KR102539411B1 - 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 방사성 물질 및 계면 활성제를 함유한 폐액이 안전하고 효과적으로 처리될 수 있는 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법으로서, 내부에 폐액 및 수용액이 혼합되어 침전물이 생성되는 공간이 형성되는 침전 반응 용기, 상기 침전 반응 용기로부터 상기 침전물을 포함한 혼합물을 공급받아 상기 혼합물의 일부를 증발시키는 증발 유닛을 포함하고, 상기 증발 유닛은, 내부에 증발된 상기 혼합물의 일부를 공급받아 응축시키는 공간이 형성되는 회수 용기를 포함하는, 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법을 개시한다.

Description

폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법{Waste liquid treatment apparatus and waste liquid treatment method using the same}
본 발명은 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 방사성 물질 및 계면 활성제를 함유한 폐액이 안전하고 효과적으로 처리될 수 있는 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법에 관한 것이다.
폐액이란, 가정용 또는 산업용 등 일정한 목적에 쓰고 난 액체를 의미한다. 폐액 처리 장치는, 이러한 폐액에서 유해 물질을 제거하거나 회수하는 장치를 의미한다.
폐액 처리 장치는 처리 대상인 폐액의 종류 및 목적이 다양한 바, 그 구조 또한 다양하게 존재한다. 그 중에서, 방사성 물질을 함유한 폐액 처리 장치는 보다 안전한 처리 공정이 요구되는 바, 이를 위한 구조가 필수적이다.
특히, 방사성 물질 및 계면 활성제를 모두 포함한 폐액의 경우, 무극성의 고분자 화합물인 계면 활성제의 화학적 분해가 용이하지 않고, 고농도의 무기 물질이 침전 반응 후 여과를 통해 제거되는 데 어려움이 있다. 이에 따라, 방사성 물질 및 계면 활성제를 포함한 폐액이 충분하게 처리되지 못할 가능성이 높다.
따라서, 방사성 물질 및 계면 활성제를 포함한 폐액이 안전하고 효과적으로 처리될 수 있는 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법의 개발이 고려될 수 있다.
한국등록특허공보 제10-1995118호는 원자력 시설 화학 제염 공정 폐기물의 처리 방법을 개시한다. 구체적으로, 산화 환원과 침전 반응을 이용한 원자력 시설 화학 제염 공정 폐기물의 처리 방법을 개시한다.
그런데, 이러한 유형의 폐기물 처리 방법은, 계면 활성제가 혼합된 폐액의 처리 방법에 대하여 개시하지 않는다. 또한, 계면 활성제가 혼합된 폐액에 그대로 적용되기에는 무리가 있다.
한국등록특허공보 제10-1868531호는 폐액 재생성 처리 장치를 개시한다. 구체적으로, 폐액에 침전 촉진제를 균일하게 혼합하여 폐액으로부터 침전물을 제거하고 전해액으로 재생성하는 폐액 재생성 처리 장치를 개시한다.
그러나, 이러한 유형의 폐액 재생성 처리 장치 또한, 계면 활성제가 혼합된 폐액의 처리 공정에 대하여 개시하지 않는다. 따라서, 계면 활성제가 혼합된 폐액에 적용되기 위한 별도 구조가 고려되어야 할 것이다.
한국등록특허공보 제10-1995118호 (2019.07.02.) 한국등록특허공보 제10-1868531호 (2018.06.19.)
본 발명의 일 목적은, 폐액, 특히 방사성 물질 및 계면 활성제를 함유한 폐액이 보다 안전하고 효과적으로 처리될 수 있는 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은, 제염 과정에서 사용된 거품 용액의 원료 물질의 회수될 수 있는 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은, 폐액이 반연속적으로 처리될 수 있는 폐액 처리 장치 및 이를 이용한 폐액 처리 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 폐액 처리 장치는, 내부에 폐액 및 수용액이 혼합되어 침전물이 생성되는 공간이 형성되는 침전 반응 용기; 일 측이 상기 침전 반응 용기의 하측과 결합되고, 상기 침전 반응 용기와 연통되어 상기 침전물을 포함한 혼합물이 유입되는 배관; 및 상기 배관의 타 측과 결합되고, 상기 배관으로부터 상기 혼합물을 공급받아 상기 혼합물의 일부를 증발시키는 증발 유닛을 포함하고, 상기 증발 유닛은, 상기 배관과 연통되고, 내부에 상기 혼합물이 수용되는 공간이 형성되는 증발 용기; 일 측이 상기 증발 용기의 상측과 결합되고, 상기 증발 용기와 연통되어 상기 증발 용기에서 증발된 상기 혼합물의 일부가 유입되는 회수관; 및 상기 회수관의 타 측과 연통되고, 내부에 상기 회수관으로부터 상기 혼합물의 일부를 공급받아 응축시키는 공간이 형성되는 회수 용기를 포함한다.
또한, 상기 폐액은 계면 활성제 및 방사성 물질을 함유하고, 상기 수용액은 수산화 바륨(Ba(OH)2)을 함유할 수 있다.
또한, 상기 수용액은 수용액 주입부를 통과하여 상기 침전 반응 용기에 투입되고, 상기 수용액 주입부는, 상기 수용액 주입부를 통과하는 상기 수용액에 열을 공급하는 밴드 히터(band heater)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 밴드 히터는, 상기 수용액 주입부를 통과하는 상기 수용액의 온도를 75℃ 이상 85℃ 이하로 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 수용액에 함유된 상기 수산화 바륨의 몰 농도는, 상기 폐액에 함유된 황산 이온(SO4 2-)의 몰 농도의 97% 이상 99% 이하일 수 있다.
또한, 상기 증발 유닛은, 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 감압시키는 진공 펌프를 포함할 수 있다.
또한, 상기 진공 펌프는, 진공관을 통해 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기 중 어느 하나와 연결되고, 상기 진공관의 일 부분에는, 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력을 조절할 수 있는 바이패스 밸브(by-pass valve)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 바이패스 밸브는, 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력이 650 Torr 이상 700 Torr 이하로 유지되도록 조절할 수 있다.
또한, 상기 배관을 통과하는 상기 혼합물은, 체크 밸브(check valve)에 의해 상기 증발 용기로의 유입이 허용되거나 차단될 수 있다.
또한, 상기 체크 밸브는, 상기 회수관의 상측에 설치된 압력 센서의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 기 설정된 압력으로 유지되면 개방되고, 상기 증발 용기로 주입된 상기 혼합물의 부피가 기 설정된 부피에 도달되면 폐쇄될 수 있다.
또한, 상기 침전 반응 용기 내부에서 회전되며 상기 폐액 및 상기 수용액을 혼합시키는 교반기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 교반기는, 200rpm 이상 400rpm 이하의 속도로 회전될 수 있다.
또한, 상기 증발 유닛은, 상기 증발 용기의 외측에 부착되고, 상기 증발 용기 외벽으로 열을 공급하는 가열기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가열기는, 상기 증발 용기 외벽을 90℃ 이상 100℃ 이하로 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 가열기는, 상기 증발 유닛의 1차 증발 과정 동안 상기 증발 용기 외벽을 90℃ 이상 95℃ 이하로 유지시키고, 상기 증발 유닛의 2차 증발 과정 동안 상기 증발 용기 외벽을 145℃ 이상 155℃ 이하로 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 폐액 처리 장치를 이용한 폐액 처리 방법으로서, (a) 상기 침전 반응 용기에 상기 폐액 및 상기 수용액 주입이 시작되는 단계; (b) 상기 폐액 및 상기 수용액이 혼합되어 상기 침전물이 생성되는 단계; (c) 상기 침전물을 포함한 상기 혼합물이 상기 배관을 통해 상기 침전 반응 용기에서 상기 증발 용기로 유동되는 단계; (d) 상기 증발 용기 내 상기 혼합물의 일부가 기화되어 상기 회수 용기로 유동되는 단계; 및 (e) 기화된 상기 혼합물의 일부가 응축되어 상기 회수 용기에 저장되는 단계를 포함하는, 폐액 처리 방법을 제공한다.
또한, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 교반기가 회전되며 상기 폐액 및 상기 수용액을 혼합시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 체크 밸브가 수동 개방되어 상기 혼합물의 상기 증발 용기로의 유입이 허용되는 단계; 및 (c2) 상기 체크 밸브가 수동 폐쇄되어 상기 혼합물의 상기 증발 용기로의 유입이 차단되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (c2) 단계 이후 상기 (d) 단계 이전에, (c3) 상기 압력 센서의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 기 설정된 압력으로 유지되면, 상기 체크 밸브가 자동 개방되는 단계; 및 (c4) 상기 증발 용기로 주입된 상기 혼합물의 부피가 기 설정된 부피에 도달되면, 상기 체크 밸브가 자동 폐쇄되는 단계가 수행될 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 진공 펌프가 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 감압시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (d1) 단계는, (d2) 상기 바이패스 밸브가 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계 이후에, (f) 상기 폐액 처리 장치의 구동이 종료되고, 상기 혼합물의 일부가 회수되는 단계가 수행될 수 있다.
또한, 상기 (f) 단계는, (f1) 침전 반응 유닛의 구동이 종료되는 단계; (f2) 상기 체크 밸브가 수동 개폐 모드로 전환되고 폐쇄되는 단계; (f3) 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력이 기 설정된 종료 압력에 도달되면, 상기 가열기의 구동이 종료되는 단계; (f4) 상기 증발 용기의 온도가 25℃보다 낮아지면, 상기 진공 펌프의 구동이 종료되는 단계; 및 (f5) 상기 회수 용기가 외부로 반출되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 효과 중, 상술한 해결 수단을 통해 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.
먼저, 폐액이 수용액과 혼합되어 침전 반응을 일으킨다. 이후, 침전물을 포함한 혼합물이 배관을 통해 증발 유닛의 증발 용기로 주입된다. 증발 용기에 수용된 혼합물은 그 일부가 가열기에 의해 기화되어 회수 용기로 유동된다. 기화되지 않은 나머지 혼합물은 증발 용기에 잔류된다. 상기 과정에서, 무기 물질이 증발 용기에 잔류되고, 계면 활성제를 포함한 용액이 회수될 수 있다.
따라서, 혼합물 내 무기 물질이 침전 반응을 통해 불용성 화학물로 전환된 뒤 물과 분리될 수 있다. 특히, 방사성 물질 및 계면 활성제를 함유한 폐액에 있어서, 방사성 물질을 함유한 고농도의 무기 물질이 고화체 제조가 용이한 형태로 분리될 수 있다. 결과적으로, 방사성 물질 및 계면 활성제를 함유한 폐액이 보다 안전하고 효과적으로 처리될 수 있다.
또한, 폐액에 포함된 계면 활성제의 일부 및 물이 방사성 물질과 무기 물질이 제거된 상태로 분리된다. 즉, 폐액에 포함된 계면 활성제의 일부 및 물이 방사성 물질과 무기 물질이 제거된 상태로 회수된다.
따라서, 제염 과정에서 사용된 계면 활성제의 일부와 물이 회수될 수 있다. 이에 따라, 회수된 거품 용액의 원료 물질이 순수한 거품 용액으로서 재사용될 수 있다. 결과적으로, 폐액 처리 비용이 보다 절감될 수 있고, 경제성이 보다 증진될 수 있다.
또한, 침전 반응 용기와 증발 용기를 연결하는 배관에 체크 밸브(check valve)가 설치된다. 체크 밸브는 증발 유닛에 설치된 압력 센서의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 기 설정된 압력으로 유지되면 개방된다. 반대로, 증발 용기로 주입된 혼합물의 부피가 기 설정된 부피에 도달되면, 체크 밸브가 폐쇄된다.
이에 따라, 침전 반응 용기 내 폐액이 반연속적으로 증발 용기에 주입될 수 있다. 즉, 폐액이 반연속적으로 처리될 수 있다. 따라서, 폐액 처리 장치의 구조 및 폐액 처리 방법이 보다 단순화될 수 있다. 더 나아가, 산업체의 접근성 및 활용도가 보다 증가될 수 있다.
또한, 동일한 혼합물에 대하여 증발 및 회수 과정이 여러 번 반복하여 수행될 수 있다. 이때, 각 증발 단계에서의 증발 용기 외벽 온도가 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 혼합물의 1차 증발 과정에서는 증발 용기 외벽 온도가 90℃ 이상 95℃ 이하로 가열되고, 혼합물의 2차 증발 과정에서는 증발 용기 외벽 온도가 145℃ 이상 155℃ 이하로 가열될 수 있다.
따라서, 2차 회수액 내 계면 활성제의 농도가 1차 회수액 내 계면 활성제의 농도보다 크게 형성될 수 있다. 즉, 계면 활성제의 농도가 다르게 형성되는 서로 다른 회수액이 생성될 수 있다. 결과적으로, 회수액 내 계면 활성제의 농도가 제어될 수 있다. 이에 따라, 계면 활성제를 함유한 폐액의 부피가 보다 효과적으로 축소될 수 있다. 더 나아가, 폐액의 최종 처리의 용이성이 증진될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 폐액 처리 장치를 도시하는 개념도이다.
도 2는 침전물을 포함한 혼합물이 증발 유닛에 투입되기 전의 폐액 처리 장치를 도시하는 개념도이다.
도 3은 침전물을 포함한 혼합물이 증발 유닛에 투입된 후의 폐액 처리 장치를 도시하는 개념도이다.
도 4는 혼합물의 증발 과정이 진행 중인 상태의 폐액 처리 장치를 도시하는 개념도이다.
도 5는 혼합물의 증발 과정이 완료된 상태의 폐액 처리 장치를 도시하는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 폐액 처리 방법을 도시하는 순서도이다.
도 7은 도 6의 S300 단계를 보다 상세하게 도시하는 순서도이다.
도 8은 도 6의 S400 단계를 보다 상세하게 도시하는 순서도이다.
도 9는 도 6의 S600 단계를 보다 상세하게 도시하는 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 폐액 처리 장치(1) 및 이를 이용한 폐액 처리 방법을 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시 예라도 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르기 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 폐액 처리 장치(1)에 대하여 설명한다.
폐액 처리 장치(1)는 가정용 또는 산업용 등 특정 목적에 쓰이고 난 액체에서 유해 물질을 분리하거나 회수한다. 구체적으로, 침전 반응, 감압 증발 및 응축 과정을 통해 폐액에서 유해 물질을 분리한다.
여기에서, 감압 증발이란, 내부 압력이 대기압 이하로 감압된 상태로 수행되는 증발 과정을 의미한다.
폐액 처리 장치(1)는 폐액을 반연속적으로 처리한다. 구체적으로, 폐액의 주입이 연속적으로 수행되는 단계와 폐액의 주입이 차단되는 단계가 교번적으로 반복되며, 폐액이 처리된다.
폐액 처리 장치(1)의 대상은 특정 물질로 한정되지 않는다. 일 실시 예에서, 폐액은 방사성 물질 및 계면 활성제를 포함한 폐액일 수 있다.
도시된 실시 예에서, 폐액 처리 장치(1)는 침전 반응 유닛(10), 배관(20), 체크 밸브(check valve)(30) 및 증발 유닛(40)을 포함한다.
침전 반응 유닛(10)은 폐액과 수용액의 침전 반응이 발생되는 부재이다. 이를 위해, 침전 반응 유닛(10)은 폐액 및 수용액이 혼합되어 침전물(P)이 생성되는 공간을 제공한다.
도시된 실시 예에서, 침전 반응 유닛(10)은 침전 반응 용기(110), 폐액 주입부(120), 수용액 주입부(130) 및 교반기(140)를 포함한다.
침전 반응 용기(110)는 폐액과 수용액의 침전 반응이 직접적으로 일어나는 공간이다.
침전 반응 용기(110)는 내부에 폐액 및 수용액이 혼합되어 침전물(P)이 생성된 공간이 형성된다. 도시된 실시 예에서, 침전 반응 용기(110)는 하측으로 직경이 감소되며 연장되는 원기둥 형상으로 형성된다.
침전 반응 용기(110)의 내부 공간은 폐액 주입부(120) 및 수용액 주입부(130)와 결합된다.
폐액 주입부(120) 및 수용액 주입부(130)는 침전 반응 용기(110)로 각각 폐액 및 수용액을 공급한다.
폐액 주입부(120)를 통해 공급되는 폐액은 특정 물질로 한정되지 않는다. 일 실시 예에서, 폐액은 방사성 물질 및 계면 활성제를 함유할 수 있다.
수용액 주입부(130)를 통해 공급되는 수용액은 특정 물질로 한정되지 않는다. 일 실시 예에서, 수용액은 수산화 바륨(Ba(OH)2)을 함유할 수 있다.
상기 실시 예에서, 수산화 바륨 수용액에 함유된 바륨 이온(Ba2+)이 폐액 내 황산 이온과 반응하게 되면, 침전물(P)인 황산 바륨(BaSO4)이 생성될 수 있다. 이때, 수용액에 함유된 수산화 바륨의 몰 농도는, 폐액에 함유된 황산 이온(SO4 2-)의 몰 농도의 97% 이상 99% 이하인 것이 바람직하다. 이는, 혼합액의 증발을 방해하는 미반응 바륨을 감소시키기 위함이다.
상기 침전 반응 과정에서, 수산화 바륨이 황산 이온의 몰 농도보다 높은 몰 농도로 주입되는 경우, 수산화 바륨의 형태로 잔류하는 바륨이 침전물(P) 위로 코팅되며 침전물(P)의 증발을 방해하게 된다. 수산화 바륨이 황산 이온의 몰 농도와 동일한 몰 농도로 주입되는 경우에도 미반응 바륨이 존재하게 되는 바, 수산화 바륨은 황산 이온의 몰 농도보다 작은 몰 농도로 주입되는 것이 바람직하다.
또한, 수용액 주입부(130)는 가급적 특정 온도로 유지되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 수용액 주입부(130)는 그 배관(20)이 단열되거나 별도의 구성 요소에 의해 가열될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 수용액 주입부(130)에는 밴드 히터(131)가 부착된다.
밴드 히터(131)는 수용액 주입부(130)를 통과하는 수용액에 열을 공급한다. 일 실시 예에서, 밴드 히터(131)는 수용액 주입부(130)를 통과하는 수용액의 온도를 75℃ 이상 85℃ 이하로 유지시킨다. 바람직하게는, 밴드 히터(131)는 수용액 주입부(130)를 통과하는 수용액의 온도를 80℃ 내외로 유지시킨다.
밴드 히터(131)는 수용액 주입부(130)의 외주를 둘러싸도록 배치된다. 이에 따라, 밴드 히터(131)는 고리 형으로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 밴드 히터(131)는 도시된 형상에 한정되지 않고 수용액 주입부(130)를 통과하는 수용액을 가열할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
침전 반응 용기(110)에 주입된 폐액 및 수용액은 혼합되어 침전물(P)을 발생시킨다. 상기 혼합 과정은 교반기(140)에 의해 수행될 수 있다.
교반기(140)는 침전 반응 용기(110) 내 폐액 및 수용액을 혼합시킨다.
교반기(140)는 침전 반응 용기(110) 내부에 배치된다. 이에 따라, 교반기(140)는 침전 반응 용기(110)보다 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 교반기(140)는 그 일부가 폐액 및 수용액의 혼합물(M)에 수장될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 교반기(140)의 하측에는 단수 개 또는 복수 개의 날개부가 구비된다. 그러나, 교반기(140)는 도시된 형태에 한정되지 않고, 폐액 및 수용액을 혼합시킬 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
교반기(140)는 침전 반응 용기(110) 내부에서 회전될 수 있다. 교반기(140)가 회전됨에 따라, 교반기(140)의 일부가 수장된 폐액 및 수용액이 함께 회전되며 혼합될 수 있다. 상기 과정에서, 교반기(140)는 200rpm 이상 400rpm 이하의 속도로 회전될 수 있다. 바람직하게는, 교반기(140)는 250rpm 이상 350rpm 이하의 속도로 회전될 수 있다. 보다 바람직하게는, 교반기(140)는 300rpm의 속도로 회전될 수 있다.
폐액 및 수용액이 혼합됨에 따라, 침전 반응 용기(110) 내부에는 침전물(P)이 생성된다. 즉, 침전 반응 용기(110) 내부에는 침전물(P)을 포함한 폐액 및 수용액의 혼합물(M)이 수용된다.
침전물(P)을 포함한 혼합물(M)은 침전 반응 용기(110)에서 배관(20)으로 유입된다.
배관(20)은 침전 반응 용기(110)에 수용된 내용물의 일부를 후술하는 증발 유닛(40)으로 운반한다.
배관(20)은 침전 반응 용기(110)의 하측에 위치된다. 구체적으로, 배관(20)의 상측은 침전 반응 용기(110)의 하측과 연통되도록 결합된다. 이에 따라, 침전 반응 용기(110) 내 혼합물(M)이 배관(20)으로 유입될 수 있다.
일 실시 예에서, 배관(20)은 상하 방향으로 연장되는 파이프(pipe) 형상으로 형성된다. 이에 따라, 배관(20)의 상측으로 유입된 혼합물(M)이 중력에 의해 배관(20)의 하측으로 이동될 수 있다.
배관(20)의 일 부분에는 체크 밸브(30)가 설치된다.
체크 밸브(30)는 혼합물(M)의 배관(20) 통과를 허용하거나 차단한다. 이는, 후술하는 증발 유닛(40)으로 혼합물(M)이 유입되는 것을 허용하거나 차단한다.
구체적으로, 체크 밸브(30)는 개폐 동작에 의해 배관(20)의 일 부분의 내관을 개방하거나 폐쇄한다. 상기 개폐 동작은 수동 또는 자동으로 구동될 수 있다. 일 실시 예에서, 폐액 처리 장치(1)의 시동 시에는 수동으로 체크 밸브(30)가 개폐되고, 2회차 이후 개폐는 자동으로 구동된다.
일 실시 예에서, 체크 밸브(30)는 침전 반응 용기(110) 내 혼합물(M)의 부피가 침전 반응 용기(110) 내부 공간의 부피에 절반 수준에 도달되었을 때 개방된다. 상기 실시 예에서, 침전 반응 용기(110) 내 폐액의 체류 시간이 10분 미만인 경우에는 체크 밸브(30)가 개방되지 않는다. 이는 혼합물(M)의 침전 반응이 충분히 진행되기 위하여 최소 10분 이상의 시간이 요구되기 때문이다.
다른 실시 예에서, 체크 밸브(30)는 후술하는 증발 유닛(40)에 설치된 압력 센서(431)의 측정 압력에 반응하여 개방될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 압력 센서(431)의 설명과 함께 후술한다.
침전 반응 유닛(10)과 반대되는 배관(20)의 타 측에는 증발 유닛(40)이 결합된다.
증발 유닛(40)은 침전 반응 유닛(10)으로부터 공급된 혼합물(M)의 일부를 감압 증발 및 응축하여 회수한다. 일 실시 예에서, 상기 증발 및 응축 과정은, 동일한 혼합물(M)에 대하여 여러 번 반복하여 수행될 수 있다.
증발 유닛(40)은 배관(20)을 통해 침전 반응 유닛(10)과 연결된다. 도시된 실시 예에서, 증발 유닛(40)은 배관(20)의 하측과 결합된다.
도시된 실시 예에서, 증발 유닛(40)은 증발 용기(410), 가열기(420), 회수관(430), 회수 용기(440) 및 진공 형성부(450)를 포함한다.
증발 용기(410)는 침전 반응 유닛(10)에서 공급된 혼합물(M)의 일부가 증발 전 경유하거나 증발되지 못한 잔재물(D)이 회수되는 공간이다.
증발 용기(410)는 내부에 혼합물(M)이 수용되는 공간이 형성된다. 일 실시 예에서, 증발 용기(410)는 원통 형상으로 형성된다. 그러나, 증발 용기(410)는 상기 실시 예에 한정되지 않고, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 증발 용기(410)는 다각 기둥 형상으로 형성될 수 있다.
증발 용기(410)의 내부 공간에는 배관(20)의 하측이 결합된다. 구체적으로, 배관(20)의 하측이 증발 용기(410) 내부 공간과 연통되도록 결합된다.
증발 용기(410)는 침전 반응 유닛(10) 및 배관(20)의 하측에 위치된다. 이에 따라, 침전 반응 유닛(10) 내 혼합물(M)이 중력에 의해 배관(20)을 따라 증발 용기(410)로 유입될 수 있다. 다만, 체크 밸브(30)가 폐쇄되어 있는 경우에는 유입이 차단될 수 있다.
배관(20)을 통해 증발 용기(410)로 공급된 혼합물(M)의 일부는, 가열기(420)에 의하여 증발될 수 있다.
가열기(420)는 증발 용기(410) 내 혼합물(M)에 열을 공급한다.
가열기(420)는 증발 용기(410)와 인접하게 배치된다. 구체적으로, 가열기(420)는 증발 용기(410)의 외측에 부착된다. 일 실시 예에서, 가열기(420)는 증발 용기(410)의 외주면을 감싸도록 배치된다. 상기 실시 예에서, 가열기(420)의 내주는 증발 용기(410)의 외주와 대응되는 형상으로 형성된다.
가열기(420)의 운전 온도 범위는 증발 유닛(40)의 재질의 특성에 따라 결정될 수 있다. 일 실시 예에서, 가열기(420)는 증발 용기(410) 외벽을 90℃ 이상 100℃ 이하로 유지시키는 범위 내에서 운전될 수 있다.
끓는점이 100℃인 물과 계면 활성제의 끓는점이 거의 유사하기 때문에, 물과 계면 활성제가 90℃ 이상 100℃ 이하의 범위에서 일정 수준의 감압 조건으로 운전되는 경우 함께 증발될 수 있다. 다만, 혼합물(M)의 온도보다 증발 용기(410) 외벽의 온도가 보다 용이하게 측정 및 제어될 수 있는 바, 가열기(420)는 증발 용기(410) 외벽의 온도를 기준으로 운전되는 것이 효과적이다.
일 실시 예에서, 가열기(420)는 증발 용기(410) 외벽을 90℃ 이상 95℃ 이하로 유지시키는 범위 내에서 운전될 수 있다. 이는, 혼합물(M)에 계면 활성제에 의한 거품이 과도하게 발생되거나, 혼합물(M)이 증발 용기(410) 외부로 월류되는 현상을 최소화하기 위함이다.
다른 실시 예에서, 가열기(420)는 혼합물(M)의 1차 증발 과정 동안 증발 용기(410) 외벽을 90℃ 이상 95℃ 이하로 유지시키는 범위 내에서 운전되고, 혼합물(M)의 2차 증발 과정 동안 증발 용기(410) 외벽을 145℃ 이상 155℃ 이하, 바람직하게는 150℃로 유지시키는 범위 내에서 운전될 수 있다. 이에 따라, 증발되어 회수되는 계면 활성제의 농도가 제어될 수 있다.
일 실시 예에서, 가열기(420)는 세라믹 히터로 형성될 수 있다. 이는 운전 운도 유지의 안정성을 보다 증가시키기 위함이다.
가열기(420)는 증발 용기(410)가 장입되는 영역에 열을 공급한다. 이에 따라, 증발 용기(410) 내부에는 온도 구배가 형성될 수 있다. 상기 온도 구배에 따라 혼합물(M)의 증발 및 응축이 발생될 수 있다.
증발 용기(410) 내 혼합물(M)이 가열됨에 따라, 혼합물(M) 내 물이 증발될 수 있다. 상기 증발 과정에서 계면 활성제의 대부분은 증발 용기(410)의 내벽에 잔류되지만, 일부는 비말 동반 현상에 의해 물과 함께 증발된다. 증발 용기(410)의 내벽에 잔류되는 계면 활성제는, 증발 용기(410) 내부의 온도 구배에 의해 응축되어 물방울 형태의 액체로 잔류된다.
증발된 혼합물(M)의 일부는 회수관(430)으로 유입된다.
회수관(430)은 증발 용기(410)와 후술하는 회수 용기(440)를 연결하는 통로로서 기능한다.
회수관(430)은 구부러진 파이프 형상으로 형성된다. 회수관(430)의 내부에는 증발된 혼합물(M)의 일부가 유동될 수 있는 통로가 형성된다.
회수관(430)을 그 일 측이 증발 용기(410)의 상측과 결합된다. 이에 따라, 증발 용기(410)에서 증발된 혼합물(M)의 일부가 회수관(430)의 상기 일 측으로 유입될 수 있다. 회수관(430)의 타 측은 후술하는 회수 용기(440)의 상측과 결합된다.
회수관(430)의 최상측에는 압력 센서(431)가 설치된다.
압력 센서(431)는 증발 유닛(40) 내부의 압력 변화를 감지한다.
압력 센서(431)는 증발 유닛(40)의 최상측에 위치된다. 구체적으로, 회수관(430)의 최상측에 설치된다. 이는, 혼합물(M)의 실제 증발에 의해 생성된 증기에 따른 압력 변화를 감지하기 위함이다.
압력 센서(431)에서 감지된 압력 변화는 체크 밸브(30)의 개폐 동작을 조작하는 데 이용될 수 있다.
증발 유닛(40) 내에서 감압 증발 및 응축 과정이 진행됨에 따라, 내부 압력은 점차적으로 감소되어 기 설정된 압력에 도달되어 유지된다. 압력 센서(431)의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 상기 기 설정된 압력으로 유지되면, 체크 밸브(30)가 개방되고 침전 반응 용기(110) 내 혼합물(M)이 증발 용기(410)로 주입된다.
이후, 침전 반응 용기(110)에서 증발 용기(410)로 주입된 혼합물(M)의 부피가 기 설정된 부피에 도달되면 체크 밸브(30)가 폐쇄된다.
다만, 폐액 처리 장치(1)가 시동될 때에는 증발 유닛(40) 내부에 혼합물(M)이 존재하지 않는 바, 압력 센서(431)가 기 설정된 압력에 도달될 수 없다. 이를 해결하기 위하여, 폐액 처리 장치(1)의 시동 시 체크밸브의 1회차 개폐는 수동으로 작동된다.
또한, 회수관(430)의 증발 용기(410)와 반대되는 타 측에는 회수 용기(440)가 결합된다.
회수 용기(440)는 혼합물(M)에서 증발되어 분리된 물과 계면 활성제의 일부가 응축되는 공간을 제공한다.
회수 용기(440)는 그 상측이 회수관(430)의 상기 타 측과 연통되도록 결합된다. 이에 따라, 응축된 물과 계면 활성제가 회수 용기(440)로 포집될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 회수 용기(440)는 증발 용기(410)와 비교하였을 때, 하측에 위치된다.
회수 용기(440)는 내부에 혼합물(M)의 일부를 공급받아 응축시키는 공간이 형성된다. 구체적으로, 회수 용기(440) 내부에는 응축된 물과 계면 활성제의 일부가 수용되는 공간이 형성된다.
일 실시 예에서, 회수 용기(440)는 원통 형상으로 형성된다. 그러나, 회수 용기(440)는 상기 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 회수 용기(440)는 다각 기둥 형상으로 형성될 수 있다.
정리하면, 혼합물(M)에 함유된 물과 계면 활성제의 일부가 증발되어 회수관(430)을 통해 유동된 뒤, 다시 응축되어 회수 용기(440)에 포집된다. 다만, 상기 증발 과정에서 증발 유닛(40)은 진공 형성부(450)에 의해 형성된 감압 조건 하에 수행된다.
진공 형성부(450)는 증발 유닛(40) 내부 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 감압시킨다. 즉, 진공 형성부(450)는 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440)의 내부 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 감압시킨다.
진공 형성부(450)는 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440) 중 적어도 어느 하나와 인접하게 설치된다. 도시된 실시 예에서, 진공 형성부(450)는 회수 용기(440)와 인접하게 설치된다. 이는, 진공 형성 과정에서의 물과 계면 활성제의 소실을 방지하기 위함이다.
진공 형성부(450)는 복수 개 구비될 수 있다.
도시된 실시 예에서, 진공 형성부(450)는 진공 펌프(451), 진공관(452) 및 바이패스 밸브(by-pass valve)(453)를 포함한다.
진공 펌프(451)는 증발 유닛(40) 내부의 공기를 폐액 처리 장치(1)의 외부로 배출한다. 이에 따라, 증발 유닛(40) 내부 압력이 대기압보다 낮은 압력으로 감압될 수 있다.
증발 유닛(40) 내부 압력이 감소됨에 따라, 혼합물(M)의 끓는점 또한 감소될 수 있다. 이에 따라, 열원인 가열기(420)의 온도와 혼합물(M)의 끓는점 간 온도차가 보다 증가될 수 있다. 즉, 혼합물(M)의 증발 능력이 보다 증가될 수 있다. 결과적으로, 고온에서 분해되거나 변질될 우려가 있는 물질이 저온에서 처리될 수 있다.
진공 펌프(451)는 진공관(452)을 통해 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440) 중 어느 하나와 연결된다. 도시된 실시 예에서, 진공관(452)은 진공 펌프(451) 및 회수 용기(440)를 연결한다.
진공관(452)의 일 부분에는 바이패스 밸브(453)가 설치된다.
바이패스 밸브(453)는 증발 유닛(40) 내부 압력을 적절한 운전 압력으로 조절한다. 이를 위해, 바이패스 밸브(453)는 진공관(452)의 내부와 연통되도록 결합된다.
또한, 바이패스 밸브(453)는 증발 유닛(40) 내부 압력을 운전 압력으로 유지시킨다. 상기 운전 압력은 650 Torr 이상 700 Torr 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 운전 압력은 675 Torr로 설정되는 것이 적절하다. 또한, 증발 유닛(40) 내부 온도가 100℃ 이하인 경우, 바이패스 밸브(453)는 증발 유닛(40) 내부 압력을 400 Torr 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
증발 유닛(40) 내부 압력이 너무 낮거나 온도가 과도하게 높은 경우, 계면 활성제에 의한 거품이 과도하게 발생되어 침전물(P)이 증발 용기(410)에서 월류될 수 있다. 증발 용기(410)에서 월류된 침전물(P)은 증발 유닛(40) 내부 오염을 유발할 수 있다. 따라서, 증발 유닛(40) 내부 압력은 일정하게 유지될 필요가 있다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5를 참조하여 폐액 처리 장치(1)의 구동 과정에 대하여 설명한다.
우선, 폐액 처리 장치(1)의 시동 과정에 대하여 설명한다.
폐액 처리 장치(1)가 시동되면, 폐액 주입부(120)와 수용액 주입부(130)에서 침전 반응 용기(110)로 각각 폐액 및 수용액이 주입되기 시작한다. 동시에, 교반기(140)가 침전 반응 용기(110) 내부에서 회전되기 시작한다(도 2 참조).
침전 반응 용기(110) 내 폐액 및 수용액은, 교반기(140)에 의해 혼합되며 침전 반응을 일으킨다. 이로 인해, 침전 반응 용기(110) 내부에는 침전물(P)이 생성된다. 결과적으로, 침전 반응 용기(110) 내에는 폐액 및 수용액의 혼합물(M)과 침전물(P)이 잔류된다.
폐액 처리 장치(1)의 시동 시에는 체크 밸브(30)가 폐쇄된 상태이다. 폐액이 침전 반응 용기(110)에 주입되고 최소 10분이 경과되면, 체크 밸브(30)가 개방되고 혼합물(M)이 중력에 의해 배관(20)을 따라 하측으로 이동된다. 최종적으로, 혼합물(M)이 배관(20)을 통과해 증발 용기(410)로 유입될 수 있다(도 3 참조).
이때, 침전물(P)을 포함한 혼합물(M)은 증발 용기(410)에서의 높이가 소정의 높이를 넘지 않도록 주입되는 것이 바람직하다. 이는 혼합물(M)의 증발 과정에서 월류 현상에 의한 증발 유닛(40) 오염을 방지하기 위함이다.
일 실시 예에서, 혼합물(M)은 1회차 투입 시 증발 용기(410)에서의 높이가 5cm를 넘지 않도록 주입된다. 상기 실시 예에서, 혼합물(M)은 2회차 이후의 투입 시 증발 용기(410)에서의 높이가 3cm를 넘지 않도록 주입된다.
혼합물(M)이 소정의 양만큼 증발 용기(410)에 유입되면, 체크 밸브(30)가 폐쇄된다. 증발 용기(410) 내 혼합물(M)은 가열기(420)에 의해 열을 공급받아 그 일부가 증발된다. 구체적으로, 혼합물(M) 내 물과 계면 활성제의 일부가 증발된다. 이때, 상기 증발 과정은 감압 조건 하에서 수행된다.
증발된 물과 계면 활성제의 일부는 회수관(430)을 따라 유동되며 응축되고, 최종적으로 회수 용기(440)에 도달된다(도 4 참조).
침전물(P)을 포함한 혼합물(M)의 증발 과정이 계속 진행되어 더 이상 증발될 수 있는 물질이 존재하지 않으면, 증발 과정이 종료된다(도 5 참조). 증발 과정이 종료된 증발 용기(410) 내에는 무기 물질을 포함한 잔재물(D)이 남게 된다. 또한, 회수 용기(440) 내에는 무기 물질 등이 제외된 물과 계면 활성제의 일부가 혼합된 회수액(R)이 남게 된다.
따라서, 혼합물(M) 내 무기 물질이 침전 반응을 통해 불용성 화학물로 전환된 뒤 물과 분리될 수 있다. 특히, 방사성 물질 및 계면 활성제를 함유한 폐액에 있어서, 방사성 물질을 함유한 고농도의 무기 물질이 고화체 제조가 용이한 형태로 분리될 수 있다. 결과적으로, 방사성 물질을 함유한 폐액이 보다 안전하고 효과적으로 처리될 수 있다.
이때, 회수액(R) 내 계면 활성제의 농도는 증발 용기(410) 외벽 온도 및 증발 유닛(40) 운전 압력에 따라 변화될 수 있다. 회수액(R) 내 계면 활성제의 농도는, 증발 용기(410) 외벽 온도 및 증발 시간이 증가됨에 따라 함께 증가된다.
일 실시 예에서, 증발 용기(410) 외벽 온도가 90℃ 이상 95℃ 이하로 조절되고 증발 유닛(40) 운전 압력이 650 Torr 이상 700 Torr 이하로 설정될 때, 회수액(R) 내 계면 활성제의 농도는 증발 전 혼합물(M) 내 계면 활성제의 농도에 대하여 5% 미만으로 형성된다.
혼합물(M)의 증발 및 회수가 여러 번 반복하여 진행될 경우, 각 증발 단계에서의 증발 용기(410) 외벽 온도가 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 혼합물(M)의 1차 증발 과정에서는 증발 용기(410) 외벽 온도가 90℃ 이상 95℃ 이하로 가열되고, 혼합물(M)의 2차 증발 과정에서는 증발 용기(410) 외벽 온도가 145℃ 이상 155℃ 이하로 가열될 수 있다.
따라서, 2차 회수액(R) 내 계면 활성제의 농도가 1차 회수액(R) 내 계면 활성제의 농도보다 크게 형성될 수 있다. 즉, 계면 활성제의 농도가 다르게 형성되는 서로 다른 회수액(R)이 생성될 수 있다. 결과적으로, 회수액(R) 내 계면 활성제의 농도가 제어될 수 있다. 이에 따라, 계면 활성제를 함유한 폐액의 부피가 보다 효과적으로 축소될 수 있다. 더 나아가, 폐액의 최종 처리의 용이성이 증진될 수 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 폐액 처리 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도시된 실시 예에서, 폐액 처리 방법은, 침전 반응 용기(110)로 폐액 및 수용액 주입이 시작되는 단계(S100), 폐액 및 수용액이 혼합되어 침전물(P)이 생성되는 단계(S200), 침전물(P)을 포함한 혼합물(M)이 배관(20)을 통해 침전 반응 용기(110)에서 증발 용기(410)로 유동되는 단계(S300), 증발 용기(410) 내 혼합물(M)의 일부가 기화되어 회수 용기(440)로 유동되는 단계(S400), 기화된 혼합물(M)의 일부가 응축되어 회수 용기(440)에 저장되는 단계(S500) 및 폐액 처리 장치(1)의 구동이 종료되고, 혼합물(M)의 일부가 회수되는 단계(S600)를 포함한다.
우선, 침전 반응 용기(110)로 폐액 및 수용액 주입이 시작되는 단계(S100) 및 폐액 및 수용액이 혼합되어 침전물(P)이 생성되는 단계(S200)에 대하여 설명한다.
폐액 처리 장치(1)가 시동되면, 폐액 주입부(120) 및 수용액 주입부(130)의 구동이 시작된다. 폐액 주입부(120) 및 수용액 주입부(130)는 각각 침전 반응 용기(110)로 폐액 및 수용액을 운반한다.
이후, 침전 반응 용기(110)에 주입된 폐액 및 수용액 혼합되어 침전물(P)이 생성된다. 일 실시 예에서, 침전 반응 용기(110)에 주입된 방사성 핵종 및 계면 활성제를 포함한 폐액과 수산화 바륨 수용액이 혼합되어 침전물(P)인 황산 바륨이 생성될 수 있다.
또한, 일 실시 예에서, 폐액 및 수용액이 혼합되어 침전물(P)이 생성되는 단계(S200)는 교반기(140)가 회전되며 폐액 및 수용액을 혼합시키는 단계(S210)를 포함할 수 있다.
교반기(140)는 침전 반응 용기(110) 내부에서 회전되며, 폐액 및 수용액을 혼합시킬 수 있다. 일 실시 예에서, 상기 회전은 200rpm 이상 400rpm 이하의 속도로 수행될 수 있다. 바람직하게는, 250rpm 이상 350rpm 이하의 속도로 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는, 300rpm의 속도로 수행될 수 있다.
침전 반응 용기(110) 내에서 침전물(P)이 생성되면, 침전물(P)을 포함한 혼합물(M)이 증발 용기(410)로 유입된다.
이하에서는, 도 7을 참조하여 침전물(P)을 포함한 혼합물(M)이 배관(20)을 통해 침전 반응 용기(110)에서 증발 용기(410)로 유동되는 단계(S300)에 대하여 설명한다.
침전물(P)을 포함한 혼합물(M)이 배관(20)을 통해 침전 반응 용기(110)에서 증발 용기(410)로 유동되는 단계(S300)는 체크 밸브(30)가 수동으로 개방되거나 폐쇄되는 단계(S310) 및 체크 밸브(30)가 자동으로 개방되거나 폐쇄되는 단계(S320)를 포함한다.
우선, 체크 밸브(30)가 수동으로 개방되거나 폐쇄되는 단계(S310)가 수행된다.
체크 밸브(30)가 수동으로 개방되거나 폐쇄되는 단계(S310)는 체크 밸브(30)가 수동 개방되어 혼합물(M)의 증발 용기(410)로의 유입이 허용되는 단계(S311) 및 체크 밸브(30)가 수동 폐쇄되어 혼합물(M)의 증발 용기(410)로의 유입이 차단되는 단계(S312)를 포함한다.
먼저, 체크 밸브(30)가 수동 개방되어 혼합물(M)의 증발 용기(410)로의 유입이 허용되는 단계(S311)에 대하여 설명한다.
폐액 처리 장치(1)의 시동 시 체크 밸브(30)는 수동 개폐 모드로 구동된다. 폐액 처리 장치(1)의 구동 초기에는, 증발 용기(410) 내부에 시료가 존재하지 않는 바 증발 유닛(40) 내부 압력 변화가 발생되지 않는다. 이에 따라, 사용자가 체크 밸브(30)를 수동으로 개방하여, 혼합물(M)을 증발 용기(410)로 유입시켜야 한다.
상기 과정에서, 혼합물(M)은 증발 용기(410) 내에서의 높이가 5cm를 넘지 않는 범위 내에서 유입되는 것이 바람직하다.
이후, 체크 밸브(30)가 수동 폐쇄되어 혼합물(M)의 증발 용기(410)로의 유입이 차단되는 단계(S312)가 수행된다.
침전 반응 용기(110) 내 혼합물(M)이 소정의 양만큼 증발 용기(410)로 이송되면, 사용자가 체크 밸브(30)를 수동으로 폐쇄한다. 이에 따라, 침전 반응 용기(110)와 증발 용기(410) 간 통로가 차단되어, 혼합물(M)의 증발 용기(410)로의 유입 또한 차단된다.
체크 밸브(30)는 수동 개폐된 이후 자동 개폐 모드로 전환된다.
이하에서는, 체크 밸브(30)가 자동으로 개방되거나 폐쇄되는 단계(S320)에 대하여 설명한다.
체크 밸브(30)가 자동으로 개방되거나 폐쇄되는 단계(S320)는 압력 센서(431)의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 기 설정된 압력으로 유지되면, 체크 밸브(30)가 자동 개방되는 단계(S321) 및 증발 용기(410)로 주입된 혼합물(M)의 부피가 기 설정된 부피에 도달되면, 체크 밸브(30)가 자동 폐쇄되는 단계(S322)를 포함한다.
먼저, 압력 센서(431)의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 기 설정된 압력으로 유지되면, 체크 밸브(30)가 자동 개방되는 단계(S321)에 대하여 설명한다.
증발 유닛(40) 내로 주입된 혼합물(M)은 시간이 경과됨에 따라 그 일부가 감압 증발되고 다시 응축되는 과정을 거친다. 상기 과정에서, 증발 유닛(40) 내부 압력은 점차적으로 감소되어 기 설정된 압력에 도달된다.
압력 센서(431)는 증발 유닛(40) 내부 압력 변화를 감지한다. 압력 센서(431)의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 상기 기 설정된 압력으로 유지되면, 체크 밸브(30)가 개방되고 침전 반응 용기(110) 내 혼합물(M)이 증발 용기(410)로 유입된다.
이후, 증발 용기(410)로 주입된 혼합물(M)의 부피가 기 설정된 부피에 도달되면, 체크 밸브(30)가 자동 폐쇄되는 단계(S322)가 수행된다.
사용자는 한 번의 주입에 있어서 증발 용기(410)로 주입되는 혼합물(M)의 부피를 미리 설정한다. 상기 기 설정된 부피는, 혼합물(M)의 증발 용기(410) 내에서의 높이가 3cm를 넘지 않는 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.
증발 용기(410)로 주입된 혼합물(M)의 부피가 상기 기 설정된 부피에 도달되면, 체크 밸브(30)는 자동으로 폐쇄된다.
이에 따라, 침전 반응 용기(110) 내 폐액이 반연속적으로 증발 용기(410)에 주입될 수 있다. 즉, 폐액이 반연속적으로 처리될 수 있다. 따라서, 폐액 처리 장치(1)의 구조 및 폐액 처리 방법이 보다 단순화될 수 있다. 더 나아가, 산업체의 접근성 및 활용도가 보다 증가될 수 있다.
상기 과정에서 체크 밸브(30)는 그 개폐가 자동으로 제어된다. 따라서, 사용자는 상기 자동 개폐 구동을 주기적으로 확인하는 것이 바람직할 것이다. 이를 위해, 사용자는 침전 반응 용기(110)의 수위 및 증발 유닛(40) 내부 압력의 모니터링을 실시할 필요가 있다.
증발 용기(410)에 유입된 혼합물(M)은 그 일부가 기화되어 회수 용기(440)로 유동된다.
이하에서는, 도 8을 참조하여 증발 용기(410) 내 혼합물(M)의 일부가 기화되어 회수 용기(440)로 유동되는 단계(S400)에 대하여 설명한다.
증발 용기(410) 외부에 부착된 가열기(420)는, 증발 용기(410) 내 혼합물(M)에 열을 공급한다. 일 실시 예에서, 가열기(420)는 증발 용기(410) 외벽을 90℃ 이상 100℃ 이하로 유지시키는 범위 내에서 운전될 수 있다. 바람직하게는, 가열기(420)는 증발 용기(410) 외벽을 90℃ 이상 95℃ 이하로 유지시키는 범위 내에서 운전될 수 있다.
이에 따라, 증발 용기(410) 내 혼합물(M)의 온도가 상승되고, 혼합물(M)에 함유된 물과 계면 활성제의 일부가 기화될 수 있다. 이때, 계면 활성제의 대부분은 증발 용기(410)의 내벽에 잔류되지만, 일부는 물과 함께 증발될 수 있다.
일 실시 예에서, 증발 용기(410) 내 혼합물(M)의 일부가 기화되어 회수 용기(440)로 유동되는 단계(S400)는 진공 펌프(451)가 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440)의 내부 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 감압시키는 단계(S410)를 포함한다.
진공 펌프(451)는 증발 유닛(40)과 결합되어, 증발 유닛(40) 내부의 공기를 폐액 처리 장치(1) 외부로 배출한다. 이에 따라, 증발 유닛(40) 내부 압력이 대기압보다 낮은 압력으로 감압될 수 있다. 즉, 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440)의 내부 압력이 대기압보다 낮은 압력으로 감압될 수 있다.
또한, 증발 용기(410) 내 혼합물(M)의 일부가 기화되어 회수 용기(440)로 유동되는 단계(S400)는 바이패스 밸브(453)가 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440)의 내부 압력을 조절하는 단계(S411)를 포함할 수 있다.
바이패스 밸브(453)는 진공 펌프(451)와 증발 유닛(40)을 연결하는 진공관(452)과 연통된다. 이에 따라, 바이패스 밸브(453)는 진공 펌프(451)에 의한 증발 유닛(40) 내부 압력의 감압 정도를 조절할 수 있다. 결과적으로, 바이패스 밸브(453)는 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440)를 포함한 증발 유닛(40)의 내부 압력을 조절할 수 있다.
이때, 바이패스 밸브(453)는 증발 유닛(40) 내부 압력이 650 Torr 이상 700 Torr 이하로 유지되도록 조절하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 바이패스 밸브(453)는 증발 유닛(40) 내부 압력이 675 Torr로 유지되도록 조절하는 것이 적절하다.
혼합물(M)의 일부가 증발되면, 증발된 혼합물(M)의 일부가 다시 응축되어 회수 용기(440)로 포집된다.
이하에서는, 기화된 혼합물(M)의 일부가 응축되어 회수 용기(440)에 저장되는 단계(S500)에 대하여 설명한다.
혼합물(M)에 함유된 물과 계면 활성제의 일부는 증발되어 회수관(430)으로 유입된다. 이후, 회수관(430)을 따라 상승한 뒤 회수관(430)의 최상측에 충돌된다. 기화된 물과 계면 활성제는 회수관(430)의 최상측에 충돌된 뒤 다시 응축되어 하강된다.
이때, 회수관(430)의 출구, 즉 증발 용기(410)와 반대되는 회수관(430)의 타 측은 회수 용기(440)의 상측과 연통된다. 이에 따라, 응축된 물과 계면 활성제가 회수관(430)을 따라 하강되어, 회수 용기(440)로 포집되어 저장된다.
결과적으로, 폐액에 포함된 계면 활성제의 일부 및 물이 방사성 물질과 무기 물질이 제거된 상태로 분리된다. 즉, 폐액에 포함된 계면 활성제의 일부 및 물이 방사성 물질과 무기 물질이 제거된 상태로 회수된다.
따라서, 제염 과정에서 사용된 계면 활성제의 일부와 물이 회수될 수 있다. 이에 따라, 회수된 거품 용액의 원료 물질이 순수한 거품 용액으로서 재사용될 수 있다. 결과적으로, 폐액 처리 비용이 보다 절감될 수 있고, 경제성이 보다 증진될 수 있다.
이후, 폐액 처리 장치(1)가 정지되면, 폐액 처리 결과물이 회수된다.
이하에서는, 도 9를 참조하여 폐액 처리 장치(1)의 구동이 종료되고, 혼합물(M)의 일부가 회수되는 단계(S600)에 대하여 설명한다.
도시된 실시 예에서, 폐액 처리 장치(1)의 구동이 종료되고, 혼합물(M)의 일부가 회수되는 단계(S600)는 침전 반응 유닛(10)의 구동이 종료되는 단계(S610), 체크 밸브(30)가 수동 개폐 모드로 전환되고 폐쇄되는 단계(S620), 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440)의 내부 압력이 기 설정된 종료 압력에 도달되면, 가열기(420)의 구동이 종료되는 단계(S630), 증발 용기(410)의 온도가 25℃보다 낮아지면, 진공 펌프(451)의 구동이 종료되는 단계(S640) 및 회수 용기(440)가 외부로 반출되는 단계(S650)를 포함한다.
우선, 침전 반응 유닛(10)의 구동이 종료되는 단계(S610) 및 체크 밸브(30)가 수동 개폐 모드로 전환되고 폐쇄되는 단계(S620)에 대하여 설명한다.
침전 반응 유닛(10)으로 공급되는 폐액 또는 수용액은 폐액 처리 과정이 진행됨에 따라 그 양이 점차 감소된다. 최종적으로는, 침전 반응 유닛(10)으로 공급되는 폐액 또는 수용액이 고갈된다. 폐액 또는 수용액이 고갈되면, 침전 반응 유닛(10)의 구동이 종료된다.
침전 반응 유닛(10)의 구동이 종료되면, 사용자는 체크 밸브(30)를 수동 개폐 모드로 전환한다. 이는, 증발 용기(410)로의 이물질 유입 또는 폐액 처리 장치(1)의 오작동을 방지하기 위함이다.
사용자는 체크 밸브(30)가 수동 개폐 모드로 전환된 것을 확인한 뒤, 수동으로 체크 밸브(30)를 폐쇄함으로써 침전 반응 유닛(10)과 증발 유닛(40) 간 물질 출입을 차단한다.
이후, 증발 용기(410), 회수관(430) 및 회수 용기(440)의 내부 압력이 기 설정된 종료 압력에 도달되면, 가열기(420)의 구동이 종료되는 단계(S630)가 수행된다.
체크 밸브(30)가 폐쇄된 이후에도, 증발 유닛(40) 내 감압 증발 및 응축 과정은 계속해서 진행될 수 있다. 따라서, 증발 용기(410) 내 혼합물(M)에 함유된 물을 모두 증발시키기 위하여, 사용자는 증발 유닛(40) 내부 압력을 점차적으로 감소시킨다. 최종적으로, 증발 유닛(40) 내부 압력이 기 설정된 종료 압력에 도달되면, 가열기(420)의 구동이 종료된다.
진공 펌프(451)는 가열기(420)의 정지 이후에도 곧바로 구동이 종료되지 않는다.
이하에서는, 증발 용기(410)의 온도가 25℃보다 낮아지면, 진공 펌프(451)의 구동이 종료되는 단계(S640)에 대하여 설명한다.
가열기(420)가 종료되면, 증발 용기(410)의 온도는 시간이 경과됨에 따라 점차 감소된다. 최종적으로, 증발 용기(410)의 온도가 25℃보다 낮아지면, 비로소 진공 펌프(451)의 구동 또한 종료된다. 이는, 온도 감소 과정에서도 다소의 감압 증발이 발생될 수 있는 바, 혼합물(M)에 함유된 물의 회수율을 높이기 위함이다.
진공 펌프(451)의 구동까지 종료되면, 마지막으로 회수 용기(440)가 외부로 반출되는 단계(S650)가 수행된다.
폐액 처리 장치(1)의 구동이 종료되면, 사용자는 폐액 처리 장치(1)로부터 회수 용기(440)를 분리한다. 즉, 회수 용기(440)가 외부로 반출된다. 회수 용기(440)에 저장된 물과 계면 활성제는 방사성 물질 등의 무기 물질이 제거된 순수한 거품 용액으로서, 재사용이 가능하다. 즉, 사용자는 회수 용기(440)에 저장된 물과 계면 활성제를 제염 등의 과정에 재사용할 수 있다.
이때, 증발 용기(410)에는 물과 계면 활성제가 분리된 고농도의 무기 물질이 잔재물(D)로 남게 된다. 특히, 방사성 물질을 함유한 폐액 처리에 있어서, 방사성 물질을 함유한 고농도의 무기 물질이 고화체 제조가 용이한 형태로 분리될 수 있다. 결과적으로, 방사성 물질 및 계면 활성제를 함유한 폐액이 보다 안전하고 효과적으로 처리될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 설명된 실시 예들의 구성에 한정되는 것이 아니다.
또한, 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변경될 수 있다.
더 나아가, 상기 실시 예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수 있다.
1: 폐액 처리 장치 10: 침전 반응 유닛
110: 침전 반응 용기 120: 폐액 주입부
130: 수용액 주입부 131: 밴드 히터
140: 교반기 20: 배관
30: 체크 밸브(check valve) 40: 증발 유닛
410: 증발 용기 420: 가열기
430: 회수관 431: 압력 센서
440: 회수 용기 450: 진공 형성부
451: 진공 펌프 452: 진공관
453: 바이패스 밸브(by-pass valve) M: 혼합물
P: 침전물 R: 회수액
D: 잔재물

Claims (23)

  1. 내부에 계면 활성제 및 방사성 물질을 함유하는 폐액 및 수용액이 혼합되어 침전물이 생성되는 공간이 형성되는 침전 반응 용기;
    일 측이 상기 침전 반응 용기의 하측과 결합되고, 상기 침전 반응 용기와 연통되어 상기 침전물을 포함한 혼합물이 유입되는 배관; 및
    상기 배관의 타 측과 결합되고, 상기 배관으로부터 상기 혼합물을 공급받아 상기 혼합물의 일부를 증발시키는 증발 유닛을 포함하고,
    상기 증발 유닛은,
    상기 배관과 연통되고, 내부에 상기 혼합물이 수용되는 공간이 형성되는 증발 용기;
    일 측이 상기 증발 용기의 상측과 결합되고, 상기 증발 용기와 연통되어 상기 증발 용기에서 증발된 상기 혼합물의 일부가 유입되는 회수관; 및
    상기 회수관의 타 측과 연통되고, 내부에 상기 회수관으로부터 상기 혼합물의 일부를 공급받아 응축시키는 공간이 형성되는 회수 용기를 포함하는,
    폐액 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용액은 수산화 바륨(Ba(OH)2)을 함유하는,
    폐액 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수용액은 수용액 주입부를 통과하여 상기 침전 반응 용기에 투입되고,
    상기 수용액 주입부는,
    상기 수용액 주입부를 통과하는 상기 수용액에 열을 공급하는 밴드 히터(band heater)가 구비되는,
    폐액 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밴드 히터는,
    상기 수용액 주입부를 통과하는 상기 수용액의 온도를 75℃ 이상 85℃ 이하로 유지시키는,
    폐액 처리 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 수용액에 함유된 상기 수산화 바륨의 몰 농도는,
    상기 폐액에 함유된 황산 이온(SO4 2-)의 몰 농도의 97% 이상 99% 이하인,
    폐액 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증발 유닛은,
    상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 감압시키는 진공 펌프를 포함하는,
    폐액 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 진공 펌프는,
    진공관을 통해 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기 중 어느 하나와 연결되고,
    상기 진공관의 일 부분에는,
    상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력을 조절할 수 있는 바이패스 밸브(by-pass valve)가 설치되는,
    폐액 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바이패스 밸브는,
    상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력이 650 Torr 이상 700 Torr 이하로 유지되도록 조절하는,
    폐액 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배관을 통과하는 상기 혼합물은,
    체크 밸브(check valve)에 의해 상기 증발 용기로의 유입이 허용되거나 차단될 수 있는,
    폐액 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 체크 밸브는,
    상기 회수관의 상측에 설치된 압력 센서의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 기 설정된 압력으로 유지되면 개방되고, 상기 증발 용기로 주입된 상기 혼합물의 부피가 기 설정된 부피에 도달되면 폐쇄되는,
    폐액 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 침전 반응 용기 내부에서 회전되며 상기 폐액 및 상기 수용액을 혼합시키는 교반기를 포함하는,
    폐액 처리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 교반기는,
    200rpm 이상 400rpm 이하의 속도로 회전되는,
    폐액 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 증발 유닛은,
    상기 증발 용기의 외측에 부착되고, 상기 증발 용기 외벽으로 열을 공급하는 가열기를 포함하는,
    폐액 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가열기는,
    상기 증발 용기 외벽을 90℃ 이상 100℃ 이하로 유지시키는,
    폐액 처리 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 가열기는,
    상기 증발 유닛의 1차 증발 과정 동안 상기 증발 용기 외벽을 90℃ 이상 95℃ 이하로 유지시키고, 상기 증발 유닛의 2차 증발 과정 동안 상기 증발 용기 외벽을 145℃ 이상 155℃ 이하로 유지시키는,
    폐액 처리 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 폐액 처리 장치를 이용한 폐액 처리 방법으로서,
    (a) 상기 침전 반응 용기에 상기 폐액 및 상기 수용액 주입이 시작되는 단계;
    (b) 상기 폐액 및 상기 수용액이 혼합되어 상기 침전물이 생성되는 단계;
    (c) 상기 침전물을 포함한 상기 혼합물이 상기 배관을 통해 상기 침전 반응 용기에서 상기 증발 용기로 유동되는 단계;
    (d) 상기 증발 용기 내 상기 혼합물의 일부가 기화되어 상기 회수 용기로 유동되는 단계; 및
    (e) 기화된 상기 혼합물의 일부가 응축되어 상기 회수 용기에 저장되는 단계를 포함하는,
    폐액 처리 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 교반기가 회전되며 상기 폐액 및 상기 수용액을 혼합시키는 단계를 포함하는,
    폐액 처리 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 상기 체크 밸브가 수동 개방되어 상기 혼합물의 상기 증발 용기로의 유입이 허용되는 단계; 및
    (c2) 상기 체크 밸브가 수동 폐쇄되어 상기 혼합물의 상기 증발 용기로의 유입이 차단되는 단계를 포함하는,
    폐액 처리 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 (c2) 단계 이후 상기 (d) 단계 이전에,
    (c3) 상기 압력 센서의 측정 압력이 기 설정된 시간 동안 기 설정된 압력으로 유지되면, 상기 체크 밸브가 자동 개방되는 단계; 및
    (c4) 상기 증발 용기로 주입된 상기 혼합물의 부피가 기 설정된 부피에 도달되면, 상기 체크 밸브가 자동 폐쇄되는 단계가 수행되는,
    폐액 처리 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    (d1) 상기 진공 펌프가 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력을 대기압보다 낮은 압력으로 감압시키는 단계를 포함하는,
    폐액 처리 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 (d1) 단계는,
    (d2) 상기 바이패스 밸브가 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력을 조절하는 단계를 포함하는,
    폐액 처리 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 (e) 단계 이후에,
    (f) 상기 폐액 처리 장치의 구동이 종료되고, 상기 혼합물의 일부가 회수되는 단계가 수행되는,
    폐액 처리 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 (f) 단계는,
    (f1) 침전 반응 유닛의 구동이 종료되는 단계;
    (f2) 상기 체크 밸브가 수동 개폐 모드로 전환되고 폐쇄되는 단계;
    (f3) 상기 증발 용기, 상기 회수관 및 상기 회수 용기의 내부 압력이 기 설정된 종료 압력에 도달되면, 상기 가열기의 구동이 종료되는 단계;
    (f4) 상기 증발 용기의 온도가 25℃보다 낮아지면, 상기 진공 펌프의 구동이 종료되는 단계; 및
    (f5) 상기 회수 용기가 외부로 반출되는 단계를 포함하는,
    폐액 처리 방법.
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