KR101936927B1

KR101936927B1 - 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법

Info

Publication number: KR101936927B1
Application number: KR1020160164753A
Authority: KR
Inventors: 류지훈; 박태진
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2019-01-11
Also published as: KR20180064642A

Abstract

본 발명은 지하수에 용존하는 우라늄이온을 전기적으로 흡착하여 분리시키는 지하수 처리 장치에 관한 것으로, 지하수가 유입되는 유입부와 지하수가 토출되는 토출부를 구비하는 케이스, 상기 케이스 내부에 지하수의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 설치되고 메쉬 형태로 구비되는 제 1 전극 플레이트, 상기 케이스 내부에 지하수의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 상기 제 1 전극 플레이트와 이격되어 설치되고 메쉬 형태로 구비되는 제 2 전극 플레이트, 상기 제 1 전극 플레이트와 상기 제 2 전극 플레이트에 서로 다른 극성의 전류를 인가하는 전류원, 및 상기 제 1 전극 플레이트와 상기 제 2 전극 플레이트 중 적어도 어느 하나의 상면에 적층 구비되는 탄소나노튜브층을 포함하여 구성되어, 지하수 처리 시 지하수의 흐름을 상부에서 하부로 유지하도록 하여 내구성 및 구조적 안정성 향상을 도모하게 한다.

Description

지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법 { APPARATUS FOR PURIFYING GROUNDWATER AND METHOD FOR PURIFYING GROUNDWATER USING THE SAME }

본 발명은 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지하수에 용존하는 우라늄이온을 전기적으로 흡착하여 분리시키는 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법에 관한 것이다.

우라늄 광산지역을 비롯하여 한반도의 약 70%를 차지하고 있는 화강암지역에서 농업용수이나 식수 등의 공급을 위하여 지하수를 개발하는 경우 지하수에 우라늄의 농도가 높게 검출되는 경우가 빈번하다.

아울러, 한반도뿐만 아니라 세계 각지의 화강암지역은 화강암의 생성 기원에 따라 우라늄을 일정 함량 포함하게 되는 암석 특성에 의하여 농업용수나 식수 등의 공급을 위하여 지하수 개발 시 우라늄 농도를 저감시키는 기술이 필요하다.

한편, 우라늄 광산 지역 및 방사성폐기물처분장 지역의 지하수를 모니터링 하고 만일에 있을 수 있는 지하수 오염 문제에 대비할 필요성도 존재한다.

이 경우, 지하수에 용존하는 우라늄이온을 제거하기 위한 기술로서 탄소나노튜브(CNT)를 이용하고자 하는 기술 개발이 이루어지고 있다.

탄소나노튜브(CNT)는 높은 내구성, 높은 표면적을 가지는 열적 화학적으로 안정한 상태의 물질로써 환경공학적인 측면에서 센서 등으로 사용되며, 그 활용도의 범위가 점차 높아지고 있다. 탄소나노튜브는 광산 및 지질환경에서 지하수에 존재할 수 있는 우라늄을 흡착하여 제어할 수 있는 성능도 가지고 있는 것으로 확인된다.

한편, 탄소나노튜브를 이용한 지하수 처리와 관련된 선행기술로서, 대한민국등록특허 KR10-1152351B1(특허문헌 1)이 개시된 바 있다.

특허문헌 1은, 나노 구조체, 이를 포함하는 전기흡착용 전극 및 수처리용 전기흡착 장치에 관한 것으로, 산화실리콘 나노선 표면에 탄소나노튜브가 성장된 나노 구조체를 이용한 수처리 기술을 개시하고 있다.

그러나, 특허문헌 1의 경우, 수처리용 전기흡착 장치 내에서 지하수 처리 시 지하수의 흐름이 지그재그로 형성되어 지하수의 수압이 높은 경우 내구성이 확보되지 않는 문제점이 있다.

아울러, 전극으로 탄소나노튜브층의 하중을 지지하는 기술에 관하여 개시하지 않은 문제점이 있다.

대한민국등록특허 KR10-1152351B1

전술한 문제점을 해소함에 있어, 본 발명의 목적은 전극을 메쉬 구조로 제작함으로써 지하수 처리 시 지하수의 흐름을 상부에서 하부로 유지하도록 하여 내구성 향상을 도모하게 하는 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 전극을 메쉬 구조로 제작함으로써 전극으로 탄소나노튜브층의 하중을 지지할 수 있도록 하여 구조적 안정성 향상을 도모하게 하는 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는, 지하수에 용존하는 우라늄이온을 전기적으로 흡착하여 분리시키는 지하수 처리 장치에 있어서, 지하수가 유입되는 유입부와 지하수가 토출되는 토출부를 구비하는 케이스, 상기 케이스 내부에 지하수의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 설치되고 메쉬 형태로 구비되는 제 1 전극 플레이트, 상기 케이스 내부에 지하수의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 상기 제 1 전극 플레이트와 이격되어 설치되고 메쉬 형태로 구비되는 제 2 전극 플레이트, 상기 제 1 전극 플레이트와 상기 제 2 전극 플레이트에 서로 다른 극성의 전류를 인가하는 전류원, 및 상기 제 1 전극 플레이트와 상기 제 2 전극 플레이트 중 적어도 어느 하나의 상면에 적층 구비되는 탄소나노튜브층을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 제 1 전극 플레이트 및 상기 제 2 전극 플레이트는, 상호 간의 이격 거리가 조절 가능하게 구비되고, 금속 재질로 구성되고, 메쉬 형태로 이루어져 그 격자 공간으로 지하수를 상부에서 하부 방향으로 이송시키며, 메쉬 형태로 이루어져 그 상면에 적층되는 상기 탄소나노튜브층을 지지하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 방법은 케이스, 메쉬 형태로 상기 케이스에 설치되는 제 1 전극 플레이트, 메쉬 형태로 상기 케이스에 설치되는 제 2 전극 플레이트, 전류원, 및 상기 제 1 전극 플레이트와 상기 제 2 전극 플레이트 중 어느 하나의 상면에 적층 구비되는 탄소나노튜브층을 포함하는 지하수 처리 장치를 이용한 지하수 처리 방법에 있어서, 지하수를 채취하는 지하수 채취 단계, 채취된 지하수를 상기 케이스에 주입하는 지하수 주입 단계, 및 상기 전류원을 통해 상기 제 1 전극 플레이트 및 상기 제 2 전극 플레이트에 서로 다른 극성의 전류를 인가하여 상기 탄소나노튜브층에 지하수에 용존하는 우라늄이온을 흡착시키는 우라늄이온 흡착 단계를 포함하여 구성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법은 전극을 메쉬 구조로 제작함으로써 지하수 처리 시 지하수의 흐름을 상부에서 하부로 유지하도록 하여 내구성 향상을 도모하게 한다.

또한, 본 발명에 의한 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법은 전극을 메쉬 구조로 제작함으로써 전극으로 탄소나노튜브층의 하중을 지지할 수 있도록 하여 구조적 안정성 향상을 도모하게 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 지하수 처리 장치를 개략적으로 나타낸 결합 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 지하수 처리 장치를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 방법을 나타낸 순서 흐름도이다.

본 발명에 있어 첨부된 도면은 종래 기술과의 차별성 및 명료성, 그리고 기술 파악의 편의를 위해 과장된 표현으로 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어로써, 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 기술적 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 한편, 실시예는 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적 사항에 불과하고, 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니며, 권리범위는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술적 사상을 토대로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 지하수 처리 장치를 개략적으로 나타낸 결합 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 지하수 처리 장치를 보다 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는 지하수(3)에 용존하는 우라늄이온을 전기적으로 흡착하여 분리시키는 지하수 처리 장치에 관한 것이다.

이 경우, 지하수(3)는 지반(1)의 단층 구조(2)에서 발견되는 예를 도시하였으나, 지하수(3)의 채취 위치가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 지하수(3)는 우라늄 광산 지역, 방사성폐기물처분장 지역, 화강암 지역 등에서 채취될 수 있다.

지하수(3)에 용존하는 우라늄이온은 UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등의 양이온 형태 또는 UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등의 음이온 형태로 존재한다.

본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는 케이스(10), 제 1 전극 플레이트(20), 제 2 전극 플레이트(30), 전류원(40) 및 탄소나노튜브층(50)을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는 필터 플레이트(60)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는 지하수 채취 유닛(70), 지하수 이송관(71) 및 지하수 이송 펌프(72)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는 세정액 보관통(80), 세정액 이송관(81) 및 세정액 이송 펌프(82)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는 정제 지하수 배출관(90)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는 우라늄이온 농도 측정 유닛(100)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

아울러, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치는 우라늄이온 보관통(110) 및 오염액 이송관(111)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

케이스(10)는 지하수(3)가 유입되는 유입부(11)와 지하수(3)가 토출되는 토출부(12)를 구비한다.

유입부(11) 및 토출부(12) 케이스(10)와 일체로 제작되거나, 도시된 바와 같이, 상 하부의 캡으로 별도 제작될 수 있다.

케이스(10)는 지하수(3)가 수용되어 우라늄 제거 공정이 수행되는 공간을 형성한다.

제 1 전극 플레이트(20)는 케이스(10) 내부에 지하수(3)의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 설치되고, 메쉬 형태로 구비된다.

제 2 전극 플레이트(30)는 케이스(10) 내부에 지하수(3)의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 제 1 전극 플레이트(20)와 이격되어 설치되고, 메쉬 형태로 구비된다.

제 1 전극 플레이트(20) 및 제 2 전극 플레이트(30)는 메쉬 형태, 즉 격자 형태로 이루어져 그 격자 공간으로 지하수(3)를 상부에서 하부 방향으로 이송시키는 공간을 형성함으로써, 종래와 달리, 케이스 내부(10)에서 지하수(3)의 흐름을 변화시키지 않고 처리(우라늄이온 제거)할 수 있게 한다.

아울러, 제 1 전극 플레이트(20) 및 제 2 전극 플레이트(30)는 메쉬 형태로 이루어져 그 상부에 탄소나노튜브층(50)을 적층하여 그 하중을 지지하는 역할도 동시에 수행하게 되므로 구조적 안정성에 기여하게 된다.

보다 바람직하게는, 제 1 전극 플레이트(20) 및 제 2 전극 플레이트(30)는 케이스(10)에 지하수(3)의 흐름 방향과 수직한 방향으로 설치되는 것이 케이스(10) 내부에서 지하수(3)의 흐름을 원활하게 하는데 더욱 유리할 수 있다.

한편, 제 1 전극 플레이트(20) 및 제 2 전극 플레이트(30)는 환원력이 큰 백금 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 이는, 탄소나노튜브층(50)을 구성하고 있는 탄소나노튜브의 표면에 전하에 의한 이중층을 형성하는데 유리하기 때문이다.

아울러, 제 1 전극 플레이트(20) 및 제 2 전극 플레이트(30)는 상호 간의 이격 거리가 조절 가능하게 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 제 1 전극 플레이트(20) 및 제 2 전극 플레이트(30)의 거리 조절을 통하여 의도하는 크기의 전기장을 용이하게 형성할 수 있기 때문이다.

전류원(40)은 제 1 전극 플레이트(20)와 제 2 전극 플레이트(30)에 서로 다른 극성의 전류를 인가하는 역할을 수행한다.

전류원(40)은 탄소나노튜브층(50)에 우라늄이온이 포화 흡착된 경우 전류를 역으로 인가할 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 전류원(40)은 제 1 전극 플레이트(20)와 제 2 전극 플레이트(30)에 서로 다른 극성의 전류를 인가하되, 그 극성을 반대로 바꾸어 인가하는 것도 가능하게 구비되는 것이 바람직하다.

탄소나노튜브층(50)은 제 1 전극 플레이트(20)와 제 2 전극 플레이트(30) 중 적어도 어느 하나의 상면에 적층 구비된다.

일 예로, 도 1 내지 도 3에서는 탄소나노튜브층(50)이 제 1 전극 플레이트(20)의 상면에 적층되어 있다.

이때, 전류원(40)은 제 1 전극 플레이트(20)에 음극성의 전류를 인가하고, 제 2 전극 플레이트(30)에 양극성의 전류를 인가하게 구성된다.

이 경우, 탄소나노튜브층(50)은 제 1 전극 플레이트(20)의 메쉬 구조에 지지되되, 전류원(40)의 전류 인가에 따라 제 1 전극 플레이트(20)와의 상호 작용에 의하여 음극 전위가 형성되어, 양이온 형태의 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)을 그 표면에 흡착시킨다.

이때, 탄소나노튜브층(50)의 표면에 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)의 흡착 상태가 포화되면 전류원(40)의 전류 인가를 반대로 바꾸어 제 1 전극 플레이트(20)에 양극성의 전류를 인가함으로써, 흡착된 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)을 탈착시키도록 구성될 수도 있다.

한편, 전류원(40)은 제 1 전극 플레이트(20)에 양극성의 전류를 인가하고, 제 2 전극 플레이트(30)에 음극성의 전류를 인가하게 구성될 수도 있다.

이 경우, 탄소나노튜브층(50)은 제 1 전극 플레이트(20)의 메쉬 구조에 지지되되, 전류원(40)의 전류 인가에 따라 제 1 전극 플레이트(20)와의 상호 작용에 의하여 양극 전위가 형성되어, 음이온 형태의 우라늄이온(UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)을 그 표면에 흡착시킨다.

이때, 탄소나노튜브층(50)의 표면에 우라늄이온의 흡착 상태가 포화되면 전류원(40)의 전류 인가를 반대로 바꾸어 제 1 전극 플레이트(20)에 음극성의 전류를 인가함으로써, 흡착된 우라늄이온(UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)을 탈착시키도록 구성될 수도 있다.

한편, 다른 예로, 도 1 내지 도 3과 달리, 탄소나노튜브층(50)이 제 1 전극 플레이트(20)와 제 2 전극 플레이트(30)의 상면에 각각 적층 구비되는 것도 가능하다.

이 경우, 양극성의 전류를 인가한 플레이트(예: 제 1 전극 플레이트(20)) 측의 탄소나노튜브층(50) 표면에 음이온 형태의 우라늄이온(UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)이 흡착되고, 음극성의 전류를 인가한 플레이트(예: 제 1 전극 플레이트(20)) 측의 탄소나노튜브층(미도시)에 양이온 형태의 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)이 흡착된다.

이때, 탄소나노튜브층의 표면에 우라늄이온의 흡착 상태가 포화되면 전류원(40)의 전류 인가를 차단하고 증류수 등의 세정액을 케이스(10) 내부로 주입하여 외부로 배출시킴으로써 우라늄이온을 탈착시키도록 구성될 수도 있다.

즉, 탄소나노튜브층(50)이 제 1 전극 플레이트(20)와 제 2 전극 플레이트(30)의 상면에 각각 적층 구비된 구조는 전류원(40)의 전류 인가를 바꾸어 우라늄이온을 탈착하게 되면, 음이온 형태의 우라늄이온과 양이온 형태의 우라늄이온이 탄소나노튜브층(50) 자리를 바꾸어 흡착되어 배출되지 못하는 문제점이 발생할 수 있으므로, 전류원(40)의 전류 인가를 차단하고 증류수 등의 세정액을 이용하여 탈착 과정을 진행하도록 구성할 수 있다.

탄소나노튜브층(50)은 산 용액(예를 들어, 질산과 황산 3:1 혼합 용액)으로 표면을 산화시킨 후 케이스(10)에 설치하는 것이 우라늄이온의 흡착 효율성 증가 측면에서 바람직하다.

필터 플레이트(60)는 케이스(10) 내부에 지하수(3)의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 설치된다.

필터 플레이트(60)는 지하수(3)에 존재하는 미립분자의 불순물을 제거하는 역할을 수행한다.

필터 플레이트(60)는 바람직하게는 탄소나노튜브층(50)의 상측에 설치되는 것이 바람직하다. 이는, 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)을 탈착하는 경우, 즉, 우라늄이온을 포함하는 오염액을 토출부(12)로 배출하는 경우, 우라늄이온이 흡착 과정 중 고체화된 경우에 필터 플레이트(60)에 걸려 배출되지 못하는 현상이 발생할 수 있기 때문이다.

필터 플레이트(60)는, 제 1 전극 플레이트(20) 및 제 2 전극 플레이트(30)와 마찬가지로, 케이스(10)에 지하수(3)의 흐름 방향과 수직한 방향으로 설치되는 것이 케이스(10) 내부에서 지하수(3)의 흐름을 원활하게 하는데 더욱 유리할 수 있다.

지하수 채취 유닛(70)은 지하수(3)를 끌어 올리는 역할을 수행한다.

예를 들어, 지하수 채취 유닛(70)는 지반(1)의 단층구조(2)에 존재하는 지하수(3)를 일정량 격리 고립되게 수용하도록 구성될 수 있다.

지하수 이송관(71)은 지하수 펌프 유닛(70)에서 케이스(10)의 유입부(11)로 지하수(3)가 이송되는 유로를 형성한다.

지하수 이송 펌프(72)는 지하수 이송관(71)에서 케이스(10)의 유입부(11)로 지하수를 이송시키는 이송 구동력을 발생시키는 역할을 수행한다.

예를 들어, 지하수 이송 펌프(72)는 지하수 채취 유닛(70)에 일정량 격리 고립되게 수용된 지하수(3)를 케이스(10)의 유입부(11)로 이송시킬 수 있고, 이때, 바람직하게는 토출부(2)의 토출 유로(후술하는 정제 지하수 배출관(90) 및 오염액 이송관(111)을 의미함)는 밸브로 폐쇄된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.

아울러, 전류원(40)은 케이스(1)에 지하수(3)가 유입되어 채워지고 지하수 이송관(71) 유로는 폐쇄(후술하는 세정액 이송관(81)의 유로도 폐쇄됨을 전제)된 후 전류를 인가하여 우라늄이온을 흡착하는 과정을 일정 시간 수행하게 구성될 수 있다.

세정액 보관통(80)은 증류수 등의 세정액을 보관하는 공간을 형성한다.

세정액 이송관(81)은 세정액 보관통(80)에서 케이스(10)의 유입부(11)로 세정액이 이송되는 유로를 형성한다.

세정액 이송 펌프(82)는 세정액 보관통(80)에서 케이스(10)의 유입부(11)로 세정액을 이송시키는 이송 구동력을 발생시키는 역할을 수행한다.

예를 들어, 세정액 이송 펌프(82)는 후술하는 우라늄이온 농도 측정 유닛(100)에 의해 탄소나노튜브층(50)의 표면에 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺, UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)의 흡착 상태가 포화된 것으로 판단되면 세정액 보관통(80)에서 케이스(10)의 유입부(11)로 세정액을 이송시키도록 구성될 수 있다.

즉, 세정액 이송 펌프(82)는 전류원(40)을 통해 전류를 인가하여 우라늄이온 흡착을 일정 시간 수행한 후 정제 지하수 배출관(90) 유로가 개방되어 정제된 지하수(3)을 토출시키는 중 우라늄이온 농도 측정 유닛(100)에 의해 탄소나노튜브층(50)의 표면에 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺, UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)의 흡착 상태가 포화된 것으로 판단되어 정제 지하수 배출관(90) 유로가 폐쇄될 때 세정액 이송관(81)의 유로와 오염액 이송관(111)의 유로를 개방시킴과 동시에 작동하도록 구성될 수 있다.

이 경우, 세정액 이송 펌프(82)의 동작으로 세정액이 케이스(10)로 유입되어 탄소나노튜브층(50)의 표면에 흡착된 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺, UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)을 탈착하는 과정에서, 전류원(40)은 전류 인가를 반대로 바꾸어 제 1 전극 플레이트(20)에 흡착할 때와 반대 극성의 전류를 인가함으로써 흡착된 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺, UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)을 보다 용이하게 탈착시키도록 구성될 수도 있다.

정제 지하수 배출관(90)은 우라늄이온이 제거되어 정제된 지하수(3)가 토출부(12)로 토출된 후 이송되는 유로를 형성한다.

사용자는 정제 지하수 배출관(90)을 이용하여 최종적으로 정제된 지하수(3)를 얻을 수 있게 된다.

우라늄이온 농도 측정 유닛(100)은 정제 지하수 배출관(90) 또는 케이스(10)의 토출부(12)에 설치되어 케이스(10)의 토출부(12)로 토출되는 정제된 지하수(3)의 용존 우라늄이온 농도를 측정하는 역할을 수행한다.

예를 들어, 전술한 바와 같이, 우라늄이온 농도 측정 유닛(100)은 전류원(40)을 통해 전류를 인가하여 우라늄이온 흡착을 일정 시간 수행한 후 정제 지하수 배출관(90) 유로가 개방되어 정제된 지하수(3)가 토출될 때, 우라늄이온의 농도를 측정하여 탄소나노튜브층(50)의 표면에 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺, UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)의 흡착 상태가 포화되었는지를 판단하는 역할을 수행하도록 구성될 수 있다.

우라늄이온 보관통(110)은 우라늄이온을 별도로 보관하기 위한 역할을 수행한다.

오염액 이송관(111)은 케이스(10)의 토출부(12)에서 우라늄이온 보관통(110)으로 우라늄이온이 포함된 오염액이 이송되는 유로를 형성한다.

예를 들어, 오염액 이송관(111)은 세정액 이송 펌프(82)의 구동 시 함께 개방되도록 구성되어, 세정액이 케이스(10) 내부에 주입되어 탄소나노튜브층(50)의 표면에 흡착된 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺, UO₂(CO₃)₂ ^-2, UO₂(CO₃)₃ ^-4 등)을 탈착시킨 우라늄이온을 세정액(지하수(3)를 일부 포함하는 경우가 있을 수 있음)과 함께 우라늄이온 보관통(110)으로 이송시키도록 구성될 수 있다.

도 4은 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 방법을 나타낸 순서 흐름도이다. 이 경우, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 방법은 전술한 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 장치를 이용하는 것을 전제로 한다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 방법은, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 케이스(10), 메쉬 형태로 케이스(10)에 설치되는 제 1 전극 플레이트(20), 메쉬 형태로 케이스(10)에 설치되는 제 2 전극 플레이트(30), 전류원(40) 및 제 1 전극 플레이트(20)와 제 2 전극 플레이트(30) 중 적어도 어느 하나의 상면에 적층 구비되는 탄소나노튜브층(50)을 포함하는 지하수 처리 장치를 이용한 지하수 처리 방법에 관한 것이다.

이 경우, 지하수 처리 장치는 필터 플레이트(60)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 지하수 처리 장치는 지하수 채취 유닛(70), 지하수 이송관(71) 및 지하수 이송 펌프(72)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 지하수 처리 장치는 세정액 보관통(80), 세정액 이송관(81) 및 세정액 이송 펌프(82)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 지하수 처리 장치는 정제 지하수 배출관(90)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 지하수 처리 장치는 우라늄이온 농도 측정 유닛(100)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

아울러, 지하수 처리 장치는 우라늄이온 보관통(110) 및 오염액 이송관(111)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 지하수 처리 방법은 지하수 채취 단계(S1), 지하수 주입 단계(S2) 및 우라늄이온 흡착 단계(S3)를 포함하여 구성된다.

지하수 채취 단계(S1)는 지하수(3)를 채취하는 단계이다.

예를 들어, 지하수 채취 단계(S1)는 지하수 채취 유닛(70)을 이용하여 지반(1)의 단층구조(2)에 존재하는 지하수(3)를 일정량 격리 고립되게 수용하는 단계를 의미할 수 있다.

지하수 주입 단계(S2)는 채취된 지하수(3)를 케이스(10)에 주입하는 단계이다.

예를 들어, 지하수 주입 단계(S2)는, 토출부(2)의 토출 유로(후술하는 정제 지하수 배출관(90) 및 오염액 이송관(111)을 의미함) 및 세정액 이송관(81)의 유로를 폐쇄하고 지하수 이송관(71)의 유로를 개방한 후, 지하수 이송 펌프(72)를 이용하여 지하수 채취 유닛(70)에 일정량 격리 고립되게 수용된 지하수(3)를 케이스(10)의 유입부(11)로 이송시키는 방식으로 수행될 수 있다. 이때, 토출부(2)의 토출 유로(후술하는 정제 지하수 배출관(90) 및 오염액 이송관(111)을 의미함) 및 세정액 이송관(81)의 유로 폐쇄와 지하수 이송관(71)의 유로 개방은 지하수 채취 단계(S1)에서도 수행될 수 있음은 물론이다.

우라늄이온 흡착 단계(S3)는 전류원(40)을 통해 제 1 전극 플레이트(20) 및 제 2 전극 플레이트(30)에 서로 다른 극성의 전류를 인가하여 탄소나노튜브층(50)에 지하수에 용존하는 우라늄이온을 흡착시키는 단계이다.

예를 들어, 탄소나노튜브층(50)이 제 1 전극 플레이트(20) 상면에만 적층된 구조의 경우, 우라늄이온 흡착 단계(S3)는, 케이스(1)에 지하수(3)가 유입되어 채워진 후 지하수 이송관(71) 유로를 폐쇄(세정액 이송관(81)도 폐쇄를 전제)한 후 전류원(40)을 통해 제 1 전극 플레이트(20)에 음극성의 전류를 인가하여 양이온 우라늄이온 흡착하는 과정을 일정 시간 수행하게 구성될 수 있다.

이때, 탄소나노튜브층(50)은 제 1 전극 플레이트(20)의 메쉬 구조에 지지되되, 전류원(40)의 전류 인가에 따라 제 1 전극 플레이트(20)와의 상호 작용에 의하여 음극 전위가 형성되어, 양이온 형태의 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)을 그 표면에 흡착시킨다.

사용자는 우라늄이온 흡착 단계(S3) 이후에는 우라늄이온 흡착하는 과정을 일정 시간 수행한 후 일정 시간 경과 후에는 정제 지하수 배출관(90) 유로를 개방하여 정제된 지하수를 배출시켜 이용하게 된다.

이 경우, 사용자는, 우라늄이온 농도 측정 유닛(100)을 이용하여 정제 지하수 배출관(90) 유로를 통해 토출되는 정제된 지하수(3)의 우라늄이온의 농도를 측정하여 탄소나노튜브층(50)의 표면에 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)의 흡착 상태가 포화된 것으로 판단된 경우, 정제 지하수 배출관(90) 유로를 폐쇄하고 세정액 이송관(81)의 유로와 오염액 이송관(111)의 유로를 개방시킴과 동시에 세정액 이송 펌프(82)을 동작시켜 탄소나노튜브층(50)의 표면의 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)을 탈착시키는 과정을 수행하도록 장치를 구성할 수 있다.

이때, 전류원(40)의 전류 인가를 반대로 바꾸어 제 1 전극 플레이트(20)에 양극성의 전류를 인가함으로써, 흡착된 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)이 보다 효과적으로 탈착되게 구성될 수도 있다.

이때, 세정액 이송 펌프(82)의 구동은 세정액이 케이스(10) 내부에 주입되어 탄소나노튜브층(50)의 표면에 흡착된 우라늄이온(UO₂ ⁺², UO₂OH⁺ 등)을 탈착시킨 우라늄이온을 세정액(지하수(3)를 일부 포함하는 경우가 있을 수 있음)과 함께 우라늄이온 보관통(110)으로 이송시키게 된다.

아울러, 사용자는, 이러한 세정 과정을 거친 후 세정액 이송관(81)의 유로와 오염액 이송관(111)의 유로를 폐쇄시킨 후 다시 지하수 채취 단계(S1)가 수행되도록 장치를 구성함으로써, 탄소나노튜브층(50)의 지속적인 사용을 도모할 수 있다.

한편, 탄소나노튜브층(50)에 양이온 형태의 우라늄이온이 흡착 및 탈착되는 과정을 중심으로 설명하였지만, 전류 인가 방식을 반대로 변경하면 음이온 형태의 우라늄 이온이 흡착 및 탈착되는 과정도 구현될 수 있다.

아울러, 탄소나노튜브층(50)이 제 1 전극 플레이트(20)와 제 2 전극 플레이트(30)의 상면에 각각 적층 구비되는 경우에는, 음이온 형태의 우라늄이온과 양이온 형태의 우라늄이온을 흡착 및 탈착하는 과정도 구현될 수 있음은 물론이다.

이상에서와 같이, 본 발명에 의한 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법은 전극을 메쉬 구조로 제작함으로써 지하수 처리 시 지하수의 흐름을 상부에서 하부로 유지하도록 하여 내구성 향상을 도모하게 하고, 전극으로 탄소나노튜브층의 하중을 지지할 수 있도록 하여 구조적 안정성 향상을 도모하게 할 뿐 아니라, 탄소나노튜브의 연속적인 재사용을 가능하게 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 기초로 다양한 변경 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해해야 한다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하 기술할 특허청구범위에 의하며, 상술한 발명의 구체적 내용을 토대로 정해져야 할 것이다.

본 발명은 지하수 처리 장치 및 이를 이용한 지하수 처리 방법에 관한 것으로, 지하수 개발과 관련된 산업 분야에 이용 가능하다.

1: 지반 2: 단층구조
3: 지하수
10: 케이스 11: 유입부
12: 토출부 20: 제 1 전극 플레이트
30: 제 2 전극 플레이트 40: 전류원
50: 탄소나노튜브층 60: 필터 플레이트
70: 지하수 채취 유닛 71: 지하수 이송관
72: 지하수 이송 펌프 80: 세정액 보관통
81: 세정액 이송관 82: 세정액이송 펌프
90: 정제 지하수 배출관 100: 우라늄이온 농도 측정 유닛
110: 우라늄이온 보관통 111: 오염액 이송관

Claims

지하수에 용존하는 우라늄이온을 전기적으로 흡착하여 분리시키는 지하수 처리 장치에 있어서,
지하수가 유입되는 유입부와 지하수가 토출되는 토출부를 구비하는 케이스;
상기 케이스 내부에 지하수의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 설치되고, 메쉬 형태로 구비되는 제 1 전극 플레이트;
상기 케이스 내부에 지하수의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 상기 제 1 전극 플레이트와 이격되어 설치되고, 메쉬 형태로 구비되는 제 2 전극 플레이트;
상기 제 1 전극 플레이트와 상기 제 2 전극 플레이트에 서로 다른 극성의 전류를 인가하는 전류원; 및
상기 제 1 전극 플레이트와 상기 제 2 전극 플레이트 중 적어도 어느 하나의 상면에 적층 구비되는 탄소나노튜브층;
을 포함하고,
상기 제 1 전극 플레이트 및 상기 제 2 전극 플레이트는,
상호 간의 이격 거리가 조절 가능하게 구비되고, 금속 재질로 구성되고, 메쉬 형태로 이루어져 그 격자 공간으로 지하수를 상부에서 하부 방향으로 이송시키며, 메쉬 형태로 이루어져 그 상면에 적층되는 상기 탄소나노튜브층을 지지하는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 케이스 내부에 지하수의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 설치되는 필터 플레이트;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
지하수를 끌어 올리는 지하수 채취 유닛;
상기 지하수 채취 유닛에서 상기 케이스의 상기 유입부로 지하수가 이송되는 유로를 형성하는 지하수 이송관; 및
상기 지하수 이송관에서 상기 케이스의 상기 유입부로 지하수를 이송시키는 이송시키는 지하수 이송 펌프;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
세정액을 보관하는 세정액 보관통;
상기 세정액 보관통에서 상기 케이스의 상기 유입부로 세정액이 이송되는 유로를 형성하는 세정액 이송관; 및
상기 세정액 보관통에서 상기 케이스의 상기 유입부로 세정액을 이송시키는 세정액 이송 펌프;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
우라늄이온이 제거되어 정제된 지하수가 상기 토출부로 토출된 후 이송되는 유로를 형성하는 정제 지하수 배출관;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 정제 지하수 배출관 또는 상기 토출부에 설치되어 상기 토출부로 토출되는 정제된 지하수의 용존 우라늄이온 농도를 측정하는 우라늄이온 농도 측정 유닛;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 1 항에 있어서,
우라늄이온을 별도로 보관하기 위한 우라늄이온 보관통; 및
상기 케이스의 상기 토출부에서 상기 우라늄이온 보관통으로 우라늄이온이 포함된 오염액이 이송되는 유로를 형성하는 오염액 이송관;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 플레이트 및 상기 제 2 전극 플레이트는,
백금 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극 플레이트 및 상기 제 2 전극 플레이트는,
상기 케이스에 지하수의 흐름 방향과 수직한 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 필터 플레이트는,
상기 케이스에 지하수의 흐름 방향과 수직한 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 필터 플레이트는,
상기 케이스 내부에 상기 제 1 전극 플레이트 및 상기 제 2 전극 플레이트보다 상측에 설치되는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전류원은,
상기 탄소나노튜브층에 우라늄이온이 포화 흡착된 경우 전류를 역으로 인가할 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 지하수 처리 장치.
제1항 내지 제7항 및 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항의 지하수 처리 장치를 이용한 지하수 처리 방법에 있어서,
지하수를 채취하는 지하수 채취 단계;
채취된 지하수를 상기 케이스에 주입하는 지하수 주입 단계; 및
상기 전류원을 통해 상기 제 1 전극 플레이트 및 상기 제 2 전극 플레이트에 서로 다른 극성의 전류를 인가하여 상기 탄소나노튜브층에 지하수에 용존하는 우라늄이온을 흡착시키는 우라늄이온 흡착 단계;
를 포함하는 지하수 처리 방법.