KR102172752B1 - 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체 폐기물의 붕산 제거 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 화학적 침전을 통해 액체 폐기물에 포함된 붕산을 제거하면서 화학전 침전을 위해 사용한 산화제도 동시에 제거하고 붕산 제거를 위한 여과기의 편리한 교체가 가능한 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치는 붕산을 포함하는 액체 폐기물에 산화제 및 침전제가 투입되어 붕소화합물이 응집 침전된 액체 폐기물이 통과할 때 제1 입자 크기 이상의 침전물을 제거하는 제1 필터와, 상기 제1 필터를 통과한 액체 폐기물에서 제2 입자 크기 이상의 침전물을 제거하는 동시에 잔존하는 산화제를 제거하는 제2 필터를 포함한다.

Description

액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치 및 방법{Apparatus and method for removing high concentration of boric acid from liquid radioactive waste}

본 발명은 액체 폐기물의 붕산 제거 기술에 관한 것으로서, 상세하게는 화학적 침전을 통해 액체 폐기물에 포함된 붕산을 제거하면서 화학전 침전을 위해 사용한 산화제도 동시에 제거하고 붕산 제거를 위한 여과기의 편리한 교체가 가능한 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 건설된 원자력 발전소의 액체 방사성 폐기물 처리 계통(LRS)에는 증발기가 없고 이온교환수지 및 역삼투압 설비가 들어 있다.

발전소 운전 중에 원자로 반응도의 제어를 위한 원자로 냉각재 붕산 주입 및 순수 희석 운전 등으로 발생되는 잉여 붕산수를 이온교환수지 및 역삼투압 설비를 통해 일부 제거하여 해상으로 방류하고 있으나, 음이온수지로 붕산을 제거할 경우 수지 구입 및 교체 비용과 방사성 폐수지 처리 비용이 과다하게 발생하게 된다.

현재 관련 법규에 의하면 원전 방류수 중 붕소농도가 아직 규제의 대상은 아니지만 세계적으로 폐수 중 붕소농도에 대한 배출 기준치가 엄격하게 제한되고 있는 상황이다.

세계보건기구(WHO)의 경우 음용수 붕소 농도를 2.4 mg/L로 제한하고 있으며, 국내에서도 2010년에 이미 음용수 수질 기준에 붕소에 대한 기준(1.0 ppm 이하)이 추가되었다. 또한, 소금이 식품으로 변경됨에 따라 해수 중에 포함된 약 5 ppm의 붕소가 소금 제조 시 약 30배 정도 농축되어 150 ppm이 예상되기 때문에 소금품질 향상을 위해서도 붕소제거 기술이 필요한 실정이다.

일본 등 해외에서는 산업폐수 중 붕소농도를 10 ppm 이하로 규제하고 있으며, 석탄화력 발전소에서 사용되는 석탄에는 약 500 ppm 이상의 붕소가 함유되어 있고 회처리 폐수에는 1,000 ppm 이상의 붕소가 함유되어 있어 이에 대한 제거 기술이 필요한 실정이다.

반도체 업체의 경우, 초 순수 제조 시 극미량(ppb 수준)의 붕소가 제거 가능한 이온교환수지탑을 사용하고 있어 붕소제거 전용 이온교환수지의 적용 시 재생 폐액 처리 등 운영비가 과도하게 소요되고 있다.

국내에서도 2010년부터 음용수에 대한 규제 항목 중 붕소농도를 포함하여 규제하고 있으며, 해외에서는 석탄화력발전소, 산업폐수, 비료제조, 유리제조 분야 등에서 붕소를 엄격하게 규제하고 있다.

이에 따라 폐액 내의 붕소 제거를 위해 소요되는 과도한 운영비를 줄이고자 화학전 침전에 의한 붕소 제거 방법이 제안되고 있다.

이러한 화학적 침전 방식에서는 침전물 제거를 위한 여과기의 사용이 필수적이고 침전물이 제거된 다음의 후처리 과정이 필요한데 여과기의 교체 작업이나 후처리 설비의 증가로 인해 작업자의 유지 관리가 번거롭고 상당히 불편하다는 문제점이 있다.

미국등록특허 제8,808,547호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 액체 폐기물 내의 화학적 침전물 제거 및 후처리 과정을 동시 수행하여 후처리 설비에 대한 작업자의 관리 업무를 경감시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 작업자가 화학적 침전물 제거를 위한 여과기의 교체 작업을 간단하고 편리하게 할 수 있도록 하는 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치는 붕산을 포함하는 액체 폐기물에 산화제 및 침전제가 투입되어 붕소화합물이 응집 침전된 액체 폐기물이 통과할 때 제1 입자 크기 이상의 침전물을 제거하는 제1 필터와, 상기 제1 필터를 통과한 액체 폐기물에서 제2 입자 크기 이상의 침전물을 제거하는 동시에 잔존하는 산화제를 제거하는 제2 필터를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치는 화학전 침전 계통에서 응집 침전된 침전물을 포함하는 액체 폐기물을 수집하는 침전 여과 탱크를 가진 액체 폐기물의 붕산 제거 장치로서, 상기 침전 여과 탱크의 하부 측벽에 탈착 가능한 구조의 마이크로필터 모듈이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 방법은 붕산을 포함하는 액체 폐기물에 산화제를 투입하여 붕산을 이온화하는 이온화 단계와, 상기 붕산이 이온화된 액체 폐기물에 침전제를 투입하여 붕소화합물을 응집 침전시키는 침전 단계와, 촉매용 펠렛이 포함된 여과기에 상기 붕소화합물이 침전된 액체 폐기물을 통과시켜 상기 붕소화합물을 제거하는 동시에 상기 붕소화합물이 제거된 처리수에 남아 있는 산화제 및 이온화되지 않은 붕산을 제거하는 여과 흡착 제거 단계를 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치는 침전 여과 탱크의 하부에 탈착 가능한 구조로 마이크로필터 모듈을 설치함으로써, 침전물을 제거하는 마이크로필터의 수명이 다 되었을 때 마이크로필터 모듈만 분리하고 조립하면 마이크로필터를 교체할 수 있어서 작업자의 교체 작업이 간단하고 편리하게 되며 교체 작업 시 침전 여과 탱크 내의 오염을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로필터 모듈은 탈착 가능 구조 외에 마이크로필터 내부에 산화제 제거를 위한 촉매용 펠렛이 충진되어 있어서, 액체 폐기물 내의 화학적 침전물 제거 및 후처리 과정인 잔여 산화제 제거가 동시 수행될 수 있다.

이에 따라 한 번의 마이크로필터 모듈의 교체로 잔여 산화제 제거를 위한 후처리 설비인 촉매탑에 대한 관리 업무가 필요 없기 때문에 설비 관리자의 작업 부하를 경감시킬 수 있다.

또한, 마이크로필터 내부의 촉매용 펠렛에 의해 잔여 산화제가 제거될 때 산소 기체가 발생하게 되는데, 산소 기체가 마이크로필터 표면에 붙어 있는 침전물 등의 이물질을 제거하기 때문에 마이크로필터 모듈의 교체 시 침전 여과 탱크 내부를 비롯하여 탱크 주변의 오염을 더욱 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치의 개략적 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 침전여과 탱크의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 침전여과 탱크의 하부에서 마이크로필터 모듈이 탈착되고 침전물이 폐기되는 모습을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로필터 모듈의 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로필터의 구성을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 마이크로필터 모듈이 침전여과 탱크의 하부 측벽에 탈착되는 모습을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 과정을 나타낸 순서도.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

한편, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치 및 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치는 혼합 탱크(100), 침전여과 탱크(200), RO 주입 탱크(300), RO 필터(400), 배출수 탱크(500), 전기탈이온기(EDI)(600) 등을 포함한다.

혼합 탱크(100)에는 붕산이 포함된 액체 폐기물이 들어 있다. 액체 폐기물은 원자력 발전소의 원자로 냉각을 위해 붕산 주입 및 순수 희석 운전 등으로 발생한 붕산수 등을 포함한다.

혼합 탱크(100)에 산화제를 넣어 붕산을 이온화하고, 일정한 반응 시간이 지난 후 침전제를 투입하여 붕소화합물을 응집 및 침전시킨다. 혼합 탱크(100) 내의 혼합물은 이송펌프(700)를 통해 침전여과 탱크(200)로 이송된다.

침전여과 탱크(200)에는 백 필터(bag filter)(20) 및 마이크로필터(MF: Microfilter) 모듈(30)이 들어 있다.

백 필터(20)는 혼합 탱크(100)로부터 이송된 혼합물 중에서 굵은 입자의 침전물을 걸러내고, MF 모듈(30)은 미세 입자의 침전물을 걸러낸다.

본 발명의 실시예에서 MF 모듈(30)은 침전물 제거와 함께 산화제 및 이온화되지 않은 붕산을 제거하는 기능도 수행한다. 침전여과 탱크(200)에서 침전물이 제거된 상등수는 진공 펌프(702)를 통해 RO 주입 탱크(300)로 이송된다.

RO 주입 탱크(300)에 모인 상등수는 RO 주입 펌프(704)를 통해 RO 필터(400)로 들어간다. RO 필터(400)는 상등수에 잔존하는 붕소 이온 및 침전제 이온을 제거한다. RO 필터(400)를 통과한 처리수는 배출수 탱크(500)로 이송된다.

배출수 탱크(500)에 모인 처리수는 전기탈이온기(EDI)(600)를 통해 재순환하면서 처리수에 남아 있는 붕소 이온 및 침전제 이온이 제거된다. 전기탈이온기(600)를 사용하여 최종 처리수 내의 붕소 이온 농도를 배출수 기준에 맞게 유지할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 침전여과 탱크를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 혼합 탱크(100)에 연결된 유입관(10)을 통해 이송된 혼합물은 복수 개의 백 필터(20)로 들어간다. 혼합물은 액체 폐기물에 산화제 및 침전제가 투입된 것으로 붕소화합물이 응집 침전되어 있다.

백 필터(20)는 자루형의 천을 여과재로 사용하는 필터를 말한다. 본 발명의 실시예에 따른 백 필터(20)는 1μm 이상의 입자를 제거한다. 대부분의 침전물은 백 필터(20)에서 여과된다.

혼합물이 복수 개의 백 필터(20)를 통과하면서 대부분의 침전물이 여과된 액체 폐기물이 침전여과 탱크(200)의 하부로 모이고, 침전여과 탱크(200)의 하부에 설치된 MF 모듈(30)은 백 필터(20)에서 여과되지 않은 미세 입자를 여과한다. 본 발명의 실시예에 따른 MF 모듈(30)은 0.3μm 이상의 입자를 제거한다.

액체 폐기물이 MF 모듈(30)을 통과하면서 미세 입자까지 제거된 상등수가 분리되어 유출관(40)을 통해 배출된다.

도 3은 본 발명에 따른 침전여과 탱크의 하부 구조에서 마이크로필터 모듈이 탈부착되고 침전물이 폐기되는 모습을 나타내고, 도 4는 본 발명에 따른 마이크로필터 모듈의 구성을 나타내고, 도 5는 본 발명에 따른 마이크로필터(MF)의 구성을 나타내고, 도 6은 침전여과 탱크의 하부 측벽과 마이크로필터 모듈 간의 탈부착 구조를 나타낸 것이다.

미세한 입자의 침전물을 여과하는 마이크로필터는 일정 시간 사용하면 수명을 다하기 때문에 교체해야 한다. 일반적으로 침지형 마이크로필터는 탱크 안의 액체에 담겨 있기 때문에 탱크 안에 놓여 있는 마이크로필터를 꺼낸 후에 새로운 마이크로필터를 넣게 된다.

그런데 마이크로필터 교체를 위해 탱크 안의 마이크로필터를 꺼내고 다시 새로운 마이크로필터를 해당 위치에 안착시키는 작업은 작업자 입장에서 번거로울뿐만 아니라 마이크로필터를 꺼내는 과정에서 마이크로필터에 붙어 있는 침전물로 인해 탱크 안과 주변이 쉽게 오염될 가능성이 높다.

도 3의 (a)를 참조하면, 마이크로필터 모듈(30)은 침전여과 탱크(200)의 하부에서 탈착 가능하도록 구성된다. 즉, 마이크로필터 모듈(30)은 침전여과 탱크(200)의 하부 측벽에서 분리되고 조립된다.

마이크로필터의 수명이 다하면 침전여과 탱크(200)의 하부 측벽에서 마이크로필터 모듈(30)을 분리하고 새로운 마이크로필터 모듈(30)을 하부 측벽에 부착하면 된다.

한편, 도 3의 (b)를 참조하면, 침전여과 탱크(200)의 하부 저면에는 개폐부(202)가 설치되어 있어서 하부에 폐수의 침전물이 쌓이면 개폐부(202)를 개방하여 침전물을 처리할 수 있다.

도 4를 참조하면, 마이크로필터 모듈(30)은 지지 케이스(31), 탈착부재(33), 마이크로필터(34) 등을 포함한다.

마이크로필터 모듈(30)은 마이크로필터(34)를 다발로 가지고 있다. 하나의 마이크로필터(34)는 도 5와 같이 구성된다. 마이크로필터(34)는 미세 다공이 형성된 천을 여과재로 사용하며 가느다란 튜브 형태로 구성되어 있다.

다발의 마이크로필터(34)는 지지 케이스(31)와 연결되어 있는데, 우레탄(32)을 이용해 각 연결부(342)가 본딩되어 상호 연결된 후 지지 케이스(31) 내부로 삽입된다.

도 5를 참조하면, 마이크로필터(34)는 폐수를 여과하는 여과부(340) 및 여과부(340)에 연장된 연결부(342)로 구성되어 있다.

여과부(340) 안에는 촉매용 펠렛(343)이 들어 있고, 여과부(340)와 연결부(342)가 이어지는 부분에는 다공성 필터(341)가 설치되어 있다. 다공성 필터(341)는 처리수와 함께 촉매용 펠렛(343)이 연결부(340)로 나오지 못하도록 하기 위한 것이다. 본 발명의 실시에에서는 촉매용 펠렛으로 이산화망간(MnO₂) 펠렛을 사용하나 이에 한정되는 것은 아니며 활성탄 등의 펠렛을 사용할 수도 있다.

여과부(340) 안에 충진된 이산화망간 펠렛(343)은 폐수 속에 포함된 산화제(과산화수소)를 제거하고, 과산화수소를 제거하면서 발생하는 산소는 여과부(340) 표면에 부착된 침전제 등 이물질(345)을 제거하는 역할을 수행한다. 산소 기체에 의해 여과부(340)에 붙어 있는 이물질(345)이 제거됨으로써 마이크로필터(34)의 오염을 감소시키고 마이크로필터(34)의 수명을 연장시킬 수 있다.

지지 케이스(31)에는 마이크로필터 모듈(30)이 침전여과 탱크(200)의 하부 측벽(204)에 탈착 가능하도록 탈착 부재(33)가 설치되어 있다.

도 6을 참조하면, 탈착 부재(33)의 돌기(33a)가 하부 측벽(204) 사이에 끼워지면서 탈착 부재(33)와 하부 측벽(204)이 상호 접촉하고, 탈착 부재(33)와 하부 측벽(204) 간의 접촉 부분에는 실링용 가스켓(36)이 설치된다. 이후 체결 볼트(35)로 탈착 부재(33)와 하부 측벽(204)을 고정 결합하여 하부 측벽(204)에 마이크로필터 모듈(30)을 체결하게 된다.

이와 같은 구성을 가진 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치에서 액체 폐기물에 포함된 붕산을 제거하는 과정을 구체적으로 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 액체 폐기물의 붕산 제거 과정을 나타낸 것이다.

도 7을 참조하면, 먼저 원자력 발전소에서 나온 액체 폐기물(Liquid Radioactive waste)이 들어 있는 혼합 탱크(100)에 산화제인 과산화수소(H₂O₂)를 넣어 액체 폐기물 내에 포함된 붕산(H₃BO₃)을 이온화한다(S10).

액체 폐기물에 포함된 붕소(B)와 과산화수소의 몰비([H₂O₂]/[B])가 1~2가 되도록 혼합 탱크(100)에 과산화수소를 자동 주입한다. 과산화수소와 붕산이 만나면 붕산은 B(OH)₂(OO)₂B(OH)₂ ^2-, B(OH)2(OOH)^2-, B(OH)₂OOB(OH)₃ ^2- 등과 같은 형태로 이온화된다.

산화제 투입 시에 수산화나트륨(NaOH)을 넣어 혼합물의 pH를 10~11로 유지하여 붕산 이온화를 촉진시킬 수 있다.

다음, 일정한 반응 시간(10~30분)이 지난 후 붕산이 이온화된 액체 폐기물에 침전제(precipitant)인 염화칼슘(CaCl₂)를 투입하여 붕소화합물을 응집 및 침전시킨다(S20).

액체 폐기물에 포함된 붕소(B)와 염화칼슘의 몰비([CaCl₂]/[B])가 0.5~1이 되도록 혼합 탱크(100)에 염화칼슘을 자동 주입한다. 이온화된 붕산이 염화칼슘과 만나면 CaB(OH)₃OOB(OH)₃, Ca(B(OH₃)OOH)₂ 등과 같은 형태로 침전된다. 붕산 제거 효율을 높이기 위해서 과산화수소 투입 후와 마찬가지로 염화칼슘 투입 후에도 일정한 반응 시간(10~60분)을 대기한다.

이와 같이 화학적 침전 계통을 통해 붕소화합물이 침전된 액체 폐기물은 여과 흡착 계통으로 이송된다.

여과 흡착 계통에서는 백 필터 및 마이크로 필터를 사용하여 침전물인 붕소화합물을 제거하는 동시에 처리수에 남아 있는 과산화수소 및 이온화되지 않은 붕산을 제거한다(S30). 다발의 마이크로필터가 마이크로필터 모듈을 구성하며, 마이크로필터 안에는 촉매용 펠렛으로 이산화망간 펠렛을 충진하여, 마이크로필터를 통해 미세 입자의 침전물 제거하는 동시에 촉매용 펠렛을 통해 잔존 산화제 및 단계 S10에서 이온화되지 않은 붕산을 제거한다.

다음, 역삼투압(RO) 여과기를 이용해 여과 흡착 제거 단계(S30)를 거친 처리수에 남아 있는 붕소 이온 및 침전제 이온을 제거한다(S40). 역삼투압 제거 단계를 통해 잔여 붕소농도가 5~20ppm로 감소하여 붕소 제거율이 90%에 이르게 된다.

마지막으로, 전기탈이온기를 이용해 역삼투압 제거 단계(S40)를 거친 처리수에 마지막까지 남아 있는 붕소 이온 및 침전제 이온을 제거한다(S50). 전기탈이온 제거 단계를 통해 잔여 붕소농도를 배출수 기준인 5ppm 이하로 유지할 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 유입관 20: 백 필터
30: 마이크로필터 모듈 31: 지지 케이스
32: 우레탄 33: 탈착 부재
34: 마이크로필터 35: 체결 볼트
36: 실링용 가스켓 40: 유출관
340: 여과부 341: 다공성 필터
342: 연결부 343: 촉매용 펠렛
345: 응집 침전물
100: 혼합 탱크 200: 침전여과 탱크
300: RO 주입 탱크 400: RO 필터
500: 배출수 탱크 600: 전기탈이온기(EDI)
700: 이송 펌프 702: 진공 펌프
704: RO 주입 펌프

Claims (10)

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3. 화학전 침전 계통에서 응집 침전된 침전물을 포함하는 액체 폐기물을 수집하는 침전 여과 탱크를 가진 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치에 있어서,
   상기 침전 여과 탱크의 하부 측벽에 탈착 가능한 구조의 마이크로필터 모듈이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 마이크로필터 모듈은 다발의 마이크로필터가 본딩되어 삽입된 지지 케이스와,
   상기 지지 케이스에 설치되어 상기 침전 여과 탱크의 하부 측벽에 탈착되는 탈착 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 탈착 부재에 형성된 돌기가 상기 침전 여과 탱크의 하부 측벽에 끼워져 상기 탈착 부재와 상기 침전 여과 탱크의 하부 측벽이 접촉된 후, 볼트 결합에 의해 상호 체결되는 것을 특징으로 하는 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 마이크로필터는 액체 폐기물을 여과하는 여과부 및 상기 여과부에 연장된 연결부로 구성되어,
   상기 여과부에는 액체 폐기물에 포함된 산화제를 제거하기 위한 촉매용 펠렛이 충진되어 있고, 상기 연결부는 본딩되어 상기 지지 케이스 내부에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 여과부와 상기 연결부가 이어지는 부분에 상기 촉매용 펠렛이 통과하지 못하도록 하는 다공성 필터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 폐기물의 고농도 붕산 제거 장치.
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