선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이를 극복하기 위해서는 침전 반응 시 용해도가 낮은 Double salt를 형성함과 동시에 잔류 질산에 의해 수용성의 부산물을 형성하지 않는 침전제의 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 혼합산에 용해도가 낮은 BaF2를 이용하여 Zr의 침전 특성을 평가하였으며, 분산및 반응시간이 잔류 금속이온 농도에 미치는 영향을 관찰하였다. 한편, 침전 생성물인 Ba2ZrF8의 재활용 가능성을 평가하기 위하여 Zr 전해제련공정을 통해 금속상 회수를 시도하였다.
- 본 연구에서 원전 연료 Zr 피복관 산세 공정 시 발생하는 폐 산세액 내 용해된 Zr의 회수를 통한 산의 재활용을 위해 침전 및 전해 제련 실험을 실시하였다.
가설 설정
- a) Chronopotentiometry(CP) measurement in BaF2-ZrF4 molten salt. b) Polarization curve in BaZrF6 molten salt for electrowinning system.
- 2. (a) The XRD pattern of the residue following precipitation, b) The precipitation mechanism between ZrF4 and BaF2 without dispersion.
제안 방법
- Zr 전해 제련 시 농도 분극 특성을 평가하기 위해 Fig. 8과 같이 정전류(Chronopotentiometry, CP)실험을 실시하였다. 실험은 인가 전류 밀도를 −20 ~ −500 mA/cm2까지 2분씩 순차적으로 증가시켜 각 인가 전류 밀도에 형성된 음극 및 양극의 전위를 측정하였다.
- Zr 전해제련은 에너지 효율 및 제련장치의 건전성을 위해 폐 산세액에 BaF2를 침전하여 생성된 2.8 kg의 Ba2ZrF8와 0.93 kg의 ZrF4을 3:1의 조성비로 혼합하여 저온 용융점 전해질인 BaZrF6를 제조하였다. 또한, 고온의 환경으로 인한 장치의 부식을 막기 위해 아르곤(Ar) 가스 분위기로 유지되는 글로브 박스 내에서 전해 제련을 실시하였으며, 전해질 도가니는 불화물 염에서 화학적으로 안정한 니켈을 사용하였다.
- 또한, 고온의 환경으로 인한 장치의 부식을 막기 위해 아르곤(Ar) 가스 분위기로 유지되는 글로브 박스 내에서 전해 제련을 실시하였으며, 전해질 도가니는 불화물 염에서 화학적으로 안정한 니켈을 사용하였다. 공정 온도는 Zr의 전해회수가 진행됨에 따라 BaZrF6 전해질에서 Zr 이온의 소모로 인한 용융점 상승을 고려하여 800 ℃에서 실험을 실시하였다. 순환 전압-전류(Cyclic Voltammetry, CV)법을 통하여 Zr의 산화환원거동을 분석하기 위해 Fig.
- 한편, 침전 생성물인 Ba2ZrF8의 재활용 가능성을 평가하기 위하여 Zr 전해제련공정을 통해 금속상 회수를 시도하였다. 그러나 Ba2ZrF8는 1031 ℃의 고융점 전해질로 전해제련이 곤란하여, Ba2ZrF8 과 ZrF4를 3:1의 조성비로 혼합하여 제조한 저온 용융점 전해질 BaZrF6 (M.P.: 765 ℃)로 전해제련을 실시하였다.10) 또한, Zr의 산화/한원 전위 특성을 순환 전압 전류(Cyclic Voltammetry, CV)법을 통하여 분석하였으며, 정전류(ChronoPotentiometry, CP)법을 이용하여 환원 시 전기화학적 거동을 관찰하였다.
- 10) 또한, Zr의 산화/한원 전위 특성을 순환 전압 전류(Cyclic Voltammetry, CV)법을 통하여 분석하였으며, 정전류(ChronoPotentiometry, CP)법을 이용하여 환원 시 전기화학적 거동을 관찰하였다. 그리고 전극에 전착된 Zr은 XRD(X-Ray Diffraction), SEM(Scanning Electron Microscope) 그리고 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용하여 전착 특성을 평가하였다.
- 93 kg의 ZrF4을 3:1의 조성비로 혼합하여 저온 용융점 전해질인 BaZrF6를 제조하였다. 또한, 고온의 환경으로 인한 장치의 부식을 막기 위해 아르곤(Ar) 가스 분위기로 유지되는 글로브 박스 내에서 전해 제련을 실시하였으며, 전해질 도가니는 불화물 염에서 화학적으로 안정한 니켈을 사용하였다. 공정 온도는 Zr의 전해회수가 진행됨에 따라 BaZrF6 전해질에서 Zr 이온의 소모로 인한 용융점 상승을 고려하여 800 ℃에서 실험을 실시하였다.
- BaF2의 분산 유무에 따른 특성 분석과 시간에 따른 침전 효율을 분석하기 위해서 아래 Table 1과 같이 실험을 실시하였다. 또한, 침전 반응으로 형성된 침전물을 폐 산세액으로부터 분리하기 위해서 감압플라스크를 이용하여 여과를 실시하였으며, 침전물은 증류수로 세척하고 90~100 ℃ 건조로에서 12시간 동안 건조하였다. 분산에 따른 BaF2 침전 특성을 분석하기 위해 증류수 100 g에 분말을 10분 동안 교반하여 분산된 액상의 침전제와 분산 과정을 거치지 않은 고상의 분말 침전제를 통해 비교 분석을 실시하였다.
- 분말의 결정 구조 및 형상은 고 분해능 X-선 회절분석기(D8 DISCOVER, 독일) 및 장방출 주사전자 현미경 (JEOL JSM-7000F, 일본)을 사용하여 특성 분석을 실시하였으며, 폐 산세액의 잔존 불순물 함량을 유도결합 플라즈마 원자 방출분광기(ICP-AES, Thermo scientific iCAP 7000)를 사용하여 분석하였다.
- 또한, 침전 반응으로 형성된 침전물을 폐 산세액으로부터 분리하기 위해서 감압플라스크를 이용하여 여과를 실시하였으며, 침전물은 증류수로 세척하고 90~100 ℃ 건조로에서 12시간 동안 건조하였다. 분산에 따른 BaF2 침전 특성을 분석하기 위해 증류수 100 g에 분말을 10분 동안 교반하여 분산된 액상의 침전제와 분산 과정을 거치지 않은 고상의 분말 침전제를 통해 비교 분석을 실시하였다.
- 실험은 인가 전류 밀도를 −20 ~ −500 mA/cm2까지 2분씩 순차적으로 증가시켜 각 인가 전류 밀도에 형성된 음극 및 양극의 전위를 측정하였다.
- 의 회수량 및 여액의 증발후 잔존물의 수득양을 Table 3에 표시하였다. 재생산의 순도 평가는 침전 생성물을 여과 후, 여액을 ICP 분석및 증발 시켜 수득된 잔존 분말의 양을 측정하여 이론적 수득양을 기준으로 계산하였다. 실험결과, Table 3 및 Fig.
- 10(a)의 수득된 환원물을 (b)와 같이 Ar 가스 분위기에서 글로브박스에서 분쇄하고, (c)와 같이 850 ℃ 온도에서 10-3 torr의 진공 분위기의 증류 장치를 이용하여 10시간 동안 염 증류를 진행하여 공 전착된 잔류 염을 제거하여 (d)와 같이 금속 분말을 회수하였다. 진공 증류 전과 후의 회수된 분말의 염 제거 여부와 특성을 분석하기 위해 Fig. 11과 같이 SEM과 XRD 분석을 실시하였다. 진공 증류 실시 전 (a)에는 Zr 금속과 BaZrF6 염이 검출된 반면, 진공 증류 후에는 Zr 금속의 피크만이 검출되는 것을 확인할 수 있었으며, ICP 분석결과 Zr의 순도는 99.
- 따라서 본 연구에서는 혼합산에 용해도가 낮은 BaF2를 이용하여 Zr의 침전 특성을 평가하였으며, 분산및 반응시간이 잔류 금속이온 농도에 미치는 영향을 관찰하였다. 한편, 침전 생성물인 Ba2ZrF8의 재활용 가능성을 평가하기 위하여 Zr 전해제련공정을 통해 금속상 회수를 시도하였다. 그러나 Ba2ZrF8는 1031 ℃의 고융점 전해질로 전해제련이 곤란하여, Ba2ZrF8 과 ZrF4를 3:1의 조성비로 혼합하여 제조한 저온 용융점 전해질 BaZrF6 (M.
- 43 V로 비교적 일정하게 유지되었다. 환원 물은 Zr 금속과 BaZrF6가 공 전착되어 회수 되었으며, 진공 증류를 통해 순도 99.99 wt%의 Zr이 회수된 것을 ICP, XRD 그리고 SEM 분석을 통해 확인하였다.
대상 데이터
- 순환 전압-전류(Cyclic Voltammetry, CV)법을 통하여 Zr의 산화환원거동을 분석하기 위해 Fig. 1(a)와 같이 전극 셀을 구성하였으며, 상대전극으로는 탄소봉(purity:99.9 %, 길이: 8 cm, 지름: 0.08 mm)를 사용하였다. BaZrF6을 전해질로 이용한 Zr 전해 제련은 Fig.
- 본 연구에 사용된 폐 산세액(H2O: HF: HNO3: Zr = 84:1.2: 14.8: 1.3 wt%)은 한국원자력연료(KNF)에서 제공받았으며 침전제로 BaF2(purity-99 wt%)를 사용하여 실험을 실시하였다.
- 7과 같이 순환 전압 전류법(Cyclic Voltammetry, CV)을 통해 Zr 산화환원거동을 분석하였다. 작업 전극은 텅스텐(W) 와이어(99.95 %, 0.5 mm(0.2 inch))를 사용하였고 상대 전극은 탄소봉을 사용하였다. 불화물계 전해질과 은/염화은(Ag/AgCl) 전극 등의 쿼츠 튜브는 서로 반응하여 W-Pseudo 기준 전극을 사용하였다.
이론/모형
- : 765 ℃)로 전해제련을 실시하였다.10) 또한, Zr의 산화/한원 전위 특성을 순환 전압 전류(Cyclic Voltammetry, CV)법을 통하여 분석하였으며, 정전류(ChronoPotentiometry, CP)법을 이용하여 환원 시 전기화학적 거동을 관찰하였다. 그리고 전극에 전착된 Zr은 XRD(X-Ray Diffraction), SEM(Scanning Electron Microscope) 그리고 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용하여 전착 특성을 평가하였다.
- Zr의 전해 제련을 위해 Fig. 7과 같이 순환 전압 전류법(Cyclic Voltammetry, CV)을 통해 Zr 산화환원거동을 분석하였다. 작업 전극은 텅스텐(W) 와이어(99.
성능/효과
- 11과 같이 SEM과 XRD 분석을 실시하였다. 진공 증류 실시 전 (a)에는 Zr 금속과 BaZrF6 염이 검출된 반면, 진공 증류 후에는 Zr 금속의 피크만이 검출되는 것을 확인할 수 있었으며, ICP 분석결과 Zr의 순도는 99.99 wt%(Fe: 6 ppm, Ni: 7 ppm, Cu: 7 ppm)로 확인되었다.
- 1) 미 분산된 고상의 BaF2를 사용하여 침전 실험을 실시한 결과, 높은 반응 속도로 인해 폐 산 내 Zr 및 F와 반응되기 전 분말의 최외각 부분에서 반응이 일어난다.
- 1.0 kg의 폐 산세액에서 침전 공정을 통한 Ba2ZrF8의 이론적 수득양은 74 g이며, 증류수에 분산시키지 않은 BaF2를 침전 시 생성되는 침전물은 54.6 g으로 이론적 수득양의 73.7 %에 미치지 못한다. 반면, 증류수에 분산을 거친 침전제를 사용 시, 73.
- 2 V에서 환원 peak이 형성되었으며 두 단계에 의한 Zr의 환원 거동을 보고 한 바 있다.11) 본 실험의 CV 측정에서 두 환원 전위차가 약 0.3 V 로 Zr 환원거동이 유사한 것을 확인하였다. 또한 Zr의 환원전위는 −1.
- 2) BaF2는 높은 반응 속도로 인해 3분 이내에 반응이 완료되며 침전생성물인 Ba2ZrF8를 ICP및 SEM분석 결과 순도 99.9 wt%의 폴리-미소 결정 형태를 갖는 단일 상으로 형성됨을 확인하였다.
- 3) CV 측정을 통해 Zr 산화 환원 거동을 분석한 결과 −0.87 V 및 −1.17 V에서 두 단계의 Zr 환원 peak를 확인할 수 있었으며, −0.87 V에서는 Zr4+ + 2e-→ Zr2+ 그리고 −1.17 V에서는 Zr2+ + 2e-→ Zr Metal에 의해 Zr이 환원되는 것을 확인하였다.
- 4) 작업 전극에 −260 mA/cm2의 전류 밀도를 인가하여 3시간동안 전해 제련을 실시한 결과, 공정 셀 전위는−1.41 V ~ −1.43 V로 비교적 일정하게 유지되었다.
- 5-8) 하지만 NaF의 경우 높은 용해도로 인해 폐 산세액 내에 잔존하는 불순물의 양이 증가되어 식각균일성이 떨어진다는 단점이 보고 되었다.9) 산의 재활용률 및 Zr의 회수율을 높이기 위해서는 침전반응 후 Zr을 비롯한 침전제의 잔류 금속 이온의 농도가 낮아야 하지만, 혼합산에 포함된 질산에 의한 용해도 증가가 이를 어렵게 한다. 이를 극복하기 위해서는 침전 반응 시 용해도가 낮은 Double salt를 형성함과 동시에 잔류 질산에 의해 수용성의 부산물을 형성하지 않는 침전제의 개발이 필요하다.
- 공정 셀 전위는 −1.41 V ~ −1.43 V로 비교적 일정하게 유지되었음을 알 수 있으며, 음극에 Zr 금속으로 환원되기 충분한 전위가 형성된 것을 확인할 수 있다.
- 또한 Zr의 환원전위는 −1.54 vs. SHE 인 것에 비해 Ba의 환원전위는 −2.8 V vs. SHE 으로 두 물질의 환원 전위의 차이가 크기 때문에 −1.17 V에서 Ba은 공전착이 되지 않음을 확인할 수 있다.
- 96 % 임을 알 수 있다. 또한, 침전 생성물인 Ba2ZrF8의 ICP 분석 결과, 99.9 wt%(Sn:150 ppm, Nb: 150 ppm)의 순도를 보임을 알 수 있다. Table 3의 4번 실험에서 침전된 분말을 대상으로 Fig.
- 5 kmol의 HNO3 농도에서부터 Ba(NO3)2이 생성되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 증류수로 분산시킨 액상의 침전제를 이용한 결과, BaF2의 반응 비표면적 증가에 따른 ZrF4와의 반응성 향상에 의해 Ba(NO3)2의 생성율을 감소시켜 이론적 수득 양에 근접한 값을 보이는 것을 확인할 수 있다.
- 재생산의 순도 평가는 침전 생성물을 여과 후, 여액을 ICP 분석및 증발 시켜 수득된 잔존 분말의 양을 측정하여 이론적 수득양을 기준으로 계산하였다. 실험결과, Table 3 및 Fig. 4와 같이 BaF2와 폐 산 내 Zr의 높은 반응 속도로 인해 반응시간 1분 일 때 이론적 수득양의 98.3 % 침전이 이루어지고 3분 이후로는 침전량의 변화가 없는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 5와 같이 침전 후 여액을 ICP 분석한 결과 반응 시간에 증가함에 따라 Ba은 363 ppm에서 169 ppm으로 감소하였으며, Zr은 25 ppm에서 11 ppm, Nb은 67 ppm에서 52 ppm 그리고 Sn은 117 ppm 에서 112 ppm 으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 불순물의 총 농도는 572 ppm에서 344 ppm으로 감소하였으며, 재생산은 순도는 99.
- 전류 밀도를 −200 mA/cm2로 인가 시 음극에 Zr이 금속으로서 환원이 가능한 전위가 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 인가 전류 밀도가 −500 mA/cm2에서는 과전압의 형성으로 인한 농도 분극 현상이 발생하여 전위가 일정하게 유지되지 않는 것을 확인하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.