KR102549477B1 - 방사능 오염 토양의 제염 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사성 동위원소에 오염된 토양을 제염하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 방사능 오염 토양의 제염 방법은 방사성 동위원소 함유 토양을 염화물 매체와 접촉시켜서, 상기 토양으로부터 상기 염화물 매체로 용출되는 방사성 동위원소를 염화물 형태로 포집하는 단계를 포함합니다.

Description

방사능 오염 토양의 제염 방법{Decontamination method for radioactive-contaminated soil}

본 발명은 방사성 동위원소에 오염된 토양을 제염하는 방법에 관한 것이다.

Cs-134, Cs-137은 인체에 가장 치명적인 방사성 동위원소의 하나이다. Cs는 토양 내 주요 미네랄 성분과 결합력이 좋기 때문에 지상 환경에 누출된 Cs-134, Cs-137 중 상당량은 토양 내에 존재한다. 특히, 체르노빌 및 후쿠시마 발전소 사고 등에 의한 광범위한 토양 오염이 확인된 바 있다. 또한, 원자력 발전소 운영/해체 과정에서 발생한 Cs-134, Cs-137 일부가 발전소 부지 내에 존재할 수 있다. 따라서 Cs-134, Cs-137을 토양으로부터 효과적으로 제거하여 오염 토양을 정화할 수 있는 기술을 확보하는 것이 필수적이다.

일반적으로 방사능 오염 토양 내 Cs-134, Cs-137의 제거를 위해 수용액 기반 기술이 널리 활용되었다. 이러한 수용액 기반 기술은 토양 미네랄 내 Cs의 흡착 및 탈착 특성에 크게 영향을 받는다. 이에 따라 동일한 기술을 적용하더라도 토양 내 미네랄의 조성에 의해 공정 효율에서 큰 차이를 보일 수 있다.

일 예로, S.-M. Kim et al., "Hydrothermal desorption of Cs with oxalic acid from hydrobiotite and wastewater treatment by chemical precipitation", Energy, 13, 3284 (2020) (비특허문헌 1), S.-M. Kim et al., "Cs desorption behavior during hydrothermal treatment of illite with oxalic acid", Environ. Sci. Pollut. Res., 27, 35580 (2020) (비특허문헌 2)에 개시된 실험에 따르면, Cs-137을 함유하고 있는 하이드로바이오타이트(hydrobiotite)와 일라이트(illite)를 이용해 동일 조건에서 옥살산 처리를 수행한 결과를 비교해보면 hydrobiotite에서 훨씬 높은 Cs-137 제거 효율을 보이는 것을 알 수 있다(도 1 참고).

일라이트는 Al/Mg/Fe 기반의 8면체 층 위아래로 Si/Al 기반의 4면체 층이 위치하는 2:1 층상 구조를 가지고 있다. 이 때, 2:1 층에 존재하는 음전하의 상쇄를 위해 K⁺ 이온이 상기 층상 구조를 위아래로 연결하여 구조를 안정적으로 유지시켜주는 역할을 한다. 이러한 특성에 의해 층간 구조 내부로 물의 침투가 어려워 일라이트는 비팽창성 특성을 갖는다. 이러한 일라이트 등과 같은 비팽창성 특성을 가진 미네랄 내 Cs 탈착은 하이드로바이오타이트 등과 같은 팽창성·혼합성 미네랄 내 Cs 탈착에 비해 어려운 것으로 알려져 있다.

구체적으로, 일라이트에서는 크게 3개의 위치에서 Cs를 흡착한다고 알려져 있다. 첫 번째는 planar site로서 Cs의 흡/탈착이 비교적 자유롭게 이루어질 수 있다. 하지만 interlayer site와 frayed edge site에 흡착된 Cs는 탈착이 어렵다. 일부 연구에서, 수열 조건의 옥산살 처리 등을 통해 일라이트 구조를 외곽 부분에서 일부 붕괴시켜 Cs 제거 효율을 높일 수 있음이 밝혀졌으나 저농도 Cs-137 오염 토양 제염 실험 결과 Cs-137의 제거율은 약 69% 수준인 것으로 보고되었다. 이에 따라 기존 수용액 기반 처리 기술로는 일라이트 내 Cs-137 제거에 있어 어느 정도 한계가 있는 것으로 판단된다.

한편, Honda et al., ACS Omega, 2, 8678 (2017) (비특허문헌 3)과 같이, 방사능 오염 토양을 열처리 하여 Cs 등을 휘발시켜 분리하는 연구도 진행된 바 있다. 이러한 열처리 공정을 통해서 매우 높은 효율로 Cs를 분리할 수 있음이 보고된 바 있다. 구체적으로, Cs 오염 토양을 염화물과 반응시키면 CsCl이 생성되는데, 이 때 CsCl을 고온/감압 열처리를 통해 토양으로부터 휘발시켜 분리할 수 있다. 휘발 분리를 위해서는 기체상을 매우 정밀하게 다룰 수 있는 기술을 확보해야 한다. CsCl 등 휘발상은 끓는점/승화점이 높기 때문에 반응기 내 상대적으로 온도가 낮은 영역에서 액체/고체 등의 응축상을 형성할 수 있다. 이러한 응축상 형성은 공정 중 Cs의 손실을 야기하며 기체 흐름을 방해하기 때문에 공정 효율을 저감시키는 문제가 있다. 특히, CsCl 등 휘발상을 포함하는 기체는 공기 중 배출에 앞서 포집체 등을 이용해 처리되어야 하며, 환경으로의 휘발상 배출을 막기 위해서는 막대한 규모의 기체 처리 설비를 필요로 한다.

이에 따라, 산처리 기술 또는 열처리 기술 이외에 방사능 오염 토양 내 Cs-134, Cs-137 과 같은 방사성 동위원소의 제거 효율이 우수하면서도, 방사성 동위원소의 손실 없고, 후처리 공정을 단순화시킬 수 있는 방사능 오염 토양의 제염 기술의 개발이 필요한 실정이다.

S.-M. Kim et al., "Hydrothermal desorption of Cs with oxalic acid from hydrobiotite and wastewater treatment by chemical precipitation", Energy, 13, 3284 (2020) S.-M. Kim et al., "Cs desorption behavior during hydrothermal treatment of illite with oxalic acid", Environ. Sci. Pollut. Res., 27, 35580 (2020) Honda et al., ACS Omega, 2, 8678 (2017)

본 발명은 방사능 오염 토양 내 방사성 동위원소의 제거 효율이 우수한 제염 방법을 제공하고자 한다.

일 측면에서, 본 발명은 종래 수처리 기반의 공정에서 제거 효율의 측면에서 한계가 있던 비팽창성 일라이트 기반의 토양에서도 높은 수준의 제염 성능을 나타내는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 토양 내 방사성 동위원소의 제거 방법에 있어서 방사성 동위원소의 휘발을 차단하여 방사성 동위원소의 손실을 저감 및 방지하는 제염 방법을 제공하고자 한다.

일 측면에서, 본 발명은 방사능 오염 일라이트 토양 내 Cs-134, Cs-137 의 제거 효율이 우수한 제염 방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여,

본 발명은 방사성 동위원소 함유 토양을 염화물 매체와 접촉시켜서, 상기 토양으로부터 상기 염화물 매체로 용출되는 방사성 동위원소를 염화물 형태로 포집하는 단계를 포함하는 방사능 오염 토양의 제염 방법을 제공한다.

본 발명의 방사능 오염 토양의 제염 방법에 따르면, 방사성 동위원소 함유 토양을 효과적으로 제염할 수 있다.

특히, 종래 산용액 처리와 같은 수처리 기반의 공정에서 방사성 동위원소의 제염에 한계가 있던 비팽창성 토양에서도 높은 수준의 제염 성능을 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 토양으로부터 용출되는 방사성 동위원소는 염화물 매체 내부에 포집되므로, 방사성 동위원소의 휘발에 의한 방사성 동위원소의 손실을 차단할 수 있는 효과가 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 밀폐된 반응기를 이용하기 때문에 방사성 동위원소의 휘발에 의한 방사성 동위원소의 손실을 원천적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.

본 반응은 제염 방법을 구현하기 위한 장치의 구성을 단순화할 수 있어서, 토양 제염의 규모를 증대시키는데 유리한 장점이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따르면 Cs 외에 Sr 등 다른 방사성 원소 오염 토양 및 중금속 오염 토양 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 Cs-137 함유 하이드로바이오타이트 및 일라이트 각각의 시료에 대하여 동일 조건에서 산처리를 통한 Cs-137 제염 실험 결과를 도시한 것이다.
도 2는 비교예 1에 따라 유기 용매 기반의 이온 교환에 의한 제염 성능을 평가하기 위한 실험 장치를 도시한 것이다.
도 3은 비교예 2에 따라 유기 용매 기반의 화학 탈리에 의한 제염 성능을 평가하기 위한 실험 장치를 도시한 것이다.
도 4은 실시예 1에 따라 염화물 매체에 의한 제염 성능을 평가하기 위한 실험 과정을 도시한 것이다.
도 5은 1기압 조건에서 온도에 따른 액체/기체 상태의 CsCl의 평형 조성을 계산한 그래프이다.
도 6는 비교예 3에 따라 염소 기체 처리에 의한 제염 성능을 평가하기 위한 실험 장치를 도시한 것이다.
도 7은 실시예 2에 따라 제염 성능을 평가하기 위한 실험 과정을 도시한 것이다
도 8은 실시예 2에 따라 토양/염화물의 접촉 비율이 1/3인 경우 온도 변화에 따른 토양 시료 내 Cs 농도 변화를 평가한 그래프이다.
도 9는 실시예 2에 따라 700℃의 고정 온도 조건에서 토양/염화물의 접촉 비율의 변화에 따른 토양 시료 내 Cs 농도 변화를 평가한 그래프이다.
도 10은 실시예 2의 #6의 조건에서 염화물의 처리 전후 고농도 Cs 흡착 일라이트 토양 시료의 SEM-EDS 분석 결과이다.
도 11은 실시예 2의 #6의 조건에서 염화물의 처리 전후 Cs 흡착 일라이트 토양 시료의 XRD 분석 결과이다.
도 12는 실시예 3에 따라 다공성 소재의 바스켓을 이용할 때의 실험 장치의 모식화이다.
도 13은 실시예 3에 따라 반응 전 후의 MgO 소재의 다공성 바스켓의 사진이다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 방사능 오염 토양의 제염 방법은, 방사성 동위원소 함유 토양을 염화물 매체와 접촉시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 방사성 동위원소 함유 토양을 염화물 매체와 접촉시켜서, 상기 토양으로부터 상기 염화물 매체로 용출되는 방사성 동위원소를 염화물 형태로 포집하는 단계를 포함한다.

본 발명의 발명자들은 방사성 동위원소 함유 토양이 염화물 매체와의 접촉에 의해서 토양 내 방사성 동위원소가 염화물 매체로 용출됨으로써 토양으로부터 방사성 동위원소를 높은 효율로 제거할 수 있고, 특히 상기 방사성 동위원소는 염화물 전환체의 형태로 염화물 매체 내부에 포집될 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

구체적으로, 상기 방사성 동위원소 함유 토양이 염화물 매체와 접촉하면 염화물 매체 내 양이온이 상기 토양으로 침투하고, 이때 토양에 침투된 양이온이 토양 내 방사성 동위원소를 탈착시켜서 염화물 매체 내로 용출되도록 할 수 있다. 이에 따라 염화물 매체 내로 용출된 방사성 동위원소는 염화물 매체 내 염화 이온과 결합하여 방사성 동위원소의 염화물 형태로 염화물 매체 내부에 잔류되는 것일 수 있다. 이러한 기전에 따르면, 본 발명에 따른 방법은 염화물 매체 내 양이온의 토양으로의 침투 능력 및 이에 따른 방사성 동위원소의 탈착 능력이 제염 성능에 중요한 역할을 수행하는 것일 수 있으나, 본 발명의 기전이 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양 내 함유되는 '방사성 동위원소'는 원자력안전위원회고시 제2017-65호 제2조에 정의된 방사성 핵종을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 동 고시 제6조에서 방사성 폐기물의 자체처분 허용농도 0.1 Bq/g 이하의 방사성 핵종을 포함하는 것일 수 있다.

상기 방사성 동위원소는 예를 들어 Cs-134, Cs-137, I-129, Na-22, Sc-46, Mn-54, Co-56, Co-60, Zn-65, Nb-94, Ru-106, Ag-110m, Sb-125, Eu-152, Eu-154, Ta-182, Bi-207, Th-229, U-232, Pu-238, Pu-239, Pu-240, Pu-242, Pu-244, Am-241, Am-242m, Am-243, Cm-245, Cm-246, Cm-247, Cm-248, Cf-249, Cf-251, Es-254 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 제염 대상의 토양 내 함유되는 방사성 동위원소는 방사성 세슘, 예를 들어 Cs-134 및 Cs-137 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 함량의 방사성 동위원소를 60% 이상, 예를 들어 90% 이상, 95% 이상, 99% 이상, 99.5% 이상 제거하는 효과를 나타내는 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양은 평균 직경(D₅₀)이 0.001 mm 내지 1 mm의 입자상의 물질인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 방사성 동위원소 함유 토양은 구체적으로 평균 직경(D₅₀)이 0.002 mm 내지 0.1 mm의 입자상의 물질인 것일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양은 팽창성 토양, 비팽창성 토양 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.

상기 팽창성 토양은 예를 들어 하이드로바이오타이트(hydrobiotite)계 토양을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 비팽창성 토양은 예를 들어 일라이트(illite)계 토양을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양은 비팽창성 토양일 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양은 일라이트(illite)계 토양일 수 있다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 방사능 오염 토양이 일라이트계 토양인 경우, 염화물 매체와의 접촉에 의한 제염 시 토양 시료의 결정구조가 변화되어 인도석(indiallite)계 토양으로 전환되는 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양과 접촉되는 '염화물 매체'는 알칼리금속의 염화물, 알칼리토금속의 염화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.

상기 알칼리금속의 염화물은 염화리튬(LiCl), 염화나트륨(NaCl), 염화칼륨(KCl) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 알칼리토금속의 염화물은 예를 들어 염화마그네슘(MgCl₂), 염화칼슘(CaCl₂) 또는 이들의 혼합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 염화물 매체는 염화리튬, 염화나트륨, 염화칼륨, 염화마그네슘 및 염화칼슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 일 실시예에서, 상기 염화물 매체는 알칼리토금속의 염화물을 포함하는 것일 수 있다. 상기 염화물 매체가 알칼리토금속의 염화물을 포함하는 경우, 양이온 형태의 알칼리토금속이 염화물 매체와 접촉되는 방사성 동위원소 함유 토양으로의 침투 능력 및 방사성 동위원소의 탈착 능력이 우수하여 우수한 제염 효율을 달성하는 것일 수 있으나, 본 발명의 효과가 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 상기 염화물 매체는 염화마그네슘을 포함하는 것일 수 있다. 상기 염화물 매체가 염화마그네슘을 포함하는 경우 일라이트와 같은 비팽창성 토양에 대한 염화물 매체의 반응성(또는 침투성)이 증가하여 제염 효율을 우수하게 향상시키는 효과를 나타낼 수 있으나, 본 발명의 효과가 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 염화물 매체는 2 성분계 이상의 혼합 염일 수 있다. 상기 염화물 매체가 단일 염 성분이 아닌 서로 다른 2종 이상의 염을 포함하는 경우, 염화물 매체의 용융 온도를 낮추어 공정이 수행되는 온도를 낮추어 공정을 단순화하면서도, 공정에 소모되는 전기량을 크게 낮추고, 이에 따라 공정을 수행하기 위한 비용을 획기적으로 절감하는 효과를 나타낼 수 있다. 뿐만 아니라, 염화물 매체 내에 포집되는 방사성 동위원소의 휘발을 억제하는 효과를 나타낼 수 있다. 한편, 본 발명의 효과가 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 상기 염화물 매체는 염화마그네슘을 포함하는 2 성분계 이상의 혼합 염일 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 상기 염화물 매체는 염화마그네슘을 포함하는 3 성분계의 혼합 염일 수 있다. 상기 염화물 매체가 3 성분계의 혼합 염인 경우 2 성분계의 혼합 염 대비 염화물 매체의 용융 온도를 600 ℃ 이하, 구체적으로 500 ℃ 이하로 낮추는 효과를 나타낼 수 있으나, 본 발명의 효과가 이에 제한되는 것은 아니다.

구체적으로, 상기 염화물 매체는 염화나트륨-염화마그네슘-염화칼슘의 혼합 염일 수 있다. 상기 염화나트륨-염화마그네슘-염화칼슘의 3 성분계 공융염의 녹는점은 약 420℃일 수 있으며, 이는 염화마그네슘-염화칼슘의 2 성분계 혼합 염의 녹는점(약 600℃) 대비 훨씬 더 낮은 녹는점을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 상기 3 성분계 혼합 염을 이용하는 경우 제염 온도를 낮추어 방사성 동위원소의 휘발을 억제할 뿐만 아니라, 공정에 소요되는 에너지, 비용을 획기적으로 낮추는 효과를 나타낼 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 염화나트륨-염화마그네슘-염화칼슘의 혼합 염은 염화나트륨:염화마그네슘:염화칼슘의 질량비가 1 내지 3:1 내지 3:1인 것일 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 염화나트륨-염화마그네슘-염화칼슘의 혼합 염은 염화나트륨:염화마그네슘:염화칼슘의 질량비가 1.5 내지 2:1.5 내지 2:1인 것일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 염화물 매체는 고체상, 반고체상 또는 액체상일 수 있다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 고체상의 염화물 매체는 분말 형태의 염화물 입자일 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 상기 액체상의 염화물 매체는 상기 염화물의 용융염일 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 상기 반고체상의 염화물 매체는 고체상의 염화물 매체를 고온으로 가열하면서 상기 접촉을 수행함으로써 고체상과 액체상이 혼합된 형태를 나타내는 것일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 방사성 동위원소 함유 토양을 염화물 매체와 접촉시키는 단계를 포함함으로써, 상기 방사성 동위원소 함유 토양에 포함되는 방사성 동위원소가 이의 염화물로 전환하여서 염화물 매체 내로 용출되는 것일 수 있다.

상기 방사성 동위원소 함유 토양과 상기 염화물 매체와의 접촉은 예를 들어 350℃ 내지 900℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 접촉은 350℃ 내지 850℃의 온도, 350℃ 내지 600℃의 온도 보다 구체적으로 상기 접촉은 400℃ 내지 450℃의 온도에서 수행하는 것일 수 있다. 상기 염화물 매체와의 접촉이 상술한 온도 범위에서 수행되는 경우 토양 내 함유되는 방사성 동위원소의 함량을 높은 효율로 낮추면서도, 방출되는 방사성 동위원소의 휘발을 차단하면서도, 제염 공정에 소요되는 에너지와 비용을 절감할 수 있는 효과를 나타내는 것일 수 있으나, 본 발명의 효과가 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 방사성 동위원소 함유 토양과 상기 염화물 매체의 접촉은 예를 들어 5 분 이상 10,000분 이하, 구체적으로 5 분 내지 60 분, 60 분 내지 300 분, 300 분 내지 720 분 또는 720 분 내지 2,880 분 동안 수행되는 것일 수 있다. 접촉 시간이 길수록 방사성 동위원소의 용출 효율이 개선되는 것일 수 있으나, 공정 시간 및 염화물 매체 내 방사성 동위원소의 염화물 전환체의 휘발 억제를 고려하여 상기 시간 범위로 수행하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 방사성 동위원소 함유 토양과 상기 염화물 매체의 접촉은 상기 토양과 상기 염화물 매체를 1:0.5 내지 1:10의 질량비로 접촉시키는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 접촉은 상기 토양과 상기 염화물 매체를 1:1 내지 1:6 또는 1:3 내지 1:6의 질량비로 접촉시키는 것일 수 있다. 상기 토양과 상기 염화물 매체의 접촉 시 상기와 같은 질량비로 접촉하는 경우 제염 효율의 측면에서 우수한 효과를 나타내는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양과 상기 염화물 매체의 접촉은, 상기 방사성 동위원소 함유 토양을 상기 염화물 매체에 침지시켜 수행하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양과 상기 염화물 매체의 접촉은 밀폐된 계에서 수행하는 것일 수 있다. 상기 토양과 염화물이 밀폐된 계에서 접촉됨으로써 염화물 매체에 포집된 방사성 동위원소의 염화물 전환체의 손실을 억제, 및 방지하는 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 방사성 동위원소 함유 토양을 다공성 소재의 바스켓에 장입하여, 상기 바스켓을 상기 반고체 또는 액체 상태의 염화물 매체에 침지시켜 수행하는 것일 수 있다. 상기 다공성 소재의 바스켓을 이용함으로써 염화물 매체 침지 후 제염된 토양 시료의 회수를 용이하게 할 수 있는 효과가 있으나, 본 발명의 효과가 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 다공성 소재는 세라믹 소재, 금속 소재 또는 금속 산화물 소재일 수 있다. 상기 금속 소재는 예를 들어 스테인리스 스틸을 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 금속 산화물 소재는 예를 들어 산화마그네슘(MgO) 및 산화알루미늄(Al₂O₃) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 상기 다공성 소재는 산화마그네슘(MgO)을 포함하는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 다공성 소재의 바스켓의 기공 크기는 토양 시료의 손실을 방지하기 위해 토양 입자의 크기보다 작은 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기 방사성 동위원소 함유 토양이 접촉된 염화물 매체는 방사성 동위원소 함유 토양으로부터 용출된 방사성 동위원소, 예를 들어 방사성 동위원소의 염화물 전환체를 포함하는 것일 수 있다.

이에 따라 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 접촉 후, 상기 방사성 동위원소 함유 토양으로부터 용출된 방사성 동위원소를 함유하는 염화물 매체를 회수하여 후처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 염화물 매체의 후처리 단계는 염화물 매체에 함유된 방사성 동위원소를 처리하기 위한 것으로서, 수용액 처리 기술, 흡착제 처리 기술, 고화 기술, 정화 기술 등의 후처리 공정을 포함할 수 있다.

상기 수용액 처리 기술은 방사성 동위원소 함유 염화물 매체를 냉각한 후 물로 용해하고, 함유되는 방사성 동위원소에 따라 적절한 흡착제를 이용하여 방사성 동위원소를 흡착 제거하고, 용액의 방사성 준위가 충분히 낮은 경우 방류하는 일련의 공정을 포함하는 것일 수 있다.

상기 흡착제 처리 기술은 염화물 매체에서 함유되는 방사성 동위원소에 따라 적절한 흡착제를 이용하여 방사성 동위원소를 흡착 제거하고, 방사성 동위원소가 흡착된 포집체를 폐기하는 일련의 공정을 포함할 수 있다.

상기 고화 기술은 염화물 매체 내 방사성 동위원소를 농축시킨 후 염화물 매체 전체를 고화 처리하는 일련의 공정을 포함할 수 있다.

상기 정화 기술은 Melt crystallization, zone refining 등을 이용해 염화물 매체 내 불순물인 방사성 동위원소를 제거하고 순수한 염화물 매체를 회수한 후, 회수된 염화물 매체를 재활용하는 것일 수 있다. 잔류하는 방사성 동위원소 농축 염화물 매체는 수용액 처리 또는 고화체 제조 등을 통해 처리하는 것일 수 있다.

또한 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서, 상기 접촉 후, 상기 방사성 동위원소가 상기 염화물 매체로 용출되어 제거된 토양을 후처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 토양의 후처리 단계는 방사성 동위원소의 제염 토양을 회수 시 발생하는 세척수 내 방사성 동위원소를 처리하기 위한 것으로서, 세척수에 잔류하는 방사성 동위원소의 종류에 따라 적합한 흡착제를 첨가하여 방사성 동위원소를 흡착 제거하는 일련의 공정을 포함할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 방사능 오염 토양으로부터 방사성 동위원소를 높은 효율로 토양으로부터 제거하고, 토양으로부터 제거된 방사성 동위원소의 외부 계로의 손실 없이 회수하여 처리하는 효과를 나타낼 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 들어 상세히 설명하기로 한다.

실험예 1. 제염 방법에 따른 제염 성능 평가

각각의 방법의 수행 전, 후 ICP(inductively coupled plasma spectrometer) 분석을 통해 토양 내 세슘의 함량을 측정하여 제염 성능을 평가하였다.

세슘 함유 토양은 일라이트계 토양보다 방사성 동위원소, 구체적으로 Cs 제거가 용이한 것으로 알려진 하이드로바이오타이트계 토양 시료를 이용해 진행하였다. 구체적으로, CsCl 수용액을 이용해 토양 시료 내에 Cs를 흡착시켰으며, 흡착 농도는 3,420-3,480 ppm 수준인 것으로 분석되었다.

비교예 1. 유기 용매 기반 이온 교환에 의한 제염 성능 평가

도 2에 도시된 바와 같은 실험 장치를 이용하여 유기 용매 상에서 이온 교환에 의한 제염 성능을 다음과 같이 평가하였다.

상기에서 준비된 Cs 흡착 토양 시료(2.5 g)를 LiBr(4.34 g)이 용해된 1-hexanol(50 mL, 몰농도 = 1 M)에 투입한 후 70℃에서 300 RPM의 속도로 교반하면서 1 주일 동안 유지하였다(도 2). 위와 같은 처리 후 토양 시료는 1-hexanol로 수차례 세척한 후 진공 필터링을 통해 회수하였다.

표 1에서 처리 전후 토양 시료 및 유기 용매 내 주요 이온의 농도를 나타내었다.

원소 (단위)	토양		유기용매
	실험 전	실험 후	실험 전	실험 후
Si (%)	18.0	18.6	N.D.	N.D.
Al (%)	5.26	5.36	N.D.	N.D.
Mg (%)	14.4	14.3	N.D.	0.0111
K (%)	4.65	4.90	N.D.	N.D.
Cs (ppm)	3,420	3,480	N.D.	0.0615
Li (ppm)	N.D.	2,840	N.D.	7,440

위 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 용액 처리 후 토양에 Li가 침투한 것이 확인되나 Cs 농도는 처리 전과 거의 동일한 것을 확인하였다. 이는 Li가 Cs와 교환되지 않고 토양 격자 내 빈 공간으로 침투하여 안정화 되었음을 의미한다.

토양 내 Cs와 Mg의 일부가 유기 용매 상에 존재하는 것이 확인되었지만, 그 함량이 극미량으로서 토양 시료에서 유의미한 양의 Cs가 배출되었다고 보기는 힘든 수준이었다.

위의 결과를 통해 유기 용매 기반의 이온 교환 방법에 따르면, 토양 시료 내에는 다량의 빈 공간이 존재하기 때문에 효과적인 이온 교환이 일어나지 않은 것으로 판단되어 토양의 제염 방법에 부적합한 방법임을 확인하였다.

비교예 2. 유기 용매 기반 화학 탈리에 의한 제염 성능 평가

도 3에 도시된 바와 같은 실험 장치를 이용하여 유기 용매 상에서 화학 탈리에 의한 제염 성능을 다음과 같이 평가하였다.

상기에서 준비된 Cs 흡착 토양 시료(2.5 g)을 NO₂BF₄(250 mg)이 용해된 acetonitrile(50 mL)에 투입한 후 70℃에서 150 RPM의 속도로 교반하면서 1 주일 동안 유지하였다(도 3). 위와 같은 처리 후 토양 시료는 acetonitrile로 수차례 세척한 후 진공 필터링을 통해 회수하였다.

표 2에서 처리 전후 토양 시료 및 유기용매 내 주요 이온의 농도를 나타내었다.

원소 (단위)	토양		유기용매
	실험 전	실험 후	실험 전	실험 후
Si (%)	18.0	17.7	N.D.	N.D.
Al (%)	5.26	5.27	N.D.	N.D.
Mg (%)	14.4	14.0	N.D.	N.D.
K (%)	4.65	4.41	N.D.	0.00661
Cs (ppm)	3,420	3,140	N.D.	1.18

위 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 화학 탈리에 의해 토양 시료 내 약 8.2% 정도의 Cs가 제거된 것으로 확인되었지만 이러한 제거 효율은 상기 비교예 1의 유기 용매 기반 이온 교환 실험과 같이 유효한 수준의 Cs 배출이 일어났다고 판단하기는 어려운 수준이었다. 토양 시료의 주성분인 Si 및 Al은 산화수 변화가 어렵기 때문에, NO₂BF₄ 등과 같은 산화제를 이용하여도 Cs의 화학적 탈리가 어려운 것으로 보이는 바, 산화제와 같은 화학적 탈리의 방법도 토양의 제염 방법으로는 부적합한 방법임을 확인하였다.

실시예 1. 염화물 매체에 의한 제염 성능 평가

도 4에 도시된 바와 같이 실험 과정에 따라 염화물 매체에 의한 제염 성능을 다음과 같이 평가하였다.

상기에서 준비된 Cs 흡착 토양 시료(1.5 g)와 LiCl-NaCl-CaCl₂(10-5-5 g) 염화물을 혼합한 후 혼합 시료를 650℃의 상압 조건에서 10시간 동안 유지하였다. 이 때, 상기 염화물은 흡습성이 강하기 때문에 Ar 분위기의 글러브 박스에서 실험을 수행하였다.

도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상압 조건에서 900℃이하의 온도에서는 CsCl의 휘발이 잘 일어나지 않는 것으로 확인되었다. 따라서 본 방법을 수행함에 있어 세슘의 염화물 전환체인 CsCl를 휘발시키지 않는 것에 중점을 두었다.

먼저, 분말 형태의 혼합 시료가 열처리 과정에서 용융된 후 굳어지는 과정에서 잉곳을 형성한 것을 알 수 있다. 상기 잉곳을 물에 녹인 후 필터링 하여 염화물 매체와 접촉된 토양 시료를 회수하였다. 회수된 시료는 약 1.28 g으로 투입량 대비 약간 감소하였다.

표 3에서 염화물 매체의 처리 전후의 토양 시료 내 구성 원소의 조성을 나타내었다.

원소 (단위)	실험 전	실험 후
Si (%)	18.6	19.1
Al (%)	5.36	5.53
Mg (%)	14.3	14.9
K (%)	4.9	N.D.
Cs (ppm)	3,480	1.15
Li (ppm)	2,840	8,640
Ca (%)	-	6.88
Na (ppm)	-	577

위 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, Cs 함유 토양이 염화물 매체와 접촉한 후 회수된 토양 내 Cs가 대폭 감소한 것을 확인하였다. 이를 통해 본 방법을 통해 토양 시료 내 Cs 제거가 효과적으로 이루어졌음을 확인하였다.

염화물 매체와의 접촉 후 토양의 주성분인 Si, Al, Mg의 조성에는 큰 변화가 없었으나 K 함량이 대폭 감소하고 Ca 함량이 대폭 증가한 것을 확인하였다. 반면 접촉 후 토양 시료 내 Li와 Na의 함량이 상대적으로 낮은 것으로 볼 때 염화물 매체 내 Ca가 다른 원소에 비해 반응성이 좋은 것을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 염화물 매체의 처리 시 염화물 매체 내 Ca와 토양 내 K 사이의 이온 교환 반응이 일어남과 동시에 토양 구조 내 Cs가 토양으로부터 배출되는 것으로 판단되었다.

비교예 3. 염소 기체 처리에 의한 제염 성능 평가

실시예 1의 결과에 따라 Cl₂ 기체를 반응 매질로 이용하였을 때 토양 내 Cs를 CsCl로 변환시킬 수 있다면 처리 토양과 CsCl로만 구성된 반응 생성물을 얻을 수 있으며, 이에 따라 후속 공정이 단순해지는 장점을 기대할 수 있을 것이다. 이에 따라 도 6과 같이 석영 반응기를 통해 Cs 흡착 토양에 대하 Cl₂ 기체 처리 실험을 진행하였다.

먼저, 상기에서 준비된 Cs 흡착 토양 시료(0.5 g)를 반응기의 중심부에 위치시킨 후 Ar purging을 통해 잔류 수분 등을 제거하였다. 이 과정에서 약 0.02-0.03 g 수준의 질량 손실이 확인되었다.

토양 시료와 염소 기체의 접촉 반응은 각각 300℃, 500℃, 700℃에서 1 시간 동안 진행하였으며, 이때 Ar/Cl₂ 혼합 기체를 99/1 mL/min의 속도로 주입하였다. 주입된 Cl₂의 양은 토양 시료 내 Cs의 당량 대비 6배 수준이었다. 반응 후 회수된 토양을 실시예1과 마찬가지로 물로 세척하였다(0.4 g 내외).

표 4에서 처리 전후 토양 시료 내 구성 원소의 조성 변화를 나타내었다.

원소 (단위)	실험 전	300℃처리	500℃처리	700℃처리
Si (%)	18.6	17.8	18.0	18.5
Al (%)	5.36	4.68	4.90	5.42
Mg (%)	14.3	13.1	12.9	13.5
K (%)	4.9	4.30	4.28	4.49
Cs (ppm)	3,480	3,030	2,740	2,840

위 표 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 대체적으로 토양 구성 원소 조성에는 큰 변화가 없다. 염소 기체 처리에 따르면, 토양 시료 내 Cs는 최대 37% 정도 제거된 것으로 확인되었다. 또한, 반응 온도는 Cs 제거 효율에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다.

이와 같이, 토양 시료에 단순히 Cl₂ 기체만 주입하는 경우 앞선 실시예 1의 염화물 처리와 달리 토양 시료의 구조 안정성을 저하시키는 양이온의 침투가 일어나지 않기 때문에 토양 시료 내부에 위치하는 Cs 배출이 용이하지 않은 것으로 판단되었다.

이상의 실험을 통해, 실시예 1과 같은 염화물 매체에 의한 제염 성능이 유기 용매 기반의 이온 교환에 의한 제염(비교예 1), 유기 용매 기반의 화학 탈리에 의한 제염(비교예 2), 염소 기체 처리에 의한 제염(비교예 3) 대비 훨씬 더 우수한 것으로 확인되었다.

실험예 2. 일라이트계 토양에 대한 제염 성능 평가

실험예 1을 통해 염화물 처리 기술(실시예 1)만이 우수한 수준의 Cs 제거 성능을 보였다. 이에 따라 염화물 처리 기술을 이용하여 방사성 동위원소의 제거가 용이하지 않은 것으로 알려진 일라이트계 토양에 대하여도 제염 성능을 평가하였다.

상기 실시예 1을 통해 LiCl-NaCl-CaCl₂에서 알칼리토금속의 염화물인 CaCl₂가 Cs 배출 반응에 주로 참여하는 것이 확인되었다. 본 실험에서는 CaCl₂와 같이 알칼리토금속으로 구성되어 화학적 유사성이 큰 MgCl₂를 사용하여 Cs 제염 특성을 비교하고자 하였다.

특히, Eutectic 조성에서 NaCl-MgCl₂-CaCl₂ 삼성분계 염화물의 공융점은 420℃ 내외인 반면, MgCl₂-CaCl₂ 이성분계 염화물의 공융점이 약 600℃ 수준으로 비교적 높기 때문에, 염화물 매체로서는 NaCl을 첨가한 삼성분계 염화물을 사용해 녹는점을 낮추고자 하였다. 이처럼 녹는점이 낮은 염화물 매체를 사용함으로써 공정 온도를 낮춰 Cs 화합물의 휘발을 억제할 뿐 아니라 에너지 비용을 대폭 저감할 수 있을 것으로 기대되었다.

실시예 2. 염화물 매체에 의한 제염 성능 평가

CsCl/KCl 수용액 처리를 통해 Cs 농도가 각각 2,430ppm(고농도)과 690ppm(저농도)인 Cs 흡착 일라이트 토양 시료를 준비하였다. NaCl-MgCl₂-CaCl₂를 eutectic 조성으로 혼합한 후 750℃로 가열하여 구성 성분이 균질하게 혼합된 염화물 시료를 제조하였다.

표 5와 같이, ICP 성분 분석을 통해 원하는 조성의 염화물 시료가 성공적으로 제조된 것을 확인하였다.

		NaCl	MgCl2	CaCl2
투입량	전체 질량 (g)	20.82	20.06	11.06
	양이온 질량 (g)	8.19	5.12	3.99
	양이온 상대 비율	2.05	1.28	1
분석결과	양이온 농도 (wt.%)	16.20	9.54	7.77
	양이온 상대 비율	2.08	1.23	1

상기에서 제조된 염화물과 Cs 흡착 일라이트 토양 시료를 혼합하여 Al₂O₃ 소재의 도가니에 담아 Ar 분위기 글러브 박스에서 400℃-850℃의 온도 범위에서 12 시간 동안 열처리를 진행하였다.

표 6에 실시예 2를 통한 제염의 실험 조건을 요약하였다.

번호	염화물 질량 (g)	토양 시료 질량 (g)	온도(℃)
#1	3	1	400
#2	3	1	550
#3	3	1	700
#4	3	0.5	700
#5	3	3	700
#6	3	1	850
#7	-	1	850

도 7에 도시된 바와 같이, 고농도 Cs 흡착 시료와 저농도 Cs 흡착 시료의 제염 시험을 동시에 진행하였으며, Cs 화합물(특히, CsCl)의 휘발을 억제하기 위해 도가니 위에 덮개를 씌웠으며, 반응기 자체에도 별도의 덮개를 설치하였다.

400℃ 온도 조건에서는 용융이 일어나지 않아 분말 형태가 안정적으로 유지되었으며, 500℃ 이상의 고온 조건에서는 용융이 일어난 것이 확인되었다. 도가니 내 시료를 물(500 mL)을 이용해 염화물 성분을 제거한 후 illite 토양 시료를 회수하였다. 세척에 사용된 물 역시 분석을 위해 회수하였다.

도 8은 토양/염화물 비율이 1/3인 경우(#1, #2, #3, #6) 온도 변화에 따른 토양 시료 내 Cs 농도 변화를 나타낸 것이다. 도 8의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 온도가 증가함에 따라 토양 시료 내 Cs가 감소하는 것이 관찰되었다. 특히, 400℃에서도 비교적 높은 효율로 Cs가 제거되었는데, 이는 고체-고체 반응에서도 일라이트 토양 시료 내 Cs가 염화물과 반응할 수 있다는 것을 보여주는 결과이다. 이러한 저온 공정은 Cs 화합물의 휘발을 원천적으로 차단할 수 있다는 장점이 있으나, 고온 공정보다 Cs 제염 성능이 다소 저하되는 것으로 평가되었다. 따라서 실제 공정 적용 시 우선 순위에 따라 공정 온도를 정할 필요가 있다.

850℃ 온도 조건에서 고농도와 저농도 Cs 흡착 토양의 Cs 제거 효율은 각각 99.5(11.6 ppm)와 99.4%(3.86 ppm)인 것으로 확인되었다. 이는 상술한 비교예 1, 비교예 2와 같은 수용액 기반의 공정 대비 매우 높은 수준인 것으로 평가되었다.

도 9에서 700℃ 온도 조건에서 토양/염화물 비율의 변화(#3, #4, #5)에 다른 거동을 나타내었다. 예상한 바와 같이 염화물의 비율이 증가함에 따라 Cs 제거 효율이 증대되는 것을 확인할 수 있었다.

염화물이 Cs 제거에 미치는 영향을 확인하기 위해 염화물 없이 고농도 Cs 흡착 일라이트 토양 시료만 넣은 상태에서 850℃ 조건에서 열처리를 진행하였다(#7). 단순 열처리 시료에서 Cs 농도는 약 222 ppm으로 감소한 것으로 확인되었다. 이는 염화물이 없는 조건에서도 Cs 제거 반응이 일어난다는 것을 보여주는 것이다. 위 농도는 별도의 세척이 진행되지 않은 토양 시료에서 얻어진 수치이며, 따라서 염화물이 존재하지 않는 조건에서 Cs 흡착 토양의 고온 열처리를 수행하면 Cs가 화합물(Cs-O-H계)을 형성하여 휘발되는 것을 알 수 있었다. 222 ppm의 농도는 #2 조건(550℃)의 고농도 Cs 흡착 시료 내 Cs 농도(241 ppm)와 유사한 수준이며, 이를 통해 열처리 공정 시 염화물이 공존하는 경우 Cs 제거 효율이 상승하는 것을 알 수 있었다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 방법은 염화물 접촉을 통해 생성된 방사성 동위원소의 염화물 전환체, 즉 CsCl를 휘발 시키지 않고 염화물 내에 잔류시키는 것을 목적으로 하였다.

표 7에는 상기 #6 조건의 고농도 Cs 흡착 토양 및 세척수 내 Cs 농도 변화를 이용해 Cs의 질량 변화를 추적하였다.

항목	수치
처리 전 illite 토양 시료 내 Cs 농도	2,430 ppm
처리 후 illite 토양 시료 내 Cs 농도	11.6 ppm
Illite 토양 시료(1 g) 내 Cs 손실량	2,418.4 μg
세척수 내 Cs 농도	4.59 ppm
세척수(500 mL) 내 Cs 생성량	2,295 μg

상기 표 7의 결과에 따라 계산한 결과, 토양 시료에서 배출된 Cs의 95%에 해당하는 양이 세척수에 존재하는 것이 확인되었다. 따라서 본 상압 염화물 처리 공정에서는 감압 염화물 처리 공정 또는 단순 열처리 공정과 달리 토양 시료에서 배출된 Cs가 CsCl 형태로 변환되어 휘발없이 응축상 형태로 존재하는 것으로 판단되었다.

표 8에는 상기 #6 조건에서 처리된 Cs 흡착 illite 시료 내 주요 원소의 조성 변화를 분석한 결과를 나타내었다.

	고농도 Cs 흡착 시료		저농도 Cs 흡착 시료
	처리 전	처리 후	처리 전	처리 후
Cs (ppm)	2,430	11.8	690	3.86
Si (wt.%)	33.4	30.1	31.5	30.7
Al (wt.%)	7.95	7.36	7.83	7.53
Fe (wt.%)	1.84	0.14	1.75	0.124
K (wt.%)	3.19	0.011	3.42	0.014
Mg (wt.%)	0.243	9.60	0.244	9.17
Ca (wt.%)	-	0.124	-	0.128
Na (wt.%)	-	0.128	-	0.175

표 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 고온에서의 염화물 처리 중 일라이트 토양 시료 내 대부분의 Cs, Fe, K가 배출되면서 대량의 Mg와 소량의 Ca 및 Na가 토양 시료 내부로 침투한 것을 알 수 있다.

LiCl-NaCl-CaCl₂의 염화물을 사용했던 실시예 1에서는 Ca가 주요 침투 원소였는데, 본 실험에서는 Ca보다 Mg의 침투력이 더욱 좋은 것으로 나타났다. 따라서 알칼리금속 이온 보다는 알칼리토금속 이온이, 알칼리토금속 중에서는 Ca²⁺ 이온보다 Mg²⁺ 이온이 토양 시료와의 친화성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

실험예 3. 토양 시료 내 염화물의 침투가 미치는 영향에 대한 평가

Mg 등 알칼리(토)금속의 침투가 미치는 일라이트 토양 시료에 미치는 영향을 확인하기 위해 SEM-EDS(도 10) 및 XRD(도 11) 분석을 진행하였다.

염화물 처리 전 시료는 수 μm 수준의 일반적인 입자 형상을 가지고 있었으며 도 10에서 보는 것처럼 EDS map에서 시료 내 함량이 적은 Mg의 공간 분포가 잘 확인되지 않았다.

850℃에서 염화물 처리를 수행하면 길이 수 μm 수준의 나노로드가 형성되는 것을 알 수 있다. 이때, 나노로드에서 다량의 Mg가 존재하는 것으로 분석되었다. 도 10 하단(After treatment)의 초록색 영역(일반 입자 형상)에서는 Mg가 검출되지 않았다. 이는 Mg 침투에 의해 일라이트 토양 시료의 형상이 나노로드의 형상으로 변화한다는 것을 의미한다.

도 11에 도시된 XRD 분석 결과를 보면 이러한 현상을 명확하게 확인할 수 있다. Cs 흡착 토양의 열처리가 진행됨에 따라 새로운 결정상이 형성되는 것을 알 수 있다. 이 상은 인도석(indialite)인 것으로 확인되었다. 인도석은 Mg₂Al₄Si₅O₁₈의 화학식을 갖는 미네랄이다.

상술한 결과를 종합하면, 방사성 동위원소 함유 일라이트 토양에 염화물을 처리할 때 Mg 등 알칼리(토)금속이 일라이트 토양 시료 내부로 침투함에 따라 일라이트의 결정구조가 불안정해지고 이에 따라 Mg가 풍부한 나노로드 형태의 인도석 상이 형성되는 것으로 유추되었다.

이상과 같이, 토양 시료의 종류 및 염화물의 성분이 열처리 시 결정구조 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 판단되었다.

실시예 3. MgO 바스켓을 이용한 염화물계 용융염에 의한 제염 성능 평가

상기 실시예 2에서 준비한 고농도의 Cs 흡착 일라이트 토양 시료와 염화물 시료를 이용하되, 토양 시료를 MgO 바스켓에 담지한 후 염화물 시료가 담긴 도가니에 침지시켜 제염을 실시하였다(도 12).

구체적으로, 고농도 Cs 흡착 일라이트 토양 시료(3.11 g)를 MgO 바스켓에 담은 후 700℃로 용융된 염화물(77.92 g)에서 48 시간 동안 처리한 후, 그 결과를 표 9에 나타내었다.

항목	수치
처리 전 illite 토양 시료 내 Cs 농도	2,430 ppm
Illite 토양 시료 질량	3.11 g
Illite 토양 시료 내 Cs 질량	7,557.3 μg
염화물 질량	77.92 g
처리 후 염화물 내 Cs 농도	99.5 ppm
처리 후 염화물 내 Cs 질량	7,753.0 μg

표 9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 토양 시료 내 Cs가 효과적으로 염화물로 배출된 것을 확인하였다.

한편, 도 13에서 확인되는 바와 같이, MgO 바스켓은 반응 후에도 비교적으로 안정적으로 유지되었으며, 세척을 통해 제염된 토양 시료를 손쉽게 회수할 수 있었다.

이상의 실험을 통해, 세슘 함유 토양과 염화물 매체의 접촉에 의해 세슘 함유 토양으로부터 상당량의 세슘을 용출시킬 수 있음을 확인하였다. 특히, 대부분의 방사성 동위원소와 중금속은 실험에 사용한 세슘 원소와 같은 거동을 보일 것으로 예상되는바, 본 발명에 따르면 방사능 오염 토양과 염화물 매체의 접촉에 의해 방사능 오염 토양으로부터 높은 효율로 방사성 동위원소를 제거할 수 있음을 확인하였다.

Claims (18)

1. 방사성 동위원소 함유 토양을 염화물 매체와 접촉시켜서, 상기 토양으로부터 상기 염화물 매체로 용출되는 방사성 동위원소를 염화물 형태로 포집하는 단계를 포함하고,
   상기 염화물 매체는 염화나트륨-염화마그네슘-염화칼슘의 혼합 염이며,
   상기 염화나트륨-염화마그네슘-염화칼슘의 혼합 염은 염화나트륨:염화마그네슘:염화칼슘의 질량비가 1.5 내지 2:1.5 내지 2:1이고,
   상기 방사성 동위원소 함유 토양은 방사성 세슘을 포함하는 일라이트(illite)계 토양이며,
   상기 접촉은 밀폐된 계 내에서 350 내지 900℃의 온도로 수행하는 것이고,
   상기 토양과 상기 염화물 매체를 1:1 내지 1:6의 질량비로 접촉시키는 것인, 방사능 오염 토양의 제염 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 염화물 매체는 고체상, 반고체상 또는 액체상인, 방사능 오염 토양의 제염 방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사성 동위원소 함유 토양은 평균 직경(D₅₀)이 0.001 mm 내지 1 mm의 입자상의 물질인 것인, 방사능 오염 토양의 제염 방법.
13. 삭제
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉은, 상기 방사성 동위원소 함유 토양이 수용된 다공성 소재의 바스켓을 상기 염화물 매체에 침지하는 것을 포함하는, 방사능 오염 토양의 제염 방법.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 다공성 소재는 세라믹 소재, 금속 소재 또는 금속 산화물 소재인, 방사능 오염 토양의 제염 방법.
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 다공성 소재는 스테인리스 스틸, MgO 및 Al₂O₃의 적어도 하나를 포함하는 것인, 방사능 오염 토양의 제염 방법.
17. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉 후, 상기 방사성 동위원소 함유 토양으로부터 용출된 방사성 동위원소를 함유하는 염화물 매체를 회수하여 후처리하는 단계를 더 포함하는, 방사능 오염 토양의 제염 방법.
18. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉 후, 상기 방사성 동위원소가 상기 염화물 매체로 용출되어 제거된 토양을 후처리하는 단계를 더 포함하는, 방사능 오염 토양의 제염 방법.

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