WO2020045966A1 - Extraction method and extraction apparatus for cesium or strontium, using ternary phase separation - Google Patents

Extraction method and extraction apparatus for cesium or strontium, using ternary phase separation Download PDF

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WO2020045966A1
WO2020045966A1 PCT/KR2019/010953 KR2019010953W WO2020045966A1 WO 2020045966 A1 WO2020045966 A1 WO 2020045966A1 KR 2019010953 W KR2019010953 W KR 2019010953W WO 2020045966 A1 WO2020045966 A1 WO 2020045966A1
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cesium
strontium
phase
extraction
aqueous phase
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/010953
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Korean (ko)
Inventor
오원진
최상준
류하연
조승연
최정원
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/007Recovery of isotopes from radioactive waste, e.g. fission products
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D11/00Solvent extraction
    • B01D11/02Solvent extraction of solids
    • B01D11/0292Treatment of the solvent

Definitions

  • the present invention relates to a method for extracting cesium or strontium using three-component phase separation and an extraction apparatus used therein.
  • Radioactive waste means the object of disposal contaminated with radioactive material.
  • Radioactive waste means the object of disposal contaminated with radioactive material.
  • Radioactive waste is generated in large quantities due to the released radioactive materials.
  • radioactive waste emits high-energy radiation, which can damage or alter human tissue, leading to brain tumors, ovarian cancer, testicular cancer, etc., and affecting human germ cells, causing genetic modifications. It is well known that increases the risk of birth defects.
  • Cs cesium
  • strontium strontium
  • adsorption methods generally have an exponentially lower amount of adsorption per unit mass of adsorbent when cesium or strontium is present at low concentrations due to chemical equilibrium limitations.
  • cesium has a decay count value of 3600 Bq / g at a concentration of 1 ppb, which is very dangerous because it corresponds to low and medium radioactive waste. Since radioactive elements can be sufficiently dangerous even at low concentrations (1 ppb or less), a technique for effectively removing low concentrations of cesium or strontium is required.
  • Another method of selectively removing cesium and / or strontium is a liquid solvent extraction method using an ionic liquid (IL) as a solvent.
  • IL ionic liquid
  • the liquid liquid extraction method using the ionic liquid solvent has not yet been commercialized due to problems such as the cost of the ionic liquid.
  • the present inventors have developed a method of extracting cesium or strontium in a solid form using a small amount of ionic liquid (Korean Patent No. 10-1668956).
  • the method using a small amount of ionic liquid has the advantage that cesium or strontium can be efficiently extracted even at low concentrations, and by extracting them in solid form, the volume of waste is reduced and no additional solidification operation is required.
  • the solvent extraction method requires a similar flow rate between the aqueous phase and the organic phase to effectively contact and continuously extract through liquid liquid separation
  • the method using only a small amount of ionic liquid is not suitable for the continuous extraction separation process.
  • the amount of cesium or strontium waste required to be treated per day amounts to several hundred tons
  • the amount of ionic liquid phase for solid-liquid extraction using this technique is only one thousandths of a ton, so it contains cesium or strontium. It is difficult to continuously treat large amounts of radioactive waste.
  • the inventors have separated the cesium or strontium selectively and studied to develop an economical method of continuous extraction of cesium or strontium while minimizing the amount of final radioactive waste.As a result, a large amount of cheap organic solvent was used to solidify cesium or strontium.
  • the three-component phase separation treatment technology was developed by the common ion effect that can be continuously extracted in the form. By minimizing the generation of radioactive waste that is difficult to process, it is possible to continuously extract by using a large amount of cheap organic solvents instead of ionic liquids, and recycle the organic solvents and residual extractants used after extraction for economic efficiency.
  • the present invention enables the efficient extraction of cesium or strontium.
  • One object of the present invention is to add a metal salt of a cesium or strontium cation with an ion exchangeable metal cation and an anion capable of combining with the cesium or strontium cation to form a hydrophobic complex to an aqueous solution containing cesium or strontium cation.
  • a first step of preparing the receiving phase A second step of preparing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the organic solvent from the first step; A third step of contacting the aqueous phase of the first step and the organic phase of the second step; And a fourth step of separating and recovering the reaction mixture of the third step into three phases of a solid phase, an aqueous phase, and an organic phase, respectively, to provide a method of extracting cesium or strontium.
  • Another object of the present invention is to provide a metal salt comprising an aqueous solution containing cesium or strontium cation, an ion exchangeable metal cation with cesium or strontium cation, and an anion capable of combining with the cesium or strontium cation to form a hydrophobic complex.
  • An aqueous phase reservoir for storing an aqueous phase comprising; An organic phase storage tank storing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the aqueous phase in an organic solvent; A reaction tank in which the aqueous phase and the organic phase are in contact; A separation device associated with said reactor for separating an aqueous phase, an organic phase, and a solid phase; A treatment water reservoir connected to the separator for storing the receiving phase separated by the separator; And a first recovery tube connected to the organic phase storage tank from the reaction tank.
  • the present invention selectively separates cesium or strontium and extracts cesium or strontium as a solid to minimize the capacity of radioactive waste.
  • the present invention requires a large amount of inexpensive organic solvent, requires only an amount of the extractant in an amount equivalent to cesium or strontium cation to minimize the amount of the extractant, and recycles the organic solvent and extractant remaining after extraction on a large scale. It enables the process and shows good economic efficiency.
  • the present invention has the effect of being able to efficiently extract and remove cesium or strontium to a desired level by a continuous extraction process.
  • FIG. 1 is a diagram showing a result of cesium or strontium extracted in the solid phase by the cesium or strontium extraction method of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an exemplary cesium or strontium extraction process by the filtration separation method of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing another exemplary cesium or strontium extraction process diagram of the present invention further comprising a second recovery tube.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another exemplary cesium or strontium extraction process diagram of the present invention using a reactor as an organic phase reservoir.
  • a metal cation ion-exchangeable with cesium or strontium cation and a metal salt of an anion capable of combining with the cesium or strontium cation to form a hydrophobic complex, cesium or strontium A first step of preparing an aqueous phase by adding to an aqueous solution containing a cation;
  • It provides a method of extracting cesium or strontium, comprising; a fourth step of separating and recovering the reaction mixture of the third step in three phases, respectively, solid phase, aqueous phase, and organic phase.
  • the reaction mixture in the fourth step, is allowed to settle so that the three phases are separated, and each of them is recovered independently, or the reaction mixture is filtered to separate the solid phase first from the liquid phase. It may be carried out by recovering each by separating the phases with an organic phase, but is not limited thereto.
  • the present invention is to solve the problem that the continuous extraction process is difficult due to the use of a small amount of expensive ionic liquid solvent when the cesium and / or strontium is removed by the liquid liquid extraction method by the ionic liquid solvent based on the conventional liquid-liquid extraction method It is designed for.
  • the present invention uses a metal cation that is ion-exchangeable with cesium and / or strontium cations and a metal salt of an anion capable of forming a hydrophobic complex with cesium and / or strontium cations by the ion exchange.
  • Hydrophobic complexes containing cesium and / or strontium are formed in an aqueous solution, and the aqueous solution is brought into contact with an organic phase in which a small amount of a metal salt and a large amount of an organic solvent are mixed.
  • Cesium or strontium is extracted through three-component separation of solid-liquid (aqueous phase) -liquid (organic phase) by solidifying cesium or strontium contained in an aqueous solution, including an extractant capable of forming a solid phase in combination with
  • the organic phase recovered afterwards no longer contains radioactive material, so It is based on the finding that it can be reused in the extraction process without processing.
  • the term "metal salt” is a substance consisting of a metal cation and a counter anion.
  • the metal cations of the metal salts of the present invention are selected to allow ion exchange reactions in which the positions of the cations and cesium or strontium cations are exchanged.
  • the counter anion of the metal salt of the present invention has a hydrophobic complex composed of a cesium or strontium cation formed according to this ion exchange reaction and an anion of the metal salt, so that the complex is in an organic phase when the aqueous phase containing the complex is in contact with an organic phase. Is selected to move to.
  • the hydrophobic complex shifted to the organic phase combines with the extractant present in the organic phase to form a solid phase (precipitate), which makes it possible to extract cesium or strontium into the solid phase.
  • the metal salt may be an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt, but is not particularly limited as long as it is present in an aqueous phase and may form an hydrophobic complex by ion exchange with a cesium or strontium cation.
  • the anion of the metal salt is Tf 2 N - (trifluoromethanesulfonylamide, ( CF 3 SO 2) 2 N)), PF 6 - (hexafluorophosphate), BETI - (bis (perfluoroethylsulfonyl) imide), BF 4 -, AlCl 4 -, Al 2 Cl 7 -, AcO -, TfO - (trifluoromethanesulfonate), or CH 3 CH (OH) CO 2 - may be an (L-lactate), but is not limited thereto.
  • LiTf 2 N or LiBETl as the metal salt, all of them showed excellent cesium removal efficiency (Experimental Examples 1 and 3).
  • the metal salt may be present in a mole number of 0.1 to 10 times the cesium or strontium cation.
  • the amount of the metal salt may be specifically 0.1 to 7 times, more specifically 0.1 to 5 times and most specifically 0.1 to 3 times the cesium or strontium cation, but is not limited thereto.
  • the reaction rate is low, and the reaction takes a long time, and the amount extracted by a single run may be small, requiring several times of repeated performance.
  • extractant is a substance which is dissolved in an organic solvent and is present in an organic phase, and may be combined with the hydrophobic complex to form a solid phase (precipitate).
  • a crown ether-based extractant may be used as the extractant.
  • DCH18C6 Dicyclohexano-18-crown-6
  • DB21C7 Dibenzo-21-crown-7
  • DB24C8 Dibenzo-24 -crown-8
  • a combination thereof can be used.
  • the extractant may be present at 0.1 to 10 times the number of moles of cesium or strontium cation.
  • the amount of extractant may specifically be 1 to 9 times, more specifically 1 to 7 times and most specifically 1 to 5 times the number of moles of cesium or strontium cation, but is not limited thereto.
  • the amount of the extractant is less than 0.1 times the number of moles of cesium or strontium cation, the extraction efficiency of cesium and strontium may be lowered.
  • the organic solvent is not particularly limited as long as it can be separated from the aqueous phase and can dissolve the extractant.
  • organic solvents include saturated hydrocarbons such as octane, nonane, tecan, undecane, dodecane, tridecane and kerosene.
  • kerosene means a C 6-16 hydrocarbon mixture.
  • the amount of the organic solvent is not particularly limited as long as the three-phase separation of the organic phase, the aqueous phase, and the solid phase occurs, but 3 vol% to 150 vol%, specifically 5 vol% to 100 vol, based on the volume of the cesium or strontium aqueous solution. May be%.
  • the amount of the organic solvent is used in less than 3% by volume based on the volume of the cesium or strontium aqueous solution, it may be difficult to perform a continuous separation process due to the difference in the flow rate of the organic phase and the aqueous phase.
  • the three-phase separation phenomenon when the organic solvent is used in the volume ratio (Experimental Examples 1 to 3).
  • the organic solvent may be used in an amount of 0.1 to 100 times the number of moles based on the number of moles of the extractant included therein, but is not limited thereto.
  • the contacting of the aqueous phase and the organic phase is not particularly limited, but may be performed by a counter current solvent extraction method, a parallel current solvent extraction method, or a mixed contact method.
  • the aqueous phase and the organic phase may be simply mixed to allow the aqueous phase and the organic phase to contact and react at the interface thereof, or the aqueous phase and the organic phase may be agitated in the reactor to improve the contact.
  • the aqueous phase and the organic phase are brought into contact with each other by stirring, a mixture of the aqueous phase and the organic phase may be left after the reaction to perform phase separation.
  • the method of extracting cesium or strontium of the present invention measures the concentration of cesium or strontium in the aqueous phase recovered from the fourth step, and when the measured concentration is above a predetermined level, the aqueous phase is returned to the first step, and the predetermined level is determined. If less than that may further comprise the step of moving the receiving phase to the treated water reservoir. The returned aqueous phase may be replenished with the metal salt if necessary.
  • the method of extracting cesium or strontium of the present invention further includes the step of returning the organic phase recovered from the fourth step to the second step to reuse the recovered organic phase as an organic solvent to perform the third to fifth steps. Can be done repeatedly. At this time, the extracted organic phase may be supplemented with the extractant if necessary.
  • the cesium or strontium was continuously extracted as well as maintaining excellent cesium removal efficiency even when the organic phase was reused and extracted twice (Experimental Example 4). Through the reuse of the remaining extractant and organic solvent and the sequencing of the extraction process, the extraction method of the present invention is expected to achieve excellent economic efficiency.
  • the aqueous solution containing the cesium or strontium cation of the present invention may be derived from radioactive waste, the cesium or strontium cation of the present invention is non-radioactive cesium or strontium cation; Radioactive cesium or strontium cations; Or combinations thereof.
  • the method of extracting cesium or strontium of the present invention may increase the extraction efficiency of cesium or strontium by adjusting the concentration of total cesium or strontium cations including radioactive cesium or strontium cations and non-radioactive cesium or strontium cations.
  • the extraction method may include adjusting the concentration of cesium or strontium cations by additionally adding cesium or strontium when the total concentration of cesium or strontium cations is low.
  • the concentration of cesium or strontium cations since the concentration of cesium or strontium cations is high, the extraction efficiency of cesium or strontium may be increased depending on chemical equilibrium. At this time, the concentration of the total cesium or strontium cation may be adjusted to 0.1 to 100 ppm, but is not limited thereto.
  • the extraction method of the present invention selectively separates cesium or strontium, and extracts cesium or strontium as a solid to minimize the capacity of radioactive waste, as well as using a cheap organic solvent, by recycling the organic solvent and extractant It shows good economic efficiency and can efficiently extract cesium or strontium to the desired level.
  • the present invention provides a metal salt comprising an aqueous solution containing cesium or strontium cations, an ion exchangeable metal cation with cesium or strontium cations, and an anion capable of combining with the cesium or strontium cations to form a hydrophobic complex.
  • An aqueous phase storage tank for storing the aqueous phase comprising a;
  • An organic phase storage tank storing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the aqueous phase in an organic solvent;
  • a treatment water reservoir connected to the separator for storing the receiving phase separated by the separator
  • It provides a cesium or strontium extraction apparatus comprising a; a first recovery pipe connected to the organic phase storage tank from the reaction tank.
  • An example of such an extraction apparatus is shown in FIG.
  • the apparatus for separating the solid phase and the liquid phase can be reused, and the apparatus for discharging the separated solid phase, i.e., the precipitate, immediately or in a separate reservoir to be discharged when a predetermined amount or more is added. It may be provided as, but is not limited thereto.
  • An example of the extraction apparatus further including a second recovery tube is shown in FIG. 3. The second recovery pipe may be connected to the separation device.
  • the cesium or strontium extraction device of the present invention when the concentration of cesium or strontium in the separated aqueous phase calculated by the measuring device is less than a predetermined level, the separated aqueous phase is accommodated in the treated water reservoir, the concentration of cesium or strontium If more than a predetermined level may be to return the separated receiving bed to the receiving bed storage tank through the second collection pipe.
  • the aqueous phase reservoir of the present invention stores an aqueous phase comprising cesium or strontium cations and the metal salt of the present invention
  • the organic phase reservoir of the present invention stores an organic phase comprising the organic solvent and extractant of the present invention.
  • the reaction tank of the present invention receives an aqueous phase and an organic phase from the aqueous phase storage tank and the organic phase storage tank to contact the aqueous phase and the organic phase.
  • a reaction occurs in which the hydrophobic complex of the present invention formed in the aqueous phase moves to the organic phase and forms a solid phase by combining with an extractant in the organic phase.
  • the aqueous phase and the organic phase may exist in a separated state by the difference in density, and may be present in a mixed state by a stirring device which may be further provided.
  • the reaction tank itself may be used as the reaction tank and the organic phase storage tank of the separated organic phase, and thus the organic phase storage tank and the first recovery pipe may be omitted.
  • the organic phase is maintained in the reaction tank, the organic solvent and the extractant added to the organic phase are added directly to the reaction tank, and only the aqueous phase is the aqueous phase reservoir-reactor-separator-aqueous phase reservoir or aqueous phase.
  • the tank may be refluxed through a reservoir, a reactor, a separator, a treatment water reservoir, a second recovery pipe, and a water phase reservoir.
  • the separator of the present invention is connected to the lower end of the reactor, and serves to separate the organic phase, the aqueous phase, and the solid phase, respectively.
  • the separation device may be a filtration device, an extraction device, a centrifugal device, or a combination thereof, but is not particularly limited as long as it can separate the organic phase, the aqueous phase, and the solid phase, respectively.
  • the separator moves the separated aqueous phase to the treated water reservoir when the concentration of cesium or strontium is reduced below a predetermined level, and separates when the concentration of cesium or strontium is above a predetermined level.
  • the received receiving phase may be to repatriate the receiving vessel through the second collection pipe.
  • the treated water storage tank of the present invention stores an aqueous phase (also called treated water) separated by a separating device.
  • aqueous phase also called treated water
  • the treated water reservoir receives a separate aqueous phase when the concentration of cesium or strontium is reduced below a predetermined level, and separate receiving when the concentration of cesium or strontium is higher than a predetermined level.
  • the phase may be to be returned to the receiving reservoir through the second collection pipe.
  • the organic phase separated by the separator may be returned to the reactor through the first recovery pipe, when the extractant may be supplemented with the organic phase if necessary.
  • Extraction apparatus of the present invention may be a batch, continuous, or a combination thereof.
  • Such an extraction apparatus of the present invention not only can efficiently extract cesium or strontium to a desired level, but also has an advantageous effect of recycling organic solvents and extractants to achieve excellent economic efficiency.
  • An organic solvent was prepared by adding 2 mmol of DCH18C8 as an extractant to dodecane, an organic solvent.
  • An aqueous phase was prepared by adding 2 mmol of CsNO 3 or Sr (NO 3 ) 2 and 5 mmol of LiTf 2 N as a metal salt to 20 mL of water. The organic and aqueous phases were contacted to react. As shown in FIG. 1, a white solid phase was formed by the reaction, and a three-phase separation phenomenon of an organic phase, a water-soluble phase, and a solid phase appeared over time.
  • the present inventors attempted to confirm the results of phase separation and the extraction efficiency of cesium according to the volume of the organic solvent used.
  • phase separation was represented by solid phase (S)-liquid phase (L), solid phase (S)-liquid phase (L)-liquid phase (L), or liquid phase (L)-liquid phase (L).
  • the present inventors intended to confirm the extraction efficiency of cesium and the result of phase separation according to the type of organic phase.
  • the present inventors attempted to confirm the extraction efficiency and phase separation of cesium according to the anion type of the metal salt.
  • the present inventors tried to confirm the extraction efficiency of cesium when reusing the organic phase.

Abstract

The present invention relates to: a method for extracting cesium or strontium by using ternary phase separation; and an extraction apparatus to be used therefor. The present invention selectively separates cesium or strontium, extracts cesium or strontium as solid so as to minimize the volume of radioactive waste, uses an inexpensive organic solvent and recycles an organic solvent and an extractant, which remain after extraction, thereby exhibiting excellent economic efficiency, and can also carry out a continuous extraction process, thereby enabling effective extraction and removal of cesium or strontium up to a target level.

Description

3성분계 상분리에 의한 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법 및 추출 장치Cesium or Strontium Extraction Method and Apparatus by Three-Component Phase Separation
본 발명은 3성분계 상분리를 이용한 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법과 이에 사용되는 추출 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for extracting cesium or strontium using three-component phase separation and an extraction apparatus used therein.
방사성 폐기물이란 방사성 물질로 오염된 폐기의 대상을 의미한다. 원자력 발전 및 동위원소 이용 등 각 분야에서 원자력 이용이 증대됨에 따라 대량의 방사성 폐기물이 발생하고 있다.Radioactive waste means the object of disposal contaminated with radioactive material. As the use of nuclear power increases in various fields such as nuclear power generation and isotope use, a large amount of radioactive waste is generated.
예컨대, 원자력 발전소에서 핵연료를 원자로 속에서 핵분열 일으킨 후 발생한 열을 이용하여 전력을 생산하면 사용후핵연료가 남게 되는데, 사용후 핵연료는 대표적인 고준위 방사성 폐기물이다. 또한, 체르노빌 원자력 발전소 사고나 일본의 후쿠시마 제일원자력발전소 사고와 같이, 가동중인 원자로로부터 예기치 않은 사유에 기인하여 우발적으로 방사성 물질이 방출되면, 방출된 방사성 물질로 인해 방사성 폐기물이 대량으로 발생한다.For example, when nuclear power plants generate power using heat generated after nuclear fission in a nuclear reactor, spent fuel remains. Used nuclear fuel is a representative high-level radioactive waste. In addition, when radioactive materials are accidentally released due to unexpected reasons, such as the Chernobyl nuclear power plant accident or the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident in Japan, radioactive waste is generated in large quantities due to the released radioactive materials.
더욱이, 최근 대한민국은 원자력 발전소 해체를 앞두고 있는데, 원자력 발전소 해체에는 원자력발전소의 내외부에 존재하는 방사성 물질을 제거하거나 최소화시키는 '제염' 과정이 필수적으로 수반된다. 이러한 제염 과정에서도 대규모의 방사성 폐기물이 발생하게 된다.In addition, the Republic of Korea is currently preparing for the dismantling of nuclear power plants. The dismantling of nuclear power plants is accompanied by a 'decontamination' process that removes or minimizes the radioactive substances present inside and outside the nuclear power plants. In this decontamination process, a large amount of radioactive waste is generated.
한편, 방사성 폐기물은 높은 에너지의 방사선을 방출하며, 방사선은 인간의 조직을 손상시키거나 변질시켜 뇌종양, 난소암, 고환암 등을 야기할 수 있으며, 인간의 생식 세포에 영향을 미쳐 유전적 변형을 일으킴으로써 기형아가 태어날 위험성을 높인다는 사실이 잘 알려져 있다.On the other hand, radioactive waste emits high-energy radiation, which can damage or alter human tissue, leading to brain tumors, ovarian cancer, testicular cancer, etc., and affecting human germ cells, causing genetic modifications. It is well known that increases the risk of birth defects.
이와 같이 위험한 방사성 폐기물 중에서도, 원전해체나 원전 사고 시 가장 문제가 되는 원자로 핵분열 생성물인 세슘(Cs)과 스트론튬(Sr)은 반감기가 길고 수용성이 큰 성질로 인해 위험성이 더 크므로, 방사성 폐기물에서 세슘과 스트론튬을 분리하는 기술의 개발이 시급하다.Among these dangerous radioactive wastes, cesium (Cs) and strontium (Sr), the nuclear fission products that are most problematic in nuclear dismantling or nuclear accidents, are more dangerous due to their long half-life and high water-soluble properties. There is an urgent need to develop a technique for separating and strontium.
세슘과 스트론튬을 분리하는 기술의 개발에 있어서 중요한 것은 선택성이다. 세슘과 스트론튬은 대개 그들과 비슷한 성질을 가진 금속염과 함께 존재하기 때문에, 이들로부터 세슘과 스트론튬을 선택적으로 분리하는 기술이 필요하다. 예컨대, 핵사고가 발생하는 경우, 세슘과 스트론튬을 포함한 방사성 핵종으로 오염된 냉각수 폐기물이 바닷물로도 유입될 수 있는데, 이 때 바닷물 중의 세슘, 스트론튬 등은 ppb 수준의 극미량으로 존재하는 반면, 세슘과 마찬가지로 1가 금속인 나트륨의 염(NaCl, NaNO3 등)은 세슘이나 스트론튬 이온의 농도보다 수천 내지 수만배 이상 높은 농도로 존재한다.Selectivity is important in the development of techniques to separate cesium and strontium. Since cesium and strontium usually exist with metal salts with similar properties to them, a technique is needed to selectively separate cesium and strontium from them. For example, in the event of a nuclear accident, coolant waste contaminated with radionuclides, including cesium and strontium, may also enter the seawater. Similarly, salts of sodium (NaCl, NaNO 3, etc.), which are monovalent metals, are present at concentrations of thousands to tens of thousands times higher than those of cesium or strontium ions.
세슘 및/또는 스트론튬을 선택적으로 제거 처리하는 종래의 방법으로는 무기 이온 교환체나 선택성 이온 교환 수지에 의한 흡착법이 알려져 있다.As a conventional method of selectively removing cesium and / or strontium, an adsorption method using an inorganic ion exchanger or a selective ion exchange resin is known.
그러나, 이러한 흡착법은 순환 펌프, 정화조, 흡착제를 내장한 충전조 등의 대대적인 설비를 필요로 하고, 그것들을 가동시키기 위한 엄청난 에너지를 필요로 한다. 일본의 후쿠시마 제일원자력발전소 사고와 같이, 전원이 끊어진 경우 이들의 설비를 가동할 수 없게 되므로, 전술한 처리 방법을 사용할 경우 방사성 세슘 및 스트론튬에 의한 오염의 위험도가 증대된다.However, these adsorption methods require extensive equipment such as circulation pumps, septic tanks, and filling tanks containing adsorbents, and require enormous energy to operate them. As in the case of an accident at Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in Japan, when the power is cut off, these facilities cannot be operated. Therefore, the risk of contamination by radioactive cesium and strontium is increased when the above treatment method is used.
또한, 흡착법은 일반적으로 화학 평형의 한계상, 세슘 또는 스트론튬이 저농도로 존재할 때 흡착제 단위 질량당 흡착량이 기하 급수적으로 낮아진다. 그러나, 세슘의 경우, 1 ppb의 농도에서 3600 Bq/g의 붕괴 횟수 값을 가지며, 이는 중저준위 방사성 폐기물에 해당하므로 매우 위험하다. 이처럼 방사성 원소는 저농도(1 ppb 이하)에서도 충분히 위험할 수 있기 때문에, 저농도의 세슘 또는 스트론튬을 효과적으로 제거하는 기술이 요구된다.In addition, adsorption methods generally have an exponentially lower amount of adsorption per unit mass of adsorbent when cesium or strontium is present at low concentrations due to chemical equilibrium limitations. However, cesium has a decay count value of 3600 Bq / g at a concentration of 1 ppb, which is very dangerous because it corresponds to low and medium radioactive waste. Since radioactive elements can be sufficiently dangerous even at low concentrations (1 ppb or less), a technique for effectively removing low concentrations of cesium or strontium is required.
게다가, 흡착법에 의해 세슘 또는 스트론튬을 제거할 경우, 저농도에서는 흡착제 단위 질량당 흡착량이 기하 급수적으로 낮아져 폐흡착 방사성 폐기물량이 과다하게 발생한다. 방사성 폐기물의 처리 단가는 200 L 드럼당 1219만원(2015년 기준)에 달할 정도로 높으므로, 흡착법을 사용할 경우 제거 비용뿐만 아니라 이후 과다한 처분 비용이 추가적으로 발생한다는 문제점이 존재한다.In addition, when cesium or strontium is removed by the adsorption method, at low concentrations, the amount of adsorption per unit mass of the adsorbent is exponentially lowered, resulting in an excessive amount of waste adsorption radioactive waste. Since the disposal cost of radioactive waste is as high as 12190,000 won per 200 L drum (as of 2015), there is a problem that the adsorption method additionally incurs excessive disposal costs as well as removal costs.
세슘 및/또는 스트론튬을 선택적으로 제거 처리하는 또 다른 방법으로는 이온성 액체(ionic liquid, IL)를 용매로 사용한 액액 용매추출법이 있다. 그러나 상기 이온성 액체 용매에 의한 액액 추출법은 이온성 액체의 비용 등의 문제로 아직 상용화 된 사례가 없다.Another method of selectively removing cesium and / or strontium is a liquid solvent extraction method using an ionic liquid (IL) as a solvent. However, the liquid liquid extraction method using the ionic liquid solvent has not yet been commercialized due to problems such as the cost of the ionic liquid.
이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 본 발명자들은 이온성 액체를 소량 사용하여 세슘 또는 스트론튬을 고체 형태로 추출하는 방법을 개발하였다(한국등록특허 제10-1668956호). 이온성 액체를 소량 이용한 상기 방법은 세슘 또는 스트론튬을 저농도에서도 효율적으로 추출할 수 있으며, 이들을 고체 형태로 추출함으로써 폐기물의 부피가 감량되고 추가적인 고형화 작업이 필요하지 않다는 이점을 가진다.As a solution to the problems of the prior art, the present inventors have developed a method of extracting cesium or strontium in a solid form using a small amount of ionic liquid (Korean Patent No. 10-1668956). The method using a small amount of ionic liquid has the advantage that cesium or strontium can be efficiently extracted even at low concentrations, and by extracting them in solid form, the volume of waste is reduced and no additional solidification operation is required.
그러나, 일반적으로 용매추출법은 수용상과 유기상의 유량이 유사해야 효과적으로 접촉하여 액액 분리를 통한 연속적인 추출이 가능하기 때문에, 소량의 이온성 액체만을 사용하는 상기 방법은 연속 추출분리 공정에 적합하지 않다. 예컨대, 후쿠시마 사고에서 하루에 처리가 필요한 세슘 또는 스트론튬 폐액량이 수백 톤에 달하는 반면에, 상기 기술을 이용할 경우 고액 추출을 위한 이온성 액체상의 양은 수천분의 1톤에 불과하므로, 세슘 또는 스트론튬을 포함하는 대규모의 방사성 폐액을 연속적으로 처리하기가 어렵다.However, in general, since the solvent extraction method requires a similar flow rate between the aqueous phase and the organic phase to effectively contact and continuously extract through liquid liquid separation, the method using only a small amount of ionic liquid is not suitable for the continuous extraction separation process. . For example, in the Fukushima accident, the amount of cesium or strontium waste required to be treated per day amounts to several hundred tons, whereas the amount of ionic liquid phase for solid-liquid extraction using this technique is only one thousandths of a ton, so it contains cesium or strontium. It is difficult to continuously treat large amounts of radioactive waste.
본 발명자들은 세슘 또는 스트론튬을 선택적으로 분리하며, 최종 방사성 폐기물량을 최소화하면서도 경제적인 세슘 또는 스트론튬의 연속적인 추출 방법을 개발하기 위해 연구한 결과, 대량의 값싼 유기용매를 사용하여 세슘 또는 스트론튬을 고체 형태로 연속 추출할 수 있는 공통이온 효과에 의한 3성분계 상분리 처리 기술을 개발하였다. 처리가 어려운 방사성 폐액의 발생을 최소화하면서도, 이온성 액체 대신 값싼 유기용매를 대량으로 사용하여 연속 추출 공정이 가능하게 하고, 추출 후 사용된 유기용매와 잔류하는 추출제를 재활용하여 경제성을 도모함으로써, 세슘 또는 스트론튬을 효율적으로 추출할 수 있는 본 발명을 완성하였다.The inventors have separated the cesium or strontium selectively and studied to develop an economical method of continuous extraction of cesium or strontium while minimizing the amount of final radioactive waste.As a result, a large amount of cheap organic solvent was used to solidify cesium or strontium. The three-component phase separation treatment technology was developed by the common ion effect that can be continuously extracted in the form. By minimizing the generation of radioactive waste that is difficult to process, it is possible to continuously extract by using a large amount of cheap organic solvents instead of ionic liquids, and recycle the organic solvents and residual extractants used after extraction for economic efficiency. The present invention enables the efficient extraction of cesium or strontium.
본 발명의 하나의 목적은, 세슘 또는 스트론튬 양이온과 이온교환 가능한 금속 양이온 및 상기 세슘 또는 스트론튬 양이온과 결합하여 소수성 복합체를 형성할 수 있는 음이온으로 된 금속염을, 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용액에 첨가하여 수용상을 준비하는 제1단계; 유기용매에 상기 제1단계로부터 형성되는 세슘 또는 스트론튬을 함유하는 소수성 복합체와 결합하여 고상을 형성할 수 있는 추출제를 포함하는 유기상을 준비하는 제2단계; 상기 제1단계의 수용상과 제2단계의 유기상을 접촉시키는 제3단계; 및 상기 제3단계의 반응 혼합액을 각각 고상, 수용상, 및 유기상의 3상으로 분리하여 회수하는 제4단계;를 포함하는, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to add a metal salt of a cesium or strontium cation with an ion exchangeable metal cation and an anion capable of combining with the cesium or strontium cation to form a hydrophobic complex to an aqueous solution containing cesium or strontium cation. A first step of preparing the receiving phase; A second step of preparing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the organic solvent from the first step; A third step of contacting the aqueous phase of the first step and the organic phase of the second step; And a fourth step of separating and recovering the reaction mixture of the third step into three phases of a solid phase, an aqueous phase, and an organic phase, respectively, to provide a method of extracting cesium or strontium.
본 발명의 다른 하나의 목적은, 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용액과, 세슘 또는 스트론튬 양이온과 이온교환 가능한 금속 양이온 및 상기 세슘 또는 스트론튬 양이온과 결합하여 소수성 복합체를 형성할 수 있는 음이온으로 된 금속염을 포함하는 수용상을 저장하는 수용상 저장조; 유기용매에 상기 수용상에서 형성되는 세슘 또는 스트론튬을 함유하는 소수성 복합체와 결합하여 고상을 형성할 수 있는 추출제를 포함하는 유기상을 저장하는 유기상 저장조; 상기 수용상과 상기 유기상이 접촉되는 반응조; 수용상, 유기상, 및 고상을 분리하는, 상기 반응조와 연계된 분리장치; 분리장치에 의해 분리된 수용상을 저장하기 위한, 분리장치에 연결된 처리수 저장조; 및 상기 반응조로부터 상기 유기상 저장조로 연결되는 제1회수관;을 포함하는, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a metal salt comprising an aqueous solution containing cesium or strontium cation, an ion exchangeable metal cation with cesium or strontium cation, and an anion capable of combining with the cesium or strontium cation to form a hydrophobic complex. An aqueous phase reservoir for storing an aqueous phase comprising; An organic phase storage tank storing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the aqueous phase in an organic solvent; A reaction tank in which the aqueous phase and the organic phase are in contact; A separation device associated with said reactor for separating an aqueous phase, an organic phase, and a solid phase; A treatment water reservoir connected to the separator for storing the receiving phase separated by the separator; And a first recovery tube connected to the organic phase storage tank from the reaction tank.
본 발명은 세슘 또는 스트론튬을 선택적으로 분리하며, 세슘 또는 스트론튬을 고체로서 추출하여 방사성 폐기물의 용량을 최소화하는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 값싼 유기용매를 다량 사용하고, 추출제를 세슘 또는 스트론튬 양이온과 동등한 양으로만 필요로 하여 추출제의 사용량을 최소화하며, 추출 후 잔류한 유기용매와 추출제를 재활용함으로써 대규모 연속 공정을 가능케하고 우수한 경제적 효율성을 나타낸다. 더욱이, 본 발명은 연속 추출 공정이 가능하여 목표하는 수준까지 세슘 또는 스트론튬을 효율적으로 추출하여 제거할 수 있는 효과를 나타낸다.The present invention selectively separates cesium or strontium and extracts cesium or strontium as a solid to minimize the capacity of radioactive waste. In addition, the present invention requires a large amount of inexpensive organic solvent, requires only an amount of the extractant in an amount equivalent to cesium or strontium cation to minimize the amount of the extractant, and recycles the organic solvent and extractant remaining after extraction on a large scale. It enables the process and shows good economic efficiency. Moreover, the present invention has the effect of being able to efficiently extract and remove cesium or strontium to a desired level by a continuous extraction process.
도 1은 본 발명의 세슘 또는 스트론튬 추출 방법에 의해 세슘 또는 스트론튬이 고상으로 추출된 결과를 나타내는 도이다.1 is a diagram showing a result of cesium or strontium extracted in the solid phase by the cesium or strontium extraction method of the present invention.
도 2는 본 발명의 여과 분리 방식에 의한 예시적인 세슘 또는 스트론튬 추출 공정도를 나타낸 도이다.2 is a diagram illustrating an exemplary cesium or strontium extraction process by the filtration separation method of the present invention.
도 3은 제2회수관을 추가로 포함하는, 본 발명의 다른 예시적인 세슘 또는 스트론튬 추출 공정도를 나타낸 도이다.3 is a diagram showing another exemplary cesium or strontium extraction process diagram of the present invention further comprising a second recovery tube.
도 4는 반응조를 유기상 저장조로 사용하는, 본 발명의 또 다른 예시적인 세슘 또는 스트론튬 추출 공정도를 나타낸 도이다.4 is a diagram illustrating another exemplary cesium or strontium extraction process diagram of the present invention using a reactor as an organic phase reservoir.
본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다. 한편, 본원에서 개시되는 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본원에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술되는 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 할 수 없다.Detailed description for carrying out the present invention is as follows. Meanwhile, each of the descriptions and the embodiments disclosed herein may be applied to each of the other descriptions and the embodiments. That is, all combinations of the various elements disclosed herein are within the scope of the present invention. In addition, the scope of the present invention is not limited by the specific description described below.
또한, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 통상의 실험만을 사용하여 본 출원에 기재된 본 발명의 특정 양태에 대한 다수의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있다. 또한, 이러한 등가물은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.In addition, one of ordinary skill in the art can recognize or identify many equivalents to certain aspects of the invention described in this application using conventional experiments only. In addition, such equivalents are intended to be included in the present invention.
상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은, 세슘 또는 스트론튬 양이온과 이온교환 가능한 금속 양이온 및 상기 세슘 또는 스트론튬 양이온과 결합하여 소수성 복합체를 형성할 수 있는 음이온으로 된 금속염을, 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용액에 첨가하여 수용상을 준비하는 제1단계;As one embodiment for achieving the above object, the present invention, a metal cation ion-exchangeable with cesium or strontium cation and a metal salt of an anion capable of combining with the cesium or strontium cation to form a hydrophobic complex, cesium or strontium A first step of preparing an aqueous phase by adding to an aqueous solution containing a cation;
유기용매에 상기 제1단계로부터 형성되는 세슘 또는 스트론튬을 함유하는 소수성 복합체와 결합하여 고상을 형성할 수 있는 추출제를 포함하는 유기상을 준비하는 제2단계;A second step of preparing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the organic solvent from the first step;
상기 제1단계의 수용상과 제2단계의 유기상을 접촉시키는 제3단계; 및A third step of contacting the aqueous phase of the first step and the organic phase of the second step; And
상기 제3단계의 반응 혼합액을 각각 고상, 수용상, 및 유기상의 3상으로 분리하여 회수하는 제4단계;를 포함하는, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법을 제공한다.It provides a method of extracting cesium or strontium, comprising; a fourth step of separating and recovering the reaction mixture of the third step in three phases, respectively, solid phase, aqueous phase, and organic phase.
이때, 상기 제4단계는 반응 혼합액을 정치시켜 3상이 분리되도록 한 후, 각각을 독립적으로 회수하거나, 반응 혼합액을 여과하여 액상으로부터 고상을 먼저 분리한 후 회수한 액상을 정치시켜 비중 차이 등에 의해 수용상과 유기상으로 층분리시켜 각각을 회수함으로써 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In this case, in the fourth step, the reaction mixture is allowed to settle so that the three phases are separated, and each of them is recovered independently, or the reaction mixture is filtered to separate the solid phase first from the liquid phase. It may be carried out by recovering each by separating the phases with an organic phase, but is not limited thereto.
본 발명은 종래 액-액 추출법을 기반으로 하는 이온성 액체 용매에 의한 액액 추출법으로 세슘 및/또는 스트론튬을 제거하는 경우 고가의 이온성 액체 용매를 소량 사용함으로 인해 연속 추출공정화가 어려운 문제를 해결하기 위하여 고안된 것이다. 구체적으로, 본 발명은 세슘 및/또는 스트론튬 양이온과 이온교환 가능한 금속 양이온 및 상기 이온교환에 의해 세슘 및/또는 스트론튬 양이온과 함께 소수성 복합체를 형성할 수 있는 음이온으로 된 금속염을 사용하면, 상기 이온교환에 의해 세슘 및/또는 스트론튬을 함유하는 소수성 복합체가 수용액 중에서 형성되고, 상기 수용액을 소량의 금속염과 다량의 유기용매를 혼합한 유기상과 접촉시키면 형성된 소수성 복합체가 유기상으로 이동하며, 이때 유기상에 상기 복합체와 결합하여 고상을 형성할 수 있는 추출제를 포함하여 수용액 중 함유된 세슘 또는 스트론튬을 고형화함으로써 고체-액체(수용상)-액체(유기상)의 3성분계 분리를 통해 세슘 도는 스트론튬을 추출하고, 분리 후 회수된 유기상은 방사성 물질을 더 이상 포함하지 않으므로 별도의 처리 과정 없이 상기 추출 과정에 재사용 가능함을 발견한 것에 기초한다.The present invention is to solve the problem that the continuous extraction process is difficult due to the use of a small amount of expensive ionic liquid solvent when the cesium and / or strontium is removed by the liquid liquid extraction method by the ionic liquid solvent based on the conventional liquid-liquid extraction method It is designed for. Specifically, the present invention uses a metal cation that is ion-exchangeable with cesium and / or strontium cations and a metal salt of an anion capable of forming a hydrophobic complex with cesium and / or strontium cations by the ion exchange. Hydrophobic complexes containing cesium and / or strontium are formed in an aqueous solution, and the aqueous solution is brought into contact with an organic phase in which a small amount of a metal salt and a large amount of an organic solvent are mixed. Cesium or strontium is extracted through three-component separation of solid-liquid (aqueous phase) -liquid (organic phase) by solidifying cesium or strontium contained in an aqueous solution, including an extractant capable of forming a solid phase in combination with The organic phase recovered afterwards no longer contains radioactive material, so It is based on the finding that it can be reused in the extraction process without processing.
본 발명의 용어, "금속염"은 금속 양이온과 상대 음이온(counter anion)으로 구성된 물질이다. 본 발명의 금속염의 금속 양이온은 세슘 또는 스트론튬 양이온과 양이온의 위치가 교체되는 이온교환(ion exchange) 반응을 할 수 있도록 선택된다. 또한, 본 발명의 금속염의 상대 음이온은 이러한 이온교환 반응에 따라 형성된 세슘 또는 스트론튬 양이온 및 상기 금속염의 음이온으로 구성된 복합체가 소수성을 가져, 상기 복합체를 함유하는 수용상이 유기상과 접촉할 때 상기 복합체가 유기상으로 이동할 수 있도록 선택된다. 본 발명에서, 유기상으로 이동한 소수성 복합체는 유기상에 존재하는 추출제와 결합하여 고상(침전물)을 형성하며, 이는 세슘 또는 스트론튬을 고상으로 추출할 수 있도록 한다.As used herein, the term "metal salt" is a substance consisting of a metal cation and a counter anion. The metal cations of the metal salts of the present invention are selected to allow ion exchange reactions in which the positions of the cations and cesium or strontium cations are exchanged. In addition, the counter anion of the metal salt of the present invention has a hydrophobic complex composed of a cesium or strontium cation formed according to this ion exchange reaction and an anion of the metal salt, so that the complex is in an organic phase when the aqueous phase containing the complex is in contact with an organic phase. Is selected to move to. In the present invention, the hydrophobic complex shifted to the organic phase combines with the extractant present in the organic phase to form a solid phase (precipitate), which makes it possible to extract cesium or strontium into the solid phase.
상기 금속염은 알칼리금속염 또는 알칼리토금속염일 수 있으나, 수용상에 조재하며 세슘 또는 스트론튬 양이온과 이온교환 반응하여 소수성 복합체를 형성할 수 있는 한, 특별히 제한되지 않는다. 상기 금속염의 음이온은 Tf2N-(trifluoromethanesulfonylamide, (CF3SO2)2N)), PF6 -(hexafluorophosphate), BETI-(bis(perfluoroethylsulfonyl)imide), BF4 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, AcO-, TfO-(trifluoromethanesulfonate), 또는 CH3CH(OH)CO2 -(L-lactate)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 하나의 실험예에서는, 금속염으로서 LiTf2N 또는 LiBETl을 사용하여 이들 모두가 우수한 세슘 제거 효율을 나타냄을 확인하였다(실험예 1 및 3).The metal salt may be an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt, but is not particularly limited as long as it is present in an aqueous phase and may form an hydrophobic complex by ion exchange with a cesium or strontium cation. The anion of the metal salt is Tf 2 N - (trifluoromethanesulfonylamide, ( CF 3 SO 2) 2 N)), PF 6 - (hexafluorophosphate), BETI - (bis (perfluoroethylsulfonyl) imide), BF 4 -, AlCl 4 -, Al 2 Cl 7 -, AcO -, TfO - (trifluoromethanesulfonate), or CH 3 CH (OH) CO 2 - may be an (L-lactate), but is not limited thereto. In one experimental example of the present invention, using LiTf 2 N or LiBETl as the metal salt, all of them showed excellent cesium removal efficiency (Experimental Examples 1 and 3).
상기 금속염은 세슘 또는 스트론튬 양이온의 0.1 내지 10배의 몰수로 존재할 수 있다. 상기 금속염의 양은, 구체적으로, 세슘 또는 스트론튬 양이온의 0.1 내지 7배, 더욱 구체적으로, 0.1 내지 5배, 가장 구체적으로 0.1 내지 3배일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 금속염의 양이 세슘 또는 스트론튬 양이온의 몰수의 0.1배 미만일 경우, 반응 속도가 낮아 반응에 오랜 시간이 소요되며, 단회 실행에 의해 추출되는 양이 적어 수회 반복 수행을 필요로 할 수 있다.The metal salt may be present in a mole number of 0.1 to 10 times the cesium or strontium cation. The amount of the metal salt may be specifically 0.1 to 7 times, more specifically 0.1 to 5 times and most specifically 0.1 to 3 times the cesium or strontium cation, but is not limited thereto. For example, when the amount of the metal salt is less than 0.1 times the number of moles of cesium or strontium cations, the reaction rate is low, and the reaction takes a long time, and the amount extracted by a single run may be small, requiring several times of repeated performance.
본 발명의 용어, "추출제"는 유기용매에 용해되어 유기상에 존재하는 것으로서, 상기 소수성 복합체와 결합하여 고상(침전물)을 형성할 수 있는 물질이다. 상기 추출제로는, 이에 제한되지는 않지만, 크라운에테르계 추출제가 사용될 수 있으며, 구체적으로, DCH18C6(Dicyclohexano-18-crown-6), DB21C7(Dibenzo-21-crown-7), DB24C8(Dibenzo-24-crown-8), 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.As used herein, the term "extracting agent" is a substance which is dissolved in an organic solvent and is present in an organic phase, and may be combined with the hydrophobic complex to form a solid phase (precipitate). As the extractant, but not limited thereto, a crown ether-based extractant may be used. Specifically, DCH18C6 (Dicyclohexano-18-crown-6), DB21C7 (Dibenzo-21-crown-7), DB24C8 (Dibenzo-24 -crown-8), or a combination thereof can be used.
상기 추출제는 세슘 또는 스트론튬 양이온의 몰수의 0.1 내지 10배로 존재할 수 있다. 상기 추출제의 양은, 구체적으로, 세슘 또는 스트론튬 양이온의 몰수의 1 내지 9배, 더욱 구체적으로, 1 내지 7배, 가장 구체적으로 1 내지 5배일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 추출제의 양이 세슘 또는 스트론튬 양이온의 몰수의 0.1배 미만일 경우, 세슘과 스트론튬의 추출 효율이 낮아질 수 있다.The extractant may be present at 0.1 to 10 times the number of moles of cesium or strontium cation. The amount of extractant may specifically be 1 to 9 times, more specifically 1 to 7 times and most specifically 1 to 5 times the number of moles of cesium or strontium cation, but is not limited thereto. When the amount of the extractant is less than 0.1 times the number of moles of cesium or strontium cation, the extraction efficiency of cesium and strontium may be lowered.
본 발명에서, 유기용매는 수용상과 분리될 수 있으며 상기 추출제를 용해할 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 유기용매의 비제한적인 예로는 옥탄, 노난, 테칸, 운데칸, 도데칸, 트리데칸 등의 포화탄화수소와 케로센(kerosene)이 있다. 여기서, 케로센은 C6-16 탄화수소 혼합물을 의미한다. 본 발명의 하나의 실험예에서는, 도데칸 또는 케로센을 사용하였을 때 모두 고상-액상-액상의 삼상 분리 현상이 나타나며 우수한 세슘 제거 효율을 나타냄을 확인하였다(실험예 1 및 2).In the present invention, the organic solvent is not particularly limited as long as it can be separated from the aqueous phase and can dissolve the extractant. Non-limiting examples of organic solvents include saturated hydrocarbons such as octane, nonane, tecan, undecane, dodecane, tridecane and kerosene. Here, kerosene means a C 6-16 hydrocarbon mixture. In one experimental example of the present invention, when dodecane or kerosene were used, all three-phase separation of solid-liquid-liquid phase appeared, and it was confirmed that the cesium removal efficiency was excellent (Experimental Examples 1 and 2).
상기 유기용매의 양은, 유기상, 수용상, 및 고상의 삼상 분리 현상이 일어나는 한 특별히 제한되지 않으나, 세슘 또는 스트론튬 수용액의 부피를 기준으로 3부피% 내지 150부피%, 구체적으로 5부피% 내지 100부피%일 수 있다. 상기 유기용매의 양이 세슘 또는 스트론튬 수용액의 부피를 기준으로 3부피% 미만으로 사용될 경우, 유기상과 수용상의 유량의 차이로 인해 연속적인 분리 공정을 수행하기 어려울 수 있다. 본 발명의 실험예에서는 해당 부피 비율로 유기용매가 사용되는 경우 삼상 분리 현상을 나타냄을 확인하였다(실험예 1 내지 3).The amount of the organic solvent is not particularly limited as long as the three-phase separation of the organic phase, the aqueous phase, and the solid phase occurs, but 3 vol% to 150 vol%, specifically 5 vol% to 100 vol, based on the volume of the cesium or strontium aqueous solution. May be%. When the amount of the organic solvent is used in less than 3% by volume based on the volume of the cesium or strontium aqueous solution, it may be difficult to perform a continuous separation process due to the difference in the flow rate of the organic phase and the aqueous phase. In the experimental example of the present invention it was confirmed that the three-phase separation phenomenon when the organic solvent is used in the volume ratio (Experimental Examples 1 to 3).
또는, 상기 유기용매의 사용량은 이에 포함되는 추출제의 몰수를 기준으로 0.1 내지 100배의 몰수로 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 유기용매의 종류에 무관하게 동일량의 추출제를 포함하는 1 내지 20 mL의 넓은 부피 범위에서 90% 이상의 우수한 세슘 제거 효율을 나타냄을 확인하였다.Alternatively, the organic solvent may be used in an amount of 0.1 to 100 times the number of moles based on the number of moles of the extractant included therein, but is not limited thereto. In a specific embodiment of the present invention, it was confirmed that the cesium removal efficiency of more than 90% in a wide volume range of 1 to 20 mL containing the same amount of extractant regardless of the type of organic solvent.
상기 금속염과 함께 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용상을 상기 추출제를 상기 유기용매에 포함하는 유기상과 접촉시키면, 수용상 중에 형성된 소수성 복합체가 유기상으로 이동하고, 유기상으로 이동된 소수성 복합체는 유기상 중의 추출제와 결합하여 침전물(고상)을 형성한다.When the aqueous phase containing cesium or strontium cation together with the metal salt is brought into contact with the organic phase containing the extractant in the organic solvent, the hydrophobic complex formed in the aqueous phase moves to the organic phase, and the hydrophobic complex transferred to the organic phase is in the organic phase. Combine with extractant to form a precipitate (solid phase).
본 발명에서, 수용상과 유기상의 접촉은 특별히 제한되지 않으나, 향류(counter current) 용매추출방법, 병류(parallel current) 용매추출방법 또는 혼합접촉방법으로 수행될 수 있다. 예컨대, 수용상과 유기상을 단순 혼합하여 그 계면에서 수용상과 유기상이 접촉하여 반응하도록 하거나, 반응조 내에서 수용상과 유기상을 교반하여 접촉을 향상시켜 반응하도록 할 수 있다. 수용상과 유기상을 교반하여 접촉시키는 경우, 반응 후 수용상과 유기상의 혼합물을 정치하여 상분리를 수행할 수 있다.In the present invention, the contacting of the aqueous phase and the organic phase is not particularly limited, but may be performed by a counter current solvent extraction method, a parallel current solvent extraction method, or a mixed contact method. For example, the aqueous phase and the organic phase may be simply mixed to allow the aqueous phase and the organic phase to contact and react at the interface thereof, or the aqueous phase and the organic phase may be agitated in the reactor to improve the contact. When the aqueous phase and the organic phase are brought into contact with each other by stirring, a mixture of the aqueous phase and the organic phase may be left after the reaction to perform phase separation.
본 발명의 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법은 상기 제4단계로부터 회수한 수용상의 세슘 또는 스트론튬의 농도를 측정하여, 상기 측정된 농도가 정해진 수준 이상인 경우 상기 수용상을 제1단계로 환송하고, 정해진 수준 미만인 경우 상기 수용상을 처리수 저장조로 이동시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 환송된 수용상에는 필요할 경우 상기 금속염이 보충될 수 있다.The method of extracting cesium or strontium of the present invention measures the concentration of cesium or strontium in the aqueous phase recovered from the fourth step, and when the measured concentration is above a predetermined level, the aqueous phase is returned to the first step, and the predetermined level is determined. If less than that may further comprise the step of moving the receiving phase to the treated water reservoir. The returned aqueous phase may be replenished with the metal salt if necessary.
또한, 본 발명의 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법은 상기 제4단계로부터 회수한 유기상을 제2단계로 환송하는 단계를 추가로 포함하여 회수한 유기상을 유기용매로 재사용하여 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 수행할 수 있다. 이때, 환송된 유기상에는 필요할 경우 상기 추출제가 보충될 수 있다. 본 발명의 하나의 실험예에서는 유기상을 재사용하여 2회 추출하여도 우수한 세슘 제거 효율을 유지함을 확인하였을 뿐만 아니라, 세슘 또는 스트론튬의 연속적인 추출이 가능함을 확인하였다(실험예 4). 이와 같이 잔류한 추출제 및 유기용매의 재사용과 추출 공정의 연속화를 통해, 본 발명의 추출 방법은 우수한 경제적 효율성을 달성할 것으로 기대된다.In addition, the method of extracting cesium or strontium of the present invention further includes the step of returning the organic phase recovered from the fourth step to the second step to reuse the recovered organic phase as an organic solvent to perform the third to fifth steps. Can be done repeatedly. At this time, the extracted organic phase may be supplemented with the extractant if necessary. In one experimental example of the present invention, it was confirmed that the cesium or strontium was continuously extracted as well as maintaining excellent cesium removal efficiency even when the organic phase was reused and extracted twice (Experimental Example 4). Through the reuse of the remaining extractant and organic solvent and the sequencing of the extraction process, the extraction method of the present invention is expected to achieve excellent economic efficiency.
또한, 본 발명의 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용액은 방사성 폐기물로부터 유래된 것일 수 있으며, 본 발명의 세슘 또는 스트론튬 양이온은 비방사성 세슘 또는 스트론튬 양이온; 방사성 세슘 또는 스트론튬 양이온; 또는 이들의 조합일 수 있다.In addition, the aqueous solution containing the cesium or strontium cation of the present invention may be derived from radioactive waste, the cesium or strontium cation of the present invention is non-radioactive cesium or strontium cation; Radioactive cesium or strontium cations; Or combinations thereof.
본 발명의 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법은, 방사성 세슘 또는 스트론튬 양이온 및 비방사성 세슘 또는 스트론튬 양이온을 포함한 전체 세슘 또는 스트론튬 양이온의 농도를 조절함으로써, 세슘 또는 스트론튬의 추출 효율을 높인 것일 수 있다. 예컨대, 상기 추출 방법은, 전체 세슘 또는 스트론튬 양이온의 농도가 낮을 경우, 세슘 또는 스트론튬을 추가로 첨가함으로써 세슘 또는 스트론튬 양이온의 농도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 세슘 또는 스트론튬 양이온의 농도가 높아지므로, 화학 평형에 따라 세슘 또는 스트론튬의 추출 효율이 높아질 수 있다. 이 때, 전체 세슘 또는 스트론튬 양이온의 농도는 0.1 내지 100 ppm으로 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The method of extracting cesium or strontium of the present invention may increase the extraction efficiency of cesium or strontium by adjusting the concentration of total cesium or strontium cations including radioactive cesium or strontium cations and non-radioactive cesium or strontium cations. For example, the extraction method may include adjusting the concentration of cesium or strontium cations by additionally adding cesium or strontium when the total concentration of cesium or strontium cations is low. In this case, since the concentration of cesium or strontium cations is high, the extraction efficiency of cesium or strontium may be increased depending on chemical equilibrium. At this time, the concentration of the total cesium or strontium cation may be adjusted to 0.1 to 100 ppm, but is not limited thereto.
이와 같은 본 발명의 추출 방법은 세슘 또는 스트론튬을 선택적으로 분리하며, 세슘 또는 스트론튬을 고체로서 추출하여 방사성 폐기물의 용량을 최소화할 뿐만 아니라, 값싼 유기용매를 사용하고, 유기용매 및 추출제를 재활용하여 우수한 경제적 효율성을 나타내며, 목표하는 수준까지 세슘 또는 스트론튬을 효율적으로 연속 추출할 수 있다.The extraction method of the present invention selectively separates cesium or strontium, and extracts cesium or strontium as a solid to minimize the capacity of radioactive waste, as well as using a cheap organic solvent, by recycling the organic solvent and extractant It shows good economic efficiency and can efficiently extract cesium or strontium to the desired level.
다른 하나의 양태로서, 본 발명은, 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용액과, 세슘 또는 스트론튬 양이온과 이온교환 가능한 금속 양이온 및 상기 세슘 또는 스트론튬 양이온과 결합하여 소수성 복합체를 형성할 수 있는 음이온으로 된 금속염을 포함하는 수용상을 저장하는 수용상 저장조;In another embodiment, the present invention provides a metal salt comprising an aqueous solution containing cesium or strontium cations, an ion exchangeable metal cation with cesium or strontium cations, and an anion capable of combining with the cesium or strontium cations to form a hydrophobic complex. An aqueous phase storage tank for storing the aqueous phase comprising a;
유기용매에 상기 수용상에서 형성되는 세슘 또는 스트론튬을 함유하는 소수성 복합체와 결합하여 고상을 형성할 수 있는 추출제를 포함하는 유기상을 저장하는 유기상 저장조;An organic phase storage tank storing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the aqueous phase in an organic solvent;
상기 수용상과 상기 유기상이 접촉되는 반응조;A reaction tank in which the aqueous phase and the organic phase are in contact;
수용상, 유기상, 및 고상을 분리하는, 상기 반응조와 연계된 분리장치;A separation device associated with said reactor for separating an aqueous phase, an organic phase, and a solid phase;
분리장치에 의해 분리된 수용상을 저장하기 위한, 분리장치에 연결된 처리수 저장조; 및A treatment water reservoir connected to the separator for storing the receiving phase separated by the separator; And
상기 반응조로부터 상기 유기상 저장조로 연결되는 제1회수관;을 포함하는, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치를 제공한다. 이러한 추출 장치의 예를 도 2에 나타내었다.It provides a cesium or strontium extraction apparatus comprising a; a first recovery pipe connected to the organic phase storage tank from the reaction tank. An example of such an extraction apparatus is shown in FIG.
예컨대, 본 발명의 추출 장치에 있어서, 여과 등의 고상과 액상을 분리하는 장치는 재사용할 수 있으며, 분리된 고상 즉, 침전물을 즉시 또는 별도의 저장소에 회수하여 일정량 이상이 되면 배출하는 장치를 추가로 구비할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, in the extracting apparatus of the present invention, the apparatus for separating the solid phase and the liquid phase, such as filtration, can be reused, and the apparatus for discharging the separated solid phase, i.e., the precipitate, immediately or in a separate reservoir to be discharged when a predetermined amount or more is added. It may be provided as, but is not limited thereto.
상기 세슘 또는 스트론튬 추출 장치는, 분리장치에 의해 분리된 수용상 중의 세슘 또는 스트론튬 농도를 확인하기 위하여, 분리장치 또는 처리수 저장조에 구비된 측정장치; 및 상기 측정장치가 연결된 분리장치 또는 처리수 저장조로부터 상기 수용상 저장조로 연결되는 제2회수관;을 추가로 포함할 수 있다. 이와 같이 제2회수관을 추가로 포함하는 추출 장치의 예를 도 3에 나타내었다. 제2회수관은 분리장치에 연결될 수도 있다.The cesium or strontium extraction device, measuring device provided in the separation device or the treated water storage tank to determine the concentration of cesium or strontium in the aqueous phase separated by the separation device; And a second recovery pipe connected to the receiving bed reservoir from the separator or the treated water reservoir connected to the measuring device. An example of the extraction apparatus further including a second recovery tube is shown in FIG. 3. The second recovery pipe may be connected to the separation device.
본 발명의 세슘 또는 스트론튬 추출 장치는, 상기 측정장치에 의해 산출된, 분리된 수용상 중의 세슘 또는 스트론튬의 농도가 정해진 수준 미만인 경우 분리된 수용상을 처리수 저장조에 수용하고, 세슘 또는 스트론튬의 농도가 정해진 수준 이상인 경우에는 분리된 수용상을 제2회수관을 통해 수용상 저장조로 환송하는 것일 수 있다.The cesium or strontium extraction device of the present invention, when the concentration of cesium or strontium in the separated aqueous phase calculated by the measuring device is less than a predetermined level, the separated aqueous phase is accommodated in the treated water reservoir, the concentration of cesium or strontium If more than a predetermined level may be to return the separated receiving bed to the receiving bed storage tank through the second collection pipe.
본 발명의 수용상 저장조는 세슘 또는 스트론튬 양이온과 본 발명의 금속염을 포함하는 수용상을 저장하며, 본 발명의 유기상 저장조는 본 발명의 유기용매 및 추출제를 포함하는 유기상을 저장한다.The aqueous phase reservoir of the present invention stores an aqueous phase comprising cesium or strontium cations and the metal salt of the present invention, and the organic phase reservoir of the present invention stores an organic phase comprising the organic solvent and extractant of the present invention.
본 발명의 반응조는 상기 수용상 저장조 및 유기상 저장조로부터 수용상 및 유기상을 공급받아 수용상 및 유기상을 접촉시킨다. 상기 반응조에서는, 수용상 중에 형성된 본 발명의 소수성 복합체가 유기상으로 이동하여 유기상 중의 추출제와 결합함으로써 고상을 형성하는 반응이 일어난다. 상기 반응조에서는 수용상 및 유기상이 밀도 차이에 의해 분리된 상태로 존재할 수 있으며, 추가로 구비될 수 있는 교반 장치에 의해 혼합된 상태로 존재할 수 있다.The reaction tank of the present invention receives an aqueous phase and an organic phase from the aqueous phase storage tank and the organic phase storage tank to contact the aqueous phase and the organic phase. In the reaction tank, a reaction occurs in which the hydrophobic complex of the present invention formed in the aqueous phase moves to the organic phase and forms a solid phase by combining with an extractant in the organic phase. In the reactor, the aqueous phase and the organic phase may exist in a separated state by the difference in density, and may be present in a mixed state by a stirring device which may be further provided.
본 발명의 세슘 또는 스트론튬 추출 장치는, 상기 반응조 자체를 분리된 유기상의 반응조와 유기상 저장조로 사용하고, 이에 따라 상기 유기상 저장조 및 상기 제1회수관을 생략된 것일 수 있다. 구체적으로, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치는 유기상이 반응조에 유지되며, 유기상에 첨가되는 유기용매와 추출제는 반응조에 직접 첨가되고, 수용상만이 수용상 저장조-반응조-분리장치-수용상 저장조 또는 수용상 저장조-반응조-분리장치-(처리수 저장조)-제2회수관-수용상 저장조를 거쳐 환류하는 구조일 수 있다. 이와 같이 반응조 자체를 유기상 저장조로 사용하는 추출 장치의 예를 도 4에 나타내었다.In the cesium or strontium extraction device of the present invention, the reaction tank itself may be used as the reaction tank and the organic phase storage tank of the separated organic phase, and thus the organic phase storage tank and the first recovery pipe may be omitted. Specifically, in the cesium or strontium extraction device, the organic phase is maintained in the reaction tank, the organic solvent and the extractant added to the organic phase are added directly to the reaction tank, and only the aqueous phase is the aqueous phase reservoir-reactor-separator-aqueous phase reservoir or aqueous phase. The tank may be refluxed through a reservoir, a reactor, a separator, a treatment water reservoir, a second recovery pipe, and a water phase reservoir. Thus, the example of the extraction apparatus using the reaction tank itself as an organic phase storage tank is shown in FIG.
본 발명의 분리장치는, 상기 반응조의 하단에 연결되어, 유기상, 수용상, 및 고상을 각각 분리하는 역할을 수행한다. 상기 분리장치는 여과장치, 추출장치, 원심분리장치, 또는 이의 조합일 수 있지만, 유기상, 수용상, 및 고상을 각각 분리할 수만 있다면 특별히 제한되지 않는다. 측정장치가 분리장치에 구비된 경우, 상기 분리장치는 세슘 또는 스트론튬의 농도가 정해진 수준 미만으로 감소된 경우 분리된 수용상을 처리수 저장조로 이동시키고, 세슘 또는 스트론튬의 농도가 정해진 수준 이상인 경우 분리된 수용상을 제2회수관을 통해 수용상 저장조로 환송하는 것일 수 있다.The separator of the present invention is connected to the lower end of the reactor, and serves to separate the organic phase, the aqueous phase, and the solid phase, respectively. The separation device may be a filtration device, an extraction device, a centrifugal device, or a combination thereof, but is not particularly limited as long as it can separate the organic phase, the aqueous phase, and the solid phase, respectively. When the measuring device is provided in the separator, the separator moves the separated aqueous phase to the treated water reservoir when the concentration of cesium or strontium is reduced below a predetermined level, and separates when the concentration of cesium or strontium is above a predetermined level. The received receiving phase may be to repatriate the receiving vessel through the second collection pipe.
본 발명의 처리수 저장조는 분리장치에 의해 분리된 수용상(처리수라고도 함)을 저장한다. 측정장치가 처리수 저장조에 구비된 경우, 상기 처리수 저장조는 세슘 또는 스트론튬의 농도가 정해진 수준 미만으로 감소된 경우 분리된 수용상을 수용하고, 세슘 또는 스트론튬의 농도가 정해진 수준 이상인 경우 분리된 수용상을 제2회수관을 통해 수용상 저장조로 환송하는 것일 수 있다.The treated water storage tank of the present invention stores an aqueous phase (also called treated water) separated by a separating device. When the measuring device is provided in the treated water reservoir, the treated water reservoir receives a separate aqueous phase when the concentration of cesium or strontium is reduced below a predetermined level, and separate receiving when the concentration of cesium or strontium is higher than a predetermined level. The phase may be to be returned to the receiving reservoir through the second collection pipe.
또한, 분리장치에 의해 분리된 유기상은 제1회수관을 통해 반응조로 환송될 수 있으며, 이 때, 필요한 경우 유기상에 추출제가 보충될 수 있다.In addition, the organic phase separated by the separator may be returned to the reactor through the first recovery pipe, when the extractant may be supplemented with the organic phase if necessary.
본 발명의 추출 장치는 회분식, 연속식, 또는 이들의 조합이 가능한 것일 수 있다.Extraction apparatus of the present invention may be a batch, continuous, or a combination thereof.
이와 같은 본 발명의 추출 장치는 목표하는 수준까지 세슘 또는 스트론튬을 효율적으로 연속 추출할 수 있을 뿐만 아니라, 유기용매 및 추출제를 재활용하여 우수한 경제성까지도 도모하는 유리한 효과를 가진다.Such an extraction apparatus of the present invention not only can efficiently extract cesium or strontium to a desired level, but also has an advantageous effect of recycling organic solvents and extractants to achieve excellent economic efficiency.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
실시예 1: 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법Example 1 Extraction Method of Cesium or Strontium
유기용매인 도데칸에 추출제로서 2 mmol의 DCH18C8을 첨가하여 유기상을 준비하였다. 20 mL의 물에 2 mmol의 CsNO3 또는 Sr(NO3)2와 금속염으로서 5 mmol의 LiTf2N을 첨가하여 수용상을 준비하였다. 유기상과 수용상을 접촉시켜 반응시켰다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 반응에 의해 흰색 고상이 형성되었으며, 시간의 경과에 따라 유기상, 수용상, 및 고상의 삼상 분리 현상이 나타났다.An organic solvent was prepared by adding 2 mmol of DCH18C8 as an extractant to dodecane, an organic solvent. An aqueous phase was prepared by adding 2 mmol of CsNO 3 or Sr (NO 3 ) 2 and 5 mmol of LiTf 2 N as a metal salt to 20 mL of water. The organic and aqueous phases were contacted to react. As shown in FIG. 1, a white solid phase was formed by the reaction, and a three-phase separation phenomenon of an organic phase, a water-soluble phase, and a solid phase appeared over time.
실험예 1: 유기용매의 부피에 따른 세슘의 추출 효율 및 상분리Experimental Example 1: Extraction efficiency and phase separation of cesium according to the volume of the organic solvent
본 발명자들은 사용된 유기용매의 부피에 따른 세슘의 추출 효율 및 상분리의 결과를 확인하고자 하였다.The present inventors attempted to confirm the results of phase separation and the extraction efficiency of cesium according to the volume of the organic solvent used.
이를 위하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 세슘 추출을 실시하되, 유기용매인 도데칸의 부피를 각각 1 mL, 5 mL, 10 mL, 또는 20 mL로 하여 유기상을 준비하였다. 각각에 대해 세슘의 제거 효율 및 상분리 형태를 확인하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 상분리는 고상(S)-액상(L), 고상(S)-액상(L)-액상(L), 또는 액상(L)-액상(L)으로 나타내었다.To this end, cesium extraction was performed in the same manner as in Example 1, but the organic phase was prepared by adjusting the volume of dodecane, an organic solvent, to 1 mL, 5 mL, 10 mL, or 20 mL, respectively. For each, the removal efficiency and phase separation form of cesium were confirmed, and the results are shown in Table 1 below. Phase separation was represented by solid phase (S)-liquid phase (L), solid phase (S)-liquid phase (L)-liquid phase (L), or liquid phase (L)-liquid phase (L).
도데칸 부피(mL)Dodecane Volume (mL) Cs 제거 효율(%)Cs removal efficiency (%) 상분리(S-L / S-L-L / L-L)Phase Separation (S-L / S-L-L / L-L)
1One 97.8297.82 S-L-LS-L-L
55 97.6897.68 S-L-L S-L-L
1010 97.6097.60 S-L-LS-L-L
2020 97.3197.31 S-L-LS-L-L
표 1에 나타낸 바와 같이, 세슘 수용액의 부피(20 mL)에 대한 유기용매의 부피가 1:1 내지 1:20의 비율일 때, 모든 표본은 유기상과 수용상의 비율과 무관하게 고상(S)-액상(L)-액상(L)의 상분리 현상을 나타내며, 세슘 제거 효율이 90% 이상으로 우수한 세슘 제거 효율을 나타냄을 확인하였다.As shown in Table 1, when the volume of the organic solvent to the volume of the cesium aqueous solution (20 mL) is a ratio of 1: 1 to 1:20, all samples are solid (S)-regardless of the ratio of the organic phase and the aqueous phase. Phase separation of the liquid phase (L) -liquid phase (L) was shown, and the cesium removal efficiency was found to be excellent cesium removal efficiency of 90% or more.
실험예 2: 유기용매 종류에 따른 세슘의 추출 효율 및 상분리Experimental Example 2: Extraction Efficiency and Phase Separation of Cesium According to Organic Solvents
본 발명자들은 유기상의 종류에 따른 세슘의 추출 효율 및 상분리의 결과를 확인하고자 하였다.The present inventors intended to confirm the extraction efficiency of cesium and the result of phase separation according to the type of organic phase.
이를 위하여, 유기용매로서 도데칸 대신 케로센을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 세슘 추출을 수행하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.To this end, cesium extraction was performed in the same manner as in Experimental Example 1, except that kerosene was used instead of dodecane as an organic solvent, and the results are shown in Table 2 below.
케로센 부피(mL)Kerosene Volume (mL) Cs 제거 효율(%)Cs removal efficiency (%) 상분리(S-L / S-L-L / L-L)Phase Separation (S-L / S-L-L / L-L)
1One 98.2398.23 S-L-LS-L-L
55 97.6697.66 S-L-L S-L-L
1010 97.2797.27 S-L-LS-L-L
2020 96.5896.58 S-L-LS-L-L
표 2에 나타낸 바와 같이, 세슘 수용액의 부피(20 mL)에 대한 유기용매의 부피가 1:1 내지 1:20의 비율일 때, 케로센을 유기용매로 사용한 모든 표본은 유기용매로 도데칸을 사용하였을 경우와 유사하게 고상(S)-액상(L)-액상(L)의 상분리 현상을 나타내며, 세슘 제거 효율이 90% 이상으로 우수한 세슘 제거 효율을 나타냄을 확인하였다. 또한, 케로센을 사용한 모든 표본은 같은 부피의 도데칸을 사용한 표본과 유사한 세슘 제거 효율을 나타냄을 확인하였다.As shown in Table 2, when the volume of the organic solvent to the volume of the cesium aqueous solution (20 mL) is a ratio of 1: 1 to 1:20, all the samples using kerosene as the organic solvent were dodecane as the organic solvent. Similar to the case of use, the solid phase (S) -liquid phase (L) -liquid phase (L) showed a phase separation phenomenon, cesium removal efficiency was found to be excellent cesium removal efficiency of 90% or more. In addition, it was confirmed that all samples using kerosene showed similar cesium removal efficiency as the samples using the same volume of dodecane.
실험예 3: 금속염의 음이온 종류에 따른 세슘의 추출 효율 및 상분리Experimental Example 3: Extraction efficiency and phase separation of cesium according to the anion type of the metal salt
본 발명자들은 금속염의 음이온 종류에 따른 세슘의 추출 효율 및 상분리를 확인하고자 하였다. The present inventors attempted to confirm the extraction efficiency and phase separation of cesium according to the anion type of the metal salt.
이를 위하여, 금속염으로서 LiTf2N 대신 LiBETl을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 세슘 추출을 수행하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.To this end, cesium extraction was performed in the same manner as in Experimental Example 1, except that LiBETl was used instead of LiTf 2 N as the metal salt, and the results are shown in Table 3 below.
도데칸 부피(mL)Dodecane Volume (mL) Cs 제거 효율(%)Cs removal efficiency (%) 상분리(S-L / S-L-L / L-L)Phase Separation (S-L / S-L-L / L-L)
1One 93.9793.97 S-L-LS-L-L
55 93.9693.96 S-L-L S-L-L
1010 94.3494.34 S-L-LS-L-L
2020 94.5694.56 S-L-LS-L-L
표 3에 나타낸 바와 같이, 세슘 수용액의 부피(20 mL)에 대한 유기용매의 부피가 1:1 내지 1:20의 비율일 때, LiBETl을 금속염으로 사용한 모든 표본은 금속염으로 LiTf2N을 사용하였을 경우와 유사하게 고상(S)-액상(L)-액상(L)의 상분리 현상을 나타내며, 세슘 제거 효율이 90% 이상으로 우수한 세슘 제거 효율을 나타냄을 확인하였다.As shown in Table 3, when the volume of the organic solvent to the volume of the cesium aqueous solution (20 mL) is a ratio of 1: 1 to 1:20, all samples using LiBETl as the metal salt used LiTf 2 N as the metal salt. Similar to the case, the solid phase (S) -liquid phase (L) -liquid phase (L) showed a phase separation phenomenon, cesium removal efficiency was found to be excellent cesium removal efficiency of 90% or more.
실험예 4: 유기상 재사용시 세슘의 추출 효율Experimental Example 4: Extraction Efficiency of Cesium in Reuse of Organic Phase
본 발명자들은 유기상을 재사용할 때의 세슘의 추출 효율을 확인하고자 하였다.The present inventors tried to confirm the extraction efficiency of cesium when reusing the organic phase.
이를 위하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 추출제의 농도가 수용상 중 세슘의 농도의 3배가 되도록 추출제 6 mmol을 첨가하여 세슘을 1차 추출하였으며, 새로운 세슘 모의 폐액을 1차 추출에서 사용한 유기상을 재사용하여 2차 추출하였다. 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.To this end, it was carried out in the same manner as in Example 1, but the cesium was first extracted by adding 6 mmol of the extractant so that the concentration of the extractant is three times the concentration of cesium in the aqueous phase, the new cesium simulated waste solution was first The organic phase used in the extraction was reused for secondary extraction. The results are shown in Table 4 below.
추출 횟수Extraction count Cs 제거 효율(%)Cs removal efficiency (%)
1회1 time 97.4997.49
2회Episode 2 93.2893.28
표 4에 나타낸 바와 같이, 유기상을 재사용하여 2회 추출하여도 90% 이상의 우수한 세슘 제거 효율을 유지함을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 추출 후 잔류한 유기용매와 추출제를 재활용함으로써 세슘 또는 스트론튬 양이온을 경제적으로 추출할 수 있음을 확인하였으며, 또한, 세슘 또는 스트톤륨 양이온을 목표하는 농도까지 연속적으로 추출 제거할 수 있음을 확인할 수 있었다.As shown in Table 4, it was confirmed that the cesium removal efficiency of more than 90% is maintained even when the organic phase is reused twice. Through this, it was confirmed that cesium or strontium cations can be economically extracted by recycling the organic solvent and the extractant remaining after extraction, and it is also possible to continuously extract and remove cesium or strontium cations to a target concentration. I could confirm it.
종합적으로, 유기용매의 종류 및/또는 사용량, 금속염의 종류, 및 유기용매의 재사용 여부와 무관하게 90% 이상의 높은 효율로 세슘 및/또는 스트론튬을 제거할 수 있음을 확인할 수 있었다.Overall, it was confirmed that cesium and / or strontium can be removed with a high efficiency of 90% or more regardless of the type and / or the amount of the organic solvent, the type of the metal salt, and the reuse of the organic solvent.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. In this regard, the embodiments described above are to be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the following claims and equivalent concepts rather than the detailed description are included in the scope of the present invention.

Claims (18)

  1. 세슘 또는 스트론튬 양이온과 이온교환 가능한 금속 양이온 및 상기 세슘 또는 스트론튬 양이온과 결합하여 소수성 복합체를 형성할 수 있는 음이온으로 된 금속염을, 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용액에 첨가하여 수용상을 준비하는 제1단계;A first method of preparing a water-soluble phase by adding a metal salt of a cesium or strontium cation and an ion exchangeable metal cation and an anion capable of combining with the cesium or strontium cation to form a hydrophobic complex to an aqueous solution containing cesium or strontium cation. step;
    유기용매에 상기 제1단계로부터 형성되는 세슘 또는 스트론튬을 함유하는 소수성 복합체와 결합하여 고상을 형성할 수 있는 추출제를 포함하는 유기상을 준비하는 제2단계;A second step of preparing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the organic solvent from the first step;
    상기 제1단계의 수용상과 제2단계의 유기상을 접촉시키는 제3단계; 및A third step of contacting the aqueous phase of the first step and the organic phase of the second step; And
    상기 제3단계의 반응 혼합액을 각각 고상, 수용상, 및 유기상의 3상으로 분리하여 회수하는 제4단계;를 포함하는, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.And a fourth step of separating and recovering the reaction mixture of the third step into three phases of a solid phase, an aqueous phase, and an organic phase, respectively.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제4단계로부터 회수한 수용상의 세슘 또는 스트론튬의 농도를 측정하여, 상기 측정된 농도가 정해진 수준 이상인 경우 상기 수용상을 제1단계로 환송하고, 정해진 수준 미만인 경우 상기 수용상을 처리수 저장조로 이동시키는 단계를 추가로 포함하는, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of claim 1, wherein the concentration of cesium or strontium in the aqueous phase recovered from the fourth step is measured, and if the measured concentration is greater than or equal to a predetermined level, the aqueous phase is returned to the first phase, and if less than the predetermined level, The method of extracting cesium or strontium further comprising moving the phase to a treated water reservoir.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제4단계로부터 회수한 유기상을 제2단계로 환송하는 것인 단계를 추가로 포함하여 상기 회수한 유기상을 유기용매로 재사용하여 제3단계 내지 제5단계를 반복하여 수행하는 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of claim 1, further comprising the step of returning the organic phase recovered from the fourth step to the second step by repeating steps 3 to 5 by reusing the recovered organic phase as an organic solvent. That is, cesium or strontium extraction method.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속염은 알칼리금속염 또는 알칼리토금속염인 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법. The method of extracting cesium or strontium according to claim 1, wherein the metal salt is an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속염의 음이온은 Tf2N-(trifluoromethanesulfonylamide, (CF3SO2)2N)), PF6 -(hexafluorophosphate), BETI-(bis(perfluoroethylsulfonyl)imide), BF4 -, AlCl4 -, Al2Cl7 -, AcO-, TfO-(trifluoromethanesulfonate), 또는 CH3CH(OH)CO2 -(L-lactate)인 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of claim 1, wherein the anion of said metal salt is Tf 2 N - (trifluoromethanesulfonylamide, ( CF 3 SO 2) 2 N)), PF 6 - (hexafluorophosphate), BETI - (bis (perfluoroethylsulfonyl) imide), BF 4 -, AlCl 4 -, Al 2 Cl 7 -, AcO -, TfO - (trifluoromethanesulfonate), or CH 3 CH (OH) CO 2 - (L-lactate) would of, extraction of cesium or strontium.
  6. 제1항에 있어서, 상기 추출제는 DCH18C6(Dicyclohexano-18-crown-6), DB21C7(Dibenzo-21-crown-7), 및 DB24C8(Dibenzo-24-crown-8)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상인 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of claim 1, wherein the extracting agent is at least one selected from the group consisting of DCH18C6 (Dicyclohexano-18-crown-6), DB21C7 (Dibenzo-21-crown-7), and DB24C8 (Dibenzo-24-crown-8) Will, cesium or strontium extraction method.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유기용매는 포화탄화수소인 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of extracting cesium or strontium according to claim 1, wherein the organic solvent is saturated hydrocarbon.
  8. 제1항에 있어서, 제3단계는 향류(counter current) 용매추출방법, 병류(parallel current) 용매추출방법 또는 혼합접촉방법으로 수행되는 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of claim 1, wherein the third step is performed by a counter current solvent extraction method, a parallel current solvent extraction method, or a mixed contact method.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속염은 세슘 또는 스트론튬 양이온의 몰수의 0.1 내지 10배인 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of extracting cesium or strontium according to claim 1, wherein the metal salt is 0.1 to 10 times the number of moles of cesium or strontium cation.
  10. 제1항에 있어서, 상기 추출제는 세슘 또는 스트론튬 양이온의 몰수의 0.1 내지 10배인 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of extracting cesium or strontium according to claim 1, wherein the extractant is 0.1 to 10 times the number of moles of cesium or strontium cation.
  11. 제1항에 있어서, 상기 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용액은 방사성 폐기물로부터 유래한 것인, 세슘 또는 스트론튬의 추출 방법.The method of extracting cesium or strontium according to claim 1, wherein the aqueous solution containing cesium or strontium cations is derived from radioactive waste.
  12. 세슘 또는 스트론튬 양이온을 함유하는 수용액과, 세슘 또는 스트론튬 양이온과 이온교환 가능한 금속 양이온 및 상기 세슘 또는 스트론튬 양이온과 결합하여 소수성 복합체를 형성할 수 있는 음이온으로 된 금속염을 포함하는 수용상을 저장하는 수용상 저장조;An aqueous phase storing an aqueous phase containing a cesium or strontium cation and a metal salt of a metal salt of an anion that is ion-exchangeable with the cesium or strontium cation and an anion capable of combining with the cesium or strontium cation to form a hydrophobic complex Reservoir;
    유기용매에 상기 수용상에서 형성되는 세슘 또는 스트론튬을 함유하는 소수성 복합체와 결합하여 고상을 형성할 수 있는 추출제를 포함하는 유기상을 저장하는 유기상 저장조;An organic phase storage tank storing an organic phase including an extractant capable of forming a solid phase by combining with a hydrophobic complex containing cesium or strontium formed in the aqueous phase in an organic solvent;
    상기 수용상과 상기 유기상이 접촉되는 반응조;A reaction tank in which the aqueous phase and the organic phase are in contact;
    수용상, 유기상, 및 고상을 분리하는, 상기 반응조와 연계된 분리장치;A separation device associated with said reactor for separating an aqueous phase, an organic phase, and a solid phase;
    분리장치에 의해 분리된 수용상을 저장하기 위한, 분리장치에 연결된 처리수 저장조; 및A treatment water reservoir connected to the separator for storing the receiving phase separated by the separator; And
    상기 반응조로부터 상기 유기상 저장조로 연결되는 제1회수관;을 포함하는, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치.Cesium or strontium extraction apparatus comprising a; a first recovery pipe connected to the organic phase storage tank from the reaction tank.
  13. 제12항에 있어서, 분리장치에 의해 분리된 수용상 중의 세슘 또는 스트론튬 농도를 확인하기 위하여, 분리장치 또는 처리수 저장조에 구비된 측정장치; 및13. The apparatus according to claim 12, further comprising: a measuring device provided in the separating device or the treated water reservoir to check the cesium or strontium concentration in the aqueous phase separated by the separating device; And
    상기 측정장치가 연결된 분리장치 또는 처리수 저장조로부터 상기 수용상 저장조로 연결되는 제2회수관;을 추가로 포함하는 것인, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치.And a second recovery pipe connected to the receiving bed reservoir from the separator or the treated water reservoir connected to the measuring device.
  14. 제12항에 있어서, 상기 반응조 자체를 분리된 유기상의 반응조와 유기상 저장조로 사용하고, 이에 따라 상기 유기상 저장조 및 상기 제1회수관을 생략된 것인, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치.The apparatus for extracting cesium or strontium according to claim 12, wherein the reaction tank itself is used as a separate organic phase reaction tank and an organic phase storage tank, and thus the organic phase storage tank and the first recovery tube are omitted.
  15. 제13항에 있어서, 상기 측정장치에 의해 산출된, 분리된 수용상 중의 세슘 또는 스트론튬의 농도가 정해진 수준 미만인 경우 분리된 수용상을 처리수 저장조에 수용하고, 세슘 또는 스트론튬의 농도가 정해진 수준 이상인 경우에는 분리된 수용상을 제2회수관을 통해 수용상 저장조로 환송하는 것인, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치.The method according to claim 13, wherein when the concentration of cesium or strontium in the separated aqueous phase calculated by the measuring device is less than the predetermined level, the separated aqueous phase is accommodated in the treated water reservoir, and the concentration of cesium or strontium is greater than or equal to the predetermined level. If the separated aqueous phase is to be returned to the aqueous phase reservoir via a second recovery tube, cesium or strontium extraction device.
  16. 제12항에 있어서, 상기 분리장치는 여과장치, 추출장치, 원심분리장치, 또는 이의 조합인 것인, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치.The cesium or strontium extraction device of claim 12, wherein the separation device is a filtration device, an extraction device, a centrifuge device, or a combination thereof.
  17. 제12항에 있어서, 상기 반응조는 교반장치를 추가로 구비하는 것인, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치.The cesium or strontium extraction device of claim 12, wherein the reactor further comprises a stirring device.
  18. 제12항에 있어서, 회분식, 연속식, 또는 이들의 조합이 가능한, 세슘 또는 스트론튬 추출 장치.13. The cesium or strontium extraction device of claim 12, wherein the batch is continuous, continuous, or a combination thereof.
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