전기흡착에 의한 우라늄 이온의 제거

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

정종헌, 김준수, 이혜영*, 문제권, 오원진

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

한국원자력연구소, *연세대학교 화학공학과

Removal of Uranium Ion by Electrosorption

C.H. Jung, J.S. Kim, H.Y. Lee*, J.K. Moon, W.Z. Oh

Korea Atomic Energy Research Institute

*Dept. of Chemical Engineering, Yonsei University

서 론

천연우라늄 정광으로부터 핵연료용 이산화우라늄 분말을 제조하는 핵연료변환시설의 운영중 발생되어 보관중인 우라늄 함유 슬러지 폐기물의 처리연구와 관련하여 경제성과 안전성을 기준으로 하여 시설투자비가 적으며 사업 적용이 용이하고 감용효과가 큰 고액분리기술과 우라늄 환경방출 기준을 만족할 수 있는 높은 제염성능을 갖는 새로운 우라늄 분리기술을 선정하였다. 즉, 우라늄 슬러지 조성은 소량(5% 미만)의 방사성우라늄과 대부분(95%이상)의 비방사성화학폐기물로 되어 있으므로, 방사성우라늄과 함께 침전·고화된 비방사성 화학폐기물을 분리하여 처분대상 방사성 우라늄폐기물을 최소화 및 안정화하고 분리된 비방사성 화학폐기물을 제염(우라늄 제염)하여 잔류 우라늄농도를 환경방출기준 이하로 만드는 개념이다. 폐액으로부터 우라늄(Ⅵ)의 제거나 회수 방법으로, 미생물에 의한 환원/침전, 응고, 이온교환, 석회연화, 활성 알루미나나 활성 탄소에 의한 흡착 등과 같은 다양한 물리적, 화학적 그리고 생물학적 방법들이 사용되어 우라늄(Ⅵ) 제거에 비교적 성공적으로 이용되었으나 대부분의 이러한 종류의 기술들은 폐액 중 우라늄(Ⅵ) 농도가 높은 경우 제한된 제거용량 때문에 적용에 한계가 있으며, 다양한 다공성 탄소전극물질에 의한 구리, 납, 카드뮴, 및 니켈 등과 같은 금속이온 처리에 효과적으로 사용될 수 있는 전착방법은 우라늄과 스트론튬 같은 양이온 금속의 환원 전위가 매우 높기 때문에 실용적 방법이 아니므로 전착의 대체기술로 전기흡착방법이 효과적이다[1-2]. 전기흡착 기술은 탄소체의 높은 전기 전도도와 흡착 용량을 이용하고 단순 전위 역전에 의한 탈착 및 전극흡착제의 재생이 용이한 특징을 가지며, 이온교환, 역삼투, 전기투석, 및 증발법에 비해 오염이 적고, 에너지 효율적이며 소요 비용이 적은 경제적인 기술임이 입증되었다[3]. 본 연구에서는 이러한 특징을 갖는 전기흡착기술과 활성탄소섬유 전극을 사용하여 고농도의 화학염 중에 존재하는 저농도의 우라늄만을 선택적으로 흡착제거하여 폐액을 1 ppm이하의 무구속 방출수준까지 처리할 수 있는 전기흡착공정의 적용 가능성을 조사하기 위한 실험을 수행하였다.

실 험

U(Ⅵ) 이온의 고정층 전기흡착 실험은 Fig. 1과 같은 전류흐름과 용액의 흐름이 평행한 flow-through cell을 사용하였다. 내부 직경이 2-3cm인 PTFE chamber내에 작용전극으로 사용된 비표면적과 전기전도도가 큰 부직포 형태의 활성탄소섬유(ACF)를 백금망과 여과지 사이에 장착하였다. 이 백금망은 ACF 전극의 지지체 역할뿐 아니라 전극과의 전기전도가 효과적으로 일어나게 current collector로 사용되었다. 기준 전극은 전위의 재현성이 좋고 취급이 용이한 Ag/AgCl (with saturated KCl) 전극을 사용하였고 pt wire를 상대전극으로 사용하였다. 가용전위는 potentiostat (EG&G M273)를 사용하여 원하는 전위로 조절하였다. 전해질 용액으로는 16 M□□cm 이상의 저항값을 갖는 탈염수로 제조한 NaCl(Junsei Chemical Co.) 용액을 사용하였으며 입자상의 UO2(NO3)2□6H2O (Merck Co.)를 고농도로 제조한 후 NaCl 전해질 용액에 혼합하여 원하는 농도의 실험용액으로 제조하여 사용하였다. 혼합용액의 pH는 0.1N NaOH 또는 HCl을 첨가하여 조절하였다. 용액중의 용존 산소는 전극 표면에서 쉽게 환원될 수 있기 때문에 실험전에 N2 가스로 40분간 용액을 탈기시켰다. 페러데이 반응이 일어나지 않는 전위 범위내에서 가용전위, 용액 pH와 이온강도를 변화시키면서 U(Ⅵ) 이온의 시간에 따른 흡착거동을 조사하였다. 공급액과 유출액 중 U(Ⅵ)의 농도는 발색시약으로 Arsenazo Ⅲ를 사용하여 □=655 nm 파장에서 UV-VIS 분광광도계(Spectronic 1201, Milton Roy)를 사용하여 분석하였다.

결과 및 고찰

본 실험에 전극으로 사용된 ACF 부직포는 BET 비표면적값이 1680 m2/g이고 전도도값이 7.2(□□cm)-1으로 높은 비표면적과 큰 전기전도성을 나타내어 전기흡착제로 효과적으로 이용할 수 있음을 알 수 있다.

ACF 부직포에 U(Ⅵ) 이온의 전기흡착 거동을 여러 전위조건에서 조사하여, 유출액 중 U(Ⅵ)의 농도 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 이 결과로부터 폐액 중 U(Ⅵ) 이온이 전기화학 셀을 통과함으로서 효과적으로 제거됨을 알 수 있다. 미가용전위(Open-Circuit Potential, OCP)의 일반흡착과 비교한 결과 OCP에서는 U(Ⅵ)가 거의 제거되지 않았다. 반면, 모든 음의 가용전위에서 전기흡착에 의해 U(Ⅵ)의 제거 효율이 일반흡착에 비해 크게 향상되었으며, 흡착효율 증가 정도는 전위 크기에 의존함을 확인할 수 있었다. -0.3V(vs. Ag/AgCl)에서의 전기흡착의 경우, 350mg/l U(Ⅵ) 공급 용액으로부터 유출액 중 U(Ⅵ) 농도가 연속적으로 감소한 후 2시간 이후부터 약간씩 증가하기 시작하였다. 그러나 전위가 -0.5V나 더 큰 음의 전위에서, U(Ⅵ)의 농도는 연속적으로 감소하고 실험시간 내에서 매우 낮은 준위를 유지하였다. -0.9V에서의 전기흡착에 의한 U(Ⅵ)의 제거 거동은 매우 우수하여 유출 U(Ⅵ)의 농도가 2시간만에 1mg/l 이하로 감소되었다. 이는 공급용액으로부터 99.7%의 U(Ⅵ) 제거 효율에 해당하며 실험시간 동안 이러한 경향이 계속 유지되었다. 따라서, 탄소전극에 가용된 음 전위의 크기가 U(Ⅵ)의 흡착 속도를 조절한다는 사실을 알 수 있다. 탄소전극의 흡착용량을 알아보기 위해 -0.9V에서 1.5mM U 용액의 장시간 전기흡착 거동 실험을 수행하였으며, Fig. 3의 결과에서 보듯이 이 시간동안 파과곡선은 나타나지 않았다. 15시간 동안의 누적 U(Ⅵ) 흡착량은 약 552mguranium/gACF이었다. 일반적으로 이온을 흡착하기 위한 다공성 탄소 전극의 흡착용량은 이중층 정전용량, 비표면적, 그리고 가용 전위에 의존한다. 1680m2/g의 비표면적과 30F/g의 이중층 정전용량을 갖는 1g의 활성탄소섬유 전극은 이론적으로 1V의 전위 변화로 약 74mguranium/gACF을 흡착하거나 탈착할 수 있다. 이 값은 실험에 의해 관찰된 흡착용량 552 mguranium/gACF 에 비해 훨씬 작은 값이다. 이는 우라늄 전기흡착 동안 흡착제의 전기이중층 충전에 의한 흡착 이외에 이온교환이나 다른 어떤 반응이 일어나기 때문으로 여겨진다. U(Ⅵ) 제거 효율에 대한 용액 pH의 영향을 조사하기 위해 용액 pH 변화에 따른 흡착거동을 조사하여 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. pH 2.1에서, 유출 U(Ⅵ)의 농도가 계속 증가하여 매우 낮은 U(Ⅵ) 흡착 용량을 보인 반면, pH 4 에서는 매우 우수한 제거효율을 나타내었다. pH 3에서는 초기 30분 동안 U(Ⅵ)의 제거효율이 약간 낮은 것을 제외하고는 pH 4와 거의 유사한 거동을 나타내었다. 이는 거의 대부분의 U(Ⅵ) 제거가 pH 3 조건에서 이미 이루어졌기 때문으로 예상된다. 전기흡착의 경우 용액중 이온의 이동도를 증가시킬 수 있는 전해액의 농도가 어느 정도 유지되어야 한다. 전해질로 선택한 NaCl의 농도를 변화시켜 실험한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 전해질 농도 증가에 따라 U(Ⅵ)의 제거 효율이 크게 증가함을 알 수 있으며, 유출액 중 U 농도를 1 ppm 이하로 유지하기 위해서는 NaCl 농도가 1M 이상이어야 함을 알 수 있다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

[1] Song, T.J., J. AWWA 80 (7) (1988) 105-111, July.

[2] Lenhart, J.J., Figueroa, L.A., Honeyman, B.D., Kaneko, D., Colloids Surf. 120 (1997)      243-254.

[3] Farmer, J.C., Bahowick, S.M., Harrar, J.E., Fix, D.V., Martinelli, R.E., Au, A.K.,        Carroll, K.L., Energ. Fuels 11 (1997) 337-347.

Table 1. Properties of ACF felts

Physical property		Electro/chemical property
Specific S/A (m2/g)	1680	Conductivity (ohm.cm)-1	7.2
Total pore vol. (cm3/g)	0.86	pH	6.4
Micro pore vol. (cm3/g)	0.84	Surface acidity (meq/g)	0.38

Fig. 1. Experimental system for flow-through electrosorption.

Fig. 2. Electrosorption of U(Ⅵ) with             Fig. 3. Long term test of U(Ⅵ) electrosorption

variation of potentials.                           at -0.9V.

Fig. 4. Electrosorption of U(Ⅵ) with              Fig. 5. Electrosorption of U(Ⅵ) with

variation of pH at -0.9V.                         variation of electrolyte concentration.