무기이온교환재를 이용한 Ag, Sr 및 Co 이온에 대한 흡착특성 연구

김형태,설용건*,문제권**,정종헌**,오원진**

연세대학교 화학공학과,연세대학교 화학공학과*

한국원자력연구소**

A Study on The Properties of Adsorption for Ag, Sr, and Co

Ions Using Inorganic Ion Exchanger

H.T.Kim, Y.G. Shul*,J.K. Moon,** C.H. Jung** ,and W.Z. Oh**

Dept. of Chemical Engineering. Yonsei University

Dept. of Chemical Engineering. Yonsei University*

Korea Atomic Energy Research Institute**

서론

핵연료주기 시설에서 발생하는 방사성 유기폐기물을 저온에서 전기화학적으로 분해하는 방법인 MEO(Mediated Electrochemical Oxidation) 공정에서는 5M 이상의 질산 용액과 산화제로 0.5M Ag(II) 이온이 방사성 핵종과 함께 2차 폐액으발생한다. 이 폐액은 질산과 고가의 Ag 이온 등 유효화학제를 다량 함유하고 있기 때문에 폐기물량 감축 및 재활용을 위하여 재생시키게 된다. 질산은 증발 농축 방법으로 회수하고, Ag 이온은 전기화학적, 화학적 방법 등으로 95%는 재생된다. 따라서 최종폐액으로 잔여 질산용액 및 Ag이온과, Cs, Sr, Co 등의 방사성 핵종이 배출된다. 산 폐액중의 방사성 이온을 제거하기 위하여 내산성 및 선택적 흡착능이 있는 것으로 알려진 potassium titanate(K2Ti4O9)를 합성하였으며, 각 이온에 대한 흡착평형 특성을 고찰하였다.

이론

본 연구에서 사용한 흡착평형 모델식은 Langmuir, Freundlich 및 Dubinin-Polanyi 식으로 이론식은 다음과 같다.

Langmuir 식 ;

[eqn: q~=~{aC}over{1~+~bC}]  ---- (1)

Freundlich 식 ;

qe = KfCe1/n      ---- (2)

여기서,

q, qe : concentration of cation in solid phase [meq/g]

C, Ce : concentration of cation in liquid phase [meq/mL]

a,b,Kf,1/n : isotherm constant for cation

Dubinin-Polyani 식;

[eqn: {q}over{q_s}~=~exp[-kR^{2}T^{2}{[ln({Cs}over{C})]}^2}]] ---- (3)

여기서,

q,qs,C,Cs : the equilibrium and saturation concentration

in solid and liquid phases [meq/g, meq/mL]

k : isotherm constant for cation

실험방법

본 실험에서는 Ag(NO3)2, Sr(NO3)2, Co(NO3)2 ·6H2O의 농도를 각각 10-3N, 2*10-3N로 고정시키고 흡착제인 K2Ti4O9의 양을 0.01, 0.015, 0.02, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2g 씩 달리하여 20mL 용액에 각각 첨가하여 하루동안 교반시켰다.

위 용액을 0.45□ syringe filter로 여과한 후 상등액의 일정량을 채취하여 PERKIN-ElMER사의 A.A.로 잔류농도를 측정하였다. 실험에 사용한 용액, 초기농도, 용액부피, pH 및 흡착제 양을 아래 표에 정리하였다.

Table 1. 흡착평형실험을 위한 조건

용액	초기농도	용액부피	용액pH	흡착제	흡착제 양[g]
Ag	10-3N	20mL	5.56	K2Ti4O9	0.01,0.015,0.02,0.05,0.1,0.15,0.2,0.5
Sr	2*10-3N		5.64
Co	2*10-3N		5.64

결 과 및 결론

흡착제인 K2Ti4O9를 이용하여 Ag, Sr 및 Co 이온에 대한 흡착평형 실험결과를  Figs. 1∼3에 나타내었으며, 흡착평형 모델식인 Langmuir, Freundlich 및 Dubinin-Polyani 모델식에 적용하여 구한 파라미터들을  Table 2에 표시하였다.

무기이온교환재인 K2Ti4O9을 사용하여 Ag, Sr 및 Co에 대한 흡착평형 데이터 를 Langmuir, Freundlich 및 Dubinin-Polyani 모델식에 적용한 결과 Ag, Sr 및 Co 이온에 대한 실험 데이터를 fitting하기 위한 가장 적절한 모델식은 Ag와 Sr이온의 경우는 Langmuir 모델식과 Co이온의 경우는 Dubinin-Polyani 모델식이었다.

Table 2. Model parameters for binary isotherms

Model	Coefficient Units	Binary isotherm
		Ag-K	Sr-K	Co-K
Langmuir	a[mL/g]	28,235	31,162	75,757
	b[mL/meq]	42,066	97,366	132,599
	R2	0.85	0.94	0.63
Freundlich	k[mL/meq]	3.49	0.58	3.65
	1/n	0.252	0.089	0.221
	R2	0.83	0.86	0.886
Dubini-Polyani	qs[meq/g]	1.517	0.437	1.756
	k	0.1E-8	0.069E-8	0.1E-8
	R2	0.84	0.87	0.89

참고문헌

[1] S. M. Robinson, W.D. Arnold. Jr., C.W. Byers, "Multicomponent Liquid Ion

Exchange with Chabazite Zeolites", 9, 50, 1993.

[2] Suzuki, M.: Carbon, 32, 577, 1995.

[3] Y.Inoue, H.Yamazaki, and F. Kasuga, Bull, Chem. Soc. Jpn., 68, No.1(1994)

[4] F. Kasuga, H.Yamazaki, Y. Inoue, and O. Tochiyama, Bull, Chem. Soc.

Jpn., 69, 1275 (1995)

[5] F. Helfferich, "Ion Exchange," McGraw-Hill, New York (1963), Chap. 6.

[6] Allen G. Sault, J. Catalysis, 156, 154 (1995)