KR100296374B1

KR100296374B1 - 방사성폐기물드럼내오염토양을동전기적방법으로제염하는방법과장치

Info

Publication number: KR100296374B1
Application number: KR1019980055928A
Authority: KR
Inventors: 원휘준; 안병길; 김계남; 권회삼; 이철용; 정종헌; 이병직; 오원진
Original assignee: 장인순; 한국원자력연구소; 이종훈; 한국전력공사
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2001-10-26
Also published as: GB9901578D0; GB2344829A; US6214189B1; GB2344829B; KR20000040340A

Abstract

토양내 설치한 전극 사이에 직류 전기장을 적용하는 동전기적 토양제염 방법이 혁신적인 토양 제염기술로 부각되고 있다. 토양내 액체 상태의 오염물은 전기장에 의해 음극에로 이동된 후 제거된다. 전기장에 의해 오염물이 이동할 수 있는 반응 기구는 전기이동, 전기삼투, 전기영동이 있다. 전기이동은 용액 내에서 하전된 이온의 이동하는 것을 의미한다. 전기 영동은 하전된 고체입자가 고정상의 액체에 대해 상대적으로 이동하는 것이다.

이 기술의 특징은 중금속, 유기화합물, 방사성 핵종 등 다양한 종류의 오염물로 오염된 토양에 적용시킬 수 있다는 점이며, 1993년 부터 미국, 네덜란드, 영국등으로 부터 중금속과 유기물 오염토양에 대한 야외 실증 및 상용화에 관한 데이타가 보고되고 있으나 방사성 핵종에 대해서는 극히 제한적이다. 방사능으로 오염된 토양은 현장에서 직접 처리되거나 드럼에 채워진채로 이송되며 임시 저장고 혹은 방사성 폐기물 처분장내에서 보관된다.

동전기적 토양제염 기술과 관련하여 미국, 일본, 영국등지에 등록, 출원중에 있는 특허들은 현장 제염법과 전극에 관한 것이 대부분이며 토양 수거후 제염장치로 제염하는 방법에 대한 것도 일부 있다.

본 발명의 특징은 제염용기를 따로 제작하지 않고 드럼자체를 제염용기로 사용한다는 점이다. 제염 원리는 동전기적 방법이며 드럼내에 들어있는 방사능 오염 토양을 제염장치로 옮기지 않으므로 분진 부유에 의한 재 오염 및 작업자 방사선 피폭을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 방사성 세슘과 스트론튬, 수산화물을 형성하는 방사성 코발트등과 같이 방사능으로 오염된 실트질 토양, 점토, 모래의 제염에도 적용이 가능하다.

Description

방사성폐기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법으로 제염하는 방법과 장치

본 발명은 방사성 물질로 오염된 실트질 토양, 모래 혹은 점토를 직류 전기장을 적용하여 제염하는 방법에 대한 것이다. 본 발명과 유사한 제염 기술에 대한 특허는 1989년부터 출원되기 시작하였고 미국 특허 등록번호 5725752처럼 1998년 현재까지도 계속 등록중에 있다.

미국의 경우, 1981년부터 1985년 사이에는 동전기적 방법을 이용하여 슬러지로부터 물을 추출하는 방법과 진흙을 건조하는 방법, 물 흐름량을 조절하거나 흐름 방향을 바꾸는 방법에 관한 특허가 출원되었다(미국 특허: 4305800, 4382341, 4479857). 일본에서는 1976년부터 1993년 까지의 기간동안 토양으로부터 물을 추출하는 방법(02136435 JP A1)에 대한 특허가 등록되었다. 환경산업외에도, 휴레펫카드 회사에서는 동전기적 방법의 전기삼투 현상을 이용한 잉크젯프린터의 잉크분배 장치에 관한 특허를 미국, 일본등에 등록한 상태에 있다.

본 발명과 관련이 있는 특허를 설명하면, R. F. Probstein 등이 1989 년 출원하여 1991년 등록된 토양제염기술( 미국 5074986 )이 있는데 특허 제목은 '전기 삼투 현상을 이용한 토양중 물질제거' 이다. 주요 청구범위는 오염현장(soil site)에서 전기적방법을 이용하여 제염하는 것이며 이와 관련된 세부사항(전위차, 전극, 유출액 회수방법)을 청구하고 있다.

R. F. Probstein 등과 거의 동시에 Y. B. Acar 등이 출원, 등록한 제염기술(미국 5137608 )의 제목은 '토양과 슬러리의 전기화학적 제염' 이다. 청구범위는 33개 항목에 이르며 주요 청구범위는 토양제염에 사용되는 전극으로 불활성 양극(graphite를 포함한 막 )과 비 반응성 음극( graphite를 포함한 막 )에 대한 것이다. 제염 대상 오염물은 금속성으로 납이온, 유기화합물과 방사성 핵종이며 납이온은 음극에서 환원 집적되는 것을 특징으로 한다. 그리고, 토양내에서의 전기화학적 공정을 ① 불활성 양극과 비반응성 음극 사이에 전류를 흐르게 하고 ② 양극 근처 토양에 물을 공급하며 ③ 전기삼투에 의해 박테리아를 투입하는 것으로 청구하였다.

J. P. Bibler 가 1993년에 등록한 특허( 미국 5190628 ) 의 제목은 ' 토양으로부터 이온들을 제거하는 방법과 장치' 이며 내용은 토양지역으로부터 이온종을 선택적으로 제거하는 방법과 장치에 대한 것이다. 하나 혹은 그 이상의 화학종에 선택적으로 작용하는 이온교환수지를 함유한 투과성 막을 땅속에 주입하고 주위에 있는 전극 사이에 전압을 걸어준다. 우선적으로, 수지는 이온교환에 의해 나트륨이온 혹은 수소이온을 금속이온과 치환한다. 투과성 막이 금속이온으로 포화되면 전극사이에 걸리는 전압을 끄고 금속이온을 저장 혹은 재생하기 위해 양극막과 음극막은 토양으로부터 제거된다. 청구내용을 살펴보면, 지하수를 함유하고 있는 토양 지역으로부터 최소한 한종 이상의 이온종을 제거하는 방법으로, 전극을 오염지역에 설치하고 두 전극 근처에 지하수가 통과할 수 있는 벽 내에는 최소한 한종의 이온에 선택적으로 작용하는 이온교환 수지가 들어 있어서 최소한 한종 이상의 금속 이온종을 포집할 수 있으며, 전극 사이에 전위차를 발생시켜 최소한 한 종류의 이온종이 이동하여 투과성 막내의 이온교환 수지에 이온종을 포집하는 것이다. 주요 이온종은 수은으로 청구하였으며 최소한 두 개의 전극은 타이타늄으로 이루어져야 한다.첫 번째 막과 두 번째 막사이의 거리는 ∼ 10 ft 이며, 걸어주는 직류 전압은 ∼ 60 V 이다.

H. R. Chang 등이 1993년 등록한 특허( 미국 5240570 ) 의 제목은 ' PCB 류를 현장에서 토양으로부터 계면활성제 첨가로 성능을 강화시켜 전기 삼투에 의해 제거하는 법' 이며 주요 내용은 polychlorobenzene 류와 같은 오염물을 현장에서 토양으로부터 전기삼투로 추출하는 것이다. 양극에 넣어주는 액체에 계면 활성제를 첨가함으로써 제염능이 증대된다.

R. A. Jacobs 가 1995년 등록한 특허( 미국 5415744 ) 는 '토양 부지로부터 오염물의 제거' 이다. 주요 내용은 적어도 한 개의 양극을 토양내의 위치시키며 그 주위에는 몇 개의 음극들을 위치시키고 양극과 음극사이에 전위차가 발생하도록 하는 방법이다. 전기삼투 현상에 의해 양극용액은 토양을 통해서 음극에로 이동된다. 오염물은 액체와 함께 이동하여 음극에서 제거된다. 19 항목을 청구하였는데 청구 내용을 살펴보면, 토양 부지로부터 오염된 물질을 제거하는 방법으로서 첫째, 적용시키는 순서는 ① 토양부지내 첫 번째 위치에 한 개의 양극을 꽂고, ② 양극 주위의 두 번째 위치들에는 몇 개의 음극을 꽂는다. ③ 양극과 음극사이에 전압을 걸어주고, ④ 오염되지 않은 액체를 양극에 넣어주어 전기 삼투에 의해 액체는 오염물과 함께 음극에로 이동되며, ⑤ 음극에서 오염물을 함유한 액체를 제거하는 순서이다. 여기서, 음극은 적어도 3 개이상 있어야 하며 양극에 대해 대칭적으로 위치시켜야 한다. 음극은 실제적으로 원형으로 배치한다. ⑤에 있어서, 오염물을 포함한 액체는 전극별로 각각 다른 통로를 통해 제거되거나 함께 합쳐져서 제거될 수 있다.

네덜란드의 W. Pool 이 1995년 등록한 특허( 미국 5433829 ) 는 '오염 토양의 전기적 복원 공정' 이다. 본 발명의 내용은 다른 발명과 유사하나 특징은 ① 한개 이상의 양극과 한 개 이상의 음극을 사용하며 전극사이에 전압을 서로 다르게 걸어준다는 점과 ② 타 발명에서는 음극에서 오염물을 제거하는 반면 본 발명에서는 양극과 음극에서 동시에 오염물을 제거한다는 것이다. 본 발명에서는 11 개 항목을 청구하였는데, 첫 번째 청구항목은 중금속과 시안화물로 오염된 토양에 양극과 음극을 설치하고 전류를 흘려줌에 따라 오염물이 전극에로 모이는 전기적 토양 복원 공정으로 ① 다공성 용기내에 최소한 1개의 전극을 넣어 직류를 흘렸을 때 음극(양극)으로 작용하고 최소한 한 개의 양극(음극) 과 전류가 흐르는 관계에 있어야 하며, ② 앞서 언급한 전극을 토양내에 배치하며, ③ 각각 분리된 음극 순환계와 양극 순환계를 통해 전극에로 전해질 용액을 넣어주며, ④ 전극에 직류전원을 넣어서 electromigration 에 의해 오염물을 전극쪽에로 이동시키며, ⑤ 양극과 음극 각각에서 이동된 오염물을 제거하는 순서로 공정이 진행된다.

그리고 각 순환계의 pH, 전기전도도, 온도 및 수용액 내 전류강도는 계속적으로 조절되어 진다. 그 외 청구 항목들의 주요 내용으로는, 제염효과를 높이기 위해 화학제(Ca²⁺이온을 함유한 용액, 착화제)를 수용액의 산도 조절을 위해 산을 첨가하는 것이며 양극재료로는 귀금속을 음극재료로는 탄소 전극을 사용한다. 본 공정에서 제거되는 중금속 오염물은 구리, 납, 아연, 니켈, 코발트, 철, 스트론튬, 마그네슘과 칼슘 이온을 의미하며 본 발명에서는 일정지역에서 상기 오염물들이 이동하는 것을 전기적 방법으로 막는 것 까지 포함한다.

미국의 R. J. Griffith 등이 1996년 등록한 특허( 미국 5584980 ) 는 '오염토양에 대한 전기장 방법과 장치' 이다. 본 발명의 내용은 인접한 동일 전극 집합체를 사용하는 현장 제염법으로서 토양 제염에 적용시 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 본 발명의 청구항목은 33 개 인데, 첫 번째 청구항목은 전기장을 사용하여 일정부피의 토양을 제염하는 절차로 ① 평면상의 양극을 만들기 위해 다수의 소형 전극들을 가능한 인접시켜 가며 일렬로 토양내에 배열하고, ② 평면상의 음극을 만들기 위해 다수의 소형 전극들을 가능한 가까이 일렬로 토양내에 배열하며, ③ 한 열 내에서 동일 극 사이의 거리는 열 사이(다른극) 거리의 50 % 이하이어야 하며, ④ 양극들에 전위차를 걸어준 후, ⑤ 첨가제를 함유한 첫 번째 액체를 양극에 넣어주어 이 액체가 전기삼투에 의해 음극에로 흐르게 하며, ⑥ 나머지 액체는 전기 삼투 흐름보다 빠른 속도로 소형 양극의 한 끝에서 다른 끝으로 순환시키면서 회수하는 순으로 토양 제염이 진행된다. 두 번째 청구항목은, 첫 번째 청구 항목에서 첨가제를 함유한 두 번째 액체를 음극에 넣어주며 양극으로부터 전기삼투에 의해 흘러들어 오는 액체를 받아서 두 번째 액체와 양극으로부터 흘러 들어오는 액체를 제거하는 것에 대한 것이다. 그 외에도 24, 25, 26 청구 항목과 같이 액체폐기물 처리 및 정화된 액체의 재사용, 현장토양 제염에의 적용, 양극에 대해 음극을 엇갈려 배치, 현장에서 액체가 다른 곳으로 흘러나가지 않도록 차폐벽을 설치, 이온을 투과시키는 지질막(geomembrane), 원통형의 전극과 이를 둘러싼 원통형의 전극으로 원통은 액체가 전극다발의 한쪽에서 다른쪽 끝으로 순환할 수 있는 수로(channel)와 액체가 이 수로내에로 들어올 수 있도록 구멍이 존재해야 한다는 것이 주요 청구 내용이다.

영국의 J. G. Sunderland 등이 1998년 등록한 특허( 미국 5725752, 유럽 0 724 492 B1 ) 의 제목은 '땅에 대한 동전기적 제염' 이다. 본 발명의 내용은 땅이나 토양을 함유한 재료에 대한 동전기적 제염을 위한 방법으로 토양내부 혹은 토양 위쪽에 최소한 1개의 양극과 음극을 설치한 후 직류를 공급하는 것이다. 여기서, 양극은 전원/전해질 공급원을 둘러싼 탄소층이며 음극은 전해질이 통과할 수 있는 다공성 상자속에 담겨져 있다. 동일 전극 집합체를 사용하는 현장 제염법으로서 토양 제염에 적용시 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 본 발명에서는 16 개 항목을 청구하였는데, 첫 번째 청구항목은 땅이나 토양을 함유한 재료에 최소한 1개의 양극과 음극을 설치한 후 직류를 공급하여 양극에서 산소가 발생되도록 하는데 양극은 탄소천으로 둘러사여 있으며 이 탄소천은 토양과 직접 접촉하도록 하는 것이다. 두번째 청구항목은 전해질이 통과할 수 있는 다공성 상자에 음극을 위치시키는 것이다. 그 외 청구 내용은 전해질 산도 조절, 다공성 음극 상자 재질은 세라믹 계통, 고분자 재료 혹은 촘촘히 피륙을 짠 헝겊, 양극 재질은 탄소, 활성탄 혹은 탄소섬유로 직류를 흘러줌에 따라 콜로이드성 탄소를 형성하여 전기장에 의해 물과 함께 이동, 양극 전원 공급물질은 내 부식성 금속으로 타이타늄으로 도금된 귀금속, 양극 탄소층 내에 위치하고 있는 세관을 통해 전해질 용액 공급, 음극 재료는 스테인레스 강, 니켈, 탄소 헝겊 혹은 산화타이타늄, 제염효과 상승을 위한 첨가제는 수용성 전해질, 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 착화제, 고분자 전해질 침출제, 무기산, 유기산이고 양극과 음극사이에 최소한 한 개의 구멍이 존재, 양극과 음극사이의 바깥쪽에 최소한 한 개의 구멍이 존재시키는 것에 대한 것이다.

Yamazaki Teruhiko 등 및 Katsura Tsutomu 등이 1991년과 `1993년에 각각 출원한 특허( 일본, 19910831 JP 03-244356,19930206 JP 05-42197 ) 의 제목은 '오염토양 제염을 위한 방법과 설비' 및 ' 전기삼투에 의해 물을 함유한 토양을 현장에서 처리하는 방법 및 기기' 이다. 본 발명들은 모두 현장에서 토양을 청정화 하거나 탈수하는 것에 대한 것이다.

Orito Shigeru가 1995년 출원한 특허( 일본, 19950411 JP 07-110103 ) 의 제 목은 '전기화학적 처리' 이다. 본 발명의 목적은 복잡한 공정이나 장치없이 유해한 물질을 계통 밖으로 내보내지 않고 유해물질로 오염된 토양이나 슬러지를 처리, 분리, 제거하기 위한 것이다. 양극과 음극사이에 오염된 토양이나 슬러지를 넣고 액체를 흘려주며 전원을 공급하면 양극과 음극에로 유해물질이 이동되며 이들을 채취하여 전기분해시키는 것이 주요 내용이다.

Takagi Kazuhiro 등이 1995년 출원한 특허( 일본, 19951227 JP 07-341207 ) 의 제목은 '염을 함유한 토양으로부터 염을 제거하는 방법' 이다. 본 발명의 목적은 전기삼투 공정을 사용하여 토양을 제염하는데 있어서 전극에 금속 성분이 전착되는데 이를 억제하는 방법을 찾는 것이다. 금속성분의 전착은 수용액에 착화제를 첨가함에 의해 억제되는 것으로 나타난다.

토양 제염과 관련하여 국내에 출원 혹은 등록된 특허를 검색하였다 검색한 결과, 미국의 몬산토 사(Monsanto Company, St. Louis) 가 출원( 출원번호 95-706051, 공개번호 96-703390 ) 한 특허 '오염된 이성분 토양의 원지 구제' 1 건이 발견되었다. 이는 미국특허 ( 특허번호: 5476992, 특허명: In-situ remediation of contaminated heterogeneous soils) 와 동일하다. 현장 제염기술에 대해 3 개 항목에 대해 특허를 청구하였는데, 첫 번째 청구 항목은 오염된 현장 토양을 청정화하기 위해 화학제를 첨가하는 것이다. 두 번째 청구항목은 오염된 현장 토양을 청정화하기 위해 전기적 방법을 사용하는 것이다. 세 번째 청구항목은 오염된 현장 토양을 청정화하기 위해 수압 기울기에 의해 수압흐름을 유발시키는 것이다. 특히, 두 번째 청구항목에서 반대 전하를 가진 첫째 전극과 둘째 전극간에 직류를 걸어주어 ① 둘째 전극으로부터 첫째 전극에로 전기 삼투 흐름을 일으키거나, ② 반대 전하의 전극을 향하는 방향으로 이온성 오염물질들의 전기 이동에 의한 이동을 일으키거나, ③ 상기 둘째 전극으로부터 상기 첫째 전극으로의 전기 삼투 흐름 및 반대 전하의 전극을 향하는 방향으로 이온성 오염물질의 전기 이동에 의한 이동을 야기시키는 단계이다. 여기서, ⓐ 상기 첫째 전극은 상기 오염된 이성분 토양지대의 첫째 끝에 위치하고 둘째 전극은 상기 오염된 토양 지대의 반대 끝에 위치하거나, 또는 ⓑ 상기 첫째 전극은 상기 저투과성 토양지역들의 각각의 반대 끝에 위치하도록 하는 방법에 대한 것이다.

본 발명은 핵사고 및 방사능 누출사고로 오염된 토양을 청정화시키는 제염공정의 개발에 대한 것이다. 방사능에 의해 오염된 토양은 드럼 내에 넣어져서 방사성폐기물 임시 저장고나 처분장에로 이송된다. 극 저준위 혹은 그 이상의 방사능을 함유한 토양을 드럼에 넣어 처분장에서 영구보관하기 보다는 제염기술을 적용한 후 무제한 방출기준에 맞추어 환경에로 방출하는 것이 경제적 이득과 부족한 방사성폐기물 저장소의 저장공간 확보 측면에서 유리할 경우가 있다. 또한, 고준위 방사능을 발산하는 토양에 제염기술을 적용시켜 방사능을 중저준위 이하로 낮춘 후 보관 하는 것이 안전관리 측면에서 유리하다.

본 발명에서 사용하는 토양 제염기술은 전극을 토양내에 꽂고 직류 전기장을 걸어줌에 의해 토양내 방사성 핵종과 불순물들을 전기 삼투(electroosmosis)와 전기이동(electromigration) 현상에 의해 제거하는 것이다. 제 1도는 본 발명에서 사용하는 양극의 기하학적 형태와 구성도이다. 양극은 스텐레스강, 티타늄, 백금등의 구멍이 음극을 향하고 있는 관, 이들 사이를 연결하는 연결봉, 빈 공간을 채워주는 스텐레스강 지지 망(sieve) 으로 구성되어 있으며 전체로는 원통형 혹은 다각형을 이룬다. 제 2도는 본 발명에서 사용하는 음극의 기하학적 형태와 구성도이다.

음극은 탄소강 스테인레스강, 필라듐강 등의 구멍이 사방으로 나 있는 관의 형태로 되어 있다. 양극을 구성하는 관의 내부와 동일하게 음극관의 내부에 존재하는 스폰지 혹은 탄소섬유는 유출수에 존재하는 오염원이 미량펌프에 의해 외부로 쉽게 나갈 수 있도록 물을 흡수하고 토양을 여과하는 역할을 한다. 제 3도와 4도는 본 발명에서 사용하는 양극과 음극의 배치도이다. 음극은 금속관 도체물질로 관형태이고 표면에는 다수의 구멍이 존재한다. 특징은 양극 자체가 전부 연결되어 있으므로 드럼내에서 하나의 전원으로 사용 가능하며, 양극 구멍이 음극을 향하고 있으므로 전기가 통하는 상태에서 양극에 액체를 넣어주면 이 액체는 전기 삼투현상에 의해 음극으로 흐른다는 것이다. 판 형태의 양극과 음극이 직선형으로 마주보고 있는 타 발명과는 다르게 하나의 음극을 향해 균일하게 액체가 모이므로 타 방향에로의 누수가 없으며 집수 효과가 강력하다. 제 5도는 본 발명에서 사용하는 전원과 드럼의 배치도이다. 전극을 병렬로 연결함에 의해 하나의 전원으로 두 개 이상의 드럼에 담겨있는 토양을 동시에 균일하게 제염할 수 있으며 본 발명의 또 다른 특징이다.

전술한 바와같이, 본 발명은 토양에 전기장을 걸어주면 전기장에 의해 오염물과 물이 이동할 수 있는 원리에 근거한 것이다. 주요 반응 기구로는 전기 이동(electromigration), 전기 삼투(electroosmosis), 전기 영동(electrophoresis) 이 있다. 전기 이동은 단지 용액 내에서 하전된 이온의 이동을 의미한다. 전기 삼투 현상은 모세관의 세공(capillary pore)내에서와 같이 이온을 함유한 액체가 고정된 하전 표면에 대해 상대적으로 이동하는 것을 의미한다. 전기 영동은 전기 삼투와 정 반대되는 현상으로 하전된 입자가 고정상의 액체에 대해 상대적으로 이동하는 것을 의미한다. 전기 영동에 의해 콜로이드성 입자가 이동하는 현상은 조밀한 토양층 내에서는 그다지 중요하지 않다. 단일 이온이 전기장의 영향에 의해 전기장과 평행한 방향으로 움직이는 것과 같이, 세공내에 존재하는 벌크 액체와 세공벽과 접촉학 있는 하전된 유체 박막 사이의 항력 작용(drag interaction)에 의해 세공내에서 전기 삼투가 발생한다. 하전된 유체의 박막 혹은 이중층(double layer) 의 두께는 전형적으로 1 - 10 nm 의 범위라고 알려져 있다. 하전된 유체의 박막 혹은 이중 층은 유체와 반대 전하를 가진 고체 표면 사이의 전기적인 균형을 유지하기 위해 발생한다. 전기 삼투에 의한 대류 액체 속도(convective liquid velocity)는 고체 표면의 제타 전위(ξ), 전위 구배(gradient of electrical potential)의 음의 값으로 정의한 적용된 전기장 강도(electric field strength, E)에 비례한다. 세공의 크기와 비교하여 아주 얇은 이중층(thin double layer)에 대해, 전기 삼투에 의한 대류 액체 속도는 Helmholtz-Smoluchowski 관계식으로 주어진다.

U_eo= εξE/μ

여기서, ε는 용액의 유전율(permittivity), μ는 용액의 점도이다. 전기 이동에서, 이온의 속도는 전기장 강도와 이온의 전하수(z)에 비례하여 다음의 식으로 주어진다.

U_em= vzFE

여기서, v는 이온의 이동도(mobility), F 는 페러데이 상수이다.

상기의 두 이동 현상은 전기장에 의해 오염물을 제거하는데 있어서 가장 중요한 장점을 가지고 있다. 즉, 전극의 위치에 의해 결정되는 전기장을 따라 물질이 이동하므로 흐름의 방향이 자유롭게 결정된다는 것이다. 토양은 균일하지 않으므로 가압으로 유도(perssure-driven)되는 수 세척 공정에 의해 작은 기공을 건드리지 않고 큰 기공을 통해 유체가 일정하게 흐를 수 있도록 수로가 형성된다. 전기 삼투는 단지 마이크론 단위의 미세 분말형 토양이나 미세 기공을 가지는 물질에만 효과적이다. 투과도가 작은 토양에 있어서 전기 삼투로 발생하는 흐름은 미세 기공의 크기에 민감하게 된다. 전기 이동은 기공의 크기에 의존하지 않으므로 미세 입자로 이루어진 토양뿐만 아니라 보다 큰 입자로 이루어진 토양에 대해 동일하게 적용되어 진다. 비록 전기 이동(electromigration)에 의한 하전 이온들의 움직임은 토양의 전하에 의존하지 않을 지라도, 토양이 가지는 전하는 전기 삼투에 의해 세공에 존재하는 액체가 이동하는 근본 원인이 된다. 토양이 수용액과 접촉하였을 때 토양은 이온종의 물리/화학적 흡착과 토양 자체의 결함(imperfection)등에 의해 전하를 가지게 된다. 그러나, 모든 경우에 있어서 액체의 조성과 산도가 토양의 표면 전하에 큰 영향을 미친다. 물에 의해 채워진 침적토류(silts) 와 점토류(clay)에 대해 제타 전위(zeta potential)는 음의 값을 가지며 10 - 100 mV 의 범위에 있다. 전기 삼투에 의해 액체내 오염물의 토양을 통한 대류(electroosmotic convection)와 전기 이동에 의해 액체에 존재하는 용해 이온종의 이동(transport) 은 그 자체 만으로는 오염물으 이동을 규정하는데 불충분하다. 전체 반응에는 토양과의 화학적 상호 작용, 탈착, 용해 등이 관련되어 있다. 또한, 전극과 벌크 용액에서의 화학 반응들도 고려하여야 한다. 물이 전기분해 되면 양극에서는 수소이온이 발생하고 음극에서는 수산이온이 발생한다.

양극 반응

H₂O → 2H⁺+ 1/2 O₂+ 2 e^-E⁰= +1.23 V

음극 반응

H₂O + 2 e^-→ 2 OH^-+ H₂E⁰= -0.83 V

여기서, E⁰는 표준 산화한원 전위(satandard redox potential)이다.

전극에서 물은 가수분해되며, 수용액내에 존재하는 화학종의 농도에 따라 2차 반응이 존재할 수 있다. 즉,

2 H⁺+ 2 e^-→ H₂↑

Meⁿ⁺+ n e^-→ Me(s)

여기서, Me 는 금속을 의미한다. 전극 자체의 낮은 전기화학적 전위에 의해 음극에서는 2차 반응이 우세할 지라도, 반응초기에는 물의 환원반응이 우세하게 진행된다. 그 후의 단계에서는 수소이온을 운반하는 산 전선과 양이온성 우염물이 음극을 향할 때, 2차 반응들이 우세하게 된다.

제 1도는 본 발명에서 사용하는 양극의 기하학적 형태와 구성도

제 2도는 본 발명에서 사용하는 음극의 기하학적 형태와 구성도

제 3도는 본 발명에서 사용하는 드럼내 전극배열(평면도)에 대한 구성도

제 4도는 본 발명에서 사용하는 드럼내 전극배열(측면도)에 대한 구성도

제 5도는 본 발명에서 사용하는 토양 제염을 위한 드럼 배치도

* 도면중 주요부분에 대한 부호설명

1 : 드럼 2 : 양극

3 : 음극 4 : 전선

5 : 전원 6 : 부도체

7 : 금속관(Metal tube) 8 : 금속봉(Metal rod)

9 : 스테인레스 시브 10 : 스폰지(금속관, 음극관)

11 : 금속관 구멍 12 : 음극관 구멍

A : 미량 펌프

이하 발명의 요지를 상세히 설명하면 다음과 같다.

가. 드럼내 전극설치

1) 양극 설치

드럼(1)통을 열고 비닐봉지(도시없음)를 들어올린 후 양극(2)을 드럼(1)내에 넣는다. 비닐 봉지를 내리고 비닐 표면에 구멍들을 뚫어 물이 흐를 수 있는 통로를 마련한 후 토양을 다진다. 물 혹은 첨가제(계면활성제, 착화제)를 미량펌프(A)를 사용하여 양극관 내에로 흐르게 한다.

2) 음극 설치

드럼(1)의 가운데에 음극(3)을 꽂고 음극(3)내에 호스(도시없음)를 넣어 배수할 수 있는 통로를 만들고 일정량의 물을 넣는다.

나. 드럼 배치

1) 드럼 배열

전극 설치를 완료한 드럼을 2통 이상 일렬로 배열 한다.

2) 전원 연결

양극(2)은 양극별로 음극(3)은 음극별로 전선(4)을 병렬 연결하고 전선(4)을 전원(5)에 연결한다.

이때, 양극(2)과 음극(3)이 합선되지 않고 전극들이 드럼통과 직접 접촉하지 않도록 전극의 아래 및 옆부분에 부도체(6) 즉 나무, 플라스틱 혹은 고무가 접착되어 있어야 한다.

이하 본 발명의 요점을 구분하여기술한다.

제 4도에 도시된 바와같이 방사성 폐기물 드럼(1)에 담겨진 오염토양 혹은 토양 혼합물을 드럼(11)내에 그대로 놓고 양극(2)과 음극(3)을 꽂은 후 직류를 흐르게 하여 토양을 제염하는 방법으로서 여기서 양극(2)은 제 1도에서 1) 금속관(7)으로서 최소 3개 이상, 직경 5cm 이하의 타이타늄(titanium) 관 혹은 지르칼로이(Zircaloy) 관 중의 하나와 2) 최소 6개 이상의 금속봉(8)으로서 스테인레스 봉(rod), 타이타늄 봉, 지르칼로이 봉중의 하나와 3) 스테인레스 시브(9)로 구성되며 음극(3)은 탄소강관(carbon steel tube), 스테인레스강 관, 팔라듐(palladium) 관중의 하나를 사용하며 직경은 10 cm 미만인 것을 특징으로 하는 방사성 폐기물 드럼(1)내 오염토양을 동전기적 방법으로 제염하는 방법으로서, 흘려주는 전류 밀도의 범위는 0.1 ∼ 20 A/m²이며, 제염 초기에 양극(2)과 음극(3)에 물을 채우고 제염중 토양액의 산도조절을 위해 무기염기와 무기산 용액을 양극(2과 음극내에로 흐르게 하여 유기산 착화제를 음극(3)에 투여하며, 대상으로 하는 방사성 폐기물 핵종은 세슘, 스트론튬, 코발트이며, 대상으로 하는 폐기물은 전류밀도 범위와 전극으로표면적 3 m²이하의 표면 접촉 시 30 mR/hr 이상의 고 방사능으로 오염된 현장 토양 제염에 적용하며, 제염 초기에 미량펌프(A)를 사용하여 양극(2)과 음극(3)에 물을 채워 토양이 완전히 물로 포화되도록 하고, 제염중 토양액의 산도 조절(pH 5 ∼ 10) 을 위해 무기염기와 무기산 용액을 미량펌프(A)로 양극(2)과 음극(3)내에로 흐르게 하며, 수산화물을 형성하는 방사성 핵종으로 오염된 토양인 경우 0.01 M 이하의 유기산 착화제 용액을 미량펌프로 음극에 투여하는 방법고, 제 1도에서와 같이 양극(2)은 금속관(7)과 금속봉(8)이 용접되어 있는 다각형 통 혹은 원통형이며 용접된 공간에 스테인레스 시브(9)가 고정되고 금속관(7) 내에는 스폰지(10) 혹은 탄소섬유가 충입되며 제 2도에서와 같이 음극(3)내부에도 스폰지(10) 혹은 탄소섬유가 충입되며 양극(2)의 방사성폐기물 드럼(1)을 향한 부분과 아래, 음극(3)의 아래부분에 부도체(6) 물질을 접착시켜 전극이 드럼(1)과 접촉하는 것이 방지되게 한 장치로서

금속관(7)에는 음극(3)을향해 직경 0.5 cm 미만의 구멍(11)이 3개 이상 형성하고 음극관은 양극관 방향으로 직경 0.5 cm 미만인 구멍(12)이 9개 이상 형성하며 양극(2)과 음극(3)의 직선 거리는 10 ∼ 80 cm 이며, 전극이 설치된 각 드럼의 전극들을 병렬로 연결하며 1드럼 이상의 오염토양을 동시에 제염하게한 장치로 대별되어 있다.

방사성 핵종에 대한 제염 성능 평가

1) 토양 오염

엄격한 조건하에서의 실험을 위해 kaolin 점토 토양을 사용한다. 세슘 및 스트론튬, 코발트에 대해 각각 0.01 N 이온을 함유한 용액 100 ml 로 kaolin 토양 150 g오염시킨다.

2) 유입액

수산화물을 형성하는 코발트와 같은 방사성핵종의 제염에 있어서 유입액은 증류수를 직접 사용하거나 증류수에 착화제를 넣는다. 수산호물을 형성하지 않는 세슘과 스트론튬의 제염에 있어서 유입액은 증류수 자체를 그대로 사용한다. 제염중 산도는 산이나 염기를 사용하는 조절한다.

3) 제염성능 평가

제염시간, 전류 및 전압 변화에 따라 음극으로부터 유출된 액체를 0.2 μm 여과지로 여과한 후 용액내 금속이온종 농도를 원자흡수분관기로 부석하여 제염능을 평가한다. 착화제를 첨가하는 경우에 있어서는 양극액 농도를 분석한다. 실험실적 규모로 216 시간 제염시킨 결과, Cs 및 Sr 에 대해서는 95 % 이상, Co 에 대해서는 90 % 이상 제거됨을 확인하였다.

Claims

방사성 폐기물 드럼(1)에 담겨진 오염토양 혹은 토양 혼합물을 드럼내(1)에 그대로 놓고 양극(2)과 음극(3)을 꽂은 후 직류를 흐르게 하여 토양을 제염하는 방법으로서 여기서 양극(3)은 1) 최소 3개 이상의 금속관(7)으로서, 직경 5cm 이하의 스테인레스강 관, 타이타늄(titanium) 관 혹은 지르칼로이(Zircaloy) 관 중의 하나와 2) 최소 6개 이상의 금속봉(8)으로서 스테인레스 봉(rod), 타이타늄 봉, 지르칼로이 봉중의 하나와 3) 스테인레스 시브(9)로 구성되며 음극(3)은 탄소강관(carbon steel tube), 스테인레스강 관, 팔라듐(palladium) 관 중의 하나를 사용하며 직경은 10 cm 미만인 것을 특징으로 하는 방사성 폐기물 드럼내 오염토양을 동전기적 방법으로 제염하는 방법.
제 1항에 있어서,

흘려주는 전류 밀도의 범위는 0.1 ∼ 20 A/m²인 것을 특징으로 하는 방사성 폐기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법으로 제염하는 방법.
제 1항에 있어서,

제염 초기에 양극(2)과 음극(3)에 물을 채우고 제염중 토양액의 산도조절을 위해 무기염기와 무기산 용액을 양극(2)과 음극(3)내에로 흐르게 하며 유기산 착화제를 음극(3)에 투여하는 것을 특징으로 하는 방사성폐기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법으로 제염하는 방법.
제 1항에 있어서,

대상으로 하는 방사성 폐기물 핵종은 세슘, 스트론튬, 코발트인 것을 특징으로 하는 방사성폐기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법으로 제염하느 방법.
제 1항에 있어서,

대상으로하는 폐기물은 전류밀도 범위와 전극으로 표면적 3 m²이하의 표면 접촉 시 30 mR/hr 이상의 고 방사능으로 오염된 현장 토양 제염에 적용함을 특징으로 하는 방사성폐기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법으로 제염하는 방법.
제 1항에 있어서,

제염 초기 양극(2)과 음극(3)에 토양을 완전히 물로 포화시킬 정도로 미량펌프(peritaltic pump)(A)로 물을 채우며, 제염중 토양액의 산도조절을 위해 미량펌프(A)를 사용하여 양극(2)과 음극(3)내에로 무기염기와 무기산 용액을 토양수의 pH가 5 ∼ 10 이 되도록 흐르게 하며, 수산화물을 형성하는 방사성 핵종을 오염된 토양인 경우 0.01 M 이하의 유기산 착화제 용액을 미량펌프(A)를 사요요하여 음극(3)에 투여함을 특징으로 하는 방사성폐기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법을 제염하는 방법.
양극(2)은 금속관(7)에 금속봉(8)이 용접되어 있는 다각형 통 혹은 원통형상의 공간에 스테인레스 시브(9)가 고정되고 금속관(7) 내에는 스폰지(10) 혹은 탄소 섬유가 충입되며 음극내부에도 스폰지(10) 혹은 탄소섬유가 충입되며 양극(2)의 방사성폐기물 드럼(1)을 향한 부분과 음극(3)의 아래부분에 부도체(6) 물질을 접착시켜 전극이 드럼(1)과 접촉하는 것이 방지되게 한 것을 특징으로 하는 방사성페기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법으로 제염하는 장치.
제 7항에 있어서,

금속관(7)에는 음극(3)을 향해 직경 0.5 cm 미만의 구멍(11)이 3개 이상 형성하고 음극관은 양극관 방향으로 직경 0.5 cm 미만인 구멍(12)이 9개 이상 형성하며 양극(2)과 음극(3)의 직선 거리는 10 ∼ 80 cm 인 것을 특징으로 하는 방사성폐기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법으로 제염하는 장치.
제 7항에 있어서,

전극이 설치된 각 드럼(1)의 전극들을 병렬로 연결하며 1드럼(1) 이상으 ㅣ오염토양을 동시에 제염하게한 것을 특징으로 하는 방사성폐기물 드럼내 오염 토양을 동전기적 방법으로 제염하는 장치.