KR101552043B1 - 방사성 세슘이 포함된 소각재 세척액의 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PNHF(potassium nickel hexacyanoferrate)에 의한 소각재 세척액 내에 포함된 방사성 세슘을 제거하는 방법에 관한 것으로, NiCl2·6H2O 및 K3Fe(CN)6를 혼합하여 제조한 PNHF를 세척액에 넣어 세슘을 흡착시킨다. 그 후 명반을 첨가하여 침전을 응집시킨 다음 원심분리 혹은 필터하여 침전을 제거함으로서 세척액중 세슘을 제거한다. 본 발명의 방법을 사용하면 기존의 방법보다 공정이 간단하고, 이차 방사성폐기물의 양도 획기적으로 감축시킬 수 있다. 아울러 본 발명에서는 안정한 PNHF 제조를 위한 조건, 세슘과의 최적 pH 등 세척액에서 세슘제거를 위한 최적 조건을 기술하였다.

Description

방사성 세슘이 포함된 소각재 세척액의 처리 방법{Treatment method of waste solution generated from the washing of Cs-contaminated incineration ashes}
본 발명은 방사성 세슘이 포함된 소각재 세척액의 처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자력 시설에서 발생하는 방사성 폐기물은 고준위, 중ㆍ저준위, 극저준위 폐기물로 구분 된다. 고준위 폐기물은 사용후 핵 연료와 같이 방사능이 높고, 열이 발생하는 장반감기 폐기물인 반면, 중ㆍ저준위 폐기물은 원자로의 운전 및 보수 과정에서 발생한 폐필터, 폐수지, 기구, 장갑, 덧신, 휴지, 걸레, 방호복, PVC시트, 제염지, 슬러지(sludge) 등이 여기에 속한다.
이 중에서 중ㆍ저준위 방사성 폐기물의 일반적 처리방식은 비가연성의 경우 압축 처분하고, 가연성 폐기물은 단순 소각하고 이 소각된 재를 금속 드럼통 내에 넣고 시멘트 혹은 아스팔트 고화하여 처분한다. 하지만, 이러한 종래의 방사성 폐기물 처리방식은 그 부피감소의 효과(대략 1/3~1/5)가 작아 대규모의 처분시설이 요구될 뿐더러, 이를 처분할 광대한 처분부지가 필요하다. 일본 후쿠시마시 경우도 쓰나미에 의해 발생한 주변쓰레기를 소각함으로서 방대한 양의 방사능 오염 소각재가 발생하여 이에 대한 처리를 고심하고 있는 실정이다. 참고적으로 체르노빌 혹은 후쿠시마와 같은 원자로 폭발 사고의 경우, 사고초기 주 감마 방사선원은 I-131, Cs-134, Cs-137이다. 그러나 I-131은 반감기가 약 8일로 매우 짧으므로 사고후 수개월이 경과하면 세슘이 주 방사선원이 된다.
방대한 양의 소각재 부피를 줄이는 한 가지 방법은 세척하여 방사성 핵종만을 추출하여 처리하는 방법이다. 그러나 이 과정에서 많은 방사능 오염 폐액이 발생한다. 이 폐액으로부터 세슘을 제거하기 위하여 천연 혹은 합성 제올라이트, ammonium molybdophosphate (AMP), Prussian blue, sodium tetraphenylborate (Na-TPB), potassium nickel hexacyanoferrate (이하, PNHF) 등이 고려되어 왔다.
그러나 제올라이트는 세슘 흡착에 많은 양이 필요하므로 이차 폐기물이 많이 발생하고, AMP의 경우는 세슘과 반응하여 침전을 형성한 후 시간이 경과하면 침전이 다시 용해되는 성질이 있다. 또한, Prussian blue는 세슘과 결합하나 침전을 여과하기에 입자가 너무 작다. 따라서 근래에는 자연수중 오염된 세슘을 제거하기 위하여 Na-TPB와 PNHF를 많이 고려한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 2차 폐기물을 적게 발생시키는 제염방법으로서, 세슘으로 오염된 소각재를 세척한 용액에 potassium nickel hexacyanoferrate와 명반(alum)을 넣어 폐액을 처리하는 새로운 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 세슘이 포함된 소각재 폐액을 처리하는 방법을 제공한다:
a) NiCl2·6H2O 및 K3Fe(CN)6 를 혼합한 다음, 8 내지 15시간 정치한 후, 원심분리하여 포타슘 니켈 헥사시아노페레이트(potassium nickel hexacyanoferrate, 이하 PNHF)를 제조하는 단계;
b) 상기 PNHF를 소각재 세척액에 첨가하여 세슘을 흡착하는 단계;
c) 상기 세슘이 흡착된 용액에 명반을 넣어 침전을 응집시키는 단계; 및
d) 상기 침전을 여과하여 제거하는 단계.
용액중 세슘을 제거하기 위하여 폴리머 혹은 실리카 등의 지지체에 hexacyanoferrate를 흡착시켜 세슘을 제거하는 방법 대신에, PNHF와 소각재 세척액과 반응시킨 다음, 이들 용액에 명반을 넣고 침전을 응집(flocculation)시킨 후 20-25 μm 공극크기를 갖는 필터로 여과하거나 원심분리하면 보다 간단히 용액 중 세슘을 제거할 수 있는 효과를 가진다. 또한, 본 발명에서는 효율적인 PNHF의 제작방법을 제공할 수 있고, 소각재 세척액내 세슘 제거 조건 등을 제공할 수 있다.
결과적으로 본 발명의 방법으로 세슘 오염된 소각재의 세척액을 처리하면, 2차 폐기물을 덜 발생시키는 효과가 있다.
도 1은 합성한 PNHF의 입자 크기를 측정하기 위하여 Whatman 41번과 42번 필터로 여과한 후의 용액상태를 나타낸 사진이다(왼쪽은 Whatman 41번, 오른쪽은 Whatman 42번을 사용하여 여과한 사진).
종래 소각재 세척액의 제염 방법에 주로 사용되어 왔던 Na-TPB은 PNHF에 비해 값이 비싸며, 많은 양의 2차 폐기물을 발생시키는 문제점이 있었다. 또한, 종래 PNHF을 이용한 제염 방법 역시 반응조건에 따라 형성된 미세침전이 여과막을 통과하므로, 이를 방지하기 위한 방안으로서 헥사시아노페레이트(hexacyanoferrate)를 폴리머 혹은 실리카 등과 같은 지지체에 흡착시켜 세슘을 제거하는 방법이 연구되어 왔다. 그러나 이들은 각종 용액조건에서 세슘이 헥사시아노페레이트와 반응하는 동안 지지체에 헥사시아노페레이트가 안정하게 흡착되어 있어야 하며, 적절한 용매로 세슘 혹은 세슘-헥사시아노페레이트만을 탈착시켜 제거하여야 하는 등 복잡한 공정이 필요했다.
따라서 본 발명자들은 방사성 물질이 포함된 소각재 세척액을 제염하는 새로운 방법을 개발하고자 노력한 결과, PNHF에 세슘을 흡착시킨 다음 명반을 넣어 침전을 응집시키는 방법을 이용할 경우 손쉽게 제염할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명의 목적은 포타슘 니켈 헥사시아노페레이트(potassium nickel hexacyanoferrate, PNHF)와 명반을 이용하여 소각재 세척액을 처리하는 방법을 제공하는 것에 있다.
따라서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 방사성 물질이 포함된 소각재 세척액을 처리하는 방법을 제공한다:
a) NiCl2·6H2O 및 K3Fe(CN)6 를 혼합한 다음, 8 내지 15시간 정치한 후, 원심분리하여 포타슘 니켈 헥사시아노페레이트(potassium nickel hexacyanoferrate, 이하 PNHF)를 제조하는 단계;
b) 상기 PNHF를 소각재 세척액에 첨가하여 세슘을 흡착하는 단계;
c) 상기 세슘이 흡착된 용액에 명반을 넣어 침전을 응집시키는 단계; 및
d) 상기 침전을 여과하여 제거하는 단계.
본 발명에서 사용하는 용어 소각재는 가연성 방사성 폐기물들을 소각한 후 남은 물질을 의미하는 것으로, 상기 소각재의 방사성 물질을 제거하기 위해 세척한 후의 용액은 소각재 세척액인 것이다.
본 발명의 다른 일구현예로, 상기 a) 단계에서 NiCl2·6H2O 및 K3Fe(CN)6의 혼합 몰비는 1 내지 2일 수 있고, 보다 바람직하게는 1.1 내지 1.3 일 수 있으며, 가장 바람직하게는 본 발명의 실시예와 같이 1.2의 몰비를 가질 때 가장 우수한 세슘의 제염효과를 보인다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 a) 단계의 정치는 5 내지 15시간 수행될 수 있고, 바람직하게는 12시간 이상 정치가 수행될 때 효과있는 PNHF가 제조될 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 c)단계에서 세척액의 pH는 6 내지 9일 수 있고, 가장 바람직하게는 pH 7일 때 우수한 제염 효율을 보인다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1. PNHF 의 합성
물 20 L에 K3Fe(CN)6 2.74 kg을 넣고 완전히 녹여주었다. 상기 용액에 NiCl2·6H2O 2.38 kg을 서서히 저어주며 넣어주고, 반응을 위하여 2시간동안 흔들어주었다. 12시간이상 방치후 생성된 화합물을 원심분리한 후, 생성된 고체를 오븐에서 건조시켰다.
실시예 2. PNHF 의 물리적 특성 확인
합성한 PNHF의 침전입자 크기를 알기 위하여, 건조 전에 450D 여과포(공극크기 약 30 μm)와 유사한 공극 크기를 갖는 Whatman 41번 필터 (공극크기 20-25 μm)로 여과하였다. 그 결과, 도 1의 왼쪽그림과 같이 소량의 PNHF가 필터를 통과하였다. 그러나, Whatman 42번 필터 (공극크기 2.5 μm)로 여과하였을 때는 필터를 통과하지 못하였다.
실시예 3. 세슘 흡착제를 이용한 세슘 제거효율 비교실험
세슘이 포함된 소각재의 질산 세척 용액 중에 포함된 원소들의 조성을 표 1에 나타내었다.
용액초기 pH 0.1
칼륨 (mg/mL) 3.9
나트륨 (mg/mL) 2.1
아연 (mg/mL) 1.0
철 (mg/mL) 0.63
구리 (㎍/mL) 37
카드뮴 (㎍/mL) 8.2
크롬 (㎍/mL) 4.8
니켈 (㎍/mL) 4.0
세슘 (㎍/mL) 0.71
소각재 세척액 50 mL에 Na-TPB, Prussian blue, PNHF, 제올라이트를 각각 해당량만큼 넣고, 2시간 교반 후 1300 rpm으로 10분 동안 원심분리한 다음 슬러지 부피를 측정하였다.
또한, 원심분리에서 얻은 용액을 Whatman 41번 필터로 여과한 후 세슘 농도를 측정하였다. 용액의 pH는 Na-TPB의 세슘흡착 최적 pH로 알려진 11로, Prussian blue와 PNHF는 7로 조절하였다. 하기 표 2에 나타난 바와 같이 PNHF가 가장 효율적인 세슘 흡착제로 판단되었다. 또한, 사용한 비중을 비교한 결과는 Na-TPB와 PNHF의 겉보기 비중이 각각 0.45와 0.98로서 같은 무게를 첨가하였을 경우 PNHF의 겉보기 비중이 크므로 슬러지의 부피가 작다.
흡착제 주입량
(mg)
세척용액 세슘 초기 농도(Bq/mL) 흡착제 사용 후
세슘 농도(Bq/mL)
pH 슬러지
부피
(mL)
Na-TPB 50 3.2 1.5 11 -
700 3.2 0.02 11 10
Prussian blue 50 3.2 1.9 7 4.7
PNHF 50 3.2 0.02 7 5
제올라이트 200 3.2 1.35 7
PNHF의 최적 반응 조건을 얻기 위하여 pH를 달리하여 실험을 수행하였다. 반응후 용액은 Whatman 41번 필터로 여과하였다. 실험 결과, pH 7에서 가장 제염 효율이 좋은 것으로 나타났다 (표 3). 생성된 침전 슬러지는 건조 후 부피가 약 1/10로 감소하였다.
PNHF 주입량
(mg)
흡착제 사용 후 세슘 농도 (Bq/mL) 슬러지 부피
(mL)
건조 후 슬러지 부피
(mL)
pH 5.5 30 0.35 - 1.2
pH 7 30 0.02 15 1.6
pH 8.5 30 0.065 - 1.67
소각재 폐액에 적절한 PNHF의 주입량을 선정하기 위하여, 폐액 50 mL에 PNHF의 첨가량을 달리하여 제염 효율을 평가하였다. 사용한 소각재 폐액으로는 기존 3.2 Bq/g 용액 외에 세슘의 방사능이 다른 세척액 (8.5 Bq/g)도 사용하였다(표 4). 그러나 이들 방사성 세슘의 양은 소각재로부터 질산용액으로 용출되는 비방사성 세슘의 양보다 상대적으로 매우 작을 것으로 예상되므로, 세슘제거를 위한 적절한 PNHF의 주입량을 선정하기 위해서는 용액 중 비방사성 세슘을 포함한 총 세슘의 정량이 필요하다.
PNHF 주입량
(mg)
세척액A
세슘 농도
(Bq/ml)
세척액B
세슘 농도
(Bq/ml)
반응
pH
0 3.2 8.5 7
5 0.22 - 7
30 0.028 0.8 7
50 0.024 0.025 7
100 0.020 0.026 7
200 0.020 - 7
실시예 4. 합성방법에 따른 PNHF 세슘흡착 비교
NiCl2·6H2O/K3Fe(CN)6의 몰비를 0.8, 1.2, 2.0으로 혼합하여 제조한 PNHF를 이용하여 세척용액/PNHF양의 비를 500 mL/g 조건에서 실험한 결과, 몰비가 0.8로 제조한 PNHF는 용액중 세슘이 0.44 Bq/g이 남아있었으나, 몰비가 1.2, 2.0로 제조한 PNHF는 용액 중 세슘이 0.02 Bq/g 이하로 검출되었다. 따라서 NiCl2·6H2O/K3Fe(CN)6의 몰비를 1.2로 할 때 효율적으로 판단된다.
NiCl2·6H2O/K3Fe(CN)6의 몰비를 1.2로 혼합한 후, 30분간 정치한 다음, 바로 원심분리하여 PNHF를 제조하였다. 이 PNHF를 세슘 용액과 반응시킨 결과, 세슘의 제염효율이 많이 떨어졌다. 따라서 NiCl2·6H2O와 K3Fe(CN)6를 혼합한 후 overnight 시킨 다음, 원심분리하여 PNHF를 제조하였다.
또한, 이 용액들에 명반을 PNHF의 무게만큼 첨가한 후 2시간 흔들어 준 다음 Whatmann 41번 필터로 여과한 결과, 용액 중 세슘이 검출되지 않았다.
상기 실험 결과들을 종합할 때, NiCl2·6H2O/K3Fe(CN)6의 몰비를 1.2로 혼합한 후 12시간 이상 정치한 다음 원심분리하여 제조한 PNHF를 소각재 세척액에 넣고 10시간 이상 반응시킬 때 가장 세슘이 잘 제거된다는 것을 확인하였다. 아울러, 그 후 용액에 명반을 넣어 침전을 보다 응집시킨 다음 여과할 경우 세척액 내 세슘을 보다 효과적으로 제거할 수 있었다. 이 때, PNHF의 주입양은 용액중 비방사성 세슘을 포함한 총 세슘의 양에 의존할 것이고, 용액의 pH를 7로 조절하여야 세슘 제거효율이 높은 것으로 나타났다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해되어야 한다.

Claims (4)

  1. 세슘이 포함된 소각재 폐액을 처리하는 방법으로서,
    a) NiCl2·6H2O와 K3Fe(CN)6를 1.2:1 내지 2:1의 몰비로 혼합하고 12 시간 이상 정치한 후 원심분리함으로써, 포타슘 니켈 헥사시아노페레이트(Potassium Nickel HexacyanoFerrate, PNHF)를 제조하는 단계;
    b) 상기 PNHF를 pH 6~9의 소각재 세척액에 첨가하여 10 시간 이상 반응시킴으로써, 세슘을 흡착하는 단계;
    c) 상기 세슘이 흡착된 용액에 명반을 넣어 침전을 응집시키는 단계; 및
    d) 상기 침전을 필터로 여과하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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  3. 삭제
  4. 삭제
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