Potassium Titanate 흡착제의 Sr2+-Cs+ 이온 흡착거동

김형태, 설용건

문제권*,정종헌*,이일희*,유재형*

연세대학교 화학공학과

한국원자력연구소*

Adsorption Behavior of Strontium and Cesium on Potassium Titanate

H.T. Kim, Y.G. Shul

J.K. Moon*, C.H. Jung*, E.H. Lee*, J.H. Yoo*,

Dept. of Chemical Engineering. Yonsei University

Korea Atomic Energy Research Institute*

서 론

고준위 방사성폐기물은 장반감기의 핵종을 포함한 다양한 방사성 핵종을 포함하고 있기 때문에 환경 친화성을 위하여 군분리 및 소멸처리하는 연구가 진행되고 있다[1,2]. 특히 고준위 폐기물내 존재하는 Sr-90 및 Cs-137 등은 열발생 핵종이며 방사선적 위해도가 크기 때문에 핵종 분리 공정에서 별도로 제거해야 한다. 이 두 핵종은 산성 용액에서 다른 핵종들과 혼합되어 있어서 선택적인 분리가 중요하며 처분 안전성을 고려하여 주로 무기 이온교환제를 이용한 연구 결과가 많이 발표되고 있다[3∼10].

세슘이온에 선택적인 이온교환제로는 Potassium cobalt hexacyanoferrate[4], Chabazite[5], Clinoptilolite[5,6], Ammonium molybdophosphate[9]등이 발표되었고, 스트론튬 이온에 선택적인 이온교환제로는 Titanate 계열의 물질 중 결정성 silicotitanate[8], 티탄산 칼륨 및 치환체[9,10]등이 보고되고 있다. 특히, Mimura et al.[3]는 여러 가지 이온이 존재하는 혼합 용액에서 Potassium nickel hexacyanoferrate를 이용하여 세슘 이온에 대한 흡착 특성을 연구하였으며, Flizabeth et al[11]는 스트론튬과 세슘 이온등이 포함된 폐액에서 스트론튬과 세슘의 제거에 대한 sodium nonatitanate과 pharmacosiderite의 이온교환능을 평가하였다. 이렇게, 혼합 용액에서 특정 이온의 선택적 분리 및 제거를 위한 연구가 진행 되고 있지만 여러 가지 방사성 핵종이 포함된 혼합액에서 흡착에 영향을 미치는 인자들에 대한 평가는 미흡한 상태이다.

따라서, 본 연구에서는 스트론튬에 선택성이 있는 potassium titanate를 이용하여 방사성 핵종들이 공존하는 혼합용액에서 이온교환제의 흡착에 미치는 영향 인자 즉, pH와 농도변화에 따른 흡착 특성에 대해 연구하였다.

실험방법

2-1. pH 변화에 따른 분배계수 결정 및 분리인자

스트론튬과 세슘이온이 공존하는 혼합용액에서 pH 변화에 따른 분배계수 결정 실험은 회분식 방법으로 수행되었다. 혼합용액 총 농도를 0.002N로 고정하였으며, 용액 10mL에 potassium titanate 0.1g를 넣고 25℃, 185rpm에서 하루동안 교반하였다. 이때, 혼합 용액의 pH는 2에서 6까지 변화 시켰다. 반응이 끝난 후 부유물을 제거하기 위하여 0.45□ syringe filter로 반응액을 여과하였다. 스트론튬의 잔류 농도를 측정하기 위하여 PERKIN-ELMER사의 A.A 분석장치를 이용하였다. 이온교환제의 성능 평가 인자로는 다음과 같은 분배계수(Kd) 및 분리인자(□A/B=Kd,A/Kd,B)가 사용된다.

[eqn: {K_d}~=~{{C_i}~-~{C_f}}over{{C_f}} TIMES {V}over{m}~~~~~ [mL/g] ~~~~~~~ (1)]

여기서,

Ci, Cf = Concentration of Sr at initial and final time. [meq/mL]

V = Volume of the solution used [mL]

m = mass of adsorbent used [g]

2-2. 세슘 농도 영향

혼합용액에서 세슘이온 농도 변화에 따른 분배계수 결정 실험을 위해 스트론튬 농도는 0.002N로 고정 시키고 세슘 농도를 5*10-5N ∼ 10-1N로 변화시켰다. 각각의 혼합 용액 10mL에 potassium titanate 0.1g을 넣고 185rpm의 속도로 25℃에서 24시간 동안 교반시켰다. 0.45□ syringe filter를 이용하여 반응액을 여과하고 스트론튬 이온의 농도 분석을 위해 PERKIN-ELMER사의 A.A 분석장치를 이용하였다.

결 과

3.1. 분배계수 결정

혼합 용액에서 pH변화에 따른 스트론튬과 세슘 이온에 대한 분배계수와 분리인자들을 Table 1과 Fig. 1에 나타내었다. 세슘 이온에 대한 분배계수 값은 pH 증가에 따른 변화가 없는 반면, 스트론튬 이온에 대해서는 pH=3 이상에서 높은 분배계수 값을 보였다. 특히, pH=2의 강산 영역에서 세슘 및 스트론튬에 대한 분배계수 값을 비교해 볼때, 세슘에 대한 분배계수 값(Kd,Sr)이 3000이상으로 높은 값을 나타내었다. 이는 potassium titanate가 세슘을 포함한 강산 조건의 혼합용액에서도 스트론튬 이온에 대해 선택적 흡착능이 있음을 보여준다.

3.2. 세슘 농도 변화에 따른 분배계수 영향

스트론튬과 세슘 이온이 공존하는 혼합용액에서 세슘 농도 변화에 따른 potassium titanate의 스트론튬 이온 흡착 특성을 Fig. 2에 나타내었다. 세슘 이온 농도가 증가함에 따라 점차적으로 분배계수(Kd,Sr)의 값이 감소함을 보여주고 있다.

참고문헌

1. Enarsson, A., Landgren, a., Liljenzin, J. O., Skalberg, M., Spjuth, L.,        Gudowski, W. and Wallenius, J. : "Partitioning and Transmutation(P&T)    1997", SKB annual Report, TR-98-14(1998).

2. OECD/NEA : "Actinide Separation Chemistry in Nuclear Waste Streams and Materials", NEA/NSC/DOC(97)19 (1997).

3. Mimura, H., Lehto, J. and Harjula, R. : J. of Nucl. Sci. and Tech, 34, 484(1997).

4. Mardan, A., Ajaz, R., Mehmood, A., Raza, S.M., and Ghaffar, A.: Separation and Purification Technology, 16, 147(1999).

5. Robinson, S. M., Arnold, W. D. and Byers, C. H. : AIChE., 40, 2045(1994).

6. Mimura, H., Kobayashi, T. and Akiba, K. : J. of Nucl. Sci. and Tech, 32(1), 60(1995).

7. Sevesta, F. and Stefula, V. : J. Radioanal. Nucl. Chem., 140, 15(1990).

8. Anthony, R. G., Philip, C. V. and Dosch, R. G. :Waste Management, 13, 503 (1993).

9. Letho, J., Brodkin, L., Harjula, R. and Tusa, E. : Nuclear Technology, 127, 81(1999).

10. DeFilippi, I., Yates, S., Sedath, R., Straszewski, M., Andren, R. and Gaita, R. : Separation Science and Technology, 32(1-4), 93(1997).

11. Elizabeth, A., Behrens, Paul, S. and Abraham, C. : Environ. Sci. Technol,  32, 101 (1998)

감 사

본 연구는 과학 기술부의 원자력 연구 개발 사업의 일환으로 수행되었습니다.

Table 1. Ditribution coefficient and separation factor in mixed

solution of Sr2+ and Cs+ ions with K2Ti4O9.

pH Facotrs	2	3	4	5.70
Kd,Sr	2813	11384	10078	10480
Kd,Cs	198	109	103	107
□Sr/Cs	14	105	98	98

Fig.1. Effect of pH on distributiion coefficient in mixed solution.

Fig. 2. Effect of Cs+ ion concentration on distribution

coefficient in mixed solution.