KR102453558B1 - 방사성 화학 폐기물 처리 장치 및 방사성 화학 폐기물의 처리 방법 - Google Patents

방사성 화학 폐기물 처리 장치 및 방사성 화학 폐기물의 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 흡착 유닛; 및 상기 흡착 유닛과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛;을 포함하는 것인 방사성 화학 폐기물 처리 장치, 및 (A) 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착시켜 분리하는 단계; 및 (B) 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하는 단계;를 포함하는 것인 방사성 화학 폐기물의 처리 방법에 관한 것이다.

Description

방사성 화학 폐기물 처리 장치 및 방사성 화학 폐기물의 처리 방법{Apparatus for Treating Radioactive Chemical Waste And Method for Treating Radioactive Chemical Waste}
본 발명은 방사성 화학 폐기물 처리 장치 및 방사성 화학 폐기물의 처리 방법에 관한 것이다.
방사성 요오드 및/또는 방사성 세슘은 사용 후 핵연료를 포함하는 방사성 폐기물에 포함되어 있을 뿐 아니라 원자력 발전소의 사고 시 누출되기 쉬운 방사성 핵종이다. 원자력 발전소의 핵연료에 손상 핵연료가 발생할 시에는 손상 핵연료 내부에 존재하는 용해성 방사성 원소들이 1차 계통 냉각수에 녹아 들어가게 된다. 이 용해성 원소 중 방사성 요오드는 반감기가 몇 시간에서 2달 정도로 짧은 동위원소뿐만 아니라 천만년 이상 긴 I-129까지 다양하게 존재하며, 방사성 세슘 또한 반감기가 30년 이상으로 매우 길다.
이러한 방사성 요오드 및 방사성 세슘은 방사성이 높으며 인체 흡수성이 높기 때문에 냉각수 내부에서 꼭 제거되어야 한다. 특히, 방사성 요오드는 휘발성이 강해 원자력 발전소의 중대 사고 발생 시 대기 중으로 쉽게 날라가게 되므로, 방사성 요오드를 포집할 수 있는 시스템이 필요하다.
방사성 요오드를 포집하는 방법으로는 흡착 물질을 이용하는 방법이 일반적으로 이용되고 있으며, 예를 들어 활성탄과 같은 탄소계 물질, 은, 또는 백금을 이용하여 흡착하는 방법이 있다.
또한, 방사성 세슘을 포집하는 방법으로는 침전법, 액체-액체 추출법, 유기 이온 교환체를 이용한 이온교환법, 크로마토그래피법, 또는 흡착물질을 이용하는 방법 등이 있으며, 프러시안 블루 (Prussian blue, 또는 페로시안화 철)를 사용하여 세슘을 흡착하는 방법 등이 알려져 있다.
프러시안 블루(Prussian blue, 또는 페로시안화 철)는 철의 수화물로서 세슘의 반감기를 단축시키는 효과가 있어 세슘 피폭 시 이를 정제된 상태로 복용하는 경우에는 세슘에 의한 방사능 노출을 감소시키는 역할을 한다.
이와 같이, 방사성 요오드 및/또는 방사성 세슘을 제거하기 위하여 다양한 연구가 이루어 지고 있으나, 종래의 방법들은 선택적, 고효율로 흡착하는데 한계가 있으며, 흡착 물질을 재사용 할 수 없다는 한계가 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하며, 방사성 화학 폐기물을 선택적 및/또는 고효율로 처리하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위해 고안된 것으로서, 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체(폐수 또는 기체를 포함)로부터 방사성 화학 폐기물을 선택적으로 흡착하여 제거하기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 흡착 유닛; 및 방사성 화학 폐기물이 흡착된 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛을 포함하는 방사성 화학 폐기물의 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 방사성 화학 폐기물을 선택적으로 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착하여 제거하고, 다시 위와 같은 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 방사성 화학 폐기물의 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 흡착 유닛; 및 상기 흡착 유닛과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛;을 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, (A) 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착시켜 분리하는 단계; 및 (B) 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하는 단계;를 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물의 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 방사성 화학 폐기물 처리 장치 및 처리 방법에 따르면, 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 제거하기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 소정의 흡착제를 이용함에 따라 방사성 화학 폐기물(예를 들어, 방사성 요오드, 또는 방사성 세슘 등)을 선택적으로 높은 효율로 흡착할 수 있다.
또한, 본 발명은 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 흡착되어 있는 방사성 화학 폐기물을 탈착해 내어 회수, 재생하여 재사용할 수 있음에 따라, 기존의 흡착 부재와는 달리 별도의 장치, 장비의 교환, 추가 등이 없이 재생 가능하면서도, 선택적 및 고효율의 방사성 화학 폐기물의 처리가 가능한 효과가 있다.
나아가 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 탈착되어 회수된 방사성 화학 폐기물은 소정의 액체에 농축시켜 분리, 제거시킴으로써, 방사성 화학 폐기물의 부피 감용이라는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방사성 화학 폐기물의 처리 방법을 개략적으로 나타낸 도시이다.
도 4는 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재의 합성 후 이미지이다.
도 5는 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재에 대한 TEM 이미지 및 EDS 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 6은 제조예 2의 Ni@Pt 흡착 부재에 대한 SEM 이미지 및 EDS 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 7은 제조예 5의 Ni@PB/Pt 흡착 부재에 대한 SEM 이미지 및 EDS 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 8은 실험예 1에 따른 Fe@Pt 흡착 부재의 소결 전(a)/후(b)의 TEM 이미지를 나타낸 도시이다.
도 9는 실험예 1에 따른 Fe@Pt 흡착 부재의 소결 온도에 따른 XRD 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 10은 실험예 2에 따라 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 11은 실험예 2에 따라 제조예 2의 Ni@Pt 흡착 부재에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 12는 실험예 2에 따라 제조예 5의 Ni@PB/Pt 흡착 부재에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 13은 실험예 2에 따라 제조예 4의 Fe@Pd 흡착 부재에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 14는 실험예 3에 따라 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재의 요오드 흡착 여부를 확인한 결과를 나타낸 도시이다.
도 15는 실험예 4에 따라 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액에서의 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재의 흡착 전/후에 따른 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 16은 실험예 4에 따라 0.1 mM I2 / 0.1 M NaClO4 용액에서의 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재의 흡착 전/후에 따른 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 17은 실험예 4에 따라 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액에서의 제조예 2의 Ni@Pt 흡착 부재의 흡착 전/후에 따른 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 18은 실험예 4에 따라 0.1 mM I2 / 0.1 M NaClO4 용액에서의 제조예 2의 Ni@Pt 흡착 부재의 흡착 전/후에 따른 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 19는 실험예 4에 따라 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액에서의 제조예 3의 Co@Pt 흡착 부재의 흡착 전/후에 따른 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 20은 실험예 4에 따라 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액에서의 제조예 4의 Fe@Pd 흡착 부재의 흡착 전/후에 따른 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 21은 실험예 4에 따라 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액에서의 제조예 5의 Ni@PB/Pt 흡착 부재의 흡착 전/후에 따른 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 나타낸 도시이다.
도 22는 실험예 5에 따라 소결 후의 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재를 이용한 흡/탈착 반복 실험 후 흡/탈착율을 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 23은 실험예 6에 따라 요오드 화합물의 흡착 여부에 따른 전극의 선형훑기전압전류 실험 결과를 나타낸 도시이다.
도 24는 실험예 7에 따라 니켈 프러시안 블루 흡착 부재를 이용하여 세슘 이온(Cs+) 흡착 및 해리에 따른 순환전압전류 실험 결과를 나타낸 도시이다.
도 25는 실험예 8에 따라 니켈 프러시안 블루가 코팅 된 탄소 전극을 이용한 세슘 이온의 전기화학적 회수에 따른 세슘의 농도를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
도 26은 실험예 9에 따른 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 제작한 개략적인 도시이다.
도 27은 실험예 9에 따른 흡착/탈착 실험 결과 회수된 처리 유체 및 농축 유체에 대한 이미지를 나타낸 도시이다.
도 28은 실험예 10에 따른 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 제작한 개략적인 도시이다.
도 29는 실험예 11에 따라 방사성 화학 폐기물 처리 장치 내의 요오드의 농도에 따른 전위를 측정한 결과를 나타낸 도시이다.
이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 방사성 화학 폐기물 처리 장치
본 발명은 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 제공한다.
상기 방사성 화학 폐기물 처리 장치는, 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체(폐수 또는 기체를 포함)로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 흡착 유닛; 및 상기 흡착 유닛과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛;을 포함하는 것일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 나타낸 도시이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 상기 방사성 화학 폐기물 처리 장치(100)는 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)를 포함하는 흡착 유닛(10), 및 상기 흡착 유닛(10)과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛(20)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물은 방사성 감쇠 물질을 포함하고 있는 폐기물을 의미하는 것으로서, 일반적으로는 핵분열과 같은 핵반응에서 부산물로 생성되지만, 원자력 산업과 직접적인 관련이 없는 산업에서도 발생할 수 있으며, 이러한 방사성 화학 폐기물은 여러가지 방사성 동위원소를 포함하는 폐기물일 수 있다.
방사성 동위원소(방사성 핵종)란 붕괴하면서 전리 방사선을 방출하여 인간과 환경에 해로울 수 있는 불안정한 배열의 원소들을 의미할 수 있다.
구체적으로 상기 방사성 화학 폐기물은 방사성 동위원소를 포함하는 폐기물, 또는 방사성 동위원소를 포함하는 개념으로 이해될 수 있고, 또는 상기 방사성 화학 폐기물은 그 중에서도 방사성 요오드 및 방사성 세슘 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물을 함유하는 유체는 일반적으로는 액체 또는 기체를 의미하는 것으로서, 반드시 액체 또는 기체이어야만 하는 것은 아니고, 흐르는 성질을 가지는 모든 물질을 포함하는 것이며, 구체적으로는 상기 유체는 폐액 또는 기체를 포함할 수 있고, 상기 폐액은 폐수를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 흡착 유닛(10)에 포함되는 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)는 상기 방사성 화학 폐기물을 함유하는 유체로부터 방사성 화학 폐기물을 흡착하기 위한 부재로서, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)는 지지체 및 흡착제를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 흡착제는 상기 지지체 중에 혼합 또는 분산되어 있을 수도 있고, 또는 상기 지지체의 적어도 일부의 표면에 포함되어 있는 것일 수도 있다. 상기 지지체 중에 흡착제를 혼합 또는 분산시키는 방법, 또는 상기 지지체의 적어도 일부의 표면에 흡착제를 형성(코팅)하는 방법은 공지의 방법을 이용할 수 있다.
상기 지지체는 상기 흡착제를 고정시켜주는 부재로서, 메쉬상 또는 나노입자상의 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 지지체는 철, 마그네타이트, 니켈, 코발트 및 이들의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나, 또는 철, 마그네타이트, 니켈, 코발트 및 이들의 합금의 산화물 등을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 지지체는 자성(magnetic)을 가지는 것일 수 있다. 즉 상기 메쉬상의 지지체는 자성을 가지는 메쉬상의 지지체일 수 있고, 또는 상기 나노입자상의 지지체는 자성 나노입자상의 지지체일 수 있다.
이 때 상기 나노입자는 그 입자크기(반지름 또는 두께)가 약 0.1 ㎚ 내지 500 ㎚까지 다양하며, 판상, 침상, 구상, 찌그러진 구상, 반구상 등 다양한 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 나노입자의 합성 조건에 따라 형성되는 입자의 형상 및 크기를 다양하게 변화시킬 수 있으며, 그 합성 방법으로는 산화환원치환법, 수열 합성법, 공침법, 또는 열 분해법 등의 공지의 기술을 이용할 수 있다. 상기 메쉬의 경우에도 필요한 조건에 따라 다양한 치수의 메쉬를 이용할 수 있으며, 판형, 선형, 스폰지형 등 다양한 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 흡착제는 상기 방사성 화학 폐기물을 직접적으로 흡착시킬 수 있는 물질로서, 상기 흡착제는 주기율표 제8족, 제9족 및 제10족에 속하는 원소 중에서, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir)으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 의미하는 백금족 금속 (platinum group metals) 및 이들의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 흡착제는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 또는 이리듐(Ir)의 백금족 금속을 포함하는 것일 수 있다.
상기 흡착제는 프러시안 블루 (Prussian blue)를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 흡착제에 적어도 하나의 백금족 금속 및 프러시안 블루를 포함하는 경우에는, 전술한 것과 같이 상기 지지체 중에 흡착제를 혼합 또는 분산시키는 방법, 또는 상기 지지체의 적어도 일부의 표면에 흡착제를 형성(코팅)하는 방법은 공지의 방법을 이용할 수 있다.
상기 흡착제로 적어도 하나의 백금족 금속 및 이들의 합금을 포함하는 경우에는 방사성 요오드를 선택적으로 흡착시킬 수 있으며, 그 중에서도 선택성이 높은 백금(Pt)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 흡착제로 프러시안 블루를 포함하는 경우에는 방사성 세슘을 선택적으로 흡착시킬 수 있다. 또한, 상기 적어도 하나의 백금족 금속 및 프러시안 블루가 혼합되어 코팅되어 있는 경우에는 유체 내의 방사성 요오드 및 방사성 세슘을 동시에 흡착시킬 수 있다.
상기 흡착은 상기 흡착제의 표면에 상기 방사성 화학 폐기물이 부착(adhesion)되어 있는 현상을 포함하는 개념으로서, 물리적인 흡착, 화학적인 흡착, 또는 전기화학적인 흡착(정전기적 인력 등) 등을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)는 50 ℃ 내지 900 ℃로 소결된 후, 피라나 용액 (예를 들어, 황산:과산화수소=3:1의 비율로 혼합), 질산, 황산 및 염산 중에서 선택되는 적어도 하나의 용액으로 세척하여 탈합금(dealloy)된 것을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로는 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)는 200 ℃ 내지 900 ℃로 소결된 것일 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)를 소결하기 전에는 상기 흡착 부재의 지지체 중에 흡착제가 적어도 일부의 영역에 듬성듬성 (성기게) 혼합 또는 분산되어 있는 형태이거나, 또는 지지체 상에 흡착제가 듬성듬성 (성기게) 형성(코팅)되어 있는 형태일 수 있다. 이후 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)를 소결하게 되면, 상기 지지체 상에 혼합, 분산, 또는 형성된 흡착제가 녹아서 서로 뭉치고 결정화가 진행되어서 상기 지지체의 대부분의 영역에 혼합, 분산, 또는 형성(코팅)될 수 있다.
특히 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)를 소결하는 경우에는, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하는 과정에서, 흡착제가 지지체로부터 탈리되는 것을 방지할 수 있는 효과가 더해질 수 있다.
또한 상기 방사성 화학 폐기물 처리 장치는 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)를 상기 흡착 유닛의 내부에 고정시키기 위해 자성 기판을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 자성 기판은 페라이트, 합금 등의 자성체를 소결하여 형성되는 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 자성을 가지는 기판이기만 하면 제한없이 이용할 수 있다.
상기 재생 유닛(20)은 상기 흡착 유닛(10)과 유체 연통되어서, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 전기화학적으로 반응 (산화 또는 환원)하면서 탈착시키기 위한 탈착 부재를 포함하는 것일 수 있다.
상기 탈착 부재는 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)를 작용 전극으로 하는 삼전극 시스템 (three electrode system)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 삼전극 시스템이란 기준 전극 (reference electrode, 320), 상대 전극 (counter electrode, 310) 및 작용 전극 (working electrode)이 전해질 내에 담지 되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 탈착 부재 중 상대 전극(310) 및 기준 전극(320)은 제2 수용부(300)에 위치할 수 있고, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)가 작용 전극으로서 기능을 하여 상기 제1 수용부(200)에 위치할 수 있으며, 상기 탈착 부재는 방사성 화학 폐기물을 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)로부터 탈착시키는 것을 특징으로 한다. 상기 탈착이란 상기 흡착 부재로부터 방사성 화학 폐기물이 떨어져나가는 것을 의미하며, 물리적인 탈착, 화학적인 탈착, 또는 전기화학적인 탈착도 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 상기 탈착이란 흡착된 물질 또는 흡착제가 산화 또는 환원되어 탈착되는 것도 포함할 수 있고, 또는 상기 탈착은 최종적으로 해리되어 분리되는 것도 포함할 수 있다.
이 때, 상기 탈착 부재는 상기 작용 전극에 전위를 가하기 위하여 포텐시오스탯 (potentiostat, 330)을 더 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 포텐시오스탯(330)은 전기화학 계측기 중의 하나로서, 상기 작용 전극의 전위를 일정 수준으로 유지하도록 작동될 수 있으며, 상기 상대 전극(310), 상기 기준 전극(320) 및 상기 작용 전극을 전기적으로 연결하는 것으로서, 포텐시오스탯(330)을 이용하여 전위를 가함으로써 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)는 작용 전극의 기능을 수행하여 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)에 흡착되어 있는 방사성 화학 폐기물을 흡착 부재로부터 탈착시킬 수 있다.
또한, 상기 재생 유닛(20)은 상기 흡착 유닛(10) 중의 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)로부터 탈착되는 상기 방사성 화학 폐기물이 유입되는 것을 방지하기 위한 제1 분리막 유닛(240)을 더 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로 상기 제1 분리막 유닛(240)은 상기 제1 수용부(200)와 상기 제2 수용부(300) 사이에 위치하여서, 상기 제1 수용부(200)와 상기 제2 수용부(300)을 물리적 또는 화학적으로 분리하거나, 상기 상대 전극(310) 및 기준 전극(320)과 상기 작용 전극을 물리적 또는 화학적으로 분리하는 역할을 할 수 있다.
상기 제1 수용부(200) 및 상기 제2 수용부(300)는 서로 유체 연통되어 있는 것으로서, 상기 제1 수용부(200) 및 상기 제2 수용부(300) 사이에 상기 제1 분리막 유닛(240)을 포함하지 않는 경우, 상기 작용 전극으로부터 분리되어 나온 방사성 화학 폐기물이 상기 상대 전극(310) 및 상기 기준 전극(320)이 포함된 제2 수용부로 유입되어 흡착될 수 있으며, 이로 인하여 상기 상대 전극(310) 및 상기 기준 전극(320)이 오염되는 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라, 상기 재생 유닛(20)은 상기 제1 수용부(200) 및 상기 제2 수용부(300) 사이에 상기 제1 분리막 유닛(240)을 포함함으로써 방사성 화학 폐기물 함유 유체 내에 포함되어 있는 불순물이 상기 재생 유닛(20)으로 이동하는 것을 방지할 수 있으며, 방사성 화학 폐기물 농축 유체에 포함되어 있는 방사성 화학 폐기물인 방사성 요오드 또는 방사성 세슘이 상기 상대 전극(310) 및 상기 기준 전극(320)으로 유입되어 흡착되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 제1 분리막 유닛(240)에 포함되는 분리막의 형태, 재질 및/또는 종류에 제한은 없으며, 상기 제1 수용부(200) 및 제2 수용부(300) 사이에 배치되어 요오드 이온 또는 세슘 이온의 이동을 방지하고 불순물의 이동을 방지할 수 있는 것이기만 하면 제한없이 사용할 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물 처리 장치는, 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체가 상기 흡착 유닛(10)으로 유입되도록 형성된 유체 유입부(210), 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)에 의해 상기 방사성 화학 폐기물이 제거된 처리 유체를 배출하는 처리 유체 배출부(250) 및 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)로부터 탈착된 방사성 화학 폐기물이 함유된 방사성 화학 폐기물 농축 유체를 배출하는 농축 유체 배출부(260)를 더 포함할 수 있다.
이 때 상기 유체 유입부(210), 처리 유체 배출부(250), 및/또는 농축 유체 배출부(260)는 펌프 또는 밸브를 더 포함할 수 있어서, 각각의 부재에서 유량, 유압 등을 조절하거나, 유체가 역류하는 것을 방지할 수 있다.
또한 상기 흡착 유닛(10)을 수용하기 위한 제1 수용부(200)를 포함할 수 있고, 구체적으로 상기 유체 유입부(210)는 상기 제1 수용부(200)의 일측면의 상부(중력 방향 기준)에 위치할 수 있어서, 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체는 상기 유체 유입부(210)를 통해서 상기 제1 수용부(200)로 유입될 수 있다.
상기 제1 수용부(200)는 교반기(230)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로는 상기 교반기(230)는 제1 수용부(200) 내에 수용된 방사성 화학 폐기물 함유 유체로부터 방사성 화학 폐기물을 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)에 흡착하는 동안 제1 수용부(200) 내의 유체를 교반함으로써, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)와 유체 내의 방사성 화학 폐기물의 접촉을 용이하게 하여 흡착 효율을 높일 수 있다.
상기 처리 유체 배출부(250)는 상기 흡착 유닛(10)에서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)에 흡착이 완료되어 방사성 화학 폐기물이 제거된 처리 유체를 배출하기 위한 것으로, 상기 제1 수용부(200)의 일측면에 위치할 수 있으며, 구체적으로는 상기 유체 유입부(210)보다 하부(중력 방향 기준)에 위치할 수 있고, 상기 흡착 유닛(10)의 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)의 상부(중력 방향 기준) 또는 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)보다 상부(중력 방향 기준)에 위치할 수 있다.
상기 처리 유체 배출부(250)가 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)의 상부 또는 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)보다 상부에 위치하는 경우에는, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)를 재생 유닛의 삼전극 시스템 중 작용 전극으로 이용할 때 상기 처리 유체를 전해질, 전해액으로 이용하기 위해 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)가 잠길 정도로만 상기 처리 유체를 배출하는 것이 가능 및 용이해 질 수 있다.
상기 농축 유체 배출부(260)는 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220)로부터 탈착된 방사성 화학 폐기물이 농축된 방사성 화학 폐기물 농축 유체를 배출하기 위한 것으로, 상기 농축 유체 배출부(260)는 제1 수용부(200)의 일측면에 위치할 수 있으며, 구체적으로는 제1 수용부(200)의 일측면의 하부에 위치할 수 있다. 더 구체적으로는 제1 수용부(200)의 바닥부에 위치할 수 있다. 위와 같이 상기 농축 유체 배출부(260)가 상기 제1 수용부(200)의 일측면의 하부, 또는 제1 수용부(200)의 바닥부에 위치하는 경우에는, 발생한 농축 유체가 제1 수용부(200)로부터 완전히 배출될 수가 있다.
즉, 상기 유체 유입부(210), 상기 처리 유체 배출부(250) 및 상기 농축 유체 배출부(260)는 상기 제1 수용부(200)의 일측면, 즉 동일 측면에 배치되는 것일 수 있으나, 반드시 동일 측면이어야만 하는 것은 아니고, 상기 유체 유입부(210), 상기 처리 유체 배출부(250) 및 상기 농축 유체 배출부(260)는 서로 상이한 측면에 배치되는 것일 수도 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 나타낸 도시이다. 도 2에서 설명되는 일 실시형태는, 앞서 도 1에서 설명된 일 실시형태와 동일 또는 유사한 구성에 관해서는 동일 또는 유사한 참조번호가 부여되고, 그 설명은 전술한 내용으로 갈음될 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 상기 방사성 화학 폐기물 처리 장치(100')는 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220')를 포함하는 흡착 유닛(10'), 및 상기 흡착 유닛(10')과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛(20')을 포함하는 것일 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물, 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220'), 흡착 유닛(10'), 재생 유닛(20'), 유체 유입부(210'), 처리 유체 배출부(250'), 농축 유체 배출부(260')에 관해서는, 전술한 상기 방사성 화학 폐기물, 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220), 흡착 유닛(10), 재생 유닛(20), 유체 유입부(210), 처리 유체 배출부(250), 농축 유체 배출부(260)에 관한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
도 2에 따르면, 상기 방사성 화학 폐기물 처리 장치(100')는, 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체를 수용하기 위한 유체 저장부(211')를 더 포함할 수 있다. 상기 유체 저장부(211')는 상기 유체 유입부(210')에 유체 연통되어 있으며, 상기 유체 유입부(210')를 통해서 상기 제1 수용부(200')까지 유체 연통되어 있을 수 있다.
즉, 일정양의 방사성 화학 폐기물 함유 유체가 상기 유체 저장부(211')에 저장되면, 상기 유체 유입부(210')의 펌프 또는 밸브를 제어하여 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체를 상기 제1 수용부(200')로 주입할 수 있다.
이 때, 상기 흡착 유닛(10')은 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체 중의 오염물(또는 불순물)이 유입되는 것을 방지하기 위한 제2 분리막 유닛(241')을 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 제2 분리막 유닛(241')은 상기 유체 유입부(210')와 상기 제1 수용부(200')의 사이에 위치할 수 있다. 따라서, 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체에 포함되어 있는 오염물(불순물)이 제1 수용부(200')로 유입되지 않도록 필터링을 해줄 수 있다. 또한, 상기 방사성 화학 폐기물 함유 유체가 통과하는 동안 상기 유체를 섞어주어 자연적으로 난류를 형성할 수 있다.
상기와 같이 방사성 화학 폐기물 함유 유체가 난류를 형성하는 것은 도 1에 개시한 교반기(230)와 같은 역할을 할 수 있어서, 상기 제2 분리막 유닛(241')을 통해 상기 방사성 화학 폐기물 함유 유체가 제1 수용부(200')로 난류를 형성하며 유입됨으로써, 상기 제1 수용부(200') 내에 교반기를 별도로 구비하지 않더라도, 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220')에 방사성 화학 폐기물이 용이하게 흡착할 수 있게 된다.
또한 상기 방사성 화학 폐기물의 처리 장치(100')는, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220')에 의해 방사성 화학 폐기물이 제거된 처리 유체를 저장할 수 있는 처리 유체 저장부(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 처리 유체 저장부는 상기 처리 유체 배출부(250')에 연결되어서 유체 연통되어 있는 것일 수 있다.
또한 상기 방사성 화학 폐기물의 처리 장치(100')는, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220')로부터 탈착된 방사성 화학 폐기물이 함유된 방사성 화학 폐기물 농축 유체를 저장할 수 있는 농축 유체 저장부(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 농축 유체 저장부는 상기 농축 유체 배출부(260')에 연결되어서 유체 연통되어 있는 것일 수 있다.
상기 재생 유닛(20')은 상기 흡착 유닛(10') 중의 방사성 화학 폐기물 흡착 부재(220')로부터 탈착되는 상기 방사성 화학 폐기물이 유입되는 것을 방지하기 위한 제1 분리막 유닛(242')을 더 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로 상기 제1 분리막 유닛(242')은 상기 제1 수용부(200')와 상기 제2 수용부(300') 사이에 위치하여서, 상기 제1 수용부(200')와 상기 제2 수용부(300')을 물리적 또는 화학적으로 분리하거나, 상기 상대 전극(310') 및 기준 전극(320')과 상기 작용 전극을 물리적 또는 화학적으로 분리하는 역할을 할 수 있다.
2. 방사성 화학 폐기물의 처리 방법
본 발명은 방사성 화학 폐기물의 처리 방법을 제공한다.
상기 방사성 화학 폐기물의 처리 방법은, (A) 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체(폐수 또는 기체를 포함)로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착시켜 분리하는 단계; 및 (B) 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방사성 화학 폐기물의 처리 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
상기 (A) 단계는, 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착시켜 분리하는 단계로서, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재는 상기 방사성 화학 폐기물을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를 포함하여서, 상기 유체 내에 함유된 상기 방사성 화학 폐기물은 상기 흡착제에 흡착되어 분리된다.
상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재는 지지체 및 흡착제를 포함할 수 있고, 상기 흡착제가 상기 지지체 중에 혼합 또는 분산되어 있거나 상기 지지체의 적어도 일부의 표면에 포함되는 것일 수 있다. 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 제조하는 방법, 즉 상기 지지체 중에 흡착제를 혼합 또는 분산시키는 방법, 또는 상기 지지체의 적어도 일부의 표면에 흡착제를 형성(코팅)하는 방법은 공지의 방법을 이용할 수 있다.
구체적으로 상기 방사성 화학 폐기물은 방사성 요오드 및 방사성 세슘 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 흡착제로 적어도 하나의 백금족 금속 및 이들의 합금을 포함하는 경우에는 방사성 요오드를 선택적으로 흡착시킬 수 있으며, 그 중에서도 선택성이 높은 백금(Pt)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 흡착제로 프러시안 블루를 포함하는 경우에는 방사성 세슘을 선택적으로 흡착시킬 수 있다. 또한, 상기 적어도 하나의 백금족 금속 및 프러시안 블루가 혼합되어 코팅되어 있는 경우에는 유체 내의 방사성 요오드 및 방사성 세슘을 동시에 흡착시킬 수 있다.
또한 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재는 50 ℃ 내지 900 ℃로 소결된 후, 피라나 용액 (예를 들어, 황산:과산화수소=3:1의 비율로 혼합), 질산, 황산 및 염산 중에서 선택되는 적어도 하나의 용액으로 세척하여 탈합금(dealloy)된 것을 포함하는 것일 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재의 소결 전에는 상기 흡착 부재의 지지체 상에 흡착제가 듬성듬성(성기게) 코팅되는 형태일 수 있다. 이후 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 소결 및 탈합금 함으로써 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재의 안정성을 향상시키고, 방사성 화학 폐기물의 흡착 면적을 높여서 흡착 효율을 높일 수 있으며, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하는 과정에서, 흡착제가 지지체로부터 탈리되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기 (A) 단계에서의 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재는 자성 기판에 고정되어 있을 수 있다. 상기 자성 기판은 페라이트, 합금 등의 자성체를 소결하여 형성되는 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 자성을 가지는 기판이기만 하면 제한없이 이용할 수 있다.
그 외, 상기 방사성 화학 폐기물, 방사성 화학 폐기물 흡착 부재, 지지체 및 흡착제에 관해서는, 전술한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 (A) 단계는 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체를 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재와 접촉하는 단계를 포함하고, 구체적으로 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체가 흘러가는 관(유체 유입부)으로부터 직접 주입할 수도 있고, 또는 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체가 저장되어 있는 저장조(유체 저장부)로부터 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 수용된 수용조(제1 수용부)로 주입할 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태로서, 도 1에 나타낸 것과 같은 방사성 화학 폐기물 처리 장치(100)를 이용하여 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리하는 경우, 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체를 제1 수용부(200)에 일정량 주입한 후 교반기(230)를 이용하여 제1 수용부(200) 내의 유체를 교반하면서 흡착 반응을 진행할 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체를 교반함으로써, 상기 (A) 단계가 진행되는 동안 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재와 상기 유체 내의 방사성 화학 폐기물의 접촉을 도와 효율적인 흡착 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시형태로서, 도 2에 나타낸 것과 같은 방사성 화학 폐기물 처리 장치(100')를 이용하여 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리하는 경우, 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체는 상기 유체가 저장되어 있는 유체 저장부(211')로부터 제2 분리막 유닛(241')을 거쳐 상기 제1 수용부(200')로 유입될 수 있다. 이 때, 상기 방사성 화학 폐기물 함유 유체가 제2 분리막 유닛(241')을 통과함으로써 난류를 형성하며 상기 제1 수용부(200')로 유입되어서, 도 1에 나타낸 교반기(230)와 같은 효과를 주어 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재와 상기 유체 내의 방사성 화학 폐기물의 흡착을 용이하게 할 수 있다.
상기 (B) 단계는 방사성 화학 폐기물이 흡착된 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하는 단계로서, 구체적으로 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 작용 전극으로 사용하는 삼전극 시스템에 의해서 상기 방사성 화학 폐기물이 전기화학적으로 반응하면서 탈착되는 것을 포함할 수 있다.
상기 (B) 단계는 포텐시오스탯을 이용하여 상기 작용 전극에 전위를 가하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 작용 전극의 전위를 일정 수준으로 유지하는 단계를 포함할 수도 있다. 상기 작용 전극에 전위를 가함으로써, 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착되어 있는 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시킬 수 있다.
상기 탈착된 방사성 화학 폐기물은 적은 양의 용매에 용해시킬 수 있다. 이에 따라, 적은 양의 용매에 상기 방사성 화학 폐기물이 농축됨으로써, 상기 방사성 화학 폐기물의 부피를 크게 감용할 수 있으며, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착, 분리해 냄으로써, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재사용 할 수 있다.
상기 용매는 상기 방사성 화학 폐기물이 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착되어 제거된 처리 유체의 일부를 포함할 수 있다. 또는 상기 제1 수용부로부터 상기 처리 유체를 모두 배출한 후에 비방사성 이온이 포함된 물을 포함하는 새로운 전해액 용액을 포함하는 것일 수 있다.
상기 (B) 단계는 상기 방사성 화학 폐기물이 탈착된 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 고정되어 있는 상기 자성 기판으로부터 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 분리하는 것을 포함하는 것일 수 있다. 상기와 같이 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 고정되어 있는 자성 기판으로부터 상기 방사성 화학 페기물 흡착 부재를 분리해 냄으로써 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 방사성 화학 폐기물 처리 장치로부터 완전히 분리해 내어 재사용할 수 있다.
상기 자성 기판으로부터 상기 방사성 화학 페기물 흡착 부재를 분리해 내는 방법은 상기 자성 기판의 자성을 제거하는 공지의 방법을 사용할 수 있다.
또한 상기 방사성 화학 폐기물의 처리 방법은, 상기 삼전극 시스템에서의 상기 작용 전극과 상대 전극 및 기준 전극에 의해서 결정되는 개방 회로 전위(open circuit potential)를 측정하는 모니터링을 하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 방사성 화학 폐기물의 처리 방법에 이용되는 장치 중에 포함되어 있는 상기 방사성 화학 폐기물의 농도를 측정하여 모니터링 하는 것으로, 상기 모니터링을 하는 단계는 상기 삼전극 시스템을 이용하여 실시간으로 전위를 측정함으로써 방사성 화학 폐기물의 농도를 확인할 수 있다.
상기 방사성 화학 폐기물의 처리 방법은, 상기와 같이 측정된 전위값에 따라 상기 (A) 단계 및/또는 (B) 단계의 진행 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
즉 상기 방사성 화학 폐기물의 처리 방법은, 상기 삼전극 시스템에서의 상기 작용 전극과 상대 전극 및 기준 전극에 의해서 결정되는 개방 회로 전위를 측정하는 모니터링을 하는 단계를 포함하면서 측정된 전위값에 따라 상기 (A) 단계 및/또는 (B) 단계의 진행 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 모니터링 단계는 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 작용 전극으로 사용하고, 상기 포텐시오스탯을 이용하여 실시간으로 개방 회로 전위를 측정함으로써, 방사성 화학 폐기물의 농도를 확인 할 수 있으며, 상기 측정된 전위값에 따라 각 단계의 진행 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
즉, 상기 모니터링 단계를 통하여 상기 방사성 화학 폐기물의 농도를 측정, 평가함으로써, 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체 내의 방사성 화학 폐기물을 완벽하게 제거하여 배출할 수 있으며, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재의 성능을 실시간으로 확인함으로써, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 흡착 용량을 초과하는 경우, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 방사성 화학 폐기물을 탈착 (또는 해리)시킴으로써 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생 및 재사용할 수 있게 한다.
나아가, 원자력 발전소 내부의 냉각계통에 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 설치하여 모니터링 및 방사성 화학 폐기물을 흡착, 분리해 낼 수 있다.
즉, 상기 원자력 발전소 내부의 냉각계통에 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 설치하고, 외부로 전극 시스템을 형성하여 모니터링 함으로써, 냉각계통에 존재하는 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 외부로 유출되는 것을 방지할 할 수 있으며, 외부로 유출되는 방사성 화학 폐기물을 감지함으로써, 중대한 사고를 미연에 예방할 수 있다.
또한, 실시간으로 방사성 화학 폐기물 흡착 부재의 전위를 측정함으로써, 상기 냉각계통에 설치되는 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 더 이상의 흡착 기능을 수행하지 못할 경우(흡착 용량을 초과하는 경우), 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착되어 있는 방사성 화학 폐기물을 탈착, 해리, 제거시킴으로써, 설치되어 있는 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 교체하지 않고 재사용할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예, 실험예들을 설명한다. 다만, 하기의 실시예, 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예, 실험예 들만으로 한정되는 것은 아니다.
제조예 1. 백금이 코팅되어 있는 철 자성 나노입자의 제조 (Fe@Pt)
1) 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 제조하기 위하여 염화철 및 수소화붕소나트륨을 이용하여 철을 포함하는 자성 나노입자 분말을 제조하였다. 이후, 상기 제조된 자성 나노입자 분말에 염화백금산칼륨을 추가하여 백금이 코팅된 철 자성 나노입자를 제조하였다.
2) 이후, 제조한 나노입자의 안정성을 높이기 위하여 수소 기체 분위기의 고온로에서 50 ℃ 내지 900 ℃에서 소결하였다. 소결한 나노입자를 피라나 용액 (황산:과산화수소 = 3:1)에서 세척 및 탈합금(dealloy) 시켜 백금이 코팅된 철 자성 나노입자 흡착 부재 (Fe@Pt)를 제조하였다.
상기 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재의 합성 후 이미지를 도 4에 나타내었고, 상기 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재의 TEM (transmission electron microscope) 이미지(a) 및 EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) 측정 결과((b), (c))를 도 5에 나타내었다.
도 4에 따르면, 합성이 완료된 제조예 1의 흡착 부재에 자석을 가까이 하여 자석으로 흡착제가 달라붙는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 자성 나노입자를 지지체로 포함하는 흡착 부재가 합성되었음을 확인할 수 있었다.
도 5에 따르면, TEM 이미지를 통하여 제조예 1의 흡착 부재가 합성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이에 대한 EDS 측정 결과 합성된 흡착 부재에 철 및 백금이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 제조된 것을 확인할 수 있었다.
제조예 2. 백금이 코팅되어 있는 니켈 자성 나노입자의 제조 (Ni@Pt)
상기 제조예 1-1)에서, 염화철 대신 염화니켈를 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1-1)과 동일한 방법으로 제조하여 백금이 코팅된 니켈 자성 나노입자 흡착 부재 (Ni@Pt)를 제조하였다.
상기 제조예 2의 Ni@Pt 흡착 부재의 SEM (scanning electron microscope) 이미지(a) 및 EDS 측정 결과((c), (d))를 도 6에 나타내었다.
도 6에 따르면, SEM 이미지를 통하여 제조예 2의 흡착 부재가 합성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이에 대한 EDS 측정결과 합성된 흡착 부재에 니켈 및 백금이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 Ni@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 제조된 것을 확인할 수 있었다.
제조예 3. 백금이 코팅되어 있는 코발트 자성 나노입자의 제조 (Co@Pt)
상기 제조예 1-1)에서, 염화철 대신 염화코발트를 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1-1)과 동일한 방법으로 제조하여 백금이 코팅된 코발트 자성 나노입자 흡착 부재 (Co@Pt)를 제조하였다.
제조예 4. 팔라듐이 코팅되어 있는 철 자성 나노입자의 제조(Fe@Pd)
상기 제조예 1-1)에서, 염화백금산칼륨 대신 염화팔라듐(Ⅱ)을 사용한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1-1)과 동일한 방법으로 제조하여 팔라듐이 코팅된 철 자성 나노입자 (Fe@Pd)를 제조하였다.
제조예 5. 백금 및 프러시안 블루가 코팅되어 있는 니켈 자성 나노입자의 제조 (Ni@PB/Pt)
방사성 요오드 및 방사성 세슘을 동시에 흡착하는 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 제조하기 위하여, 니켈 나노입자에 염화백금산칼륨을 추가하여 반응하고, 상기 반응 생성물에 프러시안 블루 (페로시안화칼륨, K4Fe(CN)6)를 추가로 투입한 뒤 상온에서 반응하여, 백금 및 프러시안 블루가 코팅되어 있는 니켈 자성 나노입자 흡착 부재 (Ni@PB/Pt)를 제조하였다.
상기 제조예 5의 Ni@PB/Pt 흡착 부재의 SEM 이미지(a) 및 EDS 측정 결과((c), (d), (e))를 도 7에 나타내었다.
도 7에 따르면, SEM 이미지를 통하여 제조예 5의 흡착 부재가 합성된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 이에 대한 EDS 측정 결과 합성된 흡착 부재가 니켈 및 백금, 프러시안 블루의 주 성분인 철을 포함하고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 Ni@PB/Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 제조된 것을 확인할 수 있었다.
실험예 1. Fe@Pt 흡착 부재의 소결 전/후 TEM 측정
상기 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재의 소결 전(a)/후(b)의 TEM 이미지를 도 8에 나타내었고, 소결 온도에 따른 XRD 측정 결과를 도 9에 나타내었다.
도 8에 따르면, 제조예 1의 흡착 부재 소결 전(a)에는 백금이 자성 나노입자 표면에 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있고, 소결 후(b)에는 백금이 녹아서 서로 합쳐지고 결정화가 진행되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 도 8에 따르면, 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 소결이 된 것을 확인할 수 있었다.
도 9에 따르면, 소결 온도가 증가함에 따라 결정성이 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 제조예 1, 2, 4, 5의 흡착 부재의 XRD 측정
제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재(200 ℃에서 소결됨), 제조예 2의 Ni@Pt 흡착 부재, 제조예 4의 Fe@Pd 흡착 부재, 제조예 5의 Ni@PB/Pt 흡착 부재에 대하여 XRD를 측정한 결과를 각각 도 10 내지 도 13에 나타내었다.
도 10에 따르면, Fe@Pt 흡착 부재에 대한 XRD 측정 결과로 철 및 산화철, 백금의 피크를 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 철 또는 산화철의 표면에 백금이 코팅되어 있는 형태의 Fe@Pt 또는 Fe2O3@Pt 흡착 부재가 제조되었음을 확인할 수 있다.
도 11에 따르면, Ni@Pt 흡착 부재에 대한 XRD 측정 결과, 니켈 및 백금의 피크를 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 흡착 부재에 백금이 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 12에 따르면, Ni@PB/Pt 흡착 부재에 대한 XRD 측정 결과, 니켈 및 백금, 프러시안 블루의 피크를 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 흡착 부재의 니켈 표면에 백금 및 프러시안 블루가 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 13에 따르면, Fe@Pd 흡착 부재에 대한 XRD 측정 결과, 철, 팔라듐, 산화철의 피크를 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 흡착 부재에 백금이 코팅되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3. 제조예 1의 흡착 부재의 흡착 평가
요오드가 0.1 mM, 0.5 mM, 1 mM의 농도로 녹아있는 용액을 준비한 후, 상기 용액에 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재를 투입하여, 흡착 여부를 확인하고, 이에 대한 결과를 도 14에 나타내었다.
도 14에 따르면, 흡착 부재를 투입 하기 전, 요오드의 농도가 높을수록 수용액의 색이 노랗게 진해지는 것을 확인할 수 있었다.
이 후 제조예 1의 흡착 부재를 투입한 후에는, 용액의 색이 사라지고 투명해 지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 요오드가 백금(Pt)에 흡착되는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 4. 제조예 1 내지 5의 흡착 부재의 UV-Visible spectroscopy 평가
1) 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액 및 0.1 mM I2 / 0.1 M NaClO4 용액에 상기 제조예 1의 흡착 부재를 투입하고, 투입 전/후의 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 각각 도 15 및 도 16에 나타내었고, 또한 제조예 1의 흡착 부재에 대해서 2번의 흡착/탈착 후의 ICP (Inductively Coupled Plasma) 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
0.1 mM KI/0.1 M NaCl04 0.1 mM I2/0.1M NaCl04
Fe@Pt 흡착제 첨가전 -- --
전기화학적 탈착 (1차+2차) 후 요오드 회수율 97.8% 98.0%
도 15에 따르면, KI가 포함되어 있는 수용액은 제조예 1의 Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 전 요오드 화합물의 흡수파장인 200 ㎚ 내지 250 ㎚ 사이에서 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 후 요오드 화합물의 피크가 관찰되지 않아 요오드가 흡착된 것을 확인할 수 있었다.
이후, 요오드를 흡착하고 있는 Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 삼전극 시스템을 이용하여 전기화학적 탈착한 후 UV-Visible spectroscopy를 측정한 결과 다시 요오드의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 전기화학적 탈착을 통하여 Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착되어 있던 요오드가 흡착 부재로부터 탈착, 해리되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 표 1에 따르면 전기화학적 탈착을 2번 반복(2번의 흡착/탈착) 후 요오드의 회수율은 97.8%로 매우 높은 회수율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 반복적으로 사용하여도 요오드의 흡착이 이루어지는 것으로, 흡착 부재가 재사용 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
도 16에 따르면, I2를 포함하고 있는 수용액은 제조예 1의 Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 전 요오드 화합물의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 후 요오드 화합물의 피크가 관찰되지 않아 요오드가 흡착된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 탈착 후에 다시 요오드의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있어서, 요오드 화학종이 바뀌어도 Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착제가 안정적으로 요오드를 흡착 및 탈착하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 표 1에 따르면 전기화학적 탈착을 2번 반복한 후에도 요오드 회수율이 98%로 매우 높은 회수율을 보이는 것을 확인할 수 있어서, 요오드 화학종이 바뀌어도 흡착제 사용이 가능하며, 재사용 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
2) 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액 및 0.1 mM I2 / 0.1 M NaClO4 용액에 상기 제조예 2의 Ni@Pt 흡착 부재를 투입하고, 투입 전/후의 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 각각 도 17 및 도 18에 나타내었다.
도 17에 따르면, KI가 포함되어 있는 수용액은 제조예 2의 Ni@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 전 요오드 화합물의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, Ni@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 후 요오드 화합물의 피크가 관찰되지 않아 요오드가 흡착된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 요오드를 흡착하고 있는 Ni@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 삼전극 시스템을 이용하여 전기화학적 탈착한 후 UV-Visible spectroscopy를 측정한 결과 다시 요오드의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 전기화학적 탈착을 통하여 Ni@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착되어 있던 요오드가 흡착 부재로부터 탈착, 해리되는 것을 확인할 수 있었다.
도 18에 따르면, I2를 포함하고 있는 수용액은 제조예 2의 Ni@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 전 요오드 화합물의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, Ni@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 후 요오드 화합물의 피크가 관찰되지 않아 요오드가 흡착된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 탈착 후에 다시 요오드의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있어서, 요오드 화학종이 바뀌어도 Ni@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착제가 안정적으로 요오드를 흡착 및 탈착하는 것을 확인할 수 있었다.
3) 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액에 상기 제조예 3의 Co@Pt 흡착 부재를 투입하고, 투입 전/후의 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 도 19에 나타내었다.
도 19에 따르면, KI가 포함되어 있는 수용액은 제조예 3의 Co@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 전 요오드 화합물의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, Co@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 후 요오드 화합물의 피크가 관찰되지 않아 요오드가 흡착된 것을 확인할 수 있었다.
4) 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액에 상기 제조예 4의 Fe@Pd 흡착 부재를 투입하고, 투입 전/후의 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 도 20에 나타내었다.
도 20에 따르면, KI가 포함되어 있는 수용액은 제조예 4의 Fe@Pd 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 전 요오드 화합물의 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, Fe@Pd 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 후 요오드 화합물의 피크가 관찰되지 않아 요오드가 흡착된 것을 확인할 수 있었다.
5) 0.1 mM CsI / 0.1 M NaClO4 용액에 상기 제조예 5의 Ni@PB/Pt 흡착 부재를 투입하고, 투입 전/후의 UV-Visible spectroscopy 측정 결과를 도 21에 나타내었다.
도 21에 따르면, 0.1 mM CsI가 포함되어 있는 수용액의 UV-Visible spectroscopy 측정 결과 흡수파장 200 ㎚ 내지 250 ㎚ 사이에서 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있으며, 제조예 5의 Ni@PB/Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재 첨가 후 피크가 작아져 수용액 상에 CsI의 농도가 감소하였음을 확인할 수 있었다. 즉, Ni@PB/Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 사용함으로써, 세슘 및 요오드를 함께 흡착 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 5. 제조예 1의 흡착 부재의 흡/탈착 반복 실험 후의 탈착율 평가
200 ℃에서 소결하여 얻어진 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재를 이용하여, 0.1 mM KI / 0.1 M NaClO4 용액에서 요오드화물 (I-)을 100 회 동안 흡착/탈착 실험을 반복하여 흡/탈착율을 측정한 결과를 도 22에 나타내었다.
도 22에 따르면, 제조예 1의 Fe@Pt 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 100회 흡/탈착 실험하여 재사용하더라도 흡/탈착율이 약 97% 이상인 것을 확인할 수 있어서, 본 발명에 따른 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 반복적으로 재사용하더라도 흡착 및 탈착 기능이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 6. 요오드의 흡착과 전기화학적 탈착
요오드 이온이 붙어있지 않은 백금 전극을 흡착 부재로 하여 0.1 M NaClO4 수용액에 담그고, 유리질 탄소를 상대 전극으로, Ag|AgCl 전극을 기준 전극으로 담그어 전기화학적 삼전극 셀을 구성하였다. 이 셀에서 0 V부터 -0.9 V까지 주사속도 50 mV/s로 선형훑기전압전류 실험 (linear sweep voltammetry)을 수행하였다. 백금 전극을 전기화학 셀에서 꺼내어 0.001 mM의 KI, I2, CH3I의 요오드 화합물이 녹아있는 과량의 물(100 mL)에 넣어 30 분 동안 교반하여 주었다. 이후, 백금 전극을 회수하여 전기화학 셀에 담그어 다시 같은 환경에서 선형훑기전압전류 실험을 수행하고 이를 도 23에 나타내었다.
도 23에 따르면, 백금 전극을 요오드 화합물 용액에 담그지 않은 결과는 백그라운드 수준의 전류가 흐르는 반면, 요오드가 흡착된 전극에서는 -0.6 V와 -0.85 V 사이에서 환원 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있었다. 이는 백금 전극 표면에 흡착된 요오드가 하기 반응식 1과 같은 반응을 통해 요오드 이온으로 해리되기 때문에 전류가 흐르는 것이다. 이는 백금 전극 표면에 요오드 화합물이 흡착되었을 때 -0.6 V보다 음의 전위를 가하면 요오드 이온이 전해질로 환원, 해리 됨을 의미한다.
[반응식 1]
Pt-I + e- → I-(aq)
실험예 7. 전기화학적 전위에 따른 프러시안 블루의 세슘 이온(Cs + ) 흡착 및 해리 반응
니켈 프러시안 블루 흡착 부재가 코팅된 유리질 탄소 전극을 CsNO3가 녹아있는 수용액에 담그어 작용 전극으로 하는 삼전극 전기화학장치를 구성 후 순환전압전류(cyclic voltammetry) 실험을 수행하고 그 결과를 도 24에 나타내었다.
도 24에 따르면, 약 +0.45 V를 기준으로 산화환원 전류가 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이는 하기 반응식 2에 나타낸 것처럼 프러시안 블루의 철 이온이 산화환원하면서 발생한 전류이다. 이 과정에서 세슘 이온(Cs+)은 상대 이온으로써 프러시안 블루 내로 침투하게 된다.
즉 +0.45 V보다 음의 전위에서는 프러시안 블루 내로 Cs+ 이온이 침투하고 +0.45 V보다 양의 전위에서는 Cs+ 이온이 해리된다.
[반응식 2]
Fe3+ + e- ↔ Fe2+
실험예 8. 프러시안 블루를 이용한 세슘 이온(Cs + ) 흡착 및 탈착 반응
상기 실험예 7과 같이 니켈 프러시안 블루 흡착 부재가 코팅된 유리질 탄소 전극을 CsNO3가 녹아있는 수용액에 담그어 작용 전극으로 하는 삼전극 전기화학장치를 구성한 후 +0.45 V 이하의 전위를 가하여 Cs+ 이온을 니켈 프러시안 블루 흡착 부재에 흡착시켰다. 이후, 유리질 탄소 전극을 전기화학 셀로부터 제거한 뒤 증류수로 수차례 세척하였다.
또한, 상기 Cs+ 이온이 흡착된 니켈 프러시안 블루 흡착 부재가 코팅된 유리질 탄소 전극을 작용 전극으로 하는 또다른 삼전극 전기화학장치를 구성한 후 +0.45 V 이상의 전위를 가하여 Cs+ 이온을 전해질에 해리시키고, 해리된 Cs+ 이온이 포함되어 있는 용액의 Cs+ 농도를 ICP-AES (Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer)를 이용하여 측정하였고, 니켈 프러시안 블루가 코팅된 유리질 탄소 전극을 이용한 세슘의 전기화학적 회수에 따른 세슘의 농도 그래프를 도 25에 나타내었다.
도 25에 따르면, 니켈 프러시안 블루 흡착 부재가 코팅된 유리질 탄소 전극을 이용하여 Cs+의 전기화학적 회수 과정을 1, 2, 3번 반복하여 수행함으로써 Cs+ 이온을 큰 용기에서 작은 용기로 옮겨 농축할 수 있을 뿐만 아니라 낮은 농도의 Cs+ 이온을 작은 부피로 농축할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉 많은 양의 방사성 화학 폐기물 함유 유체 내에서 상기 Cs+ 이온을 흡착, 농축하기 위하여 프러시안 블루를 재사용 가능한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로 사용할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 9. 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 이용한 방사성 화학 폐기물의 제거
14 ppm I2가 녹아있는 과량의 물(18L)(폐수)을 제조예 1의 Fe@Pt 흡착 부재를 포함하고 있는 방사성 화학 폐기물 처리 장치의 제1 수용부로 주입한 후, 2 시간 동안 교반하여, 상기 Fe@Pt 흡착 부재에 요오드를 흡착하였다.
이후, 도 26에 나타낸 바와 같이 하부에 설치된 자석(magnet)을 올려, Fe@Pt 흡착 부재를 용액으로부터 하부의 자석 쪽의 작용 전극에 고정하였다.
요오드가 제거된 폐수(처리 유체)를 배출한 뒤, 작용 전극에 붙어있는 Fe@Pt 흡착 부재에 전위를 가함으로써 Fe@Pt 흡착 부재에 흡착되어 있는 요오드를 처리 장치 내에 소량 남아있는 폐수에 해리하여 농축시켜 주고, 요오드가 농축되어 있는 폐수(농축 유체)를 회수하였다.
도 27은 실험예 9에 따른 처리 유체 ("After adsorption" 표시) 및 농축 유체 ("After desorption" 표시)에 염산과 과산화수소를 소량 첨가한 후의 이미지이다.
이를 통하여, 본 발명에 따른 방사성 화학 폐기물 처리 장치 및 방법을 이용함으로써 많은 부피의 폐수에 녹아있던 요오드를 높은 효율로 제거하여 소량의 용액으로 농축할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 질량분석기를 이용하여 요오드 흡착(제거) 전-후의 농도를 측정해 본 결과, 이 시스템을 이용하여 대용량 수용액에 녹아있던 14 ppm의 요오드 99.8% 제거할 수 있음을 확인하였다.
실험예 10. 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 이용한 방사성 화학 폐기물의 제거
도 28은 본 발명의 일 실시형태에 따른 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 제작한 이미지이다.
도 28의 방사성 화학 폐기물 처리 장치를 이용하여 방사성 화학 폐기물을 제거하기 위하여, 폐수 저장부(유체 저장부)에 저장되어 있는 방사성 요오드가 포함된 폐수를 백금이 코팅되어 있는 그물망 흡착 부재를 포함하는 제1 수용부로 주입한 후, 방사성 요오드가 제거된 처리 유체를 처리 유체 배출부를 통하여 회수하였다.
이 때, 상기 폐수 저장부와 제1 수용부 사이에 다공성막을 포함하고 있어서, 상기 방사성 요오드가 포함된 폐수는 상기 다공성막을 통과하여서 제1 수용부로 주입되면서 방사성 요오드가 포함된 폐수 내에 포함되어 있는 불순물을 걸러주었으며, 상기 다공성막을 통과하면서 상기 폐수는 난류를 형성함에 따라 교반기로 교반하여 주는 것과 같은 효과를 주었다. 이후, 폐수 저장부에 저장되어 있는 방사성 요오드가 포함된 폐수를 상기 제1 수용부로 모두 주입하여 방사성 요오드를 상시 흡착 부재에 흡착시킨 후에, 상기 흡착 부재가 잠길 수 있도록 흡착 부재에 여분의 처리 유체를 남긴 뒤, 상기 흡착 부재를 작용 전극으로 하고, 제2 수용부에 수용된 상대 전극과 기준 전극을 연결하여 작용 전극에 전위를 가함으로써 상기 흡착 부재에 흡착되어 있는 요오드를 여분의 처리 유체에 해리, 농축시키면서, 최종적으로 요오드가 농축된 농축 유체를 외부로 배출시키고, 상기 흡착 부재를 재생하였다.
실험예 11. 방사성 화학 폐기물 처리 장치의 모니터링
요오드가 없는 전해질에 백금 전극을 작용 전극으로 사용하여 삼전극 시스템을 구성하였다. 전해질로 원자력 발전소의 냉각수인 4wt%의 붕산을 사용하였으며 이후 전해질에 요오드 용액(I2 또는 I-)을 첨가하면서 개방 회로 전위를 측정한 결과를 도 29에 나타내었다.
도 29에 따르면, 초기 개방 회로 전위가 약 +0.35V를 유지하고 있으며 아이오딘(I2) 또는 요오드화물(I-)을 첨가하자마자 전위값이 급격히 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 아이오딘 용액(I2)을 첨가한 경우 전위값이 급격히 증가하여 약 0.55 V에서 안정화되는 것을 확인하였으며, 요오드화물(I-)을 첨가한 경우에는 약 0.08 V 근처에서 안정화되는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 요오드가 흡착됨에 따라 개방 회로 전위가 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 본 발명의 방사성 화학 폐기물 처리 장치 내의 방사성 화학 폐기물(예를 들어, 요오드 등)의 흡착 여부를 직접적으로 모니터링 할 수 있음을 확인할 수 있다.
100, 100': 방사성 화학 폐기물 처리 장치
10, 10': 흡착 유닛
20, 20': 재생 유닛
200, 200': 제1 수용부
210, 210': 유체 유입부
211': 유체 저장부
220, 220': 방사성 화학 폐기물 흡착 부재
230: 교반기
240, 242': 제1 분리막 유닛
242': 제2 분리막 유닛
240': 분리막 유닛
250, 250': 처리 유체 배출부
260, 260': 농축 유체 배출부
300, 300': 제2 수용부
310, 310': 상대 전극
320, 320': 기준전극
330: 포텐시오스탯

Claims (20)

  1. 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 흡착 유닛; 및
    상기 흡착 유닛과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛;
    을 포함하고,
    상기 재생 유닛은 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 전기화학적으로 반응하면서 탈착시키기 위한 탈착 부재를 포함하며,
    상기 탈착 부재는 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 작용 전극으로 하는 삼전극 시스템을 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  2. 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 흡착 유닛; 및
    상기 흡착 유닛과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛;
    을 포함하고,
    상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재는 50 ℃ 내지 900 ℃로 소결된 후, 피라나 용액, 질산, 황산 및 염산 중에서 선택되는 적어도 하나의 용액으로 세척하여 탈합금(dealloy)된 것을 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  3. 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 흡착 유닛; 및
    상기 흡착 유닛과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛;
    을 포함하고,
    상기 재생 유닛은 상기 흡착 유닛 중의 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 탈착되는 상기 방사성 화학 폐기물이 유입되는 것을 방지하기 위한 제1 분리막 유닛을 더 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  4. 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 흡착하여 분리해 내기 위한 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 포함하는 흡착 유닛; 및
    상기 흡착 유닛과 유체 연통되어 있고, 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하기 위한 재생 유닛;
    을 포함하고,
    상기 흡착 유닛은 상기 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체 중의 오염물이 유입되는 것을 방지하기 위한 제2 분리막 유닛을 더 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  5. 청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사성 화학 폐기물은 방사성 요오드 및 방사성 세슘 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  6. 청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재는 지지체 및 흡착제를 포함하고, 상기 흡착제가 상기 지지체 중에 혼합 또는 분산되어 있거나 상기 지지체의 적어도 일부의 표면에 포함되는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 지지체는 메쉬상 및 나노입자상 중에서 선택되는 적어도 하나의 형태를 는 것이며,
    상기 지지체는 철, 마그네타이트, 니켈, 코발트, 이들의 합금, 및 이들의 산화물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 흡착제는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 및 이들의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 흡착제는 프러시안 블루 (Prussian blue)를 더 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  10. 청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 상기 흡착 유닛 내부에 고정시키기 위한 자성 기판을 더 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물 처리 장치.
  11. (A) 방사성 화학 폐기물이 함유된 유체로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 방사성 화학 폐기물 흡착 부재에 흡착시켜 분리하는 단계; 및
    (B) 상기 방사성 화학 폐기물이 흡착된 방사성 화학 폐기물 흡착 부재로부터 상기 방사성 화학 폐기물을 탈착시켜서 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 재생하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (B) 단계는, 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 작용 전극으로 하는 삼전극 시스템에 의해서 상기 방사성 화학 폐기물이 전기화학적으로 반응하면서 탈착되는 것인, 방사성 화학 폐기물의 처리 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 방사성 화학 폐기물은 방사성 요오드 및 방사성 세슘 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물의 처리 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재는 지지체 및 흡착제를 포함하고, 상기 흡착제가 상기 지지체 중에 혼합 또는 분산되어 있거나 상기 지지체의 적어도 일부의 표면에 포함되는 것인, 방사성 화학 폐기물의 처리 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 지지체는 메쉬상 및 나노입자상 중에서 선택되는 적어도 하나의 형태를 갖는 것이며,
    상기 지지체는 철, 마그네타이트, 니켈, 코발트, 이들의 합금, 및 이들의 산화물 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물의 처리 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 흡착제는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 및 이들의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물의 처리 방법.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 (A) 단계에서의 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재는 자성 기판에 고정되어 있고,
    상기 (B) 단계는, 상기 방사성 화학 폐기물이 탈착된 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재가 고정되어 있는 상기 자성 기판으로부터 상기 방사성 화학 폐기물 흡착 부재를 분리하는 것을 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물의 처리 방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 삼전극 시스템에서의 상기 작용 전극과 상대 전극 및 기준 전극에 의해서 결정되는 개방 회로 전위를 측정하는 모니터링을 하면서, 상기 측정된 전위값에 따라 상기 (A) 단계 또는 (B) 단계의 진행 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것인, 방사성 화학 폐기물의 처리 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
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