KR20020066775A

KR20020066775A - 원자로 1차 냉각수로부터 전기탈이온 공정에 의한금속이온의 제거방법과 붕소의 회수방법

Info

Publication number: KR20020066775A
Application number: KR1020010007122A
Authority: KR
Inventors: 문승현; 연경호
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2002-08-21
Also published as: KR100423749B1

Abstract

본 발명은 원자로 1차 냉각수로부터 전기탈이온(Electrodeionization, EDI) 공정에 의한 금속이온의 제거방법 및 붕소의 회수방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기탈이온 공정을 이용하여 원자로 1차 냉각수 내의 금속이온을 제거하는데 있어서, 수산화착물의 침전을 방지하기 위하여 이온교환물질의 충전순서 및 전기탈이온 스택(stack) 구성을 조절함으로써, 종래 이온교환수지만을 사용하는 방법과 달리 폐이온교환수지 발생 문제가 근본적으로 해결되고, 종래 초순수 제조분야에 국한되어 사용되어온 전기탈이온 공정과 달리, 금속이온이 수산화이온과 반응하여 착물을 형성하지 않으므로 착물 침전에 의한 장치의 급속한 성능저하를 방지할 수 있어, 정화효율을 극대화하고 제거효율의 신뢰성을 확보할 수 있는 방법에 관한 것이다. 그리고, 상기 공정에서 수득된 농축액 중 반응도 제어재인 붕소를 회수하기 위하여 전기투석과 전기탈이온 공정을 거치며, 전기탈이온 공정에서는 물분해 억제망을 필요한 위치에 충전함으로써, 붕소와 같은 약이온종을 고효율로 회수할 수 있어 폐기물발생과 운영비용을 저감시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

원자로 1차 냉각수로부터 전기탈이온 공정에 의한 금속이온의 제거방법과 붕소의 회수방법{Removal of metal ions and recovery of boron using electrodeionization process in the primary cooling water of nuclear power plant}

기존의 경수로형 원자력 발전소에서는 1차 계통 냉각수 정화를 위해 이온교환수지를 가장 많이 이용하고 있다. 이온교환수지법은 시설비가 낮고 제염효과가 우수하며 운전비용이 저렴하다는 장점이 있다. 현재 사용된 이온교환수지의 처리는 감용처리기술이 확립되어 있지 않기 때문에, 대부분 원자력 발전소 내에 장기간 저장하거나 시멘트로 고화시켜 처리해 오고 있다. 폐수지를 시멘트와 같은 고화재를 써서 고화시키는 경우에, 방사능 피폭의 위험이 원전 작업자에게 항상 노출되어 있고, 폐수지의 방사능은 고화 자체의 기술적인 문제와 함께 고화된 폐기물의 취급과 저장공간의 확보에도 어려움이 있으며, 팽윤성, 부피 감용의 한계 및 금속성분의 침출 가능성이 높다.

전기탈이온 공정은 전기투석 장치의 탈염실에 이온교환물질(이온교환수지 또는 이온교환섬유 등)을 충전한 혼합공정으로서, 이온교환수지 공정의 장점인 높은 제염효과와, 전기투석의 장점인 폐수의 농축으로 폐수처리에 대한 환경부담을 줄이는 효과를 동시에 가진다. 또한, 전기탈이온 장치에 사용된 이온교환물질은 이온 전달매개체로만 작용하기 때문에 교체 없이 연속적으로 사용할 수 있어, 폐이온교환수지의 발생문제를 근본적으로 해결할 수 있다.

전기탈이온 장치는 1987년 밀리포어사(Milipore Co.)에 의해 처음으로 상업화된 이래 초순수 제조분야에만 적용되어 왔고, 미국 남부 캘리포니아 에디슨 발전소에 적용된 유에스 필터(U.S Filter)의 전기탈이온 시스템도 순수(Make up Water)처리에만 적용되었다.

1차 냉각수와 같이 금속이온들이 포함된 유입수의 경우, 기존의 상업화된 전기탈이온 장치를 적용하면, 스택 내에서 물의 전리로 발생한 수산화이온과 금속이온들이 반응하여 수산화착물이 형성된다. 이러한 침전물은 전기저항을 증가시키고 분극을 형성하게 된다. 따라서, 기존의 양이온교환수지와 음이온교환수지를 섞은 혼합이온교환수지를 충전한 전기탈이온 장치로는 1차 냉각수와 같이 금속이온들이 포함된 유입수를 지속적으로 처리할 수 없다. 이와 같은 이유로 원자로 1차 냉각수 정화에 전기탈이온 공정을 적용한 예는 전무하다.

한편, 붕소는 반응도 제어제로서 노심 초기에는 1200 ppm으로 매우 높은 농도로 운전하며 원자로의 활성이 약해지는 노심 말기에는 30 ppm 이하로 운전되고 있다. 현재, 1차 냉각수에서 붕소의 제거를 위해 사용되는 장치는 수산화이온 형태로 충전된 음이온 교환수지가 사용되고 있다. 붕소 회수공정은 사용되지 않고 있으나 다음과 같은 회수 공정이 고려되고 있다. 노심 말기에 붕소 제거를 위해 수산화이온과 치환되어 붕소화된 음이온 교환수지를 노심 초기에 다시 사용하는 방법이다. 그러나, 이온교환수지의 선택성으로 인해 노심 말기에 붕소만이 충전된 음이온 교환수지를 얻기는 힘들다. 다른 방사화된 금속 이온들이 함께 충전되기 때문에 이러한 방법이 사용되기 위해서는 이온교환수지의 붕소 선택성을 높이는 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.

이에, 본 발명자들은 종래의 원자로 1차 냉각수의 정화에 이용되어진 이온교환수지법의 단점을 개선하기 위하여 기존의 전기탈이온 장치에서 이온교환물질의 충전방법을 변화시킴으로써, 안정적으로 1차 냉각수를 정화하고 폐수처리에 대한 환경부담을 줄일 수 있음을 알아내었다. 또한, 전기탈이온 농축수 중 포함된 붕산을 회수함으로써, 폐기물 발생과 운영비용을 저감시키는 방법을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 기존의 원자로 1차 냉각수 정화공정인 이온교환수지 공정을 전기탈이온 공정으로 대체시켜, 처리의 신뢰성과 안정성을 확보함과 동시에 환경친화적인 공정을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 전기탈이온법을 적용하여 원자로 1차 냉각수를 정화하는 공정의 계통도이다.

도 2는 3개의 순차적인 전기탈이온 스택을 이용하여 수산화착물의 형성 없이 원자로 1차 냉각수를 정화하는 공정의 계통도이다.

도 3은 도 2와 달리 하나의 전기탈이온 스택 내에서 탈염/농축할 수 있는 스택의 상세도이다.

도 4는 양극성(Bipolar) 막을 이용하여 원자로 1차 냉각수를 정화할 수 있는 전기탈이온 스택의 상세도이다.

도 5는 다중 셀쌍(multi cell pairs)의 전기탈이온 스택구성에 대한 상세도이다.

도 6은 붕소 회수공정에 대한 계통도이다.

도 7은 붕소 제거와 회수에 대한 상세도이다.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

100 : 전처리 장치110 : 열교환기

120 : pH 조정 탱크121 : pH 조정용 산(acid) 탱크

122 : pH 조정용 염기(base) 탱크130 : 정밀여과장치

200 : 전기탈이온(EDI) 장치210 : 전기탈이온 스택(stack)

211 : 탈염실212 : 농축실

213 : 양이온 교환막214 : 음이온 교환막

215 : 양극성 막216 : 물분해 억제망

220 : 전원공급장치230 : 전극액 탱크

240 : EDI 탈염액 탱크250 : EDI 농축액 탱크

300 : 전기투석 장치

본 발명은 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이에 이온 교환물질이 충전되어 탈염실이 구성되고, 상기 교환막으로부터 탈염실 양측에 농축실이 장착되며, 이러한 탈염실과 농축실이 음극과 양극 사이에 배치되어 이루어진 전기탈이온 스택(stack)이 포함된 전기탈이온 장치에 있어서,

하나의 전기탈이온 스택 내에서, 탈염실의 피처리수 입구측으로부터 순차적으로 양이온 교환물질과, 음이온 교환물질과, 그리고 양이온과 음이온의 혼합이온 교환물질이 충전된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 장치는 하나의 전기탈이온 스택 내에서, 탈염실 내부 중앙에 양극성(bipolar) 막이 장착되고, 이 막을 기준으로 탈염실 입구측 부분에는 양이온 교환물질이 충전되며, 그 반대편에는 음이온 교환물질이 충전되고, 두 이온교환물질층을 연결하는 통로가 설치된 형태로 이루어질 수도 있다.

그리고, 상기 장치는 3개의 전기탈이온 스택으로 구성되며, 양이온 교환물질만을 충전한 전기탈이온 스택, 음이온 교환물질만을 충전한 전기탈이온 스택, 그리고 혼합이온 교환물질만을 충전한 전기탈이온 스택이 순차적으로 배열된 형태로 이루어질 수도 있다.

이러한 전기탈이온 장치에 전압을 인가하면서 탈염실에 피처리수를 유입함과 동시에 농축실에 농축수를 유입하는 공정 등을 통하여 원자로 1차 냉각수 중의 금속이온들을 제거할 수 있다.

그리고, 상기와 같은 공정을 거쳐 수득된 농축수에는 금속이온 뿐 아니라 붕소와 같은 약이온종 등이 포함되어 있는데, 본 발명에서는 붕소를 회수하기 위한 방법으로 전기투석 및 전기탈이온 공정을 거친다. 붕소를 회수하기 위한 전기탈이온 장치는 상기 금속이온 제거를 위한 장치와는 다른 점이 있으며, 다음과 같이 구성된다. 전기탈이온 장치에 있어서,

1) 탈염실의 피처리수 입구측으로부터 순차적으로 양이온 교환물질과, 음이온 교환물질이 충전되고, 2) 양이온 교환물질과 음이온 교환막 사이, 음이온 교환물질과 양이온 교환막 사이, 그리고 양이온 교환물질과 음이온 교환물질 사이에 물분해 억제층이 장착되어 있다.

본 발명을 첨부도면을 중심으로 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 전기탈이온법을 적용하여 원자로 1차 냉각수를 정화하는 공정의 계통도를 나타낸 것이다. 원자로 입구관으로부터 배출된 원자로 1차 냉각수는 열교환기(110)를 거쳐 이온교환수지탑의 운전에 적합한 온도인 60 ℃미만으로 유지된다. 핵연료피복관의 크러드 침적과 크러드에 의한 지르칼로이 산화를 최소화하기 위하여 원자로 1차 냉각수는 pH 6.9 ∼ 7.4에서 운전해야 한다. 원자로 출력에 수반되는 pH를 최소화하기 위해 pH 조정용 산탱크(121)와 염기탱크(122)를 지닌 pH조정탱크(120)를 거쳐 pH를 조절한 다음 정밀여과장치(130)에서 용존불순물을 제외한 부유고형물을 제거하게 된다. 정밀여과장치에 의해 농축된 액상폐기물은 폐기물처리 계통으로 배출되며 정밀여과 처리수는 전기탈이온 장치(200)로 유입된다. 전기탈이온 장치(200)는 전기탈이온 스택(210), 전기탈이온 전원공급장치(220), 전극액 탱크(230), 탈염액 탱크(240)와 농축액 탱크(250)로 구성된다. 전기탈이온 장치에 의해 농축된 액상폐기물은 붕소회수공정(도 6)으로 보내어진다. 전기탈이온 탈염액 탱크(240)에는 1차 냉각수 보충수가 유입되어 전기탈이온 처리수로서 원자로 입구관으로 보내어 진다. 따라서, 전기탈이온 탈염액 탱크(240)는 기존 원자로 화학 및 체적제어계통(CVCS)의 체적제어탱크(VCT)와 같은 역할을수행하게 된다.

도 2는 3개의 순차적인 전기탈이온 스택(210)을 이용하여 수산화착물의 형성 없이 원자로 1차 냉각수를 정화하는 공정의 계통도를 나타낸 것이다. 기존의 양이온교환물질(이온교환수지 또는 이온교환섬유 등)과 음이온교환물질을 섞은 혼합이온교환수지를 충전한 전기탈이온 스택 내에서는 물의 전리로 발생한 수산화이온과 금속이온들이 반응하여 수산화착물을 형성한다. 따라서, 양이온교환물질만을 충전한 전기탈이온 스택에 원자로 1차 냉각수를 유입하여 금속이온들을 제거한 다음, 수소이온과 음이온들만이 남아있는 처리수를 저장탱크에 보관한다. 그리고, 다시 음이온교환물질만을 충전한 전기탈이온 스택에 유입되어 음이온들이 제거된다. 그 결과, 저장탱크에 수집되는 처리수는 금속이온들과 음이온들이 대부분 제거되어 1 ㏁-㎝ 이상의 초순수가 형성된다. 이때, 음이온교환물질의 이온형태(Ion form)는 수산화이온이 아닌 다른 이온형태를 취해야 한다. 수산화이온 형태일 경우 양이온교환물질을 충전한 전기탈이온 스택의 처리수에 포함된 미량의 금속이온과 반응을 일으켜 수산화착물이 형성될 수 있기 때문이다. 세 번째 전기탈이온 스택은 양이온 및 음이온교환물질을 섞은 혼상이온교환물질을 충전하여 첫 번째와 두 번째 전기탈이온 스택의 처리수 중 잔존하는 미량의 금속이온들과 음이온들을 제거하며 처리수의 pH를 중성으로 유지하게 한다.

도 3은 도 2와 달리 하나의 전기탈이온 스택 내에서 탈염/농축할 수 있는 스택의 상세도이다. 1 셀쌍의 전기탈이온 스택에서 전기탈이온의 탈염실(211)에 양이온교환물질을 먼저 충전하고 그 다음 음이온교환물질을 충전하며 마지막으로 혼합이온교환물질을 충전한다. 원자로 1차 냉각수 중 방사능 피폭의 영향이 가장 큰 코발트이온을 기준으로 나타내었다. 코발트 이온은 전기장 하에서 음극으로 양이온교환막(213)을 통과하여 농축실(212)로 이동하며 탈염실(211)과 농축실(212)사이에서 물의 전리로 인해 수소이온과 수산화이온이 발생된다. 이러한 원인은 양이온교환물질과 음이온교환막 사이에 반대되는 전하로 인해 물의 전리가 발생하기 때문이다. 양이온교환물질을 통과한 원자로 1차 냉각수에는 음이온인 질산이온과 수소이온만이 존재하게 된다. 양이온교환물질을 충전한 층에서도 소량의 질산이온이 음이온교환막(214)을 통해 제거된다. 음이온교환물질을 충전한 층에서는 질산이온이 제거되며 음이온교환물질과 양이온교환막사이의 반대되는 전하로 인해 물의 전리가 발생된다. 양이온교환물질을 충전한 층에서 발생한 수소이온과 음이온교환물질을 충전한 층에서 발생한 수산화이온은 혼합이온교환물질을 충전한 층에서 반응하여 물을 형성한다.

도 4는 양극성(Bipolar) 막을 이용하여 원자로 1차 냉각수를 정화할 수 있는 전기탈이온 스택의 상세도이다. 양극성 막(215)은 전기장 하에서 수소이온과 수산화이온을 생성하는 막이다. 원자로 1차 냉각수 중 방사능 피폭의 영향이 가장 큰 코발트이온을 기준으로 설명하였다. 원자로 1차 냉각수 중 코발트이온이 양이온교환물질만을 충전한 탈염실(211a)로 유입되어 농축실(212)로 이동하며탈염실(211a)을 통과한 1차 냉각수는 음이온교환물질만을 충전한 탈염실(211b)로 유입된다. 탈염실(211a)에서 발생한 수소이온은 탈염실(211b)에서 발생한 수산화이온과 반응하여 물을 형성한다. 도 3의 전기탈이온 스택에서 설명한 원리와 같음을 알 수 있다.

도 5는 다중 셀쌍(multi cell pairs)의 전기탈이온 스택 구성에 대한 상세도이다. 이는 탈염실(211)과 그 양측의 농축실(212)로 구성된 셀쌍이 음극과 양극 사이에 2겹 이상 연결되어 다중 셀쌍(Multi cell pairs)의 스택(stack)이 구성된 것이며, 이때 셀쌍과 셀쌍 사이에는 농축실이 1칸씩 추가 장착되어야 한다. 도 3과 도 4는 전기탈이온 스택이 1 셀쌍일 때에 해당하는 경우로서, 셀쌍이 증가되면 도 5에서 보는 바와 같이 4 실(four compartments) 전기탈이온 스택(농축실 1, 탈염실, 농축실 2, 농축실 3)의 셀구조를 가져야 한다. 2 실 전기탈이온 스택일 경우 양쪽의 탈염실에서 농축실로 이동한 수산화이온과 코발트이온이 반응하여 수산화착물을 형성하기 때문이다. 따라서, 4 실 전기탈이온 스택의 경우 탈염실에서 이동한 수산화이온과 코발트이온의 혼합을 억제함으로서 착물이 형성되지 않게 하였다.

또한, 양극성 막을 이용할 경우 도 4에서 나타낸 바와 같이 탈염실이 두 개(211a, 211b)이다. 이러한 경우, 다중 셀쌍을 가진 전기탈이온 스택을 적용하기 위해서는 농축실 1, 탈염실, 탈염실, 농축실 2, 농축실 3의 셀구조가 반복되는 5 실 전기탈이온 스택이 요구된다.

도 6은 붕소 회수공정에 대한 계통도이다. 여기서, 전기투석(300) 장치는 도 1의 전기탈이온 공정을 거친 농축액을 전기탈이온 장치(200)의 최적처리 범위까지 처리한다. 전기투석 장치는 높은 전기저항으로 인해 전기전도도 1 ㎳/㎝ 이하까지 처리하는 데에는 사용되지 않으며, 전기탈이온 장치는 전기전도도 1 ㎳/㎝ 이하의 피처리수를 처리하는데 이용된다. 따라서, 전기투석과 전기탈이온 공정을 순차적으로 거침으로서 붕소를 제외한 이온들을 처리하고, 붕소를 회수하게 되는 것이다. 여기서 전기탈이온 장치(200)는 물분해 억제층을 충전한 전기탈이온 장치이다.

도 7은 붕소 제거와 회수에 대한 상세도를 나타낸 것으로, (a)붕소제거원리는 음이온교환물질을 충전한 층에서 양이온교환막(213)과 음이온교환물질의 반대되는 전하로 인한 물의 전리현상으로 음이온교환물질에서 국부적으로 pH의 급격한 상승이 있게 된다. 붕산은 이러한 pH의 상승으로 이온화하게 되어 음이온교환막(214)을 통해 농축실(212)로 이동하여 제거된다. (b)붕소회수원리는 붕산이 pH 9 이하에서는 이온화하지 않는 특성을 이용한 것으로 물분해 억제층(216)을 물이 전리하는 이온교환물질과 이온교환막 사이에 충전하여 전기투석과 같이 확산경계층을 형성하게 한다. 이때, 물분해 억제층(216)은 플라스틱 계열의 망(net)을 사용하며, 두께는 80㎚ ∼ 2㎜로 하는 것이 바람직하다. 즉, 물분해 억제층(216)은 양극성 경계면(Bipolar interface)을 억제하기 위한망(Inhibitory layer)으로서, 물의 전리현상을 억제함으로서 이온교환물질의 국부적인 pH 상승을 방지하여 붕산이 이온화되지 않게 한다.

이하, 실시예에 의거하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

양이온교환물질과 음이온교환물질 그리고 혼합이온교환물질을 순차적으로 배열한 전기탈이온 스택의 원자로 1차 냉각수 정화원리를 설명하고자 순차적으로 분리실험을 실시하여 이온교환물질의 충전에 따른 제거효율과 에너지 소모량 등을 비교하였다. 정밀여과 처리수를 순차적으로 배열한 3 개의 전기탈이온 스택에 유입시켰다. 원자로 1차 냉각수에는 발전주기가 거듭될수록 코발트, 니켈, 철, 은, 붕소, 크롬 등의 방사성을 띤 부식생성물이 포함되는데, 이중 피폭의 영향이 가장 큰 코발트이온을 중심으로 전기탈이온 실험을 수행하였다. 이때, 사용된 코발트이온의 농도는 10 mg/L이었다. 실험에 사용된 양이온교환막은 CMX(일본 Tokuyama Co. 제품)을 사용하고, 음이온교환막은 AMX(일본 Tokuyama Co. 제품)을 사용하였으며, 이온교환물질은 IRN-77 강산성 양이온교환수지, IRN-78 강염기성 음이온교환수지(Rohm and Haas Co. 제품)를 사용하였다. 전류밀도는 1.7 mA/㎠, 유효막면적 80 ㎠, 정전류 조건에서 22 시간동안 연속운전(Continuous operation)으로 실시하였으며, 그 실험 결과를 표 1에 정리하였다.

이온교환수지를 충전한 전기탈이온 스택의 측정결과

전기탈이온 스택	코발트이온제거효율(%)	질산이온제거효율(%)	에너지소모량(kWh/ton)
1	양이온교환수지를 충전한 전기탈이온	99.9	27.9	0.9
2	음이온교환수지를 충전한 전기탈이온	96	99.9	0.5
3	혼합이온교환수지를 충전한 전기탈이온	99.4	98.7	1.5

코발트이온의 농도는 초기 10 mg/L에서 순차적으로 3 개의 전기탈이온 스택까지 통과한 후 감소하여 1 ppb의 낮은 농도를 나타내었다.

실시예 2

양이온교환물질과 음이온교환물질 그리고 혼합이온교환물질을 하나의 셀내에 충전시킨 전기탈이온 스택을 이용하여 정화실험을 실시하였으며 이온교환물질의 충전에 따른 제거효율과 에너지 소모량 등을 비교하였다. 피폭의 영향이 가장 큰 코발트이온을 중심으로 전기탈이온 실험을 수행하였다. 코발트이온의 초기 농도 및 실험에 사용된 이온교환막과 이온교환수지는 상기 실시예 1과 동일하다. 이온교환섬유는 AMPS 강산성 양이온교환섬유, 플렉시몬(PLEXIMON) 강염기성 음이온교환섬유(Institute Textile De France 제품)를 사용하였다. 하나의 스택에 양이온교환수지, 음이온교환수지, 혼합이온교환수지를 순차적으로 충전한 다음 전류밀도는 3.3 mA/㎠, 유효막면적 80 ㎠, 정전류 조건에서 25시간 동안 연속운전으로 실시되었다. 이온교환섬유를 충전한 전기탈이온 스택의 경우 양이온교환섬유와 음이온교환섬유를 1:1로 순차적으로 충전하여, 전류밀도 2.7 mA/㎠, 유효막면적 80㎠, 정전류 조건에서 7시간 동안 연속운전으로 실시하였고, 그 실험 결과를 표 2에 정리하여 나타내었다.

이온교환수지 및 이온교환섬유를 충전한 전기탈이온 스택의 측정결과

전기탈이온 스택	코발트이온제거효율(%)	전류효율(%)	에너지소모량(kWh/ton)
이온교환수지를 충전한전기탈이온	99	30	2
이온교환섬유를 충전한전기탈이온	99	23.2	3.5

실시예 3

반응도 제어재인 붕소이온을 회수하기 위해 전기투석 공정과 전기탈이온 공정을 순차적으로 적용하여 회수율과 에너지 소모량 등을 관찰하였다. 전기탈이온 장치의 농축액이 탈염액 농도의 10 배가 되었을 때 회수공정의 유입수로 사용하였다. 회수공정의 유입수인 전기탈이온 장치의 농축액은 코발트이온, 철, 니켈, 은, 붕소, 크롬 등의 이온을 포함하여 약 4000 ㎲/㎝를 나타내었다. 실험에 사용된 이온교환막과 이온교환수지는 상기 실시예 1과 동일하였다. 물분해 억제망으로 사용된 폴리프로필렌 망(망크기: 43.5 ×43.5 strands per inch, Naltex, Nalle Plastics, Inc.)은 0.013"의 두께로 장착하였고, 전류밀도 2.3 mA/㎠, 유효막면적 80 ㎠, 정전류 조건에서 연속운전으로 실시되었다. 그리고, 실험 결과를 표 4에 정리하였다.

반응도 제어재인 붕소 회수공정의 측정결과

	붕산 회수율(%)	전류효율(%)	에너지소모량(kWh/ton)
붕소 회수공정	94	20	4.2

전류밀도 변화에 따라 붕소의 회수율을 조사한 결과 2.3 mA/㎠에서 94 %를 나타내었으며 전류밀도 증가에 따라 43 %까지 감소하였다. 전류밀도 증가에 따라 전기탈이온 장치의 물분해 억제를 위해 장착한 망과 이온교환막에서 확산경계층이 형성되어 농도분극현상이 발생한 것으로 판단된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 원자로 1차 냉각수로부터 전기탈이온 공정에 의한 금속이온의 제거방법과 붕소의 회수방법은 기존의 전기탈이온 장치에서 이온교환물질의 충전방법을 변화시킴으로써, 폐기물 처리부담을 혁신적으로 줄이고 방사능 피폭의 위험에서 작업자를 보호할 수 있으며, 경제ㆍ산업적 측면에서 원자력발전소의 운영경비 절감 및 보수비용 절감 등으로 인해 경쟁력 확보에 도움을 줄 수 있다. 따라서, 국제무역에서 그린라운드를 통해 환경오염에 대한 규제를 강화하는 상황에서 청정기술인 전기탈이온 공정의 적용은 이온교환수지법이 응용되던 산업현장에서 경제적 이윤을 창출할 것이며, 초순수 제조에만 국한되어온 전기탈이온 공정을 금속이온이 포함된 상수 및 하수, 폐수에 적용함으로써 보다 많은 응용분야를 창출할 수 있는 효과가 있다.

Claims

양이온 교환막(213)과 음이온 교환막(214) 사이에 이온 교환물질이 충전되어 탈염실(211)이 구성되고, 상기 교환막으로부터 탈염실 양측에 농축실(212)이 장착되며, 이러한 탈염실과 농축실이 음극과 양극 사이에 배치되어 이루어진 전기탈이온 스택(210)이 포함된 전기탈이온 장치에 있어서,

하나의 전기탈이온 스택 내에서, 탈염실(211)의 피처리수 입구측으로부터 순차적으로 양이온 교환물질과, 음이온 교환물질과, 그리고 양이온과 음이온의 혼합이온 교환물질이 충전된 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 금속이온 제거를 위한 전기탈이온 장치.
양이온 교환막(213)과 음이온 교환막(214) 사이에 이온 교환물질이 충전되어 탈염실(211)이 구성되고, 상기 교환막으로부터 탈염실 양측에 농축실(212)이 장착되며, 이러한 탈염실과 농축실이 음극과 양극 사이에 배치되어 이루어진 전기탈이온 스택(210)이 포함된 전기탈이온 장치에 있어서,

하나의 전기탈이온 스택 내에서, 탈염실 내부 중앙에 양극성(bipolar) 막(215)이 장착되고, 이 막을 기준으로 탈염실 입구측 부분에는 양이온 교환물질이 충전되며, 그 반대편에는 음이온 교환물질이 충전되고, 두 이온교환 물질층을 연결하는 통로가 설치된 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 금속이온 제거를위한 전기탈이온 장치.
양이온 교환막(213)과 음이온 교환막(214) 사이에 이온 교환물질이 충전되어 탈염실(211)이 구성되고, 상기 교환막으로부터 탈염실 양측에 농축실(212)이 장착되며, 이러한 탈염실과 농축실이 음극과 양극 사이에 배치되어 이루어진 전기탈이온 스택(210)이 포함된 전기탈이온 장치에 있어서,

상기 장치가 3개의 전기탈이온 스택으로 구성되며, 양이온 교환물질만을 충전한 전기탈이온 스택, 음이온 교환물질만을 충전한 전기탈이온 스택, 그리고 혼합이온 교환물질만을 충전한 전기탈이온 스택이 순차적으로 배열된 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 금속이온 제거를 위한 전기탈이온 장치.
제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 탈염실과 그 양측의 농축실로 구성된 셀쌍이 음극과 양극 사이에 2겹 이상 연결되어 다중 셀쌍(Multi cell pairs)의 스택(stack)이 구성되고, 셀쌍과 셀쌍 사이에는 농축실이 1칸씩 추가 장착된 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 금속이온 제거를 위한 전기탈이온 장치.
전기탈이온 장치에 전압을 인가하면서 탈염실에 피처리수를 유입함과 동시에 농축실에 농축수를 유입하여 피처리수 중의 불순물 이온을 제거하는 전기탈이온 공정에 있어서,

상기 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 3의 장치에서 이온 교환물질의 배열 순서에 따라 피처리수를 통과시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 전기탈이온 공정에 의한 금속이온의 제거방법.
전기탈이온 장치에 전압을 인가하면서 탈염실에 피처리수를 유입함과 동시에 농축실에 농축수를 유입하여 피처리수 중의 불순물 이온을 제거하는 전기탈이온 공정에 있어서,

상기 청구항 4의 장치를 이용하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 전기탈이온 공정에 의한 금속이온의 제거방법.
양이온 교환막(213)과 음이온 교환막(214) 사이에 이온 교환물질이 충전되어 탈염실(211)이 구성되고, 상기 교환막으로부터 탈염실 양측에 농축실(212)이 장착되며, 이러한 탈염실과 농축실이 음극과 양극 사이에 배치되어 이루어진 전기탈이온 장치에 있어서,

1) 탈염실의 피처리수 입구측으로부터 순차적으로 양이온 교환물질과, 음이온 교환물질이 충전되고, 2) 양이온 교환물질과 음이온 교환막 사이, 음이온 교환물질과 양이온 교환막 사이, 그리고 양이온 교환물질과 음이온 교환물질 사이에 물분해 억제층(216)이 장착된 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 붕소의 회수를 위한 전기탈이온 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 물분해 억제층(216)은 80㎚ ∼ 2㎜의 두께의 플라스틱 계열 망(net)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 붕소의 회수를 위한 전기탈이온 장치.
원자로 1차 냉각수로부터 붕소를 회수하는 방법에 있어서,

전기투석방법을 이용하여 전기탈이온 공정에 적합한 이온농도까지 처리하는 공정과,

상기 청구항 7 또는 청구항 8의 전기탈이온 장치를 이용하여 피처리수 중의 약이온종을 회수하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 1차 냉각수로부터 전기탈이온 공정에 의한 붕소의 회수방법.