KR102637078B1 - 일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치 - Google Patents

일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치 Download PDF

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KR102637078B1 KR1020230002737A KR20230002737A KR102637078B1 KR 102637078 B1 KR102637078 B1 KR 102637078B1 KR 1020230002737 A KR1020230002737 A KR 1020230002737A KR 20230002737 A KR20230002737 A KR 20230002737A KR 102637078 B1 KR102637078 B1 KR 102637078B1
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    • G21F9/008—Apparatus specially adapted for mixing or disposing radioactively contamined material

Abstract

일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치는, 일측에 배치되는 유입배관, 타측에 배치되는 유출배관, 상기 유입배관 및 상기 유출배관 사이에 순서대로 배치되는 제1 제염필터모듈, 제2 제염필터모듈 및 제3 필터모듈을 포함하는 본체부를 포함하고, 상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈은 각각 제1 입자크기, 제2 입자크기 및 제3 입자크기를 갖는 가루 형태의 일라이트를 포함하여 구성되고, 상기 제1 입자크기는 상기 제2 입자크기보다 크고, 상기 제2 입자크기는 상기 제3 입자크기보다 크게 구성될 수 있다.

Description

일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치{DEVICE FOR DECONTAMINATING RADIOACTIVE CONTAMINATED WATER USING ILLITE}
본 발명은 방사능 오염수 제염 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 일라이트가 포함된 복수의 제염필터모듈을 이용하여 방사능 제염 효율을 극대화시킬 수 있는 일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치에 관한 것이다.
최근 일본의 후쿠시마 원전 사고 등의 사건으로 방사능 물질이 하천이나 바다 등 수자원에 유입되는 경우가 보고되어 있어 위해 요소가 파급되는 것을 방지하기 위한 제염 기술 개발의 필요성이 강조되고 있다.
특히, 세슘과 스트론튬은 원전사고 등의 방사능 누출 시 가장 많은 비중을 차지하며, 약 30년의 긴 반감기를 가지고 있어 인간 및 환경에 치명적인 문제를 초래하는 대표적인 핵종이다.
실제 한국의 해안가의 해수를 채취하여 측정하면 세슘 등의 방사능 물질이 검출되고 있어 해수 또는 해수에 영향을 받은 지하수 등에 의하여 환경 및 인체에 심각한 위협이 되고 있으며 방사능에 오염되어진 해수를 활용하는 산업(해수담수화 , 양식업 , 천일염전 등)의 피해가 심해지고 있는 추세이다. 특히 최근 이웃 국가인 일본에서 잡히는 우럭과 같은 어류는 방사능의 피폭이 매우 심각한 것으로 밝혀져 위험이 현실화되고 있다.
세슘과 스트론튬을 제염하기 위한 침전, 멤브레인 필터, 전기분해, 이온교환법, 화학적제염법 등 다양한 기술이 개발되었지만 고비용이 발생하여 경제적이지 않고, 제염제, 침전제 등의 화학성분에 의한 2차 오염이 발생하여 별도의 처리 공정이 필요한 점에서 한계가 있다.
일라이트는 세슘과 스트론튬 등의 방사능 물질을 흡착할 수 있는 흡착제로서의 특징을 가지는 것으로 알려져 있으며, 저비용 및 친환경적인 특징으로 인해 제염제로서 연구되고 있는 실정이다.
하지만 채굴되는 일라이트 광석을 이용하여 세슘 및 스트론튬을 빠른 시간 내에 제염 성능을 극대화시킬 수 있는 제염 효율 방법 및 장치에 대해서는 아직 개시되지 않았다.
한국등록특허 제10-2219442호(2021.02.18.) 한국등록특허 제10-2018953호(2019.08.30.)
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 일라이트가 포함된 복수의 제염필터모듈을 이용하여 방사능 제염 효율을 극대화시킬 수 있는 일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치는, 일측에 배치되는 유입배관, 타측에 배치되는 유출배관, 상기 유입배관 및 상기 유출배관 사이에 순서대로 배치되는 제1 제염필터모듈, 제2 제염필터모듈 및 제3 필터모듈을 포함하는 본체부를 포함하고, 상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈은 각각 제1 입자크기, 제2 입자크기 및 제3 입자크기를 갖는 가루 형태의 일라이트를 포함하여 구성되고, 상기 제1 입자크기는 상기 제2 입자크기보다 크고, 상기 제2 입자크기는 상기 제3 입자크기보다 크게 구성될 수 있다.
일실시예에서 상기 제1 입자크기는 550~850㎛이고, 상기 제2 입자크기는 195~450㎛이고, 상기 제3 입자크기는 25~100㎛로 선택될 수 있다.
일실시예에서 상기 제3 입자크기는 25~50㎛로 선택될 수 있다.
일실시예에서 상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈은 방사능 오염수 50㎖ 당 1g의 비율로 정격처리용량에 대응되는 양의 일라이트를 포함할 수 있다.
일실시예에서 본 발명의 방사능 오염수 제염 장치는, 상기 유입배관에 설치되는 전자개폐 밸브; 및 상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈 각각이 정력처리용량의 오염수를 10분 동안 제염시키기 위하여 10분 간격으로 상기 전자개폐 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일실시예에서 본 발명의 방사능 오염수 제염 장치는, 상기 유입배관에 설치되는 제1 방사능 측정센서; 상기 유출배관에 설치되는 제2 방사능 측정센서; 및 상기 제1 방사능 측정센서 및 상기 제2 방사능 측정센서에서 측정된 방사능 농도를 출력하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
일실시예에서 본 발명의 방사능 오염수 제염 장치는, 상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈 각각은 방사능 오염수의 통과를 위한 복수의 관통홀이 형성된 한 쌍의 격벽을 포함하여 구성될 수 있다.
일실시예에서 상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈 중 적어도 하나는 상기 한 쌍의 격벽에 부착되는 여과필터를 더 포함하고, 상기 여과필터는 상기 한 쌍의 격벽 사이에 배치된 일라이트가 외부로 통과되지 않도록 구성될 수 있다.
일실시예에서 본 발명의 방사능 오염수 제염 장치는, 상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈 중 적어도 하나를 교반시킬 수 있는 교반장치를 더 포함할 수 있다.
일실시예에서 상기 일라이트는 SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, TiO2, MgO, CaO, Na2O 및 V2O5의 성분을 포함할 수 있다.
본 발명은 방사능 물질 오염수에 최적 비율의 파우더 일라이트를 혼합함으로써 최소의 시간으로 최대의 제염 효율을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명은 파우더형 일라이트의 최적 입자크기 및 반응시간 조건을 제시함으로써 방사능 제염 효율을 극대화시키는 제염 조건을 제시함으로써 일라이트를 이용한 제염 기술의 상용화를 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 일라이트 가루를 포함하는 복수개의 제염필터모듈을 포함하는 방사능 오염수 제염 장치를 통하여 방사능 오염수의 상용화를 가능하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제염 성능 측정 방법의 실험에 사용된 액체 선원 용액의 샘플 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제염 성능 측정 방법의 실험에서 방사능 오염수를 제조하여 교반시키는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제염 성능 측정 방법의 실험에서 이동식 후드를 이용한 기체 방사능 물질 제염 실험 상태를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제염 성능 측정 방법의 실험에서 파우더형 일라이트를 사용한 액체 Cs-137의 제염 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제염 성능 측정 방법의 실험에서 파우더형 일라이트를 사용한 액체 Sr-90의 제염 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 제염 성능 측정 방법을 설명하는 개략 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치의 개략 구성도이다.
도 12는 도 11의 방사능 오염수 제염 장치를 측면에서 바라본 예시 설계 도면이다.
도 13은 도 12의 방사능 오염수 제염 장치를 상부에서 바라본 평면도이며, 도 14는 이의 실제 샘플 사진이다.
도 15는 도 12의 방사능 오염수 제염 장치의 측단면도이며, 도 16은 도 12의 방사능 오염수 제염 장치를 측면에서 바라본 실제 샘플 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
일라이트는 단사정계에 속하는 운모족 광물이며, SiO2, MgO, H2O, K2O 등의 화학성분을 가지고 있는 광물이다. 일라이트는 다양한 성분을 포함하고 있으며, 한국광물자원공사 광물분석팀에서 분석한 일라이트의 주요 성분은 아래 표 1과 같다.
일라이트의 정의는 조금씩 변화하여 왔는데, 1984년 Srodon 과 Ebral은 '4㎛ 이하의 입자크기로서 비팽창성, 이 팔면체이면서 알루미늄이 풍부한 운모같은 광물'을 정의하였는데 이는 현재 가장 일반적으로 통용되고 있는 정의와 부합된다. 현재 널리 쓰이고 있는 일라이트의 정의는 결정화학적 특징을 고려하여 다음과 같이 정의된다.
- 정의: 입자의 크기가 2~4㎛ 이하로서 운모와 비슷하며, 저면간격(d-spacing)은 10Å이고, 화학적으로는 백운모에 비하여 Si4+, Mg2+ 및 H20가 더 풍부하나, 사면체자리의 Al3+과 층간 K+의 함량은 더 낮은 광물
일라이트는 판상 구조로 인해 탄성, 흡착성이 뛰어나며, 중금속 흡착, 원적외선 방사, 항균 등에서 우수한 물성을 보여줌으로 인해 건강, 미용분야, 친환경 건축자재 분야, 친환경 농수축산 분야 등 여러 방면에서 활용되고 있다.
특히 일라이트는 세슘 및 스트론튬 흡착에 매우 효율적인 광물로 알려져 있으며, 저렴한 가격과 친환경적인 장점을 가지고 있다. 하지만, 다양한 분야에서 일라이트가 사용되고 있지만 원자력 분야에서의 방사성 물질의 제염 등에는 거의 활용되지 않고 있는 실정이다.
일라이트는 K+ 이온을 포함하고 있는 정장석의 풍화 또는 변질에 의해 형성되는 광물로서, 판상 구조의 형태로 이루어진 입자를 가지고 있으며, 일라이트에 존재하는 K+ 이온과의 이온교환을 통해 양이온성 방사성 핵종인 세슘 및 스트론튬을 포획하여 흡착하는 특성을 가진다.
세슘과 스트론튬은 약 30년의 긴 반감기를 가지고 있어 누출 시 인간 및 환경에 치명적인 문제를 초래하여 저비용 및 친환경적인 특징을 가지는 일라이트의 활용이 요구되나 방사능 물질에 오염된 오염수를 대량으로 처리할 수 있는 방법이 알려지지 않아 상용화되지 않은 상태이다.
이에 출원인은 한국의 영월지역의 일라이트 Cs-137 및 Sr-90의 제염성능평가를 수행하여, 효율적으로 두 핵종을 제염할 수 있는 조건을 실험을 통해 확립하였다.
한국의 영월지역에서 채굴된 일라이트 광물을 분석하여 얻은 주요 성분은 아래 표 2와 같다.
표 1의 한국광물자원공사 광물분석팀에서 분석한 일라이트의 주요 성분과 비교하여 영월지역의 일라이트는 산화리튬(Li20), 산화바륨(BaO), 오산화인(P2O5), 오산화바나듐(V2O5), 산화 크로뮴(Cr2O3) 및 산화구리(CuO) 등의 성분을 더 포함하고 있으며, 특히 오산화바나듐이 포함된 것이 특징적이다.
이하 영월지역의 일라이트를 이용한 제염 성능 실험을 통한 최적 제염 조건에 대하여 설명하면 아래와 같다.
액체 선원 원액의 준비
방사능 물질이 함유된 오염수를 제조하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 세슘, 스트론튬, 코발트의 액체 선원 원액을 사용하였으며, 액체 선원 원액의 사양 및 제조사는 아래 표 3과 같다.
방사능 오염수(Cs-137, Sr-90, Co-60)의 제조
방사능 물질이 오염된 오염수를 제조하기 위하여 상기 액체 선원 원액과 3차 증류수를 혼합하여 5Bq/mL 농도로 Cs-137, Sr-90 용액을 제조하였으며, 후술할 기체선원 제염 실험은 10Bq/mL 농도로 Cs-137, Co-60 용액을 제조하였다. 그 후, 마그네틱 교반기(magnetic stirrer)를 이용하여 20분간 교반한 뒤, 농도를 측정하고 실험에 사용하였다.
액체 방사능 물질 제염 실험용 파우더형 일라이트의 준비
채굴한 일라이트 광물을 분쇄기를 이용하여 분쇄하여 입자의 크기를 기준으로 작은 입자(Small Particle), 중간 입자(Medium Particle), 큰 입자(Large Particle)로 분류하였다
입도분석기를 사용하여 입자크기의 분석을 수행하였으며, 10회 분석 후 일라이트의 최소 입자크기와 최대 입자크기를 측정하였고 그 측정 결과는 아래의 표 4와 같다.
기체 방사능 물질 제염 실험용 타일형 일라이트의 준비
출원인은 기체 방사능 물질 제염 성능평가를 위한 타일형 일라이트 2종(무약, 유약 처리)을 실험군으로 사용하였고, 대조군은 박스표면과 가정용 타일을 사용하였다.
기체상태의 방사능 물질(Cs-137, Co-60)이 대류현상에 의해 공기 중에서 이동하다 물리적으로 일라이트 표면에 흡착되는 것인지, 일라이트의 특수한 방사능 흡착 특성에 의해 일라이트 표면에 방사능 물질이 흡착되는 것인지를 명확하게 규명하기 위하여 대조군 2종을 사용하였다.
실험에 사용된 일라이트 실험군과 대조군은 아래의 표 5와 같다.
액체 방사능 물질 제염 실험 방법
방사능 오염수의 제염 성능 실험을 위한 실험 방법을 정리하면 아래와 같다.
가. Cs-137 또는 Sr-90을 3차 증류수에 희석하여 특정 농도로 500mL를 제조하고, 교반기를 사용하여 20분간 교반한다.
나. 제염율을 계산하기 위하여 용액의 제염 전 방사능 농도(C0)를 감마핵종분석기로 측정한다.
다. 미세저울을 사용하여 준비된 파우더형 일라이트의 무게를 측정한다.
라. 특정 무게의 파우더형 일라이트를 용액에 투입한다.
마. 특정 시간 제염 반응 후, 원심분리기를 이용하여 고상 부분과 액상 부분으로 분리하고, 액상 부분을 채취하여 여과지에 통과시킨다.
바. 용액의 액상 부분은 감마핵종분석기를 사용하여 제염 후 방사능 농도(C1)를 측정한다. 다만, Sr-90의 경우에는 시료를 채취하여 전베타분석기 LSC(Liquid Scintillation Counter)를 사용하여 분석한다.
사. 하기 수학식 1과 같은 수식으로 제염율을 계산한다.
도 2에는 상기와 같은 방법으로 500mL의 방사능 오염수를 제조하여 교반기를 통하여 교반시키면서 반응시키는 상태가 도시되어 있다.
기체 방사능 물질 제염 실험 방법
비교군 실험을 위한 기도 2에는 상기와 같은 방법으로 500mL의 방사능 오염수를 제조하여 교반기를 통하여 교반시키면서 반응시키는 상태가 도시되어 있다.
기체 방사능 물질 제염 실험 방법
비교군 실험을 위한 기체 방사능 물질 제염 실험 방법을 정리하면 아래와 같다.
가. Cs-137 또는 Co-60을 3차 증류수에 희석하여 10Bq/mL 농도로 300mL를 제조하고, 교반기를 사용하여 20분간 교반한다.
나. 용액의 제염 전 방사능 농도(C0)를 감마핵종분석기로 측정한다.
다. 도 3에 도시된 바와 같이 이동식 후드 내부에 타일형 일라이트, 액체 선원 증발 장치 및 기체 순환용을 위판 팬을 설치한다.
라. 방사능 용액을 기화시키기 위해 온도를 80℃로 가열하여 100rpm으로 48시간 교반한다.
마. 48시간 교반 후, 용액이 완전 기화된 것을 확인한 후, 타일형 일라이트와 대조군의 방사능 농도(C1)를 감마핵종분석기를 이용하여 측정한다.
바. 하기 수학식 2와 같은 수식으로 제염율을 계산한다.
파우더형 일라이트를 사용한 액체 Cs-137 제염 실험 결과
1) 반응시간 에 따른 Cs-137 제염 실험 결과
Cs-137 방사능 물질의 농도가 5Bq/mL인 500mL의 용액을 만들어 25~50㎛ 입자 크기를 갖는 파우더형 일라이트 5g을 투입한 후 반응시간에 따른 제염율을 측정한 결과는 아래 표 6 및 표 7과 도 4와 같다.
실험결과 반응시간이 증가할수록 제염율이 증가하는 경향을 확인하였으며, Cs-137의 제염 반응은 화학적으로 3분 이내의 빠른 속도로 발생하는 것을 확인하였다. 약 3분 반응했을 때, 약 87.38%의 제염율을 확인할 수 있었고, 30분간 반응했을 때, 약 94%의 제염율 최대치를 확인할 수 있었다.
다만, 10분 이후에는 제염율이 미미하게 증가하는 현상을 관찰할 수 있었는데, 구체적으로 10분 이후에는 제염율 증가율이 5%대에서 2%대로 급격하게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 상기 조건으로 제염할 경우 반응시간이 30분 이상일 때 가장 우수한 제염율을 확인할 수 있었지만, 제염 효율성을 기준으로 반응시간 10분 정도가 가장 효율적임을 알 수 있었다.
상기 실험 결과를 정리하면 아래와 같다.
□ 5Bq/mL Cs-137 500mL 용액에 25~50㎛ 입자크기를 갖는 일라이트 5g을 투입하여 제염할 경우
- 30분 반응시 94.00% 제염 가능 (최대 제염율)
- 10분 반응시 92.07% 제염 가능 (효율적 제염이 가능한 반응시간)
2) 입자크기 에 따른 Cs-137 제염 실험 결과
Cs-137 방사능 물질의 농도가 5Bq/mL인 500mL의 용액을 만들어 25~50㎛, 195~450㎛ 및 550~850㎛의 입자 크기를 갖는 파우더형 일라이트 5g을 각각 투입한 후 3분 동안 반응시킨 후 제염율을 측정한 결과는 아래 표 8 및 표 9과 도 5와 같다.
실험결과 입자크기가 작아질수록 제염율도 함께 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 입자크기가 작아지면 반응면적이 증가하여 일라이트의 제염효율이 증가하는 것으로 사료된다.
25~50㎛의 일라이트를 사용했을 때 87.38% 정도의 제염율을 확인할 수 있었으며, 550~850㎛의 일라이트를 사용했을 때 21.04% 정도의 제염율을 확인할 수 있었다. 입자크기가 감소할수록 제염율이 급격히 증가하는 현상을 확인할 수 있었으며, 반응면적이 제염효율에 매우 큰 영향을 미친다는 점을 확인하였다.
따라서 입자크기가 작은 25~50㎛의 일라이트를 사용하는 것이 제염에 효과적인 것을 확인할 수 있었으며 실험 결과를 정리하면 아래와 같다.
□ 5Bq/mL Cs-137 500mL 용액에 일라이트 5g을 투입하여 3분 간 제염할 경우
- 25~50㎛의 입자크기를 갖는 일라이트 사용시 87.38% 제염 가능 (최대 제염율, 최대 효율)
3) 투입량 에 따른 Cs-137 제염 실험 결과
Cs-137 방사능 물질의 농도가 5Bq/mL인 500mL의 용액을 만들어 25~50㎛의 입자 크기를 갖는 파우더형 일라이트 1.25g, 2.5g, 5g 및 10g을 각각 투입한 후 1분 동안 반응시킨 후 제염율을 측정한 결과는 아래 표 10 및 표 11과 도 6과 같다.
실험결과 파우더형 일라이트의 투입량이 증가할수록 제염율도 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 일라이트 10g을 투입했을 때, 약 94.03%의 최대 제염율을 확인할 수 있었다.
다만, 일라이트의 투입량이 증가할수록 일라이트와 하향식 마그네틱 교반기의 마그네틱바와의 간섭이 증가하여 교반이 원활하게 이루어지지 않는 것을 확인하였고, 이 부분은 상향식 임펠러 교반이나 공기교반(Aeration) 방법 등으로 개선이 가능하였다.
입자크기가 작아질수록 제염율도 함께 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 입자크기가 작아지면 반응면적이 증가하여 일라이트의 제염효율이 증가하는 것으로 사료된다.
25~50㎛의 일라이트를 사용했을 때 87.38% 정도의 제염율을 확인할 수 있었으며, 550~850㎛의 일라이트를 사용했을 때 21.04% 정도의 제염율을 확인할 수 있었다. 입자크기가 감소할수록 제염율이 급격히 증가하는 현상을 확인할 수 있었으며, 반응면적이 제염효율에 매우 큰 영향을 미친다는 점을 확인하였다.
따라서 입자크기가 작은 25~50㎛의 일라이트를 사용하는 것이 제염에 효과적인 것을 확인할 수 있었으며 실험 결과를 정리하면 아래와 같다.
□ 5Bq/mL Cs-137 500mL 용액에 25~50㎛의 입자크기를 갖는 일라이트를 투입하여 1분 간 제염할 경우
- 일라이트를 10g 투입, 94.03% 제염 가능 (최대 제염율)
4) Cs-137 제염 실험 요약
일라이트를 이용하여 Cs-137을 제염할 때, 일라이트를 Cs-137 용액에 투입 후, 제염 반응이 빠르게 진행됨을 확인하였다. 일반적인 화학 반응은 10~15분이 소요되지만, 본 실험에서 Cs-137의 제염율은 87.37%이었다. 30분간 반응하였을 때, 94.00%의 최대 제염율을 확인할 수 있었지만, 시간 대비 제염 효율을 고려하였을 때는 10분 이내로 반응시키는 것이 적절하다고 파악되었다.
제염 플랜트를 구축할 때, 10ton 급 이상의 스케일에서는 반응시간은 운전비용에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 이러한 특징으로 인해 파우더형 일라이트가 제염제로서 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 상기 실험에 따른 제염 조건을 정리하면 아래와 같다.
□ 정리
- 반응시간이 증가하면 제염율이 선형적으로 함께 증가하지만, 효율적인 제염이 가능한 반응시간은 10분으로 판단된다.
- 일라이트의 입자는 미세할수록 제염 반응에 효율적이므로, 일라이트의 입자를 가능한 미세하게 투입하는 것이 적절하지만, 제염반응 이후 오염수와 일라이트를 분리할 때 분리의 어려움을 고려하면 25~50㎛ 정도의 입자크기가 적절할 것으로 판단된다.
- 5Bq/mL Cs-137 오염수 50mL 당 일라이트 1g을 투입하는 것이 제염에 효율적임을 알 수 있다.
파우더형 일라이트를 사용한 액체 Sr-90 제염 실험 결과
1) 반응시간 에 따른 Sr-90 제염 실험 결과
Sr-90 방사능 물질의 농도가 5Bq/mL인 500mL의 용액을 만들어 25~50㎛ 및 195~450㎛ 입자 크기를 갖는 파우더형 일라이트 5g을 투입한 후 반응시간에 따른 제염율을 측정한 결과는 아래 표 12 및 표 13과 도 7과 같다.
실험결과 반응시간이 증가할수록 제염율이 증가하는 경향을 보였고, 240분간 반응시 25~50㎛ 일라이트는 약 79.03%, 195~450㎛ 일라이트는 약 39.49%의 최대 제염율을 확인하였다.
본 실험에서 확인할 수 있었던 특이점은 195~450㎛ 일라이트를 사용하여 5분 반응했을 때는 약 1.53%의 제염율을 확인할 수 있었지만, 입자크기가 비교적 작은 25~50㎛ 일라이트를 사용했을 때는 48.21%의 제염율을 확인할 수 있었다. 즉, 5분 이내의 짧은 제염 반응을 시킬 경우에는 입자크기에 따라 제염율은 월등히 차이가 날 수 있다는 특징을 확인하였다.
따라서 5분 이내의 짧은 제염반응이 필요한 경우라면, 입자 크기가 작은 25~50㎛의 일라이트를 사용해야 제염이 가능하다는 점을 확인하였다. 또한, 60분 이후에는 제염율의 증가폭이 미미하여 반응시간은 60분 이내로 설정하는 것이 Sr-90 제염에 효과적임을 확인할 수 있었다.
상기 실험 결과를 정리하면 아래와 같다.
□ 5Bq/mL Sr-90 500mL 용액에 25~50㎛ 입자크기를 갖는 일라이트 5g을 투입하여 제염할 경우
- 240분 반응시 79.03% 제염 가능 (최대 제염율)
- 60분 반응시 76.45% 제염 가능 (효율적 제염이 가능한 반응시간)
2) 입자크기 에 따른 Sr-90 제염 실험 결과
Sr-90 방사능 물질의 농도가 5Bq/mL인 500mL의 용액을 만들어 25~50㎛, 195~450㎛ 및 550~850㎛의 입자 크기를 갖는 파우더형 일라이트 5g을 각각 투입한 후 30분 동안 반응시킨 후 제염율을 측정한 결과는 아래 표 14 및 표 15와 도 8과 같다.
실험결과 입자크기가 작아질수록 제염율도 함께 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 입자크기가 작아지면 반응면적이 증가하여 일라이트의 제염효율이 증가하는 것으로 사료된다.
25~50㎛의 일라이트를 사용했을 때 59.49% 정도의 제염율을 확인할 수 있었으며, 550~850㎛의 일라이트를 사용했을 때 20.14% 정도의 제염율을 확인할 수 있었으며, Cs-137을 제염했을 때와 같이 입자크기가 감소할수록 제염율이 급격히 증가하는 현상을 확인할 수 있었다.
특히 25~50㎛의 일라이트를 사용했을 때는 195~450㎛의 일라이트를 사용했을 때보다 제염율이 94% 정도 증가함을 확인할 수 있었으며, 반응면적이 제염효율에 매우 큰 영향을 미친다는 점을 확인하였다. 따라서 입자크기가 작은 일라이트를 사용하는 것이 제염에 효과적인 점을 확인하였다.
□ 5Bq/mL Sr-90 500mL 용액에 일라이트 5g을 투입하여 30분 간 제염할 경우
- 25~50㎛의 입자크기를 갖는 일라이트 사용시 59.49% 제염 가능 (최대 제염율, 최대 효율)
3) 투입량 에 따른 Sr-90 제염 실험 결과
Sr-90 방사능 물질의 농도가 5Bq/mL인 500mL의 용액을 만들어 25~50㎛ 및 195~450㎛의 입자 크기를 갖는 파우더형 일라이트 5g, 10g 및 20g을 각각 투입한 후 30분 동안 반응시킨 후 제염율을 측정한 결과는 아래 표 16 및 표 17과 도 9와 같다.
실험결과 파우더형 일라이트의 투입량이 증가할수록 제염율도 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 일라이트 20g을 투입했을 때, 약 84.26%의 최대 제염율을 확인할 수 있었다.
한편, 제염율 증가율 측면에서 일라이트를 10g 투입하였을 때, 최대 제염율 증가율을 확인할 수 있었는데, 일라이트를 10g 투입하였을 때 가장 효율적인 제염이 가능하다는 점을 알 수 있었다.
다만, 일라이트를 10g 이상 투입하면 하향식 마그네틱 교반이 원활히 이루어지지 않는 현상을 확인하였고, 본 현상은 상향식 교반을 사용하여 해결할 수 있었다.
실험 결과를 정리하면 아래와 같다.
□ 5Bq/mL Sr-90 500mL 용액에 일라이트를 투입하여 30분 간 제염할 경우
- 25~50㎛ 일라이트를 20g 투입시 84.26% 제염 가능 (최대 제염율)
- 25~50㎛ 일라이트를 10g 투입시 78.53% 제염 가능 (최대 효율)
- 일라이트 투입량이 10g 이상 시, 상향식 교반 또는 공기교반(Aeration) 필요
4) Sr-90 제염 실험 요약
일라이트를 이용하여 Sr-90을 제염할 때, Cs-137을 제염할 때보다 반응이 느리게 진행됨을 알 수 있었다. Cs-137은 10분 이내로 92%의 제염 반응이 이루어졌지만, Sr-90은 60분 정도 제염 반응이 이루어져야 Sr-90이 약 76% 제염됨을 확인할 수 있었다. 이는 Cs-137과 Sr-90의 제염 메커니즘이 달라 반응속도의 차이가 발생함에 기인한 것으로 보인다.
Cs-137 제염 결과와 마찬가지로 일라이트의 입자 크기가 작아질수록 제염율이 대폭 상승하는 것을 보아 입자 크기가 작을수록 제염반응에 월등히 유리하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 일라이트를 10g 투입하였을 때, 효율적인 제염이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
상기 실험 결과에 비추어 일라이트는 감마핵종(Cs-137) 및 베타핵종(Sr-90) 모두에 우수한 제염 효과를 가지는 것으로 판단된다. 일반적인 제염제는 종류에 따라 감마핵종에만 효과를 보이거나, 베타핵종에만 효과를 보여 오염수내 감마핵종, 베타핵종이 혼합되어 있을 경우 각각의 제염제를 투입해줘야 하는데, 일라이트는 두 핵종에 모두 효과를 가지므로 일라이트만 투입하면 동시에 제염이 가능하여 큰 장점을 가지는 것으로 판단된다. 상기 실험에 따른 제염 조건을 정리하면 아래와 같다.
□ 정리
- 반응시간이 증가하면 제염율이 선형적으로 함께 증가하지만, 효율적인 제염이 가능한 반응시간은 60분으로 판단된다.
- 일라이트를 사용하여 Cs-137을 제염할 때 보다 Sr-90을 제염할 때 더 많은 반응시간이 소요된다.
- 일라이트의 입자는 미세할수록 제염 반응에 효율적이므로, 일라이트의 입자를 가능한 미세하게 투입하는 것이 적절하지만, 제염반응 이후 오염수와 일라이트를 분리할 때 분리의 어려움을 고려하면 25~50㎛ 정도의 입자크기가 적절할 것으로 판단된다.
- 5Bq/mL Sr-90 오염수 50mL 당 일라이트 1g을 투입하는 것이 제염에 효율적임을 알 수 있다.
타일형 일라이트를 사용한 기체 Cs-137, Co-60 제염 실험 결과
기체 Cs-137 및 Co-60의 제염 실험 조건은 아래 표 18과 같다.
본 실험은 액체 상태의 10Bq/mL Cs-137을 80℃로 48시간 가열하여 액체 Cs-137을 100% 증발시켜 기체화하는 방식으로 아래와 같이 3회씩 수행하였다.
- 이동식 흄후드의 모든 흡입구 및 배출구를 완전 차단하여 수행
- 흡입구와 배출구에 Fan을 설치하여 Cs-137 기체를 외부의 공기와 순환시키면서 수행
상기 실험 조건에 따른 실험 결과는 아래의 표 19와 같다.
2가지 실험에서 제염 전 CPS 계측치와 48시간 반응 이후 CPS 계측치의 차이가 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 타일형 일라이트 표면에 기체 Cs-137이 흡착하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
한편 기체 Co-60 제염 실험을 수행하기 전에 일라이트의 액체 상태의 Co-60 제염 성능을 확인하기 위하여 기초 실험을 수행하였다. 5Bq/mL Co-60 500mL를 사용하였으며, 일라이트는 25~50㎛를 사용하였다. 반응시간은 3분으로 설정하여 실험을 수행하였고, 상기 조건에서 Co-60을 90% 정도 제염이 가능하였다.
그 후에 기체 Co-60 제염 실험을 수행하였고 그 결과는 아래 표 20과 같다.
기체 Cs-137 제염 실험과 동일한 조건으로 10Bq/mL Co-60을 80℃로 48시간 가열하여 액체 Co-60을 100% 증발시켜 기체화하는 방식으로 수행하였는데, Cs-137 실험과 동일하게 타일형 일라이트는 기체상태의 Co-60 흡착에 효과가 없다는 것을 확인할 수 있었다.
실험 결과 정리
상기 실험을 통해 파우더형 일라이트를 사용하여 Cs-137을 제염할 경우, 10분 이내에 제염반응이 빠르게 진행됨을 확인하였다. Cs-137은 일라이트와 10분 정도의 반응으로 약 92.07%가 제염됨을 확인하였는데, 화학적으로 일라이트 내에 함유되어 있는 포타슘이온(K+)과 세슘이온(Cs+)의 이온 교환반응이 포타슘이온과 스트론튬이온의 이온교환반응에 비하여 강하게 이루어지는 것으로 사료된다.
한편 Sr-90을 제염할 경우, 60분까지 제염율이 꾸준하게 증가하다가 60분 이후에 제염율 증가율이 감소하는 경향을 보여, Sr-90의 효율적인 제염시간은 60분 정도가 적절함을 확인하였다.
또한, Cs-137 및 Sr-90 두 성분을 제염할 때 공통적으로 일라이트의 입자크기가 미세할수록 제염율 증가율이 큰 폭으로 증가하는 것으로 보아 입자크기가 미세할수록 제염에 효율적이라는 것을 확인하였다. 다만, 제염반응 이후 오염수와 일라이트를 분리할 때 분리의 어려움을 고려하면 25~50㎛ 정도의 입자크기가 적절할 것으로 판단된다.
5Bq/mL 농도의 Cs-137 및 Sr-90의 500mL 방사능 액체를 제염할 경우, 일라이트의 투입량은 5~10g 정도가 가장 효율적임을 확인하였고, 투입량이 10g 이상인 경우에는 제염율 증가폭이 감소하여 제염반응이 비효율적으로 이루어짐을 확인하였다.
본 실험을 통하여 얻은 Cs-137 및 Sr-90의 최적 효율을 갖는 제염 조건은 아래 표 21과 같다.
추가적으로 타일형 일라이트의 기체 방사성 물질 제염 성능을 확인하기 위해서 액체 상태의 10Bq/mL Cs-137 및 10Bq/mL Co-60을 80℃로 48시간 가열하여 100% 증발시켜 기체화하는 방식으로 실험을 수행하였다. 실험 변수는 Fan 작동 여부로 설정하였으며, 실험군은 타일형 일라이트(무약, 유약)을 사용하였고, 대조군으로 박스포면과 가정용 타일을 사용하였다.
실험 결과 제염 실험 시작 전 실험군 및 대조군의 방사능 측정수치와 48시간 실험 후, 실험군 및 대조군의 방사능 측정 수치를 비교하는 방식으로 결과를 도출하였다. 실험 전, 후의 실험군 및 대조군의 방사능 수치를 비교하였을 때, 방사능 수치의 변화가 없는 것으로 확인하였고, 따라서 본 실험 조건하에서 타일형 일라이트는 기체 방사능 흡착 효과가 없다고 판단되었다.
상기 실험 결과 및 결론을 참고하여 파우더형 일라이트를 이용한 세슘 및 스트론튬의 방사능 물질의 제염 성능 측정 방법을 도 10과 같이 정립하였다.
본 발명의 방사능 오염수 제염 성능 측정 방법은 먼저 방사능 물질이 포함된 오염수를 준비한다(S110).
다음 감마핵종분석기 등 분석기를 이용하여 제염 전 오염수의 핵종 및 그의 방사능 농도를 측정한다(S120).
한편 일라이트 광석을 분쇄하여 파우더형 일라이트를 준비한다(S130). 이때, 파우더형 일라이트의 입자 크기는 세슘 및 스트론튬 모두에 높은 제염 효과를 가지도록 25~50㎛가 되는 것이 바람직하다.
다음 파우더형 일라이트를 오염수 50mL 당 1g의 비율로 오염수에 투입시킨다(S140). 파우더형 일라이트를 1g/50mL의 비율로 투입하는 것은 상기 실험을 통하여 상기 비율로 투입하는 것이 최적의 제염 효율을 보였기 때문이다.
오염수에 파우더형 일라이트가 투입되면 마그네틱 교반기 등의 교반기를 이용하여 오염수를 미리 설정된 반응시간 동안 교반시킨다(S150).
반응이 끝나면 원심분리기 등을 이용하여 오염수를 고상 부분과 액상 부분으로 분리하고(S160), 액상 부분을 여과지 등의 여과 필터에 통과시킨다(S170).
이후 분석기를 이용하여 제염 후 오염수의 핵종 및 방사능 농도를 측정한다(S180).
마지막으로 상기 수학식 1을 이용하여 핵종별 제염율을 계산한다(S190).
본 발명의 일실시예에 따른 방사능 오염수 제염 방법은 상기 제염 성능 측정 방법에 기초하여 수행될 수 있다. 도 10의 단계 중 S110, S130, S140 및 단계 150을 기본적으로 포함하여 제염을 수행할 수 있다.
이때, 일실시예에 따라 단계 S120이 부가될 수 있으며, 방사능분석기를 이용하여 방사능 농도를 측정한 결과 스트론튬의 방사능 농도가 기준치 이상인 경우에는 스트론튬의 최적 제염 조건을 반영하여 미리 설정된 반응 시간을 60분으로 설정하여 반응을 수행하고, 그 외의 경우 즉, 스트론튬의 방사능 농도가 기준치 미만인 경우에는 세슘의 최적 제염 조건을 반영하여 미리 설정된 반응시간을 10분으로 설정할 수 있다.
이렇게 하는 경우 오염수의 핵종에 따라서 최적의 제염 반응 시간을 취하도록 함으로써 제염을 보다 빠른 시간 동안 수행할 수 있다.
물론, 제염의 목적에 따라서 세슘을 중심으로 제염을 하고자 하는 경우 미리 설정된 시간을 10분으로 설정하거나, 스트론튬까지 제염을 하고자 하는 경우에는 미리 설정된 시간을 60분으로 설정하는 것도 가능하다.
상기 본 발명의 방사능 오염수 제염 방법 및 제염 성능 측정 방법에 의하여 세슘 및 스트론튬에 대하여 60분 이내의 빠른 시간 내에 최적의 제염 효율을 달성할 수 있어 대량의 방사능 오염수에 대하여 처리가 가능한 효과를 가진다.
본 발명의 제염 효과는 오염수에 대한 최적의 일라이트의 투입 비율 및 일라이트의 입자 크기가 그 중요한 요인 중 하나로 파악된다.
또한, 본 발명 제염 조건 실험에 사용된 일라이트는 영월지역의 일라이트를 사용하여 수행되었으며, 해당 일라이트는 V205, Li20, BaO, P205의 구성을 더 포함하여 구성되어 이러한 성분도 제염 효과의 향상에 기여한 것으로 판단되었다.
상기와 같이 본 발명은 파우더형 일라이트를 이용하여 세슘 및 스트론튬이 포함된 하천, 지하수 등의 오염수를 대량으로 빠른 시간 내에 친환경적으로 처리할 수 있는 현저한 효과를 가진다.
출원인은 상기와 같은 일라이트를 이용한 최적 제염 조건에 기초하여 일라이트를 포함한 제염필터모듈을 복수 개 포함하는 방사능 오염수 제염 장치를 발명하였으며, 이에 대하여 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치의 개략 구성도이다.
도 11을 참조하면 본 발명의 방사능 오염수 제염 장치(100, 이하 '제염 장치'로 약칭함)는 오염수 탱크(50) 및 정수 탱크(70)와 연결되며, 유입배관(160), 유출배관(108), 본체부(102), 전자개폐 밸브(112), 제1 방사능 측정센서(114), 제어부(111), 교반장치(113), 표시부(115) 및 제2 방사능 측정센서(116)를 포함하여 구성된다.
오염수 탱크(50)는 방사능 물질에 오염된 오염수를 수집하여 저장하는 역할을 한다. 방사능 오염수는 바다의 해수, 지하수, 하천수 등일 수 있으며, 펌프 등의 장치에 의하여 방사능 오염수는 오염수 탱크(50)에 수집될 수 있다.
오염수 탱크(50)에 수집된 방사능 오염수는 유입배관(160)을 통하여 제염 장치(100)의 본체부(102)에 공급될 수 있으며, 본체부(102)에서 제염 처리된 정수는 정수 탱크(70)로 공급된다.
정수 탱크(70)는 제염 처리된 정수를 공급 받아 보관하는 역할을 하며, 외부 필요한 공급처로 정수를 공급한다.
유입배관(160)에는 전자개폐 밸브(112) 및 제1 방사능 측정센서(114)가 설치된다.
전자개폐 밸브(112)는 후술할 제어부(111)의 제어 명령에 따라서 전자적으로 밸브의 개폐 및 유량을 조정하는 역할을 한다.
이때, 전자개폐 밸브(112)는 유량계 및 온도계의 역할을 동시에 수행할 수 있도록 유량 센서 및 온도 센서가 일체형으로 구성될 수 있다. 물론, 유량계 및 온도계가 별도의 구성으로 설치되는 것도 가능하다.
교반장치(113)는 본체부(102)에 포함된 후술할 제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160)의 적어도 하나에 대하여 제염 반응을 용이하게 하도록 교반시키는 장치로 마그네틱 교반기, 에어를 통한 공기교반 등의 장치일 수 있다.
교반장치(113)는 제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160) 모두를 교반시키도록 구성될 수도 있지만, 입자의 크기가 가장 미세한 제3 제염필터모듈(160)은 교반시키고 나머지는 교반시키지 않는 방식 등 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
제1 방사능 측정센서(114)는 유입배관(106)에 유입되는 방사능 오염수에 포함된 세슘, 스트론튬 등의 방사능 물질의 농도를 측정하는 역할을 하며, 제2 방사능 측정센서(116)는 유출배관(108)으로 유출되는 제염된 정수에 포함된 세슘, 스트론튬 등의 방사능 물질의 농도를 측정하는 역할을 한다.
표시부(115)는 제염 장치(100)의 동작 상태와 관련된 정보를 LED 등의 디스플레이장치를 통하여 출력하는 장치를 의미하며, 전자개폐 밸브(112)의 동작상태, 제1 방사능 측정센서(114) 및 제2 방사능 측정센서(116)에서 측정된 방사능 농도 및 교반장치(113)의 교반 동작상태 등의 정보를 출력할 수 있다.
제어부(111)는 전자개폐 밸브(112), 제1 방사능 측정센서(114), 교반장치(113), 표시부(115) 및 제2 방사능 측정센서(116)에서 데이터를 수집하여 필요한 장치의 동작을 제어하는 역할을 한다.
도 12는 도 11의 방사능 오염수 제염 장치를 측면에서 바라본 예시 설계 도면이다.
도 11과 비교하여 도 12에는 글로브밸브와 같은 제1 수동밸브(110) 및 제2 수동밸브(118)가 추가되었으며 나머지 구성은 같다.
제1 수동밸브(110) 및 제2 수동밸브(118)는 관리자가 수동으로 유입배관(106) 또는 유출배관(108)으로 이동되는 오염수의 개폐 및 유량을 조절하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 제염 장치(100)는 도 12에 도시된 바와 같이 구성될 수 있으며, 컨테이너(102a) 및 커버플레이트(102b)로 구성된 본체부(102)에서 방사능 물질의 제염이 이루어진다.
본 발명의 특징은 본체부(102)에서 일라이트 가루가 포함된 복수의 제염필터모듈을 이용하여 방사능 제염 반응을 하는 것에 있으며 이는 이하 도 13 내지 도 16을 참고하여 후술한다.
도 13은 도 12의 방사능 오염수 제염 장치를 상부에서 바라본 평면도이며, 도 14는 이의 실제 샘플 사진이다. 또한, 도 15는 도 12의 방사능 오염수 제염 장치의 측단면도이며, 도 16은 도 12의 방사능 오염수 제염 장치를 측면에서 바라본 실제 샘플 사진이다.
도 13 내지 도 16의 제염 장치(100)는 도 12와 비교하여 편의상 전자개폐 밸브(112), 제1 방사능 측정센서(114) 및 제2 방사능 측정센서(115)의 도시는 생략하였다.
본체부(102)는 내부에 수용공간을 가지는 상부가 개방된 컨테이너(102a)와 컨테이너(102a)의 상부에 결합되는 커버플레이트(102b)를 포함하여 구성된다.
컨테이너(102a)의 일측에는 유입배관(106)이 연결되고, 유입배관(106)에는 제1 수동밸브(110)가 설치된다.
컨테이너(102a)의 타측에는 유출배관(108)이 연결되고, 유출배관(108)에는 제2 수동밸브(118)가 설치된다.
컨테이너(102a)의 내부 수용공간에는 내부에 분쇄된 일라이트 가루가 충진되는 제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160)이 순서대로 배치된다.
구체적으로 제1 제염필터모듈(120)은 유입배관(160)에 인접하여 배치되고, 제3 제염필터모듈(160)은 유출배관(108)에 인접하여 배치되고, 제2 제염필터모듈(140)은 제1 제염필터모듈(120) 및 제3 제염필터모듈(160)의 사이에 배치된다.
제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160) 각각은 전후로 일정 내부 공간을 가지도록 이격되어 배치된다.
제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160)은 각각 제1 입자크기, 제2 입자크기 및 제3 입자크기를 갖는 가루 형태의 일라이가 내부에 충진되고, 제1 입자크기는 제2 입자크기보다 크고, 제2 입자크기는 제3 입자크기보다 크게 설정된다.
상기 본 발명의 최적의 제염 실험 조건에 기초하여 제1 입자크기는 550~850㎛이고, 상기 제2 입자크기는 195~450㎛이고, 상기 제3 입자크기는 25~100㎛로 선택될 수 있다.
이때, 제3 입자크기는 상기 최적 실험조건의 범위보다 약간 더 넓은 25~100㎛로 설정한 것은 제1 제염필터모듈(120) 및 제2 제염필터모듈(140)이 포함되었기 때문에 제3 입자크기가 더 큰 경우에도 제염 성능이 확보되는 것을 실험으로 확인하였기 때문이다.
하지만, 최고의 제염 효율을 달성하기 위하여 제3 입자크기를 25~50㎛로 설정하는 것도 가능하다.
제1 제염필터모듈(120)은 한 쌍의 제1 격벽(121, 123)을 포함하여 구성되고, 한 쌍의 격벽(121, 123)에는 오염수 통과를 위한 제1 관통홀(121a, 123a)이 형성된다.
마찬가지로, 제2 제염필터모듈(140)은 한 쌍의 제2 격벽(141, 143)을 포함하여 구성되고, 한 쌍의 격벽(141, 143)에는 오염수 통과를 위한 제2 관통홀(141a, 143a)이 형성되고, 제3 제염필터모듈(160)은 한 쌍의 제3 격벽(161, 163)을 포함하여 구성되고, 한 쌍의 격벽(161, 163)에는 오염수 통과를 위한 제3 관통홀(161a, 163a)이 형성된다.
제1 관통홀(121a, 123a), 제2 관통홀(141a, 143a) 및 제3 관통홀(161a, 163a)의 크기는 내부에 충진된 일라이트 가루의 입자크기와 대비하여 작거나 혹은 크게 구성될 수 있다.
만약, 제1 관통홀(121a, 123a), 제2 관통홀(141a, 143a) 및 제3 관통홀(161a, 163a)의 크기가 일라이트 가루의 입자크기보다 작게 형성되는 경우에는 내부의 일라이트 가루가 외부로 유출되지 않으므로 별도의 여과지 필터 등의 구성이 불필요하다.
한편, 제1 관통홀(121a, 123a), 제2 관통홀(141a, 143a) 및 제3 관통홀(161a, 163a)의 크기가 일라이트 가루의 입자크기와 같거나 크게 형성되는 경우에는 내부의 일라이트 가루가 외부로 유출될 수 있으므로 별도의 여과지 필터 등의 구성이 필요하다.
도 13 내지 도 16에는 제1 관통홀(121a, 123a) 및 제2 관통홀(141a, 143a)의 크기는 일라이트의 입자크기보다 작게 형성되고, 제3 관통홀(161a, 163a)의 크기는 일라이트의 입자크기보다 같거나 크게 형성되어 제3 여과필터(165, 167)가 설치된 실시예가 도시되어 있다.
즉, 제3 제염필터모듈(160)에 충진된 일라이트 가루는 입자크기가 25~100㎛로 매우 미세하기 때문에 일정한 유량 및 유속을 확보하기 때문에 제3 관통홀(161a, 163a)의 크기를 이보다 더 크게 설정하고, 일라이트 분말의 외부 유출은 제3 여과필터(161a, 163a)가 막을 수 있다.
도면에는 제3 여과필터(161a, 163a)가 제3 격벽(161, 163)의 외벽에 부착되어 있는 것이 도시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 내벽에 부착되는 등의 다른 실시예도 가능하다.
이때, 제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160)에 포함되는 일라이트의 양은 방사능 오염수 50㎖ 당 1g의 비율로 정격처리용량에 대응되는 양으로 설정될 수 있다.
예를 들어, 제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160)의 정격처리용량이 2L인 경우라면 2000㎖/50㎖=40 이므로 이 경우 제3 제염필터모듈(160)에는 40g의 일라이트 분말이 포함될 수 있다.
위에서 제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160)에 포함되는 일라이트의 양이 모두 방사능 오염수 50㎖ 당 1g의 비율로 정격처리용량에 대응되는 양으로 설정되는 것을 설명하였지만, 상기 실험 조건에 의하여 제3 제염필터모듈(160)의 경우에는 이와 같이 설정하되, 제1 제염필터모듈(120) 및 제2 제염필터모듈(140)은 해당 비율을 적용하지 않고 이보다 더 많은 양의 일라이트를 넣는 것도 가능하다.
예를 들어, 제2 제염필터모듈(140)에 포함된 일라이트 가루의 양은 제3 제염필터모듈(160)에 포함된 일라이트 가루의 양보다 더 많게 설정하고, 제1 제염필터모듈(120)에 포함된 일라이트 가루의 양은 제2 제염필터모듈(140)에 포함된 일라이트 가루의 양보다 더 많게 설정할 수 있다.
제어부(111)는 제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160) 각각이 정격처리용량의 오염수를 10분 동안 제염시키기 위하여 10분 간격으로 전자개폐 밸브(112)의 개폐를 제어할 수 있다.
또한, 제어부(111)는 제염 반응을 더 효과적으로 이루어지게 하기 위해 교반장치(113)를 통하여 제1 제염필터모듈(120), 제2 제염필터모듈(140) 및 제3 제염필터모듈(160) 중 적어도 하나에 포함된 내부의 오염수를 교반시킬 수 있으며, 제염 반응 중 제1 방사능 측정센서(114) 및 제2 방사능 측정센서(116)에서 측정된 방사능 농도를 표시부(155)를 통하여 출력할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 방사능 오염수 제염 장치(100)는 각각 다른 입자크기를 갖는 일라이트 가루가 충진된 제염필터모듈을 통하여 빠른 반응 시간에 최적의 제염 효과를 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명의 방사능 오염수 제염 장치(100)를 병렬로 복수 개를 연결하는 경우 대용량의 방사능 오염수를 빠른 시간 내에 제염 처리할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
50: 오염수 탱크 70: 정수 탱크
100: 방사능 오염수 제염 장치 102: 본체부
102a: 컨테이너 102b: 커버플레이트
106: 유입배관 108: 유출배관
110: 제1 수동밸브 111: 제어부
112: 전자개폐 밸브 113: 교반장치
114: 제1 방사능 측정센서 115: 표시부
116: 제2 방사능 측정센서 118: 제2 수동밸브
120: 제1 제염필터모듈 121, 123: 제1 격벽
121a, 123a: 제1 관통홀 140: 제2 제염필터모듈
141, 143: 제2 격벽 141a, 143a: 제2 관통홀
160: 제3 제염필터모듈 161, 163: 제3 격벽
161a, 163a: 제3 관통홀 165, 167: 제3 여과필터

Claims (10)

  1. 일측에 배치되는 유입배관, 타측에 배치되는 유출배관, 상기 유입배관 및 상기 유출배관 사이에 순서대로 배치되는 제1 제염필터모듈, 제2 제염필터모듈 및 제3 제염필터모듈을 포함하는 본체부;
    상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈 중 적어도 하나를 교반시킬 수 있는 교반장치;
    상기 유입배관에 설치되는 전자개폐 밸브; 및
    상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈 각각이 정력처리용량의 오염수를 10분 동안 제염시키기 위하여 10분 간격으로 상기 전자개폐 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈은 각각 제1 입자크기, 제2 입자크기 및 제3 입자크기를 갖는 가루 형태의 일라이트를 포함하여 구성되고,
    상기 일라이트는 SiO2, Al2O3, Fe2O3, K2O, TiO2, MgO, CaO, Na2O, Li2O, BaO, P2O5 및 V2O5의 성분을 포함하고,
    상기 제1 입자크기는 550~850㎛이고, 상기 제2 입자크기는 195~450㎛이고, 상기 제3 입자크기는 25~50㎛이고,
    상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈 각각은 방사능 오염수의 통과를 위한 복수의 관통홀이 형성된 한 쌍의 격벽을 포함하여 구성되고,
    상기 제3 제염필터모듈은 상기 한 쌍의 격벽 사이에 배치된 일라이트가 외부로 통과되지 않도록 상기 한 쌍의 격벽에 부착되는 여과필터를 더 포함하고,
    상기 제1 제염필터모듈, 상기 제2 제염필터모듈 및 상기 제3 제염필터모듈은 방사능 오염수 50㎖ 당 1g의 비율의 정격처리용량에 대응되는 양의 일라이트를 포함하고,
    상기 제3제염필터모듈은 반응시간 1분 경과 후 세슘 제염율이 94.03%에 도달하는(상기 제3제염필터모듈의 초기 세슘 농도 5Bq/mL 기준) 것을 특징으로 하는 일라이트를 이용한 방사능 오염수 제염 장치.
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  6. 제1항에 있어서,
    상기 유입배관에 설치되는 제1 방사능 측정센서;
    상기 유출배관에 설치되는 제2 방사능 측정센서; 및
    상기 제1 방사능 측정센서 및 상기 제2 방사능 측정센서에서 측정된 방사능 농도를 출력하는 표시부를 더 포함하는 방사능 오염수 제염 장치.
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