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문제 정의
- 따라서 효율적이고 원전에서 현장 적용성이 용 이한 최적의 전해제염공정을 개발하기 위하여 기존의 전해제염과 기존의 전해제염 공정을 보완하여 양극과 음극을 동시에 사용한 개선된 전해제 염의 제염효율을 비교 평가하는 연구를 수행하었 으며, 전해제염후 2차 폐액중 방사성핵종이 금속 산화물 형태의 침전물로 형성되기 때문에 필터 등을 이용하여 2차 폐액처리를 간단하게 할 수 있고 중화 처리할 필요가 없는 장점을 가지고 있는 중성염 전해질 중 황산나트륨과 질산나트륨을 적용 시 전류밀도에 따른 제염특성에 관하여 연구하였다.
제안 방법
- 금속폐기물 시편은_원자력발전소에서 주로 발생되는 탄소강(70x36x2mm) 평판을 사용하였으 며전해길은 대표적인 중성염전해질인 황산나트 륨과 질산나트륨을 상온에서 증류수에 녹여 1.7mol/L로 조제하여 실험을 수행하였다. 기존 전해제염에 사용된 폐기물은 150 X 30 X 2mm의 탄소강 을 사용하였다.
- 기존전해제염과 개선된 전해제염 공정의 제염 효율을 비교하기 위하여 전류밀도는 0.3A/cm2의 조건에서 중성염전해질인 황산나트륨을 1.7M을 이용하여 실험하였다. 기존 전해제염공정은 양극 에는 폐기물로서 탄소강, 음극에는 티타늄을, 개 선된 전해제염은 양극에는 인코넬, 음극에는 티타 늄, 양극의 가운데에 폐기물인 탄소강을 설치하였다.
- 방사성폐기물의 표면오염을 효율적으로 제거하기 위하여 개선된 전해제염 공정의 전류밀도별, 중성염 전해질별 제염효율 특성을 비교. 평가하였고, 기존전해제염과 개선된 전해제염공정의 제염효율을 비교하는 실험을 수행하였다.
- 전극지지장치는 10개의 전극을 동시에 고정하고, 상/하, 좌/우, 전/후로 이동 가능하게 설계/제작하였다. 배기장 치는 실험중 발생하는 유해가스를 원활하게 배출 시킬 수 있도록 Blower 및 Duct를 설치하였다. 본 연구에 사용된 개선된 전해제염공정 실험장치 는 그림 1, 2와 같다.
- 분석항목은 금속폐기물 모재의 반응전과 후의 무게차를 이용하여 weight loss(mg/cm2)를 측정 하였으며 이를 토대로 하여 철의 밀도를 고려해 두께변화를 산정하였다. 또한 전해질 내 침전물량은 공해공정시험법의 부유물질 측정법에 의해 GF/C 여과지를 이용하여 시료한개당 3번씩 측정하여 평균하여 구하였고, 제염전후의 금속폐기물 표면의 형상분석을 위해 SEM(JEOL사)을 사용하였다.
- 6A/cm2의 범위에서 실험을 수행하였다. 인코넬(150X30 X2mm)과 티타늄(150x30X2mm)을 각각 양극과 음극으로 하여 50mm 간격에서 실험하였고 상온 에서 1[시간동안 반응시켰다.
- Hot Plate는 5개의 반응용기를 동시에 사용할 수 있으며 온도 및 회 전수를 조절할 수 있게 고안하였다. 전극지지장치는 10개의 전극을 동시에 고정하고, 상/하, 좌/우, 전/후로 이동 가능하게 설계/제작하였다. 배기장 치는 실험중 발생하는 유해가스를 원활하게 배출 시킬 수 있도록 Blower 및 Duct를 설치하였다.
- 기존 전해제염에 사용된 폐기물은 150 X 30 X 2mm의 탄소강 을 사용하였다. 전류밀도는 Digital DC Electronic Loader에 표시된 전류량(A)을 양극의 전해질 침中 면적(cn?)으로cm2침中 면적(cn?)으로나누어 구하였으며, 0.1 ~0.6A/cm2의 범위에서 실험을 수행하였다. 인코넬(150X30 X2mm)과 티타늄(150x30X2mm)을 각각 양극과 음극으로 하여 50mm 간격에서 실험하였고 상온 에서 1[시간동안 반응시켰다.
- 최적의 전해질 종류 및 농도와 적정 전류밀도를 도출하기 위하여 전류밀도를 0.1~0.6A/cm2로 변화시키면서 1.7M의 황산나트륨과 질산나트륨을 전해질로 하여 인코넬과 티타늄을 대극으로 1시 간동안 상온에서 개선된 전해제염을 수행하였으 며 실험조건은 표1에 요약하였다.
- 방사성폐기물의 표면오염을 효율적으로 제거하기 위하여 개선된 전해제염 공정의 전류밀도별, 중성염 전해질별 제염효율 특성을 비교. 평가하였고, 기존전해제염과 개선된 전해제염공정의 제염효율을 비교하는 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 7mol/L로 조제하여 실험을 수행하였다. 기존 전해제염에 사용된 폐기물은 150 X 30 X 2mm의 탄소강 을 사용하였다. 전류밀도는 Digital DC Electronic Loader에 표시된 전류량(A)을 양극의 전해질 침中 면적(cn?)으로cm2침中 면적(cn?)으로나누어 구하였으며, 0.
- 본 연구에 사용된 전해제염 실험장치는 Programmable Digital DC Electronic Loader, Hot Plate 겸용 Magnetic Stirrer, 전극지지장치 및 배기 장치 등으로 구성되어 있다. 이 중 Programmable Digital DC Electronic Loader는 크게 Current Module Part, In/Out Module, A/D Convert 및 각종 기계로 구성되어 있다.
이론/모형
- )를 측정 하였으며 이를 토대로 하여 철의 밀도를 고려해 두께변화를 산정하였다. 또한 전해질 내 침전물량은 공해공정시험법의 부유물질 측정법에 의해 GF/C 여과지를 이용하여 시료한개당 3번씩 측정하여 평균하여 구하였고, 제염전후의 금속폐기물 표면의 형상분석을 위해 SEM(JEOL사)을 사용하였다.
성능/효과
- 1.7M의 황산나트륨과 질산나트륨을 전해질로 하고 인코넬과 티타늄을 대극으로 하여 개선된 전해제염실험을 수행한 결과, 황산나트륨과 질산 나트륨 모두 O.lA/cm2에서 0.6A/cm2로 전류밀도가 증가함에 따라 비례적으로 제염효율이 증대되 었으며, 같은 전류밀도에서도 질산나트륨에 비해 황산나트륨을 전해질로 했을 때 제염효과가 더 크게 나타났다. 기존전해제염과 개선된 전해제염 의 비교 실험에서는 개선된 전해제염공정 적용 시 제염효율이 기존전해제염에 비해 더욱 효율적 임을 알 수 있었다.
- 0pt">μm로 나타나 같은 전류밀도에서 황산나트륨 적용시 모재 의 두께변화가 더 큰 것을 알 수 있다. T. IZUMIDA 등에 의하면[4] 방사화가 되지 않은 대부분의 금속폐기물의 방사성오염물질은 표면에서 10㎛이내에μm 10㎛이내에 국한되어 분포한다고 보고 있어 본 연구에서의 결과로 유추해 볼 때 1.7M의 황산나 트륨 적용 시 0.3A/cm2 전류밀도에서 10 μm 정도의 금속폐기물 표면에칭을 보여 그 이상의 전 류밀도에서는 매우 높은 제염효율을 보일 것으로 판단된다.
- 탄소강에 대한 전해제염반응 전과 후의 단위 면 적당 weight loss 측정결과를 그림 6에 나타내었다. 기존 전해제염공정으로 실험하였을 때 weight loss는 2.9±0.01mg/cm2, 개선된 전해제염으로 실 험했을때는 7.7±0.02mg/cm2으로 나타나 개선된 전해제염 적용시 모재의 단위 면적당 무게변화가 더 큼을 알 수 있었다. 탄소강에 대한 전해제염 전후의 두께변화를 그림 7에 나타내었다.
- 탄소강에 대한 전해제염 전후의 두께변화를 그림 7에 나타내었다. 기존전 해제염공정으로 실험한 결과 두께변화는 3.7±0.03μm, 개선된 전해제염공정일때는 9.8±0.01㎛이 었으며,μ9.8±0.01㎛이 었으며,개선된 전해제염 적용시 모재의 두께변화가 2배 이상 커 제염효과가 기존전해제염에 비해 우수한 것으로 나타났다. 기존전해공정은 다음 반 응식과 같이 금속폐기물을 Anode로 사용하여 Anodic Dissolution시키는 것이다.
- 6A/cm2로 전류밀도가 증가함에 따라 비례적으로 제염효율이 증대되 었으며, 같은 전류밀도에서도 질산나트륨에 비해 황산나트륨을 전해질로 했을 때 제염효과가 더 크게 나타났다. 기존전해제염과 개선된 전해제염 의 비교 실험에서는 개선된 전해제염공정 적용 시 제염효율이 기존전해제염에 비해 더욱 효율적 임을 알 수 있었다.
- 즉 단위면적당의 전류밀도(1)는 전극단 위면적당의 반응속도 v에 nF를 곱한 것으로, 전류밀도는 전기화학 반응속도를 의미한다. 따라서 본 실험의 결과에서와 같이 전류밀도 0.1~0.6A/cm2의 범위에서는 상기 (2)식에서와 같이 전류밀도에 비례하여 전기화학반응이 증가됨을 알 수 있다.
- 황산나트륨과 질산나트륨을 적 용시 제 염효율의 차이는 전극반응에서 전류 효율의 차이이다. 또한 질산은 황산과 달리 전해제염 포텐셜에서 다양한 산화환원 반응 물질(HNO2, NOx 등) 생성에 의한 전류소모가 크기 때문에 본 연구에서도 폐기물이 탄소강일 경우 질산나트륨에 비해 황산나트륨을 전해질로 사용했을 때 제염효과가 우수한 것으로 나티났으며, 동일 조건에서 전류밀도가 증가함에 따라 제염효과가 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구결과에 의하면 전류밀도 0.3A/cm2과 1.7M 중성염 전해질의 조건에서 개선된 전해제염의 경우 양극의 재질로 인코넬을 사용할 경우 직접 탄소강을 양극으로 하여 산화시키는 기존의 전헤제염공정보다 유도 전류에 의한 전도에 의해 더욱 더 효율적으도 제열할 수 있는 결과를 보여 주었다. 그림 8은 개선된 전해제염 실험 전선후 금속폐기물의 형상을 SEM을 이용하여 450배의 비 율로 관찰한 것이다.
- 6A/cm2 으로 증가시켜 황산나트륨과 질산나트륨을 적용 시켜 반응후 전해질 내 침전물 농도를 측정한 결과를 그림 5에 나타내었다. 황산나트륨의 적용시 전류밀도 증가에 따라 전해질 내 침전물 농도는 1554 ± 33 ~0.6A/cm2 으로16936+ 572 mg/L, 질산나트륨 적용시 에는 761±6~6446±42 mg/L로 황산나트륨 적용 시 전해질 내에 침전물이 더 많이 생성되었음을 알 수 있다.
후속연구
- 또한 전해제염에서 사용되는 전해액의 종류는 인산, 황산, 질산, 황산나트륨, 질산나트륨 또는 이들 혼합물 등을 다양하게 사용되나 개선된 장 치 적용시의 각 전해질에 대하여 제염효율의 차 이, 적정 전해질 농도 및 전류밀도와의 상관관계를 제시할 필요가 있다.
- 본 연구에서는 기존의 전해제염공정을 보완하여 양극과 음극을 동시에 사용한 개선된 건해제 염 공정에 중성염 전해질을 적용하여 연구한 결과 황산나트륨을 적용한 개선된 전해제염공정이 공정 상으로 적용성도 뛰어날 뿐만 아니라 제염 효율면에 있어서도 기존의 전해제염공정에 비해 우수하며 제염후 폐액내 방사성핵종의 침전물 형 성으로 인하여 2차 폐기물의 처리도 용이할 것으로 기대되어 향후 원전 발생 금속폐기물의 제염 에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
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