KR102110621B1 - 분산된 공기 부유선광 거품 및 상기 거품에 의한 토양의 방사성 오염 제거 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세슘 ¹³⁷Cs과 같은 적어도 하나의 방사성 핵종으로 오염된 토양을 처리하기 위한, 상기 토양 및 적어도 하나의 콜렉터를 포함하는 현탁액에 기포를 불어 넣음으로써 생성되는 분산된 공기 부유선광 거품에 의하여 상기 방사성 핵종을 분리하는 적어도 하나의 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 방법을 수행하여 얻어진 부유선광 거품에 관한 것이다.

Description

분산된 공기 부유선광 거품 및 상기 거품에 의한 토양의 방사성 오염 제거 방법{METHOD FOR THE RADIOACTIVE DECONTAMINATION OF SOIL BY DISPERSED AIR FLOTATION FOAM AND SAID FOAM}

본 발명은 토양의 탈오염(depollution), 살균(disinfection), 정화(purification), 복원(remediation) 및/또는 오염 제거(decontamination) 분야에 관한 것이다.

실제로, 본 발명은 오염 제거, 특히 흙(soils)의 방사성 오염 제거, 특히 세슘 137Cs에 의해 상당히 오염된 토양(earth)의 방사성 오염 제거를 위한, 분산된 공기 컬럼(dispersed air column)에 사용되는 부유선광 거품(flotation foams) 또는 부유 거품(floating foams)을 구현하는 신규한 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 부유선광 거품에 관한 것이다.

공중보건 기준에 따르면, 방사성 물질은 "방사선 보호 관점에서 무시될 수 없는 하나 이상의 방사성 핵종의 활성 또는 농도를 포함하는 임의의 물질"로서 간주된다. 방사성 물질에 의해 오염된 흙의 성분에서 가장 흔하게 발견되는 방사성 핵종은 더 정확하게 다음과 같은 방사성 핵종이다[1]:

- 트리튬 ³H;

- 카본 ¹⁴C;

- 스트론튬 ⁹⁰Sr 및 그의 파생 원소(⁹⁰Y) ;

- 세슘 ¹³⁷Cs 및 그의 파생 원소(¹³⁷mBa);

- 아메리슘 ²⁴¹Am;

- 토륨 232류의 방사성 핵종: ²³²Th, ²²⁸Ra, ²²⁸Ac, ²²⁸Th, ²²⁴Ra, ²²⁰Rn, ²¹⁶Po, ²¹²Pb, ²¹²Bi, ²⁰⁸Ti 및 ²¹²Po; 및

- 우라늄 238류 및 특히 라듐 ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi, ²¹⁴Po, ²¹⁰Pb, ²¹⁰Bi 및 ²¹⁰Po의 방사성 핵종.

흙은 물리적, 화학적 관점에서 복잡한 시스템이며, 미네랄과 유기물의 혼합물이다. 게다가 2㎜ 이상의 크기를 가진 돌과 자갈 이외에, 미네랄 부분(fraction), 주로 규산염 또는 탄산염은 물리적인 생성물 유래의 2㎜ 이하의 분획을 나타내며, 이후 모암(parent rock)이 화학적으로 분해되면 직경이 감소하므로써 모래, 실트(silts) 및 일반적으로 100㎛보다 작은 직경을 갖는 음으로 대전된 미세입자로 구성되는 소위 입자 성분(granulometric) 또는 콜로이드 점토로 분류될 수 있다. 유기성 부분에 관해서는, 동물, 식물, 균류 및 미생물성 살아 있는 유기성 물질로부터 기원하며, "신선한 유기성 물질"이라 불리는 식물 유래의 잔해(식물 잔류물, 삼출물), 동물 유래의 잔해(배설물, 시체), 균류 및 미생물 유래의 잔해(시체, 삼출물); 신선한 유기성 물질의 변화에 의한 "과도성 유기성 물질"로 명명되는 중간체 유기성 화합물; 및 상기 선행 물질들이 변화되어 안정화된 유기성 화합물인 부식 물질 또는 부엽토와 같은 전체 활성 바이오매스(biomass)를 포함한다.

방사성 물질들에 의한 흙의 오염은 종종 대부분 이들 방사성 물질들과 관련된 산업, 의료 또는 연구 활동의 결과일 수 있다.

그러나, 오염은 불행하게도, 예를 들어 부수적 누출 또는 화재와 같은 알려진 사건이나 사고에 기인할 수 있으며, 이는 환경에 엄청난 양의 오염물질의 통제되지 않은 배출로 이어질 수 있다. 이런 일들이 체르노빌 사고의 경우였고, 가장 최근에는 후쿠시마 사고였다.

프랑스에서, 전리 방사선의 위험에 대한 집단의 보호에 관한 규정은 공중 보건 기준에 의해 설정된다. 상기 기준은 핵 활동으로 인해 인간이 받을 수 있는 노출의 최대 한계를 1mVs/year로 정하고 있다. 방사능으로 오염된 흙은 주변 거주자들에 높은 피폭량을 제공할 수 있으므로, 거주자에 허용 가능한 임계값의 방사능 수치로 되돌릴 수 있는 토양 오염 제거 또는 복원 기술 또는 방법을 적용하는 것이 필요하다.

산업 상황이든 우발적인 상황에서든 방사능으로 오염된 흙의 오염 제거 이전에, 상기 오염에서 비롯된 방사능 오염의 형성과 원인이 조사 및 특징화되어야 한다. 이러한 작업은 기록 데이터(실행된 활동 등...)에 의존하며, 현장에서 수행되는 측정 데이터에 의해 완성된다. 흙에 존재하는 방사성 핵종은 확인, 정량화 및 위치화되어야 한다.

이러한 작업 외에, 본 기술 분야에서 효과적이고 확장 가능한 토양 정화 기술 또는 방법에 대한 필요성이 추가된다.

실제로, 대기 방사성 방전의 하나의 상황 또는 여러 연속적인 상황 다음에, 일부 공기에 분산된 방사성 핵종은 지표면에 침적되고, 지표수의 오염뿐만 아니라, 식물, 토양 및 형성된 환경의 표면 오염을 야기한다. 이렇게 형성된 방사성 퇴적물은 환경내에서 다소간 지속된다. 방사성 퇴적물은 이들 퇴적물을 구성하는 방사성 핵종의 표면 활성의 측정(Bq/m²), 또는 토양에서 질량 활성의 측정(Bq/kg, 뿌리에서 이동한 방사성 핵종에 의해 평가되는 식물의 오염 위험을 가늠), 또는 최종적으로 상기 퇴적물에 의해 방출되는 감마 방사선으로 인한 주변 도스 유량(ambient dose flow rate)의 측정(μSv/h)에 의해 특정될 수 있다.

지금까지 사용된 토양 오염 제거 기술은 세 가지 범주로 분류할 수 있다: 오프-사이트(off-site), 온-사이트(on-site) 및 인-시투(in-situ). 이러한 기술의 대부분은 일반적으로 토양을 굴착하여 처리되도록 요구된다.

역사적으로, 첫 번째로 적용된 방법은 오프-사이트 대체 오염 제거 방법(off-site replacement decontamination method)으로 구성된다. 이 방법에 있어서, 오염된 토양의 오염된 두께 전체를 벗겨낸다. 제거된 토양은 다른 곳에서 모은 건강한 토양으로 대체된다. 이 방법에 의해 야기되는 이송 비용들 외에도, 오염된 토양의 정제 또는 저장과 관련된 비용은, 직접적으로 오염 구역의 면적 및 깊이에 의존하는 대체 부피에 비례한다. 오염된 토양은 그것이 대체되자마자 산업 폐기물로 간주된다는 점에서 주목할 만하다.

후자의 방법이 알려진 후, 오염 물질이 용해되기 쉽게 액체 또는 가압된 가스를 지표면에 주입하는 방법이 사용될 수 있었다. 이 방법은 물리-화학적 탈 오염에 상응한다. 그 다음 오염된 토양은 점차적으로 정제될 수 있다. 이는 다음과 같은 일시적인 정제 산업 시설을 요구한다:

- 처리되어질 토양의 추출, 단, 이 단계는 선택적일 수 있다;

- 여과 또는 가스 주입 공정;

- 침출물의 회수 및 그들의 정제;

- 토양이 굴착되는 경우, 처리된 토양의 재배치.

흡입에 의한 추출 방식의 오염 제거 방법은, 모래 지반에 적합하고, 예를 들어 탄화수소류와 같은 휘발성 및 반-휘발성 오염 물질에 적합하며, 비용이 저렴하다. 이 방법에서, 상기 지반은 진공 펌프에 의해 감압되고, 증기가 촉매 산화, 냉각 응축 또는 활성탄 흡착에 의해 처리된다. 처리 설비는 현장을 커버할 수 있도록 이동 가능하다.

소위 "배출(venting)" 방법 또는 주입에 의한 추출이 적용되는 동안, 압축 공기, 질소 또는 증기가 주입된다. 이런 처리 방법은, 공기 투과성 지반, 예를 들어 염소화 용매 등의 휘발성 용매에 적합하다. 웰(well)은 흡입시 정제된 증기가 회수 및 주입되는 것을 가능하게 한다. 기술의 효율성을 향상시키기 위해 추가로 흙을 (마이크로웨이브를 이용하여) 가열할 수 있다.

전기 추출 방법은 대부분 중금속과 일부 유기 이온과 같은 이온화된 오염 물질에 적합하다. 특히, 물의 존재 덕분에 지면의 전도성이 우수하기만 하다면, 지면의 특성은 그리 중요하지 않다. 이동 이온들이 반대 전하 전극을 향해 이동하도록 이끄는 전류를 토양내에 발생시키기 위해 다공성 전극(porous electrodes)을 주입한다. 오염 물질의 회수는, 예를 들어 펌핑(pumping)을 통해 이루어질 수 있다.

토양 세척 오염 제거 방법과 같은 다른 대안들이 있다: 세척은 고압, 상압(normal pressure), 온-사이트 또는 오프-사이트에서 수행될 수 있다. 그 목적은 오염 물질의 대부분이 농축되어 있는 미세 입자들을 분리하거나(고수압 세척), 또는 물이나 산과 같은 액체 용액 중의 오염 물질들을 포획하기 위함이다. 첫 번째 경우, 토양이 굴착되어야 하고, 회수된 폐기물은 웨이퍼로서 저장되는 반면, 두번째 경우 지면에 투과성이 있다면 추출하지 않고 처리가 수행될 수 있다. 예를 들어, 구리, 아연, 비소, 카드뮴 및 납 등의 대부분의 중금속은 산성 용액을 사용하여 추출될 수 있고, 그 후 화합물의 일부를 침전시키기 위해 중화시킨 다음, 남아있는 성분을 분리하기 위하여 침강(settle), 여과 및 원심 분리가 수행된다. 그러나, 고압 인-시투 세척법은 분사 노즐으로부터의 거리가 증가함에 따라 수압이 빠르게 감소하기 때문에, 그 적용이 작은 크기의 영역에 제한된다. 유기 및 유독성 오염 물질의 대부분을 용해하기 위해 알칸, 알코올 또는 케톤과 같은 다른 용매를 사용하는 방법도 있다. 이들은 비용이 저렴하며, 용매 주입 후, 상술한 기술들 중 하나에 의한 추출을 수행하는 방식에 기초한다.

1990년대 이후, 오염 제거 방법들은, 일부 살아있는 유기체들이 그들의 신체에 독성 성분들을 여과 및 축척하는 능력, 또는 독성 성분들을 음식으로 사용하는 능력을 기반으로 하는 생물학적 처리와 관련되어 구현되었다. 이러한 공정은 종래 방식들에서 발생하는 일부 비용 문제를 해결할 수 있는 것으로 여겨진다. 그러나, 온-사이트에서 충족되어야 할 조건들이 매우 정확하게 충족된다 하더라도, 특히 사용된 유기체들의 증식 위험과 관련된 다른 문제들이 해결되어야 한다. 결국, 실험실 테스트는 일반적으로 유효한 반면, 현장에서의 실시는, 예를 들어 오염 물질 농도가 국부적으로 너무 높거나, 지면의 본성상 유기체의 성장을 저해하는 예기치않은 요소를 포함하는 등 실망스러운 결과를 나타낼 수 있다.

일부 박테리아는 복잡한 분자를 분해할 수 있고, 그러한 능력으로 그들이 살아가는데 필요한 에너지를 얻어낸다. 일부 박테리아는 염소화 용매로 오염된 토양을 처리하는데 수년 동안 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 인-시투 미생물 처리 기술은 산소화, 습도의 정도 및 온도와 같은 변수들에 의해 촉진될 수 있는 일부 오염 물질의 생물학적 분해에 의해, 초기 생성물보다 더 독성이 있고/있거나 더 이동 가능성이 있는 분해 생성물 또는 대사 산물을 생성할 수 있음이 관찰되었다. 이 대사 산물들은 미생물의 활동 조건이 호기성이든 혐기성이든지 간에 동일하지 않다. 가장 유해한 대사 산물들의 생성을 조절하기 위하여, 필요에 따라 어느 생분해 방식을 다른 생분해 방식으로 전환시킬 수 있다. 현재의 연구들은 오염 물질들의 각 유형의 분해에 적합한 종을 선택하는 것에 초점을 맞추고 있다. 이러한 연구는 연구 실험실들과 환경 산업현장의 공동 작업으로 이루어질 수 있다. 이런 연구들은 세포 외 효소들에 의해 오염 물질들을 공격하는 기능을 가진 균류의 일부 균주들을 사용하여, 세 개 이상의 벤젠 고리를 가진 다환 방향족 탄화수소의 일부 유형들을 대상으로 결실을 맺기 시작했다.

또한, 다양한 식물은 세포에서 중금속, 방사성 핵종, 오염성 유기 화합물들 및 기타 바람직하지 않은 생성물과 결합할 수 있다. 실제로, 일부 식물은 이러한 오염 물질들을 독성이 작거나 없는 생성물들로 분해하는 효소들을 생산한다. 또한, 이들 식물은 결합 및/또는 변환 작업을 담당하는 균근권(mycorrhizosphere)과 함께 사용될 수 있으며, 산업적 규모의 적용을 목표로 연구가 빠르게 진행되고 있다. 상기와 같은 특성들로 인해, 식물들은 흙의 탈오염화를 위해 사용가능한 후보가 될 수 있다. 또한, 식물들은 (ⅰ) 그들의 크기, 및 깊은 오염층, 특히 수 미터의 오염층에 도달할 수 있도록 토양에 깊이 뿌리 내리는 능력, 및 (ii) 그들이 포집할 수 있는 오염 물질의 종류에 따라 선택된다. 실제로, 굴착된 토양은, 토양내의 오염 물질을 분리하고, 선택된 식물의 성장에 영향을 미치는 인자를 정밀하게 제어하기 위하여, 온실 내의 불침투성 멤브레인상에 펴질 수 있다. 그러나, 이러한 과정으로 인해, 식물 정화법(phytoremediation)의 주요 장점들 중 하나인 낮은 운영 비용이라는 장점이 없어진다. 식물 정화의 장점 중 하나는 소위 식물 채광(phytomining)이라 불리는 재활용가능한 오염 물질의 재평가가 가능하다는 것이다. 따라서, 자신의 줄기와 잎에 오염 물질을 저장하는, 소위 고축적 식물(hyperaccumulator plant)을 수확한 후, 그의 소각재(ash) 중의 금속들을 회수하여, 이들을 야금에 재사용할 수 있다.

체르노빌이나 후쿠시마에서 발생한 것과 같은 사고로 인한 토양의 방사능 오염의 경우, 최근의 오염, 즉 점토 및 부식 복합체가 다소 풍부하고, 다소 염분이고, 다소 산성 또는 염기성인 토양 표면의 1년 전에 발생된 오염의 분화 및 위치를 상세화한 연구 문헌이 거의 없다. 일반적으로, 후쿠시마 주변에서 재배되는 논에 서, 사고 후 1년 만에, 상세하지는 않지만, 토양 표면으로부터 5cm 이내에 세슘 137이 다음의 두가지 형태로 존재하고 있음을 추측할 수 있다:

- 입자의 표면 또는 이온에 의해 교환 가능한 표면에서, "물리 흡착(physisorbed)" 형태 [2]; 및

- 젖은 점토 입자(강한 이온성 상호작용)의 엽면간 공간(interfoliar spaces) 내에서, 부식 물질 또는 점토-부식질 복합체 내에 착화된, 준-비가역적(quasi irreversibly) 방식으로 "포집"된 결합 형태 [3].

4 내지 50μm 크기의 미립자로 구성되는 부분은 세슘 오염의 대부분을 포함한다(> 96%). 실제로 후쿠시마의 오염된 토양 중 100g을 물세척하는 실험이 일본에서 2011년 말에 수행되었다. 평균 입자의 직경이 100μm 이상인 총 입자를 여과 또는 침전시킨 후, 미립자의 탁한 콜로이드 현탁액을 수득하고 건조 후, 초기 세슘 오염의 96% 이상을 함유하는 4g의 토양을 수득하였다. 세슘을 포집하고 있는 입자들은 음으로 대전되고, 그 결과 친수성이다.

이것은 오염된 토양에서 최소화된 부피 또는 질량(초기 중량의 2~15%)에서 오염의 대부분을 함유하는 미립자를 직접 추출하는 공정을 개발할 필요성을 나타낸다. 300km²의 후쿠시마에서 처리될 토양의 양은 약 30.10⁶m³이다. 이것은 적어도 100ton/h의 젖은 토양을 처리할 수 있는 공정의 개발을 필요로 한다. 전면 정밀 여과(front microfiltration)의 경우, 여과 케이크(filtration cake)로 인해 급속히 처리 유량이 제한을 받게되기 때문에, 불연속적인 전면 정밀 여과는 사용될 수 없을 것이다. 토양이 침전될 수 있게 하는 단순한 침전지(settling basins)의 경우는, 흡입 및 다량의 물을 사용하므로, 침전 미분을 용이하게 회수하는 것이 어려울 것이다.

본 발명자들의 연구는 오염된 토양, 특히 세슘에 의해 오염된 토양을 처리/오염제거하기 위한 방법의 개발을 가능하게 하였다.

실제로, 본 발명자들은 분산된 공기 컬럼에서 구현되는 부유선광 거품 또는 부유 거품을 이용하여 방사성 핵종으로 오염된 토양을 처리하는 것이 가능하다는 것을 보여주었다.

공기 부유선광은 이온(이온성 부유선광) 또는 고체 입자(미립자 부유선광)가 추출되도록 하는 분리 방법이다. 특히, 이것은 수백 m³/시간(20m³/분)의 처리 유량으로, 광석과 종이 탈잉크 처리를 위해 산업적 규모로 사용된다. 어떤 연구는 중금속 또는 오일로 오염된 토양의 처리에 대해 언급되어 있다. 따라서, 일본특허출원 JP 2002-248459[4]는 침전을 통하여 졸에 함유된 이온들(중금속들)의 전형적인 부유선광에 스캐빈저(scavengers)를 이용하는 것을 제안한다. 특히, 상기 스캐빈저는 위험 요소를 가질 수 있는 황-계 또는 인산-계 화합물이다. 유사하게, 미국특허 US 5,303,871[5]에서는 자연스럽게 부유할 수 있는 자연적 소수성 오염원(오일 또는 펜타 클로로페놀을 포함하는 그리스(grease))의 부유선광 및 거품을 안정화하기 위하여 기포제(foaming agent)가 추가될 수 있음을 개시하고 있다.

당분야의 통상의 기술자들이 부유-불가능한 친수성 구조물들을 이용한 부유선광법을 사용하는 것을 단념한 데 비하여, 본 발명자들은 공기 부유선광이, 젖은 점토 입자 시트들 사이의 공간 내부의 입자들 내에 포집된 거품으로, 부식 물질 또는 하이브리드 점토-부식 복합체(hybrid clay-humic complexes) 내의 복합 오염 물질, 즉, 친수성 입자들에 포집된 방사성 핵종 오염 물질인, 토양 내에 존재하는 방사성 핵종 오염 물질을 제거하는데 사용될 수 있음을 밝혀내었다.

거품에 의한 토양 부유선광은 토양의 방사성 오염 제거, 특히 토양의 세슘 오염 제거에 혁신적인 방법이다. 부유선광법의 주요 장점은 토양 세정 시스템을 직접 통합한다는 것이다: 토양은 다양한 농도로 물에 현탁된다. 이러한 현탁을 위하여, 콜렉팅(collecting) 계면 활성제 및 기포제가 선택적으로 소량 추가된다. 상기 혼합물에 주입된 기포들은 크기 친화도 및 소수성에 의해 오염된 콜로이드를 함유하는 입자들을 "수송(carry)"한다. 방사성 핵종 오염물 + 콜렉팅제(콜렉터)를 함유하거나 포집하고 있는 회합된(association) 친수성 입자들은 방사성 핵종 오염 물질의 유출 없이 부유할 수 있는 소수성 고체 입자들을 형성한다. 상기 방법은 부유선광 컬럼에서 작동하고, 입자상 오염 물질들은 넘침(overflow) 또는 흡입에 의해 쉽게 처리될 수 있는 거품 농축물로 회수된다.

본 발명의 부유선광 거품은 많은 양의 젖은 토양이 시간당 수백 톤의 산업 처리 유량으로 처리될 수 있게 한다. 두 가지 시나리오가 가능하다:

- 토양이 굴착되고, 전용 부유선광 유닛으로 처리됨;

- 무거운 굴착 조작을 피하기 위하여, 인 시투 석호(lagoons) 또는 쌀 경작지(rice field) 진흙을 펌핑 및 직접 처리할 수 있는 이동가능한 부유선광 유닛, 비-부유된 토양은 재사용됨 .

흥미롭게도, 본 발명에 따른 처리 방법은 어떠한 방사성 핵종, 특히, 토양 내에서, 젖은 점토 입자들의 엽면간(interfoliar) 공간 내에 부식 물질 및/또는 하이브리드 점토-부식 복합체 내에 착화된, 임의의 포집된 방사성 핵종에 일반적으로 적용 가능하다.

따라서, 본 발명은 분산된 공기 부유선광 거품에 의해 방사성 핵종을 분리하는 적어도 하나의 단계를 포함하는, 적어도 하나의 방사성 핵종에 의해 오염된 토양을 처리하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 상기 토양 및 적어도 하나의 콜렉터를 포함하는 현탁액내로 기포(air bubbles)를 불어 넣음으로써 제조되는 분산된 공기 부유선광 거품에 의해 상기 방사성 핵종을 분리하는 적어도 하나의 단계를 포함하는, 적어도 하나의 방사성 핵종에 의해 오염된 토양을 처리하는 것과 관련된다.

본 발명의 범위 내에서, "오염된 토양을 처리하기 위한 방법"은 토양 내 상당한 양의 방사성 핵종 감소 및 상기 토양 내 상기 방사성 핵종의 완전한 제거 모두를 의미한다. 토양에 존재하는 상당한 양의 방사성 핵종을 감소시키는 것은 본 발명에 따른 방법을 실시한 후에, 토양 방사성 핵종의 초기량, 즉 본 발명에 따른 방법의 실시 전보다 낮은 적어도 하나의 방사성 핵종의 양을 갖는 토양을 생성하는 것으로 이루어진다. "더 낮은 양"은 적어도 50% 미만, 특히 적어도 70% 미만, 특히 적어도 90% 미만 및 보다 구체적으로 적어도 95% 미만의 양을 의미한다.

방사성 핵종의 양은 오염된 토양 또는 처리된 토양에서 방출되는 감마선으로 인한 표면 활성(오염된 토양 또는 처리된 토양의 Bq/m²)의 측정에 의해, 토양 중 질량 활성(mass activity)의 측정에 의해(오염된 토양 또는 처리된 토양의 Bq/kg) 또는 최종적으로 주변 도스 유량(μSv/h)의 측정에 의해 나타낼 수 있다. 바람직하게는, 방사성 핵종의 양은 오염된 토양 또는 처리된 토양의 Bq/kg으로 표시되는 토양에서의 질량 활성의 측정에 의해 결정된다.

"분산된 공기 부유선광 거품에 의해"는 적어도 하나의 방사성 핵종에 의해 오염된 토양에서 얻어진 액체 매스(liquid mass) 내에 수 마이크로미터에서 수 밀리미터 범위일 수 있는 직경을 가진 기포들을 불어넣는 것으로 이루어지는 방법을 의미한다.

"오염된 토양"은 토양에서의 통상적인 양보다 더 많은 양으로 존재하는, 자연 발생된 것이 아닌 적어도 하나의 방사성 핵종을 포함하는 토양을 의미한다. 이러한 오염은 방사성 핵종을 사용하는 산업, 의료 또는 연구 활동으로부터, 또는 상기 방사성 핵종이 유출되는 방사능 낙진에 의한 우연한 유출이나 화재와 같은 사건또는 사고로부터 나타날 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 따라 처리된 오염된 토양은 재배 토지, 경작지, 산업 대지에서 얻어진 토양, 또는 도시 대지에서 얻어진 토양일 수 있다.

이미 설명한 바와 같이, 오염된 토양에서 제거될 방사성 핵종은 토양내에서 부식 물질 및/또는 하이브리드 점토-부식 복합체 내부에 착화된, 토양 내의 젖은 점토 입자의 엽면간 공간 내에 포집된 어떤 방사성 핵종일 수 있다.

바람직하게는, 상기 방사성 핵종은 트리튬 ³H; 카본 ¹⁴C; 스트론튬 ⁹⁰Sr; 이트륨 ⁹⁰Y; 세슘 ¹³⁷Cs; 바륨 ^{137 m}Ba; 아메리슘 ²⁴¹Am; 토륨 232류의 방사성 핵종 및 우라늄 238류의 방사성 핵종으로 이루어지는 군으로부터 선택된다.

특히, 상기 방사성 핵종은 ³H, ¹⁴C, ⁹⁰Sr, ⁹⁰Y, ¹³⁷Cs, ¹³⁷mBa, ²⁴¹Am, ²³²Th, ²²⁸Ra, ²²⁸Ac, ²²⁸Th, ²²⁴Ra, ²²⁰Rn, ²¹⁶Po, ²¹²Pb, ²¹²Bi, ²⁰⁸Tl, ²¹²Po, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁸Po, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi, ²¹⁴Po, ²¹⁰Pb, ²¹⁰Bi 및 ²¹⁰Po으로 이루어진 군 중에서 선택된다.

보다 구체적으로, 본 발명의 방법에 따라 오염된 토양에서 제거될 방사성 핵종은 세슘 ¹³⁷Cs이다.

본 발명에 따른 처리 및 오염 제거 방법은 처리될 토양을 불연속적으로 공급하는 배치(batch) 공정 또는 연속 공정일 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 다음으로 이루어지는 단계들을 포함한다:

a) 토양 및 적어도 하나의 콜렉터를 포함하는 현탁액 내로 기포들을 주입함으로써 거품을 생성하는 단계;

b) 잔여 현탁액으로부터 상기 거품의 적어도 일부를 분리하는 단계.

본 발명에 따른 방법은 통상의 기술자에게 공지된 임의의 시스템에서 구현될 수 있으며, 통상적으로 부유선광 컬럼(column) 또는 부유선광 셀(cell)과 같은 부유 방법에 의해 사용된다. 정의에 의하면, 부유선광 셀은 환기 교반기(ventilated stirrers)를 구비한 반응기인 반면, 부유선광 컬럼은 공기 주입기를 갖는다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 1m 내지 8m의 높이를 갖는 부유선광 컬럼(또는 셀)으로 구현된다.

따라서, 단계 (a)에서 구현되는 현탁액은 처리될 토양, 적어도 하나의 콜렉터 및 물을 포함한다. 바람직하게는, 상기 현탁액은 다음을 포함한다:

- 현탁액의 총 중량을 기준으로 2~40중량% 및 바람직하게는 10~30중량%의 처리될 토양;

- 현탁액의 총 중량을 기준으로 0.005~5중량% 및 바람직하게는 0.01~2중량%의 적어도 하나의 콜렉터; 및

- 물.

또한, 상기 현탁액은 부유선광 분야에서 ≪슬러리≫로서 알려져 있다.

본 발명의 범위 내에서, "콜렉터(collector)"는 적어도 하나의 탄화수소 사슬 및 극성 헤드를 갖는 계면활성제를 의미하고, 사실상, 슬러리에 주입된 기포의 공기-물 경계면에 위치한다. 콜렉터는 현탁액의 부양성 고체 입자들과 기포들 사이의 접착을 일으킬 수 있다. 보다 구체적으로, 콜렉터는 고체 입자들을 더 소수성으로 만들 수 있고, 이로써 고체 입자들이 액상보다 기상에 대해 더 친화력을 갖게 하므로써, 상기 고체 입자들은 부유할 수 있게 된다. 또한, 콜렉터는 부유성 고체 입자들 끼리를 응집시킬 수 있다.

"부유성(floatable) 고체 입자들"은 미네랄, 유기 또는 유기 미네랄 특성을 갖고, 특히 Sysmex FPIA-3000과 같은 FPIA 장치로 측정된 입자의 직경이 150μm 미만, 특히 100μm미만, 더 바람직하게는 50μm미만이며, 콜렉터에 의하여 상기 입자들이 부유가능하게 된다. 이러한 입자들은 방사성 핵종(들)이 제거되도록 포집한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법에서 형성된 기포들은 그러한 부유성 고체 입자들에 의해 둘러싸여 진다.

본 발명의 범위 내에서, 상기 콜렉터는 발포 활성(foaming activity)을 가질 수 있다. 또는, 상기 콜렉터는 어떠한 발포 활성도 갖지 않는다.

본 발명의 범위 내에서, 상기 콜렉터는 지방산, 지방산 염 및 양이온성 계면활성제로부터 유리하게 선택된다.

지방산은 화학식 R₁COOH(R₁은 3 내지 50개의 탄소 원자 및 특히 5 내지 30 개의 탄소 원자를 포함하는 직선형, 고리형 또는 분지형의 알킬 사슬을 나타낸다)를 갖는 "비누" 또는 "지방산 비누"로서 알려진 알킬카르복실산이다. 지방산 염은 화학식 R₂COOX(R₂는 3 내지 50개의 탄소 원자 및 특히 5 내지 30개의 탄소 원자를 포함하는 직선형, 고리형 또는 분지형의 알킬 사슬을 나타내고, X는 금속 및 특히 칼슘, 나트륨 및 칼륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속을 나타낸다)를 갖는 "비누염" 또는 "지방산 비누염"으로 알려진 알킬카르복실레이트이다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서 구현된 현탁액은 지방산 염, 특히 올레산 나트륨이다.

"양이온성 계면 활성제"는 적어도 하나의 탄화수소 사슬과 극성 헤드로 이루어진 계면 활성제를 의미하는데, 상기 계면활성제의 친수성 부분은 양으로 대전되어 있다. 양이온성 계면 활성제는 유리하게는 테트라플루오로보레이트와 같은 보론 유도체 또는 F^-, Br^-, I^- 또는 Cl^-와 같은 할라이드 이온으로부터 특히 선택되는 음이온 카운터이온과 회합된 적어도 하나의 C₄~C₂₂ 지방족 사슬을 갖는 4차 암모늄으로부터 선택된다. 사용가능한 양이온성 계면 활성제로서, 테트라부틸암모늄 클로라이드, 테트라데실암모늄 클로라이드, 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드(TTAB), 지방족 사슬을 갖는 알킬피리디늄 할라이드 및 알킬암모늄 할라이드가 언급될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 범위 내에서 사용가능한 양이온성 계면 활성제는 TTAB이다.

본 발명에 따른 방법의 범위 내에서 구현되는 상기 현탁액은 단일 콜렉터 또는 단일 타입의 콜렉터에 속하는 적어도 두 개의 상이한 콜렉터의 혼합물을 포함할 수 있다. 다시 말해, 상기 적어도 두 개의 콜렉터는 지방산 및 그 염으로부터 선택되거나 양이온성 계면 활성제로부터 선택된다. 택일적으로, 상기 적어도 두 개의 콜렉터는 두 개의 상이한 타입의 콜렉터에 속한다. 본 발명에 따른 방법의 범위 내에서 구현된 상기 현탁액이 적어도 두 개의 상이한 콜렉터의 혼합물을 포함하는 경우, 콜렉터의 총 중량은 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 0.005 내지 5중량%이고, 0.01 내지 2중량%이다.

본 발명의 범위 내에서, 처리될 토양을 2 내지 40중량% 및 특히 10 내지 30중량% 포함하는 현탁액을 제조하는데 사용되는 물은 어떠한 타입의 물이라도 가능하다. 바람직하게는, 물은 삼투수, 증류수, 해수, 용수, 하천수, 연못물, 논물, 공업용수, 식수 시스템으로부터의 물 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 보다 구체적으로, 물은 공업용수 또는 식수 시스템으로부터의 물이다. 본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서 구현된 현탁액에 있어서, 물은 처리될 토양이 포함할 수 있는 물과 혼합된다는 점에 주목해야 한다.

본 발명의 범위 내에서 구현된 현탁액은 콜렉터 이외에 적어도 하나의 다른 성분들을 포함할 수 있으며, 특히 적어도 하나의 다른 계면활성제를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명은, 앞서 정의된 바와 같은 단계 (a)에서 구현된 현탁액에 존재하는 콜렉터에 적어도 하나의 발포성 계면활성제 첨가를 고려한다. 본 발명의 특정 구체예에 있어서, 적어도 하나의 발포성 계면활성제는 적어도 하나의 지방산 또는 지방산 염 타입 콜렉터에 첨가된다.

본 발명의 범위 내에서 상기 발포성 계면활성제는 비-이온(또는 중성) 또는 양쪽성의 발포성 계면활성제일 수 있다.

"비-이온성(또는 중성) 계면활성제"는 질소와 산소와 같은 헤테로원자를 포함하며, 알코올, 에테르, 에스테르 또는 심지어 아미드와 같은 전하를 갖지 않는 작용기에 의해 제공되는, 특히 친수성인 표면 활성 특성을 갖는 화합물을 의미한다. 이들 작용기의 낮은 친수성 기여로 인해, 비-이온성 표면 활성 화합물은 대부분 다기능적이다. 발포 비-이온성 계면활성제는, 특히 알킬폴리글루코사이드(APG) 또는 알킬폴리에테르글루코사이드(APEG)류 또는 에톡실화된 알코올류에서 선택된다. 알킬폴리(에테르)글루코사이드는 천연 포도당으로부터 유래되고, 바람직하게는 생분해성이다. 이러한 계면활성제의 예로서, SEPPIC 사에 의해 판매되는 계면활성제 Oramix CG-110(상표) 및 GOGNIS 사에 의해 판매되는 Glucopon 215(상표)를 들 수 있다.

"양쪽성 계면활성제"는 그것이 위치되는 매질에 따라 산 또는 염기 모두로 작용하는 화합물을 의미한다. 발포 양쪽성 계면활성제는 특히 SEPPIC에 의해 판매되는 Amonyl 675 SB(상표)와 같은 설포베타인 또는 알킬아미도프로필하이드록시설포베타인류 또는 Akozo Nobel 사에 의해 판매되는 코코디메틸아민 옥사이드인 Aromox MCD-W(상표)와 같은 아민-옥사이드류로부터 선택된다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 방법의 단계 (a)의 범위 내에서 구현된 현탁액은, 이전에 정의된 바와 같은 콜렉터 이외에, 폴리알킬글루코사이드, 설포베타인, 에톡시화 알코올 및 아민 옥사이드로부터 선택되는 적어도 하나의 발포성 계면활성제를 포함할 수 있다.

상기 현탁액이 콜렉터 이외에 적어도 하나의 발포성 계면활성제를 포함하는 경우, 이전에 정의한 바와 같이, 그것은 단일의 발포성 계면활성제 또는 몇몇 다른 발포성 계면활성제들을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서 구현된 현탁액에서, 발포성 계면활성제(들)의 총량은 현탁액의 총중량을 기준으로 0.005 내지 1중량%, 특히 0.01 내지 0.5중량%로 존재한다.

본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서 구현된 현탁액은, 특히 처리될 토양의 특성, 사용된 콜렉터 및 선택적으로 사용된 발포성 계면활성제에 따라 다른 방법으로 제조될 수 있다.

제 1의 구체예에 있어서, 적어도 하나의 방사선 핵종에 의해 오염된 토양이 굴착된다. 일단 토양이 굴착되면, 상기 현탁액의 총중량을 기준으로 2 내지 40중량% 및 특히 10 내지 30중량%의 처리될 토양을 포함하는 현탁액을 수득하기 위해서, 굴착된 토양은 부유선광 컬럼(또는 셀)내로 도입되어, 이미 도입되어 있거나 굴착된 토양과 동시에 도입되거나 또는 이후에 도입되는 물과 접촉된다.

제 2의 구체예에 있어서, 오염된 토양은 펌핑된다. 본 구체예는 처리될 토양에 물이 풍부한 경우에 특히 적합하고, 특히 처리될 토양이 수거될 논 또는 처리될 토양이 모여있는 자연 석호로부터의 토양의 처리에 적합하다. 처리될 토양은, 특히 펌핑된 물질의 중량을 기준으로 20 내지 50중량%의 농도로 직접 펌핑되어, 부유선광 컬럼(또는 셀)에 도입되고, 현탁액의 총 중량을 기준으로 2 내지 40중량% 및 특히 10 내지 30중량%의 처리될 토양을 포함하는 현탁액을 수득하기 위해서, 이미 도입되어 존재하거나, 처리될 토양과 동시에 도입되거나 또는 이후에 도입되는 물과 접촉된다.

처리될 오염 토양이 굴착 또는 펌핑되는 경우에, 그것은 회수되는 흙의 표층이다. 바람직하게는, 이러한 표층은 흙 표면으로부터 첫번째 15cm, 특히 첫번째 10cm 및 특히, 첫번째 5cm를 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 연속적인 처리 방법을 위하여, 처리될 오염 토양이 굴착 또는 펌핑되는지에 관계없이, 처리될 토양의 현탁액으로의 도입 유량은 부유선광 컬럼(또는 셀) 치수에 따라 1 내지 2000m³/h이다.

마지막으로, 처리될 오염 토양이 굴착 또는 펌핑되는지에 관계없이, 그로부터 300μm 초과의 직경을 갖는 돌, 자갈 및 입자들과 같은 미네랄 및/또는 유기 화합물들을 제거하기 위하여, 처리될 오염 토양은 사전 처리 단계에 적용될 수 있다. 이러한 전처리는 하이드로사이클로닝(hydrocycloning) 또는 시빙(sieving)일 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서 구현된 현탁액이 이전에 정의된 바와 같이 단지 하나의 콜렉터만 포함하는 경우, 상기 콜렉터는 처리될 토양이 물과 혼합된 후에 현탁액에 도입되거나, 처리될 토양과 물이 혼합되기 이전에 물에 존재할 수 있다. 처리될 토양이 물과 혼합된 후에, 콜렉터가 현탁액에 도입되는 경우, 이러한 도입은 기포의 주입 이전에 행해지거나 또는 기포의 주입과 동시에 행해질 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서 구현된 현탁액이 적어도 두개의 콜렉터 또는 적어도 하나의 콜렉터 및 적어도 하나의 발포성 계면활성제를 포함하는 경우, 이들 다른 구성 성분들은 현탁액에 그룹으로 동시에 또는 차례로 도입될 수 있다.상기에서 고려된 바와 같이, 상기 성분들의 각각은 처리될 토양이 물과 혼합된 후에 현탁액에 도입되거나, 또는 처리될 토양이 물과 혼합되기 이전에 물에 이미 존재할 수 있다. 처리될 토양이 물과 혼합된 후에, 상기 성분이 현탁액내로 도입되는 경우, 이러한 도입은 기포를 주입하기 이전에 행해지거나 또는 기포의 주입과 동시에 행해질 수 있다. 또한, 제 1의 성분을 현탁액내로 도입한 다음 기포를 주입하고, 제 2의 성분을 도입하기 위하여 기포 주입을 멈춘 다음 기포를 재주입하는 것도 고려될 수 있다.

본 발명 범위 내에서, 단계 (a)에서 주입되거나 불어넣어진 기포들의 평균 직경은, 유리하게는 100㎛ 내지 6mm, 더 바람직하게는 200㎛ 내지 4mm 및 더욱 바람직하게는 1mm 내지 2mm이다.

전형적으로, 단계 (a)에서 주입된 기포들의 상승 속도는 5 내지 80cm·s^-1, 바람직하게는 10 내지 50cm·s^-1, 및 더 바람직하게는 20cm·s^-1 수준, 즉 20cm·s^-1± 5cm·s^{- 1}순이다.

본 발명에 따른 방법의 단계 (a)에서, 기포들은 부유선광 컬럼(또는 셀)의 하단(bottom)에 위치하는 터빈에 의해 또는 벤츄리(venturi) 효과 주입 노즐들에 의해 기계적으로 분산된 공기를 도입함으로써 형성된다.

부유선광 컬럼(또는 셀)이 1m 내지 8m의 높이를 갖는 경우, 단계 (a)에서 제조되는 거품의 높이는 30cm 내지 600cm, 특히 80cm 내지 400cm이다.

본 발명에 따른 방법의 단계 (b)에서, 입자들이 풍부한 거품 및 따라서 컬럼(또는 셀) 상부(top)의 방사성 핵종이 풍부한 거품은 흡입 또는 넘침에 의하여 잔여 현탁액으로부터 분리된다. 따라서, 부유선광 컬럼의 상부는 흡인 또는 넘침에 의한 거품 회수 시스템을 갖추고 있는 것이 유리하다.

실제로, 오염된 토양 입자들은 컬럼 상부에서 부유선광법을 통해 5% 미만의 물, 특히 4% 미만의 물, 더욱 특별하게는 2% 미만의 물을 함유하는 거품 농축물내에 함유되어 회수된다. 이렇게 회수된 거품 농축물은 콜렉터(들) 및 선택적으로 발포성 계면활성제(들)의 잔량을 제거하기 위하여 물로 세척될 수 있거나, 또는 물로 세척되지 않을 수 있고, 방사성 폐기물 형태의 처리 목적으로 개방 공기에서 건조되거나, 시멘트로 직접적으로 처리될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 구현 후, 적어도 10 질량 농도 계수(mass concentration factor)를 가지며, 10 내지 200의 오염 제거 계수가 획득되는 것이 가능하다.

방사성 핵종(들)이 없는 잔여 현탁액은 회수되어, 콜렉터(들) 및 선택적으로 발포 계면 활성제(들)의 흔적을 제거하기 위해 물로 선택적으로 세척되고, 재순환되기 전, 특히 자연 상태로 되돌려지기 전에 선택적으로 건조된다. 부유선광 컬럼(또는 셀)의 하부는 50μm이상, 특히 50 내지 300μm 직경의 굵은 비-부유된 토양(입자들)이 재순환되는 것을 제거하기 위하여, 불연속 또는 연속적인 침전 드레인이 구비되는 것이 유리하다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법을 구현하여 수득되는, 다음을 포함하는 토양 현탁액으로부터의 거품에 관한 것이다:

- 현탁액의 총 중량을 기준으로 2~40중량% 및 바람직하게는 10~30중량%의 처리될 토양;

- 현탁액의 총 중량을 기준으로 0.005~5중량% 및 바람직하게는 0.01~2중량%의 적어도 하나의 콜렉터; 및

-물.

구현된 현탁액에 함유되는 성분들 및 특히 콜렉터 및 임의의 적어도 하나의 발포성 계면활성제에 관련된 사항, 및 거품의 특징들 및 특성들과 관련하여 상기에서 언급한 모든 사항들은 본 발명에 따른 부유선광 거품에도 또한 적용 가능하다.

첨부된 도면을 참조하여, 예시적이고 비제한적인 목적으로 아래에 주어진 실시예를 통하여 본 발명의 추가적인 특징들 및 장점들이 당업자에게 나타날 것이다.

도 1은 실험실 규모에서 컬럼 부유선광 원리를 도식화한 것이다.
도 2는 개수 분포 가중(number distribution wighting)(도 2A, 2C 및 2E) 및 표면 분포 가중(도 2B, 2D 및 도2F)과 함께 샘플 A(도 2A 및 2B), 샘플 B(도 2C 및 2D 및 샘플 C(도 2E 및 2F) 대한 입자 크기 분포를 나타낸다.
도 3은 개수 분포 가중(도 3A 및 3C) 및 표면 분포 가중(도 3B 및 3D)과 함께 올레산염(oleate)이 없는 샘플 A(도 3A 및 3B)에 대하여 샘플 A(도 3C 및 3D)에서의 입자 크기 분포에 대한 올레산염의 첨가 효과를 나타낸다.
도 4는 샘플 A로부터의 토양 또는 샘플 C로부터의 토양 20g/L의 현탁액의, TTAB 농도의 함수로서의 제타 전위를 나타낸다.

Ⅰ. 배치 셀( batch cell )에서의 본 발명에 따른 방법.

오염된 흙의 방사성 핵종 오염 제거를 목적으로, 실험실 규모에서 부유될 440g의 토양에 대해, 토양 샘플의 부유 능력 및 다른 특성들을 확인하였다.

I.1. 토양 샘플.

샘플은 카마르그(논 토양, 이하, 샘플 A로 명명), 마르쿨(로즈마리 토양, 이하, 샘플 B로 명명), 그르노블(채소 토양, 이하, 샘플 C로 명명)의 3개의 다른 토양에서 채취하였다. 샘플 A 및 B는 표층에서 채취한 반면, 샘플 C는 수 센티미터 두께에서 채취하였다.

상기 샘플들은 필요한 경우, 2mm 메쉬 개구(mesh opening)로 체질(sieve)하는 사전 체질 후, 물에 현탁된다. 사전 수동 연삭은 수행할 필요가 없다.

5분 동안 3000rpm의 회전 속도에서 사용되는 Lhomargy 분산기로, 150g/l 토양현탁액을 제조하는 것이 가능하다.

도 1은 실험실에서 토양의 처리에 사용된 부유선광 컬럼을, 넘침에 의한 거품 농축물의 회수 모양과 함께, 도식화하여 나타낸 도면이다. 부유 원리에 따라, 콜렉터가 첨가되고, 처리될 용액 또는 처리될 현탁액(물 중의 토양)에 기포를 불어넣는다.

부유(크기 및 표면 전하)에 영향을 줄 수 있는 현탁액의 물리 화학적 특성들이 확인되었다(하기 표 1).

표 1: 부유선광 연구용 샘플

연구를 위해 선택한 샘플은 70~84%의 다양한 고형분 함량을 갖는데, 상기 고형분 함량은 식수 시스템으로부터의 물에 약 6%로 현탁한 후, pH 약 7.5 정도에서, 425℃에서의 소각처리하여 확인되었다.

샘플들은 입자 크기의 관점에서 매우 상이한 특성들을 갖는다: 샘플 C는 가장 낮은 비율의 굵은 비-부유 입자들(> 180μm)을 갖고, 샘플 A 및 샘플 B가 그 뒤를 잇는다.

샘플들은 매우 불균일하기 때문에, 소위 "부유가능한" 부분, 즉 입자 < 180μm에 대해, 평균 크기(직경)가 예시적으로 주어지고, 180μm에서 사전 체질된 각 샘플의 크기 분포(Sysmex FPIA-3000와 같은 FPIA 장치로 측정)는 도 2에 나타낸다.

300μS/cm의 전도도를 갖는 액체 매질에서 수행된 제타 전위 측정에 관해서,입자들은 약한 음 표면 전하를 갖는다: 샘플 C가 가장 음이온성이고, 샘플 B 및 샘플 A가 차례로 그 뒤를 잇는다.

I.2. 부유선광 테스트.

선택된 절차에 따라 현탁된 선별된 샘플들은, 상기 샘플들이 선험적으로 부유할 수 있게 하는 특성들을 가진다.

평균 크기와 표면 전하를 고려할 때, 부유선광을 위한 컬렉터의 사용을 권장한다: 테스트는 기존의 탈잉크 처리 콜렉터(칼슘 올레에이트) 또는 특정 양이온성 계면활성제로 수행된다.

부유는, 실온에서 22L 부피의 20g/L 현탁액에 대해 배치방식으로, Voith 사의 분산 공기 셀을 사용하여 수행된다. 지속 시간은 다양한데, 결과 부분에서 설정될 것이다.

공기는 부유 셀 하단에 위치한 터빈을 통해 기계적으로 도입되고, 거품은 넘침에 의해 제거된다.

샘플들은 부유선광 시작 전(샘플 EF = 부유선광 주입구), 처리 종료시(샘플 PF = 부유선광 처리가 수행된 부유선광 <<페이스트>>) 및 거품(F)으로 수거된다.

취해진 샘플들은 초기 샘플(고형분 함량, 유기 물질, 입자 크기, 제타 전위)을 특성화하는 데 사용되는 것과 동일한 측정방법들로 특성화된다. 부유선광 수율은 처리된 물질에 대한 거부된 물질의 양으로 계산된다.

사용된 부유선광 표면 활성 첨가제는 다음으로부터 선택된다:

- 18의 친수성/소수성 발란스(HLB)를 갖는 음이온성 계면활성제인 화학식 C₁₇H₃₃-COONa의 소듐 올레에이트;

- 18의 HLB를 갖는 비-이온성 계면활성제인, 화학식 C₁₈H₃₇-C(OCH₂CH₂)_nOH (n은 약 100)의 Brij S-100;

- 비-이온성 계면활성제인, 화학식 H-(C₆H₁₀O₅)_n-O-C_XH_{2X +1}(6<ㅌ<8 및 1<n<5)의 Glucopon^®;

- 양이온성 계면 활성제인 화학식 CH₃(CH₂)₁₃N(Br)(CH₃)₃의 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드(TTAB).

I.3. 결 과 .

수행된 실험은 하기 표 2에 나열된다.

표 2: 수행된 부유선광 (* = CsCl 으로 오염된 샘플들)

수행된 테스트에서, 소듐 올레에이트 1%(20g/L 토양 입자들의 현탁액에 대한 질량 퍼센트), 60% 용액으로 Glucopon^® 1g 및 0.7% TTAB(20g/L 토양 입자들의 현탁액에 대한 질량 퍼센트)가 첨가된다.

첫 번째 테스트(부유선광 참조번호 1)는 선택된 발포제(Brij S-100)가 넘침에 의해 제거될 거품을 형성하는데 충분하지 않은 것을 보여준다. 한편, 물 중의 Ca²⁺ 이온과 함께 칼슘 올레에이트로서 침전하는 소듐 올레에이트의 첨가는 입자들에 의해 안정화된 거품의 형성을 초래하고, 상기 거품은 빠르게 제거된다. 그 후, 시스템이 다시 초기 상태로 되돌아 간다.

형성된 거품 높이를 증가시킬 목적으로, 효율적인 발포제인 Glucopon^®(알킬폴리글루코사이드)이 사용된다: 그 결과, 수 센티미터 높이의 거품이 형성되고, 넘침에 의해 제거될 수 있다. 그러나, 상기 거품은 매우 높은 물 분율을 가지므로, 빠르게 배수되어, 입자들내에 로딩되는 양이 적은 것으로 보인다. 다음 테스트(부유선광 참조번호 2)는 실질적인 작업의 변화없이 상기 발포제(Glucopon^®) 및 콜렉터(올레에이트)의 첨가 순서를 반대로 하여 수행된다.

따라서, 다음 테스트들은 먼저 올레에이트 및 다음으로 Glucopon^®을 도입한후 샘플링하는 것에 의하여 수행된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 첫 번째 주목할 만한 효과는 올레에이트의 첨가가 입자들의 응집을 결정한다는 것이다. 이러한 경향은 또한 평균값을 분석한 결과에서도 나타난다(하기 표 3).

표 3

이러한 수집 효과는 거품내에 농축되어 있는 입자들을 3.8% 제거하는 결과를 야기한다(100g/L vs 초기 현탁액의 14g/L). 거품 조성물을 분석한 결과, 또한 유기 물질들이 우선적으로 제거된 것으로 보인다(유기물: 17% vs 초기 현탁액의 8%).

결과적으로, 상기 시스템은 올레에이트 도입에 강한 반응성을 나타내는 것 으로 여겨진다. 그러나, 형성된 거품은 빠르게 제거되고, 그 다음 발포제 Glucopon^®의 도입없이, 추가적으로 물질을 제거하는 것은 더이상 불가능하다.

Glucopon^®을 첨가하면, 미세한 거품이 충분히 형성되고, 올레에이트의 존재하에 형성된 것과 같은 입자 거품이 상부에 위치된다. 따라서, 이러한 효과는 거품이 점차 적어지고, 입자들내에 로딩되는 양이 적어질 때까지(초기 현탁액 농도에 대하여 30g/L에서 9g/L로 변경), 추가량의 물질의 부유선광을 야기한다. 이러한 현상은, 크기 측정에 의해 강조된 바와 같이, 입자들에 대한 Glucopon^® 분산 효과에 의해 설명될 수 있다(하기 표 4).

표 4

최종 수율 즉, 부유선광에 의해 제거된 입자들의 양은 10.2%이다.

거품을 취한 후, 시스템은 더 이상 거품을 형성하지 않는 반면, 두 번째 Glucopon^® 첨가로 미세한 거품이 다시 획득될 수 있고, 상기 거품은 매우 습윤하여 입자들내에 적은 양으로 로딩되고, 따라서 입자들은 선택적으로 제거되지 않고, 유압 공유(hydraulic share)를 통해 제거된다.

또한, Glucopon^® 분산 효과는 올레에이트 없이 수행한 테스트(부유선광 참조번호 4)에 의해서도 확인되었다. 이 경우, 입자들의 제거는 유압 공유에 의해서만 이루어진다(거품 농도 g/L = 초기 현탁액 농도).

결과적으로, 올레에이트의 첨가는 입자들의 응집 및 동일한 입자들에 의해 안정화되는 거품에서의 입자 농축에 필요하다고 결론지을 수 있다. 매우 난용성인 칼슘 올레에이트는 기포형성(foaming property)이 없다는 점을 상기해야 한다. 나아가, 이러한 안정화된 거품은 빠르게 없어지기 때문에, 올레에이트와 발포성 계면활성제를 조합하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 올레에이트와 Glucopon^®의 첨가는 토양 샘플 B(부유선광 참조번호 5)로 테스트되고, 콜렉터 응집 및 거품형성 효과가 다시 관찰되었지만, 이러한 타입의 토양에서 처리 효율은 감소되는 것으로 여겨진다(하기 표 5).

표 5: 부유선광 전( EF ); 부유선광 처리 후( PF ) 및 거품(F1, Glucopon ^® 첨가 후 첫 번째 샘플링 및 F2, 두 번째 Glucopon ^® 첨가 후 두번째 샘플링)에서의 현탁액의 농도)

실제로, 입자의 제거는 토양 샘플 B에서 높지만, 거품의 농도를 비교하여 관찰 할 수 있는 바와 같이, 이는 유압 공유 및 높은 물 손실에 주로 기인한다. 따라서, 처리된 토양의 성질이 부유선광 작동 수율에 상당한 영향을 미치는 것으로 보인다.

토양 샘플 B를 대상으로, 두 번째 올레에이트 첨가의 효과를 확인하기 위하여 추가적인 실험이 수행되었고, 올레에이트와 그에 이은 Glucopon^®의 첨가에 의해 형성된 거품이 소멸되었다(부유선광 참조번호 6). 두 번째 올레에이트의 첨가는 입자들의 매우 농축된 거품이 다시 형성되는 것을 가능하게 하였고, 상기 거품은 빠르게 제거됨이 관찰되었다. 이는 부유할 수 있는 물질들이 현탁액에 남아있음을 나타내는 것으로 보인다. 다음으로, 전체 입자 거품이 빠르게 제거되는 것을 가능하게 하는 올레에이트의 비율이 최적화되어야 한다.

초기 현탁액의 180μm 여과 없이, 올레에이트 + Glucopon^®을 이용한 부유선광 테스트(부유선광 참조번호 7)는 입자 크기, 수용물의 농도 및 거품의 측면에서 유사한 결과를 나타내었다. 아마도 굵은 비-부유 입자들의 훨씬 높은 분율의 존재로 인해, 비-여과 샘플의 부유선광은 낮은 수율을 갖는다.

토양 샘플 C에 대하여, 동일한 화학물질들(올레에이트와 Glucopon^®)을 첫번째 생성물에 같은 농도(부유선광 참조번호 8)로 또는 점차 증가되는 양으로 연속적으로 첨가(부유선광 참조번호 9)하여 테스트하였다. 첫 번째 첨가의 결과를 동일한 상황에서의 이전의 테스트들과 비교하면, 토양 샘플 C가 더 농축된 거품(올레에이트 + Glucopon^®)을 제공하지만, 토양 샘플 A와 유사한 수율이라는 점에 주목해야 한다(하기 표 6).

표 6: 부유선광 전( EF ); 부유선광 처리 후( PF ) 및 거품(F1, Glucopon ^® 첨가 후 첫번째 샘플링)에서의 현탁액의 농도

동일한 샘플에서, 동량의 올레에이트와 Glucopon^®을 첨가함으로써, 보다 많은 입자들을 제거할 수 있다(17%의 추출 수율).

그러나, 점차 첨가량을 증가시키면 (첫번째 첨가 = 용량 x; 두번째 첨가 = 용량 2x 및 세번째 첨가 = 용량 3x), 더 농축된 거품들이 수득되고, 최종 30%의 입자들의 제거를 달성할 수 있게 된다.

이러한 결과는 토양의 부유 분율(방법 설명부분에 명시된 현탁 과정에 의함)이 매우 높고, 화학물질들의 최적화가 효과적인 처리에 필수적임을 제시한다.

추가 테스트들은 부유선광 화학물질들을 변경하고, 토양 샘플 C에 대해 양이온성 계면활성제(TTAB)를 사용하여 수행되었다.

첨가량은 육안 관찰과 함께 제타 전위 측정에 의해 결정되는 응집-응결을 위해 요구되는 농도를 확인함으로써 결정되었다.

샘플 C의 입자들이 샘플 B의 입자들보다 더 음으로 대전된 것으로 보이기 때문에, 중화는 낮은 TTAB 농도에서 관찰된다(도 4). 또한, 육안 관찰시, 표면 전하의 중화 전에, 연속적인 침전과 함께 응집이 잘 관찰된다. 따라서, TTAB 농도는 약 1g/L(즉, 토양을 기준으로 0.7질량%)로 설정되도록 결정된다.

토양 샘플 C에 대한 첫 번째 테스트는 존재하는 입자들 중 83%를 제거하는 결과를 나타낸 반면, 토양 샘플 A에서는 약 70 %가 제거된다(하기 표 7).

표 7: 부유선광 전( EF ); 부유선광 처리 후( PF ) 및 거품(F1)의 현탁액의 농도.

제타 전위 측정은, 비-부유 입자들은 양이온성 계면활성제와 작용하지 않은 입자들인 반면, TTAB에 의하여 중화된 표면 전하를 갖는 입자들이 거품에서 다시 보여지는 것을 나타내는 것으로 여겨진다(하기 표 8).

표 8: 제타 전위 값.

양 토양들 간의 결과의 차이는, 토양 샘플 C에 대하여, 계면활성제 효과가 입자크기 측면에서 명확히 나타나지만, 토양 샘플 A의 경우는, 비록 덜 하전되었더라도, 응집 효과는 거의 보이지 않음(비록 분포 그래프를 비교함으로써 확인할 수는 있지만)을 고려함으로써 설명될 수 있을 것이다.

하기 표 9에 토양 샘플의 함수 및 수행된 처리의 함수로서의 입자 크기의 산술적 평균 직경을 요약하였다.

표 9: 입자 크기 값.

I.4. 오염된 토양들에 대한 결과.

동일한 화학물질들이 염화 세슘으로 오염된 세 종류의 토양 샘플 A, B 및 C(부유선광 참조번호 12, 13, 14)에 사용되었다.

결과는 하기 표 10에 요약되어있다. 역시, 토양의 특성은 입자 제거율에 중요한 역할을 하였다(4~67%). 70%(샘플 A) 내지 99%(샘플 C)의 세슘 추출 수율이 측정되었다.

표 10: 오염된 토양의 부유선광.

I.5. 결 론 .

주어진 실시예들은 오염된 토양에 존재하는 다양한 분율의 콜로이드의 제거가능성을 확인하여 준다. 이러한 수율은 샘플 전처리에 따라서도 달라지지만, 부유선광을 위하여 사용된 화학물질들이 가장 중요하다: 지방산 비누(Ca^{2 +} 올레에이트) 타입 콜렉터 또는 양이온성 계면활성제(TTAB)의 사용은 4 내지 80% 범위의 입자 제거 결과를 제공한다.

한편, 부유선광은 유기 콜로이드 물질 및 결과적인 세슘-부식산 복합체의 선택적 제거를 가능하게 한다.

또한, 수행된 테스트들은 처리될 토양의 물리-화학적 특성을 완전히 이해하는 것의 필요성을 제시함으로써, 최종 부유선광 수율에 미치는 흙의 특성의 중요성을 보여준다.

부유선광은 거대 용량(몇 백 m³/시간)을 갖는 연속적인 처리법으로서 매우 유용한 잠재성을 가지며, 이동 가능한 설비로 수행된다. 적절한 화학물질 조성의 개발(콜렉터 단독, 또는 콜렉터 + 발포)은 여전히 주요 요소이고, 토양의 특성 및 세슘 분포에 따라 각각의 흙에 대해 최적화될 수 있다.

II . 연속적 파일럿 규모에 의한 본 발명에 따른 방법.

II.1. 배경 및 목적.

오염된 흙의 오염 제거를 목적으로 토양 샘플의 부유성과 관련된 긍정적인 결과를 얻은 후, 연속적인 방법으로 파일럿 규모의 타당성이 조사되었다. 또한, 파일럿 설비에서 테스트하는 동안, 처리 수율과 관련하여, 콜렉터 및 부유선광 방법의 인자들(기체 흐름 속도, 거품 높이)의 영향을 조사하는 것으로 결정하였다.

II.2. 재료 및 방법.

A. 원료 물질의 특성.

테스트를 위한 토양은, 실험실에서 이전에 연구된 샘플들 중 하나(샘플 C)와 유사한 조성을 갖게 하기 위하여, Grenoble 지역의 원예업자로부터 구매하였다.

실시예 I의 방법에 따라, 약한 기계적 교반으로, 40g/L 농도로 토양을 현탁하였다. 부유선광에 영향을 미칠 것으로 예상되는 현탁액의 물리-화학적 특성(크기 및 표면 전하)을 이미지 분석(Sysmex FPIA-3000 Malvern) 및 전위 측정(SPZ, Mutek)으로 각각 결정하였다.

B. 실험실 부유선광.

실험실에서의 사전 테스트는 실시예 I의 연구 결과와의 비교 및 콜렉터의 적절한 비율을 선택하기 위하여 수행되었다. 샘플을 준비하고, 이들을 특성화시키기 위하여, 그리고 부유선광을 위하여 수행된 방법은 이전 연구에서 확립된 방법이었다: 즉, Lhomargy 장치(3000rpm, 5분, 146g/L)를 이용하여 2mm 및 180μm 체질로 현탁액 제조; Voith 분산 공기 셀(dispersed air cell)을 이용하여 실온에서 22L 부피의 20g/L 현탁액에 대한 배치 방식의 부유선광.

C. 파일럿.

현탁: 스테인리스 스틸 원 피스(one piece) 로터를 갖는 믹서인 Helico slurrier는 가능한 최대의 일관성으로 물질 순환을 보장한다. 현탁 과정은 확인 테스트 동안 약 570g_dry/L로 수행되었고, 다음으로, 추후 테스트 동안 거의 2.2kg_dry/L로 증가시키는 것이 가능하였다(70% 수준의 질량 농도).

사전-스크리닝(Helipoire): slurrier 작동 후, 오염물이 그리드를 막는 것을 차단할 목적으로 앞쪽에 로터가 배치된 분리 그리드(6mm 구멍)를 포함하는 드레이닝 볼 타입의 거친(coarse) 스크리닝 장치를 이용하여, 거친 오염원을 제거하는 제 1단계가 수행된다.

HD 하이드로사이클론: 부유될 수 있는 것보다 더 큰 밀도와 크기를 갖는 입자들을 제거하기 위하여, 원심 가속도를 발생시키는 소용돌이 유동(vortex flow)의 영향 하에 양쪽 상을 분리하는 하이드로사이클론에 상기 현탁액을 적용한다.

스크린: 하이드로사이클론 후, 스크린을 구성하는, 로터가 장착된 실린더 바스켓의 슬롯들(slots)보다 큰 크기를 갖는 입자들을 분리하기 위하여, 정밀한 스크러빙 단계를 수행하는 관(vessel)을 통하여 상기 현탁액을 통과시킨다. 로터는 슬롯들을 덮을 수 있는 코팅의 형성을 막기 위한 것이다. 이것은 체 표면의 근방에서 회전하는 블레이드를 사용하여 달성된다. 테스트를 위해, 350μm의 슬롯들을 갖는 체가 선택되었다.

부유선광: 다음으로, 2 높이에 위치된 셀 당 2 인젝터를 갖는 Venturi에 의한 공기 주입과 함께, 현탁액을 연속하여 2 부유선광 셀로 주입한다(페이스트의 외부 재순환). 거품의 흡입은 진공 압력에서, "거품 분쇄" 팬에 연결된 흡입 유닛(unit)의 높이를 세팅하여 수행된다. 공급 유량: 1.4m³/h, 40g_dry/L 현탁액. 테스트 과정 동안 다양할 수 있는 나머지 변수들(공기 함량 및 거품의 높이)은 결과 섹션에서 설명될 것이다.

샘플들은 부유선광의 주입구(샘플 EF = 부유선광 주입구), 출구(샘플 FP = 부유선광 처리가 수행된 부유된 "페이스트") 및 거품(F)에서 수집된다.

취해진 샘플들은 초기 샘플들을 특성화하는데 사용된 것과 같은 측정 항목들(고형분, 유기 물질, 입자 크기, 제타 전위)로 특성화된다.

사용된 부유선광 첨가제는 소듐 올레에이트 및 TTAB이다.

II.3. 결 과 .

A. 원료 물질의 특성.

현탁액의 특성은 하기 표 11에 요약되어있다

표 11: 파일럿 부유선광 연구 및 실시예 I의 샘플 C와의 비교를 위한 샘플들

(*: 22.2μS/ cm 및 **: 300μS/ cm ).

파일럿 시설에서 테스트하기 위한 토양은 (이 토양의 농업적 개발에 접합한) 유기 물질 함량이 높다는 것을 제외하고는, 상기 실험실에서 부유선광된 것과 매우 유사한 특징들을 가진다.

식수 시스템으로부터 얻은 물에 현탁한 후의 pH는 약 8이었다.

부유가능한 분획에 대하여, 평균 크기(직경)는 도해하는 방법으로 제시되고, FPIA 장치를 이용한 180μm에서의 사전 체질된 각 샘플의 크기 분포의 측정에 의하여 확인된 바와 같이 샘플들은 서로 매우 이질적이었다.

획득된 지식과 실험실에서의 사전 연구에 따라, 연구된 샘플은 부유가능한 특성들을 갖는 것으로 확인되었다.

토양의 평균 입자 크기 및 이들의 표면 전하와 같은 실시예 I로부터의 결과를 고려하여, 통상의 탈잉크 콜렉터(칼슘 올레에이트) 및 양이온성 계면활성제로 테스트를 수행하였다.

응집-응고되는데 필요한 계면활성제 농도를 정하기 위하여, 육안 관찰과 결합된 제타 전위 측정이 수행되었다. 실제로, 선행 연구 동안, 육안 관찰에 의한 현저한 특징은 표면 전하의 중성화 전에 연속적인 침강에 따른 응집이었다. 따라서, 비-선택적 회수 및 부유선광 효율의 감소를 피하기 위하여, 지나치게 증가된 응집 없이, 입자-계면활성제 상호작용이 발생하는 계면활성제 농도를 결정하는 것이 요구된다.

이러한 이유로, 40g/L 현탁액의 제타 전위가 TTAB/기질 질량비의 함수로서 측정되었다. 얻어진 곡선은 샘플 C에 대해 얻어진 것과 유사하기 때문에, 0.01g/g 계면활성제 분율, 즉 약 0.3g/L(8.9·10^-4M)를 초과하지 않는 것으로 결정되었다.

B. 실험실 부유선광.

시스템의 작동은 샘플 C에 대한 이전 연구 동안 관측된 것과 거의 동일하다. 콜렉터의 첨가는 거품을 안정화시킬 수 있는 응집체의 형성을 초래한다. 상기 응집체는 매우 안정하고, 매우 농축되어 있다. 또한, 제거율도 유사하다: 올레에이트 첨가시 5.6% 제거 대(vs) 이전 테스트들에서 4%, TTAB 첨가시 62.5% 제거 대 이전 테스트에서 83%(다만, 약간 높은 계면활성제/토양 비의 존재하에서 수행됨).

그러므로, 공정의 기간뿐만 아니라, 사용된 콜렉터의 타입 및 농도에 따라 입자 제거율(이 테스트에서 5 내지 60%)을 조절하는 것이 가능하다.

C. 파일럿.

테스트 제 1일차는, 토양 부유선광의 기술적 가능성이 현재 파일럿 설비로 가능한지를 확인하였다. 이 테스트에서는 원료 물질 손실 및 너무 높은 희석을 제한하기 위하여, 슬롯 스크린을 통과시키는 대신에, 250 x 250μm 체를 이용한 체질이 선택되었다.

동일한 경우에서, 올레에이트(NaOl) 효과가 테스트되었다.

제 1일차 동안 얻어진 지표들에 근거하여, (ⅰ) 현탁 농도를 증가시키고, (ⅱ) 350μm 슬롯 스크린을 사용하고, (ⅲ) 부유선광 동안 최대 높이에 대한 흡입 유닛을 세팅하기 위한 제 2차 시리즈가 결정되었다.

제 2차 작동일(3월 14일) 동안, 계면활성제 TTAB가 테스트되었다.

두 테스트의 주요 요소들은 하기 표 12에 나열되어 있다.

표 12: 처리량 및 스크러빙 수율, 제 1일차 ( NaOl ) 및 제 2일차 ( TTAB ).

부유선광 이전의 세정 단계에 의해, 180μm 체질로 실험실에서 결정된 것(21%, 표 11 참조)보다 (약간 낮을지라도) 유사한 제거율이 얻어졌다.

부유선광을 위하여, 공기 속도를 350%로 세팅하였고, 반면에 흡입 단위의 높이를 총 거품 두께에 따라 조절하였다. (부유선광 주입 관에 첨가된) 소듐 올레에이트는 물의 Ca²⁺ 이온과 함께 칼슘 올레에이트로서 침전되고, 다음으로 입자를 수거하고, 이로써 거품이 안정화된다.

입자의 표면 전하는 올레에이트의 존재에 의해 크게 영향을 받지 않고, 부유선광 전후뿐만 아니라, 올레에이트의 첨가 전후의 입자들의 표면전하 값은 원료 물질의 특성화 동안 측정된 값(-18mV)과 동등하다. 그러나, 거품에서 얻어진 측정치들이 약간 더 높은 제타 포텐셜 값(-23mV)을 가지므로, 보다 음이온성인 입자들이 선택적으로 더 수거되었다. 이는, 올레에이트가 보다 음전하를 가지기 때문에, 입자/칼슘 올레에이트 응집체에 적합하다.

실험실 테스트(실시예 Ｉ) 동안 강조되었던 올레에이트에 의하여 유도된 입자 응집은 파이럿 테스트에서는 육안으로 덜 관찰된다: 거품의 평균 입자 크기는 주입구 또는 배출구에서의 입자 크기와 크게 다르지는 않다. 그러나, 크기 분포 분석은 약간의 응집 효과를 보여주었다.

올레에이트로 테스트하는 동안, (주입구, 배출구 및 거품) 흐름이 재순환되고, 거품의 일부가 배출되는 것을 고려하면, 빠른 올레에이트 희석이 가능하고, 이러한 가설은 연속적인 테스트들에 의해 확인될 수 있다.

부유선광 작동 수율에 관하여, 제거율은 6 내지 20%의 범위이다. 본 테스트는 거품이 숙성되는 것을 가능하게 하는 시스템의 필요성을 강조한다. 실제로, 흡입을 차단하고, 중단될 수 있는 거품을 수동으로 취함으로써, 제 1 셀의 거품에 대하여 118g/L 및 제 2셀의 거품에 대하여 88g/L의 고농도를 측정하는 것이 가능하였다.

이러한 결론을 확인하기 위하여, 공급물의 일부(~200L)를 취하여, 부유선광 컬럼의 셀에서 부유선광하는데 연속적으로 사용하였다. 본 테스트는 셀 디자인 이외에, 컬럼 횡단면을 가로지르는, 그리고 조절 가능한 높이를 갖는 흡입 시스템에 의하여 구별된다. 이러한 차이는 83g/L의 거품을 얻는 것을 가능하게 하였다.

이러한 테스트의 다른 흥미로운 결론은 거품은 유기 물질이 풍부하다는 것이며, 이는 점토-부식물 복합체의 선택적인 제거와 일치된다. 이러한 관찰은 이미 이전의 실험실 연구(실시예 Ｉ) 동안 얻어진 것이고, 부유선광이 유기 콜로이드성 물질 및 결과적으로 가능한 부식성 산-Cs 복합체의 선택적인 제거를 가능하게 한다는 결과를 도출할 수 있다.

D. TTAB 를 이용한 부유선광.

본 양이온성 계면활성제는, 부유선광 공급 펌프들 중 하나의 앞쪽에서, 몇 초의 계면활성제/토양 접촉 시간을 결정하는 계량 펌프에 의해 첨가되었다.

펌프들의 전단(shear)과 공기 주입 중의 심한 난류 영역은 토양 입자와 계면활성제의 혼합 및 흡착을 가능하게 한다. 초기 시스템(흡입 유닛의 최대 높이, 공기 속도 350%, 농도 0.1g/L)은 너무 높은 거품 발생을 초래하였다. 이러한 결점을 극복하기 위해, 공기 비율 및 계면활성제 농도를 감소시켰다.

TTAB의 존재하에 형성된 거품은 올레에이트의 존재하에 형성되는 것과는 매우 다른 것이다: 그것은 높은 수분 함량 및 매우 느린 액체 배수성을 갖는 아주 미세한 버블들을 포함하는 것으로 여겨진다. 이 경우, 거품 배수를 늦추고, 거품의 수분 함량을 증가시키는 경향을 크게 향상시킴에 의해, 계면활성제 안정화 효과에 더해 입자들에 의한 안정화가 이루어진다.

테스트된 농도 범위(0.1 및 0.05g/L)에 있어서, 공정의 선택성이 없어지는 결과를 초래할 수 있는 중성화 없이, 표면 전하의 약간의 감소에 의하여, 계면활성제는 입자들과 상호작용한다.

계면활성제의 농도를 감소시킴으로써, 주입구의 제타 전위 값에서 보여지는 효과는 없으나(그러나, 제타 전위는 각 입자의 전하 상태를 평균화하는 포괄적인 파라미터임을 인지하여야 한다), 수거된 입자들은 제타 전위 값이 그들의 초기 전하(-18mV)에 가까운 경향, 즉, 보다 더 음으로 하전되는 경향을 관찰하였다.

제타 전위의 절대값의 낮은 변동에도 불구하고, 크기 측정으로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 응집에 대한 효과는 강하다. 실제로, 평균(표면 측정된) 직경은 15~20μm(TTAB 전)에서 50~60μm(TTAB 후)로 변하기 때문에, 계면활성제의 첨가는 입자 응집을 유도하는 것으로 관찰되었다. 계면활성제 농도의 감소는 크기의 감소(35~40μm)를 유도한다. 어떤 경우이든, 부유 거품에서 발견되는 부유된 입자들은 작은 크기를 갖는다.

제거의 측면에서 얻어진 결과들을 아래 표 13에 요약하였다.

표 13: TTAB 를 이용한 부유선광의 결과, 제거 = FM /( OM + FM ), FM = 거품 질량 및 OM = 배출구 질량

다시 공기 속도 및 콜렉터 농도를 변화시킴으로써, 제거율을 2% 이하로 변화시킬 수 있다.

올레에이트를 이용하여 이미 관찰한 바와 같이, 유기 물질 풍부한 거품이 얻어지므로, 부유선광은 유기 콜로이드성 물질을 선택적으로 제거하는 것으로 보여진다.

II.4. 결 론 .

본 연구는 약 250kg의 토양으로 파일럿 규모에서 검증되는 지속적인 토양 부유선광을 가능하게 하였다.

주요한 변경 없이, 스크러빙(scrubbing) 및 부유선광을 위한 종래의 장치를 사용하여, 상기 실험실에서 얻어진 결과들과 매우 유사한 결과들을 얻는 것이 가능하다.

본 발명의 처리는 토양에 존재하는 다양한 콜로이드 부분, 및 주로 유기 콜로이드를 제거하는 것을 가능하게 함을 확인하였다.

본 발명에 따른 방법의 작업 수율은 (ⅰ) 콜렉터의 타입과 농도, (ⅱ) 공정 변수들(공기 비율, 흡입 유닛 높이 ...)을 다양하게 함으로써 조절될 수 있다.

테스트가 수행되는 동안, 제거율은 2~20%였다.

또한, 테스트는, 다른 고려사항들과 함께, 거품의 숙성을 조절하는데 적합한 시스템에 대한 요구를 강조하고, 이는 토양 부유선광 셀을 위한 가장 적합한 디자인은 셀 횡단면을 통한 흡입 및 다양한 거품 두께를 갖는 셀 컬럼일 수 있음을 제안한다.

[참고문헌]

Claims (22)

1. 부식물질 및/또는 하이브리드 점토-부식 복합체 내에 착화되고, 젖은 점토 입자들의 엽면간 공간 내에 포집된 적어도 하나의 방사성 핵종으로 오염된 토양 및 지방산, 지방산 염 및 양이온성 계면활성제로부터 선택된 적어도 하나의 콜렉터(collector)를 포함하는 현탁액에 기포를 불어넣음으로써 생성되는 분산된 공기 부유선광 거품에 의하여 방사성 핵종(radionuclide)을 분리하는 적어도 하나의 단계를 포함하는, 적어도 하나의 방사성 핵종으로 오염된 토양의 처리 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방사성 핵종은 트리튬 ³H; 카본 ¹⁴C; 스트론튬 ⁹⁰Sr; 이트륨 ⁹⁰Y; 세슘 ¹³⁷Cs; 바륨 ^137mBa; 아메리슘 ²⁴¹Am; 토륨 232류의 방사성 핵종 및 우라늄 238류의 방사성 핵종으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 방사성 핵종은 세슘 ¹³⁷Cs인 것인 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 부유선광 컬럼 또는 부유선광 셀에서 구현되는 것인 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 방법은 다음의 단계들을 포함하는 것인 방법:
   a) 상기 토양 및 적어도 하나의 콜렉터를 포함하는 현탁액 내로 기포를 주입함으로써 거품을 생성하는 단계;
   b) 잔여 현탁액으로부터 상기 거품의 적어도 일부를 분리하는 단계.
6. 제 5항에 있어서, 상기 현탁액은 다음을 포함하는 것인 방법:
   - 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 2~40중량%의 처리될 토양;
   - 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 0.005~5중량%의 적어도 하나의 콜렉터; 및
   - 물.
7. 제 5항에 있어서, 상기 현탁액은 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 10~30중량%의 처리될 토양을 포함하는 것인 방법.
8. 제 5항에 있어서, 상기 현탁액은 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 0.01~2중량%의 적어도 하나의 콜렉터을 포함하는 것인 방법.
9. 삭제
10. 제 5항에 있어서, 상기 콜렉터는 소듐 올레에이트(sodium oleate)인 방법.
11. 제 5항에 있어서, 상기 콜렉터는 테트라데실트리메틸암모늄 브로마이드(TTAB)인 방법.
12. 제 5항에 있어서, 상기 현탁액은, 상기 콜렉터에 추가하여, 적어도 하나의 발포성 계면활성제를 포함하는 것인 방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 발포성 계면활성제는 폴리알킬글리코사이드, 설포베타인, 에톡실화 알코올 및 아민 옥사이드로부터 선택되는 것인 방법.
14. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 방사성 핵종으로 오염된 토양은 굴착 또는 펌핑되는 것인 방법.
15. 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 방사성 핵종으로 오염된 토양은 300μm 보다 큰 직경을 갖는 미네랄 또는 유기 성분들을 상기 토양으로부터 제거하기 위하여 전처리 단계에 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 5항에 있어서, 1m 내지 8m의 높이를 갖는 부유선광 컬럼 (또는 셀)에 대하여, 상기 단계 a)에서 생성된 거품의 높이는 30cm 내지 600cm인 것인 방법.
17. 제 5항에 있어서, 1m 내지 8m의 높이를 갖는 부유선광 컬럼 (또는 셀)에 대하여, 상기 단계 a)에서 생성된 거품의 높이는 80cm 내지 400cm인 것인 방법.
18. 제 5항에 있어서, 상기 단계 b)에서, 컬럼 (또는 셀) 상부에서의 방사성 핵종이 풍부한 거품은 흡입 또는 넘침에 의하여 잔여 현탁액으로부터 분리되는 것인 방법.
19. 다음을 포함하는 토양 현탁액으로부터, 제 1항의 방법에 의하여 수득되는 부유선광 거품:
    - 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 2~40중량%의 부식물질 및/또는 하이브리드 점토-부식 복합체 내부에 착화된, 젖은 점토 입자들의 엽면간 공간 내에 포집된 방사성 핵종 오염물이 처리될 토양;
    - 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 0.005~5중량%의, 지방산, 지방산염 및 양이온성 계면활성제로부터 선택되는 적어도 하나의 콜렉터; 및
    - 물.
20. 제 19항에 있어서, 상기 현탁액은 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 10~30중량%의 처리될 토양을 포함하는 것인 부유선광 거품.
21. 제 19항에 있어서, 상기 현탁액은 상기 현탁액의 총 중량을 기준으로 0.01~2중량%의, 지방산, 지방산염 및 양이온성 계면활성제로부터 선택되는 적어도 하나의 콜렉터를 포함하는 것인 부유선광 거품.
22. 제 19항에 있어서, 상기 현탁액은, 상기 콜렉터에 추가하여, 적어도 하나의 발포성 계면활성제를 포함하는 것인 부유선광 거품.

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