KR102314371B1 - Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same - Google Patents

Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same Download PDF

Info

Publication number
KR102314371B1
KR102314371B1 KR1020190157902A KR20190157902A KR102314371B1 KR 102314371 B1 KR102314371 B1 KR 102314371B1 KR 1020190157902 A KR1020190157902 A KR 1020190157902A KR 20190157902 A KR20190157902 A KR 20190157902A KR 102314371 B1 KR102314371 B1 KR 102314371B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
biochar
alginate
alginate beads
radionuclides
beads
Prior art date
Application number
KR1020190157902A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20210068646A (en
Inventor
이대성
임영수
장지선
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경북대학교 산학협력단 filed Critical 경북대학교 산학협력단
Priority to KR1020190157902A priority Critical patent/KR102314371B1/en
Publication of KR20210068646A publication Critical patent/KR20210068646A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102314371B1 publication Critical patent/KR102314371B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/2803Sorbents comprising a binder, e.g. for forming aggregated, agglomerated or granulated products
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28002Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J20/28004Sorbent size or size distribution, e.g. particle size
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/283Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using coal, charred products, or inorganic mixtures containing them
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/04Treating liquids
    • G21F9/06Processing
    • G21F9/12Processing by absorption; by adsorption; by ion-exchange
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00Nature of the contaminant
    • C02F2101/006Radioactive compounds

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

본 발명은 메밀껍질 바이오차가 고정된 알지네이트 비드에 관한 것으로서, 상세하게는 방사성 코발트를 선택적으로 제거하고, 회수가 용이한 메밀껍질 바이오차가 고정된 알지네이트 비드 및 이를 이용한 방사성 핵종 제거방법에 관한 것이다.
본 발명의 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드는 칼슘 이온을 포함하는 메밀껍질 바이오차를 포함하여 이온 교환을 통한 수중 방사성 핵종의 선택적 제거가 가능하고, 표면에 기공을 가져 높은 핵종 흡착 효율을 가진다. 또한 방사성 핵종 흡착 후 체를 이용하여 대규모 공정에서 폐기물 처리가 가능하다.
The present invention relates to alginate beads on which buckwheat hull biochar is immobilized, and more particularly, to alginate beads on which buckwheat hull biochar is immobilized, which selectively removes radioactive cobalt and is easy to recover, and a method for removing radionuclides using the same.
The biochar-alginate beads for removal of radionuclides in water of the present invention enable selective removal of radionuclides in water through ion exchange, including buckwheat hull biochar containing calcium ions, and have pores on the surface to achieve high radionuclide adsorption efficiency. have In addition, it is possible to treat waste in a large-scale process using a sieve after adsorption of radionuclides.

Description

메밀껍질 바이오차가 고정된 알지네이트 비드 및 이를 이용한 방사성 핵종 제거방법 {Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same}Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same}

본 발명은 메밀껍질 바이오차가 고정된 알지네이트 비드에 관한 것으로서, 상세하게는 방사성 코발트를 선택적으로 제거하고, 회수가 용이한 메밀껍질 바이오차가 고정된 알지네이트 비드 및 이를 이용한 방사성 핵종 제거방법에 관한 것이다.The present invention relates to alginate beads to which buckwheat hull biochar is immobilized, and more particularly, to alginate beads to which buckwheat hull biochar is immobilized, which selectively removes radioactive cobalt and is easy to recover, and a method for removing radionuclides using the same.

원자력 발전소의 운영 및 해체 과정에서 다양한 종류의 방사성 폐기물이 발생되고 있다. 특히, 이들 폐기물 중 액체 방사성 폐기물은 큰 비중을 차지하고 있고 세슘(Cesium), 스트론튬(Strontium), 코발트(Cobalt) 등의 방사성 핵종을 포함하고 있다. 방사성 코발트는 부식 생성물로서 긴 반감기(5.27년), 높은 방사능(γ선과 β선), 높은 이동성, 높은 수용성, 낮은 생분해성으로 인해 환경 및 인체에 유해한 방사성 핵종으로 분류된다. 방사성 코발트를 처리하기 위한 기술로는 응집/침전(Coagulation/sedimentation), 용매 추출(Solvent extration), 증발(Evaporation), 전기투석(Electrodialysis), 흡착(Adsorption) 등의 여러 방법들이 이용되고 있다. 다른 공정 기술은 에너지 소모가 크고, 회수성이 떨어지는 반면 흡착 공정은 다량의 방사성 폐수를 경제적으로 처리가 가능하며, 높은 효율성과 회수성 때문에 현재 활발히 연구되고 있는 기술이다.Various types of radioactive waste are generated during the operation and decommissioning of nuclear power plants. In particular, among these wastes, liquid radioactive waste occupies a large proportion and contains radionuclides such as cesium, strontium, and cobalt. As a corrosion product, radioactive cobalt is classified as a radionuclide harmful to the environment and human body due to its long half-life (5.27 years), high radioactivity (γ-ray and β-ray), high mobility, high water solubility, and low biodegradability. As a technology for treating radioactive cobalt, various methods such as coagulation/sedimentation, solvent extraction, evaporation, electrodialysis, and adsorption are used. While other process technologies consume a lot of energy and have poor recoverability, the adsorption process can economically treat a large amount of radioactive wastewater, and is currently being actively studied because of its high efficiency and recoverability.

최근, 활성탄의 대체재로서 이용되는 바이오차는 바이오매스를 무산조 조건에서 열분해함으로써 생산된 풍부한 탄소함량을 가진 다공성 물질을 말한다. 또한, 바이오차의 표면 기능기, 양이온 교환 능력, 큰 비표면적, 미세한 세공구조는 다양한 수중의 양이온들을 흡착 및 유지할 수 있어 물속의 오염물질을 효율적으로 제거할 수 있는 유망한 소재이다. 다양한 종류(해조류, 톱밥, 하수 슬러지, 낙엽)의 바이오차를 이용한 물속의 오염물질 제거가 연구되고 있다.Recently, biochar, which is used as a substitute for activated carbon, refers to a porous material having a rich carbon content produced by thermally decomposing biomass under an anoxic condition. In addition, the surface functional groups, cation exchange capacity, large specific surface area, and fine pore structure of biochar can adsorb and retain various cations in water, making it a promising material for efficiently removing contaminants in water. Removal of pollutants in water using various types of biochar (seaweed, sawdust, sewage sludge, fallen leaves) is being studied.

대한민국 등록특허 제10-1506094호는 계분 바이오차를 이용하여 높은 흡착능력을 가지는 구형의 코어쉘 캡슐 형태를 개시한다. 그러나 방사성 폐수의 경우 방사성 핵종에 선택성을 요하고, 막대한 양의 액체 방사성 폐기물 처리에 적용하기 위하여 처리 후 폐기물의 분리 및 회수가 용이할 것을 요한다.Korean Patent Registration No. 10-1506094 discloses a spherical core-shell capsule form having high adsorption capacity using chicken manure biochar. However, in the case of radioactive wastewater, selectivity for radionuclides is required, and in order to be applied to the treatment of a huge amount of liquid radioactive waste, it is required that the waste is easily separated and recovered after treatment.

대한민국 등록특허 제10-1506094호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1506094

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 수중 방사성 핵종을 선택적으로 흡착하고, 체를 이용하여 용이하게 폐기물의 제거가 가능한 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a biochar-alginate bead for removing radionuclides in water, which selectively adsorbs radionuclides in water and can easily remove wastes using a sieve.

또한, 상기 바이오차-알지네이트 비드를 이용하는 수중 방사성 핵종 제거방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method for removing radionuclides in water using the biochar-alginate beads.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention

방사성 폐수 중의 핵종을 흡착하는 흡착제로서,As an adsorbent for adsorbing nuclides in radioactive wastewater,

알지네이트(alginate); 및alginate; and

상기 알지네이트에 고정된 메밀껍질 바이오차(buckwheat hull-based biochar);를 포함하고, 표면에 기공을 가지는 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드를 제공한다.It includes; buckwheat hull-based biochar fixed to the alginate, and provides a biochar-alginate bead for removing radionuclides in water having pores on the surface.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,The present invention in order to achieve the above other object,

알지네이트(alginate) 및 상기 알지네이트에 고정된 메밀껍질 바이오차(buckwheat hull-based biochar)를 포함하고, 표면에 기공을 가지는 바이오차-알지네이트 비드를 준비하는 제1단계;A first step of preparing biochar-alginate beads comprising alginate and buckwheat hull-based biochar fixed to the alginate and having pores on the surface;

상기 바이오차-알지네이트 비드를 방사성 폐수에 투입하여 방사성 핵종을 흡착하는 제2단계; 및a second step of adsorbing radionuclides by injecting the biochar-alginate beads into radioactive wastewater; and

체(net)를 이용하여 상기 방사성 핵종을 흡착한 바이오차-알지네이트 비드를 회수하는 제3단계;를 포함하는 수중 방사성 핵종 제거방법을 제공한다.A third step of recovering the biochar-alginate beads to which the radionuclide is adsorbed using a sieve (net) provides a method for removing radionuclides in the water, including a.

본 발명의 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드는 칼슘 이온을 포함하는 메밀껍질 바이오차를 포함하여 이온 교환을 통한 수중 방사성 핵종의 선택적 제거가 가능하고, 표면에 기공을 가져 높은 핵종 흡착 효율을 가지는 효과가 있다.The biochar-alginate beads for removal of radionuclides in water of the present invention enable selective removal of radionuclides in water through ion exchange, including buckwheat hull biochar containing calcium ions, and have pores on the surface to provide high radionuclide adsorption efficiency. have an effect.

또한 본 발명의 수중 방사성 핵종 제거방법은 표면에 기공을 가지는 바이오차-알지네이트 비드를 이용하여 방사성 핵종의 제거 효율이 높고, 흡착 후 체를 이용하여 대규모 공정으로 폐기물 처리가 가능한 효과가 있다.In addition, the underwater radionuclide removal method of the present invention has a high efficiency of removing radionuclides by using biochar-alginate beads having pores on the surface, and has the effect of enabling waste treatment in a large-scale process using a sieve after adsorption.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메밀껍질 바이오차의 흡착 메커니즘을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오차-알지네이트 비드의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차의 열분해 온도에 대한 방사성 핵종 제거 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이오차-알지네이트 비드의 구조 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 바이오차의 표면에 대한 FT-IR 분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차 분말 및 바이오차-알지네이트 비드의 XRD 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차 분말 및 비드의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차가 코발트와 흡착한 후의 용액 pH와 방출된 칼슘 이온의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 또는 비교예에 따른 흡착제의 코발트 흡착능력을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차-알지네이트 비드를 이용한 고정층 흡착 반응기와 회수 체(net)를 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차 분말 및 바이오차-알지네이트 비드의 수용액 내 분산도를 나타낸 사진이다.
1 shows an adsorption mechanism of buckwheat hull biochar according to an embodiment of the present invention.
2 shows a method for preparing biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the results of a radionuclide removal experiment with respect to the thermal decomposition temperature of biochar according to an embodiment of the present invention.
4 is a structural photograph of biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention.
5 is an FT-IR analysis graph of the surface of biochar according to an embodiment of the present invention.
6 is an XRD analysis result of biochar powder and biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention.
7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of biochar powder and beads according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a solution pH and a concentration of released calcium ions after biochar according to an embodiment of the present invention is adsorbed with cobalt.
9 is a graph showing the cobalt adsorption capacity of an adsorbent according to an embodiment or a comparative example of the present invention.
10 is a schematic diagram showing a fixed bed adsorption reactor and a recovery body (net) using biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention.
11 is a photograph showing the degree of dispersion in aqueous solution of biochar powder and biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일측면에 따르면, 방사성 폐수 중의 핵종을 흡착하는 흡착제로서,According to one aspect of the present invention, as an adsorbent for adsorbing nuclides in radioactive wastewater,

알지네이트(alginate); 및 상기 알지네이트에 고정된 메밀껍질 바이오차(buckwheat hull-based biochar);를 포함하고, 표면에 기공을 가지는 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드를 제공한다.alginate; and buckwheat hull-based biochar fixed to the alginate; and biochar for removing radionuclides in water having pores on the surface-alginate beads.

바이오차(biochar)는 바이오 숯으로 바이오매스(biomass)가 산소결핍상태에서 고온에 노출될 때 열분해되어 만들어지는 숯이다. 바이오매스는 에너지 전용의 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농작 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기, 그리고 여타의 폐기물에서 추출된 재생 가능한 유기 물질로 현재 에너지원으로 사용되고 있는 목재, 식물, 농임산 부산물, 도시 쓰레기와 산업 폐기물 내의 유기 성분 등을 말한다. Biochar is biochar, which is produced by thermal decomposition of biomass when exposed to high temperatures in an oxygen-deficient state. Biomass is a renewable organic material extracted from energy-only crops and trees, agricultural and fodder crops, agricultural waste and debris, forest waste and debris, aquatic plants, animal dung, municipal waste, and other wastes. Used wood, plants, agricultural by-products, and organic components in municipal waste and industrial waste.

이와 같은 바이오매스 중, 본 발명에서는 메밀껍질(buckwheat hull)을 저속열분해하여 얻어지는 바이오차를 이용하였다. 본 명세서에서 메밀껍질은 메밀의 겉껍질을 의미한다. 메밀껍질 바이오차는 본 비드의 주요 성분으로, 천연 소재이기 때문에 2차 오염을 유발하지 않고, 큰 비표면적과 다공성 구조를 가져 흡착성이 우수한 특징이 있다.Among such biomass, in the present invention, biochar obtained by low-speed thermal decomposition of buckwheat hull was used. In the present specification, the buckwheat husk refers to the hull of buckwheat. Buckwheat hull biochar is a major component of this bead, and because it is a natural material, it does not cause secondary contamination, and has a large specific surface area and a porous structure, so it has excellent adsorption properties.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메밀껍질 바이오차의 흡착 메커니즘을 도시한 것이다. 도 1을 참고하여 설명하면, 침전, 이온교환, 표면 착화를 통해 방사성 핵종을 흡착할 수 있다. 특히 바람직하게는 코발트에 대한 제거율이 우수한 특징이 있다.1 shows an adsorption mechanism of buckwheat hull biochar according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 , radionuclides can be adsorbed through precipitation, ion exchange, and surface complexation. Particularly preferably, the removal rate for cobalt is excellent.

침전과 관련하여 메밀껍질 바이오차를 포함하는 비드는 표면에 CO3 2- 및 SiO2 작용기를 가져 공동침전(Co-precipitation)을 통해 수중 방사성 핵종을 분리할 수 있다. 특히 코발트 이온에 결합력이 높으며, 코발트 이온은 pH 7을 기준으로 수산화 코발트(Co(OH)2)를 형성하고 염을 형성하여 표면 침전(Surface precipitation)할 수 있다.In relation to precipitation, beads containing buckwheat hull biochar have CO 3 2- and SiO 2 functional groups on the surface, so that radionuclides in water can be separated through co-precipitation. In particular, the binding force to cobalt ions is high, and cobalt ions can form cobalt hydroxide (Co(OH) 2 ) based on pH 7 and form salts for surface precipitation.

이온교환과 관련하여 메밀껍질 바이오차에 포함된 칼슘 이온을 이용할 수 있다. 메밀껍질 바이오차는 정전기적 인력, 표면 작용기, 침전에 의하여 다량의 칼슘 이온을 포함하고, 이 칼슘 이온은 수중 양이온과 교환될 수 있다. 바이오차의 열분해 온도에 따라 칼슘 이온과 수중 양이온의 교환 정도를 조절할 수 있다. In relation to ion exchange, calcium ions contained in buckwheat hull biochar can be used. Buckwheat hull biocha contains a large amount of calcium ions by electrostatic attraction, surface functional groups, and precipitation, and these calcium ions can be exchanged with cations in water. Depending on the thermal decomposition temperature of biochar, the degree of exchange of calcium ions with cations in water can be controlled.

표면 착화와 관련하여 메밀껍질 바이오차를 포함하는 비드는 -OH, C-H, C-C 작용기를 가져 방사성 핵종과 결합하여 표면 착화(surface complexation)를 통해 흡착 기능을 할 수 있다. In relation to surface complexation, beads containing buckwheat hull biochar have -OH, C-H, and C-C functional groups and bind to radionuclides to perform an adsorption function through surface complexation.

알지네이트는 베타-d-만유로닉산과 알파-l-글유로닉산이 혼합된 헤테로 다당류로서 화학적으로는 탄수화물에 속하지만 전분 섬유소들과는 달리 카르복실기를 갖는 천연 고분자이다. 본 발명에서 알지네이트는 알긴산 염으로, 바람직하게는 알긴산 나트륨일 수 있다. 알긴산 나트륨은 알지네이트를 Na로 포화시켜 제조한 것으로, 2가 금속 양이온이 함유된 용액에 투입되면 고형화되는 특성이 있다. 이에 바이오차와 알지네이트의 혼합 용액을 금속성 이가 양이온 용액에 주입, 반응하여 바이오차-알지네이트 비드를 준비할 수 있다.Alginate is a heteropolysaccharide in which beta-d-mannuronic acid and alpha-l-glucuronic acid are mixed. Chemically, it belongs to carbohydrates, but unlike starch fibers, it is a natural polymer having a carboxyl group. In the present invention, the alginate may be an alginic acid salt, preferably sodium alginate. Sodium alginate is prepared by saturating alginate with Na, and has a property of being solidified when added to a solution containing a divalent metal cation. Accordingly, biochar-alginate beads can be prepared by injecting and reacting a mixed solution of biochar and alginate into a metallic divalent cation solution.

본 발명에 따른 바이오차-알지네이트 비드는 비결정성 구조를 가지고 표면에 기공을 가지는 다공성 구조를 가진다. 표면의 기공은 불규칙적인 모양을 가지며, 비드의 비표면적을 높여 흡착 효율을 향상시킬 수 있다. The biochar-alginate beads according to the present invention have an amorphous structure and a porous structure having pores on the surface. The pores on the surface have an irregular shape, and the adsorption efficiency can be improved by increasing the specific surface area of the beads.

또한 수분을 제거하여 내구성이 향상된 특징이 있다. 건조 전 비드(하이드로겔 비드)는 내구성이 약하여 고정층 흡착 반응기에 삽입할 때 깨질 위험이 있으며, 수용액에 장시간 노출 시 구성성분이 녹거나 부풀어 오를 수 있는 문제가 있다. 반면 건조 후 비드(드라이 비드)는 수분을 제거하여 내구성이 좋고, 수용액에서 녹거나 부풀어 오르지 않는 점에서 활용의 범위를 확장할 수 있다.In addition, it has improved durability by removing moisture. Before drying, the beads (hydrogel beads) have weak durability, so there is a risk of breakage when inserted into a fixed bed adsorption reactor, and there is a problem that the components may melt or swell when exposed to an aqueous solution for a long time. On the other hand, the beads (dry beads) after drying have good durability by removing moisture, and the scope of use can be expanded in that they do not melt or swell in aqueous solution.

본 발명에 따른 바이오차-알지네이트 비드로 흡착가능한 방사성 핵종은 세슘, 스트론튬, 코발트 중 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는 코발트일 수 있다.The radionuclide adsorbable to the biochar-alginate beads according to the present invention may be any one of cesium, strontium, and cobalt. Preferably, it may be cobalt.

본 발명에 따른 바이오차-알지네이트 비드는 그 입자 직경이 1 내지 5mm일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 3mm, 더욱 바람직하게는 평균 2mm일 수 있다. 입자 직경이 1mm 미만인 경우 흡착공정 후 폐기물 제거 공정에 어려움이 있고, 5mm 초과할 경우 비표면적에 따른 흡착 효율이 낮아져 바람직하지 못하다.The biochar-alginate beads according to the present invention may have a particle diameter of 1 to 5 mm, preferably 1 to 3 mm, and more preferably an average of 2 mm. When the particle diameter is less than 1 mm, there is a difficulty in the waste removal process after the adsorption process, and when it exceeds 5 mm, the adsorption efficiency according to the specific surface area is lowered, which is not preferable.

본 발명의 다른 일측면에 따르면, 알지네이트(alginate) 및 상기 알지네이트에 고정된 메밀껍질(buckwheat hull) 바이오차(biochar)를 포함하고, 표면에 기공을 가지는 바이오차-알지네이트 비드를 준비하는 제1단계; 상기 바이오차-알지네이트 비드를 방사성 폐수에 투입하여 방사성 핵종을 흡착하는 제2단계; 및 체(net)를 이용하여 상기 방사성 핵종을 흡착한 바이오차-알지네이트 비드를 회수하는 제3단계;를 포함하는 수중 방사성 핵종 제거방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, biochar comprising alginate and buckwheat hull biochar fixed to the alginate, and having pores on the surface - a first step of preparing alginate beads ; a second step of adsorbing radionuclides by injecting the biochar-alginate beads into radioactive wastewater; and a third step of recovering the biochar-alginate beads to which the radionuclide has been adsorbed using a sieve (net).

먼저 바이오차-알지네이트 비드를 준비하는 제1단계에 대하여 설명한다.First, the first step of preparing the biochar-alginate beads will be described.

본 발명에서는 바이오차로써 메밀껍질(buckwheat hull)을 저속열분해하여 얻어지는 바이오숯를 이용하였다. 메밀껍질 바이오차는 천연 소재이기 때문에 2차 오염을 유발하지 않고, 큰 비표면적과 다공성 구조를 가져 흡착성이 우수한 특징이 있다. 또한 이온교환 및 표면 작용기에 따라 방사성 핵종의 흡착 효율을 높일 수 있다.In the present invention, biochar obtained by low-speed pyrolysis of buckwheat hull was used as biochar. Because buckwheat hull biocha is a natural material, it does not cause secondary contamination, has a large specific surface area and a porous structure, and has excellent adsorption properties. In addition, it is possible to increase the adsorption efficiency of radionuclides according to ion exchange and surface functional groups.

본 발명의 메밀껍질 바이오차는 열분해 온도에 따라 표면 작용기의 기능 정도가 상이하게 나타날 수 있다. 열분해 온도는 400 ~ 800℃일 수 있고, 바람직하게는 450 ~ 750℃이며, 더욱 바람직하게는 750℃일 수 있다.The buckwheat hull biocha of the present invention may have different functional levels of surface functional groups depending on the thermal decomposition temperature. The thermal decomposition temperature may be 400 to 800 °C, preferably 450 to 750 °C, and more preferably 750 °C.

본 발명에서 알지네이트는 알긴산 염으로, 바람직하게는 알긴산 나트륨일 수 있다. 메밀껍질 바이오차와 알지네이트의 혼합 용액을 금속성 2가 양이온 용액에 주입, 반응하여 바이오차-알지네이트 비드를 준비할 수 있다. 이 때 금속성 2가 양이온은 CaCl2, SrCl2, BaCl2, 또는 AlCl3일 수 있고, 바람직하게는 염화칼슘(CaCl2)일 수 있다.In the present invention, the alginate may be an alginic acid salt, preferably sodium alginate. Biochar-alginate beads can be prepared by injecting and reacting a mixed solution of buckwheat hull biochar and alginate into a metallic divalent cation solution. At this time, the metallic divalent cation may be CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 , or AlCl 3 , preferably calcium chloride (CaCl 2 ).

본 발명의 바이오차-알지네이트 비드는 비결정성 구조를 가지고 표면에 기공을 가지는 다공성 구조를 가진다. 표면의 기공은 불규칙적인 모양을 가지며, 비드의 비표면적을 높여 흡착 효율을 향상시킬 수 있다.The biochar-alginate beads of the present invention have an amorphous structure and a porous structure having pores on the surface. The pores on the surface have an irregular shape, and the adsorption efficiency can be improved by increasing the specific surface area of the beads.

또한 수분을 제거하기 위한 건조과정을 포함하여 제조된다. 건조 전 비드(하이드로겔 비드)는 내구성이 약하여 고정층 흡착 반응기에 삽입할 때 깨질 위험이 있으며, 수용액에 장시간 노출 시 구성성분이 녹거나 부풀어 오를 수 있는 문제가 있다. 반면 건조 후 비드(드라이 비드)는 수분을 제거하여 내구성이 좋고, 수용액에서 녹거나 부풀어 오르지 않는 점에서 활용의 범위를 확장할 수 있다.It is also manufactured including a drying process to remove moisture. Before drying, the beads (hydrogel beads) have weak durability, so there is a risk of breakage when inserted into a fixed bed adsorption reactor, and there is a problem that the components may melt or swell when exposed to an aqueous solution for a long time. On the other hand, the beads (dry beads) after drying have good durability by removing moisture, and the scope of use can be expanded in that they do not melt or swell in aqueous solution.

다음으로 바이오차-알지네이트 비드를 방사성 폐수에 투입하여 방사성 핵종을 흡착하는 제2단계에 대하여 설명한다.Next, the second step of adsorbing radionuclides by injecting biochar-alginate beads into radioactive wastewater will be described.

본 발명의 바이오차-알지네이트 비드는 메밀껍질을 이용한 것으로 침전, 이온교환, 표면 착화를 통하여 수중 방사성 핵종을 제거할 수 있다. 특히 바람직하게는 코발트에 대한 제거율이 우수한 특징이 있다.The biochar-alginate beads of the present invention use buckwheat husks and can remove radionuclides in water through precipitation, ion exchange, and surface complexation. Particularly preferably, the removal rate for cobalt is excellent.

침전과 관련하여 메밀껍질 바이오차를 포함하는 비드는 표면에 CO3 2- 및 SiO2 작용기를 가져 공동침전(Co-precipitation)을 통해 수중 방사성 핵종을 분리할 수 있다. 특히 코발트 이온에 결합력이 높으며, 코발트 이온은 pH 7을 기준으로 수산화 코발트(Co(OH)2)를 형성하고 염을 형성하여 표면 침전(Surface precipitation)할 수 있다.In relation to precipitation, beads containing buckwheat hull biochar have CO 3 2- and SiO 2 functional groups on the surface, so that radionuclides in water can be separated through co-precipitation. In particular, the binding force to cobalt ions is high, and cobalt ions can form cobalt hydroxide (Co(OH) 2 ) based on pH 7 and form salts for surface precipitation.

이온교환과 관련하여 메밀껍질 바이오차에 포함된 칼슘 이온을 이용할 수 있다. 메밀껍질 바이오차는 다량의 칼슘 이온을 포함하고, 이 칼슘 이온은 수중 양이온과 교환될 수 있다. 바이오차의 열분해 온도에 따라 칼슘 이온과 수중 양이온의 교환 정도를 조절할 수 있다.In relation to ion exchange, calcium ions contained in buckwheat hull biochar can be used. Buckwheat hull biocha contains a large amount of calcium ions, which can be exchanged with cations in water. Depending on the thermal decomposition temperature of biochar, the degree of exchange of calcium ions with cations in water can be controlled.

표면 착화와 관련하여 메밀껍질 바이오차를 포함하는 비드는 -OH, C-H, C-C 작용기를 가져 방사성 핵종과 결합하여 표면 착화(surface complexation)를 통해 흡착 기능을 할 수 있다.In relation to surface complexation, beads containing buckwheat hull biochar have -OH, C-H, and C-C functional groups and bind to radionuclides to perform an adsorption function through surface complexation.

마지막으로 방사성 핵종을 흡착한 바이오차-알지네이트 비드를 회수하는 제3단계에 대하여 설명한다.Finally, the third step of recovering the biochar-alginate beads adsorbed with radionuclides will be described.

바이오차 분말(powder)을 이용한 물 속의 방사성 핵종 제거는 바이오차 분말이 물 속에서 쉽게 분산하는 특성으로 인해 분리 및 회수의 어려움이 있다. 이에 본 발명은 비드 형태의 흡착제를 제조하여 회수 용이성을 확보하였다. 비드 형태의 흡착제는 방사성 핵종의 흡착 후 체(net)를 이용하여 용이하게 분리 및 제거가 가능하여 막대한 양의 액체 방사성 폐기물 처리에 적용이 가능하다.Removal of radionuclides in water using biochar powder has difficulties in separation and recovery due to the property that biochar powder is easily dispersed in water. Accordingly, the present invention secures the ease of recovery by preparing an adsorbent in the form of a bead. The adsorbent in the form of a bead can be easily separated and removed using a sieve (net) after adsorption of radionuclides, so it can be applied to the treatment of a huge amount of liquid radioactive waste.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. On the other hand, the illustration and detailed description of the configuration and the action and effect thereof, which can be easily known from those of ordinary skill in the art, will be simplified or omitted, and the parts related to the present invention will be described in detail.

<실시예><Example>

실시예 1 - 메밀껍질 바이오차가 고정화된 알지네이트 비드Example 1 - Alginate beads immobilized with buckwheat hull biocha

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오차-알지네이트 비드의 제조방법을 나타낸 것이다. 도 2를 참고하여 이하 메밀껍질 바이오차가 고정화된 알지네이트 비드의 제조방법을 설명한다.2 shows a method for preparing biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, with reference to FIG. 2, a method for producing alginate beads immobilized with buckwheat hull biocha will be described.

(1)바이오차 제조(1) Bio tea manufacturing

메밀껍질의 불순물을 제거하기 위해 증류수로 여러 번 세척하고 60℃에서 24시간 동안 건조한 다음 분쇄기를 이용하여 3~4mm 크기로 분쇄하였다. 메밀껍질 분말 12g을 보트형 알루미나 도가니에 넣어 열분해로에 주입하고, 주입된 분말을 유동 아르곤 대기 하에서 5 ℃/min의 가열 속도로 1시간 동안 450, 600, 750 ℃에서 각각 가열하였다. 생산된 바이오차는 흡착 반응성을 높이기 위해 막자 사발을 이용하여 0.5mm 크기 이하로 분쇄하였다.To remove impurities from the buckwheat husks, it was washed several times with distilled water, dried at 60° C. for 24 hours, and then pulverized to a size of 3 to 4 mm using a grinder. 12 g of buckwheat hull powder was put into a boat-type alumina crucible and injected into a pyrolysis furnace, and the injected powder was heated at 450, 600, and 750° C. for 1 hour at a heating rate of 5° C./min under a flowing argon atmosphere, respectively. The produced biochar was pulverized to a size of 0.5 mm or less using a mortar to increase adsorption reactivity.

(2)바이오차-알지네이트 비드 제조(2) Preparation of biochar-alginate beads

방사성 폐수 처리 후 흡착제의 회수를 위하여 소듐 알지네이트(C6H9NaO7)를 사용하여 바이오차 분말을 비드형 흡착제로 합성하였다. 1.5% w/v 소듐 알지네이트(C6H9NaO7) 50 mL에 2.5g 바이오차 분말을 넣어 30℃에서 5분 동안 교반하였다. 교반 후, 얻어진 혼합물을 17G 굵기의 바늘을 가진 실린지를 이용하여 1% w/v 염화 칼슘(CaCl2) 250 mL에 천천히 주입하고 25℃에서 20분 동안 반응시켰다. 마지막으로, 비드의 불순물 제거를 위해 여러 번 증류수로 세척하였고, 25℃ 진공오븐에서 24시간 동안 건조하여 알지네이트 비드를 제조하였다.For recovery of the adsorbent after radioactive wastewater treatment, sodium alginate (C 6 H 9 NaO 7 ) was used to synthesize biochar powder as a bead-type adsorbent. 1.5% w/v sodium alginate (C 6 H 9 NaO 7 ) 2.5g biochar powder was added to 50 mL and stirred at 30° C. for 5 minutes. After stirring, the obtained mixture was slowly injected into 250 mL of 1% w/v calcium chloride (CaCl 2 ) using a syringe with a needle having a thickness of 17G, and reacted at 25° C. for 20 minutes. Finally, the beads were washed with distilled water several times to remove impurities, and dried in a vacuum oven at 25° C. for 24 hours to prepare alginate beads.

비교예 1 - 분말 활성탄(AC powder)Comparative Example 1 - Powdered activated carbon (AC powder)

종래 상용화된 분말 활성탄(덕산, Activated carbon powder)을 준비하였다.Conventionally commercialized powdered activated carbon (Deoksan, Activated carbon powder) was prepared.

비교예 2 - 입상 활성탄(AC granule)Comparative Example 2 - Granular activated carbon (AC granule)

종래 상용화된 입상 활성탄(덕산, Activated carbon granule)을 준비하였다.Conventionally commercialized granular activated carbon (Deoksan, Activated carbon granule) was prepared.

<결과 및 평가><Results and evaluation>

열분해 온도 조건에 따른 제거율 및 선택성Removal rate and selectivity according to pyrolysis temperature conditions

물 속의 방사성 핵종에 대한 흡착 특성을 확인하기 위하여 열분해 온도 조건을 달리하여 제조한 바이오차-알지네이트 비드의 방사성 핵종 제거율을 측정하였다. In order to confirm the adsorption characteristics for radionuclides in water, the radionuclide removal rate of biochar-alginate beads prepared under different thermal decomposition temperature conditions was measured.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차의 열분해 온도에 대한 방사성 핵종 제거 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 열분해 온도 및 대상 방사성 핵종에 따른 결과를 그래프로 나타내었다. 도 3을 참고하여 설명하면, 열분해 온도에 따라 450℃에서 세슘 52.28%, 스트론튬 71.32%, 코발트 85.59%, 600℃에서 세슘 35.30%, 스트론튬 58.10%, 코발트 93.29%, 750℃에서 세슘 19.60%, 스트론튬 50.25%, 코발트 99.74%의 제거율을 확보할 수 있었고, 열분해 온도에 따라 제거율이 변화함을 확인하였다. 특히 세슘 및 스트론튬에 비하여 코발트에 대한 높은 제거율을 가져, 코발트를 선택적으로 흡착할 수 있음을 확인하였다.3 is a graph showing the results of a radionuclide removal experiment with respect to the thermal decomposition temperature of biochar according to an embodiment of the present invention. Results according to the pyrolysis temperature and the target radionuclide are shown in a graph. Referring to FIG. 3 , depending on the thermal decomposition temperature, cesium 52.28%, strontium 71.32%, cobalt 85.59%, cesium 35.30% at 600°C, strontium 58.10%, cobalt 93.29%, cesium 19.60%, strontium at 750°C, depending on the thermal decomposition temperature Removal rates of 50.25% and 99.74% of cobalt could be secured, and it was confirmed that the removal rate changed according to the pyrolysis temperature. In particular, it has a higher removal rate for cobalt than cesium and strontium, and it was confirmed that cobalt can be selectively adsorbed.

이후 코발트 제거 능력이 우수한 750℃에서 열분해된 메밀껍질 바이오차를 이용하여 실험을 진행 및 결과를 확인하였다.Thereafter, the experiment was conducted and the results were confirmed using buckwheat hull biochar pyrolyzed at 750° C., which has excellent cobalt removal ability.

바이오차-알지네이트 비드의 구조Structure of biochar-alginate beads

(1)평균 직경(1) Average diameter

합성된 바이오차 비드의 직경은 버니아 캘리퍼를 이용하여 50개의 비드를 측정하여 평균값을 기준으로 확인하였다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이오차-알지네이트 비드의 구조 사진이다. 도 4의 (a)는 바이오차-알지네이트 비드 사진, (b)바이오차-알지네이트 비드의 실제 크기를 나타내는 사진이다. 도 4를 참고하여 설명하면, 본 발명에 따른 비드는 건조과정을 포함하여 직경이 5mm 이하로 나타났고, 제조된 바이오차-알지네이트 비드의 평균 직경은 약 2mm인 것을 확인하였다.The diameter of the synthesized biochar beads was confirmed based on the average value by measuring 50 beads using a vernia caliper. 4 is a structural photograph of biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention. 4 (a) is a photograph of biochar-alginate beads, and (b) a photograph showing the actual size of biochar-alginate beads. Referring to FIG. 4 , it was confirmed that the diameter of the beads according to the present invention was 5 mm or less including the drying process, and the average diameter of the prepared biochar-alginate beads was about 2 mm.

(2)표면 기능기(2) Surface functional group

합성된 메밀껍질 바이오차의 표면 기능기를 확인하기 위하여 적외선 분광광도계(FT-IR)을 실시하였다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 바이오차의 표면에 대한 FT-IR 분석 그래프이다. 도 5의 (a)는 450℃에서 열분해된 바이오차, (b)는 600℃에서 열분해된 바이오차, (c)는 750℃에서 열분해된 바이오차의 FT-IR 분석 그래프이다. 도 5를 참고하여 설명하면, 3455 cm-1에서 -OH, 2917과 2850 cm-1에서 C-H, 1650 cm-1에서 C-C, 1086 cm-1에서 CO3 2-, 480과 557 cm-1 사이에서 SiO2가 피크로 확인되었다. 나아가 바이오차 열분해 온도가 증가함에 따라 표면 기능기의 피크가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.In order to confirm the functional groups on the surface of the synthesized buckwheat hull biochar, infrared spectrophotometry (FT-IR) was performed. 5 is an FT-IR analysis graph of the surface of biochar according to an embodiment of the present invention. Fig. 5 (a) is an FT-IR analysis graph of biochar pyrolyzed at 450°C, (b) biochar pyrolyzed at 600°C, and (c) biochar pyrolyzed at 750°C. 5, 3455 cm -1 at -OH, 2917 and 2850 cm -1 at CH, 1650 cm -1 at CC, 1086 cm -1 at CO 3 2- , 480 and 557 cm -1 between SiO 2 was confirmed as a peak. Furthermore, it was confirmed that the peak of the surface functional group decreased as the pyrolysis temperature of the biochar increased.

(3)표면 결합구조(3) Surface bonding structure

메밀껍질 바이오차가 고정화된 알지네이트 비드의 결합 구조를 확인하기 위하여 X선 회절분석(XRD)을 실시하였다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차 분말 및 바이오차-알지네이트 비드의 XRD 분석 결과이다. 도 6을 참고하여 설명하면, 24o와 43o에서 바이오차에서 주로 발견되는 크고 넓은 피크가 나타났고, 알지네이트와 고정함에 따라 15o와 22.5o에서 알지네이트 분자 사슬에 의한 피크를 관찰하여 메밀껍질 바이오차와 알지네이트가 합성이 잘 되었음을 확인할 수 있었다. X-ray diffraction analysis (XRD) was performed to confirm the binding structure of the alginate beads immobilized with buckwheat hull biocha. 6 is an XRD analysis result of biochar powder and biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, large and broad peaks mainly found in biochar were observed at 24 o and 43 o , and peaks due to alginate molecular chains were observed at 15 o and 22.5 o as they were fixed with alginate. It was confirmed that tea and alginate were well synthesized.

또한 메밀껍질 바이오차 분말과 합성된 비드는 불규칙한 비결정성 구조임을 확인할 수 있었다. 비드의 표면 구조는 전계방사형 주사전자현미경을 이용해 확인하였다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차 분말 및 비드의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다. 도 7을 참고하여 설명하면, 메밀껍질 바이오차 분말(powder)와 비드 모두 표면에 다양한 크기의 기공을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 바이오차 비드는 알지네이트와 합성 과정을 통해 표면 기공이 덮어져 기공이 상대적으로 줄어든 것을 확인하였다. 기공 구조를 통하여 수중의 코발트 이온은 비드를 다각도로 통과할 수 있고, 큰 비표면적을 가져 흡착 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.In addition, it was confirmed that the buckwheat hull biochar powder and the synthesized beads had an irregular amorphous structure. The surface structure of the beads was confirmed using a field emission scanning electron microscope. 7 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of biochar powder and beads according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7 , it was confirmed that both the buckwheat hull biochar powder and the beads had pores of various sizes on the surface. In particular, it was confirmed that the pores of the biochar beads were relatively reduced because the surface pores were covered through the synthesis process with alginate. Through the pore structure, it was confirmed that cobalt ions in water can pass through the beads in various angles and have a large specific surface area to improve the adsorption efficiency.

코발트 흡착능력Cobalt adsorption capacity

본 발명에 따른 바이오차-알지네이트 비드의 코발트 흡착능력을 확인하기 위하여 흡착 후 표면기능기 변화, 용액 내 pH와 방출된 칼슘 이온의 변화를 관찰하였다. 750℃로 열분해하여 합성한 바이오차를 이용하여 물속의 방사성 핵종에 대한 흡착 실험(농도: 1mg/L, 온도: 25℃, 흡착제양: 5g/L)을 진행하였다.In order to confirm the cobalt adsorption capacity of the biochar-alginate beads according to the present invention, changes in surface functional groups, pH in the solution, and released calcium ions were observed after adsorption. An adsorption experiment (concentration: 1 mg/L, temperature: 25°C, adsorbent amount: 5 g/L) for radionuclides in water was performed using biochar synthesized by thermal decomposition at 750°C.

도 5의 (d)는 750℃에서 열분해된 바이오차가 코발트와 흡착한 후의 FT-IR 분석 그래프이다. 도 5의 (d)를 참고하면, 코발트 흡착 후 -OH, C-H, C-C 등의 작용기가 약화되었다. 이는 코발트 이온이 표면 작용기와 결합한 표면 착화(Surface complexation)에 기인한 것이었다. 또한 흡착 후 CO3 2- 작용기가 강화되고, SiO2 작용기가 응축되고 왼쪽으로 이동하였다. 이는 위와 같은 작용기가 코발트 이온과 결합해 바이오차 표면에 공동 침전(Co-precipitation)하였기 때문으로, 코발트의 흡착능력이 우수함을 확인할 수 있었다.FIG. 5(d) is an FT-IR analysis graph after the biochar decomposed at 750° C. is adsorbed with cobalt. Referring to FIG. 5(d), functional groups such as -OH, CH, CC were weakened after cobalt adsorption. This was due to surface complexation in which cobalt ions were combined with surface functional groups. In addition, after adsorption, the CO 3 2- functional group was strengthened, and the SiO 2 functional group was condensed and moved to the left. This is because the above functional groups were combined with cobalt ions and co-precipitated on the surface of the biochar, confirming the excellent cobalt adsorption capacity.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차가 코발트와 흡착한 후의 용액 pH와 방출된 칼슘 이온의 농도를 나타낸 그래프이다. 도 8을 참고하여 설명하면, pH 7에서부터 코발트 이온이 수산화 코발트(Co(OH)2)을 형성하여 표면 침전(Surface precipitation)함을 확인할 수 있었고, 칼슘 이온과 수중 양이온의 교환으로 코발트를 흡착함에 따라 칼슘 이온을 배출함을 확인하였다. 이를 통해 코발트 이온에 대하여 높은 양이온 교환 능력(Cation exchange)을 가진 것을 확인할 수 있었다.8 is a graph showing a solution pH and a concentration of released calcium ions after biochar according to an embodiment of the present invention is adsorbed with cobalt. Referring to FIG. 8, it was confirmed that cobalt ions form cobalt hydroxide (Co(OH) 2 ) from pH 7 and surface precipitation. It was confirmed that calcium ions were discharged accordingly. Through this, it was confirmed that the cobalt ion had a high cation exchange capacity (cation exchange).

또한 종래 사용된 분말 활성탄, 입상 활성탄과 비교하여 우수한 코발트 흡착능력을 확인할 수 있었다. 도 9는 본 발명의 실시예 또는 비교예에 따른 흡착제의 코발트 흡착능력을 나타낸 그래프이다. 도 9를 참고하여 설명하면, 메밀껍질 바이오차를 고정한 본 발명에 따른 바이오차-알지네이트 비드의 경우, 코발트에 대하여 95.96%의 제거율을 보였다. 반면 비교예 1의 경우(분말 활성탄) 93.38%, 비교예 2의 경우(입상 활성탄) 76.37%의 코발트 제거율을 보였다. 이를 통해 본 발명에 따른 바이오차-알지네이트 비드의 높은 코발트 흡착 능력을 확인할 수 있었다.In addition, it was possible to confirm the superior cobalt adsorption capacity compared to the conventionally used powdered activated carbon and granular activated carbon. 9 is a graph showing the cobalt adsorption capacity of an adsorbent according to an embodiment or a comparative example of the present invention. Referring to FIG. 9 , the biochar-alginate beads according to the present invention fixed with buckwheat hull biochar showed a removal rate of 95.96% with respect to cobalt. On the other hand, the cobalt removal rate was 93.38% in Comparative Example 1 (powder activated carbon) and 76.37% in Comparative Example 2 (granular activated carbon). Through this, it was possible to confirm the high cobalt adsorption capacity of the biochar-alginate beads according to the present invention.

회수성recoverability

바이오차 분말(powder)을 이용한 물 속의 방사성 핵종 제거는 바이오차 분말이 물 속에서 쉽게 분산하는 특성으로 인해 분리 및 회수의 어려움이 있다. 이에 본 발명에 따른 바이오차-알지네이트 비드의 회수 용이성을 확인하였다.Removal of radionuclides in water using biochar powder has difficulties in separation and recovery due to the property that biochar powder is easily dispersed in water. Accordingly, the ease of recovery of the biochar-alginate beads according to the present invention was confirmed.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차-알지네이트 비드를 이용한 고정층 흡착 반응기와 회수 체(net)를 나타낸 모식도이다. 또한 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 바이오차 분말 및 바이오차-알지네이트 비드의 수용액 내 분산도를 나타낸 사진이다.10 is a schematic diagram showing a fixed bed adsorption reactor and a recovery sieve (net) using biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention. 11 is a photograph showing the degree of dispersion in aqueous solution of biochar powder and biochar-alginate beads according to an embodiment of the present invention.

도 10 및 도 11을 참고하여 설명하면, 본 발명에 따른 바이오차-알지네이트 비드는 기존의 분말 형태와 달리 알지네이트에 바이오차 분말을 고정하여 형태를 갖춤에 따라 체를 이용하여 대규모 공정에서도 간단하게 폐기물을 고효율로 회수할 수 있는 특징이 있다.10 and 11, the biochar-alginate beads according to the present invention have a shape by fixing the biochar powder to alginate, unlike the conventional powder form. It has the characteristic of being able to recover with high efficiency.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing has outlined rather broadly the features and technical advantages of the present invention in order to better understand the claims of the present invention. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (5)

방사성 폐수 중의 핵종을 흡착하는 흡착제 비드로서,
알지네이트(alginate); 및
상기 알지네이트에 고정된 메밀껍질 바이오차(buckwheat hull-based biochar);를 포함하고,
표면은 CO3 2- 및 SiO2 작용기를 가지며, 불규칙한 비결정이며 다공성인 것을 특징으로 하는 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드.
An adsorbent bead for adsorbing nuclides in radioactive wastewater, comprising:
alginate; and
Including; buckwheat hull-based biochar fixed to the alginate;
The surface has a CO 3 2- and SiO 2 functional groups, characterized in that irregular amorphous and porous biochar for removal of radionuclides in water-alginate beads.
제 1 항에 있어서,
상기 핵종은 세슘, 스트론튬, 코발트 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드.
The method of claim 1,
The nuclide is cesium, strontium, biochar for removing radionuclides in water, characterized in that any one of cobalt-alginate beads.
제 1 항에 있어서,
상기 메밀껍질 바이오차는 칼슘 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드.
The method of claim 1,
The buckwheat husk biochar biochar for removing radionuclides in water, characterized in that it contains calcium ions-alginate beads.
제 1 항에 있어서,
상기 바이오차-알지네이트 비드는,
그 입자 직경이 1 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 수중 방사성 핵종 제거용 바이오차-알지네이트 비드.
The method of claim 1,
The biochar-alginate beads,
Biochar for removing radionuclides in water, characterized in that the particle diameter is 1 to 5mm - alginate beads.
알지네이트(alginate) 및 상기 알지네이트에 고정된 메밀껍질 바이오차(buckwheat hull-based biochar)를 포함하고, 표면은 CO3 2- 및 SiO2 작용기를 가지며, 불규칙한 비결정이며 다공성인 바이오차-알지네이트 비드를 준비하는 제1단계;
상기 바이오차-알지네이트 비드를 방사성 폐수에 투입하여 방사성 핵종을 흡착하는 제2단계; 및
체(net)를 이용하여 상기 방사성 핵종을 흡착한 바이오차-알지네이트 비드를 회수하는 제3단계;를 포함하는 수중 방사성 핵종 제거방법.
Contains alginate and buckwheat hull-based biochar fixed to the alginate, the surface has CO 3 2- and SiO 2 functional groups, irregular amorphous and porous biochar-alginate beads are prepared the first step;
a second step of adsorbing radionuclides by injecting the biochar-alginate beads into radioactive wastewater; and
A method of removing radionuclides from underwater, comprising a third step of recovering the biochar-alginate beads adsorbed with the radionuclide using a sieve (net).
KR1020190157902A 2019-12-02 2019-12-02 Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same KR102314371B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190157902A KR102314371B1 (en) 2019-12-02 2019-12-02 Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190157902A KR102314371B1 (en) 2019-12-02 2019-12-02 Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210068646A KR20210068646A (en) 2021-06-10
KR102314371B1 true KR102314371B1 (en) 2021-10-18

Family

ID=76377925

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190157902A KR102314371B1 (en) 2019-12-02 2019-12-02 Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102314371B1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102582288B1 (en) * 2021-08-13 2023-09-25 경상국립대학교산학협력단 Organic waste-based nanoporous carbon composite, method for manufacturing the same and method for separating isotope mixture using the same
CN115739033A (en) * 2022-09-23 2023-03-07 齐鲁工业大学 Carbon material sodium alginate gel ball based on furfural residues, preparation method and application
CN116832774B (en) * 2023-07-03 2024-02-20 上海交通大学 Biomass-derived carbon particles and preparation method and application thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101409721B1 (en) * 2013-01-31 2014-06-20 광운대학교 산학협력단 Biochar-Alginate bead for removal of heavy metal using biochar powder and the method of manufacturing the same

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150028654A (en) * 2013-09-06 2015-03-16 주식회사 포이엔 Biochar beads for removing heavy metals of soil and method for manufacturing the same
KR101506094B1 (en) 2013-10-30 2015-03-26 울산대학교 산학협력단 Heavy Metal Adsorbent Using Biochar-Alginate Capsule, Preparation Method Thereof and Removal Method ofHeavy Metal in Aqueous Solution Using the Same
KR101633387B1 (en) * 2014-10-29 2016-06-27 한국원자력연구원 Alginate absorbent having probe materials for radionuclides and preparation method thereof

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101409721B1 (en) * 2013-01-31 2014-06-20 광운대학교 산학협력단 Biochar-Alginate bead for removal of heavy metal using biochar powder and the method of manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210068646A (en) 2021-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2019201715B2 (en) Organic-inorganic composite material for removal of anionic pollutants from water and process for the preparation thereof
KR102314371B1 (en) Alginate beads having buckwheat hull biochar and radionuclide removal method using the same
Fouda-Mbanga et al. Carbohydrate biopolymers, lignin based adsorbents for removal of heavy metals (Cd2+, Pb2+, Zn2+) from wastewater, regeneration and reuse for spent adsorbents including latent fingerprint detection: A review
Pinto et al. Biochar from carrot residues chemically modified with magnesium for removing phosphorus from aqueous solution
CN111203180B (en) Magnetic biochar composite adsorbent and preparation method and application thereof
Wang et al. Ammonium citrate-modified biochar: An adsorbent for La (III) ions from aqueous solution
US10118154B2 (en) Particulate sorption medium prepared from partially decomposed organic matter
US9649620B2 (en) Particulate sorption medium prepared from partially decomposed organic matter
KR20160054938A (en) Chicken manure biochar activated by phosphoric acid and method for removing lead using the same
US10173213B2 (en) Particulate medium prepared from partially decomposed organic matter for selective sorption between competing metal ions in aqueous solutions
KR101570130B1 (en) Multiple odor absorbents by using mixing the natural zeolite and method of fabricating the same
WO2005058482A1 (en) Adsorbents for removing heavy metals and methods for producing and using the same
Nnaji et al. Physicochemical conditions for adsorption of lead from water by rice husk ash
JP5430987B2 (en) High performance granulated coal
Lim et al. Buckwheat hull-derived biochar immobilized in alginate beads for the adsorptive removal of cobalt from aqueous solutions
CN109012585A (en) The preparation method of the modified cow dung base charcoal of the iron of perchlorate in Adsorption water
Choi et al. Conversion of organic waste to novel adsorbent for fluoride removal: efficacy and mechanism of fluoride adsorption by calcined venerupis philippinarum shells
WO2005061099A1 (en) Adsorbents for removing heavy metals and methods for producing and using the same
KR101534830B1 (en) Method for manufacturing acid or alkali and neuter adsorbents using aluminum by-product, and acid or alkali and neuter adsorbents
WO2017147384A1 (en) Particulate medium prepared from partially decomposed organic matter for selective sorption between competing metal ions in aqueous solutions
Acharya et al. Valorization of Agricultural Wastes as Low‐Cost Adsorbents Towards Efficient Removal of Aqueous Cr (VI)
Patel et al. Study of KOH impregnated jack fruit leaf based carbon as adsorbent for treatment of wastewater contaminated with nickel
KR101579795B1 (en) Method of Removing Cesium from Wastewater by the Solidified Sericite
CN112624247A (en) Method for removing boron and phosphorus in wastewater by coupling shell powder
Wang et al. Ion-imprinted macroporous polyethyleneimine incorporated chitosan/layered hydrotalcite foams for the selective biosorption of U (VI) ions

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant