[논문]방사성 액체폐기물 내 코발트 제거를 위한 전기응집공법의 활용 가능성 평가

고명수; 김용태; 김영광; 김경웅

doi:10.9719/eeg.2018.51.2.177

방사성 액체폐기물 내 코발트 제거를 위한 전기응집공법의 활용 가능성 평가
Assessment of Cobalt Removal from Radioactive Liquid Waste Using Electrocoagulation 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.51 no.2, 2018년, pp.177 - 183

고명수 (광주과학기술원 지구환경공학부) , 김용태 (광주과학기술원 지구환경공학부) , 김영광 (광주과학기술원 지구환경공학부) , 김경웅 (광주과학기술원 지구환경공학부)

초록
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본 연구는 원자력 발전시설에서 발생하는 방사성 액체폐기물 내 코발트의 제거를 위해 전기응집공법의 적용 가능성을 확인하였다. 전기응집공법은 전기화학반응을 이용하여 폐액 내 오염물질을 제거하는 방법으로 기존의 화학처리와 막공정의 단점을 보완하는 새로운 기술이다. 원자력 발전시설에서는 냉각 배관의 세척과정에서 코발트를 포함한 방사성 액체폐기물이 발생한다. 용액 내 코발트의 농도를 1 mg/L와 10 mg/L로 조성하여 전기응집공법을 적용한 결과 약 10분 이내에 코발트가 완전히 제거되었다. 또한 500 mL의 코발트 용액을 처리하는 과정에서 0.2 g의 슬러지가 발생하여 폐기물의 부피감용에 매우 효과적인 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study assessed an application of electrocoagulation (EC) for the removal of cobalt (Co) in radioactive liquid waste from nuclear power plant. The EC process is an electrochemical means to remove a contaminant in wastewater and a novel process to complement the disadvantage of chemical treatment and membrane process. Radioactive liquid waste has been produced from washing process of radio nuclide power plant cooling system. The EC process eliminates Co from the electrolyte within 10 min; in addition, the dewatered sludge produced in EC process is only 0.2 g. Therefore, the EC process is a promising technique for the removal of Co in radioactive liquid waste and volume reduction of wastes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 기존의 증발처리공정은 방사성 액체 폐기물의 처리를 위해 증발기, 가열기, 응축기 등 순차적인 처리시설과 운전이 필요하고 빠른 증발을 위해 추가 에너지가 필요한 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 코발트에 대한 환경지구화학적 특성을 이해하고 원자력 발전 시설에서 발생하는 폐액 내 코발트를 제거하고 폐기물의 부피를 감소를 위한 방법으로 전기응집공법의 적용 가능성을 고찰하고자 한다.
전기응집공법을 활용한 방사성 액체폐기물 내 코발트의 제거 가능성을 평가해 보았다. 코발트는 원자력발전소의 운전과정에서 냉각시설의 배관에 생성된 산화막을 제거하는 과정에서 발생한 액체폐기물에 다량 존재한다.
전기응집을 활용하여 용액 내 코발트 제거 가능성을 확인하기 위해 실험을 진행하였다. 전기응집장치는 파워서플라이, 철 전극판 (4 cm × 3 cm × 0.

제안 방법

45 µm 필터를 이용하여 필터 후 용액 내 코발트 농도를 ICP-MS(Agilent 7500 ce, USA)를 이용하여 측정하였다. 또한 코발트가 존재하지 않는 실험군을 두어 전기응집과정에서 나타나는 전해용액의 수화학 특성변화를 비교 관찰하였다. 전기응집 전·후 전기응집 반응기 중앙에서 측정한 전해용액 (10 mM NaCl)의 pH, ORP, TDS, EC, 온도, 슬러지 발생량은 Table 3과 같다.
, 2011). 방사성 액체폐기물도 IAEA에서 제시하는 분류기준에 따라 구분하고 폐기물의 효과적인 관리를 위해 증발과 고화처리를 실시한다. 방사성 액체폐기물의 증발처리는 태양열, 상대습도, 온도 등의 기상조건과 송풍기를 활용한 강제통풍조건에서 물을 증기상태로 제거하여 폐기물의 부피를 줄이는 방법이다 (KAERI, 1994).
실험에 사용한 전기응집장치의 코발트 제거효율을 확인하기 위해 코발트의 초기농도를 1, 10 mg/L로 조성하여 실험을 진행하였으며 0, 1, 3, 5, 10, 30분에 시료를 채취하고 0.45 µm 필터를 이용하여 필터 후 용액 내 코발트 농도를 ICP-MS(Agilent 7500 ce, USA)를 이용하여 측정하였다.
전기응집장치는 파워서플라이, 철 전극판 (4 cm × 3 cm × 0.3 cm)으로 구성하였으며 전극판의 간격과 유효면적은 각각 1.5 cm와 25 cm2으로 조정하였다.

이론/모형

전류를 흘려주어 전기응집공법을 진행하면 양극판(Anode)에서는 용해된 금속이온과 용액 내 오염물이 응집·흡착하여 제거됨과 동시에 음극판(Cathode)에서는 물의 전기분해(electrolysis) 반응이 일어난다. 대상 오염물질의 제거에 영향을 미치는 응집(coagulation)과정은 Derjaguin-Landau-VerweyOverbeek (DLVO) 이론에 따른다 (Matilainen et al., 2010). 즉, 응집제와 대상 유·무기 오염물의 응집반응은 척력으로 작용하는 이중층힘(double layer force)과 인력으로 작용하는 반데르발스힘(Van der Waals force)의 영향을 동시에 받아 두 힘의 합력에 따라 진행된다.

성능/효과

이는 양극판에서 용해된 철과 음극판에서 물의 전기분해에 의해 생정에서 발생한 것으로 판단된다. 또한 전류를 흘려주어 전기응집을 진행하는 동안 전해용액의 pH, 온도, TDS, EC가 증가하고 ORP는 급격하게 감소하였다(Fig. 3). 전해용액의 pH 상승은 물의 전기분해과정에서 발생한 다량의 수산화이온(OH-)의 영향이며, TDS와 EC는 물의 전기분해와 철의 용해과정에서 용존이온이 증가했기 때문으로 판단된다.
또한 초기농도 10 mg/L에서는 약 10분이 경과하였을 때 코발트가 완전히 제거되었다. 실험에서 나타난 코발트의 제거는 전기응집공정에서 발생한 철수산화물에 의한 것으로 판단되며 흡착제거가 우세하게 나타난 것으로 판단된다. Wang et al.
향후 전기응집의 조건을 다양하게 수행하여 철수산화물의 발생량 및 회수방안, 코발트의 최대제거량 등 다양한 조건을 도출한다면 용액 내 코발트를 제거하기 위한 전기응집공법의 적용성을 확대할 수 있을 것으로 판단된다. 이상의 결과로 보아 전기응집공정을 통해 용액 내 Co의 제거가 가능함을 확인하였다. 그러나 지하수, 방사성 액체폐기물과 같은 매질에는 다양한 유·무기물이 존재하여 코발트 제거를 위한 전기응집공법의 적용에 많은 영향을 미칠 수 있어 향후 다양한 추가연구가 필요하다.

후속연구

그러나 지하수, 방사성 액체폐기물과 같은 매질에는 다양한 유·무기물이 존재하여 코발트 제거를 위한 전기응집공법의 적용에 많은 영향을 미칠 수 있어 향후 다양한 추가연구가 필요하다.
전기응집공법을 통해 용액 내 코발트의 제거가 가능하며, 이는 원자력 발전시설에서 발생하는 액체폐기물을 정화하고, 폐기물의 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 방법이다. 그러나 현재까지는 코발트의 제거 가능성만을 확인한 기초연구 수준으로 방사성 액체폐기물에 적용하기 위해서는 전기 응집의 운전 조건 및 액체폐기물 내 공존이온의 영향 등에 대한 추가연구가 필요하다.
2 g의 슬러지가 발생하였는데 (Table 3) 이는 폐기물의 부피감용에도 매우 효과적인 방법이라 할 수 있다. 그러나 현재까지의 결과는 용존 코발트의 제거를 통한 초기단계의 시도에 불과하며 원자력 발전과정에서 발생하는 방사성 폐액을 전기응집공법으로 처리하기 위해서는 다양한 핵종원소에 대한 이해와 전기응집 처리조건의 도출과정이 필요하다. 특히 전기응집공법은 전극판의 재질과 배치방법, 전류밀도, 전해용액의 특성, 전기응집 셀의 구조에 따라 대상물질의 제거 효율이 달라지는 것으로 알려져 있다.
특히 전기응집공법은 전극판의 재질과 배치방법, 전류밀도, 전해용액의 특성, 전기응집 셀의 구조에 따라 대상물질의 제거 효율이 달라지는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서 도출한 결과를 바탕으로 방사성 폐액 내 코발트 제거를 위해서는 전극판의 재질과 배치방법, 전류밀도, 전해용액의 특성, 전기응집 셀의 구조 등 전기응집공법 최적 조건의 검토가 필요하다.
, (2011)과 Nassar (2012)는 철수산화물과 코발트의 흡착은 langmuir 흡착모델에 따라 매우 빠르게 진행됨을 보고한바 있다. 본 연구에서 나타난 코발트의 제거반응을 명확하기 확인하기 위해서는 발생한 슬러지의 특성과 코발트와의 상호반응등 추가 연구가 필요하다. 실험을 진행한 pH-Eh 조건에서 코발트는 Co²⁺로 존재함을 알 수 있다 (Fig.
이는 철수산화물과 코발트가 결합한 침전물이 실험이 진행된 조건에서 광물학적 안정성을 유지함을 보여주는 결과로 철수산화물의 존재에 따른 코발트의 상변화와 안정성의 변화를 보여준다. 향후 전기응집의 조건을 다양하게 수행하여 철수산화물의 발생량 및 회수방안, 코발트의 최대제거량 등 다양한 조건을 도출한다면 용액 내 코발트를 제거하기 위한 전기응집공법의 적용성을 확대할 수 있을 것으로 판단된다. 이상의 결과로 보아 전기응집공정을 통해 용액 내 Co의 제거가 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	코발트는 무엇인가?	코발트(Cobalt; Co)는 원자번호 27번으로 강자성을 띠는 은백색의 금속원소이다. 코발트는 반응성이 철보다 낮아 상온에서 산소와 물의 반응에 안정하여 합금, 자석, 안료, 리튬이온전지 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용 중이다.
	방사성 액체폐기물의 증발처리는 무엇인가?	방사성 액체폐기물도 IAEA에서 제시하는 분류기준에 따라 구분하고 폐기물의 효과적인 관리를 위해 증발과 고화처리를 실시한다. 방사성 액체폐기물의 증발처리는 태양열, 상대습도, 온도 등의 기상조건과 송풍기를 활용한 강제통풍조건에서 물을 증기상태로 제거하여 폐기물의 부피를 줄이는 방법이다 (KAERI, 1994). 고화 처리는 시멘트, 아스팔트 등을 고화매질로 사용하여 방사성 액체폐기물의 증발처리과정에서 발생하는 농축 폐기물의 처리에 활용한다.
	기존의 액체폐기물의 증발처리공정의 단점은 무엇인가?	원자력 발전시설에서 발생하는 액체폐기물의 증발과 고화처리는 방사성 액체폐기물의 부피감용과 효과적인 폐기물 관리를 위해 반드시 필요하다. 그러나 기존의 증발처리공정은 방사성 액체 폐기물의 처리를 위해 증발기, 가열기, 응축기 등 순차적인 처리시설과 운전이 필요하고 빠른 증발을 위해 추가 에너지가 필요한 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 코발트에 대한 환경지구화학적 특성을 이해하고 원자력 발전 시설에서 발생하는 폐액 내 코발트를 제거하고 폐기물의 부피를 감소를 위한 방법으로 전기응집공법의 적용 가능성을 고찰하고자 한다.

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