흡착등온은 흡착평형과 같은 말로써 주어진 온도 및 유체상에서 흡착층의 농도와 흡착 제 입자 속의 흡착질 농도간의 평형관계를 나타낸 것이다. 흡착등온식은 다음과 같다[13].
○ Linear K 등온식
Linear K(선형등온식)은 Freundrich등온선의 n=1일 때 적용되는 식이다.
= (1)
: 흡착량(mg/g)
: 평형 용액 농도(mg/L)
○ Langmuir 등온식
Langmuir 등온식은 모든 흡착점의 흡착에너지는 균일하며 흡착된 분자간에 상호 인 력이 없으며 흡착은 비어 있는 흡착점과 기체 분자간의 충돌에 의해서 이루어진다고 가정한다.
그림 34. Langmuir Isotherm =
(2)
: 흡착량(mg/g)
: 평형 용액 농도 (mg/L) : 최대 흡착량 (mg/g) : Langmuir 상수 (L/mg)
○ Freundrich 등온식
Freundlich 등온식은 Langmuir 등온선이 잘 맞지 않는 흡착에 적용하기 적합하며, 이는 경헙적 실험식으로서, 여기서 n과 는 상수이다. 는 흡착점의 수를 나타내고 n은 흡착된 분자간의 상호작용의 정도를 나타낸다. n > 1이며 온도가 증가하면 흡착량은 감소하며 n > 1이면 흡착된 분자간 척력이 존재하여서 압력이 증가하여도 흡착량의 증가가 작아서 흡착 등온선이 불룩한 모양을 갖는다.
그림 35. Freundlich Isotherm
= (3)
: 최대흡착량(mg/g) : 평형용액 농도(mg/L)
: 흡착지수 , 실험적 상수(Freundlich constant) 일반적으로 1 > n 이며, n=1일 때 Linear Isotherm n이 상당히 큰 상수로 나타나면 Langmuir Isotherm
그림 36. pH별 Na, Cl의 NaCl(aq)의 결합(%)
제5절. 토양제염 성능 평가방법 선정 및 예비평가
방사성 물질을 제거할 수 있는 토양제염 방법 중에는 토양세척, 복합동전기법 등이 있으며 방사성 물질의 선택적 분리를 위해 흡착제를 공정에 포함하여 사용한다. 위 공 정과정은 질산, 물 등 수용액상 환경에서 이루어진다. 질산 및 물 등으로 세척을 통해 토양과 분리된 Cs은 제올라이트, 탄소나노튜브와 같은 흡착제와 양이온 교환 및 화학 평형이 이루어진다. 이는 화학평형 Code로 그 양을 나타낼 수 있다.
화학평형 Code에는 PHREEQC, Visual MINTEQ, WATEQ4F 등 다양한 Code들이 있 다. 그 중 Visual MINTEQ는 흡착등온(화학평형)을 나타낼 수 있는 Adsorption Isotherm 기능을 포함 하고 있어 Cs의 선택적 분리 성능평가 방법에 적용이 가능하 다. 또한 직접 측정방법인 ICP-AES 및 ICP-MS 및 방사선계측기로 측정된 값과 회귀 분석()을 통해 성능평가 결과를 비교할 수 있다.
Visual MINTEQ의 모의 수행을 위해 임의의 조건을 주어 Code의 Component값에 대 입하여 예비 평가하였다. 모의수행의 임의의 실험조건은 Na와 Cl을 각각 1g씩 포함하고 있는 용액 100ml에서 pH별 결합을 알아보기 위해 온도는 25℃고정, pH는 1부터 14까 지 변화를 주어 NaCl의 결합을 나타내보았다.
NaCl의 pH별 결합은 그림 36과 같으며 모든 Na와 Cl은 전부 용해되었다. 또한 이온결 합으로 인한 NaCl의 생성은 대부분 수성종(aq) 결합되었다.
제5장 결론 및 제안
본 연구에서는 세슘(Cs)의 방사성학적 특징을 살펴보았으며 후쿠시마 원전 사고 후 주변토양에 세슘(Cs)의 분포현황 및 시간에 따른 이동과 토양제염 방법을 생물학적, 물리․화학적, 열적 처리 방법으로 구분하여 방법 및 특징을 나타내었으며 또한 토양제 염 후 제염 효율 성능평가 방법을 분석하였다.
토양제염 방법과 성능평가 방법 분석의 목적으로는 추후 예기치 못하게 발생할 수 있 는 원자력발전소 사고 및 원자력발전소 해체 시 적용 가능한 제염방법 및 성능평가 방 법 후보군 마련에 있다. 대부분의 토양제염방법은 전처리 과정으로 토양과 세슘(Cs)을 분리하기 위해 세척 및 세정을 실시하며 이로 인한 수용액내에 남아있는 방사성물질을 선택적 분리를 위해 흡착제를 사용한다. 이는 모두 수용액 환경 내에서 이루어지며 수 용액상내 흡착물질과의 반응은 흡착등온식(adsorption isotherms)으로 계산이 가능하며 이는 화학평형 Code 중 하나인 Visual MINTEQ Code로 기능을 수행할 수 있다.
그러나 Visual MINTEQ을 통한 성능평가를 위해서는 고효율 흡착제 개발 및 선택, 국내 원자력관련 시설 및 주변의 토양의 실험적 실측 Data가 구축되어 있지 못한 상 황이다. 정확한 제염성능 평가를 위해서는 다음의 사항을 고려해야 한다.
첫째, 오염된 부지의 제염 후 용도 목적에 따른 부지복원 기준설립이 이루어져야한 다. 둘째원자력관련시설 및 주변 토양의 성분분석을 통한 Database화 구축하여야 한 다. 셋째, 국내 실정에 적합한 토양제염 방법 선정 및 고효율흡착제 개발이 필요하다.
넷째, 이에 따른 화학평형 Code를 사용하여 성능평가를 위해 국내 토양 및 흡착제와 Cs과의 화학결합 및 열역학적 Data가 필요하다. 위의 자료를 구축하고 미리 토양제염 에 대한 예비평가를 수행한다면 국내 고리 1호기 원전해체 및 예기치 못한 원전사고 시 선행적 연구로서 가치가 있을 것으로 사료된다.