KR20030043126A - 초산과 초산나트륨의 완충용액을 이용한 방사성핵종의제거방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력시설 주변에 코발트,세슘 및 스트론튬등의 방사성핵종으로 오염된 토양을 복원시키기 위한 동전기적 방법에 의한 방사성 오염토양 제염시에 초산과 초산나트륨의 완충용액을 이용한 방사성핵종의 제거방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 초산과 초산나트륨의 완충용액을 이용하여 토양컬럼 내의 수산이온농도의 상승을 억제시켜 종래의 방법에 비해 높은 제거효율을 갖게한 방법으로 토양컬럼의 양극저수조에 초산나트륨을 주입시키고 음극에는 초산을 주입하며 토양컬럼 내에는 같은 몰농도의 초산과 초산나트륨을 혼합한 초산완충액을 주입하여 페하(pH)상승을 5.0 이하로 억제시켜 수산화 침전물의 형성을 방지하여 오염된 토양 내의 방사성핵종의 제거효율을 약 90% 이상으로 향상시킨 것으로 방사성핵종으로 오염된 토양을 동전기적방법으로 제염함에 있어서,단면직경과 컬럼길이의 비가 1:5-7인 원통형의 토양컬럼에 0.01-0.05M의 초산(CH₃COOH)과 초산나트륨(CH₃COONa) 완충용액을 오염토양에 주입하고 혼합한 후 틈이 발생하지 않도록 다져서 주입시키고 토양컬럼의 양선단에는 여과지가 설치되고 일측의 양극저수조에는 0.01-0.05M의 초산나트륨 용액을 주입하고 타측의 음극 저수조에는 5-15M의 초산용액을 상부에서 계속 주입하면서 교반시키고 토양세척폐액과 초산용액이 유입되는 음극저수조의 하단으로 용액을 방출시키며 토양컬럼 내에 0.05-0.5㎃의 전류를 송전시켜 방사성핵종이 이온이동 및 전기삼투에 의해 음극저수조 쪽으로 이동시켜서 토양컬럼 내부의페하(pH)를 5이하로 억제시켜 수산화 침전물의 형성을 방지하여 방사성핵종의 제거효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 초산과 초산나트륨의 완충용액을 이용한 방사성핵종의 제거방법.

Description

초산과 초산나트륨의 완충용액을 이용한 방사성핵종의 제거방법{A method for increasing the removal efficiency of radio nuclides using acetic acid and sodium acetate on dicomtaminating the soil contaminated radio nuclides by electrokinetic method}

본 발명은 원자력시설 주변에 코발트,세슘 및 스트론튬등의 방사성핵종으로 오염된 토양을 복원시키기 위한 동전기적 방법에 의한 방사성 오염토양 제염시에 초산과 초산나트륨의 완충용액을 이용한 방사성핵종의 제거방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 초산과 초산나트륨의 완충용액을 이용하여 토양컬럼 내의 수산이온농도의 상승을 억제시켜 종래의 방법에 비해 높은 제거효율을 갖게한 방법으로 토양컬럼의 양극저수조에 초산나트륨을 주입시키고 음극에는 초산을 주입하며 토양컬럼 내에는 같은 몰농도의 초산과 초산나트륨을 혼합한 초산완충액을 주입하여 페하(pH)상승을 5.0 이하로 억제시켜 수산화 침전물의 형성을 방지하여 오염된 토양 내의 방사성핵종의 제거효율을 약 90% 이상으로 향상시킨 것이다.

일반적으로 선진외국에서는 넓은 지역에 방사성핵종으로 오염된 토양을 효과적으로 제염시키기 위한 기술을 개발해왔으며 그 방법으로 한 쌍의 전극을 오염된 토양의 양쪽에 위치시키고 직류전위를 통과시키는 동전기적인 방법으로 토양을 제염시켰다.

토양 내의 방사성핵종은 주로 두가지 현상에 의해 이동되며 첫 번째는 전기삼투(Electro-osmosis)로 포화된 유체와 오염물질이 전극쪽으로 흐르는 전기동력학적 현상이며,두번째는 하전된 이온이 전기장 내에서 움직이는 이온이동이 있다.

종래의 동전기적방법에 의한 방사성핵종 즉,스트론튬 및 코발트를 제염하기 위한 실험은 먼저 큰 용기에 포화 혼합된 카올린 크레이(Kaolin Clay)[Kaolinite + 초산과 초산나트륨 혼합용액 + Co²⁺(또는 Sr²⁺)용액]샘플 150㎤을 만들고 이것을 용기에 넣어 용액과 토양을 혼합한 후 Co²⁺(또는 Sr²⁺)이 카올린 크레이에 흡착 평형을 이르도록 용기를 밀폐하여 교반기에 넣고 2일간 교반시킨 후 이 포화 토양을 도 1 에 도시된 토양제염장치의 컬럼에 조금씩 다지면서 주입시킨다.

이때 토양컬럼 내부에 공극이 발생하지 않도록 충분히 다지면서 서서히 카올린 크레이를 주입하였다.

상기 토양제염장치의 실린더형 토양컬럼은 길이가 20.0㎝ 이고,직경은 2.8㎝ 이고 토양컬럼의 양선단에는 여과지가 설치되고 양측의 저수조 내에는 티타늄전극이 설치되며 토양컬럼의 부피는 123㎤,컬럼을 채운 카올린 크레이의 무게는 94.8g이고 카올린 크레이를 포화시키기 위해 필요한 0.01M Co²⁺(또는 Sr²⁺)용액 용량을 카올린 크레이의 밀도 및 공극률에 근거하여 계산한 결과 75.7㎖이었으며 이 토양컬럼의 한 쪽은 양극에 다른 한 쪽은 음극에 연결되어 있으며 토양컬럼에 전압경사를 주기 위해 양쪽전극에 40V의 전압을 가해주었고 이때 전류는 약 0.1㎃를 나타냈다.

그리고 초산과 초산나트륨 용액을 사용하지 않고 토양제염을 수행하였을 때토양제염 실험전 측정한 토양컬럼 내의 카올린 크레이(Kaolinite + SrCl₂용액)의 페하(pH)는 4.0이었다.

그러나 토양제염 실험 직후 아래 식과 같이 양극에서는 수소이온 방출로 인해 페하가 낮아지고 음극에서는 수산이온 방출로 인해 페하가 높아졌다.

2H₂O - 4e^-→ O₂(g) + 4H⁺(anode)

2H₂O + 2e^-→ H₂(g) + 2OH^-(cathode)

토양제염 실험 개시 후 0.8일이 경과되었을 때 컬럼 양극으로부터 약 14㎝ 되는 지점과 컬럼 끝 사이의 구간에 있는 카올린 크레이의 페하는 도 2 와같이 12이상으로 높아졌으며 이 구간에 Sr(OH)₂의 침전이 형성되었고 양극으로부터 약 14㎝ 부근에 도 3 과 같이 매우 높은 농도의 스트론튬 침전물이 형성됐다.

이 침전물로 인해 컬럼 내의 Kaolinite는 딱딱해지면서 수리전도도가 작아져 공극용액의 유동속도가 매우 작아졌으며 컬럼으로부터의 유출수 내의 Sr²⁺농도도 매우 감소되었다.

결국 제염 후 토양컬럼 내의 스트론튬 제거율은 32%에 불과하였다.

상기한 실험에서와 같이 종래의 동전기적방법에 의한 스트론튬이나 코발트등의 방사성핵종의 제염시 토양컬럼 내의 페하가 상승하여 스트론튬과 코발트는 수산화 침전물을 형성하므로 제거효율이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된 것으로 동전기적방법을 이용하면서 초산과 초산나트륨의 완충용액을 사용하여 페하의 상승을 억제하고 제염효율을 향상시켜 방사성핵종에 오염된 토양 뿐만아니라 중금속 광산 및 화학공장등의 오염토양의 복원도 가능케한 방사성핵종의 제거방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 방사성핵종의 제거방법을 제공하기 위하여 카올린 크레이 토양 내에 0.01M의 방사성핵종(스트론튬,코발트)용액과 0.01-0.05M의 초산과 초산나트륨을 혼합한 완충용액을 주입 혼합한 후 방사성핵종을 토양 내에 흡착평형시키기 위해 교반기에 넣고 2일 동안 교반시킨 후 이 오염토양을 컬럼에 주입하고 컬럼의 양측 전극에 전압을 가하여 수십 시간 토양제염을 하고 토양컬럼의 양극저수조에는 0.01-0.05M의 초산나트륨 용액을 주입하고 음극에는 5-15M의 초산용액을 주입하여 페하를 5이하로 억제하여 컬럼내 토양의 수산화 침전물의 형성을 방지해줌으로써 토양 내의 방사성핵종의 제거효율을 향상시킨 방사성핵종의 제거방법을 제공할 수 있는 것이다.

도 1 은 종래의 동전기적 토양제염장치의 개략구조도

도 2 는 종래 동전기적방법에 의한 제염 후 토양컬럼 내의 페하(pH) 분포도(초산과 초산나트륨 사용 전)

도 3 은 종래 동전기적방법에 의한 제염시 시간에 따른 잔류 스트론튬 농도분포도(초산과 초산나트륨 사용 전)

도 4 는 본 발명의 동전기적방법에 의한 제염시 초산과 초산나트륨 용액의 주입방법의 개략구조도

도 5 는 본 발명 동전기적방법에 의한 제염 후 토양컬럼 내의 페하(pH) 분포도(초산과 초산나트륨 사용 후)

도 6 은 본 발명 동전기적방법에 의한 제염시 시간에 따른 잔류 코발트 농도분포도(초산과 초산나트륨 사용 후)

도 7 은 본 발명 동전기적방법에 의한 제염시 시간에 따른 잔류 스트론튬 농도분포도(초산과 초산나트륨 사용 후)

이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성과 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 는 본 발명의 동전기적방법에 의한 제염시 초산과 초산나트륨 용액의 주입방법의 개략구조도로서 방사성핵종으로 오염된 토양을 동전기적 토양제염장치에 초산과 초산나트륨 완충용액을 주입하여 제염시키는 개략적인 구조를 도시한 것이고,도 5 는 본 발명 동전기적방법에 의한 제염 후 토양컬럼 내의 페하(pH) 분포도로서 초산과 초산나트륨 완충용액을 사용하여 0.0,3.8일 후의 토양컬럼 내의 페하(pH)분포를 도시한 것이며,도 6,7 은 본 발명 동전기적방법에 의한 제염시 시간에 따른 잔류 코발트와 잔류 스트론튬 농도분포도로서 초산과 초산나트륨 완충용액을 사용하여 토양제염시간에 따른 잔류 코발트와 스트론튬의 농도 분포를 도시한 것이다.

방사성핵종으로 오염된 토양을 동전기적방법으로 제염함에 있어서,

단면직경과 컬럼길이의 비가 1:5-7인 원통형의 토양컬럼에 0.01-0.05M의 초산(CH₃COOH)과 초산나트륨(CH₃COONa) 완충용액을 오염토양에 주입하고 혼합한 후 공극이 발생하지 않도록 다져서 주입시키고 토양컬럼의 양선단에는 여과지가 설치되고 일측의 양극저수조에는 0.01-0.05M의 초산나트륨 용액을 주입하고 타측의 음극 저수조에는 5-15M의 초산용액을 상부에서 계속 주입하면서 교반시키고 토양세척폐액과 초산용액이 유입되는 음극저수조의 하단으로 용액을 방출시키며 토양컬럼 내에 0.05-0.5㎃의 전류를 송전시켜 방사성핵종이 이온이동 및 전기삼투에 의해 음극저수조 쪽으로 이동시켜서 토양컬럼 내부의 페하(pH)를 5이하로 억제시켜 수산화 침전물의 형성을 방지하여 방사성핵종의 제거효율을 향상시킨 것이다.

이와같이된 본 발명은 방사성핵종에 오염된 토양의 제염효율을 향상시키기위하여 토양컬럼 내의 페하(pH)를 저감시키는 방법으로 실시예에 의한 실험에서 도 4 에 도시된 토양제염장치의 컬럼 내의 토양에 0.01M의 초산(CH₃COOH)과 0.01M의 초산나트륨(CH₃COONa)를 혼합한 완충용액을 주입 혼합시켰다.

이때 주입되는 완충용액의 부피는 토양을 포화시키기 위해 필요한 양이며 토양컬럼 내에 틈이 발생하지 않도록 충분히 다져서 주입시킨다.

그리고 양극저수조에 0.01M의 초산나트륨 용액을 주입하였고 음극저수조에는 음극저수조 용액의 페하가 5이하가 되도록 고농도의 초산 용액을 주입하면서 교반시켰다.

상기의 실험중 전기삼투에 의해 컬럼 내의 용액이 양극에서 음극으로 계속 유동하므로 양극저수조의 상부에서 0.01M의 초산나트륨 용액을 계속주입하여 양극저수조가 가득 차도록 하고 토양세척폐액의 용량은 컬럼 내의 오염토양컬럼 공극부피의 약 1-4배이므로 필요한 초산나트륨 양은 공극부피의 1-3배가 되며 음극저수조는 토양컬럼으로부터 토양세척폐액이 계속 유입되고 음극저수조의 상부에서 페하를 5이하로 제어하기 위하여 초산용액을 계속 주입하므로 음극저수조의 하단 배출구로 용액을 방출시켰으며 방출된 용액의 부피를 정확히 눈금실린더로 측정하고 농도측정을 위해 주기적으로 3㎖를 채취하여 보관한다.

이 채취된 용액들은 실험 완료 후 원자흡광광도법을 사용하여 용액 내의 코발트 농도를 측정하였다.

한편 토양컬럼에 주입된 0.01M Co²⁺용액은 코발트가 토양에 평형흡착된 후 공극용액의 농도는 0.0056M Co²⁺이었으며 이 용액과 같은 0.0056M의 코발트 용액에 NaOH를 가하여 침전실험을 했다.

즉 페하가 12.0일때 100% 침전되었고,10.0일때 99%,8.0일때 65%,7.3일때 0%로 나타났다.

그러므로 토양제염 효율을 향상시키기 위해 컬럼 내의 카올린 크레이 혼합물의 페하를 7.0 이하로 유지시켜야 하며 초산과 초산나트륨 혼합액을 컬럼에 주입하고 초산용액을 음극저수조에 계속적으로 주입하면서 토양제염실험을 수행한 결과 컬럼의 14㎝ 후단 부분의 페하는 도 5 에서와 같이 초기에는 4.0 이었으나 실험이 끝나는 1.8일 후에는 단지 약 6.5로상승하였다.

이와같이 컬럼 내의 페하가 낮기 때문에 Co(OH)₂는 형성되지 않았다.

도 6 은 토양제염 시간 경과에 따른 토양컬럼 내에 잔류한 총 Co²⁺농도를 나타낸 것으로 제염 실험 중에 토양컬럼 내의 페하값이 억제되어 침전이 발생하지 않으므로 제염효율이 높게 나타났다.

즉,0.4일 후에는 토양컬럼 내의 초기 Co²⁺총량의 13.1%가 제염되었고,0.9일 후에는 46.8%가 제염되었으며,1.3일 경과 후에는 71.7%가 제염되었고,1.8일 후에는 94.6%가 제염되었다.

토양제염 실험을 마친 후 토양컬럼 내의 카올린 크레이를 꺼내어 5등분하여 카올린 크레이의 공극용액 내의 Co²⁺농도를 측정한 결과는 도 6 과 같고 수치모델로계산한 값과 일치하였다.

도 7 은 초산과 초산나트륨을 사용하여 0.01M의 스트론튬으로 오염된 카올린 크레이를 제염한 후의 잔류 스트론튬의 농도 분포도를 도시한 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

그러므로 본 발명은 동전기적방법을 이용하면서 초산과 초산나트륨의 완충용액을 사용하여 종래 컬럼 내의 음극쪽 토양의 페하가 약 12.5까지 상승하여 수산화 침전물을 형성하여 제염효율이 감소하던 것을 페하의 상승을 억제하여 제염효율을 향상시키고 방사성핵종에 오염된 토양 뿐만아니라 중금속 광산 및 화학공장등의 오염토양의 복원도 가능케한 등의 효과를 가지는 것이다.

Claims (1)

1. 방사성핵종으로 오염된 토양을 동전기적방법으로 제염함에 있어서,

   단면직경과 컬럼길이의 비가 1:5-7인 원통형의 토양컬럼에 0.01-0.05M의 초산(CH₃COOH)과 초산나트륨(CH₃COONa) 완충용액을 오염토양에 주입하고 혼합한 후 공극이 발생하지 않도록 다져서 주입시키고 토양컬럼의 양선단에는 여과지가 설치되고 일측의 양극저수조에는 0.01-0.05M의 초산나트륨 용액을 주입하고 타측의 음극 저수조에는 5-15M의 초산용액을 상부에서 계속 주입하면서 교반시키고 토양세척폐액과 초산용액이 유입되는 음극저수조의 하단으로 용액을 방출시키며 토양컬럼 내에 0.05-0.5㎃의 전류를 송전시켜 방사성핵종이 이온이동 및 전기삼투에 의해 음극저수조 쪽으로 이동시켜서 토양컬럼 내부의 페하(pH)를 5이하로 억제시켜 수산화 침전물의 형성을 방지하여 방사성핵종의 제거효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 초산과 초산나트륨의 완충용액을 이용한 방사성핵종의 제거방법.