KR20180032337A - Titanosilicates absorbants substituted tetravalance cation - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a titanosilicate-based absorbent, which comprises niobium (Nb) and having a structure into which a tetravalent cation is introduced. The titanosilicate into which the tetravalent cation is introduced according to the present invention is capable of efficiently adsorbing strontium including Nb, and replaces a part of silicon (Si) contained in the skeleton of the titanosilicate with the tetravalent cation such as germanium (Ge) or tin (Sn) to increase the number of bonds to cesium. As compared with the known titanosilicate, the titanosilicate-based absorbent of the present invention has high selectivity and adsorptivity to cesium and has a high thermal and chemical stability due to reduced structural distortion, thereby being effectively used as an adsorbent for removing radionuclides.

Description

4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트계 흡착제{Titanosilicates absorbants substituted tetravalance cation}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a titanosilicate-based adsorbent to which tetravalent cations are introduced {Titanosilicates absorbants substituted tetravalance cation}

본 발명은 4가 양이온이 도입되어 스트론튬, 세슘 등을 효과적으로 제거할 수 있어 방사성 핵종 제거를 위한 흡착제로 활용이 가능한 티타노실리케이트에 관한 것이다.The present invention relates to titanosilicates capable of effectively removing strontium, cesium and the like by introducing tetravalent cations and thus being used as an adsorbent for removing radionuclides.

최근, 전 세계적으로 원자력 에너지가 가지는 탁월한 경제성으로 인해 수많은 원자력 발전소가 건설되어 전력 생산을 위해 사용되고 있으며 현재 그 수가 점차 증가하고 있는 추세이다. In recent years, due to the excellent economics of nuclear energy around the world, a large number of nuclear power plants have been constructed and used for power generation, and the number is increasing.

그러나, 원자력 발전소의 운영 중에 필연적으로 발생하는 다량의 방사성 폐기물과 우발적으로 발생하는 사고로 인해 유출될 수 있는 방사성 오염 물질 때문에 인간의 생명과 안전이 위협받고 있는 실정이다.However, human life and safety are threatened by radioactive pollutants that can be released due to a large amount of radioactive waste inevitably generated during the operation of a nuclear power plant and accidents occurring accidentally.

일례로, 최근 강력한 지진과 해일로 인해 일본 후쿠시마의 원자력 발전소가 폭발하는 대형 원전사고가 발생하여, 다량의 방사성 물질이 생성되어 인근 지역으로 유출되었으며, 폭발한 원전을 냉각시키기 위해 사용한 다량의 바닷물은 방사성 핵종을 함유한 고염의 방사성 오염수를 발생시켜 현재까지 주변 토양과 바다를 오염시켜 심각한 환경문제를 야기하고 있다. For example, a recent major earthquake and tsunami triggered a major nuclear accident in Fukushima, Japan, where a large number of radioactive materials were generated and leaked to nearby areas. A large amount of seawater used to cool the exploded nuclear reactors Radioactive nuclides containing radioactive nuclides are generated and polluted the surrounding soil and the sea to cause serious environmental problems.

우리나라 또한 원자력 에너지의 의존도가 높으며, 동해안 일대에 원자력 발전소가 집중되어 있어 지진이나 해일 등의 자연재해로 인한 원전사고가 발생할 가능성을 배제할 수 없기 때문에, 원전사고 등과 같은 위급상황에 신속하게 대처하기 위해 방사성 핵종을 포함하고 있는 냉각수를 처리할 수 있는 방법에 대한 요구가 증대되고 있으며, 특히, 액체 방사성 폐액속의 방사성 핵종을 효율적으로 분리 제거하는 기술의 개발이 절실히 필요한 상황이다. Since Korea is also highly dependent on nuclear energy and nuclear power plants are concentrated in the East Sea coast, it is impossible to exclude the possibility of nuclear accidents caused by natural disasters such as earthquakes and tsunamis. There is a growing demand for a method for treating cooling water containing radionuclides. In particular, it is urgently required to develop a technique for efficiently separating and removing radionuclides from a liquid radioactive waste solution.

일반적으로, 원자력산업에서 발생되는 중·저준위 방사성 폐기물의 대부분은 60Cs, 137Cs 또는 90Sr 등과 같은 중·장반기 핵종과 Na, K 및 B 등과 같은 다량의 비 방사성 화학종 그리고 단 반감기 핵종을 포함하고 있다.In general, most of the low- and mid-level radioactive wastes generated in the nuclear industry are composed of heavy and long-term radionuclides such as 60 Cs, 137 Cs or 90 Sr and large non-radioactive species such as Na, K and B, .

특히, 137Cs의 경우 방사성 액체 폐기물에 존재하는 가장 풍부한 방사성 핵종 중의 하나로서 반감기가 30년 정도로 매우 길며 용해도가 아주 높아 방사성 폐기물 처리에 있어서 가장 주의를 요구하는 핵종 중의 하나로서, 인체에 흡수되었을 때 칼륨(K)과 화학적으로 비슷한 성질을 갖고 있어 생물체에도 쉽게 흡수되기 때문에 인간의 건강 및 환경에 심각한 피해를 준다고 알려져 있다. 이와 같은 특성을 나타내는 Cs의 분리 또는 제거 등과 같은 처리문제가 지속적인 관심의 대상이 되어왔다. In particular, 137 Cs is one of the most abundant radionuclides present in radioactive liquid wastes. Its half-life is very long, about 30 years, and its solubility is very high. It is one of the most important nuclides in radioactive waste disposal. It has chemically similar properties to potassium (K) and is known to cause serious damage to human health and the environment because it is readily absorbed by living organisms. Treatment issues such as separation or removal of Cs exhibiting such properties have been of constant interest.

현재 국내에서 원자력 산업에서 발생되는 중·저준위 방사성 액체 폐기물의 처리는 발전소 마다 차이가 많을 뿐만 아니라 폐기물의 특성에 따라 다른 처리 공정을 사용하고 있지만, 기본적으로 폐액 증발기를 이용하여 증발, 농축시킨 후 파라핀을 고화제로 이용하여 고화 처리하여 폐기물을 처리하고 있다. At present, the treatment of medium- and low-level radioactive liquid wastes generated in the nuclear power industry in Korea is different not only in different power plants but also in different treatment processes depending on the characteristics of the wastes. Basically, it is evaporated and concentrated using a waste liquid evaporator, Is used as a solidifying agent to solidify and treat waste.

하지만, 이와 같은 방법은 폐기물의 농축에 매우 효과적이지만 핵종과 비핵종의 구분 없이 모든 고형물들을 농축하여 감량효과가 낮아지고, 가열처리로 인해 많은 운전비용이 요구되며, 유기물에 의한 증발기 내부에서 거품 스케일을 형성하여 증발기의 성능이 저하되고 잦은 보수로 인해 운전비용이 증가할 뿐만 아니라 연속 운전에 지장을 초래하는 문제점을 지니고 있어, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 방사성 폐액의 처리방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.However, this method is very effective for concentration of waste, but it is required to consume all the solids without discrimination between the nuclides and non-nuclides, thereby lowering the weight loss effect and requiring a lot of operation cost due to heat treatment. In the evaporator, The performance of the evaporator is deteriorated and the operation cost is increased due to frequent maintenance. In addition, there is a problem in that the continuous operation is hindered. Therefore, a study on a method of treating a radioactive waste solution that can solve such problems is actively conducted .

이에 따라, 최근 제올라이트(zeolite), 티타노실리케이트(titanosilicate), 금속산화물(metal oxide), 헥사시아노철산염(hexacyanoferrate), 변형 또는 합성 유기물(modified clays or synthetic clays) 등과 같은 다양한 무기 이온교환제를 이용한 이온교환법으로 방사성 폐액에 포함된 방사성 핵종의 처리제에 관한 기술 내용이 개시된 바 있다.Recently, a variety of inorganic ion exchangers, such as zeolite, titanosilicate, metal oxide, hexacyanoferrate, modified or synthetic clays, The present invention relates to a treatment agent for a radionuclide contained in a radioactive waste solution.

특히, 골격이 티타늄 및 실리카로 구성된 티타노실리케이트계 무기 흡착제가 다양한 조건에서 세슘의 제거에 뛰어난 성능을 가지고 있다는 연구들이 지속적으로 보고 되고 있으며, 현재까지 방사성 핵종인 세슘을 제거하는데 가장 뛰어난 물질로 알려져 있다. In particular, studies have been conducted on titanosilicate inorganic adsorbents composed of titanium and silica skeleton having excellent performance for cesium removal under various conditions, and they are known to be the most excellent substances for removing cesium, a radioactive species, until now .

또한, 상기 티타노실리케이트계 무기흡착제를 산 또는 염기 처리 등과 같은 후처리를 통해 상기 티타노실리케이트계 무기 흡착제의 흡착 성능을 향상 시키기 위한 방법에 관한 기술 내용이 개시된 바 있다. Also, a description has been given of a method for improving the adsorption performance of the titanosilicate-based inorganic adsorbent through post-treatment such as acid treatment or base treatment of the titanosilicate inorganic adsorbent.

하지만, 티타노실리케이트계 무기흡착제의 효율을 높이기 위해 새로운 양이온, 특히, 4가 양이온이 골격에 도입됨으로 인해, 성능이 개선되어 방사성 핵종에 높은 선택성과 흡착능을 가진 티타노실리케이트계 흡착제에 관한 기술내용이 개시된 바 없어 이에 대한 연구가 필요하다.However, in order to increase the efficiency of the titanosilicate-based inorganic adsorbent, the technical contents of titanosilicate-based adsorbents having improved performance and high selectivity and adsorptivity to radionuclides due to the introduction of new cations, especially tetravalent cations into the skeleton, No research is needed.

한국공개특허 제10-2012-0003319호 (공개일 : 2012.01.10)Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0003319 (published on Jan. 10, 2012) 한국공개특허 제10-2010-0110997호 (공개일 : 2010.10.14)Korean Patent Publication No. 10-2010-0110997 (published on October 14, 2010)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 4가 양이온을 티타노실리케이트의 골격에 도입하여 높은 선택성과 흡착능을 나타내 방사성 핵종 제거를 위해 효과적으로 활용가능한 티타노실리케이트계 흡착제에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in order to solve the problems of the prior art as described above, and it is an object of the present invention to provide a titanosilicate-based adsorbent capable of effectively adsorbing radioactive nuclides by introducing tetravalent cations into the skeleton of titanosilicate, Technology contents.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, 니오븀을 포함하고, 4가 양이온이 도입된 구조를 갖는 티타노실리케이트계 흡착제를 제공한다.Technical Solution In order to accomplish the above object, the present invention provides a titanosilicate-based adsorbent having niobium-incorporated tetravalent cations.

또한, 상기 4가 양이온은 게르마늄 4가 양이온 및 주석 4가 양이온으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.The tetravalent cation is characterized by being at least one selected from germanium tetravalent cation and tin tetravalent cation.

또한, 상기 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트계 흡착제는 5 내지 30%의 치환율로 상기 4가 양이온이 도입된 것을 특징으로 한다.The titanosilicate-based adsorbent having the tetravalent cation introduced therein is characterized in that the tetravalent cation is introduced at a substitution rate of 5 to 30%.

또한, 본 발명은, 상기에 기재된 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트를 제조하는 방법에 있어서, (a) 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TTIP)와 테트라 에틸올소실리케이트(tetra ethyl ortho silicate, TEOS)를 포함하는 제1 혼합용액 및 수산화 나트륨(NaOH), 산화니오븀(niobium oxide)과 4가 양이온 산화물을 포함하는 제2 혼합용액을 혼합하여 제3 혼합용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제3 혼합용액을 가열하여 결정화된 티타노실리케이트(titanosilicate)를 제조하는 단계를 포함하는 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for preparing a titanosilicate having a tetravalent cation introduced therein, comprising the steps of: (a) mixing titanium isopropoxide (TTIP) with tetraethyl orthosilicate (TEOS ) And a second mixed solution containing sodium hydroxide (NaOH), niobium oxide and tetravalent cation oxide to prepare a third mixed solution; And (b) heating the third mixed solution to prepare a crystallized titanosilicate. The present invention also provides a method for producing a titanosilicate having a tetravalent cation introduced therein.

본 발명의 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트는, 니오븀(Nb)을 포함하여 스트론튬을 효율적으로 흡착할 수 있고, 티타노실리케이트의 골격에 포함된 실리콘(Si)의 일부를 게르마늄(Ge) 또는 주석(Sn) 등의 4가 양이온으로 치환하여, 세슘에 대한 결합 배위수가 증가되어 기존에 알려진 티타노실리케이트과 비교할 때, 세슘에 대한 선택성 및 흡착능이 높을 뿐만 아니라, 구조적인 뒤틀림이 감소되어 열적·화학적 안정성이 높아 방사성 핵종 제거를 위한 흡착제로 효과적으로 활용할 수 있다.The titanosilicate introduced with the quadrivalent cation of the present invention can efficiently absorb strontium including niobium (Nb), and a part of silicon (Si) contained in the skeleton of titanosilicate can be substituted with germanium (Ge) or tin Sn), the number of bonds to cesium is increased. As compared with the titanosilicate known in the art, not only the selectivity and adsorption ability to cesium are high but also the structural distortion is reduced and the thermal and chemical stability is high It can be effectively used as an adsorbent for removing radionuclides.

도 1은 실시예 1에 따른 방법에 의해 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.
도 2는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 방법에 의해 제조되어 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트의 X-선 회절분석 결과이다.
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 방법에 의해 제조되어 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트 및 비교예에 따른 방법에 의해 제조된 티타노실리케이트의 세슘 제거율을 측정한 결과이다.
1 is a process diagram showing a process for producing a titanosilicate into which a tetravalent cation is introduced by the method according to the first embodiment.
Fig. 2 shows X-ray diffraction analysis results of titanosilicates prepared by the method according to Example 1 and Example 2 and having tetravalent cations introduced therein.
FIG. 3 shows the results of measurement of cesium removal rates of titanosilicates prepared by the method according to Example 1 and Example 2 and titanosilicate introduced with tetravalent cations and titanosilicate prepared according to the method according to Comparative Example.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은, 니오븀을 포함하고, 4가 양이온이 도입된 구조를 갖는 티타노실리케이트계 흡착제를 제공한다. The present invention provides a titanosilicate-based adsorbent comprising niobium and having a structure in which a tetravalent cation is introduced.

상기한 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트는, 니오븀을 함유하고 티타늄 및 실리콘을 포함하는 구조를 가지며, 상기 티타노실리케이트에 포함된 실리콘(Si)의 일부를 4가 양이온으로 치환하여 세슘에 대한 선택성 및 흡착능이 높아 세슘을 효과적으로 흡착할 수 있다. 상기 니오븀은 방사성 핵종인 스트론튬을 고활성을 흡착할 수 있어, 본 발명의 4가 양이온이 도입된 구조의 티타노실리케이트는 스트론튬 및 니오븀을 효과적으로 흡착할 수 있다.The quaternary cation-introduced titanosilicate has a structure containing niobium and contains titanium and silicon. The quaternary cation has a structure in which a part of silicon (Si) contained in the titanosilicate is replaced with a tetravalent cation, The adsorbing ability is high and cesium can be effectively adsorbed. The niobium can absorb high activity of the radioactive nuclear species strontium, and the titanosilicate having the tetravalent cation structure of the present invention can effectively adsorb strontium and niobium.

상기 티타노실리케이트의 구조에 도입되는 4가 양이온은 티타노실리케이트 구조에 포함된 실리콘(Si) 보다 4 배위에서 안정하고 이온반경이 큰 양이온을 도입하는 것이 바람직하며, 상기 4가 양이온은 게르마늄 4가 양이온, 주석 4가 양이온을 대표적인 예로 들 수 있는데, 상기 티타노실리케이트는 4가의 양이온으로 게르마늄 4가 양이온 또는 주석 4가 양이온을 각각 포함하거나 이들을 동시에 포함할 수도 있다.The tetravalent cation to be introduced into the structure of the titanosilicate is preferably a tetravalent cation which is stable at four coordinates and is larger in ionic radius than the silicon (Si) contained in the titanosilicate structure. The tetravalent cation is preferably a germanium tetravalent cation, Tin tetravalent cations are representative examples of the titanosilicate, which may contain tetravalent cations or contain germanium tetravalent cations or tin tetravalent cations, respectively, at the same time.

보다 상세히 설명하면, 상기 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트계 흡착제는, 티타늄 및 실리콘을 포함하는 구조의 티타노실리케이트에 이온반경이 큰 4가 양이온을 실리콘 대신 도입시킴에 따라, 방사성 핵종 제거를 위해 도입시, 이온반경이 큰 세슘이 이온교환되었을 때, 세슘에 대한 결합 배위수가 증가하고, 동시에 구조적인 튀틀림이 감소되어 열적·화학적으로 안정한 특성을 갖는다.More specifically, the titanosilicate-based adsorbent to which the tetravalent cation is introduced is a tetonisilicate-based adsorbent that introduces quadrivalent cations having a large ion radius into the titanosilicate having a structure including titanium and silicon, instead of silicon, When the cesium having a large ionic radius is ion-exchanged, the number of bonds to cesium increases, and at the same time, structural torsion is reduced, and thus, it is thermally and chemically stable.

따라서, 상기한 바와 같은 본 발명의 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트계 흡착제는, 니오븀(Nb)을 포함하여 스트론튬을 효율적으로 흡착할 수 있고, 티타노실리케이트의 골격에 포함된 실리콘(Si)의 일부를 게르마늄(Ge) 또는 주석(Sn) 등의 4가 양이온으로 치환하여, 방사성 폐액에 포함된 세슘에 대한 결합 배위수가 증가되어 기존에 알려진 티타노실리케이트과 비교할 때, 세슘에 대한 선택성 및 흡착능이 높을 뿐만 아니라, 구조적인 뒤틀림이 감소되어 열적·화학적 안정성이 높아 방사성 핵종 제거를 위한 흡착제로 효과적으로 활용할 수 있다.Accordingly, the titanosilicate-based adsorbent of the present invention having tetravalent cations as described above can efficiently adsorb strontium including niobium (Nb), and can adsorb a part of silicon (Si) contained in the skeleton of titanosilicate Is substituted with tetravalent cations such as germanium (Ge) or tin (Sn), the number of bonds to cesium contained in the radioactive waste solution is increased, and the selectivity and adsorptivity to cesium are high as compared with the titanosilicate known in the art , It is possible to effectively use it as an adsorbent for removing radionuclides because of its high thermal and chemical stability due to reduced structural distortion.

또한, 상기 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트는 5 내지 30%의 치환율로 4가 양이온이 도입되어 방사선 폐액에 포함된 세슘에 대해 높은 선택성 및 흡착능을 나타낼 수 있다.In addition, the titanosilicate into which the tetravalent cation is introduced can introduce tetravalent cation at a substitution rate of 5 to 30% and exhibit high selectivity and adsorptivity for cesium contained in the radioactive waste solution.

상기와 같은 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트는, (a) 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TTIP)와 테트라 에틸올소실리케이트(tetra ethyl ortho silicate, TEOS)를 포함하는 제1 혼합용액 및 수산화 나트륨(NaOH), 산화니오븀(niobium oxide)과 4가 양이온 산화물을 포함하는 제2 혼합용액을 혼합하여 제3 혼합용액을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제3 혼합용액을 가열하여 결정화된 티타노실리케이트(titanosilicate)를 제조하는 단계를 포함하는 방법을 통해 제조할 수 있다.The tetravalent cation-introduced titanosilicate is prepared by (a) mixing a first mixed solution containing titanium isopropoxide (TTIP) and tetraethyl orthosilicate (TEOS) and a first mixed solution containing sodium hydroxide (NaOH), a niobium oxide and a tetravalent cation oxide to prepare a third mixed solution; And (b) heating the third mixed solution to prepare a crystallized titanosilicate.

상기 단계 (a)에서는 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트를 제조하기 위한 전구물질을 혼합하는 단계로서, 티타늄 이소프로폭사이드와 테트라 에틸올소실리케이트를 포함하는 제1 혼합용액 및 수산화 나트륨, 산화니오븀과 4가 양이온 산화물을 포함하는 제2 혼합용액을 혼합하여 제3 혼합용액을 제조할 수 있다.In the step (a), mixing a precursor for producing titanosilicate having a tetravalent cation introduced therein is a step of mixing a first mixed solution containing titanium isopropoxide and tetraethyl orthosilicate, a first mixed solution containing sodium hydroxide, And the second mixed solution containing the tetravalent cation oxide may be mixed to prepare the third mixed solution.

상기 4가 양이온 산화물은 게르마늄(Ge) 또는 주석(Sn)을 포함하는 4가 양이온 산화물은 첨가하여 후술할 단계에서 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트를 제조하도록 구성할 수 있다.The tetravalent cation oxide can be constituted by adding a tetravalent cation oxide including germanium (Ge) or tin (Sn) to produce a titanosilicate into which tetravalent cation is introduced in a step to be described later.

상기 제1 혼합용액에 포함되는 티타늄 이소프로폭사이드 및 테트라 에틸올소 실리케이트를 10:1 내지 1:10의 비율로 혼합하도록 구성하여 후술할 단계에서 결정화 반응을 유도하여 티타노실리케이트 골격이 형성되도록 구성할 수 있으며, 바람직하게는 5:1 내지 1:5의 비율로 혼합할 수 있다.Titanium isopropoxide and tetraethyl orthosilicate contained in the first mixed solution may be mixed in a ratio of 10: 1 to 1:10, and a crystallization reaction may be induced in a step to form a titanosilicate skeleton And preferably in a ratio of 5: 1 to 1: 5.

상기 제2 혼합용액의 경우, 수산화나트륨 수용액에 첨가되는 산화니오븀 및 4가 양이온 산화물을 1:1 내지 1:10의 비율이 되도록 혼합하여 스트론튬의 흡착능력이 높은 니오븀(Nb)을 포함하는 티타노실리케이트의 골격에 포함된 실리콘(Si)의 일부를 4가 양이온으로 치환하며, 방사성 폐액에 포함된 세슘에 대한 결합 배위수 증가에 따라, 세슘 흡착능력이 향상된 티타노실리케이트를 제조할 수 있으며, 바람직하게는 1:2 내지 1:5의 비율로 혼합할 수 있다.In the case of the second mixed solution, niobium oxide and tetravalent cation oxide, which are added to an aqueous solution of sodium hydroxide, are mixed in a ratio of 1: 1 to 1:10 to prepare titanosilicate containing niobium (Nb) having high strontium adsorption capacity (Si) contained in the skeleton of the carbon nanotubes is replaced with tetravalent cations and the titanosilicate having improved cesium adsorption ability can be produced according to an increase in the number of bond coordination to cesium contained in the radioactive waste solution, 1: 2 to 1: 5.

이때, 4가 양이온 산화물의 첨가량을 제2 혼합용액의 총중량을 기준으로 1 내지 20 중량%의 범위가 되도록 구성하여 후술할 단계에서 제조되는 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트의 흡착능력을 보다 향상시키도록 구성할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 10 중량%의 범위가 되도록 혼합할 수 있다.At this time, the addition amount of the tetravalent cation oxide is set to be in the range of 1 to 20 wt% based on the total weight of the second mixed solution, thereby improving the adsorption capacity of the titanosilicate introduced with the tetravalent cation introduced in the subsequent step And preferably 1 to 10% by weight, based on the total weight of the composition.

이와 같이 첨가량을 제한한 이유는 티타노실리케이트 골격에 4가 양이온의 치환량이 너무 많을 경우 티타노실리케이트가 합성되지 않거나 목적하지 않는 불순물이 합성될 수 있으며, 티타노실리케이트 골격에 4가 양이온의 치환량이 너무 작으면 방사성 세슘에 대한 선택성이 저하되는 현상이 발생하기 때문에 첨가량을 조절하도록 구성하여 제조되는 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트의 흡착능력을 향상시킬 수 있다.The reason for limiting the addition amount in this way is that when the substitution amount of the tetravalent cation in the titanosilicate skeleton is too large, the titanosilicate may not be synthesized or an undesired impurity may be synthesized. When the substitution amount of the tetravalent cation in the titanosilicate skeleton is too small The selectivity to radioactive cesium is lowered, so that the adsorption capacity of the titanosilicate introduced with the tetravalent cation introduced by regulating the addition amount can be improved.

또한, 상기와 같은 제1 혼합용액에 제2혼합용액을 첨가하여 충분한 시간 교반하여, 제1 혼합용액 및 제 2혼합용액에 포함된 전구물질이 충분히 분산되도록 구성하여 후술할 단계에서 합성되는 티타노실리케이트의 순도가 보다 향상되도록 구성할 수 있다.Further, the second mixed solution is added to the first mixed solution and stirred for a sufficient time to form the precursor contained in the first mixed solution and the second mixed solution sufficiently to be dispersed, and the titanosilicate The purity of the solution can be further improved.

상기 단계 (b)에서는 상기 제3 혼합용액을 가열하여 결정화 반응을 유도해 티타노실리케이트 결정을 제조하는 단계로서, 상기 제3 혼합용액을 가열해 수열 합성을 유도하여 결정화된 티타노실리케이트를 제조하도록 구성할 수 있다.In the step (b), the third mixed solution is heated to induce a crystallization reaction to produce a titanosilicate crystal. The third mixed solution is heated to induce hydrothermal synthesis to form a crystallized titanosilicate .

본 단계에서는 상기와 같은 수열합성을 위해, 100 내지 300 ℃의 온도에서 24 내지 150 시간 동안 수행되도록 구성하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 150 ℃ 내지 220 ℃의 온도에서 48 내지 120 시간, 더욱 바람직하게는 170 ℃ 내지 220 ℃의 온도에서 72 시간 이상 수행하도록 구성하여 상기와 같은 수열합성을 통해 티타노실리케이트 결정을 제조할 수 있다.In this step, the hydrothermal synthesis is preferably carried out at a temperature of 100 to 300 ° C for 24 to 150 hours, more preferably at a temperature of 150 to 220 ° C for 48 to 120 hours, And the reaction is carried out at a temperature of 170 ° C to 220 ° C for 72 hours or more, and the titanosilicate crystals can be prepared through hydrothermal synthesis as described above.

또한, 본 단계에서는 제조된 티타노실리케이트 결정을 세척하는 단계를 추가적으로 포함하도록 구성하여 선택성이 향상된 티타노실리케이트 결정을 제조하도록 구성할 수 있으며, 증류수, 염산(HCl), 질산(HNO3), 황산(H2SO4), 인산(H3PO4) 또는 수산화나트륨(NaOH)을 이용하여 세척하도록 구성할 수 있다.In this step, the titanosilicate crystals prepared may be further washed to prepare titanosilicate crystals having improved selectivity. The titanosilicate crystals may be prepared by adding distilled water, hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO 3 ), sulfuric acid 2 SO 4 ), phosphoric acid (H 3 PO 4 ), or sodium hydroxide (NaOH).

일례로, 상기 티타노실리케이트를 실온까지 식힌 다음 증류수로 세척한 후, 1 M의 염산과 1 M의 수산화 나트륨으로 각각 세척하는 방법을 통해 티타노실리케이트를 제조할 수 있다. For example, the titanosilicate can be prepared by cooling the titanosilicate to room temperature, washing with distilled water, and washing with 1 M hydrochloric acid and 1 M sodium hydroxide, respectively.

또한, 상기와 같이 세척된 티타노실리케이트 결정을 건조하는 단계를 포함하도록 구성할 수 있으며, 건조는 공지된 다양한 건조방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 50 ℃의 온도에서 건조되도록 구성할 수 있다.The method may further include drying the washed titanosilicate crystals. The drying may be performed using various known drying methods, and preferably at a temperature of 50 ° C.

상기한 바와 같은 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트의 제조방법을 이용하면, 4가 양이온이 도입되어 방사성 폐액에 포함된 세슘에 대한 결합 배위수가 증가됨과 동시에 구조적인 뒤틀림이 감소되어 열적·화학적 안정성이 높고, 세슘에 대한 선택성 및 흡착능이 우수한 티타노실리케이트 입자를 제조할 수 있다.The use of the tetanusilicate-containing process for preparing tetanusilides as described above allows introduction of tetravalent cations to increase the number of bonds to cesium contained in the radioactive waste solution and reduce the structural distortion, It is possible to produce titanosilicate particles having high selectivity to cesium and excellent adsorptivity.

또한, 본 발명은 상기와 같은 특성을 갖는 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트를 포함하는 방사성 핵종 제거용 티타노실리케이트계 흡착제를 제공한다.The present invention also provides a titanosilicate-based adsorbent for removing radionuclides, which comprises a titanosilicate having a tetravalent cation introduced therein.

상기 흡착제는 분말, 발포체, 필름 등의 형태를 가질 수 있으며, 상기 흡착제를 컬럼에 충진재로 충진하고, 폐액을 컬럼에 통과시킴으로써, 폐액에 포함된 방사성 핵종을 손쉽게 제거하도록 구성할 수 있으며, 직물 등에 상기 흡착제를 고정하여 방사성 핵종 제거를 위해 효과적으로 활용이 가능하다.The adsorbent may be in the form of a powder, a foam, a film, etc. The adsorbent may be packed in a column with a filler and the waste solution may be passed through a column to easily remove the radionuclide contained in the waste solution. It is possible to fix the adsorbent and effectively utilize it to remove radionuclides.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Also, the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

도 1에 나타낸 바와 같은 방법을 이용해 실시예에 따른 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트를 제조하였으며, 각 단계를 하기에서 상세히 설명한다. The titanosilicate with the tetravalent cation introduced according to the example was prepared by the method shown in Fig. 1, and each step is described in detail below.

100 mL 테프론 용기에 4 g의 티타늄이소프로폭사이드(TTIP)와 4 g의 테트라 에틸올소실리케이트(TEOS)가 혼합된 제1 혼합 용액에 0.5 g의 산화니오븀 및 2 g의 산화게르마늄을 수산화나트륨 용액 50 mL에 혼합하여 제조된 제 2 혼합용액을 첨가한 후, 교반하여 제3 혼합 용액을 제조하였다.To a first mixed solution of 4 g of titanium isopropoxide (TTIP) and 4 g of tetraethyl orthosilicate (TEOS) in a 100 mL Teflon vessel was added 0.5 g of niobium oxide and 2 g of germanium oxide in a sodium hydroxide solution 50 mL, and the mixture was stirred to prepare a third mixed solution.

제조된 제3 혼합 용액이 담지된 테프론 용기를 열수합성기에 넣어 뚜껑을 닫은 후, 200 ± 5 ℃로 3일 동안 전기로에서 가열하여 4가 양이온이 골격에 도입된 티타노실리케이트를 합성하였다. The Teflon container carrying the third mixed solution thus prepared was placed in a hot water synthesizer, and the lid was closed. Then, the titanosilicate having tetravalent cation introduced into the skeleton was synthesized by heating in an electric furnace at 200 ± 5 ° C for 3 days.

상기와 같이 합성된 티타노실리케이트를 증류수로 세척한 후 1 M 염산용액으로 약 3시간, 이어서 1 M의 수산화나트륨용액으로 40 ℃에서 3시간 동안 세척한 다음, 증류수로 세척 후 50 ℃ 오븐에서 건조하였다. 건조된 시료를 X-선 회절분석기를 이용하여 회절 패턴을 분석하였으며, 그 결과를 도 2(a)에 나타내었다.The thus-synthesized titanosilicate was washed with distilled water, washed with 1 M hydrochloric acid solution for about 3 hours and then with 1 M sodium hydroxide solution for 3 hours at 40 ° C., washed with distilled water, and dried in an oven at 50 ° C. . The dried samples were analyzed for diffraction pattern using an X-ray diffractometer, and the results are shown in FIG. 2 (a).

도 2(a)에 나타난 바와 같이 제조된 티타노실리케이트는 티타노실리케이트의 특징적인 회절 패턴이 뚜렷하게 나타나고 있는 것으로 보아 티타노실리케이트가 합성 되었음을 확인하였다.As shown in FIG. 2 (a), the titanosilicate exhibits distinct diffraction pattern of titanosilicate, which indicates that titanosilicate has been synthesized.

또한, 상기와 같이 제조된 티타노실리케이트의 조성을 분석하기 위해서, 실시예 1에서 제조된 티타노실리케이트의 조성을 X-선 형광분석기를 이용하여 골격에 도입된 게르마늄 및 주석의 도입량을 확인하였으며 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다. In order to analyze the composition of the titanosilicate prepared as described above, the amount of germanium and tin introduced into the skeleton was confirmed by using an X-ray fluorescence analyzer for the composition of the titanosilicate prepared in Example 1, Table 1 shows the results.

Figure pat00001
Figure pat00001

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 티타노실리케이트에는 게르마늄을 12.47 %의 함량으로 포함하는 것으로 확인되어, 실시예 1에 따라 제조된 티타노실리케이트는 티타늄 골격의 일부가 게르마늄으로 치환된 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트(NGTS)인 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 1, it was confirmed that the titanosilicate prepared according to Example 1 contained germanium in an amount of 12.47%, and the titanosilicate prepared according to Example 1 had a structure in which a portion of the titanium skeleton was substituted with germanium Was confirmed to be titanosilicate (NGTS) into which a cation was introduced.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

제 2 혼합용액으로 2 g의 산화게르마늄 대신 1g의 산화주석을 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 티타노실리케이트를 제조하였다.A titanosilicate was prepared in the same manner as in Example 1, except that 1 g of tin oxide was added instead of 2 g of germanium oxide as the second mixed solution.

제조한 티타노실리케이트를 X-선 회절분석기를 이용하여 회절 패턴을 분석하였으며, 그 결과를 도 2(b)에 나타내었다.The titanosilicate thus prepared was analyzed for diffraction pattern using an X-ray diffractometer, and the result is shown in FIG. 2 (b).

도 2(b)에 나타난 바와 같이, 제조된 티타노실리케이트는 티타노실리케이트의 특징적인 회절 패턴이 뚜렷하게 나타나고 있는 것으로 보아 티타노실리케이트가 합성 되었음을 확인하였다.As shown in FIG. 2 (b), it was confirmed that the titanosilicate was synthesized because the characteristic diffraction pattern of the titanosilicate was apparent.

또한, 상기와 같이 제조된 티타노실리케이트의 조성을 분석하기 위해서, 실시예 2에 따라 제조된 티타노실리케이트의 조성을 X-선 형광분석기를 이용하여 골격에 도입된 게르마늄 및 주석의 도입량을 확인하였으며, 그 결과를 상기의 표 1에 나타내었다. In order to analyze the composition of the titanosilicate prepared as described above, the amount of germanium and tin introduced into the skeleton was confirmed by using an X-ray fluorescence analyzer for the composition of the titanosilicate prepared in Example 2, Shown in Table 1 above.

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 2에 따라 제조된 티타노실리케이트에는 주석을 18.98 %의 함량으로 포함하는 것으로 확인되어, 실시예 2에 따라 제조된 티타노실리케이트는 티타늄 골격의 일부가 주석으로 치환된 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트(NSTS)인 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 1, the titanosilicate prepared according to Example 2 was found to contain tin in an amount of 18.98%, and the titanosilicate prepared according to Example 2 was found to have a structure in which a portion of the titanium skeleton was replaced with tin Was titanosilicate (NSTS) introduced with cations.

<비교예><Comparative Example>

TTIP와 TEOS를 포함하는 제 1혼합용액 만을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 결정화하여 티타노실리케이트(TS)를 제조하였다.Titanosilicate (TS) was prepared by crystallizing only the first mixed solution containing TTIP and TEOS in the same manner as in Example 1.

<실험예> 수용액상 세슘 제거능력 평가&Lt; Experimental Example > Evaluation of ability to remove aqueous cesium

상기 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트의 수용액에 포함된 세슘의 제거능력을 평가하기 위해서, NGTS, NSTS 및 TS를 사용하여 수용액상에서의 세슘제거능력을 평가하였다. In order to evaluate the removal ability of cesium contained in the aqueous solution of titanosilicate introduced with tetravalent cations according to the above Example 1 and Example 2, the cesium removal ability in an aqueous solution was evaluated using NGTS, NSTS and TS Respectively.

이를 위해, 세슘농도가 100 ppm인 용액 15 mL에 0.1 g의 NGTS, NSTS 및 TS를 각각 첨가하고 24시간 동안 교반한 후 상등액을 채취하였다. 채취한 상등액을 필터를 이용하여 불순물을 제거한 다음, 용액속에 남아 있는 세슘의 함량을 유도결함 플라즈마 분광기를 이용하여 측정하였으며 측정 결과를 도 3에 나타내었다. To this end, 0.1 g of NGTS, NSTS and TS were added to 15 mL of a solution having a cesium concentration of 100 ppm. After stirring for 24 hours, the supernatant was collected. The collected supernatant was filtered to remove impurities, and the content of cesium remaining in the solution was measured using an induction defect plasma spectrometer. The measurement results are shown in FIG.

도 3에 나타난 바와 같이, NGTS 및 NSTS의 경우 흡착 후 용액속에 남아 있는 세슘농도가 0 ppm으로 나타나 제거율이 100 %로 나타난 반면, TS의 경우 흡착 후 용액속에 남아 있는 세슘농도가 2.5 ppm으로 나타나 제거율이 97.5 %로 나타나 실시예 1 및 실시예 2에 따른 4가 양이온이 치환된 티타노실리케이트의 세슘제거능력이 비교예에 따라 제조된 티타노실리케이트의 세슘제거능력보다 우수한 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 3, in the case of NGTS and NSTS, the cesium concentration remaining in the solution after the adsorption was 0 ppm and the removal rate was 100%, whereas in the case of TS, the cesium concentration remaining in the solution after the adsorption was 2.5 ppm, Was 97.5%, indicating that the cesium-removing ability of the titanosilicate substituted with tetravalent cations according to Example 1 and Example 2 was superior to that of the titanosilicate prepared according to the Comparative Example.

이에 따라, 4가 양이온으로 치환된 본 발명에 따른 티타노실리케이트를 방사성 오염물질, 특히, 수질에 포함된 세슘 제거에 효과적으로 사용할 수 있음을 확인할 수 있었다.Accordingly, it has been confirmed that the titanosilicate according to the present invention substituted with tetravalent cations can be effectively used for the removal of cesium contained in radioactive contaminants, particularly water.

Claims (4)

니오븀을 포함하고, 4가 양이온이 도입된 구조를 갖는 티타노실리케이트계 흡착제.A titanosilicate-based adsorbent having a structure containing niobium and having a tetravalent cation introduced therein. 제1항에 있어서,
상기 4가 양이온은 게르마늄 4가 양이온 및 주석 4가 양이온으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트계 흡착제.
The method according to claim 1,
Wherein the tetravalent cation is at least one selected from germanium tetravalent cation and tin tetravalent cation. 2. The titanosilicate sorbent according to claim 1, wherein the tetravalent cation is at least one selected from germanium tetravalent cation and tin tetravalent cation.
제1항에 있어서,
상기 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트는 5 내지 30%의 치환율로 4가 양이온이 도입된 것을 특징으로 하는 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트계 흡착제.
The method according to claim 1,
Wherein the titanosilicate into which the tetravalent cation is introduced has a tetravalent cation introduced at a substitution rate of 5 to 30%.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트를 제조하는 방법에 있어서,
(a) 티타늄 이소프로폭사이드(titanium isopropoxide, TTIP)와 테트라 에틸올소실리케이트(tetra ethyl ortho silicate, TEOS)를 포함하는 제1 혼합용액 및 수산화 나트륨(NaOH), 산화니오븀(niobium oxide)과 4가 양이온 산화물을 포함하는 제2 혼합용액을 혼합하여 제3 혼합용액을 제조하는 단계; 및
(b) 상기 제3 혼합용액을 가열하여 결정화된 티타노실리케이트(titanosilicate)를 제조하는 단계를 포함하는 4가 양이온이 도입된 티타노실리케이트의 제조방법.
A method for producing a tetradentate-introduced titanosilicate according to any one of claims 1 to 3,
(a) a first mixed solution comprising titanium isopropoxide (TTIP) and tetraethyl orthosilicate (TEOS), and a first mixed solution comprising sodium hydroxide (NaOH), niobium oxide and tetraethyl orthosilicate Mixing a second mixed solution containing a cationic oxide to prepare a third mixed solution; And
and (b) heating the third mixed solution to prepare crystallized titanosilicate. The method for producing titanosilicate according to claim 1,
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