In this study, the feasibility of implementing the ferrite treatment method into the LRWPS has been proved in both theoretical and experimental ways.
Currently limited applications of the ferrite process into the LRWPS can be ascribed to the followings : ① deficiency in knowledge about the reaction mechanisms, ② absence of adequate model, and ③ difficulty in removing non-transition metal elements.
First of all, the overall reaction mechanisms involved in the $Co^{2+}/FeO· Fe_2O_3$ system were analyzed, and a new concept sorption model named ESCM were developed and proposed by extending the conventional SCM. The validity of the ESCM was verified by using a series of experimental data. As a result, two of the most important parameter values were determined as $log^*K_{Co2+}$ = -2.0 and $log^*K_{CoOH+}$ = -8.0, respectively. The optimal operating condition turned out to be above pH 8. The ion exchange of the $Co^{2+}$ with the structural $Fe^{2+} is dominant below pH 6, the surface complexations of $Co^{2+}$ and $CoOH^{+}$ play important parts in the range of pH 6 to 9, and the slight increase of the removal efficiency above pH 9 can be attributed to the surface or bulk precipitation of $Co^{2+}$ into $Co(OH)_2$. In addition, the removal efficiency of the Co species are hardly affected by the disturbing factors such as coexistence of chelating agent or competing cation, and high ionic strength.
By performing a set of experiments with varying the ferrite composition, it turned out that $MnO·Fe_2O_3$ has the highest selectivity toward Sr, which has been known to be scarcely removed by the conventional ferrite process. The validity of the ESCM was reassured by using the experimental data attained from the $Sr^{2+}/MnO·Fe_2O_3$ system. The complexation constants $log^{*}K_{Sr2+}$ and $log^{*}K_{SrOH+}$ have the values of -0.5 and -13.0, respectively. The theoretical maximum Sr-removing capacity of $MnO·Fe_2O_3$ is about $0.28g·g^{-1}$. However, it turned out that the optimal operating condition is above pH 9,and the decrease of the removal efficiency caused by the disturbing factors are relatively large compared to the $Co^{2+}/FeO·Fe_2O_3$ system.
In most of the ferrite treatment systems, the plots of $logC_f$ vs. $-log[H^+]$ can be well-fitted with a quadratic equation. This relation can be used as a system-specific characteristic curve in order to predict the process efficiency of the large-scale ferrite process.
It is anticipated that the pre-formed ferrite process can be effectively and directly adopted into pre-treatment stage of the conventional LRPWS or various alkaline (pH＞9) waste streams such as miscellaneous wastewater and floor drains. Furthermore, development of a continuous-type ferrite reactor, selection of Cs- and I-selective ferrite materials, and economical efficiency analysis over the whole process should be preceded to the full-scale application.
본 연구에서는 액체방사성폐기물 처리시스템에 대한 페라이트공정의 적용성이 이론적·실험적으로 규명되었다.
페라이트공정은 중금속 이온에 대하여 높은 분리효율을 갖는 것으로 알려져 있으며, 일반환경 및 폐수처리 분야에서 널리 이용되고 있다. 그러나 중저준위 방사성폐기물 처리에 대한 페라이트공정의 적용사례는 지금까지 거의 보고된 바 없으며, 이것은 ① 적합한 모델링 연구의 미흡, ② 전체적인 반응메카니즘의 규명 미흡 및 ③ 비전이금속이온 분리의 어려움 등에 기인하는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 우선 $Co^{2+}/FeO ·Fe_2O_3$ 시스템을 대상으로 하여 관련 반응메카니즘을 분석하고, 기존의 SCM 모델을 확장한 새로운 개념의 모델인 ESCM을 개발/제시하였다. 제안된 모델의 타당성은 실험자료와의 상호비교를 통하여 검증되었다. 공정 모사결과, 중요한 매개변수 $log^*K_{Co^{2+}}$ 및 $log^*K_{CoOH^+}$의 값은 해당 조건하에서 각 각 -2.0와 -8.0인 것으로 규명되었다. Co 분리공정의 최적운전조건은 pH 8이상인 것으로 밝혀졌으며, pH 6이하에서는 $Co^{2+}$와 페라이트 구성 $Fe^{2+}$와의 이온교환반응, pH 6 - 8에서는 $Co^{2+}$와 $CoOH^+$이온의 표면흡착반응, 한편 pH 8 이상에서는 $Co^{2+}$의 $Co(OH)_2$으로의 침전반응이 주도적인 반응메카니즘임이 규명되었다. 또한 Co의 분리는 착화제, 경쟁이온 및 이온화 강도의 증가 등 여러가지 외부 방해요인에 거의 영향을 받지 않는 것으로 밝혀졌다.
페라이트의 조성을 다양하게 변화시켜가면서 실험을 수행함으로써, $MnO·Fe_2O_3$가 기존의 페라이트공정으로는 분리하기 어려운 것으로 알려진 Sr에 대해 가장 우수한 선택성을 갖는다는 사실과 비전이금속이온 또한 적절한 페라이트 물질을 사용함으로써 높은 효율로 분리할 수 있다는 사실을 발견하였다. $Sr^{2+}/MnO·Fe_2O_3$ 시스템에 대한 일련의 실험으로부터 얻어진 자료를 통하여 본 연구에서 개발된 ESCM의 적용성을 재확인 하였으며, 주어진 시스템에서 매개변수 $log^*K_{Sr^{2+}}$ 및 $log^*K_{SrOH^+}$의 값은 각각 -0.5와 -13.0인 것으로 밝혀졌다. $MnO·Fe_2O_3$ 1g 당 Sr의 최대분리용량은 약 0.28g에 이르는 것으로 나타났다. 그러나 Sr 분리공정의 최적운전조건은 pH 9이상인 것으로 밝혀졌으며, 전체적인 분리효율도 Co 분리공정에 비하여 다소 낮으며 외부 방해요인에 의한 분리효율 감소도 상대적으로 큰 것으로 밝혀졌다.
또한 본 연구에서는 대부분의 페라이트공정에서 $log C_f$ 대 $-log[H^+]$의 관계식이 2차곡선 형태로 나타난다는 사실을 발견하였으며, 이러한 관계식은 시스템에 대한 특성곡선으로서 향후 대규모 페라이트공정의 분리효율을 간단하게 예측하는 목적으로 사용될 수 있다는 가능성을 확인하였다.
페라이트공정은 기존 이온교환공정에 대한 전처리공정 또는 액체방사성폐기물 중 pH 9 이상의 염기성 폐액 (잡폐액 및 바닥배수 등)의 처리에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대되며, 실제 적용을 위해서는 연속운전방식의 개발, Cs 및 I에 대해 선택성이 우수한 페라이트물질의 선정 및 전체 공정에 대한 상대적인 경제성평가가 선행되어야 할 것으로 판단된다.
