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KR-20260061611-A - A method for solidifying radioactive iodine using phosphoric acid-based geopolymer raw materials and solidified radioactive iodine resulting therefrom

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Abstract

본 발명은 방사성 요오드를 고화로 처분함에 있어서 방폐장의 인수기준보다 높은 압축강도를 나타내면서 동시에 방사성 요오드의 침출을 최소화할 수 있는 인산 기반의 지오폴리머 원료를 활용한 방사성 요오드 고화방법에 관한 것으로서, (a) 방사성 요오드, 메타카올린(metakaolin), 물 및 산성 활성화제가 혼합된 혼합물이 생성되는 단계; 및 (b) 상기 혼합물이 양생되는 단계를 포함하며, 상기 산성 활성화제는 인산(H 3 PO 4 )인 방사성 요오드 고화방법에 관한 것이다.

Inventors

  • 김병관
  • 김주은
  • 엄우용

Assignees

  • 포항공과대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (19)

  1. (a) 방사성 요오드, 메타카올린(metakaolin), 물 및 산성 활성화제가 혼합된 혼합물이 생성되는 단계; 및 (b) 상기 혼합물이 양생되는 단계를 포함하며, 상기 산성 활성화제는 인산(H 3 PO 4 )인 방사성 요오드 고화방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 인의 몰농도의 비율은 1.0 내지 1.6인 방사성 요오드 고화방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 인의 몰농도의 비율은 1.2 내지 1.6인 방사성 요오드 고화방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 인의 몰농도의 비율은 1.4 내지 1.6인 방사성 요오드 고화방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 규소의 몰농도의 비율은 0.5 내지 1.5인 방사성 요오드 고화방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 규소의 몰농도의 비율은 0.9 내지 1.1인 방사성 요오드 고화방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물에서 상기 메타카올린의 100 중량부에 대해서 상기 물과 상기 산성 활성화제에 포함된 물을 합한 물의 중량부는 1.1 내지 2.1인 방사성 요오드 고화방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 혼합물에서 상기 메타카올린의 100 중량부에 대해서 상기 물과 상기 산성 활성화제에 포함된 물을 합한 물의 중량부는 1.5 내지 1.7인 방사성 요오드 고화방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물에서 상기 메타카올린의 100 중량부에 대해서 상기 방사성 요오드의 중량부는 1.5 내지 2.5인 방사성 요오드 고화방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 혼합물에서 상기 메타카올린의 100 중량부에 대해서 상기 방사성 요오드의 중량부는 1.9 내지 2.1인 방사성 요오드 고화방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 상기 혼합물이 6 내지 8일 동안 양생되는 방사성 요오드 고화방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 상기 혼합물이 상온에서 4.5 내지 5.5일 동안 양생되고, 이후 40 내지 50℃에서 1.5 내지 2.5일 동안 양생되는 방사성 요오드 고화방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 방사성 요오드 고화방법에 따라 제조된 방사성 요오드 고화체.
  14. (c) 방사성 요오드, 메타카올린(metakaolin), 물 및 산성 활성화제가 혼합된 혼합물이 생성되는 단계; 및 (d) 상기 혼합물이 양생되는 단계를 포함하며, 상기 산성 활성화제는 인산(H 3 PO 4 )인 방사성 요오드 처리방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 인의 몰농도의 비율은 1.2 내지 1.6인 방사성 요오드 처리방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 규소의 몰농도의 비율은 0.9 내지 1.1인 방사성 요오드 처리방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 혼합물에서 상기 메타카올린의 100 중량부에 대해서 상기 물과 상기 산성 활성화제에 포함된 물을 합한 물의 중량부는 1.5 내지 1.7인 방사성 요오드 처리방법.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 혼합물에서 상기 메타카올린의 100 중량부에 대해서 상기 방사성 요오드의 중량부는 1.9 내지 2.1인 방사성 요오드 처리방법.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서, 상기 혼합물이 상온에서 4.5 내지 5.5일 동안 양생되고, 이후 40 내지 50℃에서 1.5 내지 2.5일 동안 양생되는 방사성 요오드 처리방법.

Description

인산 기반의 지오폴리머 원료를 활용한 방사성 요오드 고화방법 및 이에 따른 방사성 요오드 고화체{A method for solidifying radioactive iodine using phosphoric acid-based geopolymer raw materials and solidified radioactive iodine resulting therefrom} 본 발명은 인산 기반의 지오폴리머 원료를 이용하여 방사성 요오드를 고화하는 방법 및 이에 따른 방사성 요오드 고화체에 관한 것으로서, 방사성 요오드를 고화로 처분함에 있어서 방폐장의 인수기준보다 높은 압축강도를 나타내면서 동시에 방사성 요오드의 침출이 최소화될 수 있는 인산 기반의 지오폴리머 고화체로 고화하는 방법 및 이에 따른 방사성 요오드 고화체에 관한 것이다. 일반적으로, 원자력발전시설에서 사용하고 수명을 다하여 폐기해야 하는 원자로 장치나 장비들 중에는 방사성 물질에 오염된 것들이 대부분이다. 이와 같이 방사성 물질에 오염된 건축물, 설비, 기계장치, 구조물 등은 단순히 매립하거나 소각하지 못하고 반드시 방사성 물질을 제거하는 제염 및 절단 등의 감용처리를 한 뒤 원자력법 및 환경법상의 규정에 따라 처리되어야 한다. 방사성 요오드는 원자력발전소에서 발생하는 고방사성 핵종 중 하나로 액체 또는 기체 형태로 존재한다. 액체에 존재하는 방사성 요오드는 pH에 따라 IO3-, I-의 형태로 존재하게 되며 이중층수산화물, 제올라이트와 같은 흡착제로 제거한다. 방사성 요오드를 흡착한 흡착제는 최종적으로 고화체로 고화 처분을 해서 방사성폐기물 처분장에 인도되어야 한다. 고화 처분에 있어 대표적인 바인더 물질은 시멘트 물질인데, 시멘트는 다공성의 미세구조를 가지고 있어 핵종이 쉽게 누출된다는 단점이 있어 요오드와 같은 음이온 핵종을 시멘트를 이용하여 고화 처분하는 것에는 한계가 있는 실정이다. 알칼리 자극제를 이용해서 만들어지는 알칼리 기반의 지오폴리머 고화체로 방사성 요오드를 고화하는 시도가 있었으나, 알칼리 기반의 지오폴리머 고화체의 표면 음전하로 인해 방사성 요오드와 같은 음이온 핵종을 효율적으로 고화하는데에는 마찬가지로 한계가 있는 실정이다. 이에, 방사성 요오드의 침출을 최소화하면서 동시에 방폐장의 인수기준보다 높은 압축강도를 갖는 고화체로 방사성 요오드를 고화할 수 있는 방법에 대한 연구가 절실히 필요한 실정이다. (특허문헌 1) KR 10-2024-0045791 A (특허문헌 2) KR 10-2527089 B 도 1 내지 도 3은 실험결과를 도시한 도면이다. 이하, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 인산으로 제조되는 인산 기반의 지오폴리머 고화체에서는 표면이 양전하를 나타내기 때문에 음이온 핵종과 표면의 정전기적 인력 작용 효과를 기대해 볼 수 있는데, 이러한 표면에 나타내는 양전하의 정도는 양생되기 전의 혼합물에서의 인과 알루미늄(P/Al)의 몰농도 비율, 규소와 알루미늄(Si/Al)의 몰농도 비율, 고액비 등에 따라 달라질 수 있다. 본 발명에서는 이러한 인산 기반의 지오폴리머 고화체의 특성을 이용하여 방사성 요오드를 고화하기에 최적화된 배합비율을 개발하고, 이에 따른 지오폴리머 고화체의 특성 및 요오드 침출에 대한 평가가 이루어졌다. 인산 기반의 지오폴리머 고화체를 제조하는 원료를 이용하여 방사성 요오드를 지오폴리머 고화체로 고화하는 방법 및 이에 따라 방사성 요오드가 고화된 상태의 방사성 요오드 고화체인 인산 기반의 지오폴리머 고화체에 대해서 설명한다. 방사성 요오드, 메타카올린(metakaolin), 물 및 산성 활성화제가 혼합된 혼합물이 생성될 수 있고, 이후 이렇게 생성된 혼합물이 양생되어 방사성 요오드가 고화된 상태의 인산 기반의 지오폴리머 고화체가 제조될 수 있다. 여기에서, 물은 증류수일 수 있으며, 산성 활성화제는 인산(H3PO4)일 수 있다. 혼합물의 배합비율 중, 우선적으로 알루미늄의 몰농도에 대한 인의 몰농도의 비율을 살펴본다. 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 인의 몰농도의 비율(P/Al)은 1.0 내지 1.6일 수 있다. 바람직하게는, 1.25 내지 1.6일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.4 내지 1.6일 수 있다. 다음으로, 혼합물에서 알루미늄의 몰농도에 대한 규소의 몰농도의 비율(Si/Al)은 0.5 내지 1.5일 수 있다. 바람직하게는 0.9 내지 1.1일 수 있다. 다음으로, 고액비와 관련하여 혼합물에서 메타카올린의 100 중량부에 대해서 투입된 물과 산성 활성화제에 포함된 물이 합해진 물의 중량부는 1.1 내지 2.1일 수 있다. 즉, liquid/solid는 1.1 내지 2.1일 수 있는데, 여기에서 liquid는 혼합물에 투입된 물과 산성 활성화제에 포함된 물이 합해진 물의 중량이며, solid는 투입된 메타카올린의 중량이다. 바람직하게는, 메타카올린의 100 중량부에 대해서 혼합물에 투입된 물과 산성 활성화제에 포함된 물이 합해진 물의 중량부는 1.5 내지 1.7일 수 있다. 다음으로, 혼합물에 투입된 메타카올린의 100 중량부에서 대해서 혼합물에 투입된 방사성 요오드의 중량부는 1.5 내지 2.5일 수 있다. 바람직하게는, 혼합물에 투입된 메타카올린의 100 중량부에서 대해서 혼합물에 투입된 방사성 요오드의 중량부는 1.9 내지 2.1일 수 있다 양생조건을 살펴보면, 상술한 배합비율로 혼합된 혼합물이 상온에서 4.5 내지 5.5일 동안 양생되고, 이후 40 내지 50℃에서 1.5 내지 2.5일 동안 양생될 수 있다. 실험 및 실험결과에 대해서 설명한다. 제1실험으로 메타카올린, 85%의 인산, 증류수가 혼합된 혼합물을 양생하여 요오드가 존재하지 않은 상태의 인산 기반의 지오폴리머 고화체를 제조하였으며, 제2실험으로 메타카올린, 85%의 인산, 증류수 및 요오드산칼륨(KIO3)이 혼합된 혼합물을 양생하여 요오드가 고화된 상태의 인산 기반의 지오폴리머 고화체를 제조하였다. 제1실험 및 제2실험의 혼합물에서, 알루미늄의 몰농도에 대한 인의 몰농도의 비율이 1.25, 1.5(P/Al=1.25, 1.5)이 되도록, 그리고 알루미늄의 몰농도에 대한 규소의 몰농도의 비율이 1.0(Si/Al=1.0)되도록, 그리고 메타카올린의 중량에 대한 물(혼합물에 투입된 물과 산성 활성화제에 포함된 물을 합한 물)의 중량의 비율이 1.6(liquid/solid=1.6)이 되도록 혼합하였다 제2실험의 혼합물에서, 투입된 메타카올린의 100 중량%에 대해서 방사성 요오드가 2중량%가 되도록 혼합하였다. 양생조건을 살펴보면, 상술한 배합비율로 혼합된 혼합물을 상온에서 5일 동안 양생하고, 이후 45℃에서 2일 동안 양생하였다. 도 1은 7일 동안의 양생 이후의 각 실험에 따른 지오폴리머 고화체에 대한 압축강도를 나타내고 있다. 도 1에서 Pure는 제1실험에 따른 인산 기반의 지오폴리머 고화체를 지칭하며, KIO3는 제2실험에 따른 인산 기반의 지오폴리머 고화체를 지칭한다. 제1실험 및 제2실험 모두에서 P/Al 비율이 증가될수록 압축강도가 높아지고 있음을 알 수 있다. 1.5의 P/Al 비율에서 31 MPa의 압축강도를 나타내고 있는데, 이는 방사성폐기물 인수기준(waste acceptance criteria)인 3.445 MPa보다 월등히 높은 압축강도이다. 도 2는 제2실험에 따른 지오폴리머 고화체의 방사성 요오드의 누적 침출량을 나타내고 있다. 누적 침출량은 7일 동안의 양생 이후부터 일정한 간격으로 방사성 요오드의 침출량이 측정되어 계산되었다. 19일(19d) 침출 테스트에 따른 누적 침출량의 경우, 1.25의 P/Al의 비율의 경우 4.88%, 1.5의 P/Al의 비율의 경우 2.13%에 불과함을 알 수 있다. 이는, IO3-, I-의 형태의 음이온이 95% 이상 침출되는 알칼리 기반의 지오폴리머 고화체에 비해 90% 이상의 증대된 고정화 효율을 나타내고 있음을 알 수 있다. 도 3은 XRD 분석결과를 나타내고 있다. 도 3에서 Pure는 제1실험에 따른 인산 기반의 지오폴리머 고화체를 지칭하며, KIO3는 제2실험에 따른 인산 기반의 지오폴리머 고화체를 지칭한다. 1.5는 P/Al 비율이 1.5인 실험을 지칭하며, 1.25는 P/Al 비율이 1.25인 실험을 지칭한다. 제1실험 및 제2실험의 XRD 분석결과에서 비슷한 무정형의 돌출(amorphous hump)만이 나타나고 있고, 요오드와 관련된 새로운 크리스탈라인 상(crystalline phase) 등은 나타나고 있지 않다. 즉, 제2실험에서 요오드가 고화된 상태의 인산 기반의 지오폴리머 고화체가 제조되었는데, 인산 기반의 지오폴리머 고화체에서 지오폴리머 원료와 요오드와의 화학반응 등으로 새로운 화합물이 생성되지 않음을 알 수 있다. 이에 따라, 요오드는 지오폴리머의 주 성분들과 결합하여 새로운 상을 형성하기 보다는 인산 기반 지오폴리머 구조 내에 물리화학적으로 결합되어 고정화 되어 있음을 알 수 있다. 이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.