To understand the sorption mechanism of Co in the individual and mixed adsorbent systems in the application of the short-term performance assessment of surface disposal facilities and the evaluation of radionuclide deposition/migration in the contaminated surface areas, the sorption behavior of Co(II) on soil and soil components such as birnessite, humic acid (HA) and their mixture was studied. A series of experiment were conducted using the batch equilibrium technique on parameters such as equilibrium time, ionic strength, solution pH, and temperature to characterize the Co sorption behavior on soil and soil components.
To help understanding the Co sorption behavior in the aqueous environment and experimental results, Co speciation was investigated on the parameters of ionic strength and HA presence.
The speciation calculation shows that both of Co2+ reduction rate and Co(OH)+ production rate are decreased with the increasing ionic strength, which explains the negative impact of competitive ionic strength of Co sorption on adsorbent as the interaction of positively charged Co2+ and Co(OH)+ with the negatively charged adsorbent is decreased.
The presence of HA decreases the Co2+ reduction rate and Co(OH)+ production rate. Due to the Co-HA binding species, Co adsorption to HA can be enhanced even at low pH.
The soil samples collected from location near radioactive waste repository in Korea were used and birnessite was synthesized using a method by McKenzie for experiment. The experimental results indicate that Co sorption on soil, birnessite and soil with birnessite are strongly affected by the pH of solution. Typical for metal sorption to soils, the fraction of Co adsorbed increased as a function of pH at the experimental conditions. For sorption isotherm, the Freundlich equation provides a good fit for sorption on soil and soil with birnesssite. Desorption of Co on soil in presence of birnessite was decreased as the amount of added binessite was increased. Co binding to HA is enhanced achieving up to 90% as the pH approaches near 5. At the pH range of 5 ~6.5, HA-Co complex starts to dissociate and Co binding to HA decreases as pH is increased, due to strong competition between HA-Co complex and hydrolysis product. Adsorption of HA on birnessite decreased with increase of pH, with a sharp decrease at pH 5-6. From Co sorption experiment in a ternary system of Co, birnessite and HA, the presence of HA enhanced Co adsorption at pH below 6.5 and reduced the Co sorption at the intermediate and high pH.
For the investigatatoin of the effect of HA on Co binding capacity in multi adsorbent system of soil, a series of experiments were performed for Co sorption to birnessite, soil and soil with birnessite in the presence and absence of HA. When HA is not present, Co sorption shows the sorption edge at pH 4-7 which is similar to the sorption trend of soil. The presence of HA in soil with birnessite shows the similar Co sorption trend of birnesite with HA. The presence of HA increases Co adsorption drastically at low and medium pH region (< pH 5.7), and the HA influence on Co adsorption gets weak at pH > 5.7.
In the experiments of Co sorption on HA, birnesiste with HA and mixed system of soil, birnessite and HA which are aimed to identify the chracteractics of HA better in multi sorbent system, all the results with HA show the high sorption rate at low and medium pH and reduced effect at high pH region. The highest Co sorption rate is observed for the mixture of soil, birnessite and HA. And the sorbent showing second highest sorption rate is the birnessite with HA. Co sorption on HA shows the lowest sorption rate. This phenomenon is clearly indicated at low pH <5 and pH>6. At pH 5-6, all the sorbent shows the similar sorption rates. As the mixed sorbent system of soil, birnessite and HA has more sorption sites compared to other sorbent systems, it shows the highest sorption rate at all the pH ranges.
The results from this study, especially sorption data collected from the series experiments on soil, soil components such as birnessite and HA, and their mixed system can be utilized in developing relevant models to predict the Co transport/migration in the near surface environment and be applied in the safety assessment of nuclar facility or radioactive waste repository.
천층처분시설의 단기 성능평가와 오염된 표층지역에서의 방사성물질의 침적/이동평가 적용시 단일 또는 혼합흡착계에서의 코발트의 흡착 메커니즘을 이해하기 위하여, 본 논문에서는 버네사이트, 흄산 및 이들의 혼합물과 같은 토양 및 토양 구성 요소에 대한 Co(II) 핵종의 흡착거동을 연구하였다. 이를 위하여 일련의 실험들이 평형 시간, 이온 강도, pH, 그리고 온도와 같은 변수에 대해 배치평형방법을 이용하여 실시되었다.
또한 수중환경에서의 Co핵종의 거동과 실험결과의 이해를 돕기 위하여, Co핵종에 대한 화학종계산이 이온강도, 흄산의 추가와 같은 변수에 대해 수행되었다.
Co 화학종계산으로부터, Co2+ 감소율과 Co(OH)+ 생성율은 이온강도의 증가에 따라 감소됨이 확인되었다. 이는 양으로 부하된 Co2+ 이온과 Co(OH)+ 이온이 음으로 부하된 흡착재와의 상호작용이 감소하므로, 흡착재에 대한 Co 흡착에 경쟁이온강도가 부정적인 영향을 미침을 설명한다. 흄산의 추가는 중성이상의 pH에서 Co2+ 감소율과 Co(OH)+ 생성율을 감소시키지만, Co-흄산 결합종으로 인하여 낮은 pH 에서도 상대적으로 흄산에 대한 Co 흡착량이 증가하는 것으로 계산되었다.
흡착실험을 위하여 방사성페기물처분장 주변에서 채취된 토양을 가공하여 사용하였으며, McKenzie 방법으로 합성된 버네사이트를 사용하였다. 실험결과로부터, 토양, 버네사이트, 그리고 버네사이트가 추가된 토양시료는 용액의 pH에 의해 강하게 영향을 받음이 확인되었다. 전형적인 토양에 대한 금속이온의 흡착에서처럼, 실험조건에서 Co 흡착은 pH의 증가에 따라 증가하였다. 흡착등온선실험결과는 Freundlich 방정식이 토양 그리고 버네사이트가 추가된 토양에서의 흡착에 대해 잘 일치함을 나타내었다. 버네사이트가 추가된 토양시료에 대한 Co의 탈착량은 추가되는 버네사의트의 양이 증가함에 따라 감소하였다. 버네사이트에 대한 흄산의 흡착은 pH가 증가함에 따라 감소함을 보였으며, pH 5-6에서 급격한 감소를 나타내었다.
Co와 흄산의 흡착실험에서, Co의 흄산에의 결합율은 pH가 5에 접근함에 따라 90%까지 향상되었다. pH 5~6.5구간에서는 Co-흄산 컴플렉스와 가수분해 생성물들간의 강한 경쟁으로 인하여, HA-Co 컴플렉스는 해리되기 시작하고 Co의 흄산에의 결합은 pH가 증가함에 따라 감소함이 확인되었다.
Co, 버네사이트, 흄산이 혼합된 삼중계 시스템에서의 Co 흡착실험에서, 흄산은 6.5이하 저 pH에서 Co의 흡착량을 증가시키나, 반면 중성 또는 고 pH에서는 Co의 흡착량을 감소시키는 것으로 확인되었다.
토양의 다중흡착계에서 코발트 흡착능에 대한 흄산의 영향 조사가 버네사이트, 토양, 버네사이트가 추가된 토양에 대해 흄산의 유무 조건에 따라 실시되었다. 흄산이 추가되지 않은 경우, 코발트 흡착은 토양에서의 경우와 유사하게 pH 4-7에서 흡착 에지를 나타내었다. 흄산이 추가된 경우에는, 코발트 흡착은 버네사이트에서와 같이 저.중 pH에서 (5.7에서 흄산의 영향은 점차 약해짐을 나타내었다.
코발트흡착에 대한 흄산의 특성을 추가 규명하기 위한 흄산, 흄산이 추가된 버네사이트, 토양 혼합체 (토양, 버네사이트, 흄산 혼합체) 에서의 추가연구에서, 모든 결과는 흄산이 추가된 경우 저.중 pH에서 높은 흡착율을 보였으며, 고 PH에서는 흄산의 영향이 줄어듦을 나타내었다. 흄산이 가미된 버네사이트가 두번째의 흡착능을 그리고 단일 흄산의 경우 제일 낮은 흡착율을 보였다. 이러한 현상은 pH<5의 저산도 그리고 pH>6에서 두드러 졌다. pH 5-6에서는 모든 흡착재가 유사한 흡착능을 보였다. 흡착 사이트가 가장 많은 토양 혼합체 (토양, 버네사이트, 흄산 혼합체)가 전 pH 에서가장 높은 흡착능을 나타내었다.
토양과 토양 구성재에 대한 흡착실험 데이타를 포한한 당 연구결과는 향후 천층처분시설에서 코발트의 이동을 예측하는 모델개발과 원자력시설의 안전성평가에 적용될 수 있다.