The chemical and physical characteristics of boric acid were investigated. Especially the behavior of borate ions in aqueous solution was focused and the computer programs were developed to calculate the distribution of borate ions at various conditions. The programs were used to analyze the diffusion phenomena of aqueous boric acid.
In order to determine an economical and simple separation method of boric acid in aqueous solution, some possible technologies were investigated. Membrane extractor without dispersion and density differences was selected and its theory was established. Separation experiments using membranes such as Celgard 3401 hydrophilic microporous and $AFN^\textregistered$ anion exchange membrane were made at boric acid concentrations up to 2.0 M and cobalt concentration of $5.0\times10^{-4}M$ as cobalt chlorides ($CoCl_2$), pH of 7.0, temperatures of 25, 40, and 55℃, and flow rates of 100, 300, 400, 500, and 800 ㎤/min.
The membrane extractor was simulated with the theory established. For the simulation of membrane extractor some parameters such as the differential diffusion coefficients (DDC) and the mass transfer coefficients of boric acid in AFN membrane were measured. Diffusion coefficient for aqueous boric acid without pH control or with pH of 7.0 have been measured at 25, 40, and 55℃ and at concentrations up to 2.0 M. The mass transfer coefficients in charged membrane were estimated with the same device at 55℃. Diluent and concentrate streams flow rate were 27 and 42 ㎠/min., respectively.
Diffusion coefficients were measured by Stokes diaphragm cell method and the experimental results were analyzed with the newly developed method using regression analysis. The experimental and data analysis method was checked with HCl. The following relationship for the estimation of the DDC of HCl in aqueous solution was obtained: $D(10^5cm^2/\sec)=3.3390+1.397362C-0.086295C^2-1.2149445C^{1/2}$. This coefficient provide the satisfactory results over the concentration range 0.0 to 4.5 M at 25℃.
There was small difference between diffusion coefficients of boric acid in solution of pH 7.0 and those without pH control. It was verified that the DDC of boric acid in case of no pH control and in the case of pH 7.0 could be calculated by the following relations, respectively, over the each concentration range at 25℃:
D($10^5$ ㎠/$\sec$) = 1.640516 - $0.678597C^{1/2}$, 0 ≤ C ≤ 0.65 M
and D($10^5$ ㎠/$\sec$) = 1.412311 - 1.072404C - $0.74155C^2$, 0 ≤ C ≤ 2.0 M, respectively. Other parameters of the latter equation were determined at temperatures of 40 and 55℃. It showed that mass transfer coefficients in AFN membrane could successfully be estimated as $K_m=4.3326\times10^{-5}(cm/\sec)$ over the broad range of boric acid concentration.
To determine the correction factor and to examine the properties of membrane extractor, Celgard $3401^\textregistered$ extractor was first simulated with computer program. Correction factor used for the simulation was independent of the solution temperature and was 8.75 at flow rates of 300 ~ 800 ㎤/min.. This correction factor was used to simulate $AFN^\textregistered$ extractor. The simulation for $AFN^\textregistered$ resulted in a good agreement with experimental results at 40℃, but not 55℃. The retaining ability on cobalt was also turned out to be better at 40℃ than 55℃.
The simulating computer program was also applied to a conceptual life size designed extractor. If the extractor is applied to the separation of boric acid in evaporator bottom products, 90 % of boric acid in evaporator concentrate could be separated for so short duration that the cobalt in the evaporator might be caught more than 99 % of initial content. Therefore this extractor could reduce the number of drum generated from liquid waste treatment more than 87 % compared with evaporator operation without boric acid separation. In addition, evaporator operation with the extractor might produce much small number of drums than that of ion exchange bed operation without evaporator.
붕산의 화학적, 물리적 특성들이 조사되었는데 특히 수용액내의 붕소 이온들의 거동에 촛점이 맞추어졌고 여러 조건하에서 붕소 이온들의 분포를 계산할 수 있는 컴퓨터 프로그램이 개발되었다. 이 프로그램은 붕산의 확산 현상을 분석하는데 사용되었다.
수용액내의 붕산을 분리할 수 있는 경제적이고도 단순한 기술을 결정하기 위해 몇가지 가능한 기술들을 조사하였고 분산 및 밀도차가 였. 다 리기가 선택되었으며 이에 대한 이론을 수립하였다. 분리 실험은 친수성 미세다공질 막인 Celgard $3401\textregistered$ 과 $AFN\textregistered$ 음이온 : 행되었 붕산하농 다음과 같은 조건하에서 수행되었다: 붕산농도 0.01~2.0 M, 코발트농도 $5.0\times10^{-4}$ M; pH 7.0; 온도 25, 40, 55℃; 유량 100, 300, 400, 500, 800 ㎤/min..
수립된 이론을 바탕으로 막추출기를 모사화하였다. 모사화를 위해 수용액내 붕산의 미분확산계수 및 막내에서의 붕산의 전달계수와 같은 변수들이 측정되었다. 붕산의 확산계수를 측정하기 위해 다음과 같은 조건하에서 실험이 수행되었다: 붕산농도 2.0 M까지; pH 7.0 또는 pH를 조절하지 않음; 온도 25, 40, 55℃. 음이온 교환막내에서의 전달계수는 분리실험에 사용했던 동일한 장치를 이용하였고, 실험 온도 55℃, 추출액 및 농축액측의 유량 27 및 42 ㎤/min. 이외에는 분리실험과 같은 조건하에서 측정되었다.
Stokes 격막법이 확산 실험에 이용되었고 얻어진 데이타는 회귀분석을 이용하는 새로운 방법에 의해 처리되었다. 실험 및 데이타 분석 방법의 타당성을 검증하기 위해 염산용액에 대해 Stokes가 제시한 값과 본 연구에서 얻어진 다음 식에 의해 계산된 값을 비교하였는데 25℃ 에서 염산농도 0에서 4.5 M 까지 다음 모델식의 타당함이 입증되었다: D($10^5cm^2/\sec)=3.3390+1.397362C-0.086295C^2-1.2149445C^{1/2}$.
pH를 7.0으로 조절한 용액과 pH를 조절하지 않은 용액에서 붕산의 확산계수는 거의 차이가 없었다. 25℃에서 pH를 조절하지 않은 용액과 pH를 7.0으로 조절한 수용액에서 붕산의 확산계수는 각각 다음과 같은 회귀 모델로 예측할 수 있음이 입증되었다: $D(10^5cm^2/\sec)=1.640516-0.678597C^{1/2}$, $D(10^5cm^2/\sec)=1.412311-1.072404C-0.74155C^2$. 두번째 식의 매개변수들이 용액온도 40 과 55℃에 대해서도 결정되었다. 또한 $AFN \circledR$ 막내에서 붕산의 전달계수는 광범위한 붕산농도에 대해 $k_m=4.3326\times10^{-5}(cm/\sec)$으로 주어질 수 있음이 입증되었다.
막추출기의 성질을 파악하고 보정계수를 결정하기 위해 Celgard $3401\textregistered$ 추출기에 대한 실험이 수행되었다. 그 결과 보정계수는 용액의 온도에 무관하며 유량범위 300 ~ 800 ㎤/min.에서 8.75임이 밝혀졌다. 이 보정계수는 $AFN\textregistered$ 추출기를 모사하는데 사용되었는데 $AFN\textregistered$ 추출기는 55℃ 보다는 40℃ 에서 실험값과 잘 일치하였고 코발트에 대한 구금능력도 40℃ 에서 더 좋은 것으로 나타났다.
모사화를 위한 전산 프로그램이 실제 크기로 개념설계된 $AFN\textregistered$ 추출기에 적용되었는데 증발기 농축액내 코발트의 농도를 99 % 이상으로 유지할 수 있는 짧은 시간내에 농축액내 붕산의 90 %를 제거할 수 있음이 밝혀졌다. 이 추출기를 붕산 분리에 이용한다면 붕산을 분리하지 않는 기존의 증발기 운전방법에 비해 액체 폐기물의 처리로 부터 발생되는 고화드럼수를 87 % 이상 감소시킬 수 있다. 또한 증발기 없이 이온교환수지탑으로만 처리하는 방법보다 더 적은 고체 폐기물을 발생시킬 수 있다.
