KR20240054699A - 방사성 산성 폐수 처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사성 산성 폐수 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 세륨, 우라늄 및 네오디뮴 중 적어도 하나를 포함하는 피처리 수용액에 하이드라진을 투입하여 침전물을 형성하는 단계를 포함하는 방사성 산성 폐수 처리방법에 관한 것입니다.

Description

방사성 산성 폐수 처리방법{Treatment methods for radioactive acidic waste water}

본 발명은 방사성 산성 폐수 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 핵종의 처리에 대하여 적용이 가능하면서도 방사성 폐기물 저감 효과를 획득할 수 있는 방사성 산성 폐수 처리방법에 관한 것이다.

원자력 발전소의 운영 및 해체 과정에서 다양한 종류의　방사성　폐기물이 발생되고 있다. 특히, 이들 폐기물 중 액체　방사성　폐기물은 큰 비중을 차지하고 있고 이를 처리하기 위한 기술로는 응집/침전(Coagulation/sedimentation), 용매 추출(Solvent extration), 증발(Evaporation), 전기투석(Electrodialysis), 흡착(Adsorption) 등의 여러　방법들이 이용되고 있다.

흡착 공정은 다량의　방사성　폐수를 경제적으로　처리할 수 있으며, 높은 효율성과 회수성 때문에 현재 활발히 연구되고 있는 기술이다. 예를 들어 한국특허 제10-1725258 호는 불소 흡착재를 이용한 이온교환 수지를 이용한 우라늄 오염 토양의 복합 처리방법을 개시하고 있으나, 이와 같은 방법에 의하면 사용 후 이온교환수지에 대한 추가적인 처리 공정이 요구되며, 다량의 이온교환수지 폐기물이 발생한다.

한편, 방사성 핵종 오염 토양 또는 폐기물의 산세척 공정, 방사성 폐 양이온교환수지 제염 공정 및 무기산 기반 원전 계통 제염 공정 등은 황산 또는 염산과 같은 산성 용액을 이용하여 방사성 핵종 금속을 용해하여 폐기물을 제염하는 공정들이며, 이러한 공정들에서는 방사성 핵종을 포함하는 산성 폐액이 발생된다.

일반적으로 방사성 핵종을 포함하는 산성 폐액은 알칼리 수산화물 또는 알칼리토 수산화물을 이용하는 침전 공정을 통해 방사성 핵종을 제거하는 방법으로 처리되나, 이러한 침전 공정을 이용한 산성 폐액 처리방법은 제거 대상인 미량의 방사성 핵종의 침전물에 비해 부산물로 발생되는 알칼리(알칼리토) 황산화물 및/또는 알칼리(알칼리토) 염화물이 10배 내외의 많은 양으로 발생되는 단점을 가지고 있으며, 이 때 방사성 핵종 침전물과 함께 발생되는 부산물은 기존의 방법을 이용하여 처분을 위한 고화체로 제조하는 것이 용이하지 않은 형태이다.

따라서 방사성 폐기물 발생량을 저감하고, 처분을 위한 고화체 제조의 용이성을 향상시키기 위해 방사성 핵종을 포함하는 산성 폐액에서 상기의 부산물의 발생 없이 방사성 핵종을 제거할 수 있는 기술개발이 필요하다.

본 발명의 한 측면은 방사성 핵종을 포함하는 산성 폐액에서 알칼리(알칼리토) 금속염 부산물의 발생 없이 방사성 핵종을 산성 폐액에서 제거할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면, 세륨, 우라늄 및 네오디뮴 중 적어도 하나를 포함하는 피처리 수용액에 하이드라진을 투입하여 침전물을 형성하는 단계를 포함하는, 방사성 산성 폐수 처리방법이 제공된다. 이때 상기 피처리 수용액 내에는 Co, Fe, Cr, Mn, Ni 등과 같은 금속이온 중 적어도 하나도 포함될 수 있다.

본 발명은 황산 또는 염산 기반의 산성 폐액에서 방사성 핵종을 포함하는 금속 이온을 제거하기 위한 방법을 제공하기 위한 것으로서, 약알칼리 물질인 하이드라진을 이용하여 폐액 내 금속 이온을 포함하는 방사성 핵종의 침전 및 분리한 후 폐액 내 하이드라진을 분해하여 폐액을 재생하여 재사용할 수 있는 방법이다. 따라서 본 발명에 의하면 고화방법으로 최종 처분을 위한 고화체 제조가 어려운 알칼리(알칼리토) 황산화물 또는 알칼리(알칼리토) 염화물과 같은 부산물이 발생되지 않고 금속 이온을 포함한 방사성 핵종만을 분리하여 제거할 수 있기 때문에 방사성 폐기물 발생량을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 고화체 제조가 용이한 장점을 가지고 있다. 또한, 산성 폐액을 불순물만 제거하고 초기 산성 용액과 유사한 조성으로 재생할 수 있어 방사성 핵종 제염 및 폐액 처리 공정이 크게 단순화됨과 함께 공정의 연속성을 확보할 수 있으며, 폐액 처리의 부담을 크게 경감시킬 수 있어 산업체의 접근성과 활용성이 높을 것으로 판단된다.

도 1은 본 발명에 의해 방사성 핵종을 포함하는 황산 및/또는 염산 기반의 산성 폐액에서 방사성 핵종을 포함하는 금속 이온을 제거하기 위한 공정을 도식적으로 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 의하면 방사성 폐기물 저감 및 처분 고화체 제조의 용이성을 위해 방사성 핵종을 포함하는 황산 또는 염산 기반의 산성 폐액에서 방사성 핵종을 포함하는 금속 이온을 제거하기 위한 방법이 제공되며, 본 발명의 방법은 고화체 제조가 어려운 알칼리(알칼리토) 황산화물 또는 알칼리(알칼리토) 염화물과 같은 부산물이 발생되지 않아 고화체 제조가 용이한 장점을 가지고 있다. 나아가 본 발명에 의하면 산성 폐액을 불순물만 제거하고 초기 산성 용액과 유사한 조성으로 재생할 수 있어 방사성 핵종 제염 및 폐액 처리 공정이 크게 단순화될 수 있으며 공정의 연속성을 확보할 수 있다.

본 발명의 방사성 산성 폐수 처리방법은 특히 세륨, 우라늄 및 네오디뮴 중 적어도 하나를 포함하는 피처리 수용액에 적용될 수 있는 것으로, 예를 들어 상기 피처리 수용액은 Co, Fe, Cr, Mn, Ni 등과 같은 하나 이상의 금속이온을 포함하는 것일 수 있다. 보다 상세하게 본 발명의 방사성 산성 폐수 처리방법은 세륨, 우라늄 및 네오디뮴 중 적어도 하나를 포함하는 피처리 수용액에 하이드라진을 투입하여 침전물을 형성하는 단계를 포함하는 것이다.

상기 피처리 수용액은 pH 2 이하의 산성 수용액인 것일 수 있으며, 예를 들어 pH 1 이하의 산성 수용액인 것일 수 있다. 상기 피처리 수용액은 산성 제염제를 적용하여 획득된 제염 폐액일 수 있다. 보다 상세하게 원자력시설에서 발생되는 금속 폐기물은 염산 및/또는 황산 등의 산성 제염액을 사용하여 제염될 수 있으며, 본 발명의 상기 피처리 수용액은 이와 같이 제염액으로 사용 후 남은 산성 제염 폐액일 수 있다.

한편, 본 발명의 방사성 산성 폐수 처리방법은 약알칼리의 하이드라진(N₂H₄)을 주입하여 수행되며, 이때 하이드라진의 주입양은 산성용액의 조건(pH)에 따라 달라진다. 한편, 산성 폐액 내 우라늄(U), 4가의 산화 상태의 세륨(Ce⁴⁺), 네오디뮴(Nd) 및 3가의 산화 상태의 세륨(Ce³⁺)의 방사성 핵종 이온을 포함하는 경우에는 pH 6-9 조건, 예를 들어 pH 8-9 조건에서 모두 침전될 수 있다. 나아가, 산성 폐액 내 제거 대상의 방사성 핵종에 따라 필요한 하이드라진의 주입 조건을 도출할 수 있다.

보다 상세하게, 상기 피처리 수용액이 우라늄(U)을 포함하는 경우 하이드라진은 피처리 수용액에 pH가 6.0 내지 6.2가 되도록 투입되는 것일 수 있으며, 상기 피처리 수용액이 4가의 산화 상태의 세륨(Ce⁴⁺)을 포함하는 경우 하이드라진은 피처리 수용액에 pH가 6.45 내지 6.55가 되도록 투입되는 것일 수 있으며, 상기 피처리 수용액이 네오디뮴(Nd)을 포함하는 경우 하이드라진은 피처리 수용액에 pH가 7.3 내지 7.5가 되도록 투입되는 것일 수 있으며, 상기 피처리 수용액이 3가의 산화 상태의 세륨(Ce³⁺)을 포함하는 경우 하이드라진은 피처리 수용액에 pH가 7.7 내지 8.0가 되도록 투입되는 것일 수 있다.

따라서, 상기 피처리 수용액이 우라늄(U), 4가의 산화 상태의 세륨(Ce⁴⁺), 네오디뮴(Nd) 및 3가의 산화 상태의 세륨(Ce³⁺)을 포함하는 경우, 상기 침전물을 형성하는 단계는 하이드라진이 피처리 수용액에 pH가 6.0 내지 6.2가 되도록 투입되는 제1 단계, 수용액에 pH가 6.45 내지 6.55가 되도록 투입되는 제2 단계, pH가 7.3 내지 7.5가 되도록 투입되는 데3 단계 및 pH가 7.7 내지 8.0가 되도록 투입되는 제4 단계를 순차적으로 포함하여 수행되는 것일 수 있다.

나아가, 본 발명의 방사성 산성 폐수 처리방법은 상기 침전물을 분리하는 단계를 추가로 포함하는 것일 수 있으며, 상기와 같이 제1 단계 내지 제4 단계를 포함하여 수행되는 경우 각 단계 사이 중 적어도 하나에 침전된 침전물을 분리하는 단계를 추가로 수행할 수 있으며, 이와 같은 단계에 의해 친전물을 분리하여 획득할 수 있다.

상기 침전물을 분리하는 단계는 고액분리를 통해 수행되는 것일 수 있으며, 상기 고액분리는 예를 들어 당업계에서 사용되는 여과장치를 사용하여 수행할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 고액 분리는 가압여과기(압력여과기)통해 침전물을 제거할 수 있다.

나아가, 상기 여과기는 금속, 섬유, 유리, 종이 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나의 재질로 이루어진 여과기를 사용할 수 있으며, 여과와 역세 모두 효과적으로 수행하기 위해서는 바람직하게 스테인리스 재질로 이루어진 망(mesh)으로 구성된 여과기를 사용할 수 있다. 이때, 예시적인 여과 장치로는 0.2 내지 0.45㎛의 직경 수준의 기공을 가지는 여과 필터가 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 방사성 산성 폐수 처리방법은 침전물이 분리된 폐액에 과산화수소를 투입하여 하이드라진을 분해하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

이때, 하이드라진 분해를 위해 주입하는 과산화수소의 주입속도는 하이드라진 분해효율에 영향을 미칠 수 있으며, 과산화수소 특성 상 빠른 속도로 과량 주입될 경우 물로 전환되어 하이드라진을 분해하기 전에 소멸될 수 있기 때문에 하이드라진을 효과적으로 분해하기 위해서는 일정한 속도로 과산화수소를 주입하는 것이 필요하다. 예를 들어, 과산화수소를 분 당 50 내지 60 ml/m² 속도로 주입하는 것이 바람직하며, 예를 분 당 52 내지 58 ml/m² 수준의 속도로 주입하는 것이 가장 바람직하다. 이러한 범위의 주입 속도보다 늦을 경우에는 공정시간이 많이 소요되어 공정 경제상 바람직하지 않으며, 이러한 범위 보다 주입속도가 빠를 경우에는 하이드라진 분해효율이 감소될 수 있다.

상기 단계는 용액 내 하이드라진을 제거하기 위한 단계로, 이때 과산화수소 주입량은 용액 내 하이드라진 기준 2.5 내지 3 당량, 즉 하이드라진 몰 양의 2.5 내지 3배가 되도록 첨가할 수 있다. 주입되는 과산화수소의 양이 하이드라진 몰 양의 2.5배 미만일 경우에는 하이드라진을 원하는 수준까지 제거하지 못할 수 있으며, 3.0배를 초과하는 경우 제거 효율은 거의 변화가 없이 과산화수소만 용액 내 증가되어 과산화수소의 과사용, pH 감소, 폐액 증가 등의 문제가 발생할 수 있다.

이 때, 상기 하이드라진을 분해하는 단계는 약 300 내지 500rpm의 교반 속도에서 수행할 수 있다.

예를 들어 상기 하이드라진을 분해하는 단계는 40 내지 50℃의 온도, 300 내지 500 rpm의 교반 속도, 및 50-60 ml/m²·min의 과산화수소 주입 속도로 수행되는 것일 수 있다.

한편, 하이드라진을 분해한 후 폐액은 재사용되거나 외부 환경으로 배출될 수 있으며, 예를 들어 상기 하이드라진이 분해된 폐액은 제염 단계에서 재사용될 수 있다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

1. 하이드라진 투입에 의한 방사성 핵종의 제거

도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 방사성 산성 폐수 처리방법은 약알칼리의 하이드라진(N₂H₄)을 주입하여 수행되며, 이때 하이드라진의 주입양은 산성용액의 조건(pH)에 따라 달라지나, 주입은 pH 변화를 관찰하면서 진행된다.

본 발명자들은 산성 폐액 내 우라늄(U), 4가의 산화 상태의 세륨(Ce⁴⁺), 네오디뮴(Nd) 및 3가의 산화 상태의 세륨(Ce³⁺)의 방사성 핵종 이온은 pH 6-9 조건에서 침전되는 것으로 확인하였으며, 보다 상세하게 산성 폐액 내 제거 대상의 방사성 핵종에 따라 필요한 하이드라진의 주입 조건을 도출하였다.

이때, 각 방사성 핵종의 침전을 위한 목표 pH 확인을 위해 각 방사성 핵종을 포함하는 황산 용액에 하이드라진 주입에 따른 pH의 변화와 침전물 형성을 관찰하면서 pH 별 상등액을 채취한 후 상등액 내 핵종의 농도를 분석하는 실험을 수행하여 상등액 내 농도가 낮은 pH를 산출함으로써 하기와 같은 결과를 획득하였다.

(1) 황산용액(0.7 M)에 Ce(⁺³) 0.2 M이 존재하는 경우 (초기 pH: 약 0.29)

　　　　- Ce 침전/분리를 위한 적정 pH: 7.7 - 8.0

　　　　- 적정 pH 도달을 위해 필요한 하이드라진 주입량: 1.70 - 2.13 M

(2) 황산용액(0.7 M)에 Ce(⁺⁴) 0.2 M이 존재하는 경우 (초기 pH: 약 0.29)

　　　　- Ce 침전/분리를 위한 적정 pH: 6.45 - 6.55

　　　　- 적정 pH 도달을 위해 필요한 하이드라진 주입량: 1.835 - 1.845 M

(3) 황산용액(0.55 M)에 UO₂SO₄(aq) 0.05 M이 존재하는 경우 (초기 pH: 약 0.23)

　　　　- U 침전/분리를 위한 적정 pH: 6.0 - 6.2

　　　　- 적정 pH 도달을 위해 필요한 하이드라진 주입량: 1.207 - 1.214 M

　4) 황산용액(0.6 M)에 Nd(+3) 0.05 M이 존재하는 경우 (초기 pH: 약 0.27)

　　　　- Nd 침전/분리를 위한 적정 pH: 7.3 - 7.5

　　　　- 적정 pH 도달을 위해 필요한 하이드라진 주입량: 1.50 - 1.62 M

이상의 금속 이온 포함 방사성 핵종의 침전 반응을 완료한 후 필터 등을 이용하여 고액분리를 통해 침전물을 분리한다.

2. 폐액의 재사용

상기 1.에서 침전물이 분리된 폐액은 재사용을 위해 방사성 핵종을 용해할 수 있는 산성 용액으로 재생하는 공정을 수행할 수 있으며, 이를 위해 폐액의 pH를 증가시킨 폐액 내 하이드라진을 분해하는 과정을 수행한다.

폐액 내 하이드라진은 아래의 반응식(1)과 같이 과산화수소를 이용하여 제거할 수 있다. 반응식 (1)이 기초한 이론적인 조건에 따르면, 하이드라진 농도 대비 2 당량의 농도로 과산화수소를 주입하면 하이드라진을 분해할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 실제 분해 반응에서는 2 당량보다 높은 농도의 과산화수소가 주입되어야 하이드라진의 분해가 효과적으로 진행되며, 이때 하이드라진의 분해는 pH에 대한 영향도 크게 작용한다. 상온에서 하이드라진은 pH 9 부근에서 가장 효과적으로 분해되며, 이때 소요되는 과산화수소는 약 2.5 당량 수준이다.

그러나, 본 발명자들은 실험을 통해 pH가 9 보다 작거나 높을 경우에는 소요되는 과산화수소가 3.0 당량을 초과하여 5 당량 이상까지 증가되는데, 이와 같이 과산화수소의 사용량이 증가될 경우 폐액의 양이 증가되고, 폐액의 pH가 초기 방사성 핵종의 제염을 위해 사용하는 산성용액의 pH보다 크게 감소될 수 있어 가능한 과산화수소의 사용량의 증가를 최소화하는 것이 필요한 것에 착안하였다.

이러한 과산화수소의 사용량을 감소시키기 위해서는 폐액의 온도를 증가시킨 조건에서 교반 속도와 과산화수소 주입 속도를 적절히 조절하여 하이드라진의 분해를 수행하는 것이 필요하다. 그러나 폐액을 50℃를 초과하는 온도까지 가열시킬 경우 과산화수소의 사용량은 감소시킬 수 있으나 취급할 폐액의 부피가 많을 때 경제적 비용이 크게 증가할 수 있고, 물의 증발이 발생됨에 따라 부가적인 작업이 필요할 수 있다.

따라서 50℃ 이하의 온도에서 교반 속도(300 내지 500 rpm)의 교반을 수반하고 과산화수소 주입 속도를 50-60 ml/m²·min 범위로 조절하여 하이드라진의 분해를 진행하는 경우 과산화수소의 소요량을 3.0 당량 이내로 감소시킬 수 있는 것을 확인하였다.

　　　　N₂H₄ + 2H₂O₂ = N₂ + 4H₂O　　반응식 (1)

폐액 내 하이드라진의 분해를 완료하면, 폐액의 pH는 방사성 핵종 제염을 위해 사용되는 산성 용액의 pH보다 약간 낮은 값을 보이나 거의 유사한 수준이고, 방사성 핵종을 포함하는 금속 이온이 잔류하나 극히 미량 수준이며, 황산이온 또는 염소이온은 초기 산성용액의 농도에서 변화되지 않기 때문에 하이드라진을 분해한 폐액은 방사성 핵종 제염을 위해 사용되는 산성용액과 거의 유사한 조성을 가지는 용액으로 재생되어 재사용될 수 있다.

이와 같이 하이드라진을 이용하여 산성폐액 내 방사성 핵종의 침전을 진행할 경우 산성 폐액의 pH가 증가하여 방사성 핵종의 침전이 발생되며, 폐액 내 황산이온 또는 염소이온은 변화 없이 그대로 잔류하게 된다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (13)

1. 세륨, 우라늄 및 네오디뮴 중 적어도 하나를 포함하는 피처리 수용액에 하이드라진을 투입하여 침전물을 형성하는 단계를 포함하는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 피처리 수용액은 pH 2 이하의 산성 수용액인, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 피처리 수용액이 우라늄(U)을 포함하는 경우 하이드라진은 피처리 수용액에 pH가 6.0 내지 6.2가 되도록 투입되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 피처리 수용액이 4가의 산화 상태의 세륨(Ce⁴⁺⁾을 포함하는 경우 하이드라진은 피처리 수용액에 pH가 6.45 내지 6.55가 되도록 투입되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 피처리 수용액이 네오디뮴(Nd)을 포함하는 경우 하이드라진은 피처리 수용액에 pH가 7.3 내지 7.5가 되도록 투입되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 피처리 수용액이 3가의 산화 상태의 세륨(Ce³⁺⁾을 포함하는 경우 하이드라진은 피처리 수용액에 pH가 7.7 내지 8.0가 되도록 투입되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 피처리 수용액이 우라늄(U), 4가의 산화 상태의 세륨(Ce⁴⁺⁾, 네오디뮴(Nd) 및 3가의 산화 상태의 세륨(Ce³⁺⁾을 포함하는 경우, 상기 침전물을 형성하는 단계는 하이드라진이 피처리 수용액에 pH가 6.0 내지 6.2가 되도록 투입되는 제1 단계, 수용액에 pH가 6.45 내지 6.55가 되도록 투입되는 제2 단계, pH가 7.3 내지 7.5가 되도록 투입되는 데3 단계 및 pH가 7.7 내지 8.0가 되도록 투입되는 제4 단계를 순차적으로 포함하여 수행되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 침전물을 분리하는 단계를 추가로 포함하는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 침전물을 분리하는 단계는 고액분리를 통해 수행되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
   
10. 제8항에 있어서, 침전물이 분리된 폐액에 과산화수소를 투입하여 하이드라진을 분해하는 단계를 추가로 포함하는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 하이드라진을 분해하는 단계는 40 내지 50℃의 온도, 300 내지 500 rpm의 교반 속도, 및 50-60 ml/m²·min의 과산화수소 주입 속도로 수행되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
    
12. 제10항에 있어서, 상기 하이드라진을 분해하는 단계는 과산화수소를 하이드라진의 몰농도의 2.5 배 내지 3배의 몰농도로 투입하여 수행되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.
    
13. 제10항에 있어서, 상기 하이드라진이 분해된 폐액은 제염 단계에서 재사용되는, 방사성 산성 폐수 처리방법.