KR102177105B1 - 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물 재생성 장치 및 방법 - Google Patents

산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물 재생성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오염된 물(H2O)의 성분인 특정한 산소동위원소를 전기분해 방식으로 분리하여 자연수(물)를 전기분해한 자연수소와 화학반응시켜 안전한 물로 다시 재생성 시키는 장치와 방법에 관한 것이다.
대기에 0.205% 함유된 경제적 가치가 높은 산소동위원소 18번이 고농축되어 함유된 H2O-18 물이 중수소(heavy hydrogen)나 유해한 방사선 물질인 삼중수소(tritium)에 오염된 방사선 물질로서 재활용이 어려울 때, 이 혼합 오염수(물)를 전기분해하는 분해조 1과 자연수(순수한 물)을 전기분해하는 분해조 2를 작동시켜 각각의 전극에서 추출되는 산소와 수소를 교차 화학 반응시키고 응축시켜 산소동위원소 18번이 다량 포함된 물과 오염수로 재생성시키는 방법과 장치에 관한 것이다.

Description

산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물 재생성 장치 및 방법{Device and method for safe water regeneration containing oxygen isotope 18}
본 발명은 경제적 가치가 있는 산소동위원소를 함유한 안전한 물(H2O)이 어떤 오염물질에 오염되어 활용이 불가능할 때 유효성분인 산소동위원소를 선택적으로 분리하여 안정된 물질인 물로 다시 재생성시키는 장치와 방법에 관한 것이다.
중수소(heavy hydrogen)나 유해한 방사선 물질인 삼중수소(tritium)를 함유한 혼합오염수(물)에 유효한 산소동위원소18번이 있다면 이를 전기분해하는 제1 전기분해조와 증류수(순수, distilled water)를 전기분해하는 제2 전기분해조를 작동시켜 각각의 전극에서 추출되는 산소와 수소를 교차 화학 반응시켜서 중수소나 삼중수소를 함유한 안전한 물의 산소동위원소를 증류수의 수소와 화학 반응시켜서 증류수 수준의 안정된 물로 재생성시키는 장치와 방법에 관한 것이다.
자연계에는 자연적으로 존재하는 안정동위원소들이 존재한다.
원소번호 8번인 산소의 경우 중성자 8개를 포함한 질량수 16번이 대부분인 99.757%를 차지하며, 중성자가 9개인 질량수17번 동위원소가 0.038%, 중성자 10개인 질량수18번 동위원소가 0.205% 존재한다.(위키백과 참조)
안정동위원소들은 영상진단기기의 시료나 생체반응검사의 시료 등 바이오산업의 중요한 원료로 사용되며, 연대측정이나 고고학 등 자연과학 분야에서도 사용된다.
인체의 암을 진단하는 기기 중 가장 정확한 방식인 PET-CT(Positron Emission Tomography Computed Tomography, 양전자 컴퓨터 단층촬영) 같은 영상 진단기기는 진단시약의 원료인 산소동위원소 18번이 98% 이상 고농축된 물을 사용한다.
진단시약의 원료인 산소동위원소 18번이 98% 이상 고농축된 물은 PET-CT 촬영 전에 사이클로트론 같은 기기에서 양성자(수소 원자핵과 동일) 조사를 받아 산소동위원소 18번의 일부가 양성자와 핵 반응을 하여 반감기가 짧은 방사선물질인 불소 18번으로 변환되는데 이를 PET-CT의 진단시약으로 사용한다.
사이클로트론 기기에 의한 조사과정에서 물 속에 소량이나마 인체에 유해한 방사선 물질인 삼중수소가 생성된다.
유해방사선 물질인 삼중수소가 포함된 물(사용 후 오염수)은 이동이 제한되어 재활용이 어려운 문제점이 있다.
또한, 사이클로트론 기기의 운용과정이나 공정에서 여타의 불순물에 오염이 될 수 있는 문제점이 있다.
그러나, 유해방사선 물질인 삼중수소가 포함된 물(영상진단기기에서 사용한 후 오염수)은 대부분이 산소동위원소 18번으로 경제적으로 가치를 가진 물이다.
동위원소는 물리적 화학적 특성이 같으므로 수소동위원소에 의하여 오염된 물은 필터링을 하거나 증류하는 등의 물리적인 방법으로는 정제가 불가능하며 전기분해 등 산소와 수소를 분해하는 과정이 필수이다.
물의 주성분을 이루고 있는 산소의 동위원소들(16번, 17번 및 18번 등)은 모두 본 발명의 기술로 추출 처리할 수 있다.
공개특허공보 제10-2019-0103420호 공개특허공보 제10-2016-0037936호
본 발명이 해결하고자 하는 과제로, PET-CT(Positron Emission Tomography Computed Tomography, 양전자 컴퓨터 단층촬영) 같은 영상 진단기기에 사용되는 진단시약의 원료인 산소동위원소 18번이 98% 이상 고농축된 물은 진단시약인 방사선물질인 불소 18번으로 일부 변환되고, 남은 삼중수소 등 유해한 물질을 포함하고 있는 오염된 물은 대부분 산소동위원소 18번을 포함하고 있으므로 경제적으로 가치가 있는 산소동위원소 18번 물을 재생산하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 당초 오염된 물에 존재하는 산소동위원소 18번(경제적 가치가 있는 물질)을 증류수에 포함된 자연 수소와 반응시켜 삼중수소 등 오염물질이 제거된 안정물질인 H2O-18 물을 생성하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 삼중수소(tritium)를 함유한 혼합오염수를 전기분해하는 제1 전기분해조와 오염되지 아니한 자연수(통상의 물) 또는 증류수(distilled water)를 전기분해하는 제2 전기분해조를 이용하여 전기분해 한 후, 제2 전기분해조의 자연 수소와 오염수에 포함된 산소동위원소 18번을 서로 반응시켜서 응축기를 거쳐서 물로 변환시키면 오염수에서 산소동위원소 18번을 얻을 수 있어서 경제성이 우수하다. 요약하면,
(1) 삼중소수 이외의 물질에 오염된 상태라 하더라도 증류수 수준의 순수로 변환할 수 있어야 한다.
또한, 재료의 이동이나 장비의 가동에 따른 먼지나 배관 내 이물질에 오염된 상태일지라도 별도의 정수과정 없이 순수로 변환되어야 한다.
(2) 전기분해 과정에서 수증기가 공정에 섞이면 순도가 떨어질 우려가 있고 생산성도 저해될 수 있으므로 수증기의 발생과 공정 내 혼입을 최대한 완전하게 차단해야 한다.
특히, 수증기의 분자크기는 공기의 주성분인 질소나 산소의 분자크기와 비슷한 정도로 작아서(두산백과 참조) 물리적인 필터로 막는 것이 어렵기 때문에, 삼중수소에 오염된 물의 수증기가 공정내로 유입되면 최종 결과물에도 삼중수소가 포함될 가능성이 높아지므로 전기분해조의 수증기가 공정내로 혼입되지 못하는 구조를 가진 장치가 필요하다.
(3) 소형이면서, 단순한 구조로 설계 제작이 용이하고, 시설과 유지보수 등의 경제성이 우수할 것 등이다.
본 발명의 과제의 해결 수단으로, 양전자 컴퓨터 단층촬영장치와 같은 영상 진단기기에 사용되는 진단시약의 원료인 산소동위원소 18번이 98% 이상 고농축된 물이 중수소(heavy hydrogen)나 유해한 방사선 물질인 삼중수소(tritium)에 의하여 오염된 경우 이 혼합오염수를 직류전기로 전기분해하는 제1 전기분해조에서 산소동위원소 18번과 오염된 수소(수소, 이중수소, 삼중수소)로 분리하고, 오염되지 아니한 자연수(통상의 물) 또는 증류수(distilled water)를 직류전기로 전기분해하는 제2 전기분해조를 작동시켜 각각의 전극에서 추출되는 자연 산소와 수소를 분리하며, 제1 전기분해조에서 분리된 산소동위원소 18번과 제2 전기분해조를 작동시켜 분리한 자연 수소를 반응시켜서, 산소동위원소 18번을 고농도로 포함하고 있고 안전하며 경제성을 가진 물로 재생성하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 상기의 혼합오염수를 전기분해하는 제1 전기분해조에서 산소동위원소 18번과 오염된 수소(수소, 이중수소, 삼중수소)로 분리하는 단계와, 오염되지 아니한 자연수(통상의 물) 또는 증류수(distilled water)를 전기분해하는 제2 전기분해조를 작동시켜 증류수로부터 각각의 전극에서 추출되는 자연 산소와 수소를 분리하는 단계를 포함하며, 제1 전기분해조에서 분리된 산소동위원소 18번과 제2 전기분해조를 작동시켜 분리한 자연 수소를 반응시키는 단계를 포함하는 산소동위원소 18번을 대부분 포함하는 유용한 물을 생성하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단으로, 상기 제1 전기분해조에서 분리된 산소동위원소 18번과 제2 전기분해조를 작동시켜 분리한 자연 수소를 반응시키는 수단과 단계는 촉매화학 반응기 및/또는 연소기를 사용하여 상기 산소동위원소 18번과 자연 수소를 반응 결합시켜 수증기 상태로 변환시키고, 이를 응축기를 사용하여 냉각시켜 산소동위원소 18번을 대부분 함유한 경제적 가치가 있는 물을 생성시키는 장치 또는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 경제적인 가치가 있는 산소동위원소 18번의 물이 방사선 물질인 인체 유해한 삼중수소가 함유된 물질에 오염이 되면 이동이 제한되고 엄격한 관리 대상 물질이 되나, 본 발명에 따른 방법과 장치를 이용하여 오염수와 자연수를 전기분해하는 2개의 전기분해조를 이용하여 전기분해하여 오염수와 자연수(순수)의 구성 원소들을 치환하므로서 산소동위원소 18번 원소를 방사선오염물질과 완전하게 분리하여 경제적 가치가 있는 안정물질인 물을 얻을 수 있는 상승된 효과가 있다.
또한, 전기분해조의 물이 자연 증발하여 발생하는 수증기가 다음 공정에 섞이게 되면 오염원의 원천차단이 어렵고 순도가 떨어지는 등 부작용이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전기분해조의 동작온도를 섭씨 0℃ 부근까지 냉각시켜 물의 증발량을 최대한 억제하고, 그러하더라도 발생되는 소량의 수증기도 전기분해조의 가스출구에 콜드트랩을 설치하여 물로 환원시켜서 외부로 유출되는 것을 차단하시키므로 오염원을 원천 차단하고 순도가 떨어지는 부작용을 방지할 수 있는 상승된 효과가 있다.
도 1은 전기분해와 화학반응 공정을 가진 18번 산소동위원소 재생성 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 살펴본다.
본 발명은 중수소(heavy hydrogen)나 유해한 방사선 물질인 삼중수소(tritium)를 함유한 혼합오염수를 직류전기로 전기분해하는 제1 전기분해조와 오염되지 아니한 자연수(통상의 물) 또는 증류수(distilled water)를 직류전기로 전기분해하는 제2 전기분해조를 작동시켜 각각의 전극에서 추출되는 산소와 수소를 교차 화학 반응시켜, 즉, 중수소나 삼중수소를 함유한 오염수에 포함된 산소를 자연수 또는 증류수에 포함된 수소와 화학 반응시켜서 증류수 수준의 안정된 물로 재생성시키는 장치와 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 자연계에는 자연적으로 존재하는 안정동위원소들이 존재한다.
원소번호 8번인 산소의 경우에, 중성자 8개를 포함한 질량수 16번이 대부분인 99.757%를 차지하며, 중성자가 9개인 질량수 17번 동위원소가 0.038%, 중성자 10개인 질량수 18번 동위원소가 0.205% 존재한다.(위키백과 참조)
안정동위원소들은 영상진단기기의 시료나 생체반응검사의 시료 등 바이오산업의 중요한 원료로 사용되며, 연대측정이나 고고학 등 자연과학 분야에서도 사용된다.
본 발명과 관련 있는 생체의 정밀한 암 진단에 사용되는 PET-CT의 작동을 보면 다음과 같다.
인체의 암을 진단하는 기기 중 가장 정확한 방식인 PET-CT(Positron Emission Tomography - Computed Tomography, 양전자 컴퓨터 단층촬영) 장치와 같은 영상진단기기의 진단시약의 원료로 사용되는 대기에 0.205% 만 존재하는 산소동위원소 18번이 98%이상 고농축된 물을 사용한다.
산소동위원소 18번이 98%이상 고농축된 물은 PET-CT 촬영 전에 사이클로트론 같은 기기에서 양성자(수소원자핵과 동일)의 조사를 받아서 산소동위원소 18번의 일부가 양성자와 핵 반응을 하여 반감기가 짧은 방사선물질인 불소 18번으로 변환된다.
변환된 방사선물질인 불소 18번을 PET-CT의 진단시약으로 사용한다.
생체에 주입된 불소동위원소 18번의 대사과정을 생체 외부에서 PET-CT 기기를 사용하여 컴퓨터 단층 촬영하여 암 조직을 입체적으로 촬영하는 것이다.
양성자와 핵 반응을 하여 반감기가 짧은 방사선물질인 불소 18번으로 변환하는 과정들에서 물의 구성성분인 수소가 중수소나 삼중수소로 일부 변환되는데 삼중수소는 인체에 유해한 방사능 물질로 그 관리가 특별히 요구되는 물질이다.
즉, 인체 유해한 방사선 물질인 삼중수소가 포함된 오염수는 이동이 제한되어 재활용이 어렵다.
또한, 사이클로트론 기기의 운용과정이나 공정에서 여타의 불순물에 오염이 될 수도 있다.
상기 사이클로트론에 사용되는 원료 H2O-18 물의 양은 소량인데 1회 사용분이 5cc 내외로 적은 양이다.
상기 삼중수소에 오염된 사용 후 물(오염수)의 양이 적고, 1회 발생량도 적으므로 본 발명에서 구현하고자하는 장치는 처리량이 적고 소형으로 설계 제작이 가능하여야 유용하게 사용할 수 있다.
또한, 사이클로트론이 운영되고 있는 방사선 물질 사용허가 구역이 제한적인 공간을 가지는 것을 감안하면, 소형이고 유지보수가 용이하고 편리하도록 장치를 설계 제작하는 것이 바람직하다.
앞서 설명한 양성자와 핵 반응을 하여 반감기가 짧은 방사선물질인 불소 18번을 생성하는 원료로 사용한 물에서 산소동위원소 18번이 대부분 변환되지 않고 남아 있으나, 유해한 삼중수소가 생성된 관계로 방사선폐기물 수준의 물로 취급되고 있다.
본 발명은 삼중수소 등 인체 유해한 물질에 오염된 다량의 산소동위원소 18번이 포함된 오염수와 자연수를 전기분해하고 교차 화학 반응시켜서 경제적으로 가치가 있는 산소동위원소 18번만을 선택적으로 분리하는 방법과 장치이다.
또한, 본 발명은 이러한 방사선 폐기물 수준의 물에서 경제적 가치가 있는 산소동위원소 18번을 일반 증류수의 산소(대부분 질량수 16번)로 치환시켜 삼중수소가 없는 순수한 산소동위원소 18번 물로 재생산하는 방법 및/또는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 산소동위원소 18번 물로 재생산하는 방법 및/또는 장치를 도면에 기초하여 살펴본다.
앞서 기술한 삼중수소와 기타 오염원에 오염된 산소동위원소 18번 물에서 경제적 가치가 있는 산소동위원소 18번만을 전기분해로 분리하여 자연수의 산소(주로 산소동위원소 16번)로 치환하여 오염원이 제거된 산소동위원소 18번이 대부분인 경제성을 가진 물을 얻는 기술적 구성인데, 구체적으로는 산소동위원소 18번이 함유된 오염된 물을 직류전기로 전기분해하는 제1 전기분해조와 자연 산소와 수소로 구성된 자연수나 증류수를 직류전기로 전기분해하는 제2 전기분해조를 동시에 혹은 순차적으로 작동시킨다.
본 발명 명세서 상의 '제1' 및 '제2' 등의 용어는 발명의 용이한 '이해' 또는 '설명'을 위하여 사용한 것이며, 이 기술분야에서 통상의 기술자라면 서로 변경 기재할 수 있으며, '제1' 또는 '제2' 라는 용어를 삭제하여도 동일한 기술적 구성으로 이해할 수 있을 것이다.
각각의 전기분해조에서 발생되는 산소와 수소를 교차 혼합하여 각각을 연소 혹은 화학반응기(촉매 화학반응기)로 수증기 형태의 물(H2O)을 생성시킨 다음, 응축기 등을 이용하여 액체상태의 물로 만드는 것이다.
이 방법은 당초 오염된 물에 존재하는 산소동위원소 18번(경제적 가치가 있는 물질)을 증류수의 자연수소와 반응시켜 삼중수소 등 오염물질이 제거된 안정물질인 H2O-18 물이 만들어지는 것이다.
당초 오염된 물에 있던 삼중수소나 기타 오염물질들은 자연수의 산소(주로 산소동위원소 16번)와 결합하여 동일한 양의 물 형태로 경제적 가치가 없으며 폐기물로 관리된다.
상기 경제적인 가치가 있는 산소동위원소 18번의 물이 방사선 물질인 유해한 삼중수소가 함유된 물질 등에 오염이 되면, 이동이 제한되며 엄격한 관리를 받는 대상이나, 현장에서 본 발명에 따라 설계 제작된 장치를 이용하여 자연수(H2O)의 산소와 1:1로 치환하여 자연수를 H2O-18 물로 변환시켜 최종 결과물로 하면 방사선물질 관리대상에서 벗어나면서 경제적인 가치를 가진 물이 되고 이동이 자유로운 상승된 효과가 있다.
본 발명에 따른 장치에는 전기분해 과정에서 조금의 수증기라도 공정 내로 혼입되지 않도록 하기 위하여 전기분해조의 내부 일측에 온도감지센서를 설치하고, 이와 연동하는 냉각 온도조절장치를 부가하여 제1 전기분해조 냉각부(37) 및 제2 전기분해조 냉각부(37)를 설치할 수 있으며, 각각의 전극에서 발생한 기체의 출구에 콜드트랩(Cold-Trap)(도1의 33 내지 36)을 설치할 수 있다.
수증기의 증기압은 물의 온도에 직접적인 영향을 받는다.
물의 증기압은 섭씨 30℃ 에서 31.8torr, 섭씨 40℃에서 55.4torr이나 섭씨 0℃ 에서는 4.6torr에 불과하다.(위키백과 참조)
즉, 전기분해조의 온도를 섭씨 0℃ 근방까지 냉각하면 증기압이 4.6torr에 불과하므로, 이는 물의 증발량이 상대적으로 줄어드는 결과를 가져온다. 전기분해조의 냉각에는 펠티어(Peltier) 냉각소자 등 통상적인 방법을 사용한다.
도 1에서와 같이, 제1 전기분해조 냉각부(도1의 37)과 제2 전기분해조 냉각부(도1의 38)를 설치할 수도 있다.
섭씨 0℃ 부근에서 증발하는 소량의 수증기(증기압 4.6torr)는 전기분해조의 각각의 가스출구에 설치된 콜드트랩(도1의 33 내지 36)에서 외부 유출을 차단한다.
상기 콜드트랩(도1의 33 내지 36)은 차가운 금속표면 등에 이슬이 맺히는 원리와 같이 전기분해되어 다른 공정으로 이동하는 산소와 수소에 섞여서 나가려는 수증기를 액체상태로 되돌려 전기분해조의 외부로 나오는 것을 차단하는 작용효과를 나타낸다.
본 발명에 따른 방법과 장치가 일반 화학 처리 플랜트와 달리 소형으로 설계 제작이 가능한 기술적 구성이므로, 방사선 물질사용허가지역인 사이클로트론 등이 운영되는 현장에 추가로 설치하기가 매우 용이하며, 펠티어 냉각장치 등을 사용하면 장치 구성품 중에서 모터나 컴프레셔 등 회전이나 진동하는 부품이 없어 단순한 구조이며, 유지와 보수가 거의 필요없는 장치의 구성이 가능하다.
사이클로트론이 운영되는 지역들은 방사선 물질허가사용구역으로 소형의 설비로 제한된 공간에서 설치할 수 있으면 더욱 바람직하다.
보다 구체적으로, 도 1에 기초하여 살펴본다.
본 발명은 PET-CT(Positron Emission Tomography Computed Tomography, 양전자 컴퓨터 단층촬영)와 같은 영상 진단기기의 사용되는 진단시약의 원료인 산소동위원소 18번이 98% 이상 고농축된 물이 중수소(heavy hydrogen)나 유해한 방사선 물질인 삼중수소(tritium)에 의하여 오염되었을 때, 이 오염수를 직류전원(도1의 13)으로 전기분해하는 제1 전기분해조(도1의 11)가 장치의 일측에 설치된다.
도 1에서, 기체 및/또는 액체가 이동하는 배관 및 기체 및/또는 액체의 이동을 차단 또는 이동하도록 하는 밸브에 대하여서는 통상의 기술자가 용이하게 이해할 수 있으므로 설명을 생략한다.
도 1에서와 같이, 제1 전기분해조(11)는 직류전원(13)으로 전기분해하기 위한 양전극(18) 및 음전극(17)을 구비하고, 오염수(16)를 분해하여 양전극에서 산소동위원소 18번(24) 등이 생성되고, 음전극에서는 오염된 수소(23, 수소, 이중수소, 삼중수소)가 생성된다.
장치의 일측에는 오염되지 않은 자연수 또는 증류수(15, distilled water)를 전기분해하여 자연 산소(22)와 수소(21)를 분리하는 제2 전기분해조(12)가 설치되어 있다.
도 1에서와 같이, 제2 전기분해조(12)에서 직류전원(14)으로 전기분해를 위한 양전극(20) 및 음전극(19)이 설치되고, 설치된 양전극과 음전극에서 전기 분해하여 양전극에서 자연 산소(22)가 생성되고, 음전극에서는 자연 수소(21)가 분리 생성되도록 구성되어 있다.
전기분해 과정에서 증발하는 조금의 수증기라도 공정 내로 혼입되지 않도록 하기 위하여 전기분해조의 일측에 냉각 온도조절장치를 부가 설치하고, 발생한 기체가 나가는 출구에 수증기를 냉각시켜 물로 만들어 아래로 떨어뜨리는 콜드트랩(Cold-Trap)을 설치할 수 있다.
장치 일측에는 제1 전기분해조(11)에 의하여 분리된 산소동위원소 18번이 주성분인 산소와 제2 전기분해조(12)에 의하여 분리된 자연 수소를 제1 촉매 화학반응기 및/또는 연소기(25)로 반응 결합시켜서 산소동위원소 18번만 또는 다량의 산소동위원소 18번이 포함된 유용한 물이 생성된다.
제1 촉매화학 반응기 및/또는 연소기(25) 뒷단에는 응축기(27)를 설치하여 작은 물방울(수증기 형태)을 신속하게 냉각시켜 산소동위원소 18번이 포함된 유용한 물로 생성시킨다.
또 다른 장치 일측에는 제1 전기분해조(11)에 의하여 분리된 오염된 수소(수소, 이중수소, 삼중수소)와 제2 전기분해조(12)에 의하여 분리된 자연 산소를 제2 촉매화학 반응기 및/또는 연소기(26)로 반응 결합시켜서 폐기물 수준의 물(중수소 및 삼중 수소를 포함)이 생성된다.
즉, 제1 전기분해조(11)에서 전기 분해가 이루어지기 전 상태의 오염된 물에 있던 삼중수소나 기타 오염물질들은 자연수(증류수)의 산소(주로 산소동위원소 16번)와 반응 결합하여 동일한 양의 물 형태로 남아있게 된다.
생성된 물(중수소 및 삼중 수소를 포함)은 오염수 저장조에 저장 보존하게 되고, 통상의 폐기물 처리 절차에 따라 처리하면 된다.
두개의 전기분해조를 직렬로 연결하거나 동일한 전류로 전기분해하면 촉매 화학반응이나 연소공정에 필요한 산소와 수소 기체의 양이 반응비율에 맞게 생성된다.
또 다른 실시 예로, 순수한 산소동위원소 18번 물로 재생산하는 방법에 대해 살펴본다.
본 발명의 또 다른 실시 예는 PET-CT(Positron Emission Tomography Computed Tomography, 양전자 컴퓨터 단층촬영) 장치와 같은 영상 진단기기에 사용되는 진단시약의 원료인 산소동위원소 18번이 98% 이상 고농축된 물이 중수소(heavy hydrogen)나 유해한 방사선 물질인 삼중수소(tritium)에 오염되었을 때, 이 혼합오염수를 전기분해하는 제1 전기분해조에서 산소동위원소 18번과 오염된 수소(수소, 이중수소, 삼중수소)로 분리하는 단계를 포함한다.
또한, 증류수(순수, distilled water)를 전기분해하는 제2 전기분해조를 작동시켜 각각의 전극에서 추출되는 자연 산소와 수소를 분리하는 단계를 포함하며, 제1 전기분해조에서 분리된 산소동위원소 18번과 제2 전기분해조를 작동시켜 분리한 자연 수소를 반응시키는 단계를 포함한다.
앞서 장치 발명에서 살펴본 바와 같이, 방법 발명 역시 도 1의 산소동위원소 18번 물을 재생산하는 장치를 이용하여 이루어진다.
방법 발명 역시, 제1 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극을 구비하고, 이를 이용하여 오염수를 분해하여 양전극에서 산소동위원소 18번을 생성하고, 음전극에서는 오염된 수소(수소, 이중수소, 삼중수소)를 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 장치의 일측에 설치된 제2 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극을 구비하고, 이를 이용하여 증류수(distilled water)를 전기분해하여 자연 산소와 수소를 분리하는 단계를 포함한다.
다음은 제1 전기분해조에 의하여 분리된 산소동위원소 18번과 제2 전기분해조에 의하여 분리된 자연 수소를 제1 촉매화학 반응기 및/또는 연소기로 반응 결합시켜서 다량의 산소동위원소 18번이 포함된 유용한 물을 생성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시 예로, 다량의 산소동위원소 18번이 포함된 유용한 물을 생성하는 과정에서, 제1 전기분해조에 의하여 분리된 오염된 수소(수소, 이중수소, 삼중수소)와 제2 전기분해조에 의하여 분리된 자연 산소를 제2 촉매화학 반응기 및/또는 연소기로 반응 결합시켜서 경제적 가치가 없는 오염된 물(중수소 및 삼중 수소를 포함)을 생성하는 단계도 포함된다.
이 오염된 물(중수소 및 삼중 수소를 포함)은 통상의 폐기물 처리 절차에 따라 처리하면 된다.
연소기 및/또는 화학반응기(촉매 반응기)를 통해서 나오는 수증기를 응축기를 통과시켜 물(액체)로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
앞서 기술한 내용을 바탕으로 발명의 보호범위를 요약하여 개략적으로 살펴본다.
본 발명에 따른 장치는 경제성을 가진 산소동위원소가 삼중수소 등에 오염된 오염수에서 오염원이 제거된 경제성을 가진 산소동위원소의 안전한 물을 재생성하기 위하여, 상기 산소동위원소를 포함하되, 유해한 방사선 물질인 삼중수소를 포함하는 오염된 오염수를 전기분해하는 제1 전기분해조가 설치되고, 자연수를 전기분해하여 자연 산소와 수소를 분리하는 제2 전기분해조가 설치되며, 상기 제1 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극을 설치하여 오염수를 분해하여 산소동위원소와 오염된 수소를 분리 생성하고, 상기 제2 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극을 이용하여 자연수를 분해하여 자연 산소와 자연 수소를 분리 생성하고, 상기 제1 전기분해조와 제2전기분해조의 동시 혹은 순차 반응으로 생성된 각각의 산소와 수소를 교차 혼합하여 촉매화학 반응 혹은 연소반응을 통하여 오염원이 제거된 경제성을 가진 산소동위원소를 포함한 안전한 물을 재생성하도록 구성되어 있다.
또 다른 실시 예로, 본 발명에 사용된 유해한 방사선 물질인 삼중수소를 함유한 오염수는 PET-CT 를 포함하는 영상 진단기기의 사용되는 진단시약의 원료인 산소동위원소 18번이 적어도 98% 인 고농축된 물이 사이클로트론 기기로 양성자와 핵 반응시켜 일부 반감기가 짧은 방사선물질인 불소 18번으로 변환한 후 나온 인체 유해한 방사선 물질인 삼중수소를 함유한 오염수를 사용한다.
또 다른 실시 예로, 상기 제1 전기분해조의 산소동위원소 18번과 상기 제2 전기분해조의 자연 수소를 반응 결합시키기 위하여 연소기 또는 촉매화학 반응기를 사용한다.
또 다른 실시 예로, 상기 제1 전기분해조의 산소동위원소 18번과 상기 제2 전기분해조의 자연 수소를 반응 결합시키는 것은 연소기 또는 화학 반응기(촉매 반응기)를 사용하여 수증기를 생성한다.
또 다른 실시 예로, 상기 연소기 또는 촉매화학 반응기에서 산소와 수소가 반응 결합하여 생성된 수증기를 응축기로 냉각시켜 물로 변환시킨다.
또 다른 실시 예로, 상기 제1 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극이 설치되고, 산소동위원소 18번이 다량 포함된 오염수를 분해하되, 양전극에서 산소동위원소 18번이 생성되고, 음전극에서는 오염된 수소가 생성된다.
또 다른 실시 예로, 상기 제2 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극이 설치되고, 자연수를 분해하되, 양전극에서 자연 산소가 생성되고, 음전극에서는 자연 수소가 생성된다.
또 다른 실시 예로, 상기 제1 전기분해조에서 전기분해하여 나온 오염된 수소와 제2 전기분해조에서 전기분해하여 나온 자연 산소와 반응 결합하여 삼중수소를 포함하는 경제적 가치가 없는 폐기물 수준의 오염수가 생성된다.
또 다른 실시 예로, 전기분해조의 내부 일측에 온도감지센서를 설치하고, 온도감지센서와 연동하는 냉각 온도조절장치를 부가하여 제1 전기분해조 냉각부 및 제2 전기분해조 냉각부를 설치하고, 상기 제1 전기분해조와 제2 전기분해조의 각각의 가스출구에 설치된 콜드트랩을 설치하여 제1 전기분해조와 제2 전기분해조 내부에서 생성된 수증기를 액체상태로 되돌려 전기분해조의 외부로 나가는 것을 차단하도록 구성되어 있다.
또 다른 실시 예로, 본 발명은 경제성을 가진 산소동위원소가 포함된 오염수에서 오염된 물질이 제거된 경제성을 가진 산소동위원소가 포함된 물을 생성하는 방법에 있어서, 유해한 방사선 물질인 삼중수소를 함유한 오염수를 전기분해하는 제1 전기분해조를 이용하여 경제성을 가진 산소동위원소와 오염된 수소로 분리하는 단계와, 자연수(증류수)를 전기분해하는 제2 전기분해조를 작동시켜 각각의 전극에서 추출되는 자연 산소와 수소를 분리하는 단계와, 상기 제1 전기분해조에서 분리된 경제성을 가진 산소동위원소와 제2 전기분해조를 작동시켜 분리한 자연 수소를 반응 결합시키는 단계를 포함한다.
상기 방법 발명은 제1 전기분해조의 산소동위원소 18번과 상기 제2 전기분해조의 자연 수소를 반응 결합시키기 위하여 연소기 또는 촉매화학 반응기를 사용한다.
앞서 기술한 내용을 바탕으로 상기 방법 발명도 다양한 기술적 구성을 기재할 수 있음으로 이해할 수 있다.
본 발명은 전 세계에 수 천기 이상 운영되는 의료용 영상진단기기인 PET-CT 장치의 필수 진단시약인 고농축 산소동위원소 18번 물(H2O-18)이 수 천억원 이상의 시장이 형성되어 있고, PET-CT와 동시에 사용되는 사이클로트론 사용 후 오염수의 양이 연간 수 천 kg 이상 발생한다.
이 때 발생하는 사용 후 오염수는 방사선 물질 오염수로 분류되어 경제적으로 재활용되는데 제한이 있으나, 이 오염수에 포함되어 있는 다량의 고농축 산소동위원소 18번 물(H2O-18)은 경제적 가치가 있다.
본 발명은 사용 후 오염수 내의 경제적 가치가 있는 원소인 산소동위원소 18번을 자연수(물)의 자연산소와 치환하여 안전한 물로 만들어 주므로 산업상 이용 가능성이 매우 높다.
11; 제1 전기분해조 12; 제2 전기분해조
13; 제1 직류전원(제1 전기분해조) 14; 제2 직류전원(제2 전기분해조)
15; 자연수(순수 물) 16; 오염수(삼중 수소 포함)
17; 제1 전기분해조의 음전극 18; 제1 전기분해조의 양전극
19; 제2 전기분해조의 음전극 20; 제2 전기분해조의 양전극
21; 자연 수소 22; 자연 산소
23; 오염 수소(삼중수소 포함) 24; 18번 산소동위원소
25, 26; 연소기 또는 촉매화학 반응기(화학 반응기)
27,28; 응축기
29; 18번 산소동위원소 물(유용한 물)
30; 폐기물 수준의 오염수(삼중수소 포함)
31, 32; 밸브
33 내지 36; 콜드 트랩
37; 제1 전기분해조 냉각부 38; 제2 전기분해조 냉각부

Claims (11)

  1. 삼중수소를 포함하는 오염된 오염수에서 오염원이 제거된 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 장치에 있어서,
    산소동위원소 18번을 포함하되, 유해한 물질인 삼중수소를 포함하는 오염된 오염수를 전기분해하는 제1 전기분해조가 설치되고,
    상기 제1 전기분해조에서 분해된 기체와 교차 반응하여 오염원이 제거된 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 생성하기 위하여 순수를 전기분해하여 산소와 수소를 분리하는 제2 전기분해조가 설치되며,
    상기 제1 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극을 설치하여 오염수를 분해하여 산소동위원소 18번과 오염된 수소를 분리 생성하고,
    상기 제2 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극을 이용하여 순수를 분해하여 산소와 수소를 분리 생성하며,
    상기 제1 전기분해조와 제2 전기분해조를 동시 혹은 순차적 반응으로 생성된 각각의 산소와 수소를 교차 반응시켜 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    삼중수소를 포함하는 오염된 오염수는 PET-CT 를 포함하는 영상 진단기기에 사용되는 진단시약의 원료인 산소동위원소 18번이 고농축된 물이 사이클로트론 기기로 양성자와 핵 반응을 하여 일부 반감기가 짧은 방사선 물질인 불소 18번으로 변환한 후 나온 인체 유해한 방사선 물질인 삼중수소를 함유한 오염수임을 특징으로 하는 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산소와 수소를 교차 반응시키는 것은 연소기 또는 촉매화학 반응기를 사용함을 특징으로 하는 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 연소기 또는 촉매화학 반응기에서 반응 결합하여 생성된 수증기를 응축기로 냉각시켜 물로 변환시킴을 특징으로 하는 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전기분해조는 전기분해를 위한 양전극 및 음전극이 설치되고, 산소동위원소 18번이 포함된 오염수를 분해하되, 양전극에서 산소동위원소 18번을 포함하는 산소가 생성되고, 음전극에서는 오염된 수소가 생성됨을 특징으로 하는 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전기분해조에서 전기분해하여 나온 산소동위원소 18번과 제2 전기분해조에서 전기분해하여 나온 수소를 반응 결합하여 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 전기분해조 및 제2 전기분해조의 내부 일측에는 온도감지센서를 설치하고, 온도감지센서와 연동하는 냉각 온도조절장치가 부가된 제1 전기분해조 냉각부 및 제2 전기분해조 냉각부가 설치되고,
    상기 제1 전기분해조 및 제2 전기분해조의 각각의 가스출구에 콜드트랩을 설치하여 제1 전기분해조와 제2 전기분해조 내부에서 생성된 수증기를 액체상태로 되돌려 전기분해조의 외부로 기체가 빠져나가는 것을 차단함을 특징으로 하는 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 장치.
  10. 삼중수소를 포함하는 오염된 오염수에서 오염원이 제거된 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 방법에 있어서,
    삼중수소를 함유된 산소동위원소 18번을 포함하는 오염수를 전기분해하는 제1 전기분해조를 이용하여 산소동위원소 18번과 오염된 수소로 분리하는 단계와,
    상기 제1 전기분해조에서 분해된 기체와 교차 반응하여 오염원이 제거된 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 생성하기 위하여 제2 전기분해조를 이용하여 순수를 전기분해하여 산소와 수소를 분리하는 단계와,
    상기 제1 전기분해조와 제2 전기분해조가 동시 혹은 순차적 반응으로 생성된 각각의 산소와 수소를 교차 반응시켜 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 단계를 포함하는 오염원이 제거된 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전기분해조의 산소동위원소 18번과 상기 제2 전기분해조의 순수 수소를 반응 결합시키기 위하여 연소기 또는 촉매화학 반응기를 사용함을 특징으로 하는 오염원이 제거된 산소동위원소 18번을 함유한 안전한 물을 재생성하는 방법.
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