고정화 알긴산을 이용한 방사성핵종 제거

최실호, 유영제*, 윤현희

경원대학교 공과대학 화학공학과

*서울대학교 공과대학 화학공학과

Removal of Radionuclide by Immobilized Alginic acid

Sil Ho Choi,  Young Je Yoo*, and Hyon Hee Yoon

Department of Chemical Engineering,  Kyungwon University

Department of Chemical Engineering,  Seoul National University*

서론

원자력 이용의 증대에 따른 방사성폐기물 배출량의 증가와 더불어 원자력의 안전성에 대한 관심이 높아지고 있는 실정에서 방사성폐기물의 적절한 처리는 기술적 또는 환경적으로 중요한 문제가 되고 있다. 현재 중저준위 방사성폐액은 대부분 이온교환수지를 이용하여 처리하고 있다. 그러나 이온교환수지는 선택성이 낮아 방사성폐액에 일반 화학성분(calcium, magnesium 등)이 다량 함유된 경우는 수명이 짧아 효과적이지 못하다. 또한 폐이온교환수지는 고형화할 때 팽윤 등의 문제로 고화체의 건전성이 낮은 문제점을 갖고 있다.

최근에 각종 미생물(bacteria, fungi, algae)이 특정 금속성분과 다양한 형태의 친화력을 갖고 있다는 성질을 이용하여 미생물흡착제(biosorbent)에 의한 금속이온의 분리기술이 개발되고 있다. 현재 산업폐수처리용으로 상용화된 미생물흡착제는 AlgaSORB[1] AMT-BIOCLAIM(MRA)[2] 등으로 납, 금, 카드뮴, 아연, 및 기타 중금속제거에 사용되고 있다. 미생물흡착에 의한 방사성핵종의 제거기술은 비교적 최근에 연구되고 있으나, 특정 방사성성분의 경우 이온교환수지에 비하여 분리성능의 우수함이 보고되고 있다.

미생물에의한 금속성분흡착은 ion-exchange, complexation, coordination, chelation, inorganic microprecipitation 등의 현상을 통하여 선택적으로 이루어진다. 특히, 조류(algae)에 의한 금속이온의 흡착은 조류의 세포벽을 구성하고 있는 주요성분인 알긴산(alginic acid)이 생물흡착의 주된 작용을 한다.[3] 알긴산은 자연상태의 조류 내에서 Na+, Mg2+ 등과 결합하여 alginate로 존재하며, 금속이온과 이온교환반응을 일으킨다.

본 연구에서는 이러한 알긴산을 이용하여 중전위 방사성폐액의 주요 방사성핵종인 Sr, Cs, Co의 흡착분리 실험을 수행하였다. 자연상태의 알긴산을 PVA(Poly vinyl Alcohol) 담체에 고정화하고 glutaraldehyde로 가교(cross-linking)시켜 사용하였으며[5], 온도, pH, 음이온종(anionic species)이 흡착성능에 미치는 영향을 조사하였다.

실험재료 및 방법

실험재료

알긴산을 수용성 고분자인 polyvinyl alcohol과 함께 100℃에서 용융하여, 고정화 용액인 boric acid속에서 bead를 만든 후, 건조시키고 glutaraldehyde용액에 일정시간 저장한 후 다시 건조시켜 알긴산 고정화 bead를 만들었다.[5] Bead 1g에 0.633g의 알긴산이 고정화된다.

방사성폐액 시료는 NO3-염 형태인 Sr(NO3)2, CsNO3, Co(NO3)2와  Cl-염 형태인 SrCl2, CsCl, CoCl2를 물에 녹여 1,000ppm으로 만든 후, 이를 필요한 농도로 희석하여 사용하였다.

흡착실험

흡착실험은 방사성용액 시료 100□당 1.6g의 알긴산 고정화 bead를 넣고, 항온조내에서 150rpm으로 24시간 교반한 후, 1N의 NH4OH용액과 1N의 HCl 용액으로 원하는 pH로 조절한 후 다시 24시간 동안 교반하였다. 이러한 작업을 pH가 변하지 않을 때까지 수행한 다음, 시료를 취하였다. 시료를 원심분리하여 이물질을 제거하고 ICP( Inductively Plasma Spectroscopy)를 이용하여 방사성 핵종의 농도를 분석하였다.

흡착량은 Q=[V×(Ci-Cf)]/W 로 구하였다. 여기서 Q는 흡착제(알긴산)질량당 흡착량(mg/gdry-cell), V는 용액부피(L), Ci는 초기농도(mg/L), Cf는 흡착후 농도(mg/L), W는 알긴산의 건조중량(g)이다.

결과 및 고찰

흡착평형

순수한 알긴산 gel particle과 알긴산을 PVA로 고정화한 bead를 사용하여 각각의 흡착성능을 비교하였다. Fig.1-3은 방사성 핵종의 농도 변화에 따른 알긴산의 흡착성능을 나타낸 것으로, 알긴산이 Sr, Cs, Co등의 방사성핵종제거에 효과적으로 사용될 수 있음을 보여주고 있다. Fig.1에서 나타난 바와같이, Sr은 알긴산에  37.3 mg/g까지 흡착되었다. 저농도에서는 고정화로 인하여 흡착능이 저하되었으나 고농도에서는 흡착능이 pure gel particle과 PVA bead가 각각 37.3mg/g, 32.2g/g로 큰 차이가 없었다. Cs의 경우에는 알긴산의 고정화로 인한 흡착량 감소는 관찰되지 않았다.(Fig.2) 그러나 Co의 경우 Fig.3에서 볼 수 있듯이, 고정화로 인하여 약 83%까지 흡착량이 감소되었다. 알긴산에 의한 Co 흡착량은 5.5mg/g으로 적게 나타났다. Co는 기존의 이온교환수지나 활성탄을 사용하는 경우에도 분리가 어려운 물질로 보고되고 있다.

pH 및 온도의 영향

Fig.4는 pH 변화에 따른 방사성 핵종의 흡착량 변화를 나타낸 것이다. Sr의 경우, pH 2와 pH 4사이에서 pH 증가에 따라 흡착량이 14.77 mg/g에서 64.4 mg/g까지 증가하였으며, pH 4이상에서는 pH에 따라 흡착량의 변화가 거의 없었다. 그러나 Cs의 경우에는 pH의 영향이 미미한 것으로 나타났다.

Fig.5는 온도 변화에 따른 방사성 핵종의 흡착량 변화를 나타낸 것이다. 알긴산을 이용한 Pb의 흡착실험에서 온도증가에 따라 흡착량이 약간씩 증가하는 것으로 보고되어있다.[5] 그러나 알긴산을 이용한 Sr과 Cs의 흡착시, Fig.5에 나타난바와같이 온도에 따라 흡착량이 감소하였다. 따라서 알긴산에 의한 금속성분의 흡착메카니즘이 금속성분의 종류에 따라 다를 수 있다는 것으로 이에 대한 규명이 요구된다.

음이온성분의 영향

Fig.6은 알긴산을 이용한 방사성 핵종의 흡착실험에서 용액중의 음이온 종류에 따른 흡착량의 변화를 나타낸 것이다. 즉, 금속성분의 NO3-화합물 또는 Cl-화합물로 용액을 제조하여 흡착실험을 수행한 것이다. Fig.6에 나타난 바와 같이, 음이온종류에 따라 알긴산의 금속이온 흡착능이 크게 변하였다. Sr(NO3)2로 조제한 용액에서 알긴산의 Sr 흡착량은 122.7 mg/g 이었고, SrCl2로 조제한 용액에서는 64.4 mg/g 이었다. 또한 CsNO3로 조제한 용액에서 알긴산의 Cs 흡착량은 91.4 mg/g 이었고, CsCl2로 조제한 용액에서는 12.6 mg/g 이었다. 이러한 현상은 음이온의 전자친화도 차이에 따라 금속이온의 이온교환 반응에 영향을 미치는 것으로 여겨진다.

감사의 글

본 연구는 한국전력공사가 지원한 1997년도 □전력기술기초연구□의 일환으로 수행되었습니다.

참고문헌

[1] Anon., "News from Biominet", 11 (1988)

[2] Brierley, J. A., et. al., "U.S. Patent" 4,690,894 (1987)

[3] Kim, Y. H., Yoo, Y. J. & Lee, H. Y. "Characterization of Lead adsorption by      Undaria pinnatifida", Biotechnol. Letters., 17, 3, 345-350 (1995)

[4] Chibata, I., □고정화 생체촉매□, 조영일 역, 한국 학술 진흥 재단 번역 총서,      95, 대광문화사, 14-16 (1991)

[5] Jeon, C. □Removal of Heavy Metal using Alginic Acid", diss., Seoul National       Univ. (1998)

Fig.1 Strontium(Sr) uptake isotherm          Fig.2 Cesium(Cs) uptake isotherm

of alginic acid at pH 2 and 30℃.            of alginic acid at pH 2 and 30℃.

Fig.3 Cobalt(Co) uptake isotherm of           Fig.4 Effect of pH on uptake capacity     alginic acid at pH 2 and 30℃.               of Sr and Cs by  immobilized alginic                                               acid at 30℃.

Fig. 5. Effect of Temp. on uptake          Fig. 6. Effect of anionic species on     of capacity Sr and Cs by immobilized       uptake capacity of Sr and Cs by       alginic acid at pH 4.                      immobilized alginic acid  at pH 4

and 30℃.