고준위폐기물의 심지층 처분을 위해 완충재인 벤토나이트가 반드시 필요하고, 지하 환경에서 이 물질의 장기적 특성 변화를 아는 것은 매우 중요하다. 본 실험에서 폐기물 금속용기의 구리코팅 성분이 부식되면서 구리이온 농도가 증가한다고 가정하였을 때, 완충재인 벤토나이트 점토(몬모릴로나이트)의 층간 양이온들의 이온교환 및 용출 특성 등을 실험을 통해 살펴보았다. 용존 구리와 벤토나이트와의 반응실험에서 팽창성 점토의 Na가 선택적으로 먼저 Cu에 의해 치환되었고 Ca는 상대적으로 시간을 두고 이온교환되었다. 그리고 구리로 치환된 몬모릴로나이트는 X-선회절 분석결과 원시료에 비해 층간간격이 다소 줄어든 특징적인 비대칭 회절형태로 관찰되었다. 이러한 실험결과는 지하처분조건에서 고유 벤토나이트 성질의 점진적인 변화를 간접적으로 지시하는 것으로, 향후 다양한 추가실험을 통해 처분장 완충재의 화학적 광물학적 특성 변화를 연구할 계획이다.
고준위폐기물의 심지층 처분을 위해 완충재인 벤토나이트가 반드시 필요하고, 지하 환경에서 이 물질의 장기적 특성 변화를 아는 것은 매우 중요하다. 본 실험에서 폐기물 금속용기의 구리코팅 성분이 부식되면서 구리이온 농도가 증가한다고 가정하였을 때, 완충재인 벤토나이트 점토(몬모릴로나이트)의 층간 양이온들의 이온교환 및 용출 특성 등을 실험을 통해 살펴보았다. 용존 구리와 벤토나이트와의 반응실험에서 팽창성 점토의 Na가 선택적으로 먼저 Cu에 의해 치환되었고 Ca는 상대적으로 시간을 두고 이온교환되었다. 그리고 구리로 치환된 몬모릴로나이트는 X-선회절 분석결과 원시료에 비해 층간간격이 다소 줄어든 특징적인 비대칭 회절형태로 관찰되었다. 이러한 실험결과는 지하처분조건에서 고유 벤토나이트 성질의 점진적인 변화를 간접적으로 지시하는 것으로, 향후 다양한 추가실험을 통해 처분장 완충재의 화학적 광물학적 특성 변화를 연구할 계획이다.
The bentonite, a buffer material, is essential for the deep geological disposal of HLW (high-level radioactive waste), and it is important to know its characteristic long-term evolution in the underground environment. With an assumption that the concentration of aqueous copper ions will increase if ...
The bentonite, a buffer material, is essential for the deep geological disposal of HLW (high-level radioactive waste), and it is important to know its characteristic long-term evolution in the underground environment. With an assumption that the concentration of aqueous copper ions will increase if copper-coated materials on a metal canister are corroded, we examined some characteristic ion-exchanges and cation release phenomena occurring in the bentonite clay (montmorillonite) interacted with aqueous Cu cations. During the interaction between dissolved copper and bentonite, Na rather than Ca cations in the expandable clay were preferentially replaced by Cu ions in the experiment. In addition, the Cu-exchanged montmorillonite was characterized by an asymmetric X-ray diffracted pattern with relatively collapsed interlayers compared to the raw sample. These results indicate that the gradual change of the original bentonite property may occur in a underground disposal condition. We are going to further study the characteristic chemical and mineralogical changes of the bentonite buffer to be used for the disposal site by conducting additional experiments.
The bentonite, a buffer material, is essential for the deep geological disposal of HLW (high-level radioactive waste), and it is important to know its characteristic long-term evolution in the underground environment. With an assumption that the concentration of aqueous copper ions will increase if copper-coated materials on a metal canister are corroded, we examined some characteristic ion-exchanges and cation release phenomena occurring in the bentonite clay (montmorillonite) interacted with aqueous Cu cations. During the interaction between dissolved copper and bentonite, Na rather than Ca cations in the expandable clay were preferentially replaced by Cu ions in the experiment. In addition, the Cu-exchanged montmorillonite was characterized by an asymmetric X-ray diffracted pattern with relatively collapsed interlayers compared to the raw sample. These results indicate that the gradual change of the original bentonite property may occur in a underground disposal condition. We are going to further study the characteristic chemical and mineralogical changes of the bentonite buffer to be used for the disposal site by conducting additional experiments.
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문제 정의
본 실험의 목적은 고준위방사성폐기물 처분용기로 개발 중인 저온분사형 구리코팅 용기(Lee et al., 2012; Choi et al., 2013)와 접촉하는 벤토나이트의 특성 변화를 알고자 하였다. 지하처분환경에 위치하게 될 구리코팅-용기는 시간에 따라 여러 요인들에 의해 차츰 부식되고(Rosborg et al.
본 연구에서는 지하처분장이 장기간 고온(<100℃)을 유지하는 환경임을 감안하여 완충재로 사용할 ‘경주벤토나이트(“실험방법”에서 “시료 준비” 참조)’에 대한 구리치환 실험 및 평가를 수행하고자 하였다.
가설 설정
몬모릴로나이트 점토광물의 화학적⋅광물학적 변화가 궁극적으로 벌크 벤토나이트의 물성(예: swelling) 변화를 야기시키고, 장기적으로는 처분장 완충재의 장기안정성(long-term stability)에도 영향을 줄 것이다.
제안 방법
FE-SEM (Hitach, S-4700) 주사전자현미경을 이용하여 실험이 끝난 벤토나이트 시료의 광물 특성 및 Cu 함량 등을 분석하였다. 준비 과정은 원심분리기로 고액을 분리하여 가라앉힌 침전물을 따로 동결 건조시킨 후, 건조된 시료를 SEM 홀더에 부착된 탄소 테이프(carbon tape) 위에 고루 문지르고 진공 하에서 OsO4를 분사하여 얇게 코팅(～10 nm)하여 관찰하였다.
경주벤토나이트의 구리치환 특성을 알아보기 위해 50 mL 증류수 용액에 0.5 g의 벤토나이트 분말을 분산시켰다. 구리 시약(CuCl2⋅2H2O)은 0.
구리코팅용기가 부식되면서 구리가 용출(Lee and Jeong, 2013)되고 이후 접촉하는 경주벤토나이트의 구리-치환반응이 일어난다는 가정하에 세 가지 다른 농도(0.5, 1.0, 2.0 CEC)로 구리이온을 준비하여 실험을 수행하였다. 먼저 0.
즉, 부식으로 인해 용출된 구리(구리이온 농도차)가 전처리하지 않은 점토광물질인 경주벤토나이트와 반응한다는 가정하에 회분식 반응실험을 수행하였고, 이를 통해 벤토나이트의 구리치환, 층간간격 및 양이온들의 용출 변화를 시간에 따라 살펴보았다. 또한, 반응온도를 실온에서 60℃까지 올리면서 벤토나이트 치환 특성에 대한 온도의 영향을 추가적으로 살펴보았다.
구리와 벤토나이트가 함께 들어있는 반응 용기를 온도가 다른 조건(30℃와 60℃)에서 각각 7일 이상 120 rpm으로 교반시켜주었다. 또한, 실험기간 동안 구리가 없는 대조군(control sample) 벤토나이트로부터 소량 녹아나오는 양이온들도 분석하여 참고자료로 활용하였다.
0 CEC)로 구리이온을 준비하여 실험을 수행하였다. 먼저 0.5 CEC 구리 농도(1.44 mM) 조건하에서 발생될 수 있는 벤토나이트의 Ca와 Na 양이온 교환반응 특성을 살펴보았다(Fig. 1a). 먼저 대조군 시료들(control samples)을 보면, 용존 구리가 존재하지 않더라도 Na가 상당량(1 mM 이상) 벤토나이트로부터 용출되어 나왔는데, 이는 벤토나이트 성분이라기보다는 벤토나이트 시료에 일부 포함된 탄산나트륨(Na2CO3)의 용해 현상으로 추정된다.
즉, 사전에 수드케미(주)(현, 클라리언트아이엠케이(주))에서 경주벤토나이트 분말시료 준비시 수 톤 규모의 벤토나이트 원석을 분말로 파쇄하는 공정에서 이전에 잔존물로 남아있었던 탄산나트륨이 본 시료와 섞이면서 초래된 결과로 해석된다. 본 시료를 60℃로 올린 조건에서는 조금 더 많은 Na 용출 특성을 보였고(Fig. 1a), 이러한 대조군의 Na 용출량을 참고하여 다른 결과들을 해석하였다.
본 실험에서는 구리로 코팅된 금속용기의 장기 부식 상황을 가정하고 구리이온이 확산될 때 경주 벤토나이트의 다양한 변화, 즉 구리에 의한 양이온 치환 및 층간두께의 변화 등을 온도 변화와 함께 관찰하였다. 실험결과 구리이온의 초기 농도에 따라 벤토나이트의 주요 양이온들인 Ca와 Na의 치환량 및 속도가 달라졌고, 초기 온도의 영향도 상당히 있었다.
서로 다른 구리농도와 반응한 Cu치환-벤토나이트들에 대해서 X-선회절분석(XRD)을 실시하였고 팽창성 점토의 층간간격 변화를 살펴보았다. Fig.
실험은 2번 반복하였으며, 필요시마다 주사기를 이용하여 용액시료를 채취 및 여과하여 분석하였고, 용존 구리를 포함한 양이온들의 농도와 pH 변화 등을 지속적으로 관찰하였다.
일정 주기로 채취한 용액 내 용존 양이온들의 ICP-MS 분석을 위해 용액시료를 0.22-μm 필터로 여과하였다.
FE-SEM (Hitach, S-4700) 주사전자현미경을 이용하여 실험이 끝난 벤토나이트 시료의 광물 특성 및 Cu 함량 등을 분석하였다. 준비 과정은 원심분리기로 고액을 분리하여 가라앉힌 침전물을 따로 동결 건조시킨 후, 건조된 시료를 SEM 홀더에 부착된 탄소 테이프(carbon tape) 위에 고루 문지르고 진공 하에서 OsO4를 분사하여 얇게 코팅(～10 nm)하여 관찰하였다. 필요에 따라 SEM-EDS를 사용하여 점 혹은 면 화학분석을 실시하였다.
하지만 본 연구에서는 순수하게 정제된 벤토나이트에 대한 구리의 단순 흡착등온실험 보다는 지하처분 환경 및 상황들을 고려하여 실험으로 준비하였다. 즉, 부식으로 인해 용출된 구리(구리이온 농도차)가 전처리하지 않은 점토광물질인 경주벤토나이트와 반응한다는 가정하에 회분식 반응실험을 수행하였고, 이를 통해 벤토나이트의 구리치환, 층간간격 및 양이온들의 용출 변화를 시간에 따라 살펴보았다. 또한, 반응온도를 실온에서 60℃까지 올리면서 벤토나이트 치환 특성에 대한 온도의 영향을 추가적으로 살펴보았다.
준비 과정은 원심분리기로 고액을 분리하여 가라앉힌 침전물을 따로 동결 건조시킨 후, 건조된 시료를 SEM 홀더에 부착된 탄소 테이프(carbon tape) 위에 고루 문지르고 진공 하에서 OsO4를 분사하여 얇게 코팅(～10 nm)하여 관찰하였다. 필요에 따라 SEM-EDS를 사용하여 점 혹은 면 화학분석을 실시하였다.
회분식 반응실험 이후 몬모릴로나이트의 층간변화를 알아보기 위해 채취한 부유성 점토시료를 슬라이드글래스위에 떨어뜨려 건조시키고 X-선회절 분석(XRD)을 수행하였다. XRD 분석은 Bruker D8 Advance (Germany) 모델을 사용하였으며, 40 kV/30 mA 조건으로 °2θ 60°까지 CuKα로 분석하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 벤토나이트는 경주시 양남면 벤토나이트 광산에서 채취한 것으로 과거 본 연구원에서 다양한 압축벤토나이트 제조, 물성 측정 및 핵종 확산 실험 등에 사용되었던 것과 동일한 벤토나이트이다(Lee et al., 2002, 2009; Yim et al., 2011). 본 논문에서 우리는 이 벤토나이트를 이후 “경주벤토나이트”라고 칭한다.
이론/모형
XRD 분석은 Bruker D8 Advance (Germany) 모델을 사용하였으며, 40 kV/30 mA 조건으로 °2θ 60°까지 CuKα로 분석하였다.
벤토나이트와 구리이온 간 반응에 의해 나타나는 광물형태적 특성 변화를 살펴보기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하였다. 2.
성능/효과
벤토나이트와 구리이온 간 반응에 의해 나타나는 광물형태적 특성 변화를 살펴보기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하였다. 2.0 CEC 구리 농도와 7일 동안 반응한 벤토나이트를 관찰하면 점토 입자들의 응집력이 약하고 서로 분리되려는 현상이 부분적으로 관찰되었다(Fig. 2). 그리고 점토 입자들을 SEM-EDS로 분석한 결과 벤토나이트(몬모릴로나이트) 내에 Cu 성분이 존재하는 것으로 확인되었으나, 온도에 따른 구리 함량비 차이는 거의 없었다.
2). 그리고 점토 입자들을 SEM-EDS로 분석한 결과 벤토나이트(몬모릴로나이트) 내에 Cu 성분이 존재하는 것으로 확인되었으나, 온도에 따른 구리 함량비 차이는 거의 없었다. 즉, 7일간 반응한 Cu-2.
온도가 상승함에 따라 구리 수착량과 층간 양이온들(Ca, Na)의 이온교환량이 함께 증가하는 경향을 보이며, 초기에 온도의 영향이 약 15% 정도되는 것으로 나타났다. 본 실험에서 벤토나이트 점토로부터 치환되는 대부분의 양이온은 Ca이며, 온도가 상승함에 따라 Cu2+와 Ca2+ 간의 이온교환량이 같이 상승함을 알 수 있다. 그리고 Fig.
본 실험을 통해 처분장에 위치할 벤토나이트 완충재가 용기 부식에 따른 구리 확산에 의해 화학적⋅광물학적으로 다양하게 바뀔 수 있음을 알게 되었다.
본 실험에서는 구리로 코팅된 금속용기의 장기 부식 상황을 가정하고 구리이온이 확산될 때 경주 벤토나이트의 다양한 변화, 즉 구리에 의한 양이온 치환 및 층간두께의 변화 등을 온도 변화와 함께 관찰하였다. 실험결과 구리이온의 초기 농도에 따라 벤토나이트의 주요 양이온들인 Ca와 Na의 치환량 및 속도가 달라졌고, 초기 온도의 영향도 상당히 있었다. 그리고 최대 Cu2+ 수착량은 점토의 층간양이온(주로 Ca)의 치환량과 밀접한 관련성이 있었다.
본 실험을 통해 처분장에 위치할 벤토나이트 완충재가 용기 부식에 따른 구리 확산에 의해 화학적⋅광물학적으로 다양하게 바뀔 수 있음을 알게 되었다. 실험결과를 살펴보면 경주벤토나이트 점토의 주 층상양이온인 Ca가 Cu 양이온에 의해 치환되면서 특징적으로 점토의 층간간격(interlayer spacing)이 변화되었다(Fig. 4). 초기 Ca 양이온들에 배위하는 물분자들로 인해 점토의 층간두께가 일정 수준(∼14.
1a 보다 2배 높은 경우이며, 이때는 초기에 약 50% 정도의 구리이온이 벤토나이트에 수착되었고 그 이후에는 수착량이 작았다. 온도가 상승함에 따라 구리 수착량과 층간 양이온들(Ca, Na)의 이온교환량이 함께 증가하는 경향을 보이며, 초기에 온도의 영향이 약 15% 정도되는 것으로 나타났다. 본 실험에서 벤토나이트 점토로부터 치환되는 대부분의 양이온은 Ca이며, 온도가 상승함에 따라 Cu2+와 Ca2+ 간의 이온교환량이 같이 상승함을 알 수 있다.
22-μm 필터로 여과하였다. 용액시료의 pH를 측정한 결과 벤토나이트만 있는 경우에는 pH 8.0-9.0 범위를 유지하였지만 구리를 넣어준 경우에는 pH 4.5-6.0으로 감소하였으며, 용액 pH가 구리농도에 비례하여 감소하는 경향을 보여주었다.
후속연구
그러므로 처분용기 개발뿐만 아니라 완충 역할을 감당 할 벤토나이트의 물성, 화학 및 광물학적 특성들의 장기적 변화를 면밀히 조사⋅분석해야 한다.
몬모릴로나이트 점토광물의 화학적⋅광물학적 변화가 궁극적으로 벌크 벤토나이트의 물성(예: swelling) 변화를 야기시키고, 장기적으로는 처분장 완충재의 장기안정성(long-term stability)에도 영향을 줄 것이다. 본 실험은 지하처분환경에서 용기부식에 따른 구리 확산과 온도 상승 등 일부 요소만을 고려하였고, 향후 다양한 지화학적 인자와 요소들을 포함한 복합실험을 통해 벤토나이트 완충재의 다양한 특성 변화와 그에 따른 장기안정성 등을 예측코자 한다.
하지만 본 연구에서는 순수하게 정제된 벤토나이트에 대한 구리의 단순 흡착등온실험 보다는 지하처분 환경 및 상황들을 고려하여 실험으로 준비하였다. 즉, 부식으로 인해 용출된 구리(구리이온 농도차)가 전처리하지 않은 점토광물질인 경주벤토나이트와 반응한다는 가정하에 회분식 반응실험을 수행하였고, 이를 통해 벤토나이트의 구리치환, 층간간격 및 양이온들의 용출 변화를 시간에 따라 살펴보았다.
향후 벤토나이트의 장기적 변질(long-term evolution) 관점에서 다양한 영향 인자들을 추가하여 벤토나이트의 화학적⋅광물학적 변화와 함께 물리적⋅열적⋅생물학적 변화까지 고려하는 복합반응 실험을 수행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
벤토나이트는 어떻게 구성되는가?
벤토나이트는 몬모릴로나이트(스멕타이트족) 함량이 매우 높은 점토로 구성되어 있으며, 석영, 장석, 고령토 및 제올라이트 등을 소량 함유하고 있다. 몬모릴로나이트는 스멕타이트 아족으로 2:1층형 구조를 가지며 층전하가 주로 팔면체판에서의 동형치환에 의해 생성되고, 층간(interalyers)에 물분자 등을 결합시킴으로써 구조를 팽창시키고 수축시킬 수 있는 특징을 갖고 있다(Grim, 1968).
고준위 폐연료봉을 감싸는 금속용기는 어떻게 구성되어 있는가?
고준위방사성폐기물을 지하 심부에 처분하기 위해서는 고준위 폐연료봉을 감싸는 금속용기(내부: 주철, 외부:구리코팅 재질)뿐만 아니라 지하수의 침입 및 지진 등의 외부 요인들로부터 완충 역할을 해줄 수 있는 버퍼물질이 반드시 필요하다(Lee et al., 2007).
고준위방사성폐기물 처분을 위한 벤토나이트의 역할은 무엇인가?
고준위방사성폐기물을 지하 심부에 처분하기 위해서는 고준위 폐연료봉을 감싸는 금속용기(내부: 주철, 외부:구리코팅 재질)뿐만 아니라 지하수의 침입 및 지진 등의 외부 요인들로부터 완충 역할을 해줄 수 있는 버퍼물질이 반드시 필요하다(Lee et al., 2007).
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