KR100757200B1 - Method for Preparing Immobilization Product of Waste Chloride Salts Using Zeolite Only - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물(waste chloride salt)의 고정화 생성물 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용후 핵연료를 재처리하는 과정에서 발생하는 세슘(Cs), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba) 등과 같은 알칼리 또는 알칼리 토금속족, 또는 세륨(Ce), 란타늄(La), 네오디늄(Nd), 이트륨(Y)과 같은 희토류계 방사성 핵종을 포함하는 염화염 폐기물과 제올라이트를 혼합하여 고정화 중간체를 제조하는 단계 및 상기 고정화 중간체를 Na계 소달라이트로 전이시키는 단계를 포함하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing immobilized product of waste chloride salt using zeolite only, more specifically cesium (Cs), strontium (Sr) and barium ( Immobilized intermediates by mixing zeolites with chloride wastes containing alkali or alkaline earth metal groups such as Ba), or rare earth-based radionuclides such as cerium (Ce), lanthanum (La), neodynium (Nd), and yttrium (Y) It relates to a method for producing an immobilized product of the chloride waste using only zeolite comprising the step of preparing and transferring the immobilized intermediate to Na-based sodalite.

본 발명의 고정화 생성물은 보다 안정한 형태인 Na계 소달라이트로 되어 침출특성이 우수할 뿐만 아니라, 소달라이트로 전이를 시키는 과정에서 전이 촉진제 등을 첨가하지 않음으로써 그에 해당하는 양만큼의 최종 고화체(waste form)의 생성량을 줄임으로써 보다 효과적으로 염폐기물을 처리할 수 있게 한다. The immobilized product of the present invention is a Na-based sodalite, which is a more stable form, and not only has excellent leaching characteristics, but also does not add a transition accelerator in the process of transferring to sodalite, thereby achieving a final solid amount (waste) corresponding thereto. Reducing the amount of form) allows for more effective waste disposal.

LiCl계 염폐기물, 제올라이트 NaA, 소달라이트, 고정화 생성물, 세슘, 스트론튬LiCl salt waste, zeolite NaA, sodalite, immobilized product, cesium, strontium

Description

제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물 고정화 생성물의 제조방법{Method for Preparing Immobilization Product of Waste Chloride Salts Using Zeolite Only} Method for Preparing Immobilization Product of Waste Chloride Salts Using Zeolite Only}             

도 1은 제올라이트 4A형의 결정구조를 X-선 회절분광법(X-ray diffracto-meter; XRD)으로 측정한 결과이고, 1 is a result of measuring the crystal structure of zeolite 4A type by X-ray diffracto-meter (XRD),

도 2는 혼합비(LiCl/제올라이트)가 0.25인 경우 생성된 고정화 중간체의 결정구조(상단) 및 고정화 생성물(하단)의 결정구조를 X-선 회절분광법에 의해 측정한 결과이고, 2 is a result of measuring the crystal structure of the immobilized intermediate (top) and the crystal structure of the immobilized product (bottom) produced when the mixing ratio (LiCl / zeolite) is 0.25 by X-ray diffraction spectroscopy,

도 3은 혼합비(LiCl/제올라이트)가 0.1인 경우 생성된 고정화 중간체의 결정구조(상단) 및 고정화 생성물(하단)의 결정구조를 X-선 회절분광법에 의해 측정한 결과이고, 3 is a result of measuring the crystal structure of the immobilized intermediate (top) and the crystal structure of the immobilized product (bottom) when the mixing ratio (LiCl / zeolite) is 0.1 by X-ray diffraction spectroscopy,

도 4는 혼합비(LiCl/제올라이트)가 각각 15, 10, 4.5, 1.0, 0.5, 0.4인 경우 고정화 생성물의 결정구조를 X-선 회절분광법에 의해 측정한 결과이고, 4 is a result of measuring the crystal structure of the immobilized product by X-ray diffraction spectroscopy when the mixing ratio (LiCl / zeolite) is 15, 10, 4.5, 1.0, 0.5, 0.4, respectively,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

▲ : Li-A 결정▲: Li-A crystal

■ : Li8Cl2-Sod.(Li8Cl2-Sodalite)■: Li 8 Cl 2 -Sod. (Li 8 Cl 2 -Sodalite)

▣ : Na8Cl2-Sod.(Na8Cl2-Sodalite)▣: Na 8 Cl 2 -Sod. (Na 8 Cl 2 -Sodalite)

▼ : NaCl▼: NaCl

본 발명은 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고화체 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용후 핵연료를 재처리하는 과정에서 발생하는 세슘(Cs), 스트론튬(Sr) 및 바륨(Ba) 등과 같은 알칼리, 알칼리 토금속족 또는 희토류계 방사성 핵종을 포함하는 염화염 폐기물과 제올라이트를 혼합하여 고정화 중간체를 제조하는 단계 및 상기 고정화 중간체를 Na계 소달라이트로 전이시키는 단계를 포함하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a solid waste of chloride waste using only zeolite, and more particularly, alkalis such as cesium (Cs), strontium (Sr), and barium (Ba) generated during the reprocessing of spent nuclear fuel. Immobilization product of chloride waste using zeolite only, comprising the steps of preparing an immobilized intermediate by mixing zeolite with chloride waste comprising alkaline earth metal group or rare earth based radionuclide and transferring the immobilized intermediate to Na-based sodalite It relates to a manufacturing method of.

산업이 고도로 발달함에 따라 환경오염에 대한 심각성은 날로 더해가고 있다. 특히 각종 산업에 요구되는 에너지 공급원으로서 시설투자비 등 각종 경제적인 면에서 원자력 발전이 각광을 받아 널리 이용되면서 원자력 발전소 및 원자력 관련 연구기관에서 발생되는 방사성 폐기물 처리의 효율성이 중요한 문제로 등장하였으 며 이에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.As the industry develops, the seriousness of environmental pollution is increasing day by day. In particular, as nuclear energy is widely used in various economic aspects such as facility investment cost as an energy source required for various industries, the efficiency of radioactive waste treatment generated from nuclear power plants and nuclear-related research institutes has emerged as an important problem. Research is actively underway.

핵연료는 사용 후에도 핵연료로부터 우라늄, 플루토늄과 같은 핵분열이 가능한 물질이 상당량 남아있기 때문에 이들 핵분열이 가능한 물질을 회수하는 것이 중요하다. 사용후 핵연료로부터 핵분열이 가능한 물질을 회수하는 것은 전기화학적 전지를 이용하는 전해정련 방법(electrorefining method)에 의해서 수행될 수 있다. 전해정련은 전해정련 전지(electrorefining cell)를 이용하는 것으로써, LiCl/KCl과 같은 공융염 혼합물(molten eutectic salt mixture)의 전해질과 전극으로 구성되며 전극에서 우라늄 또는 플루토늄이 석출된다. It is important to recover these fissable materials, since there is a significant amount of fissable material, such as uranium and plutonium, left behind from nuclear fuel. The recovery of fissable material from spent fuel can be carried out by an electrorefining method using an electrochemical cell. Electrolytic refining uses an electrorefining cell, which is composed of an electrolyte and an electrode of a molten eutectic salt mixture such as LiCl / KCl, and uranium or plutonium is deposited on the electrode.

그런데 전해정련에 의해 사용후 핵연료를 재가공하는 경우, 공융염 혼합물은 세슘, 스트론튬 및 바륨 등과 같은 방사성 핵종과 기타 유해한 금속으로 오염이 되어 결과적으로 더 이상 전기정련을 위한 전지로서 사용할 수 없게 되기 때문에 이들 오염된 공융염 혼합물을 폐기하여야 한다. However, when the spent nuclear fuel is reprocessed by electrorefining, the eutectic salt mixture is contaminated with radionuclides such as cesium, strontium and barium and other harmful metals, so that they can no longer be used as batteries for electrorefining. The contaminated eutectic salt mixture should be discarded.

이들 오염된 공융염 혼합물을 처리하는 방법으로, 이론적으로는 오염된 공융염 혼합물에서 세슘이나 스트론튬과 같은 열을 발생시키는 방사성 핵종과 기타 금속, 예를 들면, 나트륨과 같이 전해정련기의 작동을 방해할 수 있는 물질을 제거하여 공융염 혼합물을 재활용하는 것이 가능할 수 있다.A method of treating these contaminated eutectic salt mixtures, which theoretically hinders the operation of electrorefining agents such as radionuclides and other metals, such as sodium, which generate heat such as cesium or strontium in the contaminated eutectic salt mixtures. It may be possible to recycle the eutectic salt mixture by removing possible substances.

그러나 세슘, 스트론튬 또는 바륨 등은 공융염 혼합물에서 염화물로 존재하며 이들 방사성 핵종 염화물을 공융염 혼합물과 분리하는 것이 쉽지 않고, 또한 농축된 형태로 분리가 이루어질 경우 상당량의 많은 열을 발생시키기 때문에 저장되 기 전에 다른 매질 속에서 희석시키는 과정 및/ 또는 냉각시키는 과정이 요구된다. 따라서 실제로는 세슘, 스트론튬 또는 바륨 등 방사성 핵종과 기타 유해한 금속염화물 및 요오드 등은 공융염 혼합물과 함께 처리되는 것이 일반적이다.However, cesium, strontium, or barium are present as chlorides in eutectic salt mixtures, and these radionuclide chlorides are not easily separated from the eutectic salt mixtures, and are stored in a concentrated form because they generate significant amounts of heat. Before dilution and / or cooling in other media is required. Thus, in practice, radionuclides such as cesium, strontium or barium, and other harmful metal chlorides and iodine are generally treated with a eutectic salt mixture.

일반적으로 방사능 폐기물은 인간 및 육상에서 서식하는 동식물에게 직접적인 피해를 줄 수 있으며, 이차적으로는 토양 속을 흐르는 지하수를 오염시켜 해양 환경 및 대기 환경 등 환경 전체에 악영향을 줄 수 있다. 특히, 세슘, 스트론튬 또는 바륨 등과 같은 방사성 핵종을 포함하고 있는 염폐기물은 고준위의 폐기물(High Level Waste; HLW)로 분류되며, 따라서 저준위의 방사능 폐기물과는 달리 그 자체로 지층 처분장(geologic repository)에 저장되어야 한다. 그런데 염폐기물은 물에 잘 용해되기 때문에, 방사성 핵종 및 기타 유해 화학종이 지하수로 흘러들어가는 것을 방지하기 위해서 염폐기물의 형태는 침출저항성이 있는 형태(leach-resistant form)로 될 것이 요구되고 있으며, 따라서 이들 수용성 염폐기물을 포획 및 고정시킬 수 있는 처리방법이 요구되었다. In general, radioactive waste can directly damage humans and land animals and plants, and secondly, polluting the groundwater flowing through the soil can adversely affect the entire environment, such as marine and atmospheric environments. In particular, salt wastes containing radionuclides such as cesium, strontium, or barium are classified as High Level Wastes (HLW), and therefore, unlike low-level radioactive wastes, they are stored in geologic repository by themselves. Must be stored. However, since salt wastes dissolve well in water, the form of salt wastes is required to be in a leach-resistant form to prevent radionuclides and other harmful chemicals from flowing into the groundwater. There is a need for treatment methods that can capture and fix these water-soluble salts.

이러한 문제를 해결하기 위한 처리방법으로 유리질(glass matrix)에 폐기물을 고정시키는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법에 의한 유리형성 시스템에 고정되기 적합한 폐기물의 형태는 산화물이며 이는 염화이온을 포함하고 있는 유리는 침출저항성이 떨어지기 때문이다. 전해정련시에는 염화염 폐기물이 발생하므로 공융염 형태의 폐기물의 처리에 이 방법을 직접 적용할 수는 없고, 염화염 폐기물은 산화물 또는 다른 적합한 형태로 전환시킨 후에야 적용할 수 있는 문제가 있다. As a treatment to solve this problem, a method of fixing waste in a glass matrix has been proposed. However, the type of waste suitable for fixation to the glass-forming system by this method is oxide, because glass containing chloride ions is less leach resistant. Chlorine wastes are generated during electrorefining, so this method cannot be applied directly to the treatment of eutectic salts, and there is a problem that the chloride wastes can only be applied after conversion to oxides or other suitable forms.

또 다른 고정 매질로 제안된 것은 모르타르(mortar)이다. 특별한 모르타르는 그 구조 내에 리튬, 칼륨, 세슘 및 스트론튬 염화염 폐기물을 고정시킬 수 있다. 그러나 모르타르내의 물이 방사능에 노출되면 다량의 수소기체를 발생시키는 문제점이 있다. 이에 염화염 폐기물의 처리를 위해 새로운 고정매질이 필요하게 되었고 염폐기물의 고정화 방법으로 제올라이트를 이용하여 염화염 폐기물을 제올라이트의 내부에 고정화시키는 방법이 개발되었다. Another fixed medium that has been proposed is mortar. Special mortars can fix lithium, potassium, cesium and strontium chloride wastes in its structure. However, when water in mortar is exposed to radiation, there is a problem of generating a large amount of hydrogen gas. Therefore, a new fixed medium is required for the treatment of chloride waste, and a method of immobilizing the chloride waste inside the zeolite using zeolite has been developed as a method of immobilizing the salt waste.

제올라이트의 기본단위는 알루미늄이나 규소가 네 개의 주위 산소와 결합한 SiO4 및 AlO4 의 정사면체로서, 이들이 꼭지점을 공유하여 2차 결합단위를 이루게 된다. 이들이 3차원적으로 결합되면서 다공성 알루미노실리케이트 결정(alumino silicate crystal)을 형성한다. 예를 들면, 제올라이트 A는 정팔면체의 꼭지점을 잘라내면 얻어지는 모형인 꼭지점이 잘린 정팔면체(truncated octahedral)를 2차 결합단위로 하고 있으며 그 결합단위 4개가 겹사각형 고리(double 4-ring)를 형성하며 이루어진 것이다. 이때 2차 결합단위는 소달라이트(sodalite)라고 부른다. The basic unit of zeolite is tetrahedron of SiO 4 and AlO 4 in which aluminum or silicon are bonded to four surrounding oxygen, and they share a vertex to form a secondary bonding unit. These three-dimensional bonds form porous aluminosilicate crystals. For example, zeolite A has a truncated octahedral, a model obtained by cutting a vertex of an octahedron, as a secondary bonding unit, and four bonding units are formed by forming a double 4-ring. will be. In this case, the secondary binding unit is called sodalite.

이러한 제올라이트의 대표적인 특성으로는 우수한 선택적 양이온 교환 능력과 흡착 능력을 가지고 있다는 것이다. 제올라이트의 양이온 교환특성은 다른 양이온들의 용액으로 단순히 씻어주는 정도의 처리로도 공동 내의 양이온들이 쉽게 이온교환이 일어나는 성질을 의미한다. 또한 양이온들을 선택적으로 교환하기 때문에 다른 비정질의 이온교환 물질(각종 이온교환수지)에서는 찾아보기 어려운 이온교환 특성을 가지고 있다. 정상의 조건에서는 제올라이트 구조상의 공동 내에는 양이온들 주위에 많은 양의 물이 존재하지만 350 - 400 ℃로 가열하면 쉽게 탈수된다. 이 탈수된 제올라이트는 적합한 크기의 형태의 무기 및 유기분자들을 선택적으로 흡착함으로서 결과적으로 서로 다른 분자들을 각각 분리할 수 있는 뛰어난 분자체능의 특성을 갖게 된다.  Representative characteristics of the zeolite is that it has excellent selective cation exchange capacity and adsorption capacity. The cation exchange property of zeolite means that the cations in the cavity easily undergo ion exchange even with the treatment of simply washing with a solution of other cations. In addition, since they selectively exchange cations, they have ion exchange properties that are not found in other amorphous ion exchange materials (various ion exchange resins). Under normal conditions, large amounts of water are present around the cations in the cavities of the zeolite structure, but are easily dehydrated when heated to 350-400 ° C. The dehydrated zeolite selectively adsorbs inorganic and organic molecules in the appropriate sized form, resulting in excellent molecular properties that can separate different molecules.

이러한 제올라이트의 선택적 흡착특성은 제올라이트의 공동의 크기와 형태에 따라 다른 양상을 보이며 이러한 양상은 제올라이트의 형태에 따라 다르게 나타나게 된다. 그 형태로서 제올라이트 A, X, Y 형 등이 있다. 이들은 그 기본단위를 이루는 원소인 Si/Al 비율이 각각 1, 1~1.5, 2~5 로 나타나며 결정내 세공크기는 각각 4.2 , 7.4, 7.4 Å 정도로 나타난다. 또한 동일한 제올라이트의 공동 내의 양이온들의 성격에 따라 소위 유효세공(effective pore size)의 크기가 달라지기도 한다. 즉, 제올라이트 A형의 경우, 칼륨으로 치환된 것은 3 Å 크기의 세공을 갖는데 비해서 나트륨, 칼슘으로 치환된 것은 각각 4 Å 및 5 Å의 크기를 보이게 되는 것이다. The selective adsorption characteristics of these zeolites are different depending on the size and shape of the cavities of the zeolite, and these aspects are different depending on the type of zeolite. Examples thereof include zeolite A, X, and Y. They have Si / Al ratios of 1, 1 to 1.5, and 2 to 5, respectively, which constitute the basic unit, and the pore sizes in the crystals are 4.2, 7.4, and 7.4 Å, respectively. In addition, the size of the so-called effective pore size may vary depending on the nature of the cations in the cavity of the same zeolite. That is, in the case of zeolite type A, the substitution with potassium has pores of 3 Å size, whereas the substitution with sodium and calcium shows 4 Å and 5 Å, respectively.

제올라이트를 가열하면서 배기하면 구조가 부서진다던지 세공표면에 고착된다던지 하는 특수한 경우를 제외하면 세공 내에 들어있는 물질들은 대부분 가역적으로 탈착된다. 그리고 탈착되어 비어있는 세공에 흡착이 일어난다. 제올라이트에 흡착되려는 물질은 세공입구를 지나야 하므로 세공입구보다 큰 분자는 세공 내에 들어올 수 없고, 또 세공 내에서 생성된 분자도 세공입구보다 크면 세공 밖으로 빠 져 나갈 수 없게 된다. 이로 인해 분자크기에 따라 흡-탈착의 가능성이 결정되는 현상이 제올라이트에서 나타나게 된다. Except for special cases, such as when the zeolite is heated and vented, the structure breaks down or sticks to the pore surface, most of the material in the pore is reversibly desorbed. Desorption occurs and adsorption occurs on empty pores. Since the substance to be adsorbed to the zeolite must pass through the pore inlet, molecules larger than the pore inlet cannot enter the pores, and if the molecules produced in the pore are larger than the pore inlet, they cannot escape out of the pore. This results in a phenomenon in which zeolites determine the possibility of adsorption-desorption depending on the molecular size.

미국 특허 제 H1227호 (1993년)에는 이와 같은 제올라이트의 특성을 이용하여 염폐기물을 내포(occlusion) 및 고정시키는 방법이 기재되어 있다. 나트륨, 칼슘 또는 리튬 형태의 제올라이트(예를 들면, 제올라이트 A, 또는 차바자이트(cha- bazite) 및 에리오나이트(erionite)의 혼합 형태의 제올라이트, 또는 이들 모두의 혼합 형태의 제올라이트)와 LiCl-KCl계 염폐기물을 약 400±25 ℃ (600 ℃ 를 넘지 않도록 하고 있는데 이는 그 이상의 혼합온도에서는 제올라이트의 구조가 파괴될 가능성이 있기 때문)정도의 혼합온도 하에서 반응시킨 결과, 상기 염폐기물내의 방사성 핵종인 세슘, 스트론튬 및 기타 유해물질이 염폐기물의 약 25 wt % 정도까지 제올라이트 내의 나트륨, 칼슘 또는 리튬과 이온교환 및 내포(occlusion)되었다. U.S. Patent No. H1227 (1993) describes a method of occlusion and fixation of salt wastes using the properties of such zeolites. Zeolites in the form of sodium, calcium or lithium (eg zeolite A, or zeolites in the form of a mixture of cha-bazite and erionite, or a mixture of both) and LiCl- The radioactive nucleus in the salt wastes was reacted with KCl salt wastes at a mixing temperature of about 400 ± 25 ° C. (because the zeolite structure could be destroyed at higher mixing temperatures). The species cesium, strontium and other harmful substances were ion exchanged and occluded with sodium, calcium or lithium in the zeolite to about 25 wt% of the salt waste.

상기 특허 발명은 새로운 매질을 이용하여 염폐기물의 고정하는 방법을 개발하여 기존의 처리방법을 개선시켰으나, 결과물인 제올라이트가 한 덩어리로 이루어진 고체(monolithic solid)가 아니기 때문에 안정성면에서 고준위 폐기물을 장기간 저장소에 저장하기에는 적합하지 않다는 문제가 있다. The patent invention has developed a method for fixing salt wastes using a new medium to improve the existing treatment method, but because the resulting zeolite is not a monolithic solid (monolithic solid), storage of high-level waste for a long time in terms of stability The problem is that it is not suitable for storage in.

미국 특허 제 5613240호 (1997년)에는 방사성 핵종 및 기타 유해한 물질을 포함하고 있는 LiCl-KCl계 염폐기물을 고정화시킨 제올라이트를 소달라이트로 전이시키는 방법이 기재되어 있다. 소달라이트로의 전이를 통해서 최종 고화체의 침출 저항성 및 밀도를 높이는 것을 특징으로 하는, 보다 안정한 방사성 핵종 및 기타 유해한 물질의 처리 방법에 관한 것이다. 상기 발명은 이러한 전이에 의해 세슘, 스트론튬과 같은 방사성 핵종 기타 유해물질을 침출특성이 우수하고 저장형태로도 안정한 소달라이트를 제공하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 발명은 제올라이트를 소달라이트로 전이시키기 위하여, 927 ℃(약 1000 K), 20 MPa의 반응조건을 필요로 하며 반응의 초기 과정에서 소달라이트로의 전이를 촉진시키는 유리전구물질(또는 유리제조물질; glass frit) 등을 첨가한다. U.S. Patent No. 5613240 (1997) describes a method for transferring a zeolite immobilized with LiCl-KCl based salt waste containing radionuclides and other harmful substances to sodalite. It relates to a more stable method of treating radionuclides and other harmful substances, characterized by increasing the leaching resistance and density of the final solids through transition to sodalite. The present invention is characterized by providing a sodalite that is excellent in leaching properties of radionuclides and other harmful substances such as cesium, strontium and stable in storage form by this transition. The invention requires a reaction condition of 927 ° C. (about 1000 K), 20 MPa in order to transfer the zeolite to sodalite, and a glass precursor (or glass-producing material) that promotes the transition to sodalite in the initial stage of the reaction. glass frit) and the like are added.

상기 특허뿐만 아니라 기존의 소달라이트 결정을 주성분으로 가진 고정화 생성물 또는 고화체를 제조하는 방법은 모두 그 처리대상 폐용융염이 LiCl의 단일염이 아니라 LiCl과 KCl이 함께 혼합된 공융염이기 때문에, 그 혼합온도가 약 500 ℃ 이하가 된다. 따라서 이렇게 생성된 고정화 중간체는 제올라이트 결정 구조를 그대로 유지하고 있어서 이들을 소달라이트로 전이시키기 위해서는 상기의 유리전구물질과 같은 전이 촉진제가 필요하게 된다. In addition to the above patents, conventional methods of preparing immobilized products or solids containing sodalite crystals are not the single salt of LiCl, but the eutectic salts in which LiCl and KCl are mixed together. The temperature is about 500 ° C. or less. Therefore, the immobilized intermediate thus produced retains the zeolite crystal structure as it is, and in order to transfer them to sodalite, a transition accelerator such as the glass precursor is required.

이러한 전구물질을 첨가하지 않으면 반응 후 주생성물은 소달라이트가 아닌 네펠라인(nepheline)이 된다. 네펠라인의 결정구조는 침출저항성이 작기 때문에 방사성 핵종을 저장하는 데는 유용하지 않다. 반면에 유리전구물질을 첨가하면 소달라이트를 주생성물로 얻을 수는 있지만, 첨가해주는 유리전구물질의 양만큼 최종 폐기물 고화체의 양이 증가한다는 문제가 있다. Without the addition of these precursors, the main product after the reaction would be nepheline rather than sodalite. Nephelline's crystal structure is not useful for storing radionuclides because of its low leaching resistance. On the other hand, when the glass precursor is added, sodalite can be obtained as the main product, but the amount of the final waste solidified body increases by the amount of the glass precursor added.

이에 본 발명자들은 소달라이트로서 안정한 구조를 가지며, 유리전구물질 등과 같은 첨가제를 가하지 아니하고도 고정화 생성물을 만들기 위하여 노력한 결과, 제올라이트만을 이용한 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.The present inventors have a stable structure as sodalite, and as a result of making efforts to make an immobilized product without adding an additive such as a glass precursor material, the present invention was completed by developing a method using only zeolite.

본 발명은 상기의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 사용후 핵연료를 재처리하는 과정에서 발생되는 세슘, 스트론튬 및 바륨 등과 같은 알칼리, 알칼리 토금속족 또는 세륨, 란타늄, 네오디늄, 이트륨 등과 같은 희토류 방사성 핵종이 함유된 염화염 폐기물을 제올라이트와 혼합하여 중간체를 제조하는 방법을 제공하고 이러한 방법에 의해 생성된 고정화 중간체를 열처리함으로써, 보다 안정하고 침출특성이 우수한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention is to overcome the above problems, alkali, alkaline earth metal groups such as cesium, strontium and barium generated in the process of reprocessing spent nuclear fuel or rare earth radionuclides such as cerium, lanthanum, neodymium, yttrium, etc. Provided is a method for preparing an intermediate by mixing the contained chloride waste with zeolite and heat treating the immobilized intermediate produced by this method, thereby providing a method for producing a more stable and superior leaching product of the chloride waste. There is a purpose.

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

본 발명은 알칼리, 알칼리 토금속족 또는 희토류 방사성 핵종을 포함하는 염화염 폐기물과 제올라이트를 혼합하여 고정화 중간체를 제조하는 단계(제 1단계) 및 상기 고정화 중간체를 Na계 소달라이트로 전이시키는 단계(제 2단계)를 포함하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물을 제조하는 방법을 제공한다.The present invention is to prepare an immobilized intermediate by mixing a zeolite and chloride waste containing alkali, alkaline earth metal group or rare earth radionuclide (first step) and transferring the immobilized intermediate to Na-based sodalite (second step) It provides a method for producing the immobilized product of the chloride waste using only zeolite comprising the step).

본 발명에 따른 고정화 중간체를 제조하는 단계(제 1단계)에 있어서, 상기 염화염 폐기물은 세슘, 스트론튬 또는 바륨 등과 같은 알칼리, 알칼리 토금속족 또는 희토류 방사성 핵종을 포함하는 염화염 폐기물일 수 있다. In the step (first step) of preparing an immobilized intermediate according to the present invention, the chloride waste may be a chloride waste comprising alkali, alkaline earth metal group or rare earth radionuclides such as cesium, strontium or barium.

상기 염화염 폐기물은 LiCl계 염화염 폐기물일 수 있다. 외국의 선행 특허발명의 경우 핵연료 처리공정에서 발생되는 LiCl/KCl계 공융염 폐기물을 대상으로 한 것이나, 국내의 경우 외국과는 다른 처리공정기술을 사용하므로 발생되는 염화염 폐기물은 LiCl계 단일염 폐기물이므로 본 발명은 이점에 주목하였다. The chloride waste may be LiCl-based chloride waste. In the case of foreign patent invention, LiCl / KCl-based eutectic salt wastes generated from nuclear fuel processing process are targeted to Korea, but in Korea, chloride waste generated by using different processing process technology is different from LiCl-based single salt waste. Therefore, the present invention pays attention to the advantages.

또한, 본 발명은 외국의 선행기술과 비교할 때, 보다 가혹한 온도조건(선행기술; 500 ℃, 본 발명; 650 ℃)이므로 LiCl/KCl계 염화물 폐기물에도 충분히 적용 가능할 것으로 예상된다.In addition, the present invention is expected to be sufficiently applicable to LiCl / KCl-based chloride wastes because of more severe temperature conditions (prior art; 500 ° C., the present invention; 650 ° C.) when compared to foreign prior art.

본 발명에 따른 고정화 중간체를 제조하는 단계(제 1단계)에 있어서, 상기 제올라이트는 제올라이트 A형 중에서, 특히 제올라이트 4A형이 바람직하다. 다른 종류의 제올라이트(예를 들면, 제올라이트 X, Y 등)의 경우 제 1단계의 고정화 중간체를 만드는 단계에서 이온교환 및 흡착에 의해 제올라이트 세공 내에 내포시킬수 있는 세슘 등의 방사성 핵종의 양이 A형에 비해 상당히 적기 때문이다. In the step of preparing the immobilized intermediate according to the present invention (first step), the zeolite is of zeolite A type, particularly zeolite 4A type. For other types of zeolites (e.g., zeolites X, Y, etc.), the amount of radionuclides, such as cesium, which can be contained in the zeolite pores by ion exchange and adsorption in the step of making the immobilization intermediate in the first step, is determined by This is because it is quite small.

제올라이트 A형에는 치환된 양이온의 종류에 따라 제올라이트 Li-A, 제올라이트 NaA, 제올라이트 KA, 제올라이트 CaA 등이 있으며 본 발명에서는 NaA형을 주로 사용한다. NaA형의 세공크기는 4.3 Å 정도이다. 본 발명에 따른 고정화 생성물을 제조하는 단계(제 1단계)에 있어서, 제올라이트 NaA는 LiCl계 염화염 폐기물에 포함된 알칼리, 알칼리 토금속족 또는 희토류 방사성 핵종을 이온교환, 흡착 및 내포에 의해 제올라이트의 세공 내에 붙잡아두는 역할을 한다.Zeolite Type A includes zeolite Li-A, zeolite NaA, zeolite KA, zeolite CaA, and the like depending on the type of the substituted cation. In the present invention, NaA type is mainly used. The pore size of NaA type is about 4.3 mm3. In the step of preparing the immobilized product according to the present invention (first step), the zeolite NaA is a pore of the zeolite by ion exchange, adsorption and inclusion of alkali, alkaline earth metal group or rare earth radionuclides contained in LiCl-based chloride waste. It plays a role of holding in.

CaA형의 경우에도 동일한 발명의 효과를 얻을 수 있다. 그러나 실제로 CaA형은 NaA형으로 제조된 것을 수용액 중에서 Na 이온을 Ca 이온으로 이온교환하여 제조하는데 상용의 경우 대략 60 % 정도만 이온교환이 되고 나머지 40 % 는 Na 이온이 그대로 남겨진 상태인 것이어서 배제하였다.Also in the case of CaA type, the same effect of the invention can be obtained. In practice, however, the CaA type was prepared by ion-exchanging Na ions with Ca ions in an aqueous solution, which was made of NaA type, and only about 60% of the ion was exchanged and the remaining 40% of the Na ions were excluded.

본 발명에 따른 고정화 중간체를 제조하는 단계(제 1단계)에 있어서, 상기 염화염 폐기물의 LiCl과 제올라이트의 혼합비(LiCl/제올라이트;r)는 무게비로 0.001 이상 0.4 미만으로 하며, 바람직하게는 0.1 이상 0.3 이하로 할 수 있다.In the step (first step) of preparing an immobilized intermediate according to the present invention, the mixing ratio of LiCl and zeolite (LiCl / zeolite; r) of the chloride waste is a weight ratio of 0.001 to less than 0.4, preferably 0.1 or more It can be 0.3 or less.

본 발명에 따른 고정화 중간체를 제조하는 단계(제 1단계)에 있어서, 상기 혼합반응의 온도는 613 내지 690 ℃ 인 것이 바람직하다.In the step of preparing the immobilized intermediate according to the present invention (first step), the temperature of the mixing reaction is preferably 613 to 690 ℃.

LiCl염이 용융되는 온도인 613 ℃ 이상에서 상기 혼합물을 적정 혼합기(예를 들면, 블랜딩 혼합기 또는 V-믹서 등)에 넣고 교반 또는 회전하는 방식으로 적절히 혼합시켜 고정화 중간체를 제조하며, 작업성을 감안하여 650 ℃ 를 유지하는 것이 바람직하다. Immobilized intermediate is prepared by mixing the mixture in a suitable mixer (for example, blending mixer or V-mixer, etc.) at a temperature of at least 613 ° C., at which the LiCl salt is melted, by stirring or rotating to prepare immobilized intermediate. It is desirable to maintain 650 ℃.

본 발명에 따른 고정화 중간체를 제조하는 단계(제 1단계)에 있어서, 상기 혼합반응 시간은 30분 이상 30 시간 이하로 하며, 3시간 이상으로 하는 것이 바람 직하다.In the step of preparing the immobilized intermediate according to the present invention (first step), the mixing reaction time is preferably 30 minutes or more and 30 hours or less, preferably 3 hours or more.

본 발명에 따른 상기 고정화 중간체를 Na계 소달라이트로 전이시키는 단계(제 2단계)에 있어서, 상기 전이반응 온도는 750 이상 950 ℃ 이하로 하며, 850 ℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.In the step (second step) of transferring the immobilized intermediate according to the present invention to Na-based sodalite, the transition reaction temperature is preferably 750 ° C. or more and 950 ° C. or less, and preferably maintained at 850 ° C. or more.

본 발명에 따른 상기 고정화 중간체를 Na계 소달라이트로 전이시키는 단계(제 2단계)에 있어서, 상기 전이반응 시간은 2 이상 10 시간 이하로 하며, 4시간 정도로 하는 것이 바람직하다.In the step (second step) of transferring the immobilized intermediate according to the present invention to Na-based sodalite, the transition reaction time is preferably 2 or more and 10 hours or less, preferably about 4 hours.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 적절한 열처리와 제올라이트만을 이용하여 염화염 폐기물의 고정화 중간체를 제조하고, 이를 Na계 소달라이트로 전이시키는 방법으로서, 종래에 개발된 방법과는 달리 일체의 전이 촉진제의 부가 없이 열처리만으로 침출특성이나 안정화의 견지에서 우수한 고정화 생성물을 얻을 수 있다. The present invention constituted as described above is a method for preparing an immobilized intermediate of chloride waste using only appropriate heat treatment and zeolite, and transferring it to Na-based sodalite, which is different from the conventionally developed method. Without heat treatment alone, excellent immobilization products can be obtained in terms of leaching properties and stabilization.

Na계 소달라이트 결정구조를 가진 고정화 생성물은 그 내부의 세공입구의 크기는 약 2.2 Å 정도로 고정화 생성물에 내포된 방사성 핵종의 크기(약 3.7 Å 정도)보다 더 작기 때문에 결정의 내부 구조가 파괴되지 않는 한 외부로 빠져 나오지 않게 되므로 방사성 핵종을 처분장에 저장하기에 적합하다. The immobilized product with Na-based sodalite crystal structure is smaller than the size of the radionuclides contained in the immobilized product (about 3.7)) by the size of the pores therein so that the internal structure of the crystal is not destroyed. It does not escape to the outside, making it suitable for storing radionuclides at disposal sites.

또한 소달라이트로의 전이를 위해 유리전구물질을 첨가하지 않아도 되기 때문에 고정화 생성물의 양을 줄이는 데 유용하다. It is also useful for reducing the amount of immobilized product since it does not require the addition of glass precursors for the transition to sodalite.

이와 같이 제조된 고정화 중간체가 본 발명에 의해 고정화 생성물 제조단계를 거친 결과를 살펴보면, 혼합비가 0.4 이상 15 이하인 고정화 중간체는 열처리를 거치면 Li-A 의 결정구조가 주생성물로 나타났으나, 혼합비가 0.3 이하인 조건에서는 고정화 생성물이 거의 모두 침출특성이 우수하고 보다 안정한 형태의 Na계 소달라이트로 전이되었음을 확인하였다.As a result of the immobilization intermediate prepared in the immobilized product manufacturing step according to the present invention, the immobilization intermediate having a mixing ratio of 0.4 or more and 15 or less showed that the crystal structure of Li-A was the main product after the heat treatment, but the mixing ratio was 0.3. Under the following conditions, almost all of the immobilized products had excellent leaching properties and were confirmed to be transferred to Na-based sodalite in a more stable form.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by Examples and Comparative Examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.

<실시예 1> 세슘 및 스트론튬을 포함하고 있는 LiCl계 염폐기물의 고정화 중간체 및 고정화 생성물의 제조(혼합비가 0.25인 조건)Example 1 Preparation of Immobilized Intermediates and Immobilized Products of LiCl-Based Salt Wastes Containing Cesium and Strontium (Mixed Ratio of 0.25)

1. 고정화 중간체의 제조(제 1단계)1. Preparation of Immobilized Intermediates (Step 1)

LiCl 25 g, CsCl 1.53 g, SrCl2 0.83 g 을 혼합하여 만든 모의 LiCl계 염폐기물과 제올라이트 NaA 100 g 을 블랜딩 혼합기 또는 V형 혼합기에 넣고 혼합기를 둘러싸고 있는 전기로의 온도를 LiCl의 용융온도인 613 ℃ 이상으로 조작하였다. 이후 약 650 ℃ 로 유지되는 전기로 내에서 혼합기를 회전시키며 용융된 LiCl계 염폐기물이 제올라이트와 잘 혼합되도록 5시간 이상 혼합시켰다. 이렇게 제조된 고정 화 중간체의 결정구조를 X선 회절분석기로 측정하여 그 패턴을 살펴본 결과 고정화 중간체는 Li-A 결정과 Li계 소달라이트(Li8Cl2-Sod.)의 혼합물로 나타났다(도 2의 상단).Simulate LiCl-based salt waste mixed with 25 g of LiCl, 1.53 g of CsCl, and 0.83 g of SrCl 2 and zeolite NaA 100 g are placed in a blending mixer or V-type mixer and the temperature of the electric furnace surrounding the mixer is 613 ° C, the melting temperature of LiCl. It operated above. Thereafter, the mixer was rotated in an electric furnace maintained at about 650 ° C. and mixed for 5 hours or more so that the molten LiCl salt waste was mixed well with the zeolite. The crystal structure of the immobilized intermediate thus prepared was measured with an X-ray diffractometer, and the pattern of the immobilized intermediate was found to be a mixture of Li-A crystals and Li-based sodalite (Li 8 Cl 2 -Sod.) (FIG. 2). At the top).

2. 고정화 생성물의 제조(제 2단계)2. Preparation of Immobilized Product (Second Step)

상기 고정화 중간체를 900 ℃ 로 유지되는 전기로에서 4시간 이상 열처리시키면 Na계 소달라이트(Na8Cl2-Sod.) 결정이 주성분인 고정화 생성물이 제조된다. 이렇게 제조된 고정화 생성물의 결정구조를 X선 회절분석기로 측정하여 그 패턴을 살펴본 결과, 제 1단계의 고정화 중간체는 침출특성이 우수하고 보다 안정한 형태인 Na계 소달라이트로 전이되었음을 확인할 수 있었다(도 2의 하단). When the immobilized intermediate is heat-treated for 4 hours or more in an electric furnace maintained at 900 ° C., an immobilized product having Na-based sodalite (Na 8 Cl 2 -Sod.) Crystals as a main component is prepared. As a result of measuring the crystal structure of the immobilized product thus prepared by X-ray diffractometer, it was confirmed that the immobilized intermediate of the first step was transferred to Na-based sodalite having better leaching properties and more stable form (Fig. Bottom of 2).

<실시예 2> 세슘 및 스트론튬을 포함하고 있는 LiCl계 염폐기물의 고정화 중간체 및 고정화 생성물의 제조(혼합비가 0.1인 조건)Example 2 Preparation of Immobilized Intermediate and Immobilized Product of LiCl-Based Salt Waste Containing Cesium and Strontium (Mixed Ratio 0.1)

혼합비(LiCl/제올라이트) 조건을 제외하고는 상기 <실시예 1>과 동일하게 제조하였다. 도 3에 고정화 중간체 및 고정화 생성물에 대한 X선 회절분석결과를 도시하였다.It was prepared in the same manner as in <Example 1> except for the mixing ratio (LiCl / zeolite) conditions. 3 shows the results of X-ray diffraction analysis for the immobilized intermediate and the immobilized product.

하기의 표 1에는 상기 실시예 1, 2 에 의한 고정화 중간체 및 고정화 생성물을 나타내었다.Table 1 below shows the immobilization intermediate and the immobilization product according to Examples 1 and 2.

<비교예> 다른 범위의 혼합비(LiCl/제올라이트)에서의 고정화 중간체 및 고정화 생 성물의 결정구조 비교Comparative Example Comparison of Crystal Structures of Immobilized Intermediates and Immobilized Products at Different Mixture Ratios (LiCl / zeolites)

혼합비가 0.4 이상 15 이하에 해당하는 범위 중에서 15, 10, 4.5, 1.0, 0.5, 0.4인 조건에서 상기 실시예와 동일하게 고정화 중간체 및 고정화 생성물을 제조하였다. 하기 표 1에는 상기 비교예에 의한 고정화 중간체 및 고정화 생성물의 결정구조를 나타내었다. 상기 혼합비 범위에서의 주생성물은 Li계 소달라이트(Li8Cl2-Sod.) 또는 Li-A 결정구조인 것으로 나타났다.The immobilization intermediate and the immobilization product were prepared in the same manner as in the above examples under the conditions of the mixing ratio of 15, 10, 4.5, 1.0, 0.5, 0.4 in the range of 0.4 or more and 15 or less. Table 1 below shows the crystal structures of the immobilized intermediate and the immobilized product according to the comparative example. The main product in the mixing ratio range was found to be Li-based sodalite (Li 8 Cl 2 -Sod.) Or Li-A crystal structure.

Figure 112005006972980-pat00001
Figure 112005006972980-pat00001

본 발명은 사용후 핵연료를 재처리하는 과정에서 발생하는 방사성 핵종 및 기타 유해한 화학종을 포함하는 염화염 폐기물의 고정화 중간체를 Na계 소달라이트 결정구조로 전이시킴으로써 침출특성이 우수하고 처분장에 저장하기에 적합한 고정 화 생성물의 제조에 유용하다. 또한, 상기 전이단계에서 전이를 촉진시키는 기능을 가진 것으로서 종래 방법에서 사용되던 유리전구물질 등과 같은 일체의 전이 촉진제를 첨가하지 않고 고정화 생성물을 제조함으로써, 처분장으로 보내지는 최종 고화체의 생성량을 줄이거나 염화염 폐기물의 처리량을 증가시킴으로써, 종래의 방법보다 효과적인 염화염 폐기물을 처리할 수 있다.The present invention has excellent leaching properties by transferring immobilized intermediates of chloride wastes, including radionuclides and other harmful chemical species, generated in the course of reprocessing spent fuel to Na-based sodalite crystal structure, and storing them at the disposal site. It is useful for the preparation of suitable immobilization products. In addition, by preparing the immobilized product without the addition of any transition accelerator, such as glass precursors used in the conventional method as a function of promoting the transition in the transition step, to reduce the amount of the final solid to be sent to the disposal site or salt By increasing the throughput of flame waste, it is possible to treat chloride waste more effectively than conventional methods.

Claims (10)

염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법에 있어서,In the method for producing the immobilized product of the chloride waste, 알칼리, 알칼리 토금속족 또는 희토류 방사성 핵종을 포함하는 염화염 폐기물과 제올라이트 A를 혼합하여 고정화 중간체를 제조하는 단계(제 1단계) 및Preparing an immobilized intermediate by mixing zeolite A with a chloride waste comprising an alkali, alkaline earth metal group or rare earth radionuclide (first step), and 상기 고정화 중간체를 Na계 소달라이트로 전이시키는 단계(제 2단계)를 포함하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.A method for preparing immobilized product of chloride waste using zeolite only, comprising the step of transferring the immobilized intermediate to Na-based sodalite (second step). 제 1항에 있어서, 상기 방사성 핵종은 세슘, 스트론튬 또는 바륨인 것을 특징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.The method of claim 1, wherein the radionuclide is cesium, strontium or barium. 제 1항에 있어서, 상기 제올라이트A는 제올라이트 NaA형인 것을 특징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.2. The method of claim 1, wherein the zeolite A is zeolite NaA type. 제 1항에 있어서, 상기 염화염 폐기물은 LiCl계 염화염 폐기물인 것을 특징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.The method of claim 1, wherein the chloride waste is LiCl-based chloride waste, characterized in that the production method of the immobilized chloride waste using only zeolite. 제 4항에 있어서, 상기 LiCl계 염화염 폐기물과 상기 제올라이트A의 혼합비는 무게비로 0.001 이상 0.4 미만인 것을 특징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the mixing ratio of the LiCl-based chloride waste and the zeolite A is in a weight ratio of 0.001 or more and less than 0.4. 6. 제 4항에 있어서, 상기 혼합비는 무게비로 O.1 이상 0.3 이하인 것을 특징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the mixing ratio is 0.1 to 0.3 in weight ratio. 제 4항에 있어서, 상기 제 1단계의 혼합반응온도는 613 내지 690 ℃ 인 것을 특징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the mixing reaction temperature of the first step is 613 to 690 ° C. 6. 제 4항에 있어서, 상기 제 1단계의 혼합반응시간은 30분 내지 30 시간인 것을 특징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.The method of claim 4, wherein the mixing reaction time of the first step is 30 minutes to 30 hours. 제 4항에 있어서, 상기 제 2단계의 반응온도는 750 내지 950 ℃ 인 것을 특 징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.The method of claim 4, wherein the reaction temperature of the second step is from 750 to 950 ° C. 제 4항에 있어서, 상기 제 2단계의 반응시간은 2 내지 10 시간인 것을 특징으로 하는 제올라이트만을 이용한 염화염 폐기물의 고정화 생성물의 제조방법.5. The method of claim 4, wherein the reaction time of the second step is 2 to 10 hours. 6.
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