KR101558739B1 - 방사성 콘크리트 폐기물의 제염 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 습식제염방식에 의한 방사성 콘크리트 폐기물의 제염방법에 관한 것으로, 에폭시가 코팅된 콘크리트 폐기물과 에폭시가 코팅되지 않은 콘크리트를 나누어 처리함으로써, 방사성 콘크리트 발생의 양을 감용할 수 있는 특징이 있다. 본 발명에서 개발한 콘크리트 폐기물 처리공정을 이용하면, 우라늄으로 오염된 콘크리트 폐기물 중 70% 이상을 자체처분(self-disposal)할 수 있고, 제염시 발생하는 이차 방사성폐기물의 양도 획기적으로 감축시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

방사성 콘크리트 폐기물의 제염 방법{Method for decontamination of radioactive concrete waste}

본 발명은 방사성 콘크리트 폐기물의 습식 제염 방법에 관한 것이다.

원자력 시설과 같이 방사성 물질을 취급하는 시설 등에서 발생되는 방사성 오염물이나, 방사성 폐기물, 또는 방사성 물질이 포함된 재료 등을 이용하는 산업에서 발생되는 산업폐기물 등에 포함된 방사성 오염물이나 방사성 폐기물 등에 대하여, 이들을 안전하게 격리시키거나 감용 처리를 하여 안정하게 처분해야 하는 것은 매우 중요하다.

특히, 원자력시설의 해체 시에는, 방사성 물질로 오염된 해체폐기물이 발생되고, 상기 해체 폐기물의 관리비용이 전체 해체 사업비용의 30% 이상을 웃도는 점을 고려할 때, 해체폐기물 중 80% 이상을 차지하는 콘크리트 해체폐기물의 효과적인 관리가 해체사업의 경제성에 중요한 인자로 작용하고 있다.

일반적으로 방사성 물질로 오염된 물질이 국부적으로 포함되기만 해도 그 전체가 방사성 오염물로 다루어지게 된다. 따라서 그 전체 물량을 모두 폐기처분하기 위해서는 막대한 경비나 과대한 저장시설을 필요로 하게 되며, 더욱이 매우 장기간의 저장보관을 필요로 하는 경우가 대부분이다. 그러므로 방사성 물질로 오염된 물질이나 방사성 폐기물을 처리 또는 처분하고자 하는 경우에는 우선 이들을 감용하거나, 방사성 물질을 제거하기 위한 처리가 가능한지를 검토해야만 한다.

예를 들면, 고체 방사성 오염물의 경우는 그 오염상태가 표면뿐 이라면 처리약제로 처리하고, 표면오염이 금속오염물의 경우는 전해연마처리 등으로 그 표면만 제염처리하며, 제염제에 용해된 방사성 핵종을 더욱 농축처리하여 감용화를 시도하는 방법이 개시되어 있고, 또 다른 예로는 방사성 물질이 용해된 용액의 경우에는 이온교환수지나 침전법 또는 가열농축법 등으로 감용화를 시도하는 방법 등이 부분적으로 개시되어 있다.

그러나 방사성 핵종이 전체적으로 분산되어 포함되어 있는 고체 방사성 오염물 또는 폐기물의 경우에는 일단 그 방사성 오염물이나 폐기물 전체를 용해시켜 그 안에 포함되어 있는 방사성 물질을 분리 및 회수하는 조작이 필요하게 된다.

따라서 이렇게 고체 방사성 오염물이나 폐기물을 일단 용해하는 조작이 필요하게 되면 그 후의 방사성 물질을 제거하는 조작이 불완전하게 처리되는 경우에는 오히려 방사성 오염물질이 더욱 늘어날 위험성을 갖게 된다.

그러므로 방사성 물질이 전체적으로 분산돼 있는 고체폐기물 등의 경우에는 그 상태로 시멘트, 콘크리트, 아스팔트 등으로 고화시키는 처리를 실행하여, 고화된 상태로 저장 보관하는 방식으로 처분하는 것이 일반적이다.

한편, 국내 공개특허 제10-2011-0026642호에서는, 방사성 콘크리트를 처리하는방사성 방법이 제시되고 있다. 그러나 상기와 같은 방법을 이용하더라도 폐기물의 감용 처리가 어려운 경우가 대부분이고 저장시설이 확대되어 그 처분에 들어가는 비용이 증대하며, 대량의 방사성 폐기물을 장기간에 걸쳐 보관 및 관리하면서 안정성을 확보해야 하는 등 여전히 많은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 방사성 물질로 오염된 콘크리트 폐기물을 감용하기 위하여, 2차 폐기물을 적게 발생시키며, 콘크리트를 제염하는 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 에폭시가 코팅된 방사성 콘크리트 폐기물을 제염하는 방법을 제공한다.

a) 에폭시가 붙어있는 콘크리트 폐기물을 500~1000도에서 가열하여 에폭시를 제거하는 단계;

b) 상기 에폭시가 제거된 콘크리트 폐기물로부터 분말을 얻는 단계;

c) 상기 분말을 1차 세척하고, 동전기 장치에서 2차 세척하는 단계; 및

d) 상기 c) 단계에서 발생한 용액에 CaO를 넣고 pH를 조절하여 우라늄을 분리한 후, 황산을 첨가하여 칼슘을 제거하는 단계.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 에폭시가 코팅되지 않은 방사성 콘크리트 폐기물을 제염하는 방법을 제공한다:

a) 상기 방사성 콘크리트 폐기물을 파쇄하고, 파쇄된 입자를 체로 쳐서 입자크기가 1mm 초과인 입자와 1mm 이하인 입자로 선별하는 단계;

b) 상기 a) 단계를 통해 1mm 초과로 선별된 입자를 볼밀을 이용하여 세척하여 고상폐기물과 액상폐기물을 얻는 단계;

c) 상기 a) 단계에서 1mm 이하로 선별된 입자 및 상기 b) 단계의 액상폐기물을 1차 세척하고, 동전기 장치에서 2차 세척하는 단계; 및

d) 상기 c) 단계에서 발생한 용액에 CaO를 넣고 pH를 조절하여 우라늄을 분리한 후, 황산을 첨가하여 칼슘을 제거하는 단계.

방사능이 높은 에폭시가 붙어있는 콘크리트를 고열(800℃)로 태운 후 표면을 제거하면 산에 의한 시멘트 페이스트 용해를 막아 슬러지의 양이 감소하며, 콘크리트 세척액에 황산을 가하여 용액 중 칼슘 농도를 낮추어 재사용하면 폐액을 줄이고 제염효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명에서 개발한 콘크리트 폐기물 처리공정을 이용하면 우라늄으로 오염된 콘크리트 폐기물 중 70% 이상을 자체처분할 수 있으며, 제염시 발생하는 이차 방사성폐기물의 양도 획기적으로 감축시킬 수 있다.

도 1은 회분식 세척 방법과 본 발명에서 사용한 동전기 장치 제염방법을 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에서 사용한 동전기 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 에폭시가 붙어있는 콘크리트 시편을 따로 분리하여 불꽃으로 태운 경우의 방사능을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 여과 용액에 함유된 칼슘을 제거하기 위해 황산을 첨가했을 경우의 칼슘 농도 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 전체적인 제염 공정도를 나타낸 도면이다.

본 발명자들은 방사성 콘크리트 폐기물을 제염하는 새로운 방법을 개발하고자 노력한 결과, 에폭시가 코팅된 방사성 콘크리트 폐기물과 에폭시가 코팅되지 않은 콘크리트 폐기물을 분리하여 제염하는 방법을 이용할 경우 손쉽게 제염할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명의 목적은 에폭시가 코팅된 방사성 콘크리트 폐기물과, 에폭시가 코팅되지 않은 콘크리트 폐기물을 분리하여 제염하는 방법을 제공하는 것에 있다.

따라서, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 에폭시가 코팅된 방사성 콘크리트 폐기물을 제염하는 방법을 제공한다:

a) 에폭시가 붙어있는 콘크리트 폐기물을 500~1000도에서 가열하여 에폭시를 제거하는 단계;

b) 상기 에폭시가 제거된 콘크리트 폐기물로부터 분말을 얻는 단계;

c) 상기 분말을 1차 세척하고, 동전기 장치에서 2차 세척하는 단계; 및

d) 상기 c) 단계에서 발생한 용액에 CaO를 넣고 pH를 조절하여 우라늄을 분리한 후, 황산을 첨가하여 칼슘을 제거하는 단계.

본 발명의 일구현예로, 상기 에폭시가 붙어있는 콘크리트 폐기물은 가열을 통해 에폭시가 제거될 수 있다. 가열의 온도는 상기 범위에 한정되지 않으나, 800℃ 이상에서 가장 잘 제거될 수 있는 효과를 가진다.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 b) 단계에서 분말은 콘크리트 폐기물의 표면을 1 내지 5 mm 그라인딩(grinding)하여 수득될 수 있고, 상기 그라인딩이란 표면을 갈아내는 것을 의미하는 것으로, 표면을 갈아낼 수 있는 방법이라면 제한이 없다. 상기 표면을 그라인딩하는 1 내지 5 mm의 범위는 상기 범위 내에서 완전히 긁어내 질 수 있으나, 콘크리트 폐기물의 상태에 따라서 변경할 수 있다.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 1차 세척은 볼밀을 이용하여 질산을 넣고 10~70 rpm으로 4~8시간 동안 세척할 수 있다.

본 발명의 또다른 구현예로, 상기 d)단계에서 pH는 6 내지 9일 때, 우라늄이 가장 잘 분리될 수 있는 효과를 가진다.

또한, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 에폭시가 코팅되지 않은 방사성 콘크리트 폐기물을 제염하는 방법을 제공한다:

a) 상기 방사성 콘크리트 폐기물을 파쇄하고, 파쇄된 입자를 체로 쳐서 입자크기가 1mm 초과인 입자와 1mm 이하인 입자로 선별하는 단계;

b) 상기 a) 단계를 통해 1mm 초과로 선별된 입자를 볼밀을 이용하여 세척하여 고상폐기물과 액상폐기물을 얻는 단계;

c) 상기 a) 단계에서 1mm 이하로 선별된 입자 및 상기 b) 단계의 액상폐기물을 1차 세척하고, 동전기 장치에서 2차 세척하는 단계; 및

d) 상기 c) 단계에서 발생한 용액에 CaO를 넣고 pH를 조절하여 우라늄을 분리한 후, 황산을 첨가하여 칼슘을 제거하는 단계.

본 발명의 일구현예로, 상기 1차 세척은 볼밀을 이용하여 질산을 넣고 10~70 rpm으로 4~8시간 동안 세척될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예로, 상기 d)단계에서 pH는 6 내지 9일 때, 역시 우라늄이 가장 잘 분리될 수 있는 효과를 가진다.

본 발명의 방법에 따라 방사성 콘크리트를 제염할 경우, 제염효율을 높일 수 있고, 우라늄으로 오염된 콘크리트 폐기물 중 70% 이상을 자체처분할 수 있으며, 제염시 발생하는 이차 방사성폐기물의 양도 획기적으로 감축시킬 수 있는 장점이 있다.

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. 방사성 콘크리트 폐기물의 파쇄 및 분리

대부분의 방사성 폐기물은 콘크리트에 깊이 침투하지 못하고 대개 수 - 수십 MM 이내에 머무는 것으로 알려져 있다. 특히, 우라늄과 같은 핵종은 콘크리트의 높은 pH 때문에 uranyl hydroxides 침전을 형성하여, 실험실 바닥에 깊이 침투하지 못하고 표면에 머물 것으로 판단된다. 이를 확인하기 위하여 콘크리트 시편을 Electron Probe Micro-Analyzer (EPMA, Jeol 8600)로 측정한 결과, 2-3 mm 깊이에서 대부분의 우라늄이 관찰되었다 (참고문헌 J Radioanal Nucl Chem (2013) 298:973-980). 따라서 본 발명에서는 에폭시가 붙어있는 콘크리트 바닥 시편을 따로 분리하여 처리하였다(국내 핵물질 혹은 방사성동위원소 취급 실험실의 바닥은 에폭시 혹은 우레탄을 칠하도록 되어 있음).

일단, 에폭시가 포함되지 않은 콘크리트 시편 2 kg을 죠크레셔(Jaw Crusher)로 파쇄하였다. 상기 파쇄된 입자를 체로 쳐서 5 mm 이상, 1~5 mm, 1 mm 이하로 콘크리트 입자를 분리하였을 때, 입자의 무게가 각각 35.5 g, 1,504 g, 660 g으로 나타났고, 이들의 총 우라늄의 방사능이 각각 1.62 Bq/g, 1.76 Bq/g, 6.9 Bq/g으로 나타났다. 총 우라늄의 방사능은 U-238의 딸핵종(daughter nuclide)인 Pa-234m (측정 Energy 1001 KeV) 을 γ-spectrometer (Canberra, Genie 2000)로 측정하여 환산하였다.

상기 측정 결과, 1 mm 이하는 방사능이 높아 수 차례 산으로 세척해야 하고, 입자가 작아 여과하는데도 시간이 많이 걸리므로, 이를 따로 분리하여 세척하는 것이 공정상 유리할 것으로 판단하였다.

실시예 2. 콘크리트 폐기물의 최적 세척조건 도출

콘크리트 골재를 1.0 M 질산으로 2회 세척을 하여도, 자체처분기준치(천연우라늄의 경우 1.0 Bq/g, IAEA GSR Part 3 기준)에 도달하지 않으므로, 0.1 M 질산을 넣고 200 rpm으로 강하게 4시간 세척하여 시멘트 페이스트를 분리시켰다.

상기 시멘트 페이스트가 분리된 콘크리트를 150 rpm 조건에서 1.0 M 질산으로 2시간 세척한 다음(액체:고체=2:1 이 되도록 하여 세척) 방사능을 측정한 결과, 총 우라늄의 방사능이 0.56 Bq/g으로 떨어지는 것을 확인하였다.

상기 실험결과들을 토대로, 실규모 세척에서는 시멘트 페이스트를 더욱 잘 제거하기 위하여 볼밀을 사용하였다. 450 L로 제작된 볼밀에 1 mm 이하의 미세분말을 제외한 콘크리트를 넣고 재생폐액을 골재부피와 유사하게 넣고 약 40 rpm 으로 천천히 6시간 동안 세척하였다. 세척 후 볼밀의 뚜껑대신 필터를 조립한 다음 용액을 제거하였는데, 이 때 많은 양의 시멘트 페이스트가 용액과 함께 배출되었다.

용액을 배출시킨 다음, 골재에 1.0 M의 질산용액을 넣고(고체:액체=1:1), 40~50 rpm 정도의 속도로 2시간 동안 세척하였다. 세척 후 약간의 시멘트 페이스트가 더 제거되었고, 체로 쳐서 5 mm 이상과 1~5 mm 골재를 나누어 총 우라늄의 방사능을 측정한 결과, 각각 0.55, 0.73 Bq/g으로 모두 자체처분기준치 이하로 나타났다. 따라서 1 mm 이상의 콘크리트 입자는 분리하지 않고 세척해도 될 것으로 판단되었다.

실시예 3. 1 mm 이하 콘크리트 입자와 볼밀로부터 배출된 용액에 포함된 골재의 세척

1 mm 이하 크기의 콘크리트는 방사능이 높아 pH 0.5-0.8의 질산으로 5 차례 세척하여야 방사능이 자체처분기준치 이하에 도달하였다 (도 1 왼쪽).

그러나 이 회분식 세척방법은 많은 인력 및 시간이 소모되고, 폐액이 많이 발생되었다. 따라서 1차 세척한 미립자를 당 연구실에서 제작한 토양 세척용 동전기 장치(도 2)에 넣어 5일간 세척하였을 경우, 자체처분기준치 이하에 도달하였다 (도 1 오른쪽). 상기 미세입자들로부터 70%의 모래를 회수할 수 있었다.

따라서 실규모 콘크리트 제염공정에서는 체분리에서 얻어진 1 mm 이하 콘크리트 입자와 볼밀의 1, 2차 세척에서 배출된 gel-type 용액, 그리고 에폭시가 붙어있는 시편 표면에서 떨어져 나온 분말을 모아 1차 세척후 동전기 장치에서 제염하는 것이 인력과 발생 폐액량에서 유리할 것으로 판단되었다.

실시예 4. 에폭시가 붙어있는 시편의 처리

기존의 에폭시가 붙어있는 콘크리트 시편은 400℃에서 가열한 후 미세하게 분쇄한 다음, 이를 수 차례 산으로 세척하여야 제염이 가능하였다. 그러나 이 방법은 시멘트가 산에 녹아 많은 슬러지가 발생하는 문제가 있다.

이들 에폭시가 붙어있는 콘크리트 시편을 따로 분리하여 불꽃으로 태워본 결과(약 800℃), 표면의 에폭시가 제거되며 방사능이 자체처분기준치 이하에 도달하였다 (도 3의 A). 그러나 보다 높은 농도의 시편은 가열 후 아직도 자체처분치보다 높은 값을 유지하므로(도 3의 B), 표면을 2-3 mm 제거하였을 때 자체처분기준을 만족하였다. 불꽃으로 가열된 표면은 결합력이 약해 헤라와 같은 간단한 장비로 표면을 갈아낼 수 있다.

보통 콘크리트 조각의 두께가 2-3 cm이므로 이 방법으로 방사능 높은 표면층을 제거하는 방법은 습식처리보다 훨씬 적은 슬러지를 발생할 것이다.

실시예 5. 콘크리트 폐액 처리조건 도출

콘크리트 세척후 세척액에 포함된 우라늄을 침전시키기 위하여 CaO를 넣어 pH를 6-9로 조절하였다. 우라늄이 포함된 침전을 분리한 다음 여과한 용액에는 많은 양의 칼슘이 존재하므로 이를 동전기 혹은 세척액으로 재사용할 경우 세척효율이 낮아진다.

여과 용액 중에 함유된 칼슘을 선택적으로 제거하기 위하여 황산을 첨가하면 CaSO4 침전이 형성되므로 이를 다시 여과하면 대부분의 칼슘을 제거할 수 있었다(도 4). 황산첨가 전후의 용액중 칼슘농도를 Inductively Coupled Plasma - Atomic Emission Spectroscopy (ICP-AES, Jobin-Yvon, JY-50)로 측정한 결과, 칼슘농도가 3.8%에서 0.08%로 감소하였다.

실시예 6. 콘크리트 폐기물 제염 공정도 도출

위에서 기술한 실험결과들로부터 제염효율이 높은 콘크리트 폐기물의 공정도를 도출하여 도 5에 나타내었다.

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 (7)

1. 하기 단계를 포함하는 에폭시가 코팅된 방사성 콘크리트 폐기물을 제염하는 방법:
   a) 에폭시가 붙어있는 콘크리트 폐기물을 800~1000도에서 가열하여 에폭시를 제거하는 단계;
   b) 상기 에폭시가 제거된 콘크리트 폐기물로부터 분말을 얻는 단계;
   c) 상기 분말을 1차 세척하고, 동전기 장치에서 2차 세척하는 단계; 및
   d) 상기 c) 단계에서 발생한 용액에 CaO를 넣고 pH를 조절하여 우라늄을 분리한 후, 황산을 첨가하여 칼슘을 제거하는 단계.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 b) 단계에서 분말은 콘크리트 폐기물의 표면을 1 내지 5 mm 그라인딩(grinding)하여 수득되는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 1차 세척은 볼밀을 이용하여 질산을 넣고 10~70 rpm으로 4~8시간 동안 세척하는 것을 특징으로 하는, 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 d)단계에서 pH는 6 내지 9인 것을 특징으로 하는, 방법.
   
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