KR101685503B1

KR101685503B1 - 미세토양 내 방사성핵종 제거를 위한 동전기제염장치 및 동전기제염방법

Info

Publication number: KR101685503B1
Application number: KR1020150155753A
Authority: KR
Inventors: 김계남; 김승수; 구대서; 정정환; 문제권; 김일국
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2016-12-13

Abstract

본 발명은 동전기제염장치 및 동전기제염방법에 관한 것으로, 오염된 토양에 전해용액을 투입시켜 이온결합시키고, 전해폐액을 전기력에 의하여 방출하는 장치 및 방법으로서, 오염토양실에서 오염토양과 전해용액을 교반하여 반응면적을 증가시키고, 음이온교환멤브레인을 설치하여 음이온만 통과시킴으로써 방사성핵종의 양전극으로의 침투를 방지하여, 공극이 작아 전해용액과의 반응이 어려웠던 미세토양의 제염효율을 향상시키게 한다.

Description

미세토양 내 방사성핵종 제거를 위한 동전기제염장치 및 동전기제염방법 {ELECTROKINETIC DECONTAMINATING APPARATUS AND METHOD FOR DECONTAMINATING RADIONUCLIDE IN MICRO SOIL}

본 발명은 동전기 제염장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오염된 토양 내 방사성핵종을 분리시키는 동전기제염장치에 관한 것이다.

일반적으로, 원자력시설의 가동 및 해체에는 다량의 방사성토양이 발생한다. 특히, 관리 소홀 및 자연재해와 같은 다양한 이유로 인해 원자력시설에 예상치 못한 사고가 발생될 경우, 원자력시설에서 방출되는 방사성핵종에 의해서 주변의 토양이 오염될 수도 있다.

그러므로, 최근에는 방사성폐기물의 발생량을 감소시키거나 방사성핵종에 오염된 토양을 단기간에 복구시키기 위해서, 방사성토양을 자체적으로 처분하는 토양제염기술이 개발되고 있다.

토양제염기술은 토양의 방사성 농도를 낮추기 위한 기술로써, 종래에는 토양 세척 방식의 제염기술을 사용하였다. 이러한 종래의 제염기술은 제염 효율이 낮을 뿐만 아니라 폐액 발생량이 많다는 문제점이 있다.

최근에는 동전기제염기술이 발전되고 있다. 동전기제염기술은 오염토양 양쪽에 전압을 가해 전기 이동과 전기 삼투원리에 의해 양전하를 띠는 방사성핵종을 음극으로 이동시켜 방출시키는 기술이다.

다만, 미세토양의 경우, 입자의 지름이 작으므로, 입자간 공극이 작다. 따라서, 전해용액이 침투하여 방사성핵종과 반응하는 면적이 작아, 제염속도가 느린 문제가 있었다.

한국특허등록공보 제10-129262호(한국원자력연구원) 2013. 08. 02.

본 발명은, 상기한 바와 같이 종래의 오염토양의 제염기술이 가지는 문제점들을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 방사성핵종(radionuclide)에 오염된 토양의 제염 효율을 향상시킬 수 있는 동전기 제염장치 및 동전기 제염방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 동전기제염장치는, 오염된 토양이 투입되는 오염토양실과, 상기 오염토양의 방사성핵종을 용해하는 전해용액을 공급하는 전해용액 공급부, 상기 오염토양실 내에서 토양을 교반하는 교반기, 상기 오염토양실에 전기장을 제공하는 양전극 및 음전극, 상기 양전극 및 상기 음전극에 전류를 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 오염토양은 입자의 지름이 0.2mm이하인 미세토양인 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 양전극 및 상기 음전극은 상기 오염토양실을 중심으로 서로 반대편에 구비된 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 전해용액의 음이온만 통과시켜 방사성핵종의 역류를 방지하는 음이온교환멤브레인을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 음이온교환멤브레인은, 상기 오염토양실 및 상기 양전극 사이에 구비된 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 음이온교환멤브레인은, 암모늄(R-N⁺(CH₃)₃)을 성분으로 하여 이루어진 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 음이온교환멤브레인은, 막의 두께가 0.4mm이상, 0.6mm이하인 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 전해용액은, pH가 0.3 이상, 0.5 이하인 질산수용액인 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 전해용액 공급부는 상기 양전극을 내부에 구비한 양극실과, 상기 양극실로 전해용액이 일정하게 자동 투입되도록 하는 전해용액 저장조를 포함하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 오염토양실에서 음전극 쪽으로 방출되는 전해폐액을 저장하는 방출폐액 저장조를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 교반기는 기설정된 가동시간에 따라 매시간마다 가동 및 휴지를 반복하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 방출폐액 저장조 내의 방출된 전해폐액 부피를 측정하고, 상기 전해폐액 내의 방사능 농도를 측정하며, 상기 전해폐액 부피 및 상기 전해폐액 방사능 농도를 통해 방사능핵종의 단위시간당 제염량을 산출하는 제염효율산출부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염장치에 있어서, 상기 제염효율산출부에서 산출된 단위시간당 제염량이 기설정값을 벗어나는 경우, 상기 교반기의 교반속도를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 동전기제염방법은, 오염토양에 전해용액을 투입하는 단계와, 상기 전해용액 투입된 오염토양을 교반하는 단계, 상기 교반된 오염토양에 전기장을 형성하여 전해폐액을 방출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염방법에 있어서, 상기 오염토양은 입자의 지름이 0.2mm이하인 미세토양인 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염방법에 있어서, 상기 전해용액투입단계에서는, 상기 전해용액의 음이온만 통과시켜 투입하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 동전기제염방법에 있어서, 상기 전해용액은 pH가 0.3 이상, 0.5 이하인 질산수용액인 것도 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 동전기제염장치 및 동전기제염방법에 의하면, 오염토양을 교반하여 전해용액과 반응하는 미세토양입자의 표면면적을 증가시키고 음이온교환멤브레인으로 전해용액의 역류를 방지함으로써, 제염속도를 증가시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동전기제염장치가 개략적으로 도시된 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동전기제염장치의 제염효율을 표현한 그래프,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 동전기제염방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 동전기제염장치는, 오염된 토양이 투입되는 오염토양실(10), 상기 오염토양의 방사성핵종을 용해하는 전해용액을 공급하는 전해용액 공급부(20), 상기 오염토양실 내에서 토양을 교반하는 교반기(30), 상기 오염토양실에 전기장을 제공하는 양전극(40) 및 음전극(50), 상기 양전극 및 상기 음전극에 전류를 공급하는 전원부(60), 상기 전해용액의 음이온만 통과시키는 음이온교환멤브레인(70), 및 상기 토양오염실에서 상기 음전극 쪽으로 방출되는 전해폐액을 저장하는 방출폐액저장조(80)를 포함한다.

상기 오염된 토양은, 우라늄(U²⁺), 세슘(Cs⁺), 코발트(Co²⁺)등의 방사성핵종으로 오염된 토양을 의미한다. 방사성핵종(Radionuclide)은 핵 내에 불안정한 수의 양성자와 중성자를 포함하여 방사성 붕괴에 따라 방사선을 방출하므로 환경 및 인체에 치명적이다.

상기 오염토양실(10)은 전해용액이 통과할 수 있고, 토양은 통과할 수 없는 여과포 또는 여과벽 등으로 오염토양실의 외부와 구획된다.

상기 오염토양이 오염토양실(10)에 투입되고, 상기 양전극(40) 및 상기 음전극(50)에 상기 전원부(60)에서 공급된 양전하와 음전하가 대전(charge)되면, 양전극(40)과 음전극(50) 사이에 전기장이 발생된다. 상기 발생된 전기장에 의하여, 양전하 상태인 방사성핵종은 양전극(40)에서부터 음전극(50)으로 이동하는 힘을 받게된다.

상기 양전극(40)과 상기 음전극(50) 사이에 상기 전기장이 발생하였으나, 대기중에서는 전하의 이동이 어렵다. 따라서, 전해용액 공급부(20)에서 전해용액을 공급하여, 오염토양실(10) 내의 오염토양을 용해시킨다. 상기 전해용액에 의하여 용해된 방사성핵종은 전기장에 의하여 오염토양(10)실을 빠져나와 음전극(50)쪽으로 이동한다.

상기 오염토양은 특히 입자의 지름이 0.00mm초과 0.2mm이하인 미세토양인 것으로 한다. 국제토양학회에 따르면 토양 입자의 지름이 0.2mm이하인 경우 세사, 0.02mm 이하인 경우 미사, 0.002mm 이하인 경우에 점토로 구분하고 있으나, 상기 미세토양은 상기 세사, 미사, 점토를 모두 포함한다.

기존의 동전기제염장치는 본체에 음전극, 오염토양실, 양전극 등 3개의 구성으로 이루어져 있었지만, 본 발명은 동전기 장치의 오염토양실(10) 내부에 교반기(30)를 설치하여, 오염토양실(10) 내부의 오염 토양을 저어주어 혼합시키므로 전해용액과 반응하는 토양 입자의 표면면적을 증가시켜 토양에 대한 동전기 제염속도를 향상시킨다.

상기 양전극(40) 및 상기 음전극(50)은 상기 오염토양실(10)을 중심으로 서로 반대편에 구비된다. 상기 양전극 및 상기 음전극이 서로 마주보고 있을 경우에, 상기 양전극과 상기 음전극 사이에 가장 강하면서 일정한 전기장이 형성되므로, 전해용액을 빠르게 이동시켜 제염속도를 향상시킨다.

상기 음이온교환멤브레인(AEM;Anion Exchange Membrane)은(70) 상기 오염토양실(10) 및 상기 양전극(40) 사이에 구비된다. 음이온교환멤브레인은 음이온만 통과시키고, 양이온은 통과를 시키지 않으므로, 상기 양전극(40) 쪽에서 전해용액이 투입되면, 음이온만 음이온교환멤브레인을 통과하여 상기 오염토양실(10)로 투입되고, 그 결과 양이온상태인 방사성핵종과 결합하여 용해되는 효율이 증가한다. 또한 전해용액에 용해된 양이온상태의 방사성핵종이 역류하여 상기 양전극(40)으로 침투하지 못하도록 함으로써, 미세토양의 제염속도를 증가시킨다.

상기 음이온교환멤브레인(70)은 특히 암모늄(R-N⁺(CH₃)₃)을 성분으로 한다. 4차암모늄은 수화물 상태에서는 강염기의 성질을 가지므로 수용액 상태의 전해용액이 유입되면 양이온은 통과시키지 않고, 음이온만 통과시킨다.

상기 음이온교환멤브레인(70)의 경우 타용도의 투석장치와는 달리 반응성이 강한 전해용액을 투입하고, 방사성핵종 또한 반응성이 강하므로, 넓은 범위의 pH에서 성능을 유지하여야 하고, 높은 기계적 강도를 가져야하며, 고온에서 견뎌야 한다. 상기 음이온교환멤브레인(70)은 바람직하게는 막의 두께가 0.4mm이상 0.6mm이하인 것으로 한다. 막의 두께가 0.4mm미만인 경우에는 염기성 조건(pH8이상)에서 성능의 유지가 어렵고, 기계적강도가 약하며, 교환용량이 작다. 막의 두께가 0.6mm초과인 경우에는 막의 통과 시간이 길어져 제염속도가 저하된다.

상기 전해용액은 바람직하게는 pH가 0.3이상 0.5이하인 질산수용액이다. 질산수용액은 강산으로서 수소양이온(H⁺)을 제공하고, 질산음이온(NO₃ ^-)이 음이온교환멤브레인을 통과한다. 이 때에 pH가 0.3미만인 경우 음이온교환멤브레인의 성능을 저하시킨다. 또한 pH가 0.5초과인 경우에는 이온의 공급효과가 약해져 제염속도가 저하된다.

상기 전해용액공급부(20)는 상기 양전극(40)을 내부에 구비한 양극실(21) 및 상기 양극실의 수위와 관계없이 상기 양극실(21)로 전해용액이 일정하게 자동 투입되도록 하는 전해용액저장조(22)를 포함한다. 상기 전해용액저장조(22)는 상기 양극실(21)과 연결되며 전해용액이 일정하게 투입되도록 한다.

방사성핵종이 용해된 전해폐액이 상기 오염토양실(10)에 존재하게 되면, 방사성핵종과 전해용액 사이의 반응을 방해하게 되어, 제염속도가 저하된다. 따라서, 전해용액저장조(22)에서 일정한 양의 전해용액이 투입되면, 오염토양실의 전해폐액을 밀어내고, 또한 오염토양실 내의 전해용액 농도가 이전보다 증가하면 르샤틀리에 법칙(Le Chatelier's principle)에 의하여 반응속도가 증가하므로, 잔존 방사성핵종의 제염속도를 증가시킨다.

상기 방출폐액저장조(80)는 상기 전해용액공급부(20)에서 일정한 속도로 전해용액이 공급되면, 전해폐액이 계속적으로 방출되기 때문에 이를 저장하는 역할을 한다. 또한, 주기적으로 상기 방출폐액저장조(80) 내의 전해폐액을 측정하여 제염효율을 산출할 수 있도록 하는 역할을 한다.

상기 교반기(30)는 기 설정된 가동시간에 따라 매시간마다 가동 및 휴지를 반복한다. 교반기를 계속하여 가동할 경우에는 전해용액의 투입 및 전해폐액의 방출을 방해하여 제염속도를 저하시킨다. 따라서 기설정시간 동안 가동 후 가동을 휴지하여 전해용액이 충분히 투입되고, 전해폐액이 충분히 방출될 수 있는 시간을 부여한다.

상기 방출폐액저장조(80)에 저장된 전해폐액의 부피를 측정하고, 상기 전해폐액 내의 방사능 농도를 측정하며, 상기 전해폐액 부피 및 상기 전해폐액 농도를 통해 방사능핵종의 단위시간당 제염량을 산출하는 제염효율산출부(81)를 더 포함한다.

상기 제염효율산출부(81)에서 산출된 단위시간당 제염량이 기 설정값을 벗어나는 경우, 상기 교반기(30)의 교반속도를 조절하는 제어부(31)를 더 포함한다. 상기 제염효율산출부(81) 및 제어부(31)를 통하여 교반기의 최적 rpm을 찾아 방사성핵종의 제거효율을 증가시킨다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 동전기제염장치의 제염효율을 알 수 있다. 시간 경과에 따른 제염효율은 도 2와 같이, 시간이 경과함에 따라 21일 동안 약 90%의 세슘(Cs) 제거효율을 가져왔으며, 이는 기존의 동전기장치 보다 약 20%이상의 제염효과가 증가된 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 동전기제염방법은, 오염토양에 전해용액을 투입하는 단계(S10), 상기 전해용액 투입된 오염토양을 교반하는 단계(S20) 및 상기 교반된 오염토양에 전기장을 걸어 전해폐액을 방출시키는 단계(S30)를 포함한다.

상기 전해용액투입단계(S10)에서는, 오염된 토양에 전해용액을 투입하면, 전해용액의 음전하와 오염토양의 방사성핵종 사이에 이온결합이 가능하게 된다. 그 결과 전하가 이동할 수 있게 되는 동시에, 토양의 표면에 붙어있던 방사성핵종이 떨어지게 된다.

상기 오염토양교반단계(S20)에서는, 오염토양과 전해용액의 이온결합이 일어나는 반응면적을 증가시키기 위하여 섞어준다.

상기 전해폐액방출단계(S30)에서는, 오염토양교반단계(S20)를 거친 전해폐액의 양측에 양전극 및 음전극을 대전(charge)시키면 양전극 및 음전극 사이에 전기장이 발생하게 되고, 그에 따라 양전하를 띠고 있는 방사성핵종을 음전극 쪽으로 이동시켜서 방출한다.

상기 오염토양은 입자의 지름이 0.00mm초과 0.2mm이하인 미세토양이다. 지름이 0.2mm이하인 미세토양은 상기 오염토양교반단계(S20)를 거치지 않을 경우, 토양 입자간의 공극이 작아 전해용액이 오염토양에 침투하지 못하여 제염효율이 낮다.

상기 전해용액투입단계(S10)에서는, 상기 전해용액의 음이온만 통과시켜 투입한다. 전해용액의 양이온이 같이 투입되는 경우에는, 전해용액의 양이온과 방사성핵종이 서로 경쟁적으로 음이온과 결합을 이루므로, 제염효율이 저하된다. 또한 양이온이 음전극의 표면에 부착되어 전기장을 약화시킬 수도 있다.

상기 전해용액은 pH가 0.3 이상, 0.5 이하인 질산수용액이다. 질산수용액의 경우 음이온상태(NO₃ ^-)에서 안정하여 방사성핵종의 용해가 가능하다. pH가 0.3 미만일 경우에는 전해용액의 음이온만 통과시키기 곤란하며, 또한 pH가 0.5초과인 경우에는 이온의 공급효과가 약해져 제염속도가 저하된다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10; 오염토양실
20; 전해용액공급부
21; 양극실
22; 전해용액저장조
30; 교반기
31; 제어부
40; 양전극
50; 음전극
60; 전원부
70; 음이온교환멤브레인
80; 전해폐액저장조
81; 제염효율산출부

Claims

오염된 토양이 투입되는 오염토양실;
상기 오염토양의 방사성핵종을 용해하는 전해용액을 공급하는 전해용액 공급부;
상기 오염토양실 내에서 토양을 교반하는 교반기;
상기 오염토양실에 전기장을 제공하는 양전극 및 음전극;
상기 양전극 및 상기 음전극에 전류를 공급하는 전원부; 및
상기 전해용액의 음이온만 통과시켜 방사성핵종의 역류를 방지하는 음이온교환멤브레인;
을 포함하고,
상기 음이온교환멤브레인은,
상기 오염토양실 및 상기 양전극 사이에 구비된 동전기제염장치.
오염된 토양이 투입되는 오염토양실;
상기 오염토양의 방사성핵종을 용해하는 전해용액을 공급하는 전해용액 공급부;
상기 오염토양실 내에서 토양을 교반하는 교반기;
상기 오염토양실에 전기장을 제공하는 양전극 및 음전극;
상기 양전극 및 상기 음전극에 전류를 공급하는 전원부; 및
상기 전해용액의 음이온만 통과시켜 방사성핵종의 역류를 방지하는 음이온교환멤브레인;
을 포함하고,
상기 음이온교환멤브레인은,
암모늄(R-N⁺(CH₃)₃)을 성분으로 하여 이루어진 동전기제염장치.
오염된 토양이 투입되는 오염토양실;
상기 오염토양의 방사성핵종을 용해하는 전해용액을 공급하는 전해용액 공급부;
상기 오염토양실 내에서 토양을 교반하는 교반기;
상기 오염토양실에 전기장을 제공하는 양전극 및 음전극;
상기 양전극 및 상기 음전극에 전류를 공급하는 전원부;
상기 오염토양실에서 음전극 쪽으로 방출되는 전해폐액을 저장하는 방출폐액 저장조; 및
상기 방출폐액 저장조 내의 방출된 전해폐액 부피를 측정하고, 상기 전해폐액 내의 방사능 농도를 측정하며, 상기 전해폐액 부피 및 상기 전해폐액 방사능 농도를 통해 방사능핵종의 단위시간당 제염량을 산출하는 제염효율산출부;
를 포함하는 동전기제염장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 오염토양은 입자의 지름이 0.2mm이하인 미세토양인 것을 특징으로 하는 동전기제염장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 양전극 및 상기 음전극은 상기 오염토양실을 중심으로 서로 반대편에 구비된 것을 특징으로 하는 동전기제염장치.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 음이온교환멤브레인은,
막의 두께가 0.4mm이상, 0.6mm이하인 것을 특징으로 하는 동전기제염장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해용액은,
pH가 0.3 이상, 0.5 이하인 질산수용액인 것을 특징으로 하는 동전기 제염장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전해용액 공급부는,
상기 양전극을 내부에 구비한 양극실; 및
상기 양극실로 전해용액이 일정하게 자동 투입되도록 하는 전해용액 저장조;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 동전기제염장치.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 교반기는,
기 설정된 가동시간에 따라 매시간마다 가동 및 휴지를 반복하는 것을 특징으로 하는 동전기제염장치.
삭제
제3항에 있어서,
상기 제염효율산출부에서 산출된 단위시간당 제염량이 기 설정값을 벗어나는 경우, 상기 교반기의 교반속도를 조절하는 제어부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동전기제염장치.
오염토양의 방사성핵종을 제염하는 동전기제염방법에 있어서,
오염토양에 전해용액을 투입하는 단계;
상기 전해용액 투입된 오염토양을 교반하는 단계; 및
상기 교반된 오염토양에 전기장을 형성하여 전해폐액을 방출시키는 단계;
를 포함하고,
상기 전해용액투입단계에서는,
상기 전해용액의 음이온만 통과시켜 투입하는 동전기제염방법.
제 14항에 있어서,
상기 오염토양은 입자의 지름이 0.2mm이하인 미세토양인 것을 특징으로 하는 동전기제염방법.
삭제
제 14항에 있어서,
상기 전해용액은 pH가 0.3 이상, 0.5 이하인 질산수용액인 것을 특징으로 하는 동전기제염방법.