[보고서]나노구조의 하이브리드 복합체를 이용한 고도 방사성 폐기물처리

이대성

나노구조의 하이브리드 복합체를 이용한 고도 방사성 폐기물처리
Advanced Radioactive Waste Treatment using Nanostructured Hybrid Composites 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	경북대학교 KyungPook National University
연구책임자	이대성
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2018-03
과제시작연도	2017
주관부처	과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT
등록번호	TRKO201900024164
과제고유번호	1711051052
사업명	원자력국제협력기반조성
DB 구축일자	2020-08-15
키워드	나노복합체.방사성핵종.제염.흡착.헥사시아노철산염.Nanocomposite.Radionuclide.Decommisioning.Adsorption.ferric hexacyanoferrate.

초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 한국-영국 공동연구를 통하여 원자력 시설 제염·해체을 위한 다학제간 연구를 수행하였다. 본 연구의 주된 목적은 원자력 산업에서 다량으로 배출되는 방사성 액체 폐기물에 함유된 90Sr 및 137Cs 등의 핵종들을 선택적으로 분리할 수 있는 하이브리드 나노복합체 합성에 있으며, 전이금속인 헥사시아노철산염은 넓은 pH 범위 및 고염 환경에서도 방사선 핵종의 분리를 가능케 하고, 특히 자성을 띠는 나노복합체를 합성함으로써 보다 신속하고 효과적으로 오염수를 처리할 수 있었다.또한 보다 저비용, 고효율로 방사성 핵종을 제거할 수 있는 다양한 흡착제을 개발하고 연속처리를 위한 컬럼반응기의 기초설계자료를 제시하였다. 액체 방사성폐기물 속에 포함된 방사성핵종 제거에 있어 가장 큰 기술적 걸림돌인 선택성 문제를 해결하기 위하여 리간드(5-Bromo-2,9-bis(5,6-diphenyl-1,2,4-triazin-3-yl)-1,10-phenanthroline) 합성 및 적용 실험을 진행하였다.

연구개발성과
▷ 1차년도 : 자성 프루시안블루(ferric hexacyanoferrate) 나노복합체의 합성 및 방사성 핵종의 선택적 분리 흡착 메카니즘 규명
- 헥사시아노철산염을 이용한 자성을 띠는 하이브리드 나노복합체 합성
- XRD, TGA, FTIR, SEM, TEM 등에 기반한 자성 하이브리드 나노복합체의 물리화학적 특성 규명
- 합성된 하이브리드 나노복합체의 방사성 핵종에 대한 기초 흡착성능 평가
- 자성 하이브리드 나노복합체의 선택적 분리 흡착 메카니즘 규명

▷ 2차년도 : 자성 하이브리드 나노복합체를 이용한 방사성 액상 폐기물 처리 공정 운전
- 배경물질의 유무와 종류에 따른 운전 성능 비교 평가
- 흡착 운전 조건, 체류시간, 흡착제 투입량에 따른 운전 성능 비교 평가
- 자성 하이브리드 나노복합체의 흡착 거동, 경쟁 흡착, 선택성 평가
- 기초 운전조건 확립

▷ 3차년도 : 자성 하이브리드 나노복합체를 이용한 방사성 액체 폐기물처리 공정 최적화
- 자성 하이브리드 나노복합체에 기반한 컬럼 반응기 연속운전 실험 및 공정 최적화
- 실제 조건과 유사한 환경(공동이온 및 pH 등)에서의 방사성핵종 제거 실험 및 성능평가
- 선택성을 향상시킨 리간드 합성 및 흡착 성능 평가

▷ 연구개발성과
- 인력양성: 37명
- SCI 국제논문 게재: 26편, 국내(22건)/국외(16건) 학술대회발표
- 특허: 출원 2건, 등록 1건
- 국외 장기연수(U. of Reading, U. Central Lanchashire) : 3명
- 국제학술대회 개최 4건

연구개발성과의 활용계획(기대효과)
- 하이브리드 나노복합체를 이용한 방사성폐기물 Cs, Sr의 선택적 분리 및 포집 원천 요소기술 확보
- 방사성폐기물의 감용성 및 운전효율성을 크게 증진시키는데 기여함
- 차세대 자성 하이브리드 나노복합체 제조기술의 확보
- 자성을 이용한 저비용 분리공정 개발로 부터 경제적인 방사성 폐기물 처리 가능
- 영국 연구진과의 방사성폐기물 처리 기술 네트워크 구축

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 2
보고서 요약서 ... 3
요약문 ... 4
목차 ... 5
1. 연구개발과제의 개요 ... 6
가. 연구개발대상 기술의 경제적․산업적 중요성 및 연구개발의 필요성 ... 6
나. 연구개발대상 기술의 국내·외 현황 ... 11
다. 선행연구의 내용 및 결과 ... 12
라. 현기술상태의 취약성 ... 13
마. 앞으로의 전망 ... 14
2. 연구수행내용 및 성과 ... 15
가. 연구개발의 추진전략 ... 15
나. 연구개발의 방법 ... 15
다. 연구개발의 추진체계 ... 19
라. 국제공동연구개발의 추진계획 ... 20
마. 연차별 연구수행목표 및 내용, 연구결과 ... 23
3. 연구개발목표의 달성도 및 자체평가 ... 47
가. 연구개발목표의 달성도 ... 47
나. 평가의 착안점에 따른 목표달성도에 대한 자체평가 ... 48
다. 목표 달성여부 ... 49
라. 연구 성과 ... 49
마. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 55
4. 연구개발성과의 활용 계획 및 기대성과 ... 56
가. 연구개발결과의 활용방안 ... 56
나. 기대성과 ... 57
끝페이지 ... 59

표/그림 (48)

표 국내 원전 현황(한국원자력산업회의, 2014)와 1973년, 2012년 세계총에너지 공급량(IEA, 2014)
표 국내 원전시설 추세 및 향후 예상 해체 원전 수
표 후쿠시마 원전 오염수 배출 현황
표 IAEA회원국의 연구로 해체 비용 분포
표 방사성 액체 폐기물 처리과정
표 한국-영국 국제공동연구 추진전략
표 헥사시아노철산 화합물의 구조식
표 In-situ synthesis에 의한 고분자 나노복합체 제조 방법
표 방사성폐액 표준액
표 방사성 액체 폐기물 속의 선택성 Cs, Sr 처리를 위한 Solid-supported ligand
표 한국과 영국 연구팀 간의 연구개발 추진전략 및 체계
표 한국과 영국 연구팀 간의 양해각서
표 Schematic diagram and characteristic analysis of the magnetic PB nanocomposite
표 Effect of pH on the adsorption of cesium on magnetic PB nanocomposites
표 Rate constants and correlation coefficients of the pseudo-first- and pseudo-second-order kinetic models at an initial Cs+concentrationof1mM (initial pH = 7.0 and 120 rpm)
표 Equilibrium time profiles for the adsorption of Cs+ontomagnetic PB nanocomposites at (a) 30°C, (b) 20°C, and (c) 10°C under different initial Cs+concentrations(conditions: weight of adsorbent = 0.1 g, volume of the solution = 50 mL, shaking time = 24 h, shaking speed = 120 rpm)
표 Nonlinear isotherm models for the removal of cesium ions at 10°C
표 Schematic diagram of the PB-GO hydrogel beads
표 Characterizations of the GO and PB-GO composite: (a) Raman spectrum of GO, (b) C 1s XPS spectrum of GO sheet, and (c) FT-IR images of GO and PB-GO composites
표 TEM images of PB-GO hydrogel beads: (a) low resolution, (b) high resolution (insert in (b) is the corresponding SAED pattern of the PB-GO hydrogel beads), and SEM images of PB-GO hydrogel beads: (c) whole sized, (d) vertical cross section
표 Schematic diagram of continuous fixed-bed adsorption system
표 The Influence of operational parameters on the cesium adsorption breakthrough curves using PB-GO hydrogel beads: (a) influent cesium concentrations, (b) flow rate, (c) bed height, and (d) adsorbent size
표 Parameters of (a) Thomas, (b) Adams-Bohart and (c) Yoon and Nelson model under different conditions using non-linear regression model
표 (a) XRD patterns, (b) FT-IR spectra, (c) TGA analysis, and (d) VSM magnetization curves of organophilic montmorillonite -supported magnetite nanoparticles
표 Effect of competing ions on the adsorption of iodine on organophilic montmorillonite- supported magnetite nanoparticles
표 The Box-Behnken experimental design with three independent variables
표 ANOVA for the iodine removal efficiency
표 Two-dimensional and three-dimensional response surface graphs for the maximum iodine removal efficiency using initial iodine concentration (X1), temperature (X2), and pH (X3)
표 The adsorption equilibrium isotherm of iodine on organophilic montmorillonitesupported magnetite nanoparticles at pH 3 and 15, 25, and 35 ℃
표 Parameters of kinetic models for the adsorption of iodine onto the organophilic montmorillonite-supported magnetite nanoparticles (initial iodine concentration = 10 mg/L)
표 Equilibrium time profiles for the adsorption of iodine onto organophilic montmorillonite- supported magnetic nanoparticles at (a) 15℃, (b) 25℃, and (c) 35℃ under different initial iodine concentrations (conditions: weight of adsorbent = 20 mg, volume of the solution = 30 mL, shaking time = 2 h, shaking speed = 150 rpm)
표 Standard composition of liquid radioactive wastes
표 Adsorption capacity of different biochar powders for strontium(conditions:weight of adsorbent = 1 g, initial strontium concentration = 1 mg/L, shaking time = 24 h, shaking speed = 150 rpm)
표 Characteristics of biochar sourced from different biomass feedstocks (pyrolysis temperature: 450 °C, heating rate: 1.5 °C/min)
표 (a) FT-IR spectra and (b) TGA curves of RSBC powder and RSBC beads
표 Pore size distribution and specific surface area of (a) RSBC powder and (b) RSBC beads, and (c) SEM image of the RSBC beads (inset: photograph of RSBC
표 Effect of pH on the adsorption of strontium on the RSBC beads
표 Equilibrium time profiles for the adsorption of strontium onto biochar beads at (a) 15, (b) 25, and (c) 35 °C
표 Kinetic model parameters for the adsorption of strontium onto the RSBC beads
표 Nonlinear adsorption isotherm models for the removal of strontium at different initial strontium concentrations
표 Effect of competing ions on the removal of strontium ions using the RSBC beads
표 Effect of operational parameters on the strontium adsorption breakthrough curves using RSBC beads: (a) flow rate and (b) initial strontium concentrations
표 Parameters of the (a) Thomas, (b) Adams–Bohart, and (c) Yoon–Nelson models under different conditions using non-linear regression
표 (a) removal efficiency and (b) distribution coefficient using 5-bromo-2,9-bis(5,6-diphenyl-1,2,4-triazin-3-yl)-1,10-phenanthroline ([5-bromo-Ph4-BTPhen] = 5 mg; [Cs+,Sr2+,Co2+]i=1mg/L; pHi=7)
표 Effect of initial pH on the Sr2+ andCo2+ removal efficiencies of5-bromo-2,9-bis(5,6-diphenyl-1,2,4-triazin-3-yl)-1,10-phenanthroline([5-bromo-Ph4-BTPhen]=5mg; [Sr2+,Co2+]i=1mg/L; pHi=7)
표 Sr2+ and Co2+ removal efficiencies of stock solutions containing co-existing ions at 25°C([5-bromo-Ph4-BTPhen]=5mg; [Ca2+,Mg2+,K+,Na+]i=1mg/L; [Cs+,Sr2+,Co2+]i=1mg/L;pHi=7)
표 Comparison of the synthesized adsorbents
표 The objectives of the 2nd phase UK-South Korea International Research Collaboration Project

과제명(ProjectTitle) :	-
연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
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과제수행기간(LeadAgency) :	-
연구목표(Goal) :	-
연구내용(Abstract) :	-
기대효과(Effect) :	-

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