KR101869394B1 - 카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터 및 이의 제조방법 - Google Patents

카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체;를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터에 관한 것으로, 방사성 세슘과 반응하지 않는 불순물의 함량을 최소화함으로써, 사용후핵연료 전처리 공정에서 발생하는 방사성 세슘 배기체를 효율적으로 포집할 수 있는 있으며, 각 성분의 정확한 함유량을 결정하는 것이 어려운 석탄회 디스크 필터와는 달리, 향후 상용 규모의 필터 제조시 품질 관리에 용이한 장점이 있다.

Description

카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터 및 이의 제조방법{Trapping filter of radioactive cesium gas made of kaolinite raw material and preparation method thereof}
본 발명은 카올리나이트(kaolinite)를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체;를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
사용후핵연료를 금속핵연료로 전환하는 기술인 파이로프로세스는 전기화학적 방법을 통해 우라늄산화물을 금속우라늄으로 환원한다. 환원공정이 원활하게 이루어지기 위해서는 사용후핵연료를 환원공정에 적합한 원료물질로 제조하는 전처리 공정이 필요하다.
전처리 공정은 사용후핵연료다발의 해체, 절단, 탈피복 및 고온 열처리 공정을 세부공정으로 포함하고 있다. 이 중 산화탈피복 및 고온 열처리 공정을 거치며 사용후핵연료에 포함된 핵분열 생성물들이 배기체로 휘발하게 된다. 대부분의 준휘발성 및 휘발성 핵종들이 배기체로 휘발하게 되며, Cs-137, I-129, H-3, C-14, K-85 등이 대표적이다.
이 중 방사성 세슘(Cs-137)은 반감기가 30.17년인 고방열핵종으로서 인간이 방사성 세슘 배기체에 의해 내부 피폭될 경우 베타붕괴하는 방사성 세슘에 의해 심각한 방사선 위해를 입게 된다. 따라서 방사성 세슘 기체가 대기 중에 방출되지 않도록 안전한 포집이 이루어져야 한다.
이와 관련된 종래의 기술로, 대한민국 등록특허 제0192128호 및 제1090344호에서는 석탄회 및 실리카 40 - 65 중량%, 알루미나 15 - 30 중량%, 철산화물 5 - 15 중량%, 몰리브데늄산화물 1 - 15 중량%, 크롬산화물 1 - 10 중량%, 및 바나듐산화물 1 - 10 중량%를 포함하는 고체매질을 이용하여 고온 화학적 흡착 방법에 의해 세슘을 선택적으로 분리하고 포집하는 기술을 제공하고 있다. 상기 선행특허는 파이로프로세싱 전처리 고온 열처리 공정 중 99 %이상 휘발이 예상되는 반감기가 약 30년인 고방열 및 고방사능 핵종인 세슘(Cs-137)을 알루미노실리케이트 성분의 세라믹필터를 이용하여 안정한 세슘알루미노실리케이트(cesium aluminosilicates: (pollucite(CsAlSi2O6), CsAlSiO4, 및 CsAlSi5O12)상으로 선택적으로 포집함으로써, 사용후핵연료의 방사선 및 열을 감소시켜 최종적으로 처분에 필요한 면적을 줄일 수 있음이 개시된 바 있다.
하지만, 상기와 같이 석탄회를 주성분으로 제조한 세라믹필터의 경우, 세슘과 화학 반응하는 알루미나 및 실리카 이외에도 철산화물, 몰리브데늄산화물, 크롬산화물, 및 바나듐산화물 등이 포함되어 있다. 이들 성분은 세슘 포집 반응에 관여하지 않기 때문에 필터의 세슘 포집 성능을 그만큼 저하시키는 원인이 된다.
또한, 세슘이 포집된 사용후필터를 장기간 안전하게 보관하기 위해서는 적정 고화매질과 혼합하여 고화체로 제조하는 공정이 필요한데, 알루미나와 실리카를 제외한 나머지 성분들이 포함되어 있을 경우 물성이 우수한 고화체 제조에도 어려움이 발생한다. 게다가 다양한 공정 부산물로서 발생하는 석탄회의 특성상 각 성분의 정확한 함유량을 결정하는 것이 어렵기 때문에 향후 상용규모의 배기체 처리공정을 고려할 때 필터의 품질관리에 문제가 생길 수 있다.
이에 본 발명자들은 방사성 세슘 기체의 포집 성능이 향상시키고, 방사성 세슘 기체가 포집된 사용후 필터의 장기적 보관을 용이하게 하며, 필터 제조시 품질관리 측면에서도 용이하도록 하기 위해, 카올리나이트를 원료로 하여 세슘과 반응하지 않는 불순물의 함유를 최소화한, 방사성 세슘 기체 포집 필터를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허 제0192128호 대한민국 등록특허 제1090344호
본 발명의 목적은 카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
카올리나이트(kaolinite)를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체;를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터를 제공한다.
또한, 본 발명은
용액에 카올리나이트(kaolinite) 분말을 넣고 혼합해 슬러리를 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 슬러리를 다공성 기지에 입히는 단계 (단계 2);및
슬러리가 입혀진 다공성 기지를 소결하여 다공성 기지 및 용액을 제거하고 다공성 소결체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터는 사용후핵연료에 포함된 핵분열 생성물들이 전처리 공정에서 배기체로 휘발하여 발생되는 방사성 세슘 기체를 포집하기 위한 것으로, 현재 한국원자력연구원에서 사용되고 있는 석탄회 디스크 필터와는 달리 카올리나이트를 원료성분으로 사용해 방사성 세슘과 반응하지 않는 철 산화물 등과 같은 불순물의 함량을 최소화함으로써, 방사성 세슘 기체를 보다 효율적으로 포집할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 방사성 세슘 기체 포집 필터는 불순물을 포함하지 않아 방사성 세슘 기체가 포집된 필터의 고화체 제조에 유리할 뿐 아니라 각 성분의 정확한 함유량을 결정하는 것이 어려운 석탄회 디스크 필터와는 달리, 향후 상용 규모의 필터 제조시 품질 관리에 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 세슘 기체 포집 필터의 형상을 나타낸 사진이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 세슘 기체 포집 필터를 세슘 기체와 반응시킨 후의 형상을 나타낸 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터의 결정상을 분석한 X-선 회절 분석 결과 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터의 결정상을 분석한 X-선 회절 분석 결과 그래프이고,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터를 세슘 기체와 반응시킨 후 결정상을 분석한 X-선 회절 분석 결과 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 세슘 기체 포집 필터를 5개 배열하여 세슘 기체와 반응시킨 후 각 단에서의 포집성능을 분석한 결과 그래프이다.
본 발명은
카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체;를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터를 제공한다.
이하, 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터를 상세히 설명한다.
본 발명의 방사성 세슘 기체 필터는 900 ℃ 이상의 고온에서 사용할 수 있다.
상기 방사성 세슘 기체 필터는 사용후핵연료를 금속핵연료로 전환하는 과정에서 발생되는 방사성 세슘 기체(Cs-137)를 포집하기 위한 것으로, 본 발명의 방사성 세슘 기체 필터는 900 ℃ 이상의 고온에서 사용할 수 있어, 사용후핵연료의 전처리 공정 중 고온 열처리 공정에서 발생하는 방사성 세슘 기체를 포집할 수 있다.
본 발명의 방사성 세슘 기체 필터는 카올리나이트를 원료성분으로 하여 소결한 다공성 소결체를 포함한다.
이때, 상기 카올리나이트는 알루미나(Al2O3) 및 실리카(SiO2)를 포함하는 화합물로, Al2O3 ·2SiO2·2H2O의 화학식을 갖는 물질을 의미한다.
한편, 상기 카올리나이트의 소결은 1200 내지 1300 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 상기 다공성 소결체의 제조는 상기 카올리나이트를 포함하는 슬러리를 다공성 기지에 입힌 후, 상기 슬러리가 입혀진 다공성 기지를 소결할 때 상기 다공성 기지가 제거되면서 제조될 수 있다.
상기 카올리나이트를 소결하여 제조된 다공성 소결체는 알루미늄 규산염(aluminosilicate)을 포함하며, 상기 알루미늄 규산염은 방사성 세슘 기체와 반응하여 세슘화합물을 형성함으로써, 방사성 세슘 기체를 포집할 수 있다.
이때, 상기 알루미늄 규산염(aluminosilicate)은 예를 들어, 멀라이트(mullite, Al4 . 54Si1 . 46O9 .73) 또는 실리마나이트(silimanite, Al2SiO5)일 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
한편, 상기 방사성 세슘 기체 포집 필터는 상기 카올리나이트를 원료로 사용함으로써 상기 세슘 기체와 반응하지 않는 금속 또는 금속산화물을 포함하지 않는 장점이 있다.
이때, 상기 금속 또는 금속산화물은 예를 들어, 철(Fe), 몰디브덴(Mo), 크롬(Cr) 또는 바나듐(V) 또는 상기 금속을 포함하는 금속산화물일 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
종래의 석탄회를 원료성분으로 하여 소결한 세라믹 필터의 경우, 세슘 기체와 반응하는 알루미늄 규산염(aluminosilicate) 이외의 세슘 기체의 포집 반응에 관여하지 않는 철(Fe), 몰디브덴(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V), 철산화물, 몰리브데늄산화물, 크롬산화물, 및 바나듐산화물과 같은 금속 또는 금속산화물들이 포함되어 있어 필터의 세슘 기체 포집 성능을 저하시키는 문제가 있다.
이에 반해, 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터는 상기와 같은 금속 또는 금속 산화물을 포함하지 않아 세슘 기체의 포집 성능이 현저히 우수한 장점이 있다.
또한, 세슘 기체가 포집된 사용후필터를 장기간 안전하게 보관하기 위해서는 적정 고화매질과 혼합하여 고화체로 제조하는 공정이 필요한데, 상기 금속 또는 금속산화물 성분들이 포함되어 있을 경우 물성이 우수한 고화체 제조에 어려운 반면, 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터는 상기 금속 또는 금속산화물이 포함되어 있지 않아 우수한 물성의 고화체를 제조할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터는 상기 카올리나이트를 원료로 사용함으로써 필터의 품질관리가 용이한 장점이 있다.
즉, 종래의 석탄회를 원료로 제조된 세라믹 필터의 경우, 다양한 공정 부산물로서 발생하는 석탄회의 특성상 각 성분의 정확한 함유량을 결정하는 것이 어려운 반면, 카올리나이트를 소결하여 제조된 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터의 경우, 각 성분의 정확한 함유량 측정이 가능하기 때문에 상용규모의 배기체 처리공정시 필터의 품질관리가 용이한 장점이 있다.
본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터는 방사성 세슘 기체와 반응하여 세슘화합물을 생성함으로써 방사성 세슘 기체를 포집할 수 있다.
즉, 상기 필터는 카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체를 포함하며, 상기 다공성 소결체의 알루미늄 규산염(aluminosilicate)이 사용후핵연료에 포함된 핵분열 생성물 중 배기체로 휘발된 방사성 세슘 기체와 반응하여 세슘화합물을 생성함으로써 방사성 세슘 기체를 포집할 수 있다.
이때, 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터가 세슘 기체와 반응하여 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si)의 비가 1:1인 CsAlSiO4을 생성된다.
한편, 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터의 형태는 다공성 디스크 형태, 다공성 구형 또는 원통형일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
또한, 상기 방사성 세슘 기체 포집 필터는 상기 다공성 소결체가 복수 개 배열될 수 있다.
이는 세슘 기체의 포집 효과를 높이기 위한 것으로, 일정 크기 및 두께를 갖는 다공성 소결체를 복수 개 배열하되, 방사성 세슘이 발생되는 환경 조건에 따라 갯수가 달라질 수 있으며, 상기 다공성 소결체의 개수를 조절하여 사용후핵연료를 금속핵연료로 전환하는 과정에서 발생되는 방사성 세슘 기체를 99 % 이상 포집할 수 있다.
또한, 본 발명은
용액에 카올리나이트 분말을 넣고 혼합해 슬러리를 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 슬러리를 다공성 기지에 입히는 단계 (단계 2);및
슬러리가 입혀진 다공성 기지를 소결하여 다공성 기지 및 용액을 제거하고 다공성 소결체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법에 있어, 단계 1은 용액에 카올리나이트 분말을 넣고 혼합해 슬러리를 제조하는 단계이다.
이때, 상기 용액은 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol)이 포함되어 있는 것이 바람직하다.
이는 상기 용액 내 카올리나이트의 분말의 분산성을 높이고 제조된 다공성 소결체의 가공성을 높이기 위한 것으로 이때, 폴리비닐알코올의 함량은 상기 용액 총 중량 대비 1 내지 5 중량% 포함 시킬 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
또한, 상기 단계 1에 실리카(SiO2) 또는 알루미나(Al2O3) 분말을 더 포함해 슬러리를 제조할 수도 있다.
또한, 상기 용액 내 카올리나이트 분말의 분산성을 더욱 높이기 위해 상기 단계 1을 60 내지 80 ℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
이에, 예를 들어, 용액 총 중량 대비 약 95 %의 증류수 및 약 5 %의 폴리비닐알코올을 넣고 약 60 ℃의 온도로 가열하여 용액을 제조할 수 있다.
한편, 상기 슬러리는 상기 용액 및 상기 카올리나이트 분말이 1:1 내지 3:1의 혼합 비율로 혼합하여 제조될 수 있다.
상기 비율은 상기 슬러리가 다공성 기지에 잘 입혀지도록 하기 위한 것으로, 만약 상기용액의 양이 상기 카올리나이트 분말의 양보다 작을 경우, 상기 슬러리의 유동성이 너무 낮아 다공성 기지에 균일하게 입혀지지 않는 문제가 발생될 수 있으며, 상기 슬러리가 상기 다공성 기지의 기공을 막아 이후 제조된 소결체에 기공률 및 표면적이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 또한, 상기 용액의 양이 상기 카올리나이트 분말의 양의 3배보다 많을 경우, 상기 슬러리의 유동성이 너무 커 다공성 기지에 입혀지는 않는 카올리나이트 분말이 양이 많아져 소결체가 제대로 제조되지 않는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법에 있어, 단계 2는 상기 단계 1의 슬러리를 다공성 기지에 입히는 단계이다.
이때, 상기 다공성 기지는 폴리우레탄 스펀지인 것이 바람직하다.
또한, 상기 다공성 기지는 35 내지 60 ppi(pixel per inch)의 크기의 기공을 갖는 것이 바람직하다.
상기 다공성 기지의 기공은 이후 제조되는 다공성 소결체의 표면적을 넓이기 위한 것으로, 만약 상기 기공의 크기가 35 ppi보다 작을 경우, 또는 60 ppi를 초과할 경우, 비표면적 향상에 의해 세슘 기체 포집 향상 효과가 줄어들 수 있다.
상기 다공성 기지는 다공성 디스크 형태, 다공성 구형 또는 원통형일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
한편, 상기 제조방법은 상기 단계 3의 소결을 수행하기 전, 상기 슬러리가 입혀진 다공성 기지를 건조시키는 단계;를 더 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법에 있어, 단계 3은 슬러리가 입혀진 다공성 기지를 소결하여 다공성 기지 및 용액을 제거하고 다공성 소결체를 제조하는 단계이다.
상기 단계 3의 소결은 1200 내지 1300 ℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 단계 3의 소결은 2시간 내지 6시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
이는 상기 용액 및 다공성 기지는 분해 휘발시키고 상기 카올리나이트 분말을 응집시키기 위한 것이다.
한편, 상기 제조방법은 상기 단계 1 내지 4를 반복적으로 수행해 복수 개의 필터를 제조하는 것이 바람직하다.
이는 상기 필터를 통한 세슘 기체의 포집 성능을 향상시키기 위한 것으로, 일정한 크기 및 두께를 갖는 필터를 여러 개 반복적으로 배치함으로써 세슘 기체의포집 성능을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
다음과 같은 단계를 통해 방사성 세슘 기체 포집 필터를 제조하였다.
단계 1: 폴리비닐알코올 10 g을 증류수 490 ml에 넣고 완전히 녹여 용액을 제조하였다. 상기 제조된 폴리비닐알코올 용액 중 100 ml에 카올리나이트 분말 100 g을 넣고 혼합하여 슬러리를 제조하였다.
단계 2: 직경이 약 50 mm이고 두께가 약 10 mm이고 약 35 ppi 크기의 기공을 지닌 디스크 형태의 폴리우레탄 스펀지를 준비한 후, 상기 스펀지를 상기 슬러리 용액에 적셔서 슬러리가 스펀지의 기공에 스며들게 한 뒤 여분의 슬러리가 제거될 수 있도록 스펀지를 손으로 짜내고 에어건으로 공기를 강하게 분사하여 60 ℃에서 1 시간 동안 건조하였다. 그 후 동일한 과정을 2-3 회 정도 반복하여 최종적으로 슬러리가 입혀진 스펀지의 질량이 약 10 g 정도 되도록 하였다.
단계 3: 슬러리가 입혀진 스펀지를 충분히 건조시킨 뒤 소결로에 넣고 공기분위기에서 분당 10 ℃로 승온하여 공기분위기 및 1200 ℃의 온도에서 2시간 동안 소결하여 폴리비닐알코올 및 폴리우레탄 스펀지를 제거된 방사성 세슘 기체 포집 필터를 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1의 단계 3에서 소결온도를 1300 ℃로 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 방사성 세슘 기체 포집 필터를 제조하였다.
<비교예 1>
종래의 석탄회을 원료로 제조된 세라믹 필터를 준비하였다.
<실험예 1> 원료성분 분석
본 발명에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터 및 종래의 세라믹 필터의 원료 성분을 비교하기 위해 하기와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1에서 원료물질로 사용된 카올리나이트 및 비교예 1의 원료물질로 사용된 석탄회의 성분을 X-선 형광분석법(X-ray Fluorescence method)을 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
성분 카올리나이트(중량%) 성분 석탄회(중량%)
SiO2 53.5 SiO2 53.4
Al2O3 45.5 Al2O3 23.5
기타 1 Fe2O3 10.2
- - Ca 5.6
- - Ti 2.6
- - K 1.5
- - Na 1.2
- - Mg 1.1
상기 성분 중 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)는 세슘과 반응하여 세슘을 포집하는 성분인 반면, 그 외 금속성분들은 세슘과 반응하지 않아, 포집 성능을 저하시킬 수 있는 성분들이다.
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1에서 원료물질로 사용된 카올리나이트의 경우, 카올리나이트 총 중량 대비 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)의 중량이 약 99 중량% 포함되어 있는 반면, 석탄회에는 석탄회 총 중량 대비 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)의 중량이 약 76.9 중량% 포함되어 있고, 그 외 금속물질이 약 23.1 중량% 포함되어 있는 것을 알 수 있다.
이를 통해, 카올리나이트를 원료물질로 사용하여 실시예 1에 의해 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터의 경우, 석탄회를 원료물질로 사용하여 제조된 비교예 1의 방사성 세슘 기체 포집 필터보다 우수한 세슘 기체 포집 성능이 나타날 것으로 예상해 볼 수 있으며, 또한 실리카(SiO2) 및 알루미나(Al2O3)를 제외한 나머지 성분 함량이 작아 우수한 고화체 제조가 가능하므로, 사용된 필터의 보관이 더욱 용이할 것으로 예상해 볼 수 있다.
<실험예 2>
본 발명에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터의 세슘 기체와의 반응 전 및 후의 상태를 확인하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였으며, 반응 전 및 후의 방사성 세슘 기체 포집 필터를 도 1 및 2에 나타내었다.
세슘 포집 반응 실험
실시예 1에 의해 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터를 5개 배열한 후 필터 각각의 테두리에 알루미나 매트를 감은 뒤 45 mm 링컨테이너에 끼우고 이를 세슘 포집장치의 알루미나 관에 장착하고 900 ℃로 예열하였다.
세슘 휘발물질로서 CsOH를 2.52g 을 링컨컨테이너에 넣고 상기 링컨테이너를 1000 ℃로 가열하여 세슘 기체가 휘발되도록 하였다. 이때, 분위기 기체로 약 4%의 H2/Ar가스를 1 L/min의 유량으로 흘려주었다.
휘발된 세슘 기체는 900 ℃로 예열된 디스크 필터에 도달하여 포집되게 하였으며, 약 4시간 동안 포집 반응을 진행하였다.
도 1은 상기 세슘 포집 반응 전의 필터 사진이고, 도 2는 세슘 포집 반응 이후의 필터 사진이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 세슘 반응 전 상기 필터는 흰색에 가까운 밝은색을 띄고 있으며, 폴리우레탄 스펀지가 제거되면서 스펀지 구조가 필터에 그대로 남아 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 다공성 필터의 직경은 약 42 mm로 스펀지의 직경인 50 mm보다 작은 수치를 나타내었다. 이는 소결 과정에서 수분 및 폴리비닐알코올이 제거되고 카올리나이트 성분의 소결이 진행되어 수축된 형태가 제조된 것으로 볼 수 있다.
한편, 도 2에 나타난 바와 같이, 세슘 반응 이후 상기 필터는 짙은 회색을 띄는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 상기 필터가 세슘과 반응하였음을 예상해 볼 수 있다.
<실험예 3>
본 발명에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터의 밀도, 비표면적, 및 기공률을 분석하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1에 의해 제조된 필터 및 비교예 1의 필터에 대하여, 수침법 및 BET법을 적용하여 상기 필터의 밀도, 비표면적, 및 기공률을 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
비교예 1 실시예 1
밀도 (g/cm3) 0.45 ~ 0.5 0.55 ~ 0.58
비표면적 (m2/g) 9.31 2.8 ~ 4.3
기공률 (%) 27 22 ~ 25
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 석탄회를 원료로 사용하여 제조한 비교예 1의 경우, 밀도가 0.45 내지 0.5 g/cm3, 비표면적은 약 9.31 m2/g, 기공률은 27 %로 측정되었으며, 카올리나이트로 원료로 사용하여 제조한 실시예 1의 경우, 밀도가 0.55 내지 0.58 g/cm3, 비표면적은 2.8-4.3 m2/g, 기공률은 22 내지 25 %로 측정되었다. 즉, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터는 종래의 석탄회를 원료로 하여 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터와 유사한 밀도, 비 표면적 및 기공률을 나타내는 것을 알 수 있다.
<실험예 4>
본 발명에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터의 세슘 포집 반응 전의 성분을 분석하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1 및 2에 의해 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터를 분말로 만들어 X-선 회절분석(XRD, Bruker)을 수행하였으며, 그 결과를 도 3 및 4에 나타내었다.
도 3은 실시예 1에 의해 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터에 대한 결과 그래프로, 도 3에 나타난 바와 같이, 1200 ℃에서 소결하여 생성된 필터의 주된 결정 피크가 멀라이트(mullite, Al4 . 54Si1 . 46O9 . 73)인 것을 알 수 있다.
또한, 도 4는 실시예 2에 의해 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터에 대한 결과 그래프로, 도 4에 나타난 바와 같이, 1300 ℃에서 소결하여 생성된 필터의 주된 결정 피크가 실리마나이트(silimanitem Al2SiO5) 및 크리스토발라이트(cristobalite, SiO2)인 것을 알 수 있다.
<실험예 5>
본 발명에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터의 세슘 포집 반응 후의 성분을 분석하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 2에 의해 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터를 상기 실험예 2에서와 같은 세슘 포집 반응 실험을 수행한 후 분말로 만들어 X-선 회절분석(XRD, Bruker)을 수행하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 바와 같이, 세슘이 카올리나이트의 알루미노실리케이트 성분과 반응하여 CsAlSiO4 및 멀라이트(mullite)가 일부 검출되었는데, 상기 멀라이트(mullite)는 카올리나이트를 1200 ℃에서 소결할 경우 형성되는 소결체 성분으로, 세슘과 반응하지 않은 일부 소결체 성분이 검출된 것으로 볼 수 있다.
한편, 상기 결과를 석탄회를 원료물질로 사용한 비교예 1의 방사성 세슘 기체 포집 필터를 방사성 세슘과 반응시킨 경우와 비교해 보았을 때, 실시예 1에 의해 제조된 필터를 세슘과 반응시킨 경우는 Al 및 Si의 몰비가 1:1인 CsAlSiO4이 생성된 반면, 비교예 1의 경우에는 Al과 Si의 몰비가 1:2인 CsAlSi2O6이 생성되었다.
이는 상기 두 경우에서 필터 원료로 사용한 물질이 다르기 때문인 것으로 볼 수 있다. 즉, 실시예 1의 경우, Al 및 Si의 몰비가 1:1인 카올리나이트를 원료물질로 사용한 반면, 비교예 1의 경우, Al 및 Si의 몰비가 1:2인 석탄회를 원료물질로 사용하였기 때문에 세슘과 반응 후 각각의 필터에서 Al 및 Si의 몰 비가 1:1 및 1:2인 세슘 화합물이 생성된 것으로 볼 수 있다.
<실험예 6>
본 발명에 따라 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터를 복수 개 사용할 경우의 포집 성능을 분석하기 위하여 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1에 의해 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터를 5개 배치한 후, 상기 실험예 2에서와 같은 세슘 포집 반응 실험을 수행한 후 디지털 질량계를 이용하여 각 필터의 단위질량당 포집되는 세슘 기체의 양을 계산하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타난 바와 같이, 방사성 세슘 포집 필터 1단의 세슘 포집 성능, 즉, 포집 필터의 질량 대비 포집된 세슘의 질량비가 0.25이고, 2단의 포집 성능은 0.01로, 방사성 세슘 포집 필터 1단에서 대부분의 세슘이 포집된 것을 알 수 있다. 이는 카올리나이트를 원료로 하여 제조된 방사성 세슘 기체 포집 필터의 성능이 매우 우수함을 시사한다. 또한, 3단 이후의 필터에서 세슘에 의한 질량 증가가 관찰되지 않은 것은 상기 필터 1단 및 2단에 99 % 이상의 거의 모든 세슘이 포집 되었기 때문이다.
이를 통해, 카올리나이트로 원료성분으로 포함하는 본 발명의 방사성 세슘 기체 포집 필터로 방사성 세슘을 포집할 경우, 99 % 이상의 방사성 세슘 기체가 포집될 것으로 예상해볼 수 있다.

Claims (18)

  1. 삭제
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  7. 용액에 카올리나이트(kaolinite) 분말을 넣고 혼합해 슬러리를 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 슬러리를 다공성 기지에 입히는 단계 (단계 2);및
    슬러리가 입혀진 다공성 기지를 1200 ℃ 내지 1300 ℃에서 2 시간 내지 6 시간동안 소결하여 다공성 기지 및 용액을 제거하고 멀라이트, 실리마나이트 및 크리스토발라이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 결정 구조를 갖는 다공성 소결체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법으로서,
    상기 필터는 세슘 기체와 반응하지 않는 금속 또는 금속산화물을 포함하지 않는 것을 특징으로 하고,
    상기 금속 또는 금속산화물은 철, 몰리브덴, 크롬 또는 바나듐 또는 상기 금속을 포함하는 금속산화물인 것인, 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 단계 1의 용액은
    폴리비닐알코올이 포함된 용액인 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 폴리비닐알코올은
    상기 용액 총 중량 대비 1 내지 5 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 단계 1은
    60 내지 80 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 슬러리는
    상기 용액 및 상기 카올리나이트 분말이 1:1 내지 3:1의 혼합 비율로 혼합된 슬러리인 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 다공성 기지는
    폴리우레탄 스펀지인 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 다공성 기지는
    35 내지 60ppi(pixel per inch)의 크기의 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서, 상기 다공성 기지는
    디스크 형태인 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  15. 제7항에 있어서, 상기 제조방법은
    상기 단계 3의 소결을 수행하기 전, 상기 슬러리가 입혀진 다공성 기지를 건조시키는 단계;를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제7항에 있어서, 상기 제조방법은
    상기 단계 1 내지 3을 반복적으로 수행해 복수 개의 필터를 제조하는 것을 특징으로 하는 방사성 세슘 기체 포집 필터의 제조방법.
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