to recover heavy water vapor having a purity of 0.3 mole fraction according to one embodiment of the present invention;

도 2b는 본 발명의 일실시예에 따라 순도가 0.5 몰분율인 중수증기를 회수하기 위해 탈착시 경수(H2O) 및 저등급 중수(HDO)의 시간에 따른 용리 거동을 나타낸 그래프; 2B is a graph showing elution behavior over time of hard water (H 2 O) and low grade heavy water (HDO) upon desorption to recover heavy water vapor having a purity of 0.5 mole fraction according to one embodiment of the present invention;

도 2c는 본 발명의 일실시예에 따라 순도가 0.7 몰분율인 중수증기를 회수하기 위해 탈착시 경수(H2O) 및 저등급 중수(HDO)의 시간에 따른 용리 거동을 나타낸 그래프; FIG. 2C is a graph showing elution behavior over time of hard water (H 2 O) and low grade heavy water (HDO) upon desorption to recover heavy water vapor having a purity of 0.7 mole fraction in accordance with one embodiment of the present invention; FIG.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 저등급 중수증기 포화를 위해 임의 온도에서 일정한 상대습도를 가진 공기를 통과시킬 때, 시간에 따른 흡착탑의 출구 공기흐름의 노점 거동을 나타낸 그래프; 및 Figure 3a is a graph showing the dew point behavior of the outlet air flow of the adsorption tower over time, when passing the air having a constant relative humidity at any temperature for low grade heavy water vapor saturation according to an embodiment of the present invention; And

도 3b는 본 발명의 일실시예에 따라 탈착시 경수(H2O) 및 중수증기(HDO)의 시간에 따른 용리 거동을 나타낸 그래프. Figure 3b is a graph showing the elution behavior with time of desorption hard water (H 2 O) and heavy water vapor (HDO) in accordance with an embodiment of the present invention.

본 발명은 냉각재와 감속재로 원자로급 고순도 중수(D2O)를 이용하는 중수형 원자력 발전소의 중수계통으로부터 누출되어 수증기 흡수에 의해 순도가 낮아진 저등급 중수증기의 회수방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for recovering low grade heavy water vapor, which is leaked from a heavy water system of a heavy water type nuclear power plant using a reactor grade high purity heavy water (D 2 O) as a coolant and a moderator, and has a lower purity due to water vapor absorption.

중수는 겉모양은 천연수와 같으나, 핵적(核的) 특성은 천연수와 크게 다른 신비한 물의 동위체(同位體)이다. 상기 중수는 모든 천연수 속에 0.015%의 함량으로 존재하며, 비중은 1.1로 천연수보다 10% 더 무겁다. 중수의 존재가 처음 세상에 알려진 것은 1934년 미국의 유레이 교수가 중수 발견으로 노벨상을 받으면서부터이다. 천연수를 수백 차례 분별증류 처리하면 극소량의 무거운 물이 남게 되는데 이것이 중수이다. 상기 중수를 구성하는 중수소는 수소와 마찬가지로 1s의 전자궤도에 1개의 전자가 있으며, 산소의 sp3 혼성궤도와 결합하여 안정한 화합물형태인 물분자를 형성하기 때문에 중수와 수소를 포함하는 천연수인 경수는 동일한 구조를 갖는다. 이와 같이 동일한 구조를 갖는 중수와 경수는 산소원자에 결합된 중 수소와 수소의 원자질량차이에 의한 동위원소효과(Isotope Effect)로 전자 및 분자운동의 에너지 준위 차이가 생기며 서로 다른 화학적 또는 분광학적 특성을 지닌다. 상기 중수와 경수는 24 kJ/mol을 전후로 해서 수소결합력의 차이를 가지며 밀도, 융점, 비점, 삼중점, 증발열, 열용량, 확산율 등의 미소한 물리적 성질의 차이를 갖는다. Heavy water is the same as natural water, but its nuclear nature is a mysterious isotope of water that differs greatly from natural water. The heavy water is present in all natural water in an amount of 0.015%, and the specific gravity is 1.1% heavier than natural water. The existence of heavy water first became known to the world after Professor Urei in 1934 won the Nobel Prize for heavy water discovery. Hundreds of fractional distillation of natural water leaves a very small amount of heavy water, which is heavy water. Deuterium constituting the heavy water, like hydrogen, has one electron in the electron orbit of 1 s, and combines with the sp 3 hybrid orbit of oxygen to form a water compound in the form of a stable compound, so that hard water is natural water containing heavy water and hydrogen. Has the same structure. As such, heavy water and hard water having the same structure have different isochemical effects due to the isotope effect due to the atomic mass difference between heavy hydrogen and hydrogen bonded to the oxygen atom, and different chemical or spectroscopic characteristics. Has The heavy water and the hard water have a difference in hydrogen bonding force around 24 kJ / mol and have slight physical properties such as density, melting point, boiling point, triple point, heat of evaporation, heat capacity, and diffusion rate.

중수가 인류에 기여하게 된 것은 그것의 중성자 반응 특성 때문이다. 우라늄의 핵분열 시 생성되는 중성자는 중수와 반응하여 연쇄반응에 유용한 열중성자(熱中性子)로 감속(減速)된다. 원자로의 냉각재(冷却材)로 천연수 대신 중수를 사용하면 연쇄반응이 더욱 활발히 진행된다. 왜냐하면 열중성자는 천연수에 쉽게 흡수 소멸되지만, 중수에는 거의 흡수되지 않기 때문이다. 따라서 중수를 사용하면 농축되지 않은 천연 우라늄으로도 원자력발전을 할 수 있다.Heavy water contributed to mankind because of its neutron response. The neutrons generated during the nuclear fission of uranium react with heavy water and are decelerated into thermal neutrons useful for the chain reaction. If heavy water is used instead of natural water as the coolant of the reactor, the chain reaction proceeds more actively. Because thermal neutrons are easily absorbed and destroyed by natural water, they are hardly absorbed by heavy water. Thus, heavy water can be used to generate nuclear power from unconcentrated natural uranium.

그러나, 상기 중수는 끓는 온도가 101.4 ℃로 천연수와 거의 같은 물성을 가지고 있기 때문에 원자로급인 99.8%의 농도로 분리 농축하는 데는 고도의 기술이 필요하다. 현재 중수 분리에는 황화수소법이나 암모니아법과 같은 화학교환법이 사용되고 있고, 거대한 장치와 막대한 에너지 비용 때문에 중수는 1 kg에 약 200달러의 고가에 수입되고 있는 실정이다.However, since the heavy water has a boiling point of 101.4 ° C. and has substantially the same properties as that of natural water, it is necessary to have a high level of technology for separating and concentrating the reactor to a concentration of 99.8%, which is a nuclear reactor. Currently, heavy water separation uses a chemical exchange method such as hydrogen sulfide method or ammonia method, and heavy water is imported at a high price of about $ 200 / kg due to huge equipment and enormous energy costs.

중수형 원자력발전소의 감속재 또는 냉각재 중수계통에서 순환되는 고온 고 압의 중수는 소량의 누설이 불가피하게 발생하며, 일부는 액체상태로 회수되지만 누설되는 순간 바로 증발하여 중수증기형태가 되고, 이러한 중수증기의 중수소는 삼중수소로 오염될 수 있다. 따라서 삼중수소로 오염된 중수 증기에 의한 작업자의 피폭 방지와 고가의 중수 회수를 위해 중수증기는 신속하게 회수되어야 한다.The high temperature and high pressure heavy water circulated in the moderator or coolant heavy water system of heavy water type nuclear power plant inevitably generates a small amount of leakage, and some of it is recovered as a liquid state, but as soon as it leaks, it evaporates to form heavy water vapor. Deuterium can be contaminated with tritium. Therefore, in order to prevent workers from being exposed to heavy water vapor contaminated with tritium and to recover expensive heavy water, the heavy water vapor must be recovered quickly.

상기 고가의 원자로급 순도(99.8%이상)의 중수는 계통으로부터 일단 누설되면 공기중 수증기 유입에 의해 순도가 다소 낮은 저등급화 순도가 되지만 회수하여 일련의 정제시스템을 경유하여 고온 스팀으로 구동되는 중수 승급기에서 원자로급 순도로 승급할 수 있다.The heavy water of the reactor grade purity (99.8% or more) of the expensive reactor, once leaked from the system, becomes a low graded purity with low purity due to inflow of water vapor into the air, but is recovered and driven by hot steam through a series of purification systems. Upgrade from reactor to reactor-grade purity.

상기 중수 승급기는 다단 물증류 공정으로 구성된다. 상기 다단 물증류 공정은 일정온도에서 각단의 액상의 중수 성분조성이 기상보다 약간 더 높은 중수 조성을 이루는 기-액 평형의 원리에 의한 것으로서, 약 500개의 평형 이론단을 통하여 전체적으로 하부에는 원자로급 순도의 중수가 회수되고, 상부에는 대부분의 중수가 회수되며, 경수 성분만이 생성물로 유출될 수 있도록 조작된 연속 증류공정이다. 상기 승급기는 탑을 통하여 여러 개의 급수 지점에서 순도별 급수가 가능하도록 설계되어 있다. 상기 승급기의 하부에는 응축되어 내려오는 중수를 다시 증발시키기 위해 재비기(Reboiler)가 마련되어 있고, 상부에는 응축기(Condenser)에 의해 상향류의 수증기를 액화시켜 하향류로 환류시킨다. 이러한 과정으로 증류탑 전체를 통하여 탑 상부에서는 중수농도가 1% 이하로, 하부에서는 99.8%이상의 원자로급 중수순도의 농도분포가 형성되도록 재비기의 증발유량(Boil-up Rate)과 상부 응 축기에서의 상부생성물 대비 응축유량으로 정의되는 환류비(Reflux Ratio)를 조작한다. 따라서 상기 공정은 소정의 중수 조성과 회수율을 만족시키기 위하여 재비기에 의해 비등 상승되는 중수증기의 대부분이 응축기에 의해 액화되므로 연속조업을 위해서는 재비기의 열교환기에 공급되는 스팀열원의 에너지 소모가 막대한 공정으로 분류된다. The heavy water upgrade is composed of a multi-stage water distillation process. The multi-stage water distillation process is based on the principle of gas-liquid equilibrium in which the heavy water composition of each liquid phase at a certain temperature forms a slightly higher heavy water composition than the gaseous phase. Heavy water is recovered, and most of the heavy water is recovered at the top, and it is a continuous distillation process operated so that only hard water components can flow out into the product. The upgrader is designed to be capable of supplying purity at several water supply points through the tower. A reboiler is provided in the lower part of the upgrader to evaporate the condensed heavy water again, and the upper part is liquefied upstream by the condenser and refluxed downward. Through this process, the concentration of the heavy water concentration in the upper part of the tower is lower than 1% through the whole distillation column and the reactor-grade heavy water purity is formed in the lower part. Manipulate the Reflux Ratio, defined as the condensate flow rate relative to the top product. Therefore, in order to satisfy the predetermined heavy water composition and recovery rate, most of the heavy water vapor boiled up by the reboiler is liquefied by the condenser, so the energy consumption of the steam heat source supplied to the heat exchanger of the reboiler is enormous for continuous operation. Are classified.

회수된 저등급 중수는 누출 부위별로 그 순도가 다르기 때문에 농도별로 후속 승급장치에 내부 분포된 농도에 가까운 급수지점에 공급되어 전체 승급기 내부에 농도 균형을 왜곡시키지 않도록 조작된다. 승급기의 원리는 내부 상향류인 기체와 하향류인 액체의 접촉 장치인 충전물에서 기체-액체간의 미분적인 상평형을 유도하여 액체 쪽으로 중수 성분이 농축되어 원자로급 순도의 중수가 회수되는 것이다. 상기 승급기는 하부에 위치한 재비기에 의해 중수증기의 상향류를 유도하며, 상부에 위치한 응축기에 의해 적절한 환류비를 유지하여 소정의 경제적인 중수 성분을 회수한다. 따라서 중수 순도가 높을수록 승급기 하부쪽으로 급수가 되게 조작하므로 재비기의 부담을 줄일 수가 있어 경제적인 중수의 승급조작을 유도할 수가 있다. Because the recovered low grade heavy water differs in purity at each leak site, it is supplied to the water supply point close to the concentration distributed internally in the subsequent upgrade device by concentration so that it is operated so as not to distort the concentration balance inside the entire upgrader. The principle of the upgrader is to induce the differential phase equilibrium between the gas and liquid in the filling device, which is the contact device of the internal upflow gas and the downflow liquid, and concentrate the heavy water component toward the liquid to recover the reactor grade purity heavy water. The upgrader induces an upflow of the heavy water vapor by means of a reboiler located at the bottom, and maintains an appropriate reflux ratio by the condenser located at the top to recover a predetermined economic heavy water component. Therefore, the higher the purity of the heavy water, the more the water is supplied to the lower part of the upgrader, thereby reducing the burden of re-investment, thereby inducing the economical upgrade of heavy water.

한편, 중수 순도가 낮은 회수 중수의 급수는 탑의 상부쪽으로 유입되므로 회수부의 부담이 커져 환류비가 높아지므로 그에 해당하는 상향류를 보내야 하는 재비기(Reboiler)의 에너지 소모가 가중된다. 승급기는 급수지점을 중심으로 상부는 회수부(Stripping Section)로, 하부는 농축부(Enriching Section)로 구분되며 급수 지점이 높을수록 급수 중수순도는 낮아지고, 증류탑 내 처리되는 유량이 증가하여 재비기에서 소비되는 열원이 커진다. 따라서 승급 공정의 효율성을 극대화하기 위해서는 후속 물증류 공정에서 순도별 적절한 급수지점으로 회수된 저등급 중수를 공급해야 한다.Meanwhile, since the feedwater of the recovered heavy water having a low purity of the heavy water flows into the upper part of the tower, the burden of the recovery unit increases, and the reflux ratio is increased, thereby increasing the energy consumption of the reboiler that needs to send the corresponding upstream. The upgrader is divided into a section with a stripping section and an enrichment section with a water supply point at the bottom. The higher the water supply point, the lower the purity of the water is, and the flow rate in the distillation column increases and reboils. The heat source consumed by is increased. Therefore, in order to maximize the efficiency of the upgrade process, the low grade heavy water recovered from the subsequent water distillation process to the appropriate water supply point by purity should be supplied.

일반적으로 외부와 차단된 원자로 건물 내로 누설된 액체 중수는 집수시설(Sump)로 유도하여 회수되며, 일부 증발하여 증기화 된 중수증기는 건조기(Dryer)에 의해 흡착되어 회수되도록 관리하고 있다. In general, the liquid heavy water leaked into the reactor building, which is blocked from the outside, is guided and recovered by a sump, and the vaporized heavy water vapor is managed to be adsorbed and recovered by a dryer.

그러나, 현재 사용하는 증수증기 회수방법으로는 흡착장치에 흡착된 중수증기가 순도가 낮고, 순도에 따라 선택적인 회수가 어려워 후속 물증류 공정에서 순도별 적절한 급수지점으로 저등급 중수를 효율적으로 공급하지 못하는 문제가 있다.However, currently used steam recovery method does not supply the low grade heavy water efficiently to the appropriate water supply point by purity in the subsequent water distillation process because the heavy water vapor adsorbed on the adsorption device is low in purity and difficult to recover selectively depending on the purity. There is no problem.

이에, 본 발명자들은 저등급 중수증기의 흡착 및 탈착이 용이하며, 순도가 향상된 중수증기의 회수방법을 연구하던 중, 저등급 중수증기가 흡착제에 흡착된 후 재생 및 중수 회수를 위해 가열 탈착시 경수와의 용리속도가 상이한 점에 착안하여 중수증기를 선택적으로 회수할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors are easy to adsorb and desorption of low grade heavy water vapor, and while studying the recovery method of the purified heavy water vapor, the low grade heavy water vapor is adsorbed to the adsorbent and then hard water is heated and desorbed for regeneration and heavy water recovery. Focusing on the different elution rates with, it was confirmed that heavy water vapor could be selectively recovered and completed the present invention.

본 발명의 목적은 누출에 의해 수증기가 흡수되어 순도가 낮아진 저등급 중 수증기의 순도를 향상시켜 선택적으로 구분 회수하는 방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a method for selectively classifying and recovering the purity of low-grade water vapor whose purity is lowered due to absorption of water vapor due to leakage.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 누출에 의해 수증기가 흡수되어 순도가 낮아진 저등급 중수증기를 순도를 향상시켜 선택적으로 구분 회수하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for selectively classifying and recovering low-grade heavy water vapor of which purity is low due to absorption of water vapor due to leakage.

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

본 발명에 따른 중수증기 회수방법은,The heavy steam recovery method according to the present invention,

저등급 중수증기를 흡착탑의 흡착제에 흡착시키는 단계(단계 1);Adsorbing the low grade heavy water vapor to the adsorbent of the adsorption tower (step 1);

상기 단계 1의 흡착제를 가열하여 중수증기를 상기 흡착제로부터 탈착시켜 이동상으로 용리시키는 단계(단계 2); 및Heating the adsorbent of step 1 to desorb heavy water vapor from the adsorbent to elute the mobile phase (step 2); And

상기 단계 2에 의해 이동상으로 용리된 중수증기의 수분 농도가 포화상태에서 감소하게 되는 시점에서 그 농도를 순도별로 구분하여 수집하는 단계(단계 3)At the time when the water concentration of the heavy water vapor eluted to the mobile phase by step 2 is reduced in saturation state, the concentration is collected by purity (step 3)

를 포함하여 구성된다.It is configured to include.

상기 단계 1은 저등급 중수증기를 흡착탑에 충전된 흡착제에 흡착시키는 단계이다. 상기 흡착탑에 충전된 흡착제로는 예를 들면, 실리카겔, 활성 알루미나, 제올라이트 분자체 등을 들 수 있다. 이들은 사용온도와 수증기압에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.Step 1 is a step of adsorbing the low grade heavy water vapor to the adsorbent packed in the adsorption tower. Examples of the adsorbent packed in the adsorption tower include silica gel, activated alumina, zeolite molecular sieve and the like. They can be used selectively depending on the operating temperature and water vapor pressure.

본 발명에 따른 흡착탑에 충전하는 수분 흡착제로는 상기 흡착제들 가운데 다공성 제올라이트 분자체를 바람직하게 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Na-A형, Na-X형 및 나트륨의 일부가 칼슘으로 치환된 Ca-A형 등을 사용할 수 있다.As the water adsorbent packed in the adsorption tower according to the present invention, porous zeolite molecular sieves may be preferably used among the adsorbents. Preferably, Na-A type, Na-X type, and Ca- with a part of sodium substituted with calcium Type A etc. can be used.

상기 제올라이트는 높은 함수율을 나타내고 열적 안전성이 우수하기 때문에 고온에서 물리적으로 흡착된 모든 수분을 탈착시키므로 재생 사용이 가능하다. 따라서, 흡착 온도가 높고 수증기압이 낮을 경우에는 제올라이트 분자체가 유리하다.Since the zeolite exhibits a high water content and excellent thermal stability, the zeolite desorbs all moisture which is physically adsorbed at high temperature, and thus can be used for regeneration. Therefore, the zeolite molecular sieve is advantageous when the adsorption temperature is high and the water vapor pressure is low.

또한 중수증기 회수나 삼중수증기 제염 적용을 위해서는 흡착용량과 흡착률을 고려해야 하는데 이때, 흡착용량은 온도가 증가함에 따라 감소하게 된다. 상기 흡착제들 중 실리카겔과 활성알루미나는 온도의 의존성이 매우 큰 편이나, 제올라이트 분자체는 상대적으로 온도의 영향을 덜 받기 때문에, 500 ℃까지의 높은 온도와 30% 이하의 낮은 습도 분위기에서도 안정하다. 따라서 본 발명에 따른 흡착제로는 우수한 흡착용량을 보유하며, 온도와 수증기압에 대한 의존성이 비교적 적은 제올라이트 분자체를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 제올라이트 분자체는 합성 제올라이트 분자체뿐만 아니라 천연의 제올라이트 분자체도 무방하다. In addition, adsorption capacity and adsorption rate should be considered for heavy water vapor recovery or triple steam decontamination application. At this time, the adsorption capacity decreases with increasing temperature. Among the adsorbents, silica gel and activated alumina are highly dependent on temperature, but since zeolite molecular sieves are relatively less affected by temperature, they are stable even at high temperatures up to 500 ° C. and low humidity of 30% or less. Therefore, as the adsorbent according to the present invention, it is preferable to use a zeolite molecular sieve which has an excellent adsorption capacity and relatively little dependency on temperature and water vapor pressure. Such zeolite molecular sieves may be natural zeolite molecular sieves as well as synthetic zeolite molecular sieves.

나아가, 수분 흡착률은 흡착제의 잔류 함수량에 의하여 결정되는데, 상기 제올라이트 분자체는 다른 수분 흡착제보다 잔류 함수량이 크고, 수분의 흡착용량 면에서 30% 이하의 낮은 습도 범위에서도 적게 감소한다. 또한, 상기 제올라이트 분자체는 재생이 일정하게 유지되는 특성이 있다. 즉, 점차로 수분이 탈착되는 것이 아니라 흡착층의 온도가 임계점에 도달하게 되면 갑자기 탈착하는 특성으로 인해 수분의 회수가 용이하다는 장점이 있다. 상기 흡착제의 재생은 가열재생법(Thermal-swing Procedures) 및 진공재생법(Pressure-swing Procedures)이 있으며, 가열 재생온도는 예컨대, 합성 제올라이트 Na-A형의 경우, 200 ~ 350 ℃로 알려져 있다. 이러한 수분 흡착제의 흡착능력은 재생횟수가 많아짐에 따라 표면 수산기 및 결합수의 생성으로 경미하게 감소한다.Further, the water adsorption rate is determined by the residual water content of the adsorbent, the zeolite molecular sieve has a higher residual water content than other water adsorbents and decreases even in a low humidity range of 30% or less in terms of adsorption capacity of water. In addition, the zeolite molecular sieve has a property that the regeneration is kept constant. That is, the moisture is not gradually desorbed, but when the temperature of the adsorption layer reaches the critical point, there is an advantage that the recovery of moisture is easy due to the characteristic of sudden desorption. The regeneration of the adsorbent includes heat-swing procedures and vacuum-swing procedures, and the heat regeneration temperature is, for example, 200-350 ° C. for the synthetic zeolite Na-A. The adsorption capacity of such a water adsorbent is slightly reduced by the generation of surface hydroxyl groups and bound water as the number of regeneration increases.

상기 제올라이트 분자체는 알칼리 및 알칼리토금속의 알루미노규산염(Aluminosilicate)의 수화물로서 통상적인 공지의 방법으로 합성하거나 시판중인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일실시예에서는 미국의 린데사에서 공업적으로 제조된 합성 제올라이트를 사용하였다. 이는 천연 제올라이트류와 비슷한 결정구조를 가진 나트륨염으로, 화학식은 일반적으로 Nam(Al2O3)m(SiO2)n ·xH2O(m≤n)로 표시되고, 산화규소(SiO4) 사면체와 산화알루미늄(AlO4) 사면체가 3차원적인 그물구조를 형성하는 결정체이며, 이 그물눈이 공동을 형성하고, 그 속에 나트륨 이온이 존재한다. 상기 공동에 의해 결정 구조적으로 각 원자의 결합이 느슨해지기 때문에 미립물질을 흡착할 수 있게 된다. 이 공간에는 약 18%까지의 수분을 채울 수 있으며 고온에서 물리적으로 흡착된 모든 수분을 탈착시켜도 골격은 그대로 있기 때문에 재생 사용이 가능하다. 상기 합성 제올라이트의 공동은 균일한 지름을 가지며, 가느다란 구멍이 가로 세로로 연결되어 있으며, 상기 구멍의 지름(Å)의 크기에 따라 4A(Na-A형), 5A(제올라이트의 칼슘염, Ca-A형), 13X(Na-X형) 등으로 구분된다. 상기 합성 제올라이트는 지름이 균일한 가느다란 구멍을 다량으로 포함함으로써 뚜렷한 흡착력을 보유하고, 분자를 체질하는 기능을 가져 각종 화학활성 촉매, 촉매담체 및 흡습제 등으로 사용될 수 있다.The zeolite molecular sieve can be used as a hydrate of aluminosilicates of alkali and alkaline earth metals, synthesized or commercially available by conventional methods. For example, one embodiment of the present invention used a synthetic zeolite manufactured industrially in Lindesa, USA. It is a sodium salt with a crystal structure similar to that of natural zeolites. The chemical formula is generally represented by Na m (Al 2 O 3 ) m (SiO 2 ) n x H 2 O (m≤n) and silicon oxide (SiO 4). ) Tetrahedron and aluminum oxide (AlO 4 ) tetrahedron are crystals that form a three-dimensional network, and the meshes form a cavity, and sodium ions are present therein. The cavities loosen the bonds of each atom in crystal structure, so that the particulate matter can be adsorbed. This space can be filled with up to about 18% moisture, and even if all the physically adsorbed moisture is desorbed at high temperatures, the skeleton remains intact, allowing regeneration. The cavity of the synthetic zeolite has a uniform diameter, and thin pores are connected vertically and horizontally, and according to the size of the pores, 4A (Na-A type) and 5A (calcium salt of zeolite, Ca -A type) and 13X (Na-X type). Since the synthetic zeolite contains a large amount of thin holes having a uniform diameter, it has a distinct adsorption force and has a function of sieving molecules, and thus may be used as various chemically active catalysts, catalyst carriers, and hygroscopic agents.

상기 저등급 중수증기는 상기 제올라이트 등의 분자체와 같은 비표면적이 큰 흡착질의 내부에 형성된 다공성 공간을 통하여 세공까지 확산되어 흡착되며, 흡착된 저등급 중수증기는 액상 상태까지 물리적으로 포화되어 흡착이 종료된다. 재차 흡착 활성을 갖게 하기 위해서는 흡착제를 고온으로 가열하면 세공내 채워진 중수분의 상승된 증기압으로 인해 세공 외부로 이탈되어 물리적으로 용이하게 탈착된다.The low grade heavy water vapor is adsorbed by diffusing to the pores through the porous space formed in the inside of the adsorbate having a large specific surface area such as the molecular sieves such as zeolite, and the adsorption low grade heavy water vapor is physically saturated to the liquid state so that the adsorption is It ends. In order to have the adsorption activity again, when the adsorbent is heated to a high temperature, it is detached to the outside of the pores due to the elevated vapor pressure of the heavy water filled in the pores and physically easily desorbed.

다음으로, 단계 2는 상기 단계 1의 흡착제를 가열하여 중수증기를 상기 흡착제로부터 탈착시켜 이동상으로 용리시키는 단계이다.Next, step 2 is a step of heating the adsorbent of step 1 to desorb heavy water vapor from the adsorbent to elute the mobile phase.

상기 단계 1에서 저등급 중수증기의 접촉으로 유과되어 포화된 흡착제를 고온으로 가열하면 세공 내 채워진 중수의 증기압이 상승하여 세공 외부로 이탈되기 때문에 물리적으로 용이하게 탈착된다. 이때, 상기 중수증기를 탈착시키기 위한 가열 온도는 170 ~ 350 ℃인 것이 바람직하며, 상기 이동상으로는 건조 공기 또는 미량의 수소가 함유된 헬륨, 네온, 아르곤 등의 비활성기체를 사용하여 경수에 대한 중수증기의 지연탈락을 유도함으로써 용리시킬 수 있다.When the adsorbent saturated and absorbed by the low grade heavy water vapor in step 1 is heated to a high temperature, the vapor pressure of the heavy water filled in the pores rises and is easily detached from the pores. At this time, the heating temperature for desorption of the heavy water vapor is preferably 170 ~ 350 ℃, the mobile phase using a dry air or inert gas such as helium, neon, argon containing a small amount of hydrogen for heavy water vapor for hard water It can be eluted by inducing delayed dropping.

탈착시에도 마찬가지로 분자체의 미소한 세공간의 통로로 흡착된 저등급 중수증기가 확산되어 외부 이동상으로 용리된다.At the time of desorption, the low grade heavy water vapor adsorbed through the micropore passage of the molecular sieve diffuses and elutes to the external mobile phase.

다음으로, 단계 3은 상기 단계 2에 의해 이동상으로 용리된 중수증기의 수분 농도가 포화상태에서 감소하게 되는 시점에서 그 농도를 순도별로 구분하여 수집하는 단계이다.Next, step 3 is a step of collecting the concentrations by purity at the time when the water concentration of the heavy water vapor eluted to the mobile phase by step 2 decreases in a saturated state.

원자로급 고순도 중수 분자는 대부분 D2O의 분자식 형태를 취하며 경수에 의해 희석될수록 중수소화된 물분자들이 HDO의 형태로 존재하여 H2O분자들의 격자내 매우 희석된 상태로 끼어있게 된다. 중수의 경우 희석된 순도에 따라 3가지 형태의 수소동위원소 산화물 즉, H2O, HDO 및 D2O의 물분자 등으로 온도에 따라 일정한 평형 농도를 이루고 있다. 이들 산화물들은 같은 유형의 분자결합 진동 형태를 나타낸다. 3가지 수소 동위원소 액상 산화물들은 일정온도에서 항상 평형상태로 존재하며, 이 산화물들은 반응식 1과 같이 신속한 액상 동위원소 교환반응에 의해 도 1과 같은 조성의 평형을 이룬다. 반응 평형상수는 25 ℃에서 약 3.26으로 알려져 있다.Most of the reactor-grade high-purity heavy water molecules take the molecular form of D 2 O, and as they are diluted by hard water, deuterated water molecules are present in the form of HDO, so that they are very diluted in the lattice of H 2 O molecules. In the case of heavy water, three types of hydrogen isotope oxides, ie, H 2 O, HDO, and D 2 O, water molecules, etc., have a constant equilibrium concentration depending on the diluted purity. These oxides exhibit the same type of molecular bond vibration. The three hydrogen isotope liquid oxides are always in equilibrium at a constant temperature, and these oxides are equilibrated in the composition as shown in FIG. 1 by a rapid liquid isotope exchange reaction as in Scheme 1. The reaction equilibrium constant is known to be about 3.26 at 25 ° C.

H2O + D2O ⇔ 2HDO, K25 =3.26H 2 O + D 2 O ⇔ 2HDO, K 25 ° C = 3.26

상기 수소동위원소 산화물들의 자체 확산계수(Self-diffusion Coefficient)는 25 ℃에서 H2O: 2.272×10-9 m2/s, D2O: 2.109×10-9 m2/s 이고, 증기압은 25 ℃에 서 H2O: 3.165 kPa, 순수한 D2O: 2.734 kPa 이다. 상기 경수증기 및 중수증기의 자체 확산계수 및 증기압을 비교하면 저등급 중수증기가 경수보다 작기 때문에, 가열 탈착시 세공을 통한 확산이 지연된다. 이러한 중수증기의 상대적으로 느린 용리 거동을 이용하여 원하는 중수증기 순도의 농도가 감소하는 시점을 회수 시점으로 선택하여 구분 수집하면 당초 저등급화된 농도보다 높은 중수를 회수할 수 있다.Self-diffusion Coefficient of the hydrogen isotope oxides is H 2 O: 2.272 × 10 -9 m 2 / s, D 2 O: 2.109 × 10 -9 m 2 / s at 25 ℃, vapor pressure H 2 O: 3.165 kPa, pure D 2 O: 2.734 kPa at 25 ° C. Comparing the self-diffusion coefficient and the vapor pressure of the hard water steam and heavy water steam is lower than the hard water of the low grade heavy water vapor, the diffusion through the pores during heat desorption is delayed. By using the relatively slow elution behavior of the heavy water vapor, when the desired concentration of the heavy water vapor decreases as a recovery point, the collected water can be recovered by initially collecting the heavy water higher than the low graded concentration.

본 발명에 따른 회수방법은 이러한 원리를 이용하여 경수(H2O), 혼합 중수(HDO), 삼중수(T2O) 및 혼합 삼중수(HTO, DTO)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 이성분의 수소 동위원소 산화물을 구분 회수할 수 있다.The recovery method according to the present invention uses any of the two components selected from the group consisting of hard water (H 2 O), mixed heavy water (HDO), triple water (T 2 O) and mixed triple water (HTO, DTO) The hydrogen isotope oxide of can be recovered separately.

이하에는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the present invention.

도 1은 중수소 순도에 따른 H2O, HDO 및 D2O 평형 조성 다이아그램을 나타낸다. 상기 중수(D2O)는 경수(H2O)에 의해 희석되어 액상 동위원소 교환반응에 의해 HDO의 형태로 존재하게 된다. 1 shows H 2 O, HDO and D 2 O equilibrium composition diagrams according to deuterium purity. The heavy water (D 2 O) is diluted with hard water (H 2 O) and is present in the form of HDO by liquid isotope exchange.

도 2a 내지 2c는 본 발명의 방법으로 순도를 향상시킨 중수증기를 회수하기 위해 흡착제를 가열 탈착시 흡착탑 출구에서의 중수 순도별 용리거동을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 시간이 지남에 따라 순도가 낮아진 중수(HDO)는 경수(H2O)보다 느린 용리거동에 의해 어느 시점까지 순도(몰분율)가 증가하게 되며, 이때 흡 착탑 출구 수분(HDO)의 농도(몰분율)가 하향 곡선으로 감소하는 시점을 회수시점으로 선택하여 구분 회수하면, 종래 순도보다 향상된 순도의 HDO를 회수할 수 있다. Figure 2a to 2c is a graph showing the elution behavior according to the purity of heavy water at the outlet of the adsorption column during the heat desorption of the adsorbent in order to recover the heavy water vapor with improved purity by the method of the present invention. Over time, heavy water (HDO), which has become lower in purity, has an increased purity (mole fraction) up to a certain point due to a slower elution behavior than hard water (H 2 O), where the concentration (mole fraction) of the adsorption tower outlet water (HDO) is increased. If the recovery time is selected by dividing the time point decreases to the downward curve, it is possible to recover the HDO of improved purity than the conventional purity.

도 2a는 순도가 0.3 몰분율인 중수증기를 구분 회수하기 위해 탈착시 경수(H2O) 및 저등급 중수(HDO)의 시간에 따른 용리 거동을 나타낸 그래프이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, HDO의 농도(몰분율)가 하향 곡선으로 감소하는 시점을 회수시점으로 선택한다. Figure 2a is a graph showing the elution behavior with time of desorption (H 2 O) and low grade heavy water (HDO) when desorption to recover the heavy water vapor having a purity of 0.3 mole fraction. As shown in Fig . 2A , the time point at which the concentration (mole fraction) of HDO decreases in the downward curve is selected as the recovery point.

도 2b는 순도가 0.5 몰분율인 중수증기를 구분 회수하기 위해 탈착시 경수(H2O) 및 저등급 중수(HDO)의 시간에 따른 용리 거동을 나타낸 그래프이다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, HDO의 농도(몰분율)가 하향 곡선으로 감소하는 시점을 회수시점으로 선택한다. Figure 2b is a graph showing the elution behavior of the hard water (H 2 O) and low grade heavy water (HDO) during desorption to separate and recover the heavy water vapor having a purity of 0.5 mole fraction. As shown in Fig . 2B , the time point at which the concentration (mole fraction) of HDO decreases in the downward curve is selected as the recovery point.

도 2c는 순도가 0.7 몰분율인 중수증기를 구분 회수하기 위해 탈착시 경수(H2O) 및 저등급 중수(HDO)의 시간에 따른 용리 거동을 나타낸 그래프이다. 도 2c에 나타낸 바와 같이, HDO의 농도(몰분율)가 하향 곡선으로 감소하는 시점을 회수시점으로 선택한다. Figure 2c is a graph showing the elution behavior over time of hard water (H 2 O) and low grade heavy water (HDO) during desorption to separate and recover the heavy water vapor having a purity of 0.7 mole fraction. As shown in Fig . 2C , the time point at which the concentration (mole fraction) of HDO decreases in the downward curve is selected as the recovery point.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 본 발명의 범위가 하기 실시예만으로 한정되거나 제한되지 않음은 물론이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, it is a matter of course that the scope of the present invention is not limited or limited only to the following examples.

<< 실시예Example 1> 중수증기의  1> heavy steam 용리거동Elution behavior 측정 Measure

미국 린데사의 합성제오라이트(1/16" 펠렛형 모레큐러시브 13X)를 내경 1 cm인 스텐레스강 튜브에 10 cm 높이로 충전시킨 흡착탑을 280 ℃의 분위기에서 유속 0.2 ℓ/분의 건조공기로 출구 노점이 -35 ℃ 이하가 될 때까지 불순물을 완전히 탈착시켜 활성화시켰다. 상기 건조 공기 및 20 중량%의 저등급 중수 유량 조절장치와 증발기로 구성된 항습장치로부터 25 ℃에서 71%의 상대습도를 가진 공기를 1ℓ/분의 속도로 통과시켜 출구 공기 흐름의 노점 추이를 확인하여(도 3a) 충전탑을 저등급 중수 증기로 포화시켰다.An adsorption tower packed with Linde's synthetic zeolite (1/16 "pellet-shaped molecure 13X) with a diameter of 1 cm in a stainless steel tube at a height of 10 cm was vented to dry air at a flow rate of 0.2 L / min in an atmosphere of 280 ° C. Impurities were completely desorbed and activated until the dew point was below -35 ° C. An air having a relative humidity of 71% at 25 ° C. from a humidifier consisting of the dry air and a 20% by weight low grade heavy water flow regulator and an evaporator. Was passed at a rate of 1 l / min to confirm the dew point transition of the outlet air stream ( FIG. 3A ) to saturate the packed tower with low grade heavy water vapor.

탈착시 중수증기의 용리거동을 알아보기 위하여 흡착탑을 280 ℃의 분위기에서 유속 0.2 ℓ/분의 건조공기로 수분을 탈착시킬 때 흡착탑 출구 공기 흐름중 H2O 및 HDO 증기의 용리거동을 사중극자 질량분석기로 측정하고, 그 결과를 도 3b에 나타내었다.In order to investigate the elution behavior of heavy water vapor during desorption, the quadrupole mass is determined by elution behavior of H 2 O and HDO vapor in the outlet air stream when the adsorption tower is desorbed with dry air at a flow rate of 0.2 ℓ / min in an atmosphere of 280 ° C. Measured by an analyzer, the results are shown in Figure 3b .

도 3b에 나타낸 바와 같이, 탈착시 시간이 지날수록 경수(H2O)증기는 몰분율이 감소하는 반면, 중수(HDO)증기의 몰분율이 어느 시점까지 증가하는 것을 볼 수 있다. 이로부터 중수증기의 용리거동이 경수증기보다 느림을 확인할 수 있으며, 따라서 상기 중수증기의 몰분율이 감소하는 시점에서 수집하면, 순도가 향상된 중수증기를 회수할 수 있다. As shown in FIG . 3B , as the desorption time passes, the molar fraction of hard water (H 2 O) vapor decreases, while the mole fraction of heavy water (HDO) vapor increases to some point. From this it can be confirmed that the elution behavior of the heavy steam is slower than the hard water steam, and thus, when collected at a time when the mole fraction of the heavy steam decreases, the purified heavy steam can be recovered.

이상에서 상세히 나타낸 바와 같이, 제올라이트 흡착탑에 흡착된 저등급 중 수증기에 고온의 공기를 통과시키면 그 온도에 해당하는 증기압만큼 중수증기가 흡착제 세공으로부터 탈착되어 나올 때 저등급 중수 성분(HDO)이 더디게 용리되므로, 흡착탑 출구의 중수증기의 농도가 감소하는 시점을 선택하여 수집하면 순도가 높은 중수가 회수되어 후속 중수승급기의 농축부 쪽으로 급수되기 때문에 보다 경제적인 조업으로 원자로급 중수를 회수할 수 있다. As detailed above, the low grade heavy water component (HDO) is slowly eluted when high temperature air passes through the low grade water vapor adsorbed on the zeolite adsorption tower, when the heavy water vapor is desorbed from the adsorbent pores by the vapor pressure corresponding to the temperature. Therefore, by selecting and collecting the point at which the concentration of heavy water vapor at the outlet of the adsorption column decreases, the heavy water of high purity is recovered and fed to the enrichment section of the subsequent heavy water upgrader, so that the reactor class heavy water can be recovered by more economical operation.

Claims (8)

저등급 중수증기를 흡착탑의 흡착제에 흡착시키는 단계(단계 1);Adsorbing the low grade heavy water vapor to the adsorbent of the adsorption tower (step 1); 상기 단계 1의 흡착제를 가열하여 중수증기를 상기 흡착제로부터 탈착시켜 이동상으로 용리시키는 단계(단계 2); 및Heating the adsorbent of step 1 to desorb heavy water vapor from the adsorbent to elute the mobile phase (step 2); And 상기 단계 2에 의해 이동상으로 용리된 중수증기의 수분 농도가 포화상태에서 감소하게 되는 시점에서 그 농도를 순도별로 구분하여 수집하는 단계(단계 3)At the time when the water concentration of the heavy water vapor eluted to the mobile phase by step 2 is reduced in saturation state, the concentration is collected by purity (step 3) 를 포함하여 구성되는 순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법.Method for recovering low grade heavy water vapor improved purity is configured to include. 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 다공성 제올라이트 분자체인 것을 특징으로 하는 순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법.The method of claim 1, wherein the adsorbent is a porous zeolite molecular sieve. 제2항에 있어서, 상기 다공성 제올라이트 분자체는 Na-A형, Na-X형 또는 Ca-A형인 것을 특징으로 하는 순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법.3. The method of claim 2, wherein the porous zeolite molecular sieve is Na-A type, Na-X type or Ca-A type. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 가열 온도는 170 ~ 350 ℃임을 특징으로 하는 순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법.The method of claim 1, wherein the heating temperature of the step 2 is 170 ~ 350 ℃ enhanced low grade heavy water vapor recovery method. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 이동상으로는 건조 공기 또는 미량의 수소가 함유된 비활성 기체를 사용하여 경수에 대한 중수증기의 지연탈락을 유도함을 특징으로 하는 순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법.The method of claim 1, wherein the mobile phase of step 2 is a dry air or an inert gas containing a small amount of hydrogen to induce delayed dropping of heavy water vapor to hard water. . 제5항에 있어서, 상기 비활성 기체는 헬륨, 네온, 아르곤 기체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법.The method of claim 5, wherein the inert gas is any one selected from the group consisting of helium, neon, and argon gas. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여 이성분의 수소 동위원소 산화물을 구분·회수하는 것을 특징으로 하는 순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법.A method for recovering low grade heavy water vapor having improved purity, characterized by separating and recovering hydrogen isotope oxides of two components using the method according to any one of claims 1 to 6. 제7항에 있어서, 상기 이성분의 수소동위원소 산화물은 H2O, HDO, T2O, HTO, DTO로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 순도가 향상된 저등급 중수증기의 회수방법.The method of claim 7 wherein the hydrogen isotope oxide of the binary component is selected from the group consisting of H 2 O, HDO, T 2 O, HTO, DTO.
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