KR102100873B1 - 방사성 폐기물이 감소된 제염방법 - Google Patents

방사성 폐기물이 감소된 제염방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방사성 폐기물이 감소된 제염방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 황산(H2SO4)을 포함하는 산화제염제 사용 단계 및 환원제염제 사용 단계를 포함하는, 화학제염제를 이용한 제염처리 단계(단계 1); 단계 1에서 발생하는 폐액에 Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염을, 황산 몰농도(M)의 56 내지 59% 농도로 투입하여, 코발트를 포함하지 않는 침전물을 형성하는 단계(단계 2)를 포함하는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법에 관한 것이다.

Description

방사성 폐기물이 감소된 제염방법{DECONTAMINATION METHOD WITH REDUCED RADIOACTIVE WASTE}
본 발명은 방사성 폐기물이 감소된 제염방법에 관한 것으로, 화학 제염 후 발생하는 제염 폐액을 침전물로 형성하여 처리하는 경우 침전물 처리의 용이성을 위하여 방사선원을 따로 분리하여 침전 슬러지의 방사능을 저감하여 침전 슬러지의 처리를 용이하게 하고 전체 제염공정의 연속성을 증진시키는 방법에 관한 것이다.
노후 원자력발전소를 해체하기 위해서는 일차계통 제염이 필수적으로 선행되어야 하며, 국내의 주요 원자로형인 가압경수로나 가압중수로의 제염에서는 산화/환원 제염제를 번갈아 가며 반복적용을 해야 제염 효과를 얻을 수 있다. 이때 각 단계의 공정이 끝나고 다음 공정으로 넘어가기 위해서는 제염 용액 중에 잔류하는 산화제나 환원제의 분해가 반드시 이루어져야 한다.
대한민국 등록특허 제10-1883895호에 개시된 바와 같이 폐기물을 현저히 줄이고 폐기물 처분장 수용성을 높이기 위해 개발된 무기산 기저 화학제염 공정의 경우, 산화/환원 단계 후에 Ba(OH)2를 첨가하여 BaSO4 침전을 형성시키는 공정이 필수적이며, 이를 통해 이온교환수지의 사용을 최소화할 수 있다. 그런데 일반적인 상용원전의 경우, 일차계통 제염을 위한 전체 제염용액의 부피가 130 m3 (130 ton) 이상의 대용량이기 때문에 제염 시 사용되는 공정수의 적절한 처리를 통한 각 단계 사이의 연속성 확보는 중요한 기술요소라 할 수 있다.
특히 BaSO4 침전공정은 제염 폐액 중에 존재하는 음이온인 황산이온(SO4 2-)을 침전으로 제거할 뿐만 아니라, Fe2 +, Cr3 +, Ni2 + 등의 양이온들도 함께 공침전 시킴으로써 폐기물을 현저히 감소시키는 장점을 갖고 있으나, Co-60, Co-58, Co-57 등의 방사성 물질도 공침전 시킴으로써 고방사선장을 형성하여 취급이 어렵고 작업을 지연시킨다.
이와 같은 BaSO4 침전물 내에는 전체 방사능 물질의 99.9% 가 포함되어있기 때문에 방사능이 높아 쉽게 접근이 불가능하므로 침전물을 여과하기 위한 필터프레스(Filter Press) 등의 작업을 어렵게 할 뿐만 아니라 작업지연의 요인이 될 수 있다. 상기 침전물 내의 방사성 물질 중 Co-60, Co-58 및 Co-57의 방사능이 전체 방사능의 90% 정도를 차지하고 있다. 그러므로 제염 폐액 중에 Co2 + 이온의 형태로 존재하는 Co-60, Co-58, Co-57 성분만 따로 분리한 후에 BaSO4 침전물을 형성시키고 여과처리 할 수 있다면 접근성이 용이하고 필터프레스 등에 의한 작업을 용이하게 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
이에, 본 발명의 한 측면은 방사성 폐기물, 특히 방사성 코발트가 감소된 침전물을형성할 수 있는 제염방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 황산(H2SO4)을 포함하는 산화제염제 사용 단계 및 환원제염제 사용 단계를 포함하는, 화학제염제를 이용한 제염처리 단계(단계 1); 단계 1에서 발생하는 폐액에 Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염을, 황산 몰농도(M)의 56 내지 59% 농도로 투입하여, 코발트를 포함하지 않는 침전물을 형성하는 단계(단계 2)를 포함하는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법이 제공된다.
본 발명에 따른 제염공정을 적용하면 노후 원자력 발전소 해체를 위한 일차계통 제염 시 발생되는 침전 슬러지 내의 방사능 준위를 1/10 이하로 줄임으로써 침전 슬러지 처리의 용이성을 획기적으로 증진시킬 수 있다. 또한, 산화와 분해를 반복한 후 최종 단계에서만 BaSO4 침전을 적용하는 경우, 각 사이클에서 황산이온을 재활용함으로써 공정의 연속성을 증진시키고 침전 폐기물을 1/2 이하로 줄이게 되어 원전 해체 시 제염의 효율성 및 경제성을 획기적으로 높이는 효과가 있다.
도 1은 BaSO4 침전 시 코발트 성분의 분화 거동을 나타낸 그래프이다.
도 2는 BaSO4 침전 시 바륨 첨가량에 따른 크롬, 철, 니켈 및 코발트 성분들의 이온분율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 BaSO4 침전 시 바륨 첨가량에 따른 크롬, 철, 니켈 및 코발트 성분들의 침전물 분율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 황산을 함유하는 과망간산 칼륨 및 하이드라진을 주제염제로 하는 제염기술의 공정 개선 흐름도를 나타낸 것이다.
도 5는 기존공정과 본 발명의 개선공정의 발생 폐기물을 비교한 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 환원제인 하이드라진이 50 mM로 고정되었을 경우 황산 첨가에 따른 pH 적정곡선을 나타낸 것이다.
도 7은 바륨 첨가량이 0.020M 에서 0.024M 로 증가하는 동안 용액중의 Fe2 + 및 Ni2 + 이온의 감소경향 및 Co2 + 이온의 공침전의 증가경향 그래프이다.
도 8은 황산, 하이드라진 및 구리 이온이 포함된 환원제에서 원전 일차계통에 형성된 방사능 오염 산화막과 유사한 성분의 분말 산화물에 대한 용해 실험 수행 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 노후한 가압경수로 및 가압중수로의 해체 등을 위한 일차계통 제염 시 공정의 연속성을 증진시키고 제염 폐액 중에 존재하는 Co-60, Co-58, Co-57의 코발트 성분을 침전물로부터 분리하여, 취급이 용이한 소량의 양이온 교환수지로 분리할 수 있도록 하고, 기타 Fe2 +, Cr3 +, Ni2 + 등의 비방사성 물질과 소량의 다른 성분만 BaSO4 침전으로 분리될 수 있는 기술이 제공된다.
보다 상세하게, 이와 같은 본 발명의 방사성 폐기물이 감소된 제염방법은 황산(H2SO4)을 포함하는 산화제염제 사용 단계 및 환원제염제 사용 단계를 포함하는, 화학제염제를 이용한 제염처리 단계(단계 1); 단계 1에서 발생하는 폐액에 Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염을, 황산 몰농도(M)의 56 내지 59% 몰농도로 투입하여, 코발트를 포함하지 않는 침전물을 형성하는 단계(단계 2)를 포함하는 것이다.
본 발명의 상기 화학제염제를 이용한 제염처리 단계는 산화제염제와 환원제염제 사용단계 또는 그 반대의 순서로 교대로 반복하는 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화제염제를 사용한 후 환원제염제를 사용하는 사이클을 2회, 또는 3회 이상으로 수행하거나, 환원제염제를 사용한 후 산화제염제를 사용하는 사이클을 2회, 또는 3회 이상으로 수행하는 제염처리 단계를 모두 포함한다.
상기 제염처리하는 단계에 있어서, 필요한 제염 효과를 얻기 위한 범위 내에서 반복 횟수는 특별히 제한되지 않으며, 통상적으로 5회 이내, 4회 이내, 3회 이내, 2회 이내일 수 있다.
상기 단계 1의 제염처리하는 단계에 있어서, 사이클을 반복하는 경우, 각각의 제염에 필요한 계통수는 1회 충전하여 정화를 통해 반복하여 사용하거나 또는 각각의 제염에 대해서 별도의 계통수를 충전 사용할 수 있다.
계통수를 1회 충전하여 사용하는 경우에 있어서, 산화제염제와 환원제염제를 교대로 반복하여 사용하여 제염처리함에 있어서는, 각각의 제염제 처리 후에 잔여 산화제 또는 환원제를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예로서, 각각의 산화제염처리 단계 이후 잔여 산화제를 제거하기 위해 하이드라진(N2H4)를 첨가할 수 있고, 각각의 환원제염처리 단계 이후 잔여 환원제를 제거하기 위해 과산화수소(H202)를 첨가할 수 있다.
하이드라진(N2H4) 첨가하는 경우 하기 반응식 1과 같은 반응을 유도하여 잔여 산화제, 예를 들면 과망간산칼륨을 분해 제거할 수 있다.
[반응식 1]
4KMnO4+ 5N2H4+ 6H2SO4→ 4K+ + 4Mn2 + + 5N2+ 16H2O + 6SO4 2 -
상기 제염처리 단계의 대상은 방사능 오염된 금속 또는 합금을 포함하는 객체일 수 있으며, 예를 들어 원자력발전소의 계통 내부에서 발생하는 것일 수 있다. 이때, 상기 원자력발전소의 종류로는 경수 감속로, 비등수형 원자로 (BWR), 가압수형 원자로 (PWR), 러시아형 가압수형 원자로 (VVER), 가압경수로(PWR), 중수로(HWR), 가압중수로 (PHWR), CANDU(Canada Deuterium Uranium), 가스냉각형 중수로, 흑연 감속로 마그녹스, 개량 가스 냉각로 (AGR), 고온가스 냉각로, 흑연감속 비등경수 압력관형 원자로 (RBMK), 페블베드모듈형 원자로를 포함하며, 원자력발전소의 종류가 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 원자력 발전소는 가압경수로 또는 가압 중수로를 포함할 수 있다. 또한, 상기 계통은 1차계통일 수 있으나, 계통의 종류가 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 산화제염제는 산화제 및 금속이온을 포함하는 것일 수 있으며, 이때 상기 산화제는 KMnO4, NaMnO4, H2CrO4 및 HMnO4로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 산화제일 수 있다.
상기 금속이온은 Cu2 +, Fe3 +, Cr3 +, Ni2 + 및 Zn2 +으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 이온일 수 있으며, 이 중에서 Cu2 +일 수 있다. 상기 금속 이온을 첨가함으로써, 산화제염제가 적용되는 객체, 즉 금속 또는 합금 부품의 전위를 부동태 영역으로 이동시킬 수 있으며, 이를 통해 산화 제염되는 부품의 부식을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 산화제염제에 있어서, 상기 산화제의 농도는 1Х10-5M 내지 1Х10-2M인 것일 수 있다. 산화제의 농도가 1Х10-5M 미만인 경우에는 산화능력이 충분하지 않을 수 있고, 1Х10-2M를 초과하는 경우에는 산화 제염 후 이를 분해하기 위한 화학제가 많이 소요될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 산화제염제에 있어서, 상기 황산의 농도는 1Х10-3M 내지 3Х10-2M인 것일 수 있다. 상기 황산의 농도가 1Х10-3M 미만인 경우에는 산화 제염 효과가 적고, 3Х10-2M를 초과하는 경우에는 이를 중화시키기 위한 중화제가 다량 필요하고, 가속 부식이 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 산화제염제에 있어서, 상기 금속이온이 Cu2 + 및 Zn2 +일 경우에 금속 이온의 농도는 2Х10-5M 내지 2Х10-3M일 수 있으나, 이에 제한될 필요는 없으며 통상의 기술자가 제염의 효과를 발휘하는 범위 내에서 변경 가능하다. 만약 상기 Cu2 + 및 Zn2 + 이온의 농도가 2Х10-5M 미만인 경우에는 효과적으로 부동태 영역으로 전위를 조절할 수 없을 수 있으며, 2Х10-3M를 초과하는 경우에는 금속 성분의 침전물이 형성될 수도 있다.
나아가, 본 발명에 따른 산화제염제에 있어서, 상기 금속 이온이 Cu2 + 및 Zn2 +이 아닐 경우에 금속 이온의 농도는 2Х10-6M 내지 2Х10-5M 범위 내에서 선택할 수 있으나, 통상의 기술자가 제염의 효과를 발휘할 수 있는 범위 내에서 변경 가능하다. 만약 상기 금속 이온의 농도가 2Х10-6M 미만인 경우에는 효과적으로 부동태 영역으로 전위를 조절할 수 없을 수 있으며, 2Х10-5M를 초과하는 경우에는 금속 성분의 침전물이 형성될 수도 있다.
본 발명에서 상기 산화제염제는, 산화제를 증류수에 용해시킨 용액을 제조하는 단계, 상기 단계에서 제조된 용액에 황산을 첨가하는 단계; 및 상기 단계의 황산이 첨가된 용액에 금속이온을 첨가하는 단계를 포함하는 제조방법을 통해 제조될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 환원제염제는 환원제 및 금속이온을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 환원제는 NaBH4, H2S, N2H4 및 LiAlH4로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 환원제일 수 있으며, 상기 금속이온은 Ag+, Ag2 +, Mn2 +, Mn3 +, Co2+, Co3 +, Cr2 +, Cr3 +, Cu+, Cu2 +, Mn2 +, Mn3 +, Sn2 +, Sn4 +, Ti2 + 및 Ti3 +로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 이온일 수 있다.
나아가, 상기 환원제염제는 환원제가 N2H4 및 LiAlH4이고 금속이온이 Cu+ 또는 Cu2 +일 수 있으며, 환원제가 N2H4이고 금속이온이 Cu2 + 일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 환원제염제에 있어서, 상기 환원제의 농도는 5Х10-4M 내지 0.5 M일 수 있다. 환원제의 농도가 5Х10-4M 미만인 경우 환원성이 충분히 발휘되지 못할 수 있고, 0.5 M 초과인 경우 제염 후 이를 분해하기 위한 화학제가 많이 소요될 수 있다.
또한, 본 발명의 환원제염제에 있어서, 상기 환원성 금속 이온의 농도는 1Х10-5M 내지 0.1M 일 수 있다. 상기 환원성 금속 이온의 농도가 1Х10-5M 미만인 경우 제염 효과가 감소할 수 있고, 0.1 M 초과인 경우 금속 성분의 침전물이 형성될 수 있다.
나아가, 본 발명의 환원제염제에 있어서, 상기 황산의 농도는 1Х10-4 내지 0.5 M일 수 있다. 상기 황산의 농도가 1Х10-4M 미만인 경우 제염 효과가 감소할 수 있고, 0.5M 초과인 경우 이를 중화시키기 위한 중화제가 다량 필요할 수 있다.
본 발명에서 상기 환원제염제는, 환원제를 증류수에 용해시킨 용액을 제조하는 단계; 상기 단계에서 제조된 용액에 황산을 첨가하는 단계; 및 상기 단계의 황산이 첨가된 용액에 금속이온을 첨가하는 단계를 포함하는 제조방법을 통해 제조될 수 있다.
본 발명의 환원제염방법을 수행함에 있어서 온도 및 시간 범위는 특별히 제한되지 않으며, 일례로 70℃ 내지 140℃의 온도 범위에서 선택될 수 있다.
후속적으로 단계 1에서 발생하는 폐액에 Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염을, 황산 몰농도(M)의 56 내지 59% 농도로 투입하여, 코발트를 포함하지 않는 침전물을 형성하는 단계를 수행한다.
본 발명에 있어서 침전은 폐액 내에 존재하는 황산 이온(SO4 2-)과 침전을 형성할 수 있는 Ba 또는 Sr의 양이온을 포함하는 것이면 제한 없이 침전제로서 폐액 내에 투입할 수 있다. 즉, 폐액 내에서 용해되어 Ba 또는 Sr 양이온을 제공할 수 있는 염이면 제한없이 사용할 수 있으며, 다만, 형성하고자 하는 침전물인 BaSO4또는 SrSO4 와 같이 폐액 내에서의 용해도가 너무 낮은 염은 바람직하지 않을 수 있다.
일례로서, Ba 또는 Sr 양이온과 염을 형성할 수 있는 음이온으로서, 수산화이온 또는 할로겐 음이온이 선택될 수 있다. 그리고 할로겐 음이온은 플루오로 음이온, 클로로 음이온, 브로모 음이온, 아이오드 음이온을 포함한다. 할로겐 음이온의 경우에는 침전 후에 폐액 내에서 할로겐 음이온을 별도로 제거하는 과정을 필요로 할 수 있다.
상기 단계 2의 침전물은 제염폐액 내 방사능 물질 및 금속이온이 공침전된 것일 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기 침전제로써 사용된 Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염을, 황산 몰농도(M)의 56 내지 59% 농도로 투입하여, 코발트를 포함하지 않는 침전물을 형성하는 단계를 수행한다. Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염의 농도는 바람직하게는 황산 몰농도(M)를 기준으로 56 내지 59%의 농도로 투입하는 것이다. 예를 들어, 황산이 39mM 농도인 경우 상기 염의 농도는 22 내지 23mM일 수 있다.
즉, 폐액 내에 존재하는 제염 과정에서 발생된 금속 이온들이 BaSO4 또는 SrSO4 가 침전되는 과정에서 공침전되고, 이런 공침전을 통하여 제염폐액에서 이온교환수지를 통하여 제거하여야 하는 금속 이온의 양을 획기적으로 줄일 수 있으며, 나아가 본 발명에 의하면 이와 같은 침전물 내에 방사능 물질인 Co-60, Co-58, Co-57가 포함되지 않으므로 발생되는 침전 슬러지 내의 방사능 준위를 1/10 이하로 줄임으로써 침전 슬러지 처리의 용이성을 획기적으로 증진시킬 수 있다.
본 발명에서 제염폐액과 침전제의 혼합은 혼합을 일으킬 수 있는 혼합 수단, 예를 들면, 인라인 믹서(in-line mixer)와 같은 혼합수단으로 수행하며 이때 레이놀즈수(Reynolds number)는 10,000 ~ 50,000 범위의 값을 사용할 수 있다.
또한, 사용되는 믹서(mixer) 내의 온도는 혼합의 효과를 일으킬 수 있는 범위 내에서 통상의 기술자가 적절하게 선택하여 사용할 수 있으며, 상기 레이놀즈수의 범위 내에서 혼합이 일어날 수 있도록 선택될 수 있고, 일례로서 25℃ 내지 80℃ 범위일 수 있다.
나아가, 본 발명의 방사성 폐기물이 감소된 제염방법에 있어서, 상기 단계 1에서 형성된 폐액을 이온교환수지로 처리하는 단계(단계 1-1)를 추가로 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 예를 들어 본 발명의 제염 방법은 단계 1, 단계 2, 단계 1 및 단계 2와 같은 반복 수행이 가능할 뿐만 아니라, 단계 1, 단계 1-1, 단계 1, 단계 2; 또는 단계 1, 단계 2, 단계 1, 단계 1-1과 같은 순서로도 수행할 수 있다.
이때, 상기 단계 1 및 단계 1-1을 포함하는 사이클은 2회 내지 3회 이상 반복하여 수행될 수 있으며, 예를 들어 2회 내지 5회 반복 수행된다. 또한, 상기 단계 1 및 단계 2를 포함하는 사이클도 2회 내지 3회 이상 반복하여 수행될 수 있으며, 예를 들어 2회 내지 5회 반복 수행되고, 나아가 이들 사이클이 혼합되어 수행될 수도 있다.
본 발명의 이러한 공정에 의하면 전 슬러지의 방사능을 1/10 이하로 저감하여 처리가 까다로운 침전 슬러지를 용이하게 처리하고 전체 제염공정의 연속성을 획기적으로 증진시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 환원제염은 pH 2 내지 4의 조건에서 수행되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 pH는 2.5 내지 3.5이나, pH 3에 가까울수록 반응속도가 빨라서 제염시간을 단축시킬 수 있다. 만약, 상기 pH가 2 미만인 경우에는 황산 및 하이드라진 소모량이 급격히 증가하여 폐기물량이 증가할 뿐만 아니라 모재금속의 용해량도 증가하는 문제점이 있을 수 있고, pH 4를 초과하는 산화막에 공급되는 수소이온의 농도가 감소되어 용해속도가 감소되는 문제가 있다.
본 발명의 제염방법은 마지막 단계로써, 폐액에 Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염을, 황산 몰농도(M)와 동일한 몰 농도로 투입하는 단계(단계 3)를 추가로 포함할 수 있다. 이와 같은 공정을 최종 단계에서만 수행하는 경우, 황산이온을 재활용함으로써 공정의 연속성을 증진시키고 침전 폐기물을 1/2 이하로 줄이게 되어 원전 해체 시 제염의 효율성 및 경제성을 획기적으로 높이는 효과가 있다.
나아가, 본 발명의 상기 제염방법은 침전물이 형성된 후 상기 침전물을 분리하는 단계(단계 4)를 더 포함할 수 있다.
이때, 침전물은 고체 또는 슬러지의 형태를 가질 수 있으며, 상기 고체 침전물 또는 슬러지와 잔여 제염폐액의 분리는 여과지, 분리막, 필터 등의 다양한 분리수단을 사용하여 수행할 수 있고, 상기 분리수단은, 종이, 고분자, 세라믹, 금속, 또는 그 복합체일 수 있고, 일례로서 분리필터를 사용하여 수행할 수 있으며, 분리필터 중에서도 캔들필터(candle filter)를 사용하여 수행할 수 있다.
캔들 필터(candle filter)에 의해 고액 분리되어 만들어진 케이크의 함수율은 40% 이하, 30 % 이하, 20% 이하, 또는 10% 이하일 수 있다.
또한, 만들어진 케이크 밀도는 0.1 내지 10g/cm3, 1 내지 5g/cm3, 2 내지 3g/cm3일 수 있으며, 하나의 예로서 2.56g/cm3일 수 있으며, 상기 케이크 밀도가 이에 제한되는 것은 아니다.
이렇게 형성된 케이크의 폐기방법으로는 방사성 폐기물의 처리방법으로서 알려진 다양한 방법을 사용하여 폐기할 수 있고, 방사성 폐기물 드럼 용기에 직접 투입하여 시멘트 고화체를 만들어 폐기하는 방법을 사용할 수 있으나, 케이크 폐기방법이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 침전 슬러지 내의 방사능 준위를 1/10 이하로 줄임으로써 침전 슬러지 처리의 용이성을 획기적으로 증진시킬 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1. 일차 폐기물 침전 시 평형계산
제염 시 제염대상물의 산화막에서 용해되어 나오게 되는 일차폐기물은 Fe3 +, Cr3+, Ni2 + 등의 금속이온들과 산화막 내에 존재하는 방사성 물질인 Co-60, Co-58, Co-57, Mn-54, Fe-59, Zn-65 등이 있다.
전형적인 가압경수형 원전의 일차계통 부식산화막에서 용해되어 폐액 내 존재하는 Fe3 +, Cr3 +, Ni2 + 등의 금속이온들은 각각 50ppm 내지 200ppm이며, 이를 함유하고 있는 처리대상의 제염폐액을 대상으로 하는 비교예의 경우는 도 1의 절차에 따라, 그리고 실시예의 경우 도 2의 절차에 따라 산화제염제, 산화제염제 분해제, 환원제염제, 환원제염제 분해제 등을 차례로 투입하였다.
이때 투입된 제염제와 제염제 분해제의 구성성분 및 농도는 다음과 같다.
산화제염제: 6.33 mM KMnO4 + 3.25mM H2SO4
산화제염제 분해제: 7.91mM N2H4 + 9.50mM H2SO4
환원제염제: 50.00mM N2H4 + 26.39mM H2SO4
환원제염제 분해제: 240.00mM H2O2
다만, 이때 비교예의 경우 39.13mM의 Ba(OH)2 침전제를 첨가하여 BaSO4를 침전시킴으로써, 제염폐액 내의 모든 금속이온 및 음이온들의 공침전을 유도하였다. 기존 제염기술이 적용된 비교예에서는 모든 일차 폐기물들이 BaSO4 침전 시 공침전되어 침전 슬러지 내에 존재하였다.
반면, 실시예의 경우 다양한 농도에서 Ba(OH)2 침전제를 첨가하였으며, 도 1 내지 3은 주요 방사성 물질인 코발트 성분의 분리 가능성을 평가하기 위하여 환원제염 후 폐액 내에 존재하는 Fe3 +, Cr3 +, Ni2 + 및 Co2 + 이온들의 분화(speciation)를 계산한 결과이다. 상기 계산은 하기 표 1 및 표 2에 수록된 반응식 및 Log K 값을 이용하여 컴퓨터 프로그램으로 수행하였다.
이온 및 침전 상의 코발트 성분 반응식 및 Log K 값
반응식 Log K 값
H2O + Co2 + = CoOH+ + H+ -9.697
2H2O + Co2 + = Co(OH)2(aq) + 2H+ -18.794
4H2O + Co2 + = Co(OH)4 2 - + 4H+ -46.288
4H2O + 4Co2 + = Co4(OH)4 4 + + 4H+ -30.488
3H2O + Co2 + = Co(OH)3 - + 3H+ -31.491
H2O + 2Co2 + = Co2OH3 + + H+ -10.997
Co2 + + SO4 2- = CoSO4(aq) 2.300
2H2O + Co2 + = Co(OH)2(s) + 2H+ -13.94
Co2 + + SO4 2- = CoSO4(s) -2.802
황산 및 하이드라진이 포함된 수용액에서 pH와 관련된 반응식 및 Log K 값
반응식 Log K 값
H2O = OH- + H+ -13.997
H+ + SO4 2- = HSO4 - 1.990
K+ + SO4 2- = KSO4 - 0.850
Mn2 + + SO4 2- = MnSO4 2.250
Ba2 + + SO4 2- = BaSO4 9.980
H+ + N2H4 = H-N2H4 + 8.100
2H+ + N2H4 = H2-N2H4 2 + 7.000
그 결과, 중요한 결과로써 실시예의 개선공정에 의하는 경우, 바륨 첨가량이 황산 농도의 약 51%인 0.02M 이하에서는 코발트 침전물이 전혀 생성되지 않는다는 것을 확인하였다. 이때 용액 중에는 Co2 +, CoSO4(aq), Co(OH)2(aq), Co(OH)3 - 등의 이온성 및 수용성 물질만이 존재하였으나, 바륨 첨가량이 0.02M 이상 증가하면 이온성 물질이 급격히 사라지고 침전물인 Co(OH)2(s) 만이 존재하게 되는 것으로 나타냈다.
반면에 Fe3 +, Cr3 +, Ni2 + 등의 이온들은 도 2 및 3에 나타난 바와 같이 바륨 첨가량이 0.02M 이전에 대부분이 침전물로 존재하며 Cr 성분이 가장 먼저 침전되고 Fe 및 Ni 등의 순서로 침전되었다. 본 발명은 이와 같은 특성을 이용하여 Fe3 +, Cr3+, Ni2+ 으로부터 Co2+ 성분을 분리할 수 있다.
2. 공정개선 및 폐기물량 비교
도 4는 비교예의 기존 공정 및 실시예의 개선 공정의 흐름을 나타낸 그림이고, 도 5는 이들의 폐기물량의 상대적인 비교를 나타낸 것이다.
실시예에 의해 개선된 공정에서는 양이온에 의한 폐기물이 비교예 대비 8% 이상 감소하며, 나아가 음이온에 의한 폐기물 당량은 1/3 이하로 감소함을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과에 따라 본 발명에 따르면 공정개선에 의한 부가적인 이득으로 원자력 발전소 해체 시 폐기물 처리 비용을 감소시킴으로써 해체 작업의 경제성을 증진시킬 수 있는 기술임을 알 수 있다.
3. 폐기물 발생량 최소화를 위한 제염제 조성 최적화
도 6은 중간단계에서 침전 및 용액 정화를 적용하지 않고 연속공정조건을 세우기 위하여, 환원제인 하이드라진이 50 mM로 고정되었을 경우 황산 첨가에 따른 pH 적정곡선을 나타낸 그림이다.
이때 상기 표 1 및 2에 수록된 화학 반응식 및 이들에 대한 Log K 값을 활용하였다. 이 그림에 나타난 바와 같이 제염용액에 K+ 및 Mn2 +이온 농도가 증가할수록 제염조건에 맞는 pH=3을 유지하기 위하여 점점 더 많은 양의 황산을 투입해야 함을 알 수 있다. 이때 K+ 및 Mn2 +이온 농도는 각각 2배 및 3배인 12.6 mM 과 18.9 mM에 대하여 계산한 결과이다. 제염 적정 영역인 pH = 2 ~ 3 조건 안에서 폐기물을 최소화 할 수 있는 최적 제염제 조성을 선정할 수 있다.
하기 표 3 은 N2H4 =50mM 유지 시 pH=3을 유지하기 위한 황산 투어량(mM)을 나타낸다.
1 단계 환원 2 단계 환원 3 단계 환원
[H2SO4] 39.13 47.45 58.74
[N2H4] 50 50 50
4. 금속이온 분리 최적화
실시예 1에서 제시한 바륨첨가량이 0.02M일 때 Cr3 +, Fe2 + 및 Ni2 + 이온들의 공침전 분율을 구하면 각각 100%, 99.3% 및 93.4% 가 된다. 즉 Fe2 + 및 Ni2 + 이온들을 최대한 침전시키기 위해서는 바륨 첨가량을 증가시켜야 한다. 반면에 도 1에 나타난 바와 같이 바륨 첨가량이 0.023M 이상 증가하면 Co2 + 이온의 공침전량이 급격히 증가하게 된다.
도 7은 바륨 첨가량이 0.02M 에서 0.024M 로 증가하는 동안 용액중의 Fe2 + 및 Ni2+ 이온의 감소경향 및 Co2 + 이온의 공침전의 증가 경향을 보여주는 그래프이다. 이 그래프를 기초로 하면, 금속 이온의 분리를 극대화할 수 있는 바륨의 농도는, 황산 농도 0.039M을 기준으로 할때, 0.0225M이며 실제 금속이온의 최적화 영역은 0.022M < [Ba(OH)2] < 0.023M이 바람직함을 알 수 있다.
5. 환원단계에서 최적 제염조건 (pH 조건) 도출
도 8은 황산, 하이드라진 및 구리 이온이 포함된 환원제에서 원전 일차계통에 형성된 방사능 오염 산화막과 유사한 성분의 분말 산화물을 가지고 용해실험을 수행한 실험예를 보여준다.
즉 pH = 1 ~ 4 영역에서 시간 별 용해능을 나타낸 그래프이다. pH < 2.0인 영역에서는 용액의 산도가 커서 산용해(acidic dissolution)가 지배적이고 pH > 2.0인 영역에서는 환원용해가 지배적임을 황산, 황산 및 하이드라진 용액에서 수행한 용해실험으로부터 알 수 있었고, 도 8에서도 이 경향을 확인할 수 있다.
그러므로 환원제염 효과를 극대화시키기 위해서는 pH = 3 근처에서 제염이 실시되는 것이 바람직하다. 특히, 반응 초기에 용액의 산도가 3.0에 근접할수록 반응속도가 빨라서 제염시간을 단축시킬 수 있다. pH < 1.5의 영역에서도 용해 속도가 크나 황산 및 하이드라진 소모량이 급격히 증가하여 폐기물량이 증가할 뿐만 아니라 모재 금속의 용해량도 증가하는 경향이 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (12)

  1. 황산(H2SO4)을 포함하는 산화제염제 사용 단계 및 환원제염제 사용 단계를 포함하는, 화학제염제를 이용한 제염처리 단계(단계 1);
    단계 1에서 발생하는 폐액에 Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염을, 황산 몰농도(M)의 56.4% 초과 내지 58.97% 미만의 농도로 투입하여, 코발트를 포함하지 않는 침전물을 형성하는 단계(단계 2)
    를 포함하는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 할로겐 음이온은 플루오로 음이온, 클로로 음이온, 브로모 음이온 및 아이오드 음이온으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 1에서 형성된 폐액을 이온교환수지로 처리하는 단계(단계 1-1)를 추가로 포함하는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단계 1 및 단계 1-1을 포함하는 사이클은 2회 이상반복하여 수행되는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 1 및 단계 2를 포함하는 사이클은 2 회 이상 반복하여 수행되는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제염을 pH 2 내지 4의 조건에서 수행되는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 산화제염제는 산화제 및 금속이온을 포함하는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산화제는 KMnO4, NaMnO4, H2CrO4 및 HMnO4로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 산화제인, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 환원제염제는 환원제 및 금속이온을 포함하는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 환원제는 NaBH4, H2S, N2H4 및 LiAlH4로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 환원제인, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제염방법은 마지막 단계로써, 폐액에 Ba 또는 Sr 양이온과 수산화이온 또는 할로겐 음이온과의 염을, 황산 몰농도(M)와 동일한 몰 농도로 투입하는 단계(단계 3)를 추가로 포함하는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제염방법은 상기 침전물을 분리하는 단계(단계 4)를 더 포함하는, 방사성 폐기물이 감소된 제염방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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