티탄산칼륨 이온교환제의 다성분 이온교환 평형 모델

김형태,,문제권*,정종헌*,오원진*,설용건

연세대학교 화학공학과, 한국원자력연구소*

Equilibrium Model of Multicomponent Ion Exchange

with Potassium Titanate

H.T.Kim, J,K. Moon*,C.H. Jung*,and W.Z. Oh*, Y.G. Shul

Dept. of Chemical Engineering. Yonsei University

Korea Atomic Energy Research Institute*

서 론

핵연료주기 시설에서 발생하는 방사성 유기폐기물을 저온에서 전기화학적으로 분해하는 방법인 MEO(Mediated Electrochemical Oxidation)공정에서 5M 이상의 질산 용액과 산화제로 0.5M Ag(II) 이온이 방사성 핵종과 함께 2차 폐액으로 발생한다. 이 폐액은 질산과 고가의 Ag 이온등 유효화학제를 다량 함유하고 있기 때문에 폐기물량 감축 및 재활용을 위하여 재생기키게 된다. 질산을 증발 농축 방법으로 회수하고, Ag 이온은 전기화학적 및 화학적 방법등으로 95%는 재생된다. 따라서 최종폐액으로 잔여 질산 용액 및 Ag이온과 Cs, Sr, Co 등의 방사성 핵종이 배출된다. 본 연구에서는 산 폐액중의 방사성 이온을 제거하기 위하여 내산성 및 선택적 흡착능이 있는 potassium titanate(K2Ti4O9)을 사용하여 각 이온에 대한 단일성분 및 다성분 흡착평형 특성을 고찰하였으며, 다성분계 이온교환 평형을 예측하는 모델을 평가하였다.

이 론

본 연구에서는 Langmuir, Freundlich 및 Dubinin-Polyani 모델식으로부터 단일성분에 대한  parameters를 얻고 다성분에 대한 평형을 예측하기 위하여 확장 모델식에 적용하였으며 확장 모델식은 다음과 같다.

다성분 Langmuir 모델식 ;

[eqn: Q_{i}~=~{Q_{mi}b_{i}C_{i}}over{{1+ SUM from { { j}=1} tom}b_{j}C_{j}}}]              ----- (1)

다성분 Freundlich 모델식 ;

[eqn: Q_{i}~=~{{Q_{mi}b_{i}C_{i}^1/n_{i}}over{{SUM from { { j}=1} to m}b_{j}C_{j}^{1/n_{m}}}}]              ----- (2)

다성분 Dubinin-Polyani 모델식 ;

[eqn: SUM Q_{i}~=~exp[{b_{o}+b_{1}*ln( SUM C_{i})+b_{2}*[ln( SUM C_{i})]^2}}]]  ----- (3)

[eqn: b_{o}~=~ln(Q_{mi})-kR^2{T^2}[ln(C_{s}]^2{,}]

[eqn: b_{1}~=~2kR^2{T^2}ln(C_{s}),]

[eqn: b_{2}~=~-kR^2{T^2}]

수정된 Dubinin-Polyani 모델식 ;

[eqn: Q_{i}~=~exp[{b_{o}+b_{1}*ln(C_{i})+b_{2}*[ln(C_{i})]^2}}]] ----- (4)

여기서,

Qi = Concentration of cation in solid phase[meq/g]

Qmi = Capaciy for i component in monolayer[meq/mL]

bi,bo,b1,b2 = Isotherm constant for cation

Cs = Solubility of the salt in water[meq/mL]

실험방법

본 실험에서는 단일성분 경우 AgNO3와 Sr(NO3)2 농도 범위를 0.2 ∼ 0.002N, 이성분 시스템에서는 용액의 총농도를 0.4 ∼ 0.004N까지 변화시키고 무기 이온 교환제로 Potassium titanate(K2Ti4O9) 0.1g을 20mL Ag, Sr 및 Ag-Sr 용액에 각각 첨가한 후 하루동안 반응시켰다. 이때 용액의 pH는 2로 고정시켰다.

이온교환 반응이 끝난 후 Ag, Sr 및 Ag-Sr 용액을 0.45□ syringe filter로 여과한 후 상등액의 일정량을 채취하여 PERKIN-ELMER사의 A.A 분성장치를 사용하여 용액의 잔류농도를 측정하였다.

결과 및 결론

이온교환제인 K2Ti4O9을 사용하여 단일성분인 Ag 및 Sr과 이성분인 Ag-Sr 시스템에 대한 이온교환 평형 실험결과를 Figs. 1∼3에 나타내었으며 단일성분 모델식에 적용하여 구한 parameters들은 Table 1에 정리하였다.

Ag 이온인 경우 실험데이타를 fitting하기 위한 가장 적절한 모델은 Freundlich식이었고 Sr 이온인 경우는 Dubinin-Polyani 모델이었다. 단일성분 parameters로부터 Ag-Sr 이성분 시스템에서의 이온교환 평형 예측에 대한 결과는 Fig. 3에 도시하였다. 다성분 Dubinin-Polyani 모델식을 이용하여 이성분 시스템(Ag-Sr)에서의 총이온교환 평형량에 대한 그림은 Fig. 4에 도식하였다. 모델 예측 결과 Langmuir와 Freundlcih 다성분 모델식 보다는 Dubinin-Polyani 다성분 모델식이 단일 성분으로부터 다성분 평형을 예측하는데 있어서 실험값과 비교해 볼 때 적절한 fitting 모델로 생각되어진다.

참고문헌

[1] F.Helfferich, "Ion Exchange," McGraw-Hill, New York (1963), Chap. 6.

[2] S. M. Robinson, W.D. Arnold.Jr., C.W.Byers, "Multicomponent Liquid Ion

Exchange with Chabazite Zeolites", 9, 50, 1993.

[3] Allen G. Sault, J. Catalysis, 156, 154 (1995)

[4} Suzuki, M. ; Carbon, 32, 577 (1995)

[5] Yun, J.H, Park, H. C, Moon, H., "Multicomponent adsorption calculations

based on adsorbed solution therory", Korena J. of Chem Eng., 13 (1996)

Table 1. Model parameters for single-component isotherm.

Model	Coefficient Units	Single component system
		K2Ti4O9 powder
		Ag	Sr
Langmuir	Qm[meq/g]	1.612	1.007
	b[mL/meq]	6656.020	100.265
	r2	0.701	0.946
Freundlich	k [mL/meq]	3.089	1.657
	n	4.643	3.728
	r2	0.965	0.929
Dubinin- Polyani	Qm[meq/g]	2.638	1.566
	k	2.344*10-9	3.739*10-9
	r2	0.941	0.951

Fig. 1. Experimental and predicted equilibrium  Fig. 2. Experimental and predicted equilibrium            isotherms for Ag ion at pH=2.                  isotherms for Sr ion at pH=2.

Fig. 3. Experimental and predicted equilibrium  Fig. 4. Euqiligrium istherms predicted by Muliti

isotherms for Ag and Sr ions at pH=2.     component Dubinin-Polyani Model at pH=2.