KR102593572B1 - 방사성 폐기물 고화방법 및 이에 따른 방사성 폐기물 고화체 - Google Patents

방사성 폐기물 고화방법 및 이에 따른 방사성 폐기물 고화체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (1) 지오폴리머로서 메타카올린과 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물을 혼합하여 지오폴리머 혼합물을 형성하는 단계, (2) 상기 혼합물에 물유리를 포함하는 활성화제를 투입하여 지오폴리머 페이스트를 형성하는 단계, (3) 상기 지오폴리머 페이스트를 고화하는 단계를 포함하는 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물의 고화방법 및 이에 따른 고화체를 제공한다.

Description

방사성 폐기물 고화방법 및 이에 따른 방사성 폐기물 고화체{a method of solidifying Radioactive carbonate and the solidified waste form thereof}
본 발명은 방사성 폐기물 고화방법 및 이에 따른 방사성 폐기물 고화체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상온, 상압의 조건에서 방사성 탄산염에 대한 높은 담지율(Waste loading)가짐과 동시에 방사성 탄산염 폐기물 고화체에서 균열이 생기지 않고 압축강도가 향상됨에 따라 효율적으로 방사성 탄산염 폐기물을 제거할 수 있는 방사성 폐기물의 고화방법 및 이에 따른 방사성 폐기물 고화체에 관한 것이다.
일본 후쿠시마 원자력 발전소 사고에 의해 토양이나 동식물, 폐기물 등이 방사성 물질에 오염되어 있어 심각한 환경 문제를 야기한 바 있듯이 현재 널리 보급되어 있는 원자로 발전 플랜트에서는 핵분열에 의해서 상당한 양의 방사성 부산물의 생성된다. 또한 원자력 발전소에서 사용하고 수명을 다하여 폐기해야 하는 원자로 장치나 장비들 중에는 방사성 물질에 오염된 것들이 대부분이다.
이와 같이 방사성 물질에 오염된 건축물, 설비, 기계장치, 구조물 등은 단순히 매립하거나 소각하지 못하고 반드시 방사성 물질을 제거하는 제염 및 절단 등의 감용처리를 한 뒤 원자력법 및 환경법상의 규정에 따라 처리되어야 한다.
이러한 처리 규정에 따라 원자력발전소에서 발생되는 농축폐액, 폐수지, 폐필터와 같은 비고정형 물질이나 고방사능 물질은 고정된 형태로 안전하게 보관하기 위해 시멘트, 파라핀, 아스팔트 등의 고화물질을 통하여 고화되어 저장 드럼에 담기게 된다.
이때, 상기 방사성 폐기물은 방사성 폐기물 처분장에 영구적으로 처분되는데, 처분된 방사성 폐기물에 포함된 고정화된 핵종들이 인근 환경으로 유출되지 않도록 안정적인 고화처리를 하는 것이 중요하다.
특히 열화학처리 과정 중에 발생하는 방사성 이산화탄소 (14CO2)는 광물화 등 기존의 방식으로 포집되어 탄산염(CaCO3, SrCO3 등)의 형태로 전환할 수 있으나, 최종 형태를 처분장으로 보내기 위해서는 적합한 고화/안정화 과정이 필수적으로 필요하다.
그러나 기존의 고화/안정화 기술은 고온 공정, 낮은 적재량 또는 탄산염의 분해로 인한 14C의 누출 우려가 있으며, 나아가 적은 폐기물 대비 많은 고화 매질의 양으로 인해 경제적인 문제를 초래할 수 있어서 특히 방사성 탄산염 폐기물에 대한 고화방법으로 문제점이 존재한다.
따라서, 상술한 탄산염 방사성 폐기물의 종래 고화/안정화 기술에 대한 문제점을 개선하면서도 특히 방사성 탄산염에 대한 높은 담지율 가짐과 동시에 방사성 탄산염 폐기물 고화체의 압축강도를 향상시켜 보다 효율적으로 방사성 탄산염 폐기물을 제거할 수 있는 방사성 폐기물의 고화방법에 대한 연구가 시급한 실정이다.
대한민국 공개번호 2021-0032285 (2021.03.24)
본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 첫번째 해결하려는 과제는 상온, 상압의 조건에서 방사성 탄산염에 대한 높은 담지율을 가짐과 동시에 고화된 방사성 탄산염 폐기물에서 균열이 생기지 않고 압축강도가 향상됨에 따라 효율적으로 방사성 탄산염 폐기물을 제거할 수 있는 방사성 탄산염 폐기물 고화방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한 본 발명의 두번째 해결하려는 과제는 상온, 상압의 조건에서 방사성 탄산염에 대한 높은 담지율을 가짐과 동시에 고화된 방사성 탄산염 폐기물에서 균열이 생기지 않고 압축강도가 향상됨에 따라 효율적으로 방사성 탄산염 폐기물을 제거할 수 있는 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 상술한 첫번째 과제를 해결하기 위하여 (1) 지오폴리머로서 메타카올린과 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물을 혼합하여 지오폴리머 혼합물을 형성하는 단계, (2) 상기 혼합물에 물유리를 포함하는 활성화제를 투입하여 지오폴리머 페이스트를 형성하는 단계 및 (3) 상기 지오폴리머 페이스트를 고화하는 단계를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물 고화방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 (1) 단계에서 방사성 탄산염의 중량비는 방사성 탄산염 폐기물 100 중량 %에 대하여 20 내지 70중량% 일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 상기 (1) 단계에서 방사성 탄산염 폐기물은 탄산칼슘(CaCO3)일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면 상기 (2) 단계에서 활성화제 내부의 물유리의 함량은 활성화제 100 중량%에 대하여 55 ~ 65 중량%일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 활성화제는 수산화칼륨(KOH)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 탄소를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 하기 A의 값이 1.5 내지 2.5을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면 압축 강도가 3.44 MPa 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 고화체지오폴리머로서 메타카올린 고화체 및 상기 메타카올린 고화체에 적재되며 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 방사성 탄산염은 탄산칼슘(CaCO3)일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 상기 방사성 탄산염 폐기물 고화체는 물유리를 함유하는 활성화제를 포함하여 제조된 것 일 수 있다.
본 발명에 따른 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물의 고화방법에 의하여 제조된 고화체는 상온, 상압의 조건에서 방사성 탄산염에 대한 높은 담지율을 가질 수 있다.
나아가 본 발명에 고화방법에 따라 고화된 방사성 탄산염 폐기물 고화체는 균열이 생기지 않고 구조적으로 매우 안정적이기 때문에 방사성 물질 유출의 우려가 없어 작업자의 작업환경의 안전성을 향상시킬 수 있다.
더 나아가 본 발명에 고화방법에 따라 고화된 방사성 탄산염 폐기물 고화체는 종래기술에 따른 고화체 대비 압축강도가 향상되어 대량의 탄산염을 처리할 수 있어 적은 고화 매질로도 많은 탄산염 폐기물을 처리할 수 있어 경제성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 방사성 탄산염 폐기물의 종류와 적재량을 달리하여 제조한 고화체의 압축강도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 탄산염 폐기물 고화체의 XRD 분석을 통한 Si/Al의 비율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 따른 방사성 탄산염 폐기물 고화방법에서 물유리가 아닌 활성화제를 사용하여 제조한 고화체의 압축강도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 탄산염 폐기물 고화방법에서 XRD 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 방사성 탄산염 폐기물 고화체에 대한 사진이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이 종래 방사성 탄산염의 고화방법은 고온의 공정, 낮은 적재량 또는 적은 폐기물 대비 많은 고화 매질의 양으로 인해 비경제적이며 효율이 낮은 문제가 있었다. 나아가 고화체의 불안정성으로 인한 14C의 누출의 문제와 작업자의 안전에도 심각한 영향을 주는 문제가 있었다.
이에 본 발명은 (1) 지오폴리머로서 메타카올린과 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물을 혼합하여 지오폴리머 혼합물을 형성하는 단계, (2) 상기 혼합물에 물유리를 포함하는 활성화제를 투입하여 지오폴리머 페이스트를 형성하는 단계 및 (3) 상기 지오폴리머 페이스트를 고화하는 단계를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물 고화방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
이를 통해 종래 방사성 탄산염에 대한 고화방법의 문제점을 개선하고, 고화 매질에 대한 높은 담지율을 가질 뿐만 아니라, 탄산염 폐기물 고화체 자체의 압축강도를 일정 수준 이상 확보할 수 있어 고화 방법으로서의 경제성과 작업자의 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 (1) 단계는 지오폴리머로서 메타카올린과 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물을 혼합하여 지오폴리머 혼합물을 형성하는 단계이다.
지오폴리머는 알루미노 실리케이트 원료와 알칼리 활성화제의 화학 반응으로 저온에서 경화되는 무기중합체 중 하나로서 시멘트와 달리 칼슘을 포함하고 있지 않다. 상술한 바와 같이 칼슘을 포함하고 있지 않은 고화물질로서 시멘트를 대체할 수 있는 지오폴리머의 합성방법으로서 메타카올린(metakaolin)을 이용한 지오폴리머의 합성방법이 있으며, 본 발명은 (1) 지오폴리머로서 메타카올린과 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물을 혼합하여 지오폴리머 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다.
이러한 메타카올린은 높은 압축강도와 내화학성이 우수하며 특히 본 발명에 따른 탄산염 폐기물과 혼합 시 지오폴리머 혼합물 내부에서 필러(filler)의 형태로 줄어든 메타카올린의 양을 탄산염이 대체할 수 있어서 압축강도가 저하되지 않으며, 나아가 탄산염 폐기물과의 고정화에 보다 유리하여 고화 방법으로의 경제성과 안정성을 동시에 제고할 수 있다.
지오폴리머로서 메타카올린을 얻기 위해 본 발명의 목적에 부합하는 범위에서 공지의 메타카올린 제조 방법이 사용될 수 있으며 이에 대한 비제한적인 예로 하기의 반응식 1과 같이 본 발명의 메타카올린은 상용 카올린(kaolin)을 전기로에서 1분에 5 ~ 15 ℃ 온도로 승온하여 700 ~ 900 ℃로 5시간을 머물게 하여 수분을 제거하여 고화 매질인 메타카올린을 제조할 수 있다.
[반응식 1]
Al2Si2O5(OH)4 → Al2Si2O7 + 2H2O
다음, 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물을 혼합하여 지오폴리머 혼합물을 형성한다. 상기 메타카올린과 방사성 탄산염 폐기물을 혼합하여 지오폴리머 혼합물을 형성하기 위해 수분을 제거하여 회수한 메타카올린과 탄산염을 혼합할 수 있다.
한편 방사성 탄산염 폐기물이란 방사성 탄소14C 와 금속이 치환된 탄산염을 의미하며 원자력 발전소에서 부산물로 발생한다.
이때 상기 방사성 탄산염 폐기물은 탄산칼슘(CaCO3), 탄산스트론튬(SrCO3), 탄산마그네슘(MgCO3), 탄산바륨 (BaCO3) 등을 포함할 수 있으며 바람직하게는 탄산칼슘(CaCO3), 탄산스트론튬(SrCO3)일 수 있고 가장 바람직하게는 탄산칼슘(CaCO3)일 수 있다.
보다 구체적으로 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 방사성 탄산염 폐기물의 종류와 적재량 및 이에 대한 압축강도를 나타내는 그래프이며 도 1에서 도시된 것과 같이 본 발명의 고화방법에 사용되는 방사성 탄산염 폐기물은 방사성 탄산염 폐기물의 적재량 및 활성화제의 종류에 상관없이 탄산칼슘이 탄산스트론튬 보다 높은 압축강도를 가짐을 알 수 있다. 이는 탄산칼슘이 탄산스트론튬 등 기타 탄산염보다 반응성이 낮은 특성이 있어 지오폴리머의 혼합물에 영향을 미치지 않고, 독자적으로 존재할 수 있기 때문이다.
이때, 상기 방사성 탄산염의 중량비는 방사성 탄산염 폐기물 100 중량 %에 대하여 20 내지 70중량%로 포함될 수 있다. 다만, 바람직하게는 상기 방사성 탄산염의 중량비는 방사성 탄산염이 중량비는 30 내지 70 중량%로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 상기 방사성 탄산염의 중량비는 40 내지 70 중량%로 포함될 수 있다. 만일 방사성 탄산염의 중량비가 20 % 미만일 경우 방사성 탄산염의 적재량이 너무 적어 폐기물 처리 측면에서 상업적 가치가 떨어질 수 있고, 방사성 탄산염의 중량비가 70 중량%를 초과할 경우 압축강도가 저하되어 고화체의 불안정성으로 인한 처분장 인수가 불가능하게 된다.
다음, 본 발명의 (2) 단계는 (1) 단계의 지오폴리머 혼합물에 물유리를 포함하는 활성화제를 투입하여 지오폴리머 페이스트를 형성하는 단계이다.
일반적인 고화매질의 활성화제(Activator solution)는 수용액 상태에서 지오폴리머 혼합물과 화학반응을 하여 압축강도를 증가시키는 역할을 한다. 즉 활성화제와 지오폴리머 혼합물의 화학반응은 발열 반응에 해당하여 일부의 수분이 증발하게 되고, 수분의 일부는 규소(Si), 알루미늄(Al) 등과 반응하여 수화물을 형성하면서 흡수된다. 이러한 과정을 통하여 지오폴리머 혼합물의 압축강도가 증가하게 된다.
이때 상기 활성화제는 지오폴리머 혼합물 100 중량부에 대하여 15 ~ 50 중량부로 포함될 수 있다. 만일 활성화제의 중량부가 15 중량부 미만이라면 메타카올린이 충분히 활성화되지 않음으로 인해 고화체를 형성하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 만일 활성화제의 중량부가 50을 초과한다면 고화 매질이 부족한 문제가 있을 수 있다.
이때 상기 활성화제에는 일반적으로 수산화칼륨(KOH) 수용액 또는 수산화나트륨(NaOH) 수용액이 포함될 수 있으며 바람직하게는 수산화칼륨 수용액이 포함될 수 있다.
도 2를 참조하면, 활성화제로 수산화칼륨 수용액을 사용한 경우 수산화나트륨 수용액을 사용한 경우 보다 규소/알루미늄의 비율이 높아짐을 알 수 있다. 즉 도 2를 통해, 수산화나트륨 수용액을 포함하는 활성화제보다, 수산화칼륨 수용액을 포함하는 활성화제로 지오폴리머 혼합물를 고화시키는 경우 고화체에 규소가 더 많이 포함되었을 것임을 알 수 있다.
이로 인해 상술한 도 1 (b)와 같이 수산화칼륨 수용액을 포함하는 활성화제로 지오폴리머 혼합물을 고화시키는 경우, 도 1 (a)와 같이 수산화나트륨 수용액을 포함하는 활성화제로 지오폴리머 혼합물을 고화시킨 경우보다 방사성 탄산염 폐기물의 담지율이 높아짐을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 활성화제를 사용한 고화체는 하기 A의 값이 1.5 내지 2.5를 만족할 수 있다.
이때 만일 A의 값이 1.5 미만일 경우 고화체의 압축강도가 너무 낮은 문제가 있을 수 있고, 2.5를 초과할 경우 균열이 심해서 하나의 고화체를 이루지 못하는 문제가 있을 수 있다.
이때 상기와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 활성화제에 수산화칼륨 수용액이 포함되는 경우 활성화제 100중량%에 대하여 수산화칼륨 수용액은 60 ~ 65 중량%로 포함될 수 있다. 만일 상기 수산화칼륨 수용액의 중량%가 60% 미만이라면 메타카올린으로부터 알루미노실리케이드를 침출하지 못하는 문제가 있을 수 있고, 만일 상기 수산화칼륨 수용액의 중량%가 65%를 초과한다면 강염기로 인해 해당 폐기물에 손상을 주는 문제가 있을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 상기 활성화제는 물유리(silicate solution)를 포함한다.
물유리는 활성화제의 포함되어 고화매질과 반응함으로써 고화체의 압축강도를 향상시키고 고화체의 규소 공급원으로의 역할을 한다. 이와 같은 역할을 수행하는 물질로는 통상적으로 건식 실리카(Fumed silica)가 활용되고 있다. 이에 본 발명은 도 3에서 건식 실리카와 비교하여 본 발명에 따른 물유리가 포함된 활성화제의 효과를 나타내고 있다.
도 3및 도 1 (a), 도 1 (b)를 참조하면, 건식 실리카를 활성화제로 사용하여 제조한 고화체의 경우 상술한 도 1 (a) 및 도 1 (b)에 도시된 본 발명에 따른 물유리를 활성화제로 사용한 고화체 대비 방사성 탄산염 폐기물의 종류에 관계없이 매우 낮은 압축강도를 나타냄을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명과 같은 방사성 탄산염 폐기물에 대한 고화체를 고화 대상으로 하는 경우 건식 실리카가 활성화제에 포함되는 것 대비 물유리를 활성화제에 포함하는 경우 고화체의 안정성이 크게 향상되어 방사성 탄산염 폐기물의 유출 문제 및 작업자의 안전을 크게 개선할 수 있다.
이는 건식 실리카의 경우 무기 분말 가루의 양이 너무 많아 비산성이 강하고 이로 인한 낮은 작업성에서 기인한다.
이때 상기 물유리는 활성화제 100 중량%에 대하여 55 ~ 65의 중량%로 포함될 수 있다. 만일 상기 물유리의 중량%가 55 미만이라면 고화체에 이산화규소가 부족한 문제가 있을 수 있고, 만일 상기 물유리의 중량%가 65 초과라면 고화체를 형성하지 못하는 문제가 있을 수 있다.
이때 상기 활성화제는 용매 잔량을 더 포함할 수 있으며, 지오폴리머 혼합물과 화학반응을 하여 압축강도를 증가시키는 역할을 하는 활성화제의 목적에 부합하는 한 공지의 물질이 될 수 있다. 이에 비제한적인 예로 상기 용매는 공지의 유기용매 또는 물이 될 수 있고 활성화제 100 중량%에 대하여 40 ~ 50의 중량%로 포함될 수 있다.
상술한 물질을 포함하고 있는 활성화제는 합성의 반응성을 높이기 위해 용기에 투입하여 20℃ ~ 30℃오븐에서 10시간 이상 반응시킨 후, 메타카올린과 방사성 탄산염을 혼합한 지오폴리머 혼합물을 투입하여 지오폴리머 페이스트를 제조할 형성시킬 수 있다.
다음, 본 발명의 (3) 단계는 상기 지오폴리머 페이스트를 고화하는 단계이다.
지오폴리머 페이스트를 고화시키는 방법은 본 발명과 같이 방사성 탄산염 폐기물을 대상으로 하는 고화방법에 적합한 공지의 고화방법이 적용될 수 있으므로 특별히 한정하지 않는다.
예를 들어 먼저 상기 (2) 단계에서 제조한 지오폴리머 페이스트를 몰드에 옮겨 담을 수 있다. 이때 상기 몰드는 방사성 폐기물을 고화하기 적합한 공지의 형상 및 재료가 될 수 있으며 비제한적인 예로 원기둥 형태일 수 있다.
또한 이와 같이 지오폴리머 페이스트를 몰드에 옮기는 과정에서 생기는 기포는 향후 고화체의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 바 미리 제거할 수 있다.
이후 상기 지오폴리머 페이스트를 옮겨 담은 몰드를 20 내지 40 ℃ 오븐에서 5 내지 10일 동안 양생하여 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 형성시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따라 제조한 방사성 탄산염 폐기물 고화체는 상술한 도 1 내지 3과 같이 와 같이 방사성 탄산염에 대한 담지율을 높이면서도 충분한 압축강도를 유지할 수 있어서 대량의 탄산염을 처리할 수 있고, 적은 고화매질로도 많은 방사성 탄산염 폐기물을 처리할 수 있어 경제성이 향상될 수 있다.
나아가 도 5에 도시된 것과 같이 고화체 전체에서 균열이 생기지 않고 구조적으로 매우 안정적이어서 방사성 물질 유출의 우려가 없어 작업자의 작업환경의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 방사성 탄산염 폐기물의 고화방법에 따라 고화된 고화체는 압축 강도가 3.44 MPa 이상의 범위를 가질 수 있다. 이러한 압축 강도는 본 발명이 속하는 방사성 폐기물 고화체에 대한 기술분야에서 통상적 수용가능한 고화체의 압축 강도이며 만일 상기 압축 강도가 3.44 MPa 미만일 경우 고화체의 안정성이 저하되어 처리과정에서 방사성 물질이 유출되는 등의 안전상의 문제가 있을 수 있으며, 또한 처분장에서 수용이 불가능한 문제가 있을 수 있다.
이하에서는 이러한 본 발명에 따른 방사성 탄산염 폐기물 고화체에 대하여 설명한다. 다만 중복을 피하기 위해 상술한 방사성 탄산염 폐기물 고화체의 고화방법과 기술적 사상이 동일한 부분에 대하여는 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 방사성 탄산염 폐기물 고화체는 지오폴리머로서 메타카올린 고화체 및 상기 메타카올린 고화체에 적재되며 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물을 포함한다.
이때 상기 방사성 탄산염은 탄산칼슘일 수 있고, 상기 활성화제는 물유리를 함유하는 활성화제를 포함하여 제조된 것 일 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예 1]
메타타카올린을 제조하기 위해 상용 카올린(kaolin, 100 g, Sigma Aldrich)을 전기로에서 상온으로부터 10 ℃/min으로 승온하여 800 ℃에 5시간을 머물게 하여 카올린 구조에 존재하는 수분이 제거하고, 자연 하온을 통해 고화 매질인 100 g의 메타카올린을 회수하였다.
이후, 메타카올린 기반의 지오폴리머 고화체와 탄산염을 적재한 지오폴리머 혼합물의 제조를 위해, 준비된 메타카올린을 20 wt% 탄산칼슘과 혼합하였다.
이후, 활성화제 준비를 위해, 10 M의 KOH 수용액 50 ml를 30 g의 물유리(potassium silicate solution(KSS, K4O4Si, SiO2: 27~29% K2O: 21~23%, Samchun) 와 혼합한다. 활성화제와 지오폴리머 혼합물을 50 : 50 중량비로 혼합하고, 5분 동안 믹서기로 교반하여, 지오폴리머 페이스트를 제조하였다.이러한 지오폴리머 페이스트를 원기둥 형태의 플라스틱 몰드 (내경: 23 mm, 높이: 46 mm)에 옮겨 담은후 몰드에 옮기는 과정에서 생기는 기포를 셰이커를 이용해 제거하였다. 이후 최종 고화체 형성을 위해30 ℃ 오븐에서 7일 동안 양생하여 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 제조하였다.
[실시예 2 내지 4]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 방사성 탄산염의 적재량을 하기 표 1과 같이 달리하여 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 제조하였다
[실시예 5 내지 8]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 방사성 폐기물을 탄산염을 탄산칼슘이 아닌 탄산스트론튬을 사용하고 또한 표 1과 같이 적재량을 달리하여 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 제조하였다
[실시예 9 내지 12]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 활성화제에 수산화칼륨이 아닌 수산화나트륨을 포함하여 제조하고 또한 표 1과 같이 방사성 탄산염 적재량을 달리하여 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 제조하였다
[실시예 13 내지 16]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 활성화제에 수산화칼륨이 아닌 수산화나트륨을 포함하여 제조하고 또한 표 1과 같이 방사성 탄산염을 탄산칼슘이 아닌 탄산스트론튬으로 사용하고 이에 대한 적재량을 달리하여 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 제조하였다
[비교예 1 내지 4]
실시예 1과 동일하게 제조하되, 활성화제에 물유리가 아닌 건식실리카를 포함하여 탄산염과 탄산스트론튬의 적재량을 달리하여 제조하였다.
[실험예 1]
XRD 스펙트라를 이용하여 방사성 탄산염 폐기물 고화체의 XRD 분석을 통한 Si/Al의 비율을 분석하여 도 2에 나타내었다.
[실험예 2]
본 발명의 일 실시예에 따른 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 XRD 패턴 이용하여 분석하고 이를 도 4에 나타내었다.
[실험예 3]
마이크로 CT를 이용하여 방사성 탄산염 폐기물 고화체를 촬영하고 이를 도 5에 나타내었다.
[실험예 4]
본 발명의 일 실시예와 비교예에 대한 압축강도를 분석하고 이를 도 1 및 도 3에 나타내었다.
활성화제 방사성 폐기물 종류 및 적재량
물유리 건식실리카 수산화칼륨 수산화나트륨 탄산염(중량%) 스트론튬(중량%)
실시예 1 O X 10 M 수용액 X 20 X
실시예 2 O X 10 M 수용액 X 40 X
실시예 3 O X 10 M 수용액 X 60 X
실시예 4 O X 10 M 수용액 X 80 X
실시예 5 O X 10 M 수용액 X X 20
실시예 6 O X 10 M 수용액 X X 40
실시예 7 O X 10 M 수용액 X X 60
실시예 8 O X 10 M 수용액 X X 80
실시예 9 O X X 10 M 수용액 20 X
실시예 10 O X X 10 M 수용액 40 X
실시예 11 O X X 10 M 수용액 60 X
실시예 12 O X X 10 M 수용액 80 X
실시예 13 O X X 10 M 수용액 X 20
실시예 14 O X X 10 M 수용액 X 40
실시예 15 O X X 10 M 수용액 X 60
실시예 16 O X X 10 M 수용액 X 80
비교예 1 X O 10 M 수용액 X 20 X
비교예 2 X O 10 M 수용액 X 40 X
비교예 3 X O X 10 M 수용액 X 20
비교예 4 X O X 10 M 수용액 X 40
도 1은 방사성 탄산염 폐기물의 종류와 적재량 및 이에 대한 압축강도를 나타내는 그래프이며, 도 1 (a)는 활성화제로 수산화칼륨을 사용하였고 도 1 (b)는 활성화제로 수산화나트륨을 사용하였다.
도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 고화방법에 사용되는 방사성 탄산염 폐기물은 방사성 탄산염 폐기물의 적재량 및 활성화제의 종류에 상관없이 탄산칼슘이 탄산스트론튬 보다 높은 압축강도를 가짐을 알 수 있다. 즉 본 발명에 따른 실시예 1 내지 8은 실시예 9 내지 16 보다 측정한 모든 적재량에서 보다 높은 압축강도를 가지므로 방사성 탄산염 폐기물 중 특히 탄산칼슘이 적합함을 알 수 있다.
도 2는 활성화제로 수산화칼륨 및 수산화나트륨을 사용하여 지오폴리머 혼합물를 고화시켜 침출되는 규소(Si)와 알루미늄(Al)의 양을 나타낸 것으로, 도 2를 참조하면, 활성화제로 수산화칼륨을 사용한 경우 수산화나트륨을 사용한 경우 보다 규소/알루미늄의 비율이 높아짐을 알 수 있다. 즉 도 2를 통해, 수산화나트륨을 포함하는 활성화제보다, 수산화칼륨을 포함하는 활성화제로 지오폴리머 혼합물를 고화시키는 경우 고화체에 규소가 더 많이 포함되어 방사성 탄산염 폐기물의 담지율이 증대됨을 알 수 있다.
다음 도 3은 건식 실리카와 비교하여 본 발명에 따른 물유리가 포함된 활성화제의 효과를 나타내고 있다. 즉 도 3은 비교예 1 내지 4의 압축 강도를 나타내는데 이를 상술한 도 1의 실시예 1 내지 16과 비교해 보면 물유리를 활성화제로 사용한 고화체 대비 방사성 탄산염 폐기물의 종류에 관계없이 매우 낮은 압축강도를 나타냄을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 방사성 탄산염 폐기물에 포함되는 활성화제는 특히 물유리를 포함하는 것이 효율적임을 알 수 있다.
도 4는 XRD 패턴 분석 결과를 나타내며 구체적으로 도 4 (a)는 메타카올린, 활성화제로 수산화나트륨을 사용한 지오폴리머 혼합물 및 활성화제로 수산화칼륨을 사용한 지오폴리머 혼합물의 패턴 분석 결과이며, 도 4 (b)는 20 중량%의 탄산염을 적재하고 활성화제로 수산화나트륨을 사용한 지오폴리머 혼합물 및 20 중량%의 탄산염을 적재하고 활성화제로 수산화칼륨을 사용한 지오폴리머 혼합물의 패턴 분석 결과를 나타낸다.
도 4 (a)의 XRD 패턴으로부터 메타카올린에서 지오폴리머를 형성하면서, 높은 각도로 피크 시프트가 발생하는 것을 볼 수 있고 이는 활성화제에 의해 메타카올린의 d-spacing이 줄어들었기 때문이다.
도 4 (b) 방사성 탄산염이 적재된 고화체로부터 기존의 무정형과 다르게 적재된 결정성 CaCO3와 SrCO3 고유의 피크가 나타나는 것을 볼 수 있다.
끝으로 도 5는 본 발명에 따른 방사성 탄산염 폐기물 고화체의 마이크로 CT 이미지이며, 고화체의 전체에 심각한 균열은 존재하는 않는 것을 확인함으로써 본 발명에 따른 방사성 탄산염 폐기물 고화체의 안정성을 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. (1) 지오폴리머로서 메타카올린과 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물을 혼합하여 지오폴리머 혼합물을 형성하는 단계;
    (2) 상기 혼합물에 물유리를 포함하는 활성화제를 투입하여 지오폴리머 페이 스트를 형성하는 단계;
    (3) 상기 지오폴리머 페이스트를 고화하는 단계; 를 포함하되,
    상기 (1) 단계의 방사성 탄산염 폐기물은 탄산칼슘이고,
    상기 탄산칼슘의 중량비는 상기 방사성 탄산염 폐기물 100 중량%에 대하여 20 내지 70 중량%이며,
    상기 (2) 단계의 활성화제는 수산화칼륨을 포함하고,
    상기 (2) 단계에서 물유리 및 수산화칼륨을 포함하는 활성화제를 20℃ 내지 30 ℃에서 10시간 이상 반응시킨 후 상기 혼합물에 투입하며,
    하기 A값이 1.5 내지 2.5를 만족하는 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물의 고화방법.

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계에서 활성화제 내부의 물유리의 함량은 활성화제 100 중량%에 대하여 55 ~ 65 중량%인 것을 특징으로 하는 방사성 탄소를 포함하는 방사성 탄산염 폐기물의 고화방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    압축 강도가 3.44 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 방사성 탄산염 폐기물의 고화방법.



  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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