PAN-K2Ti4O9 복합 이온교환제 bead 제조 특성

유미자, 김형태*, 문제권, 정종헌, 설용건*, 유재형

한국원자력연구소, 연세대학교 화학공학과*

Preparation of  PAN-K2Ti4O9 Composite Ion Exchanger bead

M.J. Yu, H.T. Kim*, J.K. Moon, C.H. Jung, Y.G. Shul*,  J.H. Yu

Korea Atomic Energy Research Institute

Dept. of Chemical Engineering. Yonsei University*

서 론

방사성 폐액 및 중금속 함유 폐수처리에 유/무기이온교환제의 활용이 꾸준히 모색되어 왔으나, 두 매질이 갖는 단점 때문에 활용성의 확대가 제한되어 왔다1∼6. 무기 흡착제의 경우 흡착 선택능, 내열 및 내방사선의 장점이 있음에도 불구하고 연속조작을 위한 충전탑에서 활용을 위한 입자 성형이 어렵고, 성형입자의 경우에도 물질전달 속도가 느리고, 또한 내화학 내 마모성이 약한 단점을 가지고 있다. 또한 유기 이온교환제의 경우 성형성이나 다공성, 내화학성, 내 마모성은 우수하지만 방사능이나 열에 대한 안정성이 떨어지고 따라서 방사성 폐기물의 처분 안전성에 문제가 되어 사용이 억제되고 있다7,8,9.

이러한 문제를 해결하기 위하여 최근에는 유·무기 복합 이온교환제의 합성 및 활용 연구가 활발해지고 있다10. 이는 핵종 선택성이 좋은 무기 이온교환제를 활성 물질로하고 다공성이며 성형성이 우수한 유기 고분자를 불활성 binder로 활용하는 것이다. 유기 고분자는 불활성이기 때문에 지하 처분장에서 유기물질이 분해되더라도 방사능이 유출될 위험성이 없다. 또한 복합 흡착제의 흡착능은 무기물의 함량에 따라 결정되므로 유/무기 복합이온교환제내의 무기물 함량을 최대화하는 것이 중요하게 된다.

따라서, 본 연구에서는 방사성 핵종 과 중금속 이온을 제거하기 위하여  stronium 이온에 선택성이 있는 무기이온교환제로 K2Ti4O9(potassium titanate)를 선정하고, 우수한 성형성, 유기용제에 대한 안정성 및 무기물과의 강한 접착성의 이유로 유용한 유기 고착제인 PAN(polyacrylonitrile)을 선택하여 복합이온교환제 bead를 제조하고자 하였다. 또한, bead의 성형이 가능한 범위에서 무기이온교환제의 함량을 최대로 증가시켜 복합이온교환제의 bead의 제조 특성을 규명하고자 하였다.

실험

본 실험에서의 반응기는 1L 3구 등근 플라스크를 사용하였으며, 유기용제인 DMSO(dimethylsulfuroxide)의 일정량을 반응기에 넣은 다음, 반응온도를 50℃로 유지하였다. 무기 이온 교환제인 K2Ti4O9(potassium titanate) 분말 25g에 계면활성제인 TWEEN-80, 0.005g을 넣은 다음, 50℃에서 2시간 동안 교반하였다. 여기에 PAN(polyacrylonitrile, MW=1,300,000)의 첨가량을 변화시켜 복합체내의 무기물 함량이 70-90 % 되도록 조절하였다. 무기 이온교환제와 PAN을 균일하게 혼합되도록 50℃에서 2시간 동안 충분히 교반하여, PAN-potassium titanate 복합 dope를 제조하였다. 반응이 끝난 후 PAN-potassium titanate dope를 노즐을 통하여 gelation agent인 액체 질소와 초순수에 각각 떨어뜨려 복합 bead를 제조하였다. 제조한 복합 bead를 초순수로 충분히 세척한 후, 유기용제인 DMSO를 제거하기 위해 60℃, 0.5torr의 진공 건조기에 넣고 72시간 건조하였다. Porosimeter와 BET를 이용하여 PAN-potassium titanate 복합 bead의 다공성 및 비표면적을 측정였으며 SEM으로 모형을 확인하였다.

결과 및 결론

유기 고분자인 PAN(polyacrylontrile)과 strontium 이온에 선택성이 있는 무기 이온 교환제, potassium titanate를 사용하여 PAN-potassium tianate 복합 bead를 제조하였다. 무기물의 함량 변화와 건조 조건에 따른 복합 bead의 특성을 알아보기 위해 비표면적 및 다공성을 BET와 porosimeter로 측정하였다. PAN-potassium titanate 복합 bead의 비표면적 측정 결과는 표 1에 정리하였다.   무기물 함량이 80%, 90%인 PAN-potassium titanate의 비표면적 측정 결과, 무기물 함량이 80%인 복합 bead는 동결 건조한 bead가 60℃ 건조한 것보다 비표면적이 큼을 확인하였다. 또한 무기물 함량이 90%인 복합 bead의 경우는 건조 조건에 따른 비표면적 크기의 변화가 없었다. 이는 건조 조건에 따라 무기물질 보다는 유기물질의 수축도가 크게 영향을 받기 때문으로 사료된다.

PAN-potassium titanate 복합 bead의 다공성 측정 결과는 Figs. 1∼3에 나타내었다. 복합 이온교환제의 평균 기공크기는 1.2 □m이었고, 무기물의 함량에 따라건조 등에 서로 다른 영향을 받는 것으로 나타났다. 무기물 함량이 80%인 복합 bead의 다공성은 60℃ 건조와 동결 건조한 복합 bead가 각각 19%, 22%로 동결 건조한 복합 bead가 다공성이 좋음을 보여주고 있으며. 무기물 함량이 90%인 복합 bead의 경우 건조조건에 따라 porosity는 별다른 변화가 없었으며 80%의 무기물을 포함한 경우보다 오히려 기공도는 증가함을 알 수 있었다. 또한 복합 이온교환제의 내산성을 확인한 결과 pH 1.5이상에서는 무기물의 함량이 90% 까지 증가하더라도 안정한 것으로 확인되었다.

이상에서 복합이온교환제의 흡착능을 향상시키기 위하여 무기물의 함량은 90%까지 높히는 것이 가능하였으며 향후 이온교환능 및 교환속도 등에 대한 평가가 수행될 예정이다.

후기

이 연구는 과학기술부의 원자력연구개발사업의 일환으로 수행되었습니다.

참고문헌

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Table 1. Surface area of PAN-K2Ti4O9 bead with drying conditions

Drying conditions K2Ti4O9 contents	60℃ drying	Freeze drying
80%	15.83[□/g]	64.64[□/g]
90%	13.59[□/g]	16.67[□/g]

Fig. 1. Porosity of PAN-K2Ti4O9        Fig. 2. Pore radius of PAN-K2Ti4O9

bead with drying conditons.             bead with drying conditons.

Fig. 3. Pore radius distribution of PAN-K2Ti4O9 bead