KR20190032247A - 나노융합소재를 이용하여 방사성 오염수를 처리하는 수처리 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

나노융합소재를 이용하여 방사성 오염수를 처리하는 수처리 시스템 및 그 방법이 제공된다. 이 시스템은, 유기물 및 방사성 물질이 함유된 오염수를 외부로부터 공급받아 저장하는 원수 탱크, 나노여과 및 정전기적 상호 작용을 통해 상기 오염수로부터 상기 유기물 및 상기 방사성 물질을 제거하는 나노여과막필터, 상기 원수 탱크와 제1 배관을 통해 연결되고, 상기 나노여과막필터의 후단에 제2 배관을 통해 연결되며, 정전기적 상호 작용을 통해, 상기 원수 탱크로부터 배출되는 오염수 또는 상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수에서 유기물 및 방사성 물질을 제거하는 나노흡착필터, 상기 나노흡착필터로부터 배출되는 처리수를 저장하는 처리수 탱크, 상기 원수 탱크와 상기 나노흡착필터 사이에 연결되는 제1 밸브(V1), 그리고 상기 원수 탱크와 상기 나노여과막필터 사이에 연결되는 제2 밸브(V2)를 포함하고, 상기 제1 밸브(V1) 및 상기 제2 밸브(V2)는, 교차 개폐된다.

Description

나노융합소재를 이용하여 방사성 오염수를 처리하는 수처리 시스템 및 그 방법{WATER TREATMENT SYSTEM AND METHOD FOR RADIOACTIVE CONTAMINATED WATER USING NANO-HYBRID MATERIALS}
본 발명은 나노융합소재를 이용하여 방사성 오염수를 처리하는 수처리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
우리나라를 비롯한 많은 전세계 국가들에서 우라늄, 라돈 등과 같은 자연 방사성 물질에 의한 지하수 오염이 문제가 되어 왔다. 특히, 지하수를 바로 음용수로 사용하거나 먹는 샘물의 원수로 사용하는 지역의 경우, 치명적인 피해를 줄 수 있다.
환경부 보도 자료에 의하면, 2014년도 지하수 중 자연 방사성 물질 조사결과 101개가 발견되었고, 시·군·구 604개의 장소의 마을 상수도 조사한 결과, 우라늄 19개의 장소 등이 미국 먹는 물 수질 기준 또는 제한치를 초과한 것으로 나타났다. 이에 자연 방사성 물질의 초과 검출 지역에 대해 저감 장치 설치, 대체 수원 개발 등을 추진하며, 먹는 샘물 수질 기준으로 우라늄(30㎍/L 이하) 입법이 시행되었다.
일본의 후쿠시마 원전 폭발 사고로 인해 대량의 방사성 물질들이 유출되었다. 원전 주변 토양/지하수와 바다의 방사성 오염 및 오염수 유출이 최근까지도 큰 이슈가 되고 있다. 원전 오염 사고에 의한 방사성 오염의 경우, 자연 방사성 물질에 의한 오염과는 달리 우라늄-235의 방사성 붕괴 때문에 생성되는 요오드(iodine)와 세슘(Cesium)이 문제가 되고 있다.
원전 시설 운영 중에 방사성 물질에 의해 오염된 폐기물이 발생하며 처리 과정 중 냉각수의 유출 또는 방사성 폐기물의 침출수와, 방사성 폐기물의 저장 용량 포화 상태로 인해 요오드와 세슘 등이 발생할 수 있으므로, 이로 인한 토양, 지하수가 오염될 가능성이 충분하다.
또한, 국내 원자력 발전소의 경우, 별도 저장시설에 보관 중인 방사성 폐기물의 저장 용량이 포화상태에 도달할 예정이다. 그러므로 새로운 방사성 폐기물 관리시설 건설과 함께 방사성 폐기물로 인한 지하수의 오염 방지 및 정화 기술의 도입이 시급한 실정하다.
방사성 물질에 대한 제어 연구는 개별 물질별로 연구들이 진행되었으나, 다양한 방사성 물질들을 동시에 제어할 수 있는 기술에 관한 연구는 미흡하다.
또한, 종래에 방사성 물질을 제거하는 소재로 탄소소재 흡착제가 이용되었으나, 이는 우라늄 등의 방사성 물질에 대한 제거율 및 분산성이 낮다는 문제가 있다.
또한, 지하수 내 존재하는 방사성 물질은 매우 낮은 농도로 존재하기 때문에 단일 공정의 화학적/물리적 방법의 경우, 제거 비용이 비싸고 효율이 낮다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나노융합소재를 이용하는 서로 다른 두가지 이상의 수처리 공정을 결합하여 방사성 오염수를 처리하는 수처리 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 수처리 시스템은 유기물 및 방사성 물질이 함유된 오염수를 외부로부터 공급받아 저장하는 원수 탱크, 나노여과 및 정전기적 상호 작용을 통해 상기 오염수로부터 상기 유기물 및 상기 방사성 물질을 제거하는 나노여과막필터, 상기 원수 탱크와 제1 배관을 통해 연결되고, 상기 나노여과막필터의 후단에 제2 배관을 통해 연결되며, 정전기적 상호 작용을 통해, 상기 원수 탱크로부터 배출되는 오염수 또는 상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수에서 유기물 및 방사성 물질을 제거하는 나노흡착필터, 상기 나노흡착필터로부터 배출되는 처리수를 저장하는 처리수 탱크, 상기 원수 탱크와 상기 나노흡착필터 사이에 연결되는 제1 밸브(V1), 그리고 상기 원수 탱크와 상기 나노여과막필터 사이에 연결되는 제2 밸브(V2)를 포함하고, 상기 제1 밸브(V1) 및 상기 제2 밸브(V2)는, 교차 개폐된다.
상기 수처리 시스템은, 상기 제1 밸브(V1)가 개방되고 상기 제2 밸브(V2)가 폐쇄된 경우, 상기 오염수는 상기 원수 탱크로부터 상기 나노흡착필터로 배출되어 오염수 내 농도가 정해진 임계치 이하인 저농도 유기물과 상기 방사성 물질이 상기 오염수로부터 제거되고, 상기 제1 밸브(V1)가 폐쇄되고 상기 제2 밸브(V2)가 개방된 경우, 상기 오염수는 상기 원수 탱크로부터 상기 나노여과막필터로 배출되고, 이어서 상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수는 상기 나노흡착필터로 공급되어, 오염수 내 농도가 정해진 임계치 이상인 고농도 유기물과 상기 방사성 물질이 상기 오염수로부터 제거될 수 있다.
상기 수처리 시스템은, 상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수를 역삼투압 이상의 압력으로 누과시켜 상기 유기물 및 상기 방사성 물질이 포함된 농축수와 상기 유기물 및 상기 방사성 물질이 포함되지 않은 처리수로 분리하고, 상기 처리수는 상기 처리수 탱크로 배출하는 역삼투분리막필터, 상기 나노여과막필터와 상기 나노흡착필터 사이에 연결되는 제3 밸브(V3), 그리고 상기 나노여과막필터와 상기 역삼투분리막필터 사이에 연결되는 제4 밸브(V4)를 더 포함하고, 상기 제3 밸브(V3) 및 상기 제4 밸브(V4)는, 교차 개폐될 수 있다.
상기 수처리 시스템은, 상기 나노여과막필터와 상기 역삼투분리막필터 사이에 배치되어, 상기 여과수로부터 미세물질을 필터링한 후, 상기 미세물질이 필터링된 여과수를 상기 역삼투분리막필터로 배출하는 마이크로필터를 더 포함할 수 있다.
상기 수처리 시스템은, 상기 제1 밸브(V1) 및 상기 제3 밸브(V3)는 폐쇄되고, 상기 제2 밸브(V2) 및 상기 제4 밸브(V4)가 개방된 경우, 상기 오염수는 상기 원수 탱크로부터 상기 나노여과막필터로 배출되고, 이어서 상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수는 상기 역삼투분리막필터로 공급되어, 오염수 내 농도가 정해진 임계치 이상인 고농도 유기물과 상기 방사성 물질이 상기 오염수로부터 제거될 수 있다.
상기 역삼투분리막필터는, 우라늄, 그리고 요오드 또는 세슘을 제거하고, 상기 나노여과막필터 및 상기 나노흡착필터는, 우라늄을 제거할 수 있다.
상기 제1 밸브(V1), 상기 제2 밸브(V2), 상기 제3 밸브(V3) 및 상기 제4 밸브(V4)는, 전자 밸브이고, 상기 제1 밸브(V1), 상기 제2 밸브(V2), 상기 제3 밸브(V3) 및 상기 제4 밸브(V4)와 유선 또는 무선으로 연결되고, 상기 오염수 내 유기물의 농도 또는 상기 방사성 물질의 종류를 기초로, 상기 제1 밸브(V1), 상기 제2 밸브(V2), 상기 제3 밸브(V3) 및 상기 제4 밸브(V4)를 선택적으로 개폐시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 수처리 시스템은, 상기 원수 탱크에 설치되어, 상기 원수 내 유기물의 농도를 측정하고, 측정 결과를 상기 제어부로 출력하는 유기물농도측정센서를 더 포함할 수 있다.
상기 수처리 시스템은, 상기 원수 탱크에 설치되어, 상기 원수 내 방사성 물질의 농도를 측정하고, 측정 결과를 상기 제어부로 출력하는 방사성 물질 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 나노흡착필터는, 탄소계 물질인 입상 활성탄(Granular Activated Carbon, GAC)이 담체로 사용되고 표면에 철산화물(Magnetite, Fe3O4)이 코팅될 수 있다.
상기 나노여과막필터는, 다공성 세라믹막의 표면에 나노입자층이 형성된 세라믹 나노여과막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 수처리 방법은, 원수 탱크, 나노흡착필터, 상기 나노흡착필터의 전단에 배치한 나노여과막필터, 처리수 탱크, 복수의 전자 밸브 및 제어부를 포함하는 수처리 시스템에서, 상기 제어부의 수처리 방법으로서, 상기 원수 탱크에 저장된 오염수의 유기물 농도가 기 정의된 제1 임계치 이하인지 판단하는 단계, 그리고 상기 제1 임계치 이하로 판단되면, 상기 원수 탱크와 상기 나노흡착필터 사이에 연결된 제1 밸브를 개방하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계를 포함하고, 상기 오염수는, 상기 나노흡착필터를 통과하여 정전기적 상호 작용에 의한 흡착을 통해 상기 유기물 및 상기 방사성 물질이 제거된다.
상기 판단하는 단계 이후, 상기 제1 임계치 이하가 아니면, 상기 유기물 농도가 기 정의된 제2 임계치 이상인지 판단하는 단계, 그리고 상기 제2 임계치 이상으로 판단되면, 상기 원수 탱크와 상기 나노여과막필터 사이에 연결된 제2 밸브 및 상기 나노여과막필터와 상기 나노흡착필터 사이에 연결된 제3 밸브를 개방하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계를 더 포함하고, 상기 오염수는, 상기 나노여과막필터 및 상기 나노흡착필터를 순차적으로 통과하여 나노 여과 및 정전기적 상호 작용에 의한 흡착을 통해 상기 유기물 및 상기 방사성 물질이 제거될 수 있다.
상기 수처리 시스템은, 상기 나노여과막필터의 후단에 배치된 역삼투분리막필터를 더 포함하고, 상기 제3 밸브를 개방하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계는, 상기 방사성 물질 내 기 설정된 특정 종류의 방사성 물질의 함유 여부를 판단하는 단계, 상기 특정 종류의 방사성 물질이 함유되지 않은 것으로 판단되면, 제2 밸브 및 상기 제3 밸브를 개방하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계, 그리고 상기 특정 종류의 방사성 물질이 함유된 것으로 판단되면, 상기 제2 밸브, 그리고 상기 나노여과막필터 및 상기 역삼투분리막필터 사이에 설치된 제4 밸브를 개발하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계를 포함하며, 상기 오염수는, 상기 나노여과막필터 및 상기 역삼투분리막필터를 순차적으로 통과하여 나노 여과, 정전기적 상호 작용에 의한 흡착 및 역삼투압에 따른 분리 과정을 통하여 상기 유기물 및 상기 특정 종류의 방사성 물질이 제거될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 나노융합소재의 특성을 이용하는 서로 다른 두가지 이상의 수처리 공정을 결합하여 우라늄과 같은 자연 방사성 물질과 요오드, 세슘과 같은 방사성 사고에 의해 유출될 수 있는 물질들을 동시에 효과적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 수처리 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수처리 시스템을 나타낸다.
도 3은 도 1의 수처리 시스템을 이동식으로 구현한 예시를 나타낸 측면도이다.
도 4는 도 1의 수처리 시스템을 이동식으로 구현한 예시를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수처리 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노흡착필터를 통과한 원수의 우라늄 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노흡착필터의 우라늄 및 유기물의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재 별로 수처리후 원수 내 우라늄 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재 별로 우라늄 및 유기물의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재 별로 수처리후 원수 내 우라늄(U), 요오드(I), 세슘(Cs)의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재 별로 우라늄 및 유기물의 제거율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 원수의 pH 별로 상대적인 우라늄종(uranium species) 분포도(distribution)를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 원수의 pH 별로 나노여과막필터(Ceramic NF membrane)의 제타 포텐셜(zeta potential)의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 원수의 pH 별로 나노흡착필터들의 제타 포텐셜을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 나노흡착필터의 종류 별 우라늄 제거 성능을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 우라늄 초기 농도에 따른 잔여 농도를 나타낸 그래프이다.
도 17은 저농도 우라늄의 제거 실험에 따른 결과를 나타낸다.
도 18은 고농도 우라늄의 제거 실험에 따른 결과를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.
도면을 참고하여, 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재를 이용하여 방사성 오염수를 처리하는 수처리 시스템 및 그 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 수처리 시스템은 나노융합소재를 이용하여 오염된 지하수를 정화한다. 이러한 수처리 시스템의 주요 처리 대상 물질은 방사성 물질이다. 방사성 물질은 우라늄 등과 같은 자연방사성 물질, 및 요오드, 세슘 등과 같은 방사성 사고에 의한 유출 가능 물질을 포함한다.
나노융합소재는 구성하는 요소의 크기가 100nm 이내인 소재를 제조하는 기술과 소재의 물성을 이해하고 활용하는 기술이라 정의할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재는 탄소계 담체에 금속산화물, 유기화학 작용기(functional group) 등이 결합된 융합소재이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재는 나노흡착(Nano absorbent) 필터(filter)와 나노여과(Nano Filtration, NF)막(Membrane) 필터를 포함한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 수처리 시스템을 나타내고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수처리 시스템을 나타내며, 도 3은 도 1의 수처리 시스템을 이동식으로 구현한 예시를 나타낸 측면도이고, 도 4는 도 1의 수처리 시스템을 이동식으로 구현한 예시를 나타내는 평면도이다.
이때, 도 1 ~ 도 4에 도시한 수처리 시스템(100)은 도시된 구성요소보다 더 많은 구성요소를 필요로 하나, 본 발명의 기술적 사상과 관련된 구성요소를 도시하고, 나머지 구성요소들은 생략하였다.
도 1을 참조하면, 수처리 시스템(100)은 원수 탱크(101), 나노흡착필터(103), 나노여과막필터(105), 마이크로(Micro)필터(107), 역삼투분리막(Reverse Osmosis Membrane, RO)필터(109) 및 처리수 탱크(111)와, 복수의 밸브(V1, V2, V3, V4)를 포함한다. 이때, 각 구성요소(101, 103, 105, 107, 109, 111)는 원수 또는 처리수가 흐르는 유로 또는 배관을 통해 상호 연결된다.
V1은 원수 탱크(101)와 나노흡착필터(103) 사이의 배관에 장착되고, 원수 탱크(101)로부터 나노흡착필터(103)를 향하는 원수의 출입을 조절한다.
V2는 원수 탱크(101)와 나노여과막필터(105) 사이의 배관에 장착되고, 원수 탱크(101)로부터 나노여과막필터(105)를 향하는 원수의 출입을 조절한다.
V3는 나노여과막필터(105)와 나노흡착필터(103) 사이의 배관에 장착되고, 나노여과막필터(105)로부터 나노흡착필터(103)를 향하는 처리수의 출입을 조절한다.
V4는 나노여과막필터(105)와 역삼투분리막필터(109) 사이의 배관에 장착되고, 나노여과막필터(105)로부터 역삼투분리막필터(109)를 향하는 처리수의 출입을 조절한다.
원수 탱크(101)는 외부로부터 오염된 원수(raw water)를 공급받아 저장한다.
도시하지는 않았으나, 원수 탱크(101)와 V1, 또는 원수 탱크(101)와 V2 사이에는 원수유입펌프(미도시)가 설치될 수 있다. 따라서, 원수는 원수유입펌프(미도시)에 의해 나노흡착필터(103) 또는 나노여과막필터(105)로 이동할 수 있다.
나노흡착필터(103)는 정전기적 상호 작용으로 원수 내 함유된 방사성 물질을 흡착함으로써, 원수로부터 방사성 물질을 제거한다. 나노흡착필터(103)는 탄소계 담체에 금속산화물 및 작용기가 결합된 형태를 하고 있으며, 흡착표면의 극대화를 위하여 나노 수준의 입자 크기를 가진다.
나노흡착필터(103)의 표면 전위는 양(+)의 값을 가지고, 원수 내 함유된 방사성 물질은 음(-)의 전하를 가진다. 따라서, 음(-)전하 방사성 물질과 양(+) 전하의 나노흡착필터(103) 사이의 정전기적 인력에 따른 화학적 흡착이 이루어진다. 이를 통해 원수로부터 방사성 물질이 제거된다.
나노흡착필터(103)는 탄소계 물질인 입상 활성탄(Granular Activated Carbon, GAC)을 담체로 사용하고 표면에 철산화물(Magnetite, Fe3O4)을 코팅하여 형성된다. 이러한 나노흡착필터(103)는 종래의 탄소소재 흡착제의 단점, 즉, 우라늄 등의 방사성 물질에 대한 낮은 제거율 및 낮은 분산성의 문제를 해결한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 나노흡착필터(103)는 철입상활성탄(Fe-GAC), 철알루미늄 산화물(FeAl-oxide), 그래핀(Graphene) 등이 사용될 수 있다. 특히, 철입상활성탄(Fe-GAC)은 실험을 통해 방사성 물질 중에서 우라늄 제거 성능이 탁월함이 증명되었다.
나노여과막필터(105)는 나노흡착필터(103) 또는 역삼투분리막필터(109)의 전단에 위치하는 전처리 필터로서 동작한다. 나노여과막필터(105)는 원수 중에 함유된 방사성 물질을 제거하여 후단 처리의 효율을 높인다.
나노여과막필터(105)는 크기 배제(Size exclusion)와 나노여과막의 표면 전위의 정전기적 인력으로 원수 내 함유된 방사성 물질을 제거한다. 즉, 나노여과막필터(105)는 나노소재의 흡착 특성으로 인하여 1차적으로 방사성 물질을 제거하고, 나노여과막의 기공 크기 이상의 방사성 물질을 배제한다.
나노여과막필터(105)는 기공 크기가 1 내지 수십 nm 크기로서, 방사성 물질은 나노여과막의 기공을 통과하지 못함으로써, 방사성 물질이 제거된다.
나노여과막필터(105)의 표면 전위는 (+) 전하를 띄고 있고, 방사성 물질은 (-) 전하를 띄고 있다. 따라서, 상호 정전기적 인력에 의해 나노여과막필터(105)의 표면에 방사성 물질이 결합되면서 방사성 물질이 제거된다.
나노여과막필터(105)는 유기계 분리막에 나노소재를 첨가하거나 또는 한외여과(ultrafiltration, UF) 계열의 무기계 분리막 표면에 나노입자층을 형성함으로써, 나노여과막으로 개질된 것일 수 있다.
여기서, 무기계 분리막은 세라믹, 유리, 금속 재질 등이 소재로 사용된다. 나노소재는 금속입자, 탄소 나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 그래핀(Graphene) 등을 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 나노여과막필터(105)는 다공성 세라믹막에 나노소재 담지를 통한 선택적 투과성을 부여하여 세라믹 나노여과막을 제조할 수 있다.
마이크로필터(107)는 나노여과막필터(105)를 통과한 처리수에 함유되어 있는 현탁 물질이나 미립자를 제거하여 역삼투분리막필터(109)의 부하를 경감시킨다.
역삼투분리막(RO)필터(109)는 나노여과막필터(105) 및 마이크로필터(107)를 거친 처리수에 대한 방사성 물질을 재처리한다. 역삼투분리막(RO)필터(109)는 처리수를 공급받아 역삼투압 이상의 압력으로 그 내부에 설치된 역삼투압막(미도시)에 투과시켜 저농도의 처리수와 고농도의 농축수, 즉 방사성 물질이 포함된 농축수로 분리한다. 이러한 역삼투분리막(RO)필터(109)는 역삼투압 원리를 이용하며, 역삼투압 원리에 대한 설명은 종래에 알려진 기술을 사용하므로, 자세한 설명은 생략한다.
처리수 탱크(111)는 역삼투분리막(RO)필터(109)를 거쳐 처리된 처리수를 저장한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수처리 시스템(100)은 서로 다른 방식의 수처리 장치, 즉, 나노흡착필터(103), 나노여과막필터(105), 마이크로(Micro)필터(107), 역삼투분리막(Reverse Osmosis Membrane, RO)필터(109)가 혼합되어 있는 하이브리드 형태이다.
이때, 복수의 밸브(V1, V2, V3, V4)를 통해 원수 또는 처리수의 유입 개폐가 조절됨으로써, 수처리 시스템(100)은 나노흡착필터(103), 나노여과막필터(105), 마이크로(Micro)필터(107), 역삼투분리막(Reverse Osmosis Membrane, RO)필터(109) 중에서 일부를 선택적으로 이용하는 수처리 공정을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수처리 공정은 세가지로 구분된다.
제1 수처리 공정은 나노흡착필터(103)만 사용하여 원수 내 저농도 유기물과 방사성 물질 중에서 우라늄을 제거한다.
제2 수처리 공정은 나노여과막필터(105)를 통해 전처리후 나노흡착필터(103)를 사용하여 원수 내 고농도 유기물과 방사성 물질 중에서 우라늄을 제거한다.
제3 수처리 공정은 나노여과막필터(105)를 통해 전처리후 역삼투분리막(RO)필터(109)를 사용하여 원수 내 고농도 유기물과 방사성 물질 중에서 우라늄, 요오드, 세슘을 제거한다.
수처리 시스템(100)이 이러한 세가지 수처리 공정을 선택적으로 수행하는 동작은 다음 표 1과 같다.
유기물 농도 세슘/요오드 함유 유무 V1 V2 V3 V4
저농도 유기물 X On Off Off Off
고농도 유기물 X Off On On Off
고농도 유기물 O Off On Off On
표 1을 참조하면, 원수의 유기물 농도가 저농도이고, 세슘/요오드는 함유되지 않고 우라늄만 포함된 경우, V1은 개방되고 V2, V3, V4는 폐쇄된다. V1의 개방에 따라, 원수 탱크(101)로부터 배출되는 원수는 나노흡착필터(103)로 유입된다. 원수는 나노흡착필터(103)를 통해 유기물과 우라늄이 제거되고, 나노흡착필터(103)를 통과한 처리수는 처리수 탱크(111)로 배출된다.(제1 수처리 공정)
원수의 유기물 농도가 고농도이고, 세슘/요오드는 함유되지 않고 우라늄만 포함된 경우, V2, V3가 개방되고 V1, V4는 폐쇄된다. V2의 개방에 따라, 원수 탱크(101)로부터 배출되는 원수는 나노여과막필터(105)로 유입된다. 원수는 나노여과막필터(105)를 통해 유기물과 우라늄이 제거된다. V3의 개방에 따라, 나노여과막필터(105)를 통과한 1차 처리수는 나노흡착필터(103)로 배출된다. 1차 처리수는 나노흡착필터(103)를 통해 유기물과 우라늄이 제거되고, 나노흡착필터(103)를 통과한 2차 처리수, 즉, 최종 처리수는 처리수 탱크(111)로 배출된다.(제2 수처리 공정)
원수의 유기물 농도가 고농도이고, 우라늄을 비롯하여 세슘/요오드가 검출되면, V2, V4가 개방되고 V1, V3는 폐쇄된다. V2의 개방에 따라, 원수 탱크(101)로부터 배출되는 원수는 나노여과막필터(105)로 유입된다. 원수는 나노여과막필터(105)를 통해 유기물과 우라늄이 제거된다. V4의 개방에 따라, 나노여과막필터(105)를 통과한 1차 처리수는 역삼투분리막(RO)필터(109)로 배출된다. 이때, 역삼투분리막(RO)필터(109)의 전단에 마이크로필터(107)가 위치할 수 있다.
나노여과막필터(105)를 통과한 1차 처리수는 역삼투분리막(RO)필터(109)를 통해 유기물과 우라늄, 세슘, 요오드가 제거되고, 역삼투분리막(RO)필터(109)를 통과한 2차 처리수, 즉, 최종 처리수는 처리수 탱크(111)로 배출된다.(제3 수처리 공정)
여기서, 복수의 밸브(V1, V2, V3, V4)를 개폐하는 작업 모드는 수동 모드와 자동 모드로 구현될 수 있다. 수동 모드로 구현하는 경우, 원수 내에 유기물 농도와 세슘, 요오드 함유 유무를 이미 알고 있는 것을 전제로, 표 1을 기초로 운용자가 해당 수처리 공정을 위한 밸브들을 개폐한다.
자동 모드로 구현하는 경우, 도 2를 참고하여 설명한다. 도 2를 참조하면, 수처리 시스템(100)은 도 1의 구성에 추가로 자동 제어 장치(113)를 포함한다. 자동 제어 장치(113)는 유기물 농도 측정 센서(115), 방사성 물질 측정부(117) 및 제어부(119)를 포함한다. 제어부(119)는 마이크로 컨트롤러(Micro Controller Unit, MCU)일 수 있다.
이때, 제어부(119)는 복수의 밸브(V1, V2, V3, V4)와 유선 또는 무선으로 연결되고, 복수의 밸브(V1, V2, V3, V4)로 개폐를 명령하는 제어 신호를 송신한다.
복수의 밸브(V1, V2, V3, V4)는 제어 신호에 따라 전자적으로 개폐되는 전자 밸브일 수 있다. 이처럼, 제어부(119)는 복수의 밸브(V1, V2, V3, V4)를 제어함으로써, 전술한 각 수처리 공정을 선택적으로 구동한다.
유기물 농도 측정 센서(115)는 원수 탱크(101)에 설치되어, 원수 탱크(101) 내 원수의 유기물 농도를 측정한다. 유기물 농도 측정 센서(115)는 흡광광도법을 통해 유기물의 농도를 측정할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니며, 유기물 농도를 측정하는 다양한 원리가 이용될 수 있다. 유기물 농도 측정 센서(115)는 측정값을 제어부(119)로 출력한다.
방사성 물질 측정부(117)는 원수 내 방사성 물질의 농도를 측정한다. 이러한 방사성 물질 측정부(117)는 센서의 형태로 구현될 수도 있고, 라돈의 함량을 통해 우라늄의 농도를 유추하는 방식을 사용할 수도 있으나, 이러한 기술에 국한되는 것은 아니며, 공개된 다양한 방사성 물질 측정 기술을 이용할 수 있다. 또한, 앞으로 개발될 수질 방사능 측정 기술을 이용할 수 있다.
제어부(119)는 유기물 농도 측정 센서(115) 및 방사성 물질 측정부(117) 각각으로부터 유기물 농도를 측정한 결과와 방사성 물질을 측정한 결과를 수신한다.
제어부(119)는 원수의 유기물 농도를 측정한 결과, 저농도 유기물로 판단되고 방사성 물질에서 우라늄이 검출되면, V1을 개방하는 제어 신호를 V1으로 출력한다.
이때, 복수의 밸브(V1, V2, V3, V4)는 제어부(119)로부터 제어 신호를 수신하기 전에 모두 폐쇄 상태인 것을 전제로 한다.
또한, 제어부(119)는 원수의 유기물 농도를 측정한 결과, 고농도 유기물로 판단되고 방사성 물질에서 우라늄이 검출되면, V2, V3를 개방하는 제어 신호를 V2, V3로 출력한다.
또한, 제어부(119)는 원수의 유기물 농도를 측정한 결과, 고농도 유기물로 판단되고 방사성 물질에서 우라늄, 세슘, 요오드가 검출되면, V2, V3를 개방하는 제어 신호를 V2, V4로 출력한다.
이상의 도 1 및 도 2에서 설명한 수처리 시스템(100)은 이동형으로 구현될 수 있으며, 이를 나타낸 것이 도 3 및 도 4와 같다. 이때, 도 3 및 도 4에는 자동 제어 장치(113)의 구성은 생략하였다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 수처리 시스템(100)은 컨테이너(200) 안에 탑재되어 원하는 지역에 설치될 수 있다. 컨테이너는 이동 가능한 차량에 장착되어, 여러 장소에 옮겨질 수 있다. 따라서, 장소에 구애받지 않고 방사성 물질의 수처리가 가능하게 된다. 예를들면, 방사성 물질로 오염된 지하수 지역에 설치되어, 해당 지역의 지하수에서 방사성 물질을 제거할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수처리 방법을 나타낸 순서도로서, 도 2의 제어부(119)의 동작을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 제어부(119)는 원수에 포함된 방사성 물질의 농도를 측정한다(S101). 제어부(119)는 원수에서 우라늄이 검출되는지 판단(S103)하고, 우라늄이 검출되면, 원수에 포함된 유기물의 농도를 측정한다(S105).
제어부(119)는 유기물의 농도가 0.5mg/L 이하인지 판단한다(S107). 유기물의 농도가 0.5mg/L 이하이면, 원수가 저농도 유기물을 포함하는 것으로 판단하여, 전술한 제1 수처리 공정, 즉, 나노흡착필터(도 1의 103)를 사용하는 수처리를 결정한다(S109).
제어부(119)는 유기물의 농도가 0.5mg/L 이하가 아니라면, 유기물의 농도가 5mg/L 이상인지 판단한다(S111). 유기물의 농도가 5mg/L 이상이 아니라면, S101 단계를 다시 시작한다.
반면, 유기물의 농도가 5mg/L 이상이면, 원수가 고농도 유기물을 포함하는 것으로 판단한다. 그리고 제어부(119)는 원수에서 요오드 또는 세슘이 검출되는지 판단한다(S113).
원수에서 요오드 또는 세슘이 검출되지 않으면, 전술한 제2 수처리 공정, 즉, 나노여과막필터(도 1의 105) 및 나노흡착필터(103)를 사용하는 수처리를 결정한다(S115).
그러나, 원수에서 요오드 또는 세슘이 검출되면, 전술한 제3 수처리 공정, 즉, 나노여과막필터(105) 및 역삼투압분리막필터(도 1의 109)를 사용하는 수처리를 결정한다(S117).
이하에서는 세가지 수처리 공정 각각에 대한 방사성 물질 및 유기물 제거 효과를 그래프 및 표와 함께 설명한다.
이때, 지하수에 자연유기물(Humic acid sodium salt, Aldrich) 및 방사성 물질을 포함시켜 오염수를 제조한 후, 오염수의 유입 압력은 2bar, 유량은 2LPM으로 설정하였다. 여기서, 오염수는 자연유기물을 0.5~5mg/L 포함한다. 그리고 오염수에 포함된 방사성 물질은 우라늄(Uranyl nitrate hexahydrate, Sigma-aldrich), 요오드화칼륨(Potassium iodide(KI), Sigma-aldrich), 염화세슘(Cesium chloride(CsCl), Sigma-aldrich)을 포함한다.
먼저, 도 6 및 도 7은 나노흡착필터(도 1의 103)만 사용하는 제1 수처리 공정의 효과를 설명하는 도면으로서, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노흡착필터를 통과한 원수의 우라늄 농도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노흡착필터의 우라늄 및 유기물의 제거율을 나타낸 그래프이다.
아래 표 2는 수중 내 자연 유기물질을 0.853mg/L, 우라늄을 1.669mg/L 포함한 원수에 대한 나노흡착 공정을 하고, 유기물 및 우라늄에 대해 4주간 평가한 결과를 나타낸다.
구분 원수 1주 2주 3주 4주
나노흡착필터 유기물
(단위:mg/L)		 0.853 0.761 0.548 0.412 0.322
우라늄
(단위:mg/L)		 1.669 0.036 0.038 0.033 0.030
표 2의 원수 내 우라늄의 농도 변화를 그래프로 나타내면 도 6과 같다. 도 6을 참조하면, 원수 내 우라늄의 농도는 1주차때 최대치로 낮아지고, 이후 소량의 감소가 이루어졌다. 즉, 1주차때 대부분의 우라늄이 원수에서 제거됨을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 유기물은 주(또는 회차)를 거듭할수록 제거율이 증가하였다. 우라늄은 차수에 상관없이 평균 우라늄 농도 0.034mg/L로서, 제거율이 97.9%에 육박하는 것을 알 수 있다.
다음, 도 8 및 도 9는 나노여과막필터(도 1의 105)를 사용한 전처리 후 나노흡착필터(도 1의 103)를 사용하는 수처리 공정의 효과를 설명하는 도면으로서, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재 별로 수처리후 원수 내 우라늄 농도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재 별로 우라늄 및 유기물의 제거율을 나타낸 그래프이다.
아래 표 3은 수중 내 자연 유기물을 7.413 mg/L, 우라늄을 1.882 mg/L 포함한 원수에 대한 나노여과막공정 및 나노흡착공정을 한 후, 유기물 및 우라늄에 대해 4주간 평가한 결과를 나타낸다.
구분 원수 1주 2주 3주 4주
나노여과막필터 유기물
(단위:mg/L)		 7.413 3.281 3.112 1.59 1.119
우라늄
(단위:mg/L)		 1.882 0.752 0.812 0.759 0.621
나노흡착필터 유기물 0.981 0.988 0.541 0.165
우라늄 0.031 0.027 0.022 0.017
표 3에 따르면, 원수 내 우라늄의 농도는 1주차 때 나노여과막필터(105)를 통과한 후, 1.882→0.752로 감소하였고, 나노흡착필터(103)를 통과한 후 0.031로 감소하였다. 그리고 원수 내 유기물의 농도는 1주차 때 나노여과막필터(105)를 통과한 후, 7.413→3.281로 감소하였고, 나노흡착필터(103)를 통과한 후 0.981로 감소하였다.
도 9에서 1주차를 예로 들면, 우라늄은 1차 나노여과막 공정에서 0.752mg/L(제거율 60.9%)가 되고, 2차 나노흡착 공정에서 0.031mg/L(제거율 94.7%)가 되는 것을 확인하였다. 그리고 유기물은 1차 나노여과막 공정에서 3.281mg/L(제거율 55.6%)가 되고, 2차 나노흡착 공정에서 0.981mg/L(제거율 70.1%)가 되는 것을 확인하였다. 도 7과 비교하면, 도 9의 유기물은 고농도 유기물로서, 두번의 공정을 거치면서, 제거율이 향상되었다.
다음, 도 10 및 도 11은 나노여과막필터(도 1의 105) 및 역삼투압(RO)필터(도 1의 109)를 사용하는 수처리 공정의 효과를 설명하는 도면으로서, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재 별로 수처리후 원수 내 우라늄(U), 요오드(I), 세슘(Cs)의 농도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 나노융합소재 별로 우라늄 및 유기물의 제거율을 나타낸 그래프이다.
아래 표 4는 원수 내 자연 유기물질을 5.060 mg/L, 우라늄(U) 2.011 mg/L, 요오드(I) 1.982 mg/L, 세슘(Cs) 1.725 mg/L로 하여 나노여과막 공정 및 역삼투압 공정을 한 결과를 나타낸다.
구분 원수 1주 2주 3주 4주
나노여과막필터 유기물
(단위:mg/L)		 5.060 1.911 1.671 1.715 1.681
우라늄
(단위:mg/L)		 2.011 0.885 0.815 0.801 0.611
요오드
(단위:mg/L)		 1.982 1.821 1.84 1.824 1.811
세슘
(단위:mg/L)		 1.725 1.627 1.591 1.611 1.566
역삼투압(RO)
필터		 유기물 0.014 0.021 ND(Not detected, 불검출) ND
우라늄 0.012 0.011 ND ND
요오드 0.109 0.084 0.094 0.076
세슘 0.021 ND 0.031 0.012
표 4의 결과 중 4주동안 우라늄(U), 요오드(I), 세슘(Cs) 각각의 농도 변화를 나타낸 것이 도 10의 그래프이다. 또한, 도 10을 기초로, 나노여과막필터(105) 및 역삼투분리막필터(109) 각각의 우라늄(U) 제거율, 요오드(I) 제거율, 세슘(Cs) 제거율을 나타낸 것이 도 11의 그래프이다.
도 10 및 도 11의 결과를 종합하면, 1차 나노여과막 공정에서 우라늄(U) 0.885 mg/L(제거율 61.3%), 요오드(I) 1.821mg/L(제거율 7.9%), 세슘(Cs) 1.599mg/L(제거율 7.3%)가 된다. 그리고 역삼투압 공정에서, 우라늄(U) 0.006 mg/L(제거율 99.7%), 요오드(I) 0.091 mg/L(제거율 95.4%), 세슘(Cs) 0.016 mg/L(제거율 99.1%)가 되는 것을 확인하였다. 이처럼, 요오드(I)와 세슘(Cs)은 역삼투압 공정에서 제거율이 높아지는 것을 확인할 수 있다.
환경부령 제621호의 먹는물 수질 기준에 따르면, 우라늄은 0.03mg/L을 넘지 않도록 되어 있다. 이상의 수처리 공정의 성능 평가 결과, 제1 수처리 공정에서 우라늄 농도가 먹는물 수질 기준에 근접한 결과를 나타내었다. 또한, 제2 수처리 공정 및 제3 수처리 공정에서 우라늄 먹는물 수질 기준 이하로 우라늄이 제거되는 것을 확인하였다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 나노여과막필터(도 1의 105) 및 나노흡착필터(도 1의 103)의 방사성 물질 제거 성능을 평가한 결과를 그래프 및 표와 함께 설명한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 원수의 pH 별로 상대적인 우라늄종(uranium species) 분포도(distribution)를 나타낸 그래프이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 원수의 pH 별로 나노여과막필터(Ceramic NF membrane)의 제타 포텐셜(zeta potential)의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
여기서, 나노여과막필터는 세라믹(ceramic) 나노여과(nano filtration, NF) 막(membrane)이 사용되었다. 세라믹나노여과막은 세라믹막에 알루미늄 산화물입자가 고온/고압 소결된 세라믹 한외분리(UF)막이 나노분리막으로 개질되었다. 나노분리막으로 개질하기 위해 알루미나(Alumina)-지르코니아(Zirconia) 나노입자를 코팅용액으로 제조하여, 세라믹 한외분리(UF)막에 여과시키는 여과공법을 이용하였다.
도 12를 참조하면, 일반적인 지하수의 pH 조건은 7~9 사이이며, 해당 pH 범위에서 우라늄은 UO2(CO3)(330g/mol), (UO2)2CO3(OH3)-(651g/mol), UO2(CO3)3 4-(450g/mol) 형태의 종들이 존재하나, 이중에서도 (UO2)2CO3(OH3)-(651g/mol), UO2(CO3)3 4-(450g/mol) 형태가 우세함을 알 수 있다.
따라서, pH 조건 7~9 사이에서 우세한 우라늄종인 (UO2)2CO3(OH3)-(651g/mol), UO2(CO3)3 4-(450g/mol)가 세라믹나노여과막의 크기 배제를 통해 제거됨을 알 수 있다.
도 13을 참조하면, 세라믹나노여과막(Ceramic NF membrane)의 제타 포텐셜(Zeta potential)(세로축)은 pH(가로축) 별로 크기를 달리하며, 양(+) 전하를 띄고 있다. pH 조건 7~9 사이에서 우세한 우라늄종인 (UO2)2CO3(OH3)-(651g/mol), UO2(CO3)3 4-(450g/mol)는 음(-) 전하를 띄고 있다. 따라서, (UO2)2CO3(OH3)-(651g/mol), UO2(CO3)3 4-(450g/mol)는 세라믹나노여과막의 표면과의 정전기적 상호작용에 따른 화학적 흡착을 통해 제거된다.
다음, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 원수의 pH 별로 나노흡착필터들의 제타 포텐셜을 나타낸 그래프이고, 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 나노흡착필터의 종류 별 우라늄 제거 성능을 나타낸 그래프이고, 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 우라늄 초기 농도에 따른 잔여 농도를 나타낸 그래프이다.
여기서, 나노흡착필터는 GAC(Granular Activated Carbon, 입상활성탄), Fe2O3(산화철), Fe-GAC가 사용되었다. Fe-GAC는 활성탄 표면에 철산화물을 코팅한 흡착제로서, Fe-GAC 표면에 구형의 철산화물이 입자 형태로 코팅이 되어 있다.
도 14를 참조하면, pH 조건 7~9 사이에서 Fe-GAC의 표면 전위(P1)가 GAC, Fe2O3 보다 높은 양(+)의 값을 가지는 것으로 나타났다. 따라서, 도 12에서 설명한 것처럼, pH 조건 7~9 사이에서 우세한 우라늄종((UO2)2CO3(OH3)-(651g/mol), UO2(CO3)3 4-(450g/mol))은 음(-) 전하를 띄고 있으므로, 우라늄과 Fe-GAC 표면 사이의 정전기적 상호작용으로 인해, 우라늄과 Fe-GAC간의 화학적 흡착이 이루어지며, 이를 통해 우라늄이 제거된다. 여기서, 화학적 흡착이란 흡착제표면과 흡착질의 화학적 결합으로 인한 흡착을 의미한다.
도 15를 참조하면, Fe-GAC에 대한 대조군은 GAC, Fe2O3으로 하였고, 반응시간은 3시간으로 설정하였으며, 오염수의 pH는 7로 하였다. 이때, Fe2O3의 우라늄 제거율은 약35%, GAC의 우라늄 제거율은 약 62%, Fe-GAC의 우라늄 제거율은 약 97%로 측정되었다. 따라서, 철과의 공침을 통한 GAC의 표면 개질은 우라늄 제거율에 있어 35%의 향상을 보여 효과적인 표면개질 방법으로 판단된다.
도 16을 참조하면, Fe-GAC의 성능을 다양한 농도(0.1mg/L ~ 100mg/L)에서 수행하고, 먹는물 수질 기준(0.03mg/L)(P2)과 비교하였다. pH는 7.0으로 조절되었다. 샘플링은 24시간의 충분한 반응 이후에 진행되었으며, 초기 우라늄 농도에 따른 잔여 중금속의 농도를 측정하였다.
초기 농도에 대한 잔여농도 실험결과를 보면, 그래프가 어느 순간, 즉, 우라늄 농도 2를 초과하는 순간을 기점으로 잔여 농도가 급격하게 증가하는 것을 확인 할 수가 있는데 이는 Fe-GAC에 대한 각 중금속의 최대 흡착량과 관계가 있다.
최대 흡착량 이하의 농도 범위에서는 주입된 대부분의 중금속이 Fe-GAC 표면에 흡착된 상태에서 잔여 농도를 갖게 되고, 최대 흡착량 이상으로 중금속이 주입된 농도 범위에서는 흡착되지 못한 잔여 농도로 남게 되기 때문에, 최대 흡착량을 기점으로 서로 다른 경향을 보여주는 것으로 판단된다. 즉, 우라늄 농도 0.1~2에서는 중금속의 잔여 농도가 먹는물 수질기준, 즉, 0.03을 만족하는 것으로 확인된다.
다음, 도 17 및 도 18은 Fe-GAC의 우라늄 흡착에 있어 자연 유기물질의 영향을 확인하기 위하여, 자연유기물질로 선정된 Humic acid를 각 0.5, 5.0 mg/L 농도로 주입하여 실험한 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서, 세분화된 실험결과 도출을 위하여 우라늄의 경우 초기 농도를 저농도(0.1 mg/L)와 고농도(2.0 mg/L)로 나누어서 진행하고 자연유기물질은 0~5.0mg/L를 사용하며, pH는 7을 사용하며, 반응시간은 5시간으로 하였다. Fe-GAC는 1g/L을 사용하였다. 도 17은 저농도 우라늄의 제거 실험에 따른 결과를 나타내고, 도 18은 고농도 우라늄의 제거 실험에 따른 결과를 나타낸다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 저농도와 고농도 우라늄 실험 모두에서, 자연유기물질로 인한 흡착제의 우라늄에 대한 흡착 효율이 저해 되는 것을 확인하였다. 그러나 우라늄 제거에 대해서 자연유기물질의 방해효과가 있음에도 불구하고, Fe-GAC와 GAC 모두 자연유기물질 농도 5.0 mg/L까지 우라늄을 먹는물 수질기준(0.03 mg/L) 이하로 제거 할 수 있다.
저농도 우라늄 조건에서 Fe-GAC와 GAC의 우라늄 제거율을 매우 비슷한 것으로 나타났다. 고농도 우라늄 조건에서 GAC는 0, 0.5, 5.0 mg/L의 자연유기물 조건에서 우라늄 잔여농도 각 0.06, 0.08, 0.16 mg/L로 어느 조건에서도 먹는물 수질기준을 만족시키지 못하였다. 반면, Fe-GAC는 5.0 mg/L 자연유기물질 농도에서는 잔여 우라늄 농도 0.1512 mg/L로 수질기준을 만족하진 못하였지만 0.5 mg/L의 자연유기물질 농도까지 우라늄을 먹는물 수질기준 이하로 제거하여 수질기준을 만족시켰다. 따라서, GAC의 철산화물개질을 통하여 흡착제의 자연유기물에 대한 우라늄 선택성이 향상 된 것으로 사료된다.
위의 실험을 통하여 Fe-GAC와 GAC의 수질기준 만족을 위한 자연유기물질 대응 범위를 조사 할 수 있었으며, 저농도 우라늄에 대해서는 Fe-GAC와 GAC모두 5.0 mg/L의 자연유기물질 농도까지 대응이 가능하지만, 고농도 우라늄에 대해서는 Fe-GAC만이 0.5 mg/L의 자연유기물질 농도까지 대응이 가능했다. 전반적인 자연유기물질 대응 능력은 Fe-GAC가 GAC보다 뛰어난 것으로 나타났으며, 이는 철 산화물에 의한 개질 효과가 자연유기물질에 대한 중금속 선택성을 향상시켰기 때문이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (14)

  1. 유기물 및 방사성 물질이 함유된 오염수를 외부로부터 공급받아 저장하는 원수 탱크,
    나노여과 및 정전기적 상호 작용을 통해 상기 오염수로부터 상기 유기물 및 상기 방사성 물질을 제거하는 나노여과막필터,
    상기 원수 탱크와 제1 배관을 통해 연결되고, 상기 나노여과막필터의 후단에 제2 배관을 통해 연결되며, 정전기적 상호 작용을 통해, 상기 원수 탱크로부터 배출되는 오염수 또는 상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수에서 유기물 및 방사성 물질을 제거하는 나노흡착필터,
    상기 나노흡착필터로부터 배출되는 처리수를 저장하는 처리수 탱크,
    상기 원수 탱크와 상기 나노흡착필터 사이에 연결되는 제1 밸브(V1), 그리고
    상기 원수 탱크와 상기 나노여과막필터 사이에 연결되는 제2 밸브(V2)를 포함하고, 상기 제1 밸브(V1) 및 상기 제2 밸브(V2)는,
    교차 개폐되는, 수처리 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 밸브(V1)가 개방되고 상기 제2 밸브(V2)가 폐쇄된 경우, 상기 오염수는 상기 원수 탱크로부터 상기 나노흡착필터로 배출되어 오염수 내 농도가 정해진 임계치 이하인 저농도 유기물과 상기 방사성 물질이 상기 오염수로부터 제거되고,
    상기 제1 밸브(V1)가 폐쇄되고 상기 제2 밸브(V2)가 개방된 경우, 상기 오염수는 상기 원수 탱크로부터 상기 나노여과막필터로 배출되고, 이어서 상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수는 상기 나노흡착필터로 공급되어, 오염수 내 농도가 정해진 임계치 이상인 고농도 유기물과 상기 방사성 물질이 상기 오염수로부터 제거되는, 수처리 시스템.
  3. 제1항에서,
    상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수를 역삼투압 이상의 압력으로 누과시켜 상기 유기물 및 상기 방사성 물질이 포함된 농축수와 상기 유기물 및 상기 방사성 물질이 포함되지 않은 처리수로 분리하고, 상기 처리수는 상기 처리수 탱크로 배출하는 역삼투분리막필터,
    상기 나노여과막필터와 상기 나노흡착필터 사이에 연결되는 제3 밸브(V3), 그리고
    상기 나노여과막필터와 상기 역삼투분리막필터 사이에 연결되는 제4 밸브(V4)를 더 포함하고,
    상기 제3 밸브(V3) 및 상기 제4 밸브(V4)는,
    교차 개폐되는, 수처리 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 나노여과막필터와 상기 역삼투분리막필터 사이에 배치되어, 상기 여과수로부터 미세물질을 필터링한 후, 상기 미세물질이 필터링된 여과수를 상기 역삼투분리막필터로 배출하는 마이크로필터
    를 더 포함하는, 수처리 시스템.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 밸브(V1) 및 상기 제3 밸브(V3)는 폐쇄되고, 상기 제2 밸브(V2) 및 상기 제4 밸브(V4)가 개방된 경우, 상기 오염수는 상기 원수 탱크로부터 상기 나노여과막필터로 배출되고, 이어서 상기 나노여과막필터로부터 배출되는 여과수는 상기 역삼투분리막필터로 공급되어, 오염수 내 농도가 정해진 임계치 이상인 고농도 유기물과 상기 방사성 물질이 상기 오염수로부터 제거되는, 수처리 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 역삼투분리막필터는,
    우라늄, 그리고 요오드 또는 세슘을 제거하고,
    상기 나노여과막필터 및 상기 나노흡착필터는,
    우라늄을 제거하는, 수처리 시스템.
  7. 제3항에서,
    상기 제1 밸브(V1), 상기 제2 밸브(V2), 상기 제3 밸브(V3) 및 상기 제4 밸브(V4)는, 전자 밸브이고,
    상기 제1 밸브(V1), 상기 제2 밸브(V2), 상기 제3 밸브(V3) 및 상기 제4 밸브(V4)와 유선 또는 무선으로 연결되고, 상기 오염수 내 유기물의 농도 또는 상기 방사성 물질의 종류를 기초로, 상기 제1 밸브(V1), 상기 제2 밸브(V2), 상기 제3 밸브(V3) 및 상기 제4 밸브(V4)를 선택적으로 개폐시키는 제어부
    를 더 포함하는, 수처리 시스템.
  8. 제8항에서,
    상기 원수 탱크에 설치되어, 상기 원수 내 유기물의 농도를 측정하고, 측정 결과를 상기 제어부로 출력하는 유기물농도측정센서
    를 더 포함하는, 수처리 시스템.
  9. 제8항에서,
    상기 원수 탱크에 설치되어, 상기 원수 내 방사성 물질의 농도를 측정하고, 측정 결과를 상기 제어부로 출력하는 방사성 물질 측정부
    를 더 포함하는, 수처리 시스템.
  10. 제1항에서,
    상기 나노흡착필터는,
    탄소계 물질인 입상 활성탄(Granular Activated Carbon, GAC)이 담체로 사용되고 표면에 철산화물(Magnetite, Fe3O4)이 코팅된, 수처리 시스템.
  11. 제1항에서,
    상기 나노여과막필터는,
    다공성 세라믹막의 표면에 나노입자층이 형성된 세라믹 나노여과막을 포함하는, 수처리 시스템.
  12. 원수 탱크, 나노흡착필터, 상기 나노흡착필터의 전단에 배치한 나노여과막필터, 처리수 탱크, 복수의 전자 밸브 및 제어부를 포함하는 수처리 시스템에서, 상기 제어부의 수처리 방법으로서,
    상기 원수 탱크에 저장된 오염수의 유기물 농도가 기 정의된 제1 임계치 이하인지 판단하는 단계, 그리고
    상기 제1 임계치 이하로 판단되면, 상기 원수 탱크와 상기 나노흡착필터 사이에 연결된 제1 밸브를 개방하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계를 포함하고,
    상기 오염수는,
    상기 나노흡착필터를 통과하여 정전기적 상호 작용에 의한 흡착을 통해 상기 유기물 및 상기 방사성 물질이 제거되는, 수처리 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 판단하는 단계 이후,
    상기 제1 임계치 이하가 아니면, 상기 유기물 농도가 기 정의된 제2 임계치 이상인지 판단하는 단계, 그리고
    상기 제2 임계치 이상으로 판단되면, 상기 원수 탱크와 상기 나노여과막필터 사이에 연결된 제2 밸브 및 상기 나노여과막필터와 상기 나노흡착필터 사이에 연결된 제3 밸브를 개방하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 오염수는,
    상기 나노여과막필터 및 상기 나노흡착필터를 순차적으로 통과하여 나노 여과 및 정전기적 상호 작용에 의한 흡착을 통해 상기 유기물 및 상기 방사성 물질이 제거되는, 수처리 방법.
  14. 제13항에서,
    상기 수처리 시스템은,
    상기 나노여과막필터의 후단에 배치된 역삼투분리막필터를 더 포함하고,
    상기 제3 밸브를 개방하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계는,
    상기 방사성 물질 내 기 설정된 특정 종류의 방사성 물질의 함유 여부를 판단하는 단계,
    상기 특정 종류의 방사성 물질이 함유되지 않은 것으로 판단되면, 제2 밸브 및 상기 제3 밸브를 개방하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계, 그리고
    상기 특정 종류의 방사성 물질이 함유된 것으로 판단되면, 상기 제2 밸브, 그리고 상기 나노여과막필터 및 상기 역삼투분리막필터 사이에 설치된 제4 밸브를 개발하고, 나머지 밸브들은 폐쇄시키는 단계를 포함하며,
    상기 오염수는,
    상기 나노여과막필터 및 상기 역삼투분리막필터를 순차적으로 통과하여 나노 여과, 정전기적 상호 작용에 의한 흡착 및 역삼투압에 따른 분리 과정을 통하여 상기 유기물 및 상기 특정 종류의 방사성 물질이 제거되는, 수처리 방법.
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