KR101611275B1

KR101611275B1 - 생물공학적 수중 삼중수소 제거 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101611275B1
Application number: KR1020150021327A
Authority: KR
Inventors: 이승엽; 이지영; 이재광; 백민훈; 정종태; 최태오
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-04-12

Abstract

본 발명은 생물공학적 수중 삼중수소 제거 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세조류의 광합성을 이용함으로써 원자력발전소의 온배수를 통해 배출되는 삼중수소 및 해수중의 삼중수소의 제거 효율을 극대화시킨 생물공학적 수중 삼중수소 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

생물공학적 수중 삼중수소 제거 방법 및 장치{The bioengineering method and apparatus to remove tritium in water}

본 발명은 생물공학적 수중 삼중수소 제거 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세조류의 광합성을 이용한 생물공학적 방법으로 원자력발전소의 온배수를 통해 배출되는 삼중수소 및 해수중의 삼중수소의 제거 효율을 극대화시킨 생물공학적 수중 삼중수소 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 중수로원전에서는 원자로의 운전에 필요한 냉각재 및 감속재로 중수(D2O)를 사용한다. 원자로의 출력 운전 중 상기 중수의 일부가 중성자와 결합하여 삼중수소(Tritium; ³H 또는 T)로 바뀌어 방사능을 발생하게 되며, 그 발생 농도는 발전소의 가동연수에 따라 증가하게 된다.

삼중수소는 수소 동위 원소의 하나로서, 한 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어진 질량수 3인 인공 방사성 원소이다. 이러한 삼중수소는 수소의 동위원소 중 가장 무거울 뿐만 아니라 베타 붕괴(β-decay)를 하며, 반감기가 12.3년인 방사성 원소로서 대량 사용 시 방사능 오염을 유발하게 된다.

상기한 삼중수소는 저에너지의 베타선을 방출하여 작업자의 호흡 또는 피부를 통해 체내로 유입되어 내부 피폭을 일으키게 된다. 따라서 중수로원전에서는 작업종사자가 삼중수소에 노출되지 않게 하기 위하여 여러 가지 방법을 적용하는 등 부단한 노력을 기울이고 있다.

최근 삼중수소에 의한 피폭의 영향을 저감하기 위해 중수로원전에서는 삼중수소제거설비(TRF; Tritium Removal Facility)가 가동되고 있다. 그러나 삼중수소제거설비 또한 수증기 형태의 삼중수소를 완벽히 제거하지 못하고 바닷물로 희석하여 온배수로 방출하고 있는 실정이다. 따라서 바닷물을 식수원으로 이용할 때에는 해수 중의 삼중수소(T₂O)가 큰 문제가 될 수 있다.

한편, 삼중수소를 제거하기 위한 장치에 관한 기술이 한국등록특허 제 2005-0006382호 ("삼중수소 처리 시스템")에 개시되어 있다. 상기 선행기술은 공기 중의 삼중수소를 제거하기 위한 장치로, 원자력발전소에서 온배수를 통해 배출되는 삼중수소나 해수중의 삼중수소는 제거할 수 없는 문제가 있다.

즉, 현재까지 국내외적으로 액상에 존재하는 삼중수소를 제거하는 기술 특히, 해수와 같은 부피가 큰 수중에 포함된 삼중수소를 제거하는 기술이 전무한 실정이다.

한국등록특허 제 2005-0006382호 ("삼중수소 처리 시스템")

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 원자력발전소의 온배수를 통해 배출되는 삼중수소 및 해수와 같이 큰 부피 내에 있는 삼중수소를 생물공학적 방법을 적용하여 효과적으로 제거함으로써, 친환경적이면서도 저비용으로 수중의 삼중수소 정화가 가능한 삼중수소 제거 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 원전에서 방출되는 폐수에 포함된 삼중수소뿐만 아니라 다른 미량의 용존 방사성 핵종들(스트론튬(Sr), 세슘(Cs), 요오드(I))도 상당부분 제거가 가능한 삼중수소 제거 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 수중에 포함된 삼중수소를 제거하는 방법은, a) 삼중수소를 포함하는 방사성 폐수가 정화조로 유입되는 단계(S100); b) 상기 방사성 폐수에 미세조류가 투입되며, 상기 미세조류가 빛을 이용해 광합성을 함에 따라 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 단계(S200); 및 c) 상기 b단계 폐수 내의 미세조류가 걸러지고 정화된 물이 저장되는 단계(S300); 를 포함하여 이루어질 수 있으며,

상기 b)단계는 상기 미세조류가 광합성을 하는 과정에서 삼중수소가 미세조류 세포내로 다량 흡수되며, 일반 물보다 무거운 삼중수소가 세포외로 다시 빠져나오지 못하게 됨으로써 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 제거 방법은 상기 b)단계가 반복 수행될 수 있으며, 상기 미세조류는 클로렐라(Chlorella) 및 스피룰리나(Spirurlina) 중 선택되는 어느 하나 이상의 담수성 미세조류이거나, 테트라셀미스(Tetraselmis), 듀날리엘라(Dunaliella), 클로렐라(Chlorella), 난노클로롭시스(Nannochloropsis) 및 이소크리시스(Isochrysis) 중 선택되는 어느 하나 이상의 해수성 미세조류일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 수중에 포함된 삼중수소를 제거하는 장치는, 삼중수소를 포함하는 방사성 폐수가 유입되어 저장되는 저류조; 상기 저류조로부터 상기 방사성 폐수가 유입되고 미세조류가 투입되며, 투입된 상기 미세조류가 빛을 이용해 광합성을 함에 따라 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 정화조; 및 상기 정화조로부터 유입되는 폐수 내의 미세조류를 걸러내어 최종 정화된 폐수가 저장되는 집수조;를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 미세조류의 광합성을 돕기 위해 상기 정화조에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부; 가 더 구비될 수 있다.

또, 상기 정화조는 상기 저류조로부터 유입되는 방사성 폐수가 저장되며, 일정량의 단일 미세조류가 투입되어 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 일부 제거되는 1차 정화조, 및 유입측에 상기 1차 정화조로부터 유입되는 방사성 폐수 내에 포함된 미세조류를 걸러내는 1차 필터,가 구비되며, 단일 미세조류 또는 2종 이상의 혼합종이 투입되어 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 2차 정화조,를 포함하여 이루어질 수 있다.

또, 본 발명의 일실시예에 따른 제거 장치는 자연 채광 및 햇빛을 이용하기 위해 외부를 둘러싸도록 구비되는 투명 재질의 하우스; 가 더 구비되며, 상기 하우스 내의 온도가 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 또한, 상기 정화조에 인접하여 설치되며, 일정 파장의 빛을 발산하는 LED 광원; 이 더 구비될 수 있으며, 일반 물보다 무거운 삼중수소가 포함된 상기 정화조 내의 폐수를 하부에서 상부로 순환시켜 미세조류 내부 흡수를 돕는 순환수단; 이 더 구비될 수 있다. 마지막으로, 상기 저류조 내 방사성 폐수의 온도를 일정 온도로 유지시키기 위한 온도조절수단; 이 더 구비될 수 있다.

본 발명은 원전 폐수 혹은 자연 해수에 포함되어 수중의 일반 물 분자와 유사 거동을 하는 삼중수소를 광합성을 하는 미세조류를 이용하여 빠르게 흡수하여 농축함으로써 삼중수소를 제거하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 방사성 물질인 삼중수소가 주변으로 확산되고 위해를 주는 부분을 생물공학적인 방법 및 장치를 이용해 친환경적으로 차단 및 정화할 수 있는 장점이 있다. 특히, 해수와 같은 부피가 큰 수 톤 규모 이상의 대용량 수처리도 가능한 장점이 있다.

또한, 원전의 액상폐기물(삼중수소 99%)에 대해 미세조류를 이용하는 친환경 정화기술이므로, 국민의 건강과 자연환경 보존에 효과적이면서도 삼중수소 제거 능력이 매우 우수하다. 또한, 처리 비용이 획기적으로 줄어 경제적 이익 창출을 기대할 수 있는 효과가 있다.

또한, 장치의 구성이 간단하면서도 해수와 같은 다량의 물도 효과적으로 처리가 가능한 장점이 있다.

아울러, 구성이 간단하기 때문에 저비용으로도 본 발명의 삼중수소 제거 장치를 우리나라 해수 담수화시설에 적용할 수 있는 장점이 있다.

마지막으로, 본 발명은 삼중수소 이외에도 다른 이온성 용존 방사성 핵종들 (예 : 스트론튬(Sr), 세슘(Cs), 요오드(I))의 부수적 제거 효과 또한 매우 뛰어나, 폭넓게 방사성 폐수를 정화하는데 매우 효과적이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 장치의 개략단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 장치의 개략사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 정화조의 다른 예.
도 4는 해수성 미세조류에 의한 삼중수소 감소를 측정 도시한 도면.
도 5는 담수성 미세조류에 의한 삼중수소 감소를 측정 도시한 도면.

본 발명은 원자력발전소에서 액체폐기물로 방출되는 담수 내 삼중수소와 해수 내 삼중수소를 미세조류를 이용하여 제거할 수 있는 수중의 삼중수소 제거 방법과 제거 장치에 관한 것이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 수중의 삼중수소 제거 방법 및 장치에 대해 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 방법은, 삼중수소를 포함하는 방사성 폐수가 정화조(200)로 유입되는 a단계(S100); 정화조 내의 방사성 폐수에 미세조류가 투입되며, 투입된 미세조류가 빛을 이용해 광합성을 함에 따라 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 b단계(S200); 및 상기 b단계 폐수 내의 미세조류가 걸러져 정화된 물이 저장되는 c단계(S300);를 포함하여 이루어질 수 있다.

이때 처리 대상수인 삼중수소를 함유한 방사성 폐수는 크게 해수와 담수로 구분될 수 있으며, 처리 대상수가 해수인지 담수인지에 따라 투입되는 미세조류도 크게 담수성과 해수성으로 분류되어 각각 적용될 수 있다. 미세조류의 공급은 농축 배양된 공급원으로부터 액상 형태로 공급된다.

해수성 미세조류는 테트라셀미스(Tetraselmis), 듀날리엘라(Dunaliella), 클로렐라(Chlorella), 난노클로롭시스(Nannochloropsis) 및 이소크리시스(Isochrysis) 중 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않는다.

또, 담수성 미세조류는 클로렐라(Chlorella) 및 스피룰리나(Spirurlina) 중 선택되는 어느 하나 이상일 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않는다.

실질적으로 폐수 내에 존재하는 삼중수소가 제거되는 단계인 b단계(S200)는 방사성 폐수 내로 투입된 미세조류가 광합성을 하는 과정에서 삼중수소가 미세조류 세포내로 신속히 흡수되며 일반 물보다 무거운 삼중수소가 세포외로 다시 빠져나오지 못하게 되는 원리를 이용한 것으로, 일정시간 동안 b단계를 수행한 뒤 삼중수소가 흡수된 미세조류를 걸러냄으로써 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 것이다.

따라서 수중의 삼중수소 제거 효율을 높이려면 미세조류의 광합성이 촉진되는 조건을 형성하고 삼중수소의 접촉 반응을 향상시키는 것이 바람직하다. 구체적으로, a단계(S100)에서 정화조로 유입되는 방사성 폐수는 생물학적 처리에 필요한 적정 온도인 20 ~ 25℃로 유지된 상태인 것이 바람직하다. 또한, 이후 수행되는 b단계(S200)에서 정화조 내의 방사성 폐수에 적정량의 빛을 쪼이도록 제어하는 것이 바람직하며, 이를 위해 자연광이 부족한 경우 자연광과 유사한 적정 파장의 LED 광원을 이용할 수 있다. 그리고 삼중수소의 빠른 흡수를 위해 미세조류와 삼중수소의 접촉 횟수를 증가시킬 필요가 있는데, 이를 위해 물의 순환이 필요하다. 물의 흐름은 무거운 삼중수소를 고려하여 하부에서 상부로 물을 강제로 순환시키는 것이 필요하다. 또, 용존 이산화탄소 농도를 높이기 위해 폐수 내로 공기 및 이산화탄소를 공급해주는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 조건뿐만 아니라, 상기 b단계가 여러 번 반복적으로 수행될 수 있으며, 이때 투입되는 미세조류의 종류와 양을 점차 늘리는 것이 바람직하다. 예를 들어, 처음에는 일정량의 담수성 또는 해수성의 단일 미세조류가 투입되고 일정 시간이 지난 후 미세조류를 걸러내며, 이후에는 2배 이상 많은 양의 단일 미세조류 또는 2종 이상의 혼합종을 투입함으로써 삼중수소 제거 효율을 극대화하는 것이다.

마지막으로 c단계(S300)에서 최종적으로 b단계 폐수 내의 미세조류를 걸러낸 정화된 물을 방류하거나 집수조에 저장할 수 있으며, 저장된 물은 추후 활용하도록 한다.

이상으로 본 발명의 일실시예에 따른 수중의 삼중수소 제거 방법을 설명하였으며, 이하, 상술한 바와 같은 삼중수소 제거 방법을 수행하기 위한 장치를 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 장치의 개략단면도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 장치의 개략사시도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 수중에 포함된 삼중수소를 제거하는 장치는 크게 저류조(100), 정화조(200) 및 집수조(300)로 이루어진다.

저류조(100)는 원자력발전소에서 배출되는 온배수 또는 해수와 같이 정화가 필요한 삼중수소를 포함하는 방사성 폐수가 유입되어 저장되는 용기이다. 이때 상술한 바와 같이 저장된 방사성 폐수의 온도는 20 ~ 25℃로 유지되는 것이 바람직하다. 이를 위해 저류조(100) 내 방사성 폐수를 일정 온도로 유지시키기 위한 온도조절수단(50)이 더 구비될 수 있다. 온도조절수단(50)은 냉각기 또는 가열기일 수 있으며, 도시된 것처럼 저류조(100) 내부에 설치되어 물의 온도를 일정하게 제어할 수 있다. 도면상의 온도조절수단(50)은 하나의 예시로, 도시된 형태로 한정되는 것은 아니다.

이후 저류조(100)에 저장된 방사성 폐수를 정화하기 위해 정화조(200)로 이송시킨다. 이때 저류조(100) 및 정화조(200) 사이에는 필터(210a)가 설치되어 고형물과 같은 이물질들이 정화조(200)로 유입되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 아울러, 도면에 도시되지는 않았지만 저류조(100) 내 폐수를 정화조(200)로 이송시키기 위한 이송펌프(미도시)가 더 구비될 수 있다.

정화조(200)는 저류조(100)로부터 유입된 방사성 폐수의 정화가 이루어지는 처리조로, 구체적으로 배양된 미세조류가 투입되고, 투입된 미세조류가 빛을 이용해 광합성을 함에 따라 방사성 폐수 내의 삼중수소의 제거가 이루어지는 처리조이다.

본 발명의 일실시예에 따르면 정화조(200)는 1차 정화조(210) 및 2차 정화조(220)로 이루어질 수 있다.

1차 정화조(210)는 저류조(100)로부터 유입되는 방사성 폐수가 저장되며, 배양된 미세조류가 농축 저장되어 있는 제 1미세조류 농축 공급부(60)로부터 일정량의 단일 미세조류가 투입되어 방사성 폐수 내의 삼중수소가 일부 제거되는 처리조이다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 장치는 1차 정화조(210)의 방사성 폐수에 투입된 미세조류의 광합성을 돕기 위해 1차 정화조(210)로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(10)가 더 구비될 수 있다. 이때, 이산화탄소의 투입량은 폐수 내의 미세조류가 원활히 세포 대사 작용을 할 수 있도록 하는 정도로, 밸브(미도시)를 통해 적절하게 제어될 수 있다.

또한, 이산화탄소 공급부(10) 이외에도 LED 광원(20)을 더 구비할 수도 있다. LED 광원(20)은 햇빛과 유사한 일정 파장의 빛을 발산함으로써, 미세조류의 광합성을 위한 최적의 광량 조건을 유지하기 위한 것이다. LED 광원(20)은 1차 정화조(210)에 인접하여 설치되는 것이 바람직하며, 구체적으로 도시된 바와 같이 1차 정화조(210) 상부에 설치될 수 있다. 이를 통해, 자연채광이 불가능한 야간에도 LED 광원(20)을 이용해 광합성에 필요한 광량을 확보할 수도 있으며, 흐린 날에도 일정한 수준의 광량을 유지할 수 있도록 하는 장점이 있다.

참고로, 1차 정화조(210)의 높이는 빛의 투과량을 고려하여 대략 1.5m 이하일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 1차 정화조(210)의 폐수는 햇빛 또는 LED 광원(20)을 통해 빛을 쬐어 미세조류의 광합성이 일어나기 때문에 1차 정화조(210)의 높이가 높아 빛이 투과되지 않으면 삼중수소 제거 효율이 감소될 수 밖에 없으므로, 적절한 높이로 설계되는 것이 바람직하다.

이와 더불어, 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 장치는 일반 물보다 무거운 삼중수소를 함유한 정화조(200) 내의 폐수를 순환시키는 순환수단(40)을 더 구비할 수 있다. 순환수단(40)은 일반 물보다 무거운 삼중수소의 특성을 고려하여 정화조(200) 내의 폐수를 하부에서 상부로 강제 순환시키도록 함으로써, 미세조류와 삼중수소의 접촉 횟수를 증가시켜 삼중수소가 미세조류 내부로 흡수되는 것을 돕는다. 순환수단(40)의 일 예로 도시된 바와 같이, 상술한 이산화탄소 공급부(10)로부터 공급되는 이산화탄소를 1차 정화조(210) 하측에 구비된 기포발생장치(41)가 있으며, 기포발생장치(41)를 통해 적절한 압력으로 분출시킬 수 있다. 즉, 기포발생장치(41)에 의해 발생된 이산화탄소 기포는 1차 정화조(210) 하부에서 상부로 공급되며 도시된 화살표와 같은 상하방향으로 1차 정화조(210) 내 폐수가 순환되게 된다. 기포발생장치(41)는 상부에 미세한 홀이 다수 형성된 형태일 수 있다. 또한, 높은 압력으로 기포를 분출시켜 물의 순환을 유도하기 위해 도 1과 같이 이산화탄소 공급부(10)와 기포발생장치 사이에는 압력펌프(10a)가 더 구비될 수 있다. 도면상에는 기포발생장치가 이산화탄소 공급부(10)와 연결되어 기포를 발생시키는 것으로 도시하였으나, 이산화탄소 공급부(10)와 별도로 물의 순환을 위해 대기 중의 공기를 불어넣도록 구성될 수도 있다.

상기에서는 기포발생장치(41)를 순환수단(40)의 일예로 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며, 날개의 회전에 따른 와류발생장치 등 물이 순환되도록 하는 장치이면 다양하게 적용될 수 있음은 물론이다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 정화조의 다른 예를 나타낸 도 3과 같이, 정화조(200)의 하부에 다수의 분출구(43)가 형성되며, 이 분출구(43)를 통해 이산화탄소 또는 공기가 정화조(200) 내로 공급되도록 할 수 있다. 또한 별도의 물분사구(44)를 정화조(200) 바닥에 일정 간격으로 배치하여 가동함으로써 물을 상방향으로 강제 순환시킬 수 있다. 즉, 분출구(43)와 물분사구(44)를 동시에 활용하여 물순환을 극대화할 수 있다.

상술한 바와 같이 1차 정화조(210) 내 발생되는 물의 순환 흐름으로 인해 삼중수소와 미세조류의 접촉이 대폭 증가하고 이에 따라 세포 체내로의 빠른 흡수를 촉진시키는 효과가 있다.

일정 시간동안 1차 정화조(210) 내 방사성 폐수의 정화가 이루어지게 되며, 이후 폐수는 2차 정화조(220)로 이송된다(이때에도 마찬가지로 이송펌프(미도시)가 이용될 수 있다). 1차 정화조(210)에서 사용된 미세조류는 세포내에 삼중수소가 흡수된 상태이므로 2차 정화조(220)로 이송과 동시에 걸러낸다. 이를 위해 2차 정화조(220)의 유입측에는 1차 정화조(210)로부터 유입되는 방사성 폐수 내에 포함된 미세조류를 걸러내는 수 마이크로 필터와 같은 1차 필터(220a)가 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 2차 정화조(220)에는 제 2미세조류 농축 공급부(70)로부터 배양된 미세조류가 투입될 수 있으며, 동시에 제 1미세조류 농축 공급부(60)에서 배양된 미세조류도 투입되도록 할 수 있다. 참고로, 제 1미세조류 농축 공급부(60) 및 제 2미세조류 농축 공급부(70) 각각에 배양된 미세조류의 종류는 상이하다. 이는 앞서 1차 정화조(210)의 경우보다 2배 이상 많은 단일 미세조류 또는 2종 이상의 혼합종을 투입함으로써, 삼중수소의 정화율을 극대화하기 위함이다. 이를 위해 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 제 1미세조류 농축 공급부(60) 및 제 2미세조류 농축 공급부(70)를 각각 1차 정화조(210) 및 2차 정화조(220)와 연결한 이송관의 중간부를 연결하고, 밸브를 통해 적절히 개폐되도록 제어할 수 있다.

또한, 2차 정화조(220)는 1차 정화조(210)와 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 1차 정화조(210)와 마찬가지로, 이산화탄소 공급부(10)로부터 이산화탄소를 투입하며, 내부에 폐수를 상하방향 주기적으로 순환시키도록 하는 순환수단(40, 42) 등을 더 구비하고 이산화탄소 공급부(10)와 연결된 압력펌프(10b)도 구비될 수 있으며, LED 광원(20)도 구비함으로써, 미세조류의 대사 작용이 원활하도록 돕는다. 이때, 2차 정화조(220)로 투입되는 이산화탄소 및 광량은 투입된 미세조류의 양에 따라 적절하게 조절되는 것이 바람직하다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 제거 장치는 정화조(200)가 1차 정화조(210) 및 2차 정화조(220)로 구성되어, 2번의 삼중수소 제거 과정을 거치도록 하였다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 여러 단계의 정화조(200)를 통과하게 하고 각 단계마다 배양된 미세조류를 투입할 수 있으며, 폐수의 양, 투입된 미세조류의 양 등을 고려하여 최적의 광량과 물의 순환 흐름을 만들 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 사용되는 정화부지 면적의 최소화를 위해 2차 정화조(220)의 물을 우회 통로(230)를 통해 다시 1차 정화조(210)로 이송시킬 수 있다. 이때 2차 정화조(220)와 우회 통로(230) 사이에는 마이크로 필터(미도시)를 구비하여 미세조류를 걸러내는 것이 바람직하다. 즉, 1차 정화조(210)와 2차 정화조(220) 만으로도 필요에 따라 여러 번 삼중수소의 정화 과정을 수행할 수 있다. 위의 단계별 과정들을 통해 세포 대사 작용이 증대되어 세포내로 흡수되는 삼중수소의 양도 증대됨으로써, 삼중수소 제거 효율을 극대화시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통해 정화조(200)에서 삼중수소가 제거된 폐수는 집수조(300)로 이송되며, 마찬가지로 집수조(300)의 유입측에는 수 마이크로필터와 같은 2차 필터(300a)가 구비되어 부유성 미세조류가 걸러지도록 한다. 집수조(300)로 유입되는 정화된 폐수는 추후 적절하게 활용될 수 있다. 이때, 도시된 것처럼 집수조(300)는 보다 많은 양의 정화된 물이 저장되도록 저장 용량을 크게 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 장치는 자연 채광 및 햇빛을 최대한 이용하기 위해 외부를 둘러싸도록 구비되는 대규모의 투명 재질의 하우스(30) 내에 설치되는 것이 바람직하다. 이때, 하우스(30) 내의 온도는 계절이나 시간에 상관없이 항상 일정하게 유지되도록 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 장치는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 온도조절수단(50)과 연결되어 저류조(100) 내 폐수의 온도를 적정 온도로 제어할 수 있으며, 제 1미세조류 농축 공급부(60), 제 2미세조류 농축 공급부(70) 및 이산화탄소 공급부(10)와 각각 연결되어 정화조(200)로의 투입량을 제어할 수 있다. 또한, 이송펌프(미도시)와 연결되어 처리가 끝난 폐수를 다음 처리조로 이송시키도록 제어할 수 있으며, LED 광원(20)과 연결되어 적절한 광량을 발생시키도록 제어할 수 있고, 하우스(30) 내의 온도 또한 일정하게 유지하도록 제어할 수 있다.

또한, 본 발명은 온도측정센서, 삼중수소 농도 측정센서, 광량측정센서 등의 각종 센서들이 적절한 위치에 구비될 수 있으며, 제어부는 상기한 센서들의 측정 데이터를 바탕으로 본 발명의 삼중수소 제거 장치를 자동 제어할 수도 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 방법 및 장치는 처리용량이 수 톤 규모 이상인 대용량 수처리에 적합하도록 구성된다. 이때, 처리 가능한 삼중수소의 방사능 세기는 수백 MBq/L 이하로, 이 정도의 방사능 세기는 미세조류의 대사작용에 큰 영향을 끼치지 않기 때문에 미세조류를 이용하여 삼중수소의 정화가 가능하다.

즉, 상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 삼중수소 제거 방법 및 장치는 방사성 폐수 내로 투입된 미세조류가 광합성을 하는 과정에서 삼중수소가 미세조류 세포내로 다량 흡수되며 일반 물보다 무거운 삼중수소가 세포외로 다시 빠져나오지 못하게 되는 원리를 이용한 것으로, 도 4 및 도 5에 미세조류를 이용하여 삼중수소가 감소됨을 증명할 실험 결과를 도시하였다.

도 4는 해수성 난노클로롭시스(Nannochloropsis) 및 이소크리시스(Isochrysis) 미세조류 투입 후, 시간에 따라 해수에 잔류하는 삼중수소의 양(방사능)을 측정 도시한 것이다. 도 4에서 알 수 있듯이, 시간에 따라 삼중수소가 점차 감소함을 확인할 수 있다. 다만 미세조류의 종류에 따라 삼중수소 제거가 1~2시간 이내에 빨리 이뤄지거나 1~2시간 이후에 점차 이루어지는 종들로 구분된다.

또, 도 5는 담수성 클로렐라(Chlorella) 및 스피룰리나(Spirurlina) 미세조류 투입 후, 시간에 따라 담수에 잔류하는 삼중수소의 양(방사능)을 측정 도시한 것이다. 도 5에서 알 수 있듯이, 시간에 따라 매우 높은 농도의 삼중수소가 점차 감소함을 확인할 수 있다. 특히 미세조류 종에 따라 삼중수소의 흡수 제거량이 다르게 나타남을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 원전 폐수 혹은 자연 해수에 포함되어 수중의 일반 물 분자와 유사 거동을 하는 삼중수소를 광합성을 하는 미세조류를 이용하여 빠르게 흡수하여 농축함으로써 삼중수소를 제거하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 방사성 물질인 삼중수소가 주변으로 확산되고 위해를 주는 부분을 생물공학적인 방법 및 장치를 이용해 친환경적으로 차단 및 정화할 수 있는 장점이 있다. 특히, 해수와 같은 부피가 큰 수 톤 규모 이상의 대용량 수처리도 가능한 장점이 있다.

또한, 원전의 액상폐기물(삼중수소 99%)에 대해 미세조류를 이용하는 친환경 정화기술이므로, 국민의 건강과 자연환경 보존에 효과적이면서도 처리 비용이 획기적으로 줄어 경제적 이익 창출을 기대할 수 있는 효과가 있다.

마지막으로, 본 발명은 삼중수소 이외에도 다른 미량의 용존 방사성 핵종들(예: 세슘, 요오드)의 부수적 제거 효과 또한 매우 뛰어나, 폭넓게 방사성 폐수를 정화하는데 매우 효과적이다.

상기와 같은 구성을 포함하는 본 발명의 수중의 삼중수소 제거 방법 및 장치는 이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예가 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 이산화탄소 공급부 20 : LED 광원
30 : 하우스 40 : 순환수단
50 : 온도조절수단 60 : 제 1미세조류 농축 공급부
70 : 제 2미세조류 농축 공급부
100 : 저류조 200 : 정화조
210 : 1차 정화조 220 : 2차 정화조
300 : 집수조

Claims

수중에 포함된 삼중수소를 제거하는 방법에 있어서,
a) 삼중수소를 포함하는 방사성 폐수가 저류조로부터 정화조로 유입되는 단계(S100);
b) 상기 방사성 폐수에 미세조류가 투입되며, 상기 미세조류가 빛을 이용해 광합성을 함에 따라 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 단계(S200); 및
c) 상기 b)단계 폐수 내의 미세조류가 걸러지고 정화된 물이 저장되는 단계(S300);
를 포함하여 이루어지되,
상기 정화조는,
상기 저류조로부터 유입되는 방사성 폐수가 저장되며 일정량의 단일 미세조류가 투입되어 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 일부 제거되는 1차 정화조, 및 유입측에 상기 1차 정화조로부터 유입되는 방사성 폐수 내에 포함된 미세조류를 걸러내는 1차 필터가 구비되며 단일 미세조류 또는 2종 이상의 혼합종이 투입되어 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 2차 정화조로 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 방법.
제 1항에 있어서, 상기 b)단계는,
상기 미세조류가 광합성을 하는 과정에서 삼중수소가 미세조류 세포내로 다량 흡수되며, 일반 물보다 무거운 삼중수소가 세포외로 다시 빠져나오지 못하게 됨으로써 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 방법.
제 1항에 있어서,
상기 b)단계가 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 방법.
제 1항에 있어서, 상기 미세조류는,
클로렐라(Chlorella) 및 스피룰리나(Spirurlina) 중 선택되는 어느 하나 이상의 담수성 미세조류인 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 방법.
제 1항에 있어서, 상기 미세조류는,
테트라셀미스(Tetraselmis), 듀날리엘라(Dunaliella), 클로렐라(Chlorella), 난노클로롭시스(Nannochloropsis) 및 이소크리시스(Isochrysis) 중 선택되는 어느 하나 이상의 해수성 미세조류인 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 방법.
수중에 포함된 삼중수소를 제거하는 장치에 있어서,
삼중수소를 포함하는 방사성 폐수가 유입되어 저장되는 저류조(100);
상기 저류조(100)로부터 상기 방사성 폐수가 유입되고 미세조류가 투입되며, 투입된 상기 미세조류가 빛을 이용해 광합성을 함에 따라 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 정화조(200); 및
상기 정화조(200)로부터 유입되는 폐수 내의 미세조류를 걸러내어 정화된 물이 저장되는 집수조(300);
를 포함하여 이루어지며,
상기 정화조(200)는,
상기 저류조(100)로부터 유입되는 방사성 폐수가 저장되며, 일정량의 단일 미세조류가 투입되어 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 일부 제거되는 1차 정화조(210), 및
유입측에 상기 1차 정화조(210)로부터 유입되는 방사성 폐수 내에 포함된 미세조류를 걸러내는 1차 필터(220a),가 구비되며, 단일 미세조류 또는 2종 이상의 혼합종이 투입되어 상기 방사성 폐수 내의 삼중수소가 제거되는 2차 정화조(220)
로 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 장치.
제 6항에 있어서,
상기 미세조류의 광합성을 돕기 위해 상기 정화조(200)에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(10);가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 장치.
삭제
제 6항에 있어서,
자연 채광 및 햇빛을 이용하기 위해 외부를 둘러싸도록 구비되는 투명 재질의 하우스(30);가 더 구비되며,
상기 하우스(30) 내의 온도가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 장치.
제 6항에 있어서,
상기 정화조(200)에 인접하여 설치되며, 일정 파장의 빛을 발산하는 LED 광원(20);이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 장치.
제 6항에 있어서,
일반 물보다 무거운 삼중수소가 포함된 상기 정화조(200) 내의 폐수를 하부에서 상부로 순환시키는 순환수단(40);이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 장치.
제 6항에 있어서,
상기 저류조(100) 내 방사성 폐수의 온도를 일정 온도로 유지시키기 위한 온도조절수단(50);이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 삼중수소 제거 장치.