KR20200132488A

KR20200132488A - 방사성 오염토양 정화 방법

Info

Publication number: KR20200132488A
Application number: KR1020190058104A
Authority: KR
Inventors: 이종열; 박원석; 강연화; 공효영
Original assignee: 이종열
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2020-11-25
Also published as: KR20210141429A; KR102504769B1

Abstract

방사성 오염토양 정화 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 방사성 오염토양 정화 방법은 방사성 물질로 오염된 토양을 파쇄한 후 세척하는 공정을 수행하는 파쇄·세척 단계; 상기 파쇄·세척 단계 이후 토양으로부터 입자크기가 큰 토양을 크기별로 분리하고 입자크기가 작은 선별토양을 선별하여 토양폐기물로 처리하는 토양선별 단계; 및 상기 토양선별 단계에서 상기 분리된 토양을 처리하여 정화토와 정화 폐액을 생성하는 정화 단계;를 포함한다.

Description

방사성 오염토양 정화 방법 {Method for purification of radioactive contaminated soil}

본 발명은 방사성 물질 등으로 오염되어 있는 토양 오염부지 정화를 위하여 방사성 물질로 오염된 토양에서 방사성 물질을 선별하여 제거하기 위한 방사성 오염토양 정화 방법에 관한 것이다.

2011년 3월 동일본 대지진으로 인한 후쿠시마 원전사고를 계기로 탈원전을 선택하는 국가가 점진적으로 늘어나고 있는 추세이다. 우리나라도 세계적 추세에 따라 신규 원전 건설계획 백지화, 노후원전 수명연장 중단 등 탈원전 정책을 추진하고 있다. 원자력 발전소를 해체하는 경우 방사성 오염토양이 대량으로 발생한다.따라서 국내에서는 향후 원자력 발전소 해체에 따른 오염토양을 효과적으로 정화하기 위한 기술의 필요성이 대두되고 있다.

또한, 토양 구성성분 중 점토는 방사성 물질과 선택적 비가역적으로 결합되어 정화가 어려운 반면, 모래 및 자갈과 같이 입자 크기가 큰 토양은 오염분포도가 낮고 비교적 정화가 용이하기 때문에, 오염토양 중 약 10~30%를 차지하는 오염도가 높은 점토를 선택적으로 분리하여 토양폐기물 양을 저감하는 기술의 필요성도 함께 대두되는 실정이다.

그러나, 종래 방사성 오염토양 정화 방법은 토양 입자의 크기를 전혀 고려하지 않고 세정제를 통하여 방사성 오염토양을 정화하는 방법에 대한 것으로서, 토양 입자 크기에 따른 선별과정을 거치지 않으므로 토양폐기물 양이 현저하게 증가하게 되는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 특히 세슘(Cs)이나 코발트(Co)의 경우 점토와의 강한 결합을 가지므로 종래기술로는 토양 정화 및 정화 효율이 낮거나 별도의 고온공정이 필요하게 되어 처리비용이 현저하게 증가하고, 또한 버려지는 자성흡착제 등에 의한 재오염이 발생하는 문제점이 있었다.

등록특허공보 제10-1265255호(2013. 05. 16. 공고)

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 원자력 관련 사고나 원자력 발전소 해체 시 발생하는 다량의 방사성 토양을 효율적으로 처리하여 방사성 토양폐기물 발생량을 줄이고 처리비용을 절감하며 2차 폐기물 발생을 억제하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 방사성 물질로 오염된 토양을 파쇄한 후 세척하는 공정을 수행하는 파쇄·세척 단계; 상기 파쇄·세척 단계 이후 토양으로부터 입자크기가 큰 토양을 크기별로 분리하고 입자크기가 작은 선별토양을 선별하여 토양폐기물로 처리하는 토양선별 단계; 및 상기 토양선별 단계에서 상기 분리된 토양을 처리하여 정화토와 정화 폐액을 생성하는 정화 단계;를 포함하는 방사성 오염토양 정화 방법을 제공한다.

또한, 상기 파쇄·세척 단계는 방사성 오염토양을 파쇄하는 파쇄 단계; 및 상기 파쇄 단계 이후 토양을 세척하는 세척 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 세척 단계는 상기 파쇄 단계 이후 파쇄된 오염토양에 세척제를 분사하는 세척제 투입 단계; 및 상기 파쇄된 오염토양을 교반하는 교반 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 세척제 투입 단계는 초음파 분산장치로 초음파 에너지를 가하여 토양입단 및 세척제를 고르게 분산시키는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 토양선별 단계는 상기 파쇄·세척 단계 이후 토양으로부터 직경 2mm 이상의 토양을 분리하여 제거하는 제1 분리 단계; 상기 제1 분리 단계 이후 토양으로부터 직경 0.2mm 이상의 토양을 분리하는 제2 분리 단계; 상기 제2 분리 단계 이후 토양으로부터 직경 0.1mm 이상의 토양을 분리하는 미세토 분리 단계; 및 상기 미세토 분리 단계 이후 직경 0.04mm 이상의 토양을 분리하는 고도선별분리 단계:를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 분리 단계는 스크린 선별장치를 이용하여 직경 2mm 이상의 토양을 분리하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 분리 단계는 자성흡착제를 투입하여 고압유동화 공정을 수행하고, 상기 고압유동화 공정이 수행된 이후 체분리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 미세토 선별 단계는 하이드로싸이클론 기술을 적용하여 토양으로부터 직경 0.1mm 이상의 토양을 습식으로 분리하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 미세토 선별 단계는 상기 하이드로싸이클론 기술을 적용한 이후 분리된 토양을 포함하는 용액으로부터 용액을 분리하고 발생된 폐액 내 핵종을 선택적으로 제거하여 상기 제1 분리 단계 또는 상기 제2 분리 단계에서 재사용할 수 있도록 고/액 분리 및 폐액처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고도선별분리 단계는 자력기반 고도선별기술에 의해 직경 0.4mm 미만의 토양을 선별하며, 상기 자력기반 고도선별기술은 토양에 선택적으로 양이온성 자성나노입자를 부착시키는 선택적 자성부여기술; 및 상기 양이온성 자성나노입자가 부착된 토양을 분리하는 자성-토양복합체 자력선별기술;을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고도선별분리 단계는 상기 자성-토양복합체 자력선별기술 적용 후 분리된 토양을 포함하는 용액으로부터 용액을 분리하고 발생된 폐액 내 핵종을 선택적으로 제거하여 상기 제1 분리 단계 또는 상기 제2 분리 단계에서 재사용할 수 있도록 고/액 분리 및 폐액처리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 정화 단계는 상기 토양선별 단계에서 분리된 토양의 오염도를 측정하는 오염도 측정 단계; 상기 오염도 측정 단계에서 오염도가 기준치 이상인 것으로 판명된 토양을 정화하여 폐액을 분리하는 토양세척 단계; 및 상기 토양세척 단계에서 분리된 폐액을 처리하는 폐액처리 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 오염도 측정 단계는 오염도가 기준치 미만인 것으로 판명된 토양을 정화토로 분류하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 토양세척 단계 이후 폐액이 분리된 토양에 대하여 상기 오염도 측정 단계를 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 폐액처리 단계는 상기 폐액으로부터 오일 성분 또는 부유물을 분리하는 부유성분분리 단계; 상기 부유성분분리 단계 이후 세슘, 스트론튬, 요오드 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 핵종을 제거하는 주요핵종제거 단계; 상기 주요핵종제거 단계 이후 상기 폐액 내 잔류 핵종을 제거하는 잔류핵종제거 단계; 및 상기 잔류핵종제거 단계 이후 폐액 내 미세입자를 제거하는 미세입자제거 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 토양을 입자크기에 따라 분리하고 입자크기별로 가장 효율적인 정화처리 방법을 적용할 수 있어 정화 효과가 뛰어나고 비효율적인 정화 자원 낭비를 방지할 수 있다.

또한, 경제적으로 정화가 불가능하여 폐기되는 토양이 최소한의 입자크기를 갖는 토양이 되도록 범위를 한정하여 방사성 폐기물의 부피를 최소화할 수 있다.

또한, 정화 과정에서 투입되는 자성흡착제를 자성회수하여 재사용하므로 정화 공정 수행에 따른 비용을 절감하고 자성흡착제 폐기에 따른 2차적 오염 문제를 방지할 수 있다.

도 1은 토양의 입자크기별 특성을 나타내는 표이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방사성 오염토양 정화 방법을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방사성 오염토양 정화 방법을 구현하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 방사성 오염토양 정화 방법 중 파쇄·세척 단계를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 아트리션 스크러버(Attrition Scrubber)를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시시예 따른 방사성 오염토양 정화 방법 중 토양선별 단계를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 트롬멜 스크린을 간략히 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고압유동화 공정이 수행되는 시스템을 간략히 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 하이드로싸이클론 기술이 수행되는 시스템을 간략히 나타낸다.
도 10은 도 9의 하이드로싸이클론 기술이 수행되는 시스템이 복수로 제공되는 것을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 자성-토양복합체 형성과정을 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 자성-토양복합체의 자력선별기술을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 폐액처리 단계를 간략히 도시한 블록도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 사용하기로 한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 경우에 따라 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외의 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 발명의 기타 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

도 1은 토양의 입자크기별 특성을 나타내는 표이다. 도 1의 "크기(mm)"는 입자의 직경을 의미한다.

토양은 입자의 크기에 따라 핵종 오염도, 표면적, 표면전하, 양이온 흡착능 등이 달라진다. 일반적으로 토양에는 다양한 크기의 입자가 섞여 있으므로 방사능 오염 토양을 효율적으로 정화하기 위해서는 입자의 크기에 따른 별도의 정화 공정이 필요하다. 특히 모래 및 자갈과 같이 입자 크기가 큰 토양은 오염분포도가 낮고 오염이 되었을 경우에도 비교적 정화가 용이하지만 오염토양 중 약 10~30%를 차지하는 토양 구성성분 중 일부 실트와 점토는 방사성 물질과 선택적·비가역적으로 결합되어 정화가 어렵다.

또한 토양은 점토, 실트, 유기물, 산화철 등이 물리·화학적으로 결합하여 입단(aggregate)을 형성하고 있으며, 방사성 핵종을 포함한 오염물질은 주로 입단구성 입자에 흡착 또는 침전 형태로 존재하므로 효율적인 토양 제염을 위해서는 토양의 입단분산이 매우 중요하다.

따라서, 이하 설명되는 본 발명의 실시예는 방사성 오염 토양을 효율적으로 입도 분산하고 토양의 입자 크기에 따라 별도의 정화 처리를 하며 특히 오염도가 높은 점토 등 직경이 작은 입자를 선택적으로 분리하여 정화하는 방법 및 그 시스템의 제공을 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방사성 오염토양 정화 방법을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방사성 오염토양 정화 방법을 구현하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따른 방사성 오염토양 정화 방법은 파쇄·세척 단계(S10), 토양선별 단계(S20) 및 정화 단계(S30)을 포함한다.

파쇄·세척 단계(S10)에서는 방사성 물질로 오염된 토양을 파쇄한 후 세척하는 공정을 수행한다.

도 4는 파쇄·세척 단계(S10)를 개략적으로 도시한 블록도이다.

파쇄·세척 단계(S10)는 파쇄 단계(S11) 및 세척 단계(S12)를 포함한다.

파쇄 단계(S11)에서는 오염된 토양을 파쇄한다. 오염토양의 파쇄는 뭉쳐진 토양이 자갈, 모래, 실트, 점토 등 각 입자별로 분리될 수 있을 정도의 적정한 강도로 수행되는 것이 바람직하다. 파쇄 단계(S11)에서는 파쇄기가 이용될 수 있다. 파쇄기는 물리적인 힘을 가하여 토양을 파쇄하는 장치일 수 있다. 또한, 파쇄기는 초음파를 이용하여 토양을 파쇄하는 장치일 수 있다. 오염토양을 파쇄하면 오염토양 입자의 표면적이 넓어져 세척 단계(S12)의 효율이 높아질 수 있다.

세척 단계(S12)에서는 파쇄 단계(S11)에서 파쇄된 토양을 세척한다. 세척 단계(S12)에서는 세척제를 이용하여 오염된 토양의 방사성 물질을 세척할 수 있다. 파쇄 단계(S11)가 진행되면 자갈, 모래 등에 오염된 방사성 물질이 대부분 정화될 수 있다. 또한, 실트, 점토 등에 오염된 방사성 물질의 일부도 정화될 수 있다. 세척 단계(S12)는 세척제 투입 단계(S121) 및 교반 단계(S122)를 포함할 수 있다.

세척제 투입 단계(S121)에서는 파쇄 단계(S11) 이후 파쇄된 토양에 세척제를 분사한다. 세척제는 자갈과 모래에 오염되어 있는 방사성 물질 대부분 및 실트와 점토에 오염되어 있는 방사성 물질 일부를 정화할 수 있다. 오염토양에 분사되는 세척제는 중탄산나트륨(NaHCO₃)인 것이 바람직하다. 중탄산나트륨(NaHCO₃)의 작용에 대하여 예를 들어 설명하면, 방사성 물질 중 대표적인 우라늄의 경우 중탄산나트륨(NaHCO₃)과 반응하면 중탄산나트륨(NaHCO₃) 2분자에 산화우라늄 한 분자가 반응하거나, 중탄산나트륨 (NaHCO₃) 3분자에 산화우라늄 한 분자가 반응하여 복합체를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 복합체를 따로 분리하여 제거하면 오염토양의 입자의 표면에 흡착된 우라늄 등의 방사성 오염물질이 세척된다.

세척제로 종래에는 강산성용액을 사용하였으나, 강산성용액은 안전사고 발생가능성이 높고 장기간 사용시 주변 장치의 내구성이 감소될 수 있다. 또한 산을 중화하기 위한 공정이 별도로 필요하여 공정이 복잡해지고 비용이 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 세척제로서 중탄산나트륨(NaHCO₃)을 사용하면 이러한 문제들을 해결할 수 있다.

세척제 투입 단계(S121)에서는 초음파 분산장치가 이용될 수 있다. 초음파 분산장치는 초음파 에너지를 가하여 토양의 입단을 분리할 수 있다. 초음파 분산장치에 의해 초음파 에너지가 가해지면 분산효율이 증가되고 투입된 세척제가 고르게 분산되며 세척제에 의한 오염물질 용출 효과가 상승된다. 초음파 분산장치를 아래에서 기술하는 아트리션 스크러버(Attrition Scrubber, 1)와 함께 사용할 경우 분산 효율이 약 7~8% 정도 향상되는 효과가 있는 것이 실험적으로 확인되었다.

도 5는 교반 단계(S10)에서 이용될 수 있는 아트리션 스크러버(Attrition Scrubber)를 도시한다.

교반 단계(S122)에서는 투입된 세척제가 오염토양에 골고루 분산될 수 있도록 오염토양을 교반한다. 오염토양의 교반에는 아트리션 스크러버(Attrition Scrubber, 1)가 이용될 수 있다. 아트리션 스크러버(Attrition Scrubber, 1)를 적용하면 분산효율이 증대하고 세척제가 고르게 분산되며 세척제에 의한 오염물질 용출 효과가 상승할 수 있다. 아트리션 스크러버(Attrition Scrubber, 1)를 단독으로 적용할 경우 분산효율이 약 2~3% 증가하고, 위에서 기술한 바와 같이 초음파 분산장치를 동시에 적용할 경우 분산효율이 약 7~8% 증가하는 것이 실험적으로 확인되었다.

아트리션 스크러버(Attrition Scrubber, 1)는 오염토양을 투입하는 투입구(5), 오염토양을 교반하는 교반기(3), 교반기를 회전시키는 모터(2), 모터(2)와 교반기(3)를 연결하여 동력을 전달하는 회전축(4) 및 오염토양을 배출하는 배출구(6)를 포함한다. 교반기(3)는 100~200rpm의 속도로 회전하는 것이 바람직하다. 교반기(3)의 회전속도가 100rpm보다 낮으면 교반이 충분하지 않을 수 있다. 교반기(3)의 회전속도가 200rpm보다 높으면 오염토양이 제대로 교반되지 않은 채 배출구(6)를 통하여 외부로 튀어나올 수 있다.

세척제 투입 단계(S121) 및 교반 단계(S122)는 동시에 시작될 수 있고, 교반 단계(S122)가 먼저 진행되어 토양의 교반이 진행되는 중에 세척제 투입 단계(S121)가 진행될 수도 있다.

도 6은 토양선별 단계(S20)를 개략적으로 도시한 블록도이다.

토양선별 단계(S20)에서는 파쇄·세척 단계(S10)에서 파쇄·세척된 토양으로부터 입자크기가 큰 토양을 크기별로 분리하고 입자크기가 작은 토양을 선별하여(선별토양) 토양폐기물로 처리한다. 도 6을 참조하면, 토양선별 단계(S20)는 제1 분리 단계(S21), 제2 분리 단계(S23), 미세토 선별 단계(S25) 및 복합체 형성 단계(S27)를 포함한다.

제1 분리 단계(S21)에서는 파쇄·세척 단계(S10)를 거친 토양으로부터 자갈 등 직경 2mm 이상인 토양을 분리한다.

도 7은 제1 분리 단계(S21)에서 이용될 수 있는 트롬멜 스크린을 간략히 도시한다.

제1 분리 단계(S21)에서는 예를 들어 도 8과 같은 트롬멜 스크린 등의 스크린 선별장치(10)를 통하여 직경 2mm 이상의 토양을 분리할 수 있다. 분리된 자갈 등 직경 2mm 이상인 토양은 핵종 오염도가 낮으므로 별도의 처리 공정을 거치지 않고 그대로 폐기할 수 있다. 스크린 선별장치(10)는 투입호퍼(11), 스크린부(13) 및 고압분사부(14)를 포함한다. 투입호퍼(11)를 통해 오염토양이 스크린 선별장치(10) 내부로 투입되면 스크린부(13)가 직경 2mm의 입자를 걸러내며 고압분사부(14)에서 고압으로 물을 분사하여 스크린부(13)에 부착된 토양입자와 오염물질을 제거한다. 고압분사부(14)에서 고압으로 분사된 물에 의해 토양입자에 부착된 오염물질도 일부 제거될 수 있다.

제2 분리 단계(S23)에서는 제1 분리 단계(S21)를 거친 토양으로부터 모래 등 직경 0.2mm 이상인 토양을 분리하여 제거한다. 제1 분리 단계(S21)에서 이미 자갈 등 직경 2mm 이상인 토양이 분리되어 제거되었으므로 제2 분리 단계(S23)에서는 모래 등 직경 2mm 미만 0.2mm 이상인 토양이 분리되어 제거된다.

직경 0.2mm 이상인 토양을 분리하기 위하여 고압유동화 공정이 수행될 수 있다. 고압유동화 공정으로 고압분사를 적용하여 오염토양에 흡착된 핵종 및 미립자를 분리하는 입단분산과 토양세척이 실시된다.

도 8은 고압유동화 공정이 수행되는 시스템을 간략히 나타낸다.

고압유동화 공정에 자성흡착제(25)가 첨가된다. 자성흡착제(25)는 이젝트 방식이나 주입 방식으로 공정수 내로 투입될 수 있다. 방사성 핵종(24)은 자성흡착제(25)와 결합하여 방사성 핵종이 흡착된 자성흡착제(26)를 형성한다. 고압펌프(23)는 로드(21)를 통하여 PMI(high-Pressure Multipurpose Injection) 고압분사를 수행할 수 있다. PMI 고압분사가 수행되면 자성흡착제(25)와 토양 간의 접촉시간이 증가될 수 있고, 자성흡착제(25) 투입을 통한 점토 분리 및 침투력이 향상될 수 있다. 방사성 핵종이 흡착된 자성흡착제(26)가 포함된 토양은 주위로 전자석(31)이 제공되는 금속 거즈(30) 내부에 투입되어 자성을 이용하여 쉽게 회수될 있다.

자성흡착제(25)는 친환경의 물질로 제공되는 것이 바람직하다. 산이나 염기 등의 화학제의 사용 없이 고압유동화 공정에 첨가되는 친환경의 방사성 핵종 제거용 자성흡착제(25)는 토양으로부터 탈착된 방사성 핵종(24)을 선택적으로 흡착할 수 있어 토양에서 탈착된 방사성 핵종의 토양 내 재오염을 방지할 수 있다. 자성흡착제(25)는 자력으로 쉽게 분리되어 재사용될 수 있다.

고압유동화 공정의 분산효율은 아래와 같이 평가될 수 있다.

분산효율(%) = (고압분사 적용 100μm 이하 함량(%)/원시료 100μm 이하 함량(%))*100

고압유동화 공정의 세슘 제거 효율은 아래와 같이 평가될 수 있다.

제거효율(%) = 100 - (흡착제가 첨가된 고압분사 및 오염토양의 체분리 후 용액 내 남아있는 세슘 농도)/(흡착제 첨가 없이 고압분사 및 오염토양의 체분리 후 용액 내 남아있는 세슘 농도)*100

제2 분리 단계(S23)에서 고압유동화 공정이 수행된 이후 체분리 공정이 수행될 수 있다. 체분리 공정이 수행되면 고압유동화 공정을 거쳐 분리된 토양 중 직경 0.2mm 미만인 토양과 0.2mm 이상인 토양이 분리된다.

미세토 선별 단계(S25)에서는 제2 분리 단계(S23)를 거친 토양으로부터 직경 0.1mm 이상의 토양이 분리된다. 도 9를 참조하면, 미세토 선별 단계(S25)에서 직경 0.1mm 이상의 토양을 분리하기 위해 하이드로싸이클론 기술을 적용할 수 있다. 하이드로싸이클론 기술이 적용되면 직경 0.1mm 이상의 토양은 습식으로 분리된다.

도 9는 하이드로싸이클론 기술이 수행되는 시스템을 간략히 나타낸다.

하이드로싸이클론 시스템(40)은 원통부(41), 유입구(42), 하부배출구(43) 및 상부배출구(44)를 포함한다. 원통부(41)의 측벽에 오염액이 유입되면 내부에 형성되는 와류로 인하여 크기나 밀도가 큰 오염물질은 원심력에 의해 선회하면서 원추벽에 모여 하부배출구(43)를 통해 배출된다. 밀도가 큰 물질은 중심부에 모여 상승 와류를 타고 상부배출구(44)로 배출된다.

도 10은 복수의 하이드로싸이클론 시스템을 도시하고 있다.

하이드로싸이클론 시스템은 복수로 구비될 수 있다. 복수의 하이드로 사이클론 시스템이 직렬로 연결되면 토양 분리 효율이 보다 높아질 수 있다.

하이드로싸이클론 공정의 해당입도 분포비는 다음과 같이 평가될 수 있다.

해당입도 분포비(%) = 해당입도질량(g)/전체질량(g)*100

분리된 직경 0.1mm 이상의 토양을 포함하는 용액에 대하여 고/액 분리 및 폐액처리 공정이 수행된다. 고/액 분리 및 폐액처리 공정이 수행되면 직경 0.1mm 이상의 토양을 포함하는 용액으로부터 용액을 분리하여 제1 분리 단계 또는 제2 분리 단계에서 재사용하고, 발생된 폐액 내 핵종을 선택적으로 제거할 수 있다. 고/액 분리를 위해 화학적 처리방법, 크로마토그래피법, 원심분리법 등이 이용될 수 있다. 고/액 분리 및 폐액처리 공정이 수행되면 분리된 용액은 제1 분리 단계 또는 제2 분리 단계에서 재사용될 수 있다.

고도선별분리 단계(S27)에서는 미세토 선별 단계(S25)를 거친 미세토부터 입자크기가 큰 토양을 분리한다. 입자크기가 큰 토양이 분리되면 토양은 입자크기가 작은 선별토양만으로 이루어진다. 선별토양은 직경이 0.04mm 미만인 것이 바람직하다. 선별토양은 토양폐기물로 폐기하는 것이 바람직하다. 직경 0.04mm 이상의 토양은 습식으로 분리된다.

도 11는 고도선별기술에 의해 자성-토양복합체의 형성과정을 도시하고, 도 12은 자성-토양복합체의 자력선별기술을 나타낸다.

고도선별분리 단계(S27)에서는 자력기반 고도선별기술에 의해 직경 0.04mm 미만의 토양을 선별해 낼 수 있다. 자력기반 고도선별기술은 선택적 자성부여기술과 자성-토양복합체 자력선별기술을 포함한다. 선택적 자성부여기술에 의하여 점토 등의 직경이 작은 입자(51)들이 가지는 높은 음전하와 넓은 표면적이라는 특성을 활용하여 선택적으로 양이온성 자성나노입자(53)를 부착시킨다. 자성-토양복합체 자력선별기술에 의하여 상기 양이온성 자성나노입자가 부착된 토양을 선별할 수 있다. 자력기반 고도선별기술을 적용할 경우 입도비율 80% 이상의 효율로 직경 0.04mm 미만의 토양을 선별해 낼 수 있다.

자성-토양복합체의 자력선별기술에는 자력선별기(60)가 이용될 수 있다. 자력선별기(60)는 중력과 자력을 이용하여 자성-토양복합체를 분리할 수 있다. 자력선별기(60)는 자성-토양복합체가 중력을 거슬러 올라갈 수 있도록 충분한 자력을 구비하는 것이 바람직하다. 자력선별기는 선택적으로 자력을 부여할 수 있도록 전자석을 구비하는 것이 바람직하다.

자력기반 고도선별기술 적용 후의 0.04mm 미만 입도비율은 80% 이상인 것이 바람직하며, 입도비율은 다음과 같이 평가될 수 있다.

입도비율(%) = (분리 후 0.04mm 미만 입자)/(분리전 입자)*100

분리된 직경 0.04mm 이상의 토양을 포함하는 용액에 대해서 고/액 분리 및 폐액처리 공정이 수행된다. 고/액 분리 및 폐액처리 공정이 수행되면 직경 0.04mm 이상의 토양을 포함하는 용액으로부터 용액을 분리하여 제1 분리 단계 및 제2 분리 단계에서 재사용하고, 발생된 폐액 내 핵종을 선택적으로 제거할 수 있다. 고/액 분리를 위해 화학적 처리방법, 크로마토그래피법, 원심분리법 등이 이용될 수 있다. 고/액 분리 및 폐액처리 공정이 수행되면 분리된 용액은 제1 분리 단계 또는 제2 분리 단계에서 재사용될 수 있다.

정화 단계(S30)에서는 토양선별 단계(S20)에서 분리된 토양을 처리하여 정화토와 정화 폐액을 생성한다. 정화 단계(S30)는 오염도 측정 단계(S31), 토양세척 단계(S33) 및 폐액처리 단계(S35)를 포함한다.

오염도 측정 단계(S31)에서는 토양선별 단계(20)에서 분리된 토양의 오염도를 측정한다. 오염도 측정 단계(S31)에서는 제1 분리 단계(S21)에서 분리된 토양에 대해서도 오염도를 측정할 수 있으나, 일반적으로 직경 2mm 이상의 입자는 오염도가 무시할 수 있을 정도로 낮으므로 제1 분리 단계(S21)에서 분리된 토양에 대해서는 오염도를 측정하지 않고 제2 분리 단계(S23), 미세토 선별 단계(S25) 및 고도선별분리 단계(S27)로부터 분리된 토양의 오염도를 측정할 수 있다. 오염도 측정 단계(S31)에서는 제2 분리 단계(S23)로부터 분리된 직경 2mm 미만 0.2mm 이상의 토양, 미세토 선별 단계(S25)로부터 분리된 직경 0.2mm 미만 0.1mm 이상의 토양 및 고도선별분리 단계(S27)로부터 분리된 직경 0.1mm 미만 0.04mm 이상의 토양의 오염도를 측정한다. 오염도 측정 단계(S31)는 오염도가 기준치 미만인 것으로 판명된 토양을 정화토로 분류하는 단계를 포함할 수 있다. 정화토로 분류된 토양은 오염되지 않은 토양을 필요로 하는 다른 목적에 사용될 수 있다.

토양세척 단계(S33)에서는 오염도 측정 단계(S31)에서 오염도가 기준치 이상인 것으로 판명된 토양을 정화하는 토양세척공정이 수행된다. 토양세척공정이 수행되면 오염물질의 물리적, 화학적 성질을 이용하여 토양이 정화되며, 여기에는 토양 세척, 소각, 고형화, 안정화 및 용매 추출 등의 방법이 포함된다. 토양 정화를 위해 지상처리법(Ex-situ 법)을 이용하는 것이 바람직하다(지상처리법에 대해서는 등록특허공보 제10-1345398호 참조). 토양세척공정이 완료되면 폐액이 분리된다. 폐액이 분리된 토양에 대해서 오염도 측정 단계(S31)가 진행된다.

도 13은 폐액처리 단계(S35)를 간략히 도시한 블록도이다.

폐액처리 단계(S35)에서는 토양세척 단계(S33)에서 분리된 폐액이 처리된다. 폐액처리 단계(S35)는 토양세척 단계(S33)에서 분리된 폐액으로부터 오일 성분 또는 부유물을 분리하는 부유성분분리 단계(S351), 부유성분분리 단계(S351) 이후 오일 성분 및 부유물이 분리된 폐액으로부터 세슘(Cs), 스트론튬(Sr) 및 요오드(I) 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 핵종을 제거하는 주요핵종제거 단계(S353), 주요핵종제거 단계(S353) 이후 폐액 내 잔류 핵종을 제거하는 잔류핵종제거 단계(S355) 및 잔류핵종제거 단계(S355) 이후 폐액 내 미세입자를 제거하는 미세입자제거 단계(S357)를 포함할 수 있다.

주요핵종제거 단계(S353) 또는 잔류핵종제거 단계(S355)에서, 핵종은 흡착 공정 및 침전 공정을 통해 제거될 수 있다. 주요핵종제거 단계(S353)에서 핵종은 침전법, 이온교환법, 증발농축법, 역삼투압법, 한외여과법 등으로 처리될 수 있다. 주요핵종제거 단계(S353)에서 세슘(Cs)은 제올라이트 또는 메탈 페로시아나이드에 의한 흡착 또는 이온교환, 스트론튬(Sr)은 제올라이트 또는 황산바륨(BaSO4)에 의한 흡착 또는 침전, 요오드(I)는 활성탄이나 활성알루미나에 의한 흡착으로 제거될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 방사성 오염토양 정화 방법의 모든 공정이 완료되면 폐액 내 핵종 제거율을 다음과 같이 평가할 수 있다.

핵종 제거율(%) = (처리 후 핵종 농도)/(처리 전 핵종 농도)*100

폐액 내 핵종 제거율이 95% 이상이면 정화 폐액으로 안전하므로 방류가 가능하다.

1: 아트리션 스크러버 2: 모터
3: 교반기 4: 회전축
5: 투입구 6: 배출구
10: 스크린 선별장치 11: 투입호퍼
12: 커버 13: 스크린부
14: 고압분사부
20: 지중고압분사장비 21: 로드
22: 체크밸브 23: 고압펌프
24: 방사성 핵종 25: 자성흡착제
26: 방사성 핵종이 흡착된 자성흡착제
27: 반응조
30: 금속 거즈(iron gause) 31: 전자석
40: 하이드로싸이클론 41: 원통부
42: 유입구 43: 하부배출구
44: 상부배출구 45: 슬러지
46: 슬러지 펌프
51: 직경 0.04mm 이상인 토양
52: 직경 0.04mm 미만인 토양
53: 자성나노입자 54: 토양-자성나노입자 복합체
60: 자력선별기

Claims

방사성 물질로 오염된 토양을 파쇄한 후 세척하는 공정을 수행하는 파쇄·세척 단계;
상기 파쇄·세척 단계 이후 토양으로부터 입자크기가 큰 토양을 크기별로 분리하고 입자크기가 작은 선별토양을 선별하여 토양폐기물로 처리하는 토양선별 단계; 및
상기 토양선별 단계에서 상기 분리된 토양을 처리하여 정화토와 정화 폐액을 생성하는 정화 단계;를 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제1항에 있어서,
상기 파쇄·세척 단계는
방사성 오염토양을 파쇄하는 파쇄 단계; 및
상기 파쇄 단계 이후 토양을 세척하는 세척 단계;를 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제2항에 있어서,
상기 세척 단계는
상기 파쇄 단계 이후 파쇄된 오염토양에 세척제를 분사하는 세척제 투입 단계; 및
상기 파쇄된 오염토양을 교반하는 교반 단계;를 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제3항에 있어서,
상기 세척제 투입 단계는
초음파 분산장치로 초음파 에너지를 가하여 토양입단 및 세척제를 고르게 분산시키는 공정을 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제1항에 있어서,
상기 토양선별 단계는
상기 파쇄·세척 단계 이후 토양으로부터 직경 2mm 이상의 토양을 분리하여 제거하는 제1 분리 단계;
상기 제1 분리 단계 이후 토양으로부터 직경 0.2mm 이상의 토양을 분리하는 제2 분리 단계;
상기 제2 분리 단계 이후 토양으로부터 직경 0.1mm 이상의 토양을 분리하는 미세토 분리 단계; 및
상기 미세토 분리 단계 이후 직경 0.04mm 이상의 토양을 분리하는 고도선별분리 단계:를 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 분리 단계는
스크린 선별장치를 이용하여 직경 2mm 이상의 토양을 분리하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제5항에 있어서,
상기 제2 분리 단계는
자성흡착제를 투입하여 고압유동화 공정을 수행하고,
상기 고압유동화 공정이 수행된 이후 체분리 공정을 수행하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제5항에 있어서,
상기 미세토 선별 단계는
하이드로싸이클론 기술을 적용하여 토양으로부터 직경 0.1mm 이상의 토양을 습식으로 분리하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제8항에 있어서,
상기 미세토 선별 단계는
상기 하이드로싸이클론 기술을 적용한 이후 분리된 토양을 포함하는 용액으로부터 용액을 분리하고 발생된 폐액 내 핵종을 선택적으로 제거하여 상기 제1 분리 단계 또는 상기 제2 분리 단계에서 재사용할 수 있도록 고/액 분리 및 폐액처리 공정을 수행하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제5항에 있어서,
상기 고도선별분리 단계는
자력기반 고도선별기술에 의해 직경 0.4mm 미만의 토양을 선별하며,
상기 자력기반 고도선별기술은
토양에 선택적으로 양이온성 자성나노입자를 부착시키는 선택적 자성부여기술; 및
상기 양이온성 자성나노입자가 부착된 토양을 분리하는 자성-토양복합체 자력선별기술;을 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제10항에 있어서,
상기 고도선별분리 단계는
상기 자성-토양복합체 자력선별기술 적용 후 분리된 토양을 포함하는 용액으로부터 용액을 분리하고 발생된 폐액 내 핵종을 선택적으로 제거하여 상기 제1 분리 단계 또는 상기 제2 분리 단계에서 재사용할 수 있도록 고/액 분리 및 폐액처리 공정을 수행하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제1항에 있어서,
상기 정화 단계는
상기 토양선별 단계에서 분리된 토양의 오염도를 측정하는 오염도 측정 단계;
상기 오염도 측정 단계에서 오염도가 기준치 이상인 것으로 판명된 토양을 정화하여 폐액을 분리하는 토양세척 단계; 및
상기 토양세척 단계에서 분리된 폐액을 처리하는 폐액처리 단계;를 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제12항에 있어서,
상기 오염도 측정 단계는
오염도가 기준치 미만인 것으로 판명된 토양을 정화토로 분류하는 단계를 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제12항에 있어서,
상기 토양세척 단계 이후 폐액이 분리된 토양에 대하여 상기 오염도 측정 단계를 수행하는
방사성 오염토양 정화 방법.
제12항에 있어서,
상기 폐액처리 단계는
상기 폐액으로부터 오일 성분 또는 부유물을 분리하는 부유성분분리 단계;
상기 부유성분분리 단계 이후 세슘, 스트론튬, 요오드 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 핵종을 제거하는 주요핵종제거 단계;
상기 주요핵종제거 단계 이후 상기 폐액 내 잔류 핵종을 제거하는 잔류핵종제거 단계; 및
상기 잔류핵종제거 단계 이후 폐액 내 미세입자를 제거하는 미세입자제거 단계;를 포함하는
방사성 오염토양 정화 방법.