KR102515155B1 - 미생물을 이용한 방사성 핵종 제거 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 배양액 내의 Sr2+ 등의 방사성 핵종과 결합하여 SrCO3 등의 안정한 광물로 석출하여 제거될 수 있도록 한 것으로서, SrCO3 등의 광물의 석출 효율을 증대시키고, 석출된 광물을 효율적으로 제거할 수 있는 방사성 핵종 제거 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 방사성 핵종 제거 장치는, 배지와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물을 혼합한 배지혼합액을 저장하고 공급하는 배지혼합액공급부; 스트론튬 이온(Sr2+)이 함유된 방사성 핵종 용액을 공급하는 방사성핵종공급부; 상기 배지혼합액공급부에서 공급된 배지혼합액과 방사성핵종공급부에서 공급된 방사성 핵종 용액을 혼합하고 우레아 분해성 미생물을 투입하여 미생물 배양액을 제조하고, 우레아 분해성 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물을 석출하도록 하는 광물생성부; 및, 상기 광물생성부에서 미생물 배양액은 외부로 배출하고 석출된 광물은 걸러내는 배양액배출부;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 방사성 핵종을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 배양액 내의 Sr2+ 등의 방사성 핵종과 결합하여 SrCO3 등의 안정한 광물로 석출하여 제거될 수 있도록 하는 방사성 핵종 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.
불안정한 원소의 원자핵이 스스로 붕괴하면 내부로부터 방사성을 방출하게 되며 이러한 단위 시간당 붕괴 능력을 방사능(radioactivity)이라고 한다. 또 이러한 성질을 가진 원자핵을 방사성 핵종(核種)이라고 하고, 방사성 핵종을 함유하는 물질을 방사성 물질이라고 한다.
자연계에는 스트론튬(strontium, Sr), 우라늄(uranium, U), 라듐(Radium, Ra)을 비롯하여 원자번호가 비교적 큰 약 40종에 이르는 원소의 원자핵이 이에 속하며, 원자핵반응에 의해서 인공적으로 방사능을 띠게 한 것에는 원자번호 1인 수소에서 104번 원소인 러더포듐(rutherfordium) 을 포함하여 약 1,000종의 방사성 핵종이 존재한다.
이러한 방사성은 암세포를 죽이고 암세포가 주변으로 증식하지 못하도록 의료분야에 유용하게 적용되고 있지만, 인체에 과량으로 피폭되면 단시간에 조직이나 장기가 심한 장해를 입게 된다. 피폭선량에 따라 뇌혈관증후군 (Cerebrovascular syndrome), 위장관 증후군(GI syndrome), 조혈기 증후군(Hematopoietic syndrome)과 같은 급성 증후군이 나타날 수 있고, 또 방사성 피폭에 의한 증상 발현과 진행률은 방사성 양에 달려있다.
따라서 방사성 물질은 이온 상태로 존재하게 되면 음이온이나 양이온의 상태로 쉽게 지하수로 흘러들어 퍼지게 되는데, 일부 미생물들은 이온화 금속이온을 환원 및 침전, 또는 흡착시키는 반응을 일으키고, 금속을 고체 형태로 지하수 아래에 침전시킨다. 이러한 미생물들을 이용한 고준위 핵폐기물의 처리를 연구하는 학계에서는 수십만년 동안 지하에 저장되는 고준위 핵물질의 확산을 막는데 중요한 역할을 할 것으로 평가해 왔고, 최근에는 금속환원 미생물과 금속이 다량 함유된 석탄회를 이용하여 이산화탄소 및 금속을 격리하는 연구가 진행된 바 있으나, 미생물을 이용하여 이온 상태로 존재하는 스트론튬과 같은 방사성 핵종을 제거하는 연구는 미흡한 실정이다.
본 발명은 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 배양액 내의 Sr2+ 등의 방사성 핵종과 결합하여 SrCO3 등의 안정한 광물로 석출하여 제거될 수 있도록 한 것으로서, SrCO3 등의 광물의 석출 효율을 증대시키고, 석출된 광물을 효율적으로 제거할 수 있는 방사성 핵종 제거 장치 및 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방사성 핵종 제거 장치는, 배지와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물을 혼합한 배지혼합액을 저장하고 공급하는 배지혼합액공급부; 스트론튬 이온(Sr2+)이 함유된 방사성 핵종 용액을 공급하는 방사성핵종공급부; 상기 배지혼합액공급부에서 공급된 배지혼합액과 방사성핵종공급부에서 공급된 방사성 핵종 용액을 혼합하고 우레아 분해성 미생물을 투입하여 미생물 배양액을 제조하고, 우레아 분해성 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물을 석출하도록 하는 광물생성부; 및, 상기 광물생성부에서 미생물 배양액은 외부로 배출하고 석출된 광물은 걸러내는 배양액배출부;를 포함할 수 있다.
상기 배양액배출부는, 광물생성부의 하단부에 형성되는 배출구에 개폐 가능하게 설치되어 미생물 배양액은 통과시키고 광물은 걸러내는 필터유닛과, 상기 배출구와 연통되는 배출유로를 통해 미생물 배양액을 외부로 펌핑하는 배출펌프와, 상기 배출유로 내에 설치되어 미생물 배양액 내의 미생물과 암모늄 이온(NH4+)을 흡착하는 흡착재를 포함할 수 있다.
본 발명의 방사성 핵종 제거 장치는, 상기 흡착재를 통과한 미생물 배양액의 NH4+의 농도를 측정하는 암모늄 농도측정센서를 구비하며 상기 배출유로를 통한 미생물 배양액의 배출을 제어하는 배출제어기와, 상기 농도측정센서에 의해 측정된 NH4+의 농도가 미리 정해진 농도값보다 높을 경우 배출펌프에서 배출되는 미생물 배양액을 상기 배출유로의 입구측으로 되돌리는 순환유로 및, 순환유로를 통한 미생물 배양액의 순환 유동을 제어하는 순환펌프 및 순환제어밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 필터유닛은, 상기 배출구에 회전가능하게 설치되며 복수의 개폐공이 관통되게 형성되어 있는 상부개폐부재와, 상기 상부개폐부재의 하부에 설치되며 상기 상부개폐부재의 회전에 따라 상기 개폐공과 연통되거나 상부개폐부재의 면에 의해 차폐되는 복수의 배출공이 관통되게 형성되어 있는 하부개폐부재와, 상기 상부개폐부재의 상측에 배치되어 미생물 배양액이 외부로 배출될 때 미생물 배양액 내의 광물을 걸러내는 필터부재를 포함할 수 있다.
상기 광물생성부는, 배지혼합액공급부에서 공급된 배지혼합액을 저장하는 배양챔버를 구비한 배양용기, 상기 배양용기의 일측에 배양챔버의 내부로 연통되게 형성된 미생물 투입구, 상기 배양챔버 내부에 설치되어 배지혼합액과 미생물이 혼합된 미생물 배양액을 교반하는 교반부재, 상기 미생물 배양액을 가열하는 배양액 가열부재, 상기 배양챔버 내부로 미생물 배양을 위한 가스를 공급하는 가스공급유닛, 및 상기 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도를 측정하는 농도측정센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 방사성 핵종 제거 장치는, 상기 농도측정센서에 의해 측정되는 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도가 200㎎/L가 되도록 상기 방사성핵종공급부에서 공급되는 스트론튬 이온(Sr2+)의 양을 조절하여 광물생성부로 공급할 수 있다.
또한 상기 배지혼합액공급부의 배지혼합액의 Mg/Ca의 중량비는 0.25인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방사성 핵종 제거 방법은,
(S1) 배지와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘 함유물을 혼합한 배지혼합액을 제조하는 단계;
(S2) 상기 배지혼합액에 스트론튬 이온(Sr2+)이 함유된 방사성 핵종 용액을 공급하여 혼합하는 단계;
(S3) 상기 배지혼합액과 방사성 핵종 용액이 혼합된 용액에 우레아 분해성 미생물을 투입하여 미생물 배양액을 제조하고, 우레아 분해성 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물을 석출하도록 하는 단계; 및,
(S4) 석출된 광물을 회수하는 단계;
를 포함할 수 있다.
상기 (S1) 단계에서 배지혼합액의 Mg/Ca의 중량비는 0.25이고,
상기 (S3) 단계에서 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도가 200 ㎎/L가 되도록 상기 (S2) 단계에서 공급되는 스트론튬 이온(Sr2+)의 양을 조절할 수 있다.
상기 (S4) 단계에서는 복수의 개폐공이 관통되게 형성되어 있는 상부개폐부재와, 상기 상부개폐부재의 하부에 설치되며 상기 상부개폐부재의 회전에 따라 상기 개폐공과 연통되거나 상부개폐부재의 면에 의해 차폐되는 복수의 배출공이 관통되게 형성되어 있는 하부개폐부재를 포함하는 필터유닛을 이용하여 미생물 배양액 내에서 석출된 광물은 걸러내고 미생물 배양액만 외부로 배출하며, 외부로 배출되는 미생물 배양액을 흡착재를 통과시켜 미생물과 암모늄 이온(NH4 +)은 흡착재에 흡착시킨 후 배출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광물생성부의 미생물 배양액에 존재하는 우레아 분해성 미생물이 우레아 분해를 통해 표면에 탄산이온(CO3 2-)을 생성하고, 탄산이온(CO3 2-)이 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 광물 또는 SrCaCO3 광물이 석출되므로 스트론튬 이온(Sr2+)을 안정한 광물로 변환시켜 회수할 수 있다.
특히 미생물 배양액 내의 마그네슘과 칼슘은 음전하로 하전되어 있는 미생물의 세포벽에 정전기적 인력으로 결합하기도 하고, 우레아 분해성 미생물이 생성한 탄산이온(CO3 2-)과 결합하여 SrCaCO3 광물로 석출되기도 하므로 마그네슘과 칼슘이 없는 경우에 비하여 광물 석출량을 대폭 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 핵종 제거 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 방사성 핵종 제거 장치를 구성하는 필터유닛의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 필터유닛의 일부 구성을 나타낸 평면도이다.
도 4는 Mg/Ca의 중량비에 따른 광학 밀도(optical density) 및 암모늄 이온(NH4 +) 농도(concentration)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 Mg/Ca 중량비에 따른 미생물 배양액 내의 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 스트론튬 이온(Sr2+) 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 미생물 배양액 내에 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 스트론튬 이온(Sr2+)의 혼합에 따른 석출물의 XRD 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 Mg/Ca 중량비에 따른 스트론튬 이온(Sr2+) 제거율을 나타낸 표이다.
도 8은 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+) 농도에 따른 광학 밀도 및 암모늄 이온(NH4 +) 형성량을 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1에 도시한 방사성 핵종 제거 장치를 구성하는 필터유닛의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 필터유닛의 일부 구성을 나타낸 평면도이다.
도 4는 Mg/Ca의 중량비에 따른 광학 밀도(optical density) 및 암모늄 이온(NH4 +) 농도(concentration)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 Mg/Ca 중량비에 따른 미생물 배양액 내의 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 스트론튬 이온(Sr2+) 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 미생물 배양액 내에 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 스트론튬 이온(Sr2+)의 혼합에 따른 석출물의 XRD 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 Mg/Ca 중량비에 따른 스트론튬 이온(Sr2+) 제거율을 나타낸 표이다.
도 8은 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+) 농도에 따른 광학 밀도 및 암모늄 이온(NH4 +) 형성량을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 미생물을 이용한 방사성 핵종 제거 장치를 후술된 실시 예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 핵종 제거 장치는, 배지(C1)와 마그네슘(Mg) 함유물(M)과 칼슘(Ca) 함유물(C)을 혼합한 배지혼합액(C2)을 저장하고 공급하는 배지혼합액공급부(100), 스트론튬 이온(Sr2+)이 함유된 방사성 핵종 용액을 공급하는 방사성핵종공급부(200), 배지혼합액공급부(100)에서 공급된 배지혼합액(C2)과 방사성핵종공급부(200)에서 공급된 방사성 핵종 용액을 혼합하고 우레아 분해성 미생물을 투입하여 미생물 배양액(C3)을 제조하고 미생물 배양액(C3) 내에서 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물을 석출하도록 하는 광물생성부(300), 및 광물생성부(300)에서 석출된 광물만 광물생성부(300)에 잔류하도록 광물생성부 내의 미생물 배양액을 외부로 배출하는 배양액배출부(400)를 포함한다.
배지혼합액공급부(100)는 배지(C1)와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물이 각각 수용되는 복수의 저장챔버(111)를 구비하는 배양원료공급기(110)와, 상기 배양원료공급기(110)의 저장챔버(111)로부터 멸균된 배지와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물을 공급받아 배지혼합액(C2)을 제조하는 배지혼합액제조기(120)를 포함한다.
상기 마그네슘(Mg) 함유물로서 염화마그네슘(MgCl2) 등을 사용할 수 있으며, 칼슘(Ca) 함유물로서 칼슘락테이트(Calcium lactate) 등을 사용할 수 있다. 이 때, 배지혼합액(C2) 내의 Mg/Ca의 중량비가 0.25에서 미생물의 생장이 가장 빠른 것으로 확인되었다. 따라서 배지혼합액제조기(120) 내의 배지혼합액(C2)은 Mg/Ca의 중량비가 0.25가 되도록 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물의 공급량이 조절되는 것이 바람직하다.
배양원료공급기(110)는 배지(C1)와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물이 각각 수용되는 복수의 저장챔버(111)와, 상기 저장챔버(111)에서 공급되는 배지(C1)와 마그네슘(Mg) 함유물(M)과 칼슘(Ca) 함유물(C)을 배지혼합액제조기(120) 내로 안내하는 공급관(112)과, 상기 공급관(112)의 하단부를 배지혼합액제조기(120)에 연결하며 공급관(112)을 통한 배지(C1)와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물의 공급을 제어하는 공급제어밸브(113)를 포함한다.
공급관(112)은 상단이 각각의 저장챔버(111)의 하단에 개별적으로 연결되고 하단이 배지혼합액제조기(120)의 상부에 기밀하게 연결되어 저장챔버(111) 내의 배지(C1)와 마그네슘(Mg) 함유물(M)과 칼슘(Ca) 함유물(C)을 배지혼합액제조기(120) 내로 안내한다. 상기 공급제어밸브(113)는 솔레노이드밸브를 적용하여 구성할 수 있으며, 혼합제어부(130)와 전기적으로 연결되어 저장챔버(111)로부터 배지혼합액제조기(120)로의 배지와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물의 공급을 제어한다.
상기 배지혼합액제조기(120)는, 상기 배양원료공급기(110)로부터 공급되는 배양액이 저장되는 배지혼합액용기(121) 및, 배지혼합액용기(121)의 배지혼합액(C2)을 배지혼합액 공급관(122)을 통해 광물생성부(300)로 공급하는 혼합액공급펌프(123)를 포함한다.
방사성핵종공급부(200)는 방사성 핵종으로서 스트론튬 이온(Sr2+)을 광물생성부(300)로 소정량씩 공급하도록 된 것으로, 스트론튬 이온(Sr2+)이 함유된 용액(SL)(이하 '방사성 핵종 용액'이라 함)을 저장하는 핵종저장기(210)와, 상기 핵종저장기(210)의 방사성 핵종 용액(SL)을 핵종용액공급관(220)을 통해서 광물생성부(300)로 공급하는 핵종용액공급펌프(230)를 포함한다. 핵종용액공급관(220)에는 방사성 핵종 용액(SL)의 농도를 측정하여 핵종용액공급관(220)을 통한 방사성 핵종 용액(SL)의 공급량을 제어하기 위한 농도측정기(240)가 설치될 수 있다. 농도측정기(240)는 핵종저장기(210)의 내에 설치된 농도센서(241)로부터 방사성 핵종 용액(SL)의 농도 정보를 전송받는다.
광물생성부(300)는 상기 배지혼합액제조기(120)의 배지혼합액용기(121)로부터 공급된 배지혼합액(C2)과 방사성핵종공급부(200)에서 공급된 방사성 핵종 용액(SL)을 혼합하고, 여기에 우레아 분해성 미생물을 투입하여 미생물 배양액(C3)을 제조한다. 이 때 미생물 배양액(C3) 내에서는 우레아 분해성 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물이 석출된다.
광물생성부(300)는, 미생물 배양액(C3)을 저장하는 배양용기(310), 배양용기(310) 내부에 설치되어 미생물 배양액(C3)을 혼합하는 배양액 교반부재(320), 배양용기(310) 내부로 미생물 배양을 위한 가스를 공급하는 가스공급유닛을 포함한다. 상기 배양액 교반부재(320)와 가스공급유닛은 배양용기(310)의 일측에 설치되는 광물생성제어부(330)에 의해 그 작동이 제어될 수 있다.
상기 배양용기(310)는 광물생성제어부(330)에 의해 제어되는 혼합액공급펌프(123)에 의해 배지혼합액제조기(120)로부터 배지혼합액(C2)을 공급받는다.
배양용기(310)의 일측면 상부에는 주사기와 같은 도구로 미생물을 주입할 수 있도록 하기 위한 미생물 투입구(312)가 배양용기(310) 내측으로 연통되게 형성되어 있다. 상기 미생물 투입구(312)는 공지의 부틸고무 스토퍼(butyl rubber stopper)와 같은 마개에 의해 폐쇄된 상태를 유지하는데, 부틸고무 스토퍼는 주사액을 담는 용기의 마개 등으로 널리 사용하는 부품으로 얇은 주사바늘에 의해 천공된 후 다시 오므려지면서 천공된 홀이 메워져 기밀 상태를 유지할 수 있는 특성이 있다.
미생물 투입구(312)를 통해 주입되는 미생물은 미생물 배양액(C3) 내의 우레아(urea) 분해를 통해 표면에 탄산이온(CO3 2-)을 생성하는 우레아 분해성 미생물일 수 있다. 우레아 분해성 미생물의 우레아 분해로 형성된 탄산이온(CO3 2-)은 미생물 배양액(C3) 내에 함유된 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 광물이 석출되거나, 스트론튬 이온(Sr2+) 및 칼슘이온(Ca2+)과 결합하여 SrCaCO3 광물이 석출된다. 우레아 분해성 미생물로는 스포로사르시나 파스테우리(Sporosarcina pasteurii), 바실러스 수도피르무스(Bacillus pseudofirmus), 바실러스 파스테우리(Bacillus pasteurii) 등을 사용할 수 있다.
상기 배양용기(310)의 내부에는 미생물 배양액(C3)의 수위를 감지하는 수위센서(미도시)와 배양액의 온도를 감지하는 온도센서(미도시), 배양액 내의 용존가스 농도를 감지하는 용존가스센서(미도시), 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도를 측정하는 스트론튬 농도측정센서(360)가 설치될 수 있으며, 수위센서와 온도센서, 용존가스센서, 스트론튬 농도측정센서(360)는 광물생성제어부(330)와 전기적으로 연결되어 측정값을 전송한다.
가스공급유닛은 미생물의 생장 및 생체 광물 석출에 필요한 가스 및/또는 배양 환경을 조성하기 위한 가스를 공급하는데, 예를 들어 호기성 환경 조성을 위해서는 산소(O2)가 공급되고, 혐기성 환경을 조성하기 위해서는 질소(N2)가 공급될 수 있다. 이 실시예에서 가스공급유닛은, 배양용기(310)의 외면에 설치되어 가스를 공급하는 가스공급원(351), 상기 가스공급원(351)과 연결되며 배양용기(310)를 관통하여 배양용기(310) 하단부 내측으로 가스를 안내하는 가스공급관(353), 상기 배양용기(310) 내부에서 상기 가스공급관(353)과 연결되며 배양용기(310)의 하부에서 상측으로 연장되어 배양용기(310) 내측으로 가스를 배출하는 복수의 가스주입관(354)을 포함한다. 상기 가스주입관(354)은 복수개가 원주방향을 따라 일정한 간격으로 배치되어 상단의 토출구를 통해 가스를 배출한다.
배양용기(310)의 하부면에는 미생물 배양액(C3)이 배출되는 배출구(315)가 개방되게 형성되고, 배출구(315)의 바로 하측에 미생물 배양액(C3)을 외부로 배출하는 배양액배출부(400)가 배출구(315)와 연통되게 설치된다.
배양액배출부(400)는 광물생성부(300)의 하부에 배치되어, 석출된 광물만 광물생성부(300) 하부에 잔류하도록 광물생성부(300) 내의 미생물 배양액(C3)을 외부로 배출하는 기능을 한다. 이 실시예에서 배양액배출부(400)는 광물생성부(300)의 배출구(315)에 개폐 가능하게 설치되어 미생물 배양액(C3)은 통과시키고 석출된 SrCO3 광물과 SrCaCO3 광물을 걸러내는 필터유닛(460)과, 상기 배출구(315)와 연통되는 배출유로(410)를 통해 미생물 배양액(C3)을 외부로 펌핑하는 배출펌프(430)와, 상기 배출유로(410) 내에 설치되어 미생물 배양액(C3) 내의 미생물과 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 제올라이트 또는 활성탄 등의 흡착재(420), 흡착재(420)를 통과한 미생물 배양액(C3)의 NH4 +의 농도를 측정하는 암모늄 농도측정센서(미도시)를 구비하여 배출유로(410)를 통한 미생물 배양액(C3)의 배출을 제어하는 배출제어기(440) 및, 상기 암모늄 농도측정센서(미도시)에 의해 측정된 NH4 +의 농도가 미리 정해진 농도값보다 높을 경우 배출펌프(430)에서 배출되는 미생물 배양액(C3)을 상기 배출유로(410)의 입구측으로 되돌리는 순환유로(450) 및 순환유로(450)를 통한 미생물 배양액(C3)의 순환 유동을 제어하는 순환펌프(451) 및 순환제어밸브(452)를 포함한다.
상기 필터유닛(460)은, 상기 배출구(315)의 입구측에 회전가능하게 설치되며 복수의 개폐공(462a)이 관통되게 형성되어 있는 상부개폐부재(462)와, 상기 상부개폐부재(462)의 하부에 설치되며 상기 상부개폐부재(462)의 회전에 따라 상기 개폐공(462a)과 연통되거나 상부개폐부재(462)의 면에 의해 차폐되는 복수의 배출공(463a)이 관통되게 형성되어 있는 하부개폐부재(463)와, 상기 상부개폐부재(462)의 상측에 배치되어 미생물 배양액(C3)이 외부로 배출될 때 미생물 배양액(C3) 내의 광물을 걸러내는 필터부재(461)를 포함한다.
상부개폐부재(462)와 하부개폐부재(463)는 원판 형태로 이루어지며, 상부개폐부재(462)가 하부개폐부재(463)에 대해 일정 각도로 상대 회전하면 상부개폐부재(462)의 개폐공(462a)이 하부개폐부재(463)의 배출공(463a)과 연통되면서 광물생성부(300)의 배양용기(310) 내에 있는 미생물 배양액(C3)이 외부로 배출될 수 있다. 이 때, 미생물 배양액(C3)은 개폐공(462a)과 배출공(463a)을 통해 하측의 배출유로(410)로 배출되지만, 미생물 배양액(C3) 내의 SrCO3 광물과 SrCaCO3 광물은 상부개폐부재(462)의 바로 상측에 배치된 필터부재(461)에 의해 걸러진 다음 미생물 배양액(C3)이 모두 배출되면 회수된다.
상기 필터부재(461)는 액체는 용이하게 배출될 수 있지만 고형물인 SrCO3 광물과 SrCaCO3 광물은 걸러낼 수 있는 포어(pore) 사이즈를 갖는 공지의 필터를 적용하여 구성할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 방사성 핵종 제거 장치를 이용하여 방사성 핵종을 제거하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
배지혼합액공급부(100)의 배양원료공급기(110)에서 배지(C1)와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물을 정해진 양만큼 배출하여 공급관(112) 및 공급제어밸브(113)를 통해서 배지혼합액제조기(120)로 공급되고, 배지(C1)와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물이 혼합되어 배지혼합액(C2)이 제조된다. 이 때, 배지혼합액(C2)은 Mg/Ca의 중량비가 0.25가 되도록 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물의 공급량이 조절된다.
배지혼합액제조기(120) 내의 배지혼합액(C2)은 혼합액공급펌프(123)에 의해 배지혼합액 공급관(122)을 통해 광물생성부(300)의 배양용기(310) 내로 공급되어 저장된다. 그리고 방사성핵종공급부(200)에 저장되어 있는 스트론튬 이온(Sr2+)이 함유된 방사성 핵종 용액(SL)은 핵종용액공급펌프(230)에 의해 핵종용액공급관(220)을 통해서 광물생성부(300)의 배양용기(310) 내로 공급되고, 미생물 투입구(312)를 통해 우레아 분해성 미생물이 투입되어 배지혼합액(C2)과 혼합된다. 이렇게 배지혼합액(C2)과 방사성 핵종 용액(SL)과 우레아 분해서 미생물이 혼합되어 미생물 배양액(C3)이 만들어진다.
미생물 배양액(C3) 내의 우레아 분해성 미생물은 우레아 분해를 통해 표면에 탄산이온(CO3 2-)을 생성하고, 탄산이온(CO3 2-)은 미생물 배양액(C3) 내의 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물이 석출된다. 이 때 광물생성부(300)의 스트론튬 농도측정센서(360)에 의해 측정되는 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도가 대략 200 ㎎/L인 경우에서 가장 높은 우레아 분해 성능을 갖는 것으로 확인되었으므로, 미생물 배양액(C3)의 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도가 대략 200 ㎎/L가 되도록 상기 방사성핵종공급부(200)에서 공급되는 스트론튬 이온(Sr2+)의 양을 조절하여 광물생성부(300)로 공급한다.
광물생성부(300)에 미생물이 투입된 시점으로부터 일정 시간 경과 후, 필터유닛(460)의 상부개폐부재(462)를 일정 각도로 회전시켜 개폐공(462a)과 하부개폐부재(463)의 배출공(463a)을 일치시키면, 배양용기(310) 내의 미생물 배양액(C3)이 개폐공(462a)과 배출공(463a)을 통해 하측의 배출유로(410)로 낙하한다. 그리고 배출펌프(430)가 작동하여 미생물 배양액(C3)을 흡착재(420)를 통과시킨 후 배출한다. 미생물 배양액(C3)은 배출유로(410) 내의 흡착재(420)를 통과하면서 미생물과 암모늄 이온(NH4 +)이 흡착되어 배출된다.
이 때 암모늄 농도측정센서(미도시)가 미생물 배양액(C3) 내의 암모늄이온(NH4 +)의 농도를 측정하여 측정값이 배출제어기(440)에 미리 정해진 값보다 낮으면 배출유로(410)의 출구에 배치된 밸브(411)를 개방하여 미생물 배양액(C3)을 외부로 배출하고, 측정값이 배출제어기(440)에 미리 정해진 값보다 높으면 상기 밸브(411)를 닫고 순환제어밸브(452)를 개방하고 순환펌프(451)를 작동시켜 순환유로(450)를 통해서 배출유로(410)의 입구로 되돌린 후 다시 순환시킨다.
한편 광물생성부(300)에서 미생물 배양액(C3)이 배출되는 과정에서 SrCO3 광물 또는 SrCaCO3 광물은 필터부재(461)에 의해 걸러져서 광물생성부(300)의 바닥에 남게 되므로 미생물 배양액(C3)이 완전히 배출된 후 필터부재(461) 상의 광물을 쉽게 회수할 수 있다.
이와 같이 방사성 핵종 제거 장치는 광물생성부(300)의 미생물 배양액(C3)에 존재하는 우레아 분해성 미생물이 우레아 분해를 통해 표면에 탄산이온(CO3 2-)을 생성하고, 탄산이온(CO3 2-)이 미생물 배양액(C3) 내의 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 광물 또는 SrCaCO3 광물이 석출되므로 스트론튬 이온(Sr2+)을 안정한 광물로 변환시켜 회수할 수 있다. 이 때 미생물 배양액(C3) 내의 마그네슘과 칼슘은 음전하로 하전되어 있는 미생물의 세포벽에 정전기적 인력으로 결합하기도 하고, 우레아 분해성 미생물이 생성한 탄산이온(CO3 2-)과 결합하여 SrCaCO3 광물로 석출되기도 하므로 마그네슘과 칼슘이 없는 경우에 비하여 광물 석출량을 대폭 증가시킬 수 있다.
우레아 분해성 미생물의 생존과 우레아(CO(NH2)2) 분해성은 미생물 배양액(C3) 내의 마그네슘과 칼슘의 존재 유무와 혼입량과, 스트론튬 이온의 농도에 영향을 받는 것으로 확인되었다. 즉, 다양한 Mg/Ca의 중량비와 스트론튬 이온의 농도 구배에 따라 우레아 분해성 미생물의 생장 및 우레아 분해 대사에 의한 탄산이온(CO3 2-) 및 SrCO3 광물 또는 SrCaCO3 광물의 석출량이 영향을 받는다.
도 4의 그래프는 Mg/Ca의 중량비에 따른 광학 밀도(optical density) 및 암모늄 이온(NH4 +) 농도(concentration)를 나타낸 것으로, Mg/Ca의 중량비가 0.25일 때 가장 빠른 미생물 생장을 보이며, Mg/Ca 중량비가 증가함에 따라 미생물의 증식 속도가 감소하는 것으로 확인되었다. 또한 Mg/Ca의 중량비가 0.25일 때 가장 빠른 우레아 분해로 인한 암모늄 이온(NH4 +) 형성이 나타나고, Mg/Ca 중량비가 증가함에 따라 우레아 분해성능이 저하되어 암모늄 이온(NH4 +) 형성량이 느리게 증가하는 것으로 확인되었다.
또한 도 5의 그래프는 Mg/Ca 중량비에 따른 미생물 배양액(C3) 내의 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 스트론튬 이온(Sr2+) 농도(concentration)를 나타낸 것으로, Mg/Ca 중량비가 감소할수록 미생물 배양액(C3) 내 미생물에 의한 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 스트론튬 이온(Sr2+) 소비량이 증가하며, 이는 Mg/Ca 중량비가 감소할수록 미생물 증식 및 우레아 분해성 증가와 관련이 있음을 알 수 있다.
도 6은 미생물 배양액(C3) 내에 칼슘 이온(Ca2+), 마그네슘 이온(Mg2+), 스트론튬 이온(Sr2+)의 혼합에 따른 석출물의 XRD 결과를 나타낸 그래프로, 미생물 배양액(C3) 내에 칼슘 이온(Ca2+)과, 마그네슘 이온(Mg2+), 스트론튬 이온(Sr2+)이 모두 혼합되었을 경우 미생물의 우레아 분해로 형성된 탄산이온(CO3 2-)이 스트론튬 이온(Sr2+) 및 칼슘 이온(Ca2+)과 결합하여 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물을 형성하며, 마그네슘 이온(Mg2+)은 탄산염과 결합이 쉽게 일어나지 않았으나, 칼슘 이온(Ca2+)과 마그네슘 이온(Mg2+) 및 스트론튬 이온(Sr2+)이 모두 혼합되었을 경우에 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물의 형성이 가장 뚜렷이 관찰되었다.
도 7의 표는 Mg/Ca 중량비에 따른 스트론튬 이온(Sr2+) 제거율을 나타낸 것으로, Mg/Ca 중량비가 0.25에서 가장 빠르고 높게 스트론튬 이온(Sr2+) 제거율을 보이는 것으로 확인되었다.
또한 도 8은 미생물 배양액(C3) 내의 스트론튬 이온(Sr2+) 농도에 따른 광학 밀도 및 암모늄 이온(NH4 +) 형성량을 나타낸 것으로, 스트론튬 이온(Sr2+) 농도가 10㎎/L, 50㎎/L, 100㎎/L, 200㎎/L, 500㎎/L 의 미생물 배양액 중에서 스트론튬 이온(Sr2+) 농도가 500㎎/L에서 가장 빠른 미생물 생장률이 관찰되었다. 그러나 스트론튬 이온(Sr2+) 농도가 500㎎/L에서 미생물의 우레아 분해에 따른 암모늄 이온(NH4 +)의 생성량은 가장 낮았으며, 스트론튬 이온(Sr2+) 농도가 200㎎/L에서 가장 높은 암모늄 이온(NH4 +)의 생성량을 보였다. 이는 미생물의 생존성이 빨라도 미생물의 우레아 분해성 대사가 일치하지 않는 것을 나타내며, 우레아 분해성이 SrCO3 광물 또는 SrCaCO3 광물의 생성에 중요한 영향을 미치므로 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+) 농도를 200㎎/L로 유지하는 것이 스트론튬 이온(Sr2+)의 제거에 가장 효과적이다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
C1 : 배지 C2 : 배지혼합액
C3 : 미생물 배양액 C : 칼슘(Ca) 함유물
M : 마그네슘(Mg) 함유물 SL : 방사성 핵종 용액
100 : 배지혼합액공급부 110 : 배양원료공급기
111 : 저장챔버 112 : 공급관
113 : 공급제어밸브 120 : 배지혼합액제조기
121 : 배지혼합액용기 122 : 배지혼합액 공급관
123 : 혼합액공급펌프 130 : 혼합제어부
200 : 방사성핵종공급부 210 : 핵종저장기
220 : 핵종용액공급관 230 : 핵종용액공급펌프
240 : 농도측정기 241 : 농도센서
300 : 광물생성부 310 : 배양용기
312 : 미생물 투입구 320 : 배양액 교반부재
330 : 광물생성제어부 351 : 가스공급원
352 : 가스공급제어기 353 : 가스공급관
354 : 가스주입관 360 : 스트론튬 농도측정센서
400 : 배양액배출부 410 : 배출유로
420 : 흡착재 430 : 배출펌프
440 : 배출제어기 450 : 순환유로
451 : 순환펌프 452 : 순환제어밸브
460 : 필터유닛 461 : 필터부재
462 : 상부개폐부재 462a : 개폐공
463 : 하부개폐부재 463a : 배출공
C3 : 미생물 배양액 C : 칼슘(Ca) 함유물
M : 마그네슘(Mg) 함유물 SL : 방사성 핵종 용액
100 : 배지혼합액공급부 110 : 배양원료공급기
111 : 저장챔버 112 : 공급관
113 : 공급제어밸브 120 : 배지혼합액제조기
121 : 배지혼합액용기 122 : 배지혼합액 공급관
123 : 혼합액공급펌프 130 : 혼합제어부
200 : 방사성핵종공급부 210 : 핵종저장기
220 : 핵종용액공급관 230 : 핵종용액공급펌프
240 : 농도측정기 241 : 농도센서
300 : 광물생성부 310 : 배양용기
312 : 미생물 투입구 320 : 배양액 교반부재
330 : 광물생성제어부 351 : 가스공급원
352 : 가스공급제어기 353 : 가스공급관
354 : 가스주입관 360 : 스트론튬 농도측정센서
400 : 배양액배출부 410 : 배출유로
420 : 흡착재 430 : 배출펌프
440 : 배출제어기 450 : 순환유로
451 : 순환펌프 452 : 순환제어밸브
460 : 필터유닛 461 : 필터부재
462 : 상부개폐부재 462a : 개폐공
463 : 하부개폐부재 463a : 배출공
Claims (10)
- 배지와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘(Ca) 함유물을 혼합한 배지혼합액을 저장하고 공급하는 배지혼합액공급부;
스트론튬 이온(Sr2+)이 함유된 방사성 핵종 용액을 공급하는 방사성핵종공급부;
상기 배지혼합액공급부에서 공급된 배지혼합액과 방사성핵종공급부에서 공급된 방사성 핵종 용액을 혼합하고 우레아 분해성 미생물을 투입하여 미생물 배양액을 제조하고, 우레아 분해성 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물을 석출하도록 하는 광물생성부; 및,
상기 광물생성부에서 미생물 배양액은 외부로 배출하고 석출된 광물은 걸러내는 배양액배출부;
를 포함하고,
상기 배양액배출부는, 광물생성부의 하단부에 형성되는 배출구에 개폐 가능하게 설치되어 미생물 배양액은 통과시키고 광물은 걸러내는 필터유닛과, 상기 배출구와 연통되는 배출유로를 통해 미생물 배양액을 외부로 펌핑하는 배출펌프와, 상기 배출유로 내에 설치되어 미생물 배양액 내의 미생물과 암모늄 이온(NH4 +)을 흡착하는 흡착재를 포함하는 방사성 핵종 제거 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 흡착재를 통과한 미생물 배양액의 NH4 +의 농도를 측정하는 암모늄 농도측정센서를 구비하며 상기 배출유로를 통한 미생물 배양액의 배출을 제어하는 배출제어기와, 상기 농도측정센서에 의해 측정된 NH4 +의 농도가 미리 정해진 농도값보다 높을 경우 배출펌프에서 배출되는 미생물 배양액을 상기 배출유로의 입구측으로 되돌리는 순환유로 및, 순환유로를 통한 미생물 배양액의 순환 유동을 제어하는 순환펌프 및 순환제어밸브를 더 포함하는 방사성 핵종 제거 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 필터유닛은, 상기 배출구에 회전가능하게 설치되며 복수의 개폐공이 관통되게 형성되어 있는 상부개폐부재와, 상기 상부개폐부재의 하부에 설치되며 상기 상부개폐부재의 회전에 따라 상기 개폐공과 연통되거나 상부개폐부재의 면에 의해 차폐되는 복수의 배출공이 관통되게 형성되어 있는 하부개폐부재와, 상기 상부개폐부재의 상측에 배치되어 미생물 배양액이 외부로 배출될 때 미생물 배양액 내의 광물을 걸러내는 필터부재를 포함하는 방사성 핵종 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 광물생성부는, 배지혼합액공급부에서 공급된 배지혼합액을 저장하는 배양챔버를 구비한 배양용기, 상기 배양용기의 일측에 배양챔버의 내부로 연통되게 형성된 미생물 투입구, 상기 배양챔버 내부에 설치되어 배지혼합액과 미생물이 혼합된 미생물 배양액을 교반하는 교반부재, 상기 미생물 배양액을 가열하는 배양액 가열부재, 상기 배양챔버 내부로 미생물 배양을 위한 가스를 공급하는 가스공급유닛, 및 상기 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도를 측정하는 농도측정센서를 포함하는 방사성 핵종 제거 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 농도측정센서에 의해 측정되는 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도가 200㎎/L가 되도록 상기 방사성핵종공급부에서 공급되는 스트론튬 이온(Sr2+)의 양을 조절하여 광물생성부로 공급하는 방사성 핵종 제거 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 배지혼합액공급부의 배지혼합액의 Mg/Ca의 중량비는 0.25인 방사성 핵종 제거 장치.
- (S1) 배지와 마그네슘(Mg) 함유물과 칼슘 함유물을 혼합한 배지혼합액을 제조하는 단계;
(S2) 상기 배지혼합액에 스트론튬 이온(Sr2+)이 함유된 방사성 핵종 용액을 공급하여 혼합하는 단계;
(S3) 상기 배지혼합액과 방사성 핵종 용액이 혼합된 용액에 우레아 분해성 미생물을 투입하여 미생물 배양액을 제조하고, 우레아 분해성 미생물의 우레아 분해로 형성된 CO3 2-가 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)과 결합하여 SrCO3 또는 SrCaCO3 광물을 석출하도록 하는 단계; 및,
(S4) 석출된 광물을 회수하는 단계;
를 포함하고,
상기 (S4) 단계에서는 복수의 개폐공이 관통되게 형성되어 있는 상부개폐부재와, 상기 상부개폐부재의 하부에 설치되며 상기 상부개폐부재의 회전에 따라 상기 개폐공과 연통되거나 상부개폐부재의 면에 의해 차폐되는 복수의 배출공이 관통되게 형성되어 있는 하부개폐부재를 포함하는 필터유닛을 이용하여 미생물 배양액 내에서 석출된 광물은 걸러내고 미생물 배양액만 외부로 배출하며,
외부로 배출되는 미생물 배양액을 흡착재를 통과시켜 미생물과 암모늄 이온(NH4 +)은 흡착재에 흡착시킨 후 배출하는 방사성 핵종 제거 방법. - 제8항에 있어서, 상기 (S1) 단계에서 배지혼합액의 Mg/Ca의 중량비는 0.25이고,
상기 (S3) 단계에서 미생물 배양액 내의 스트론튬 이온(Sr2+)의 농도가 200 ㎎/L가 되도록 상기 (S2) 단계에서 공급되는 스트론튬 이온(Sr2+)의 양을 조절하는 방사성 핵종 제거 방법. - 삭제
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