[논문자료]초임계 유체와 리간드를 이용한 방사성 이온 추출 연구

출처: 픽사베이

초임계 유체와 리간드를 이용한 방사성 이온 추출 연구

 

원자력 에너지는 낮은 온실가스 배출과 더불어 높은 에너지 밀도를 갖는 매우 친환경적인 에너지로 세계 많은 국가에서 이용되고 있다. 하지만, 핵연료의 주재료인 우라늄과 핵분열 생성물로 인한 폐기물이 발생되고 있다. 이러한 방사성 폐기물의 처리에 관한 문제는 앞으로 원자력산업이 반드시 해결해야 할 중요한 문제 중 하나이다.

방사성 폐기물의 복원 및 재활용을 위해서는 반드시 제염기술이 필요하다. 하지만 현재까지의 제염기술은 많은 2차폐기물 발생시키는 문제점을 가지고 있다. 따라서 2차 폐기물의 발생을 근본적으로 줄이는 제염방안의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 용매의 대안으로 초임계 이산화탄소 제염기술을 이용하여 토양 및 금속에 대하여 각각 다른 추출원리를 적용하는 실험을 진행하였다.

토양 시편의 경우, 선행핵주기 과정에서 발생할 수 있는 우라늄 흡착토양을 대상으로 킬레이팅 리간드를 이용한 추출 실험을 진행하였다. 실험은 추출제의 양, 토양의 종류 및 입자 크기, 오염으로부터 경과된 시간에 따라 총 3 종류의 실험을 진행하였다. 그 결과, 추출제의 양은 우라늄-TBP-질산 화학반응의 이론적 계산 값의 약 3배에서 90%이상의 추출효율이 확인되었다. 이를 통해 토양의 종류 및 입자크기에 따른 추출효율 실험에 우라늄 오염도의 3배인 추출제를 사용한 결과, 공극과 균열이 존재하는 실제토양에서 추출효율이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 오염기간에 따른 추출실험의 결과, 오염기간이 길어질수록 추출효율이 낮아진다는 경향을 확인하였다. 이러한 추출효율의 감소는 입자의 크기가 작은 실제 토양에서 더욱 분명하게 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 ‘토양 내 습식전처리’공정을 기존의 초임계 이산화탄소 제염법에 추가하여 그 효과를 확인해보았다. 그 결과, 소량의 수분(10%wt)을 함유한 토양의 경우 90%이상의 높은 추출효율을 확인하였다.

금속 시편의 경우, 원자력발전소 해체 과정에서 발생하는 코발트(60Co)에 의해 오염된 금속시편을 대상으로 초임계 이산화탄소 내에서 계면활성제 및 초음파 혼을 이용한 마이크로 에멀전 제염법을 이용한 추출 실험을 진행하였다. 먼저, 초음파 혼의 기계적 세척력을 확인하기 위해 옥살산을 첨가한 일반 용매추출법을 진행한 결과 약 절반이상의 코발트가 제거되는 것을 확인하였다. 이에 따라, 본 연구에서는 초음파 혼 및 계면활성제를 이용한 마이크로에멀전 기술을 이용하여 유기산 및 무기산 조건에서 실험을 진행하여 90% 이상의 높은 추출 효율을 확인하였다.

본 연구에선 현장과 유사성이 높은 토양 및 금속 시편에 초임계 이산화탄소 및 추출제를 이용한 제염법을 적용하여 효과적인 추출공정을 제시하였다. 이에 따라, 본 기술을 활용하여 폐기물을 처리할 경우 2차 폐기물의 발생을 근본적으로 억제할 수 뿐 아니라, 추가처리 비용도 발생시키지 않는 매우 경제적인 기술로 이용될 수 있다고 판단한다.

 

Nuclear energy is presently used in many countries around the world as a form of environmentally friendly energy due to its high energy density and low greenhouse gas emissions. However, the environmental pollution caused by radioactive sources, such as uranium and fission products generated during operation, is an important problem that still requires a solution in the nuclear industry.

Decontamination techniques are necessary for soil remediation as well as recycling of waste. However, the presently available techniques still produce large amounts of secondary wastes. Therefore, decontamination methods are needed that can fundamentally reduce this generation of secondary waste. In this study, radioactive ions were extracted from contaminated soil and metal waste using a new decontamination technology that incorporates supercritical carbon dioxide as an alternative to existing solvents.

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In the case of the soil specimens, the extraction experiments were carried out on U-contaminated soil specimens using a chelating ligand (TBP-HNO3) as an extractant. Three experiments were conducted to determine the importance of the following parameters on the extraction efficiency:

(1) the amount of extractant;

(2) the soil type and particle size; and

(3) the pollution period.

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The following results were obtained:

(1) High extraction efficiency requires three times more extractant than the theoretically calculated value;

(2) Actual soil with pores and cracks on the surface tends to show lower decontamination efficiency when compared with sea sand, and this tendency is more apparent in fine soil;

(3) The extraction efficiency decreases with the duration of the pollution period, and this tendency is also apparent in the fine soil.

Therefore, in this study, ‘wet pre-treatment in soil’ was designed to improve extraction efficiency and applied to the supercritical carbon dioxide extraction experiment. The results confirmed that soil containing a small amount of water (10%wt) can be decontaminated with an extraction efficiency of over 90%, regardless of the type and particle size of the soil.

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In the case of metal specimens, the extraction experiments were carried out on the bolt contaminated with radioactive cobalt using micro-emulsion extraction method. Experiments were conducted under organic acid (5% oxalic acid) and inorganic acid (0.1M HNO3) conditions respectively in order to compare extraction efficiency according to acid type. The results confirmed a high extraction efficiency of over 90% in both cases. However, the use of the inorganic acid resulted in corrosion of the metal surface. Thus, from a recycling perspective, organic acids are more suitable than inorganic acids for metal decontamination.

 

출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=DIKO0014699322

 

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