Among the component materials in a radioactive waste disposal system, the waste forms are established as the primary barrier to prevent radioactive nuclides from leaching. The safety and economic considerations of a radioactive waste disposal system can therefore be enhanced significantly by the full utilization of the physicochemical characteristics of a cementitious material when used as a waste form. The major objective of this dissertation is to investigate the cementitious solidification of cesium (Cs) and strontium (Sr) using geopolymers. The scope of the research includes the following: 1) characterization of a geopolymeric binder for solidification in terms of its physicochemical properties, 2) an analysis of the leaching behaviors of Cs and Sr from a geopolymer-solidified matrix, and 3) determination of the mechanisms by which Cs and Sr are immobilized in a geopolymeric binder.
The effects of material variables on the physicochemical properties of fly ash-based geopolymer and slag-blended geopolymer are initially explored. The leaching behavior of Cs and Sr from geopolymer is then evaluated in accordance with ANSI/ANS-16.1. The results show that the diffusivity of Cs and Sr in a fly ash-based geopolymer is lower than that in Portland cement by a factor of $10^3$ and $10^4$, respectively, showing significantly improved immobilization performance. The relationship between the critical pore diameter and the diffusivity of water-soluble ions reveals that the fly ash-based geopolymer is superior with regard to its physical encapsulation capabilities.
Finally, the immobilization mechanisms of Cs and Sr in geopolymers are elucidated. The majority of Sr in the geopolymers precipitated as $Sr(OH)_2$ and $SrCO_3$. Batch adsorption test results showed that the adsorption kinetics of geopolymers with relatively high adsorption capacities were very compatible with Ho’s pseudo-second-order kinetic model. This result indicates that the adsorption capacity is correlated with the extent of the aluminosilicate gel and that the adsorption kinetic is governed by a complex multistep adsorption process which includes chemisorption step. Consequently, the fly ash-based geopolymer had a highly negatively charged surface and a higher surface area, resulting in the effective immobilization of both Cs and Sr.
방사성폐기물 처분 시스템의 구성요소 중에서 폐기물 고화체는 방사성 핵종이 누출되는 것을 막는 일차 방벽의 역할을 담당하며, 따라서 고화처리에 사용되는 시멘트계 재료의 물리 화학적 특성을 충분히 예측하고 활용함으로써 처분 시스템 전체의 경제성과 안전성을 크게 향상시킬 수 있다. 현재 일반적으로 사용되거나 논의되고 있는 고화처리 재료는 포틀랜드 시멘트 기반의 재료이나, 규산칼슘 수화물을 주 조직으로 하는 포틀랜드 시멘트는 장기 내구성에 취약한 단점이 있다. 뿐만 아니라, 그 동안 많은 연구자들에 의해서 포틀랜드 시멘트계 재료의 세슘 및 스트론튬에 대한 낮은 고정능이 꾸준히 문제점으로 지적되어 왔다.
지오폴리머는 제올라이트와 유사하지만 비정질의 규산알루미늄 겔을 주 조직으로 하며, 포틀랜드 시멘트와 유사한 기계적 강도를 발휘함은 물론이거니와, 뛰어난 내산성, 내열성, 내구성을 가진 재료로써 방사성폐기물 고화처리 재료로 사용될 경우 많은 이점을 기대할 수 있다. 그러나, 그 동안 지오폴리머의 방사성 핵종 고정화 거동에 관한 연구와 과학적 지식은 상대적으로 부족한 실정이다. 본 논문에서는 지오폴리머 고화처리를 이용한 세슘 및 스트론튬의 고정화 거동을 규명하는 것을 목적으로, 지오폴리머의 고화과정에 수반되는 물리 화학적 특성을 분석하고, 지오폴리머 고화체로부터 세슘 및 스트론튬의 용출 거동과 고정화 메커니즘을 조사하였다.
플라이애시 기반 지오폴리머와 슬래그 혼입 지오폴리머를 대상으로 두 재료의 고화과정에 미치는 재료적 변수가 먼저 시험되었다. 플라이애시 기반 지오폴리머에서는 플라이애시의 품질을 고려하였고, 슬래그 혼입 지오폴리머에서는 슬래그의 혼입량과 고성능 감수제의 영향을 조사하여, 각 재료 요소들이 지오폴리머의 반응생성물과 미세 조직, 기계적 강도 등에 미치는 영향을 규명하였다. 지오폴리머 고화체로부터 세슘 및 스트론튬의 용출 거동은 ANSI/ANS-16.1 규격에 의거하여 평가하였다. 플라이애시 기반 지오폴리머는 포틀랜드 시멘트에 비해 세슘에서 $10^3$ 배, 스트론튬에서 $10^4$ 배 정도 극적으로 감소된 유효 확산계수를 나타내어, 세슘 및 스트론튬의 고정화에 우수한 재료임이 밝혀졌다. 또한, 지오폴리머의 세슘 및 스트론튬 고정능은 플라이애시의 품질에 영향을 받지 않음을 알 수 있었다. 슬래그 혼입 지오폴리머는 포틀랜드 시멘트와 플라이애시 기반 지오폴리머의 중간 정도의 용출 저항성을 보였다. 한편, 수용성 세슘과 스트론튬 이온의 함량에 대한 확산계수는 고화재의 모세관 공극경과 매우 밀접한 관계가 있었으며, 플라이애시 기반 지오폴리머는 작은 모세관 공극경을 가짐으로써, 고정되지 않은 수용성 이온의 확산을 저지할 수 있는 우수한 물리적 고정능을 보였다.
용출 시험과 고화체 내부에 존재하는 수용성 세슘 및 스트론튬 이온의 함량에 대한 분석결과, 지오폴리머의 주된 고정화 기작은 화학적인 작용에서 기인된 것임이 시사되었다. 스트론튬은 플라이애시 기반 지오폴리머와 슬래그 기반 지오폴리머 안에서 상당 부분이 수산화 스트론튬 및 탄산 스트론튬 결정상의 형태로 침전됨으로써 고정 되었다. Batch법을 이용한 흡착시험 결과, 흡착능이 상대적으로 낮은 포틀랜드 시멘트와 슬래그 혼입 지오폴리머의 흡착기구는 Lagergren의 pseudo-first-order kinetic model을 잘 따르는 반면, 흡착능이 상대적으로 높은 슬래그 혼입 지오폴리머와 플라이애시 기반 지오폴리머의 흡착기구는 Ho의 pseudo-second-order kinetic model을 잘 따르는 결과를 보였다. 이 결과로부터 흡착능은 규산알루미늄 겔과 높은 상관관계가 있음이 규명 되었고, 규산알루미늄 겔의 흡착기구는 양이온 교환 등에 의한 화학적 흡착작용에 지배적으로 영향을 받음을 알 수 있었다. 결론적으로, 플라이애시 기반 지오폴리머는 표면이 음이온으로 대전된 낮은 제타전위를 띄면서 핵종과 반응할 수 있는 큰 비표면적을 가짐으로써 세슘 및 스트론튬의 화학적 흡착에 기여할 수 있음이 규명되었다.
