국내산 분쇄 화강암에 대한 우라늄 흡착 분배계수

최병재, 송동익, 금동권*, 한필수*

경북대학교 화학공학과, 한국원자력연구소 방사성폐기물처분연구팀*

Adsorption distribution coefficient of uranium

for a domestic crushed-granite

Byung-Jae Choi, Dong-Ik Song, Dong-Kwon Keum and Pil-Soo Hahn*

Department of Chemical Engineering, Kyungpook National University

Radwaste Disposal Research Team, Korea Atomic Energy Research Institute*

서론

방사성폐기물 처분장에서 유출된 핵종은 지하매질 속의 지하수를 통해 인간 생활권으로 이동하게 됨으로 지하수의 이동경로를 파악하고 지하수, 매질, 핵종간의 물리화학적 상호 작용을 이해하고 규명하는 것은 처분 안전성을 평가하는데 중요하다. 처분 안전성평가의 핵심은 핵종이 지하수를 따라 얼마나 빨리 인간 생활권에 도달하는가를 정량적으로 평가하는 것이다. 대개의 경우 핵종은 지하매질과 반응하여 지하수보다는 느린 속도로 이동한다. 지하수와 핵종의 이동속도의 상대적 비를 지연인자(retardation factor)라 하는데 이는 흡착분배계수(Kd)에 의해 결정된다. 흡착분배계수는 핵종, 지하수조건(pH, Eh, 조성), 매질의 종류에 따라 변한다.

본 연구는 우리 나라에서 처분장이 위치할 모암으로 가장 우선적으로 고려되고 있는 화강암에 대한 핵종의 흡착 및 이동 현상을 조사하기 위한 연구의 일환으로 경기도 의정부 지역에서 채석한 화강암에 대한 악티나이드 대표 핵종인 우라늄의 흡착분배계수를 측정하는 것이 그 주목적이다. 이는 추후 화강암에 대한 우라늄 이동현상을 평가하는데 필요한 입력인자로 사용될 수 있다.

실험

흡착실험은 회분식(batch method)으로 수행되었다. 흡착제로는 경기도 의정부에서 채석한 화강암을 분쇄기로 파쇄한 후에 sieve size 70∼50mesh 범위(0.021cm ∼ 0.03cm)에 존재하는 것을 사용하였다. 이 분쇄화강암의 면적은 1 m2/g (BET by N2 adsorption)이다. 분쇄 화강암은 실험에 사용되기 전에 산성용액으로 입자에 붙어있는 유기물이나 불순물 등을 충분히 세척하고 오븐에서 건조한 후 사용하였다. 사용된 우라늄은 가용성 염인 UO2(NO3)2·6H2O (Uranyl Nitrat Hexahydrate)이며 초순수(18 M□-cm)에 녹여 사용하였으며 우라늄의 초기농도는 10-5M로 통일하였다. 용액의 이온강도는 NaClO4를 사용하여 10-2M로 조절하였다.

PMP(Poly Methyl Propylene) 재질의 삼각플라스크에 일정한 비 (250g/l)의 분쇄화강암과 용액을 넣고 pH를 조정한 후에 온도가 일정하게 유지되는 incubator shaker안에서 14일 동안 반응시켰다. 반응 후에는 pore size 0.2□인 멤브레인 필터를 이용하여 고액 혼합용액으로부터 용액을 분리시킨 후에 용액의 우라늄 농도를 ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer, 유도결합 플라즈마 질량분석기)로 분석하였다.

실험변수는 pH(4∼9)와 온도(20℃∼50℃)이었으며 각 조건에 대해서 최소한 두 번 이상의 반복실험을 수행하였다. 흡착과정에서 발생할 수 있는 침전이나 용기 벽에 대한 흡착을 고려하기 위하여 흡착 실험과는 별도로 침전물 형성 확인 실험과 용기 벽으로의 흡착실험을 수행하였다. 침전물 형성확인은 반응용액의 필터링(200nm의 멤브레인 필터) 전후의 농도 차이로 판단하였으며, 용기벽에 대한 흡착은 반응전후의 농도차이로 확인하였다.

결과 및 고찰

흡착분배계수는 다음의 식에 의해 계산된다.

[eqn: Kd [ ml/g ] = {V} over {W} TIMES {( {C}_{0} - {C}_{f } )} over { {C}_{f} }]

여기서 V는 용액의 Volume, W는 Solid의 양, C0는 반응전의 우라늄의 농도, Cf는 반응후의 우라늄의 농도이다.

그림 1과 2는 분쇄 화강암에 대한 흡착을 보기 전에 먼저 침전과 용기 벽에 대한 우라늄 흡착 가능성을 확인하기 위한 실험이다. 그림 1은 침전에 의한 우라늄의 농도 변화를 pH에 따라서 나타낸 것인데 이를 보면 반응을 시킨 후에 필터로 거르기전과 0.2□필터로 거른 후의 농도변화가 거의 없음을 볼 수 있다. 따라서 초기 농도 10-5M인 우라늄 흡착실험에서는 침전에 의한 영향은 없다고 볼 수 있을 것이다. 그러나 우라늄의 초기 농도가 10-5M 이상이면 침전이 생길 수도 있다. 그림2는 Wall Effect에 의한 우라늄농도변화를 보기 위해서 pH에 따른 우라늄 농도변화를 나타낸 것이다. 이 또한 반응전과 반응후의 농도변화가 거의 없는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 실험에 사용한 용기 벽에 대한 우라늄 흡착은 무시할 수 있다.

pH와 온도에 따른 Kd값과 흡착된 퍼센트 양을 그림 3과 4에 나타내었다. 그림 3을 보면 각 온도에서 pH 6.5근처에서 Kd값이 가장 높게 나타난 것을 볼 수 있다. 즉 흡착이 가장 많이 되었다. pH가 증가함에 따라 우라늄 흡착양도 증가하다가 pH 6.5를 정점으로 감소하는 경향을 볼 수 있다. 온도의 영향을 살펴보면 전체 pH범위에 걸쳐서 온도가 높을수록 Kd값이 큰 것을 볼 수 있다. 이는 이 반응이 온도의 영향을 받으며 온도가 높을수록 흡착이 많이 되는 것으로 보아서 흡열반응이란 것을 짐작 할 수 있다. 특히 pH 5.5에서 7까지의 범위에서는 온도에 따른 영향을 상당히 많이 받는다는 것을 알 수 있다. 그림 4는 pH에 따른 우라늄 흡착 양을 퍼센트로 나타낸 것인데 pH 6∼8 범위에서 흡착이 매우 큰 것을 보여준다.  pH 8∼9 범위에서는 대기중의 이산화탄소가 용액 속으로 녹아들면서

Uranium Carbonate Complex를 형성하는 반응과 흡착반응이 서로 경쟁반응을 일으킨다.

결론

초기 농도 10-5M 우라늄 흡착실험에서는 침전과 용기 벽에 대한 흡착 효과는 없으며, 분배계수 Kd값은 pH가 증가함에 따라 서서히 증가하다가 pH 6.5를 정점으로 감소하는 모양을 나타내며 특히 pH 6과 7사이에서 급격하게 증감한다. 즉 pH 6∼7사이에서 흡착이 가장 잘 일어난다. 온도의 영향은 같은 pH에서도 온도가 증가할수록 Kd값은 커지는 흡열반응이며 pH 6과 7사이에서는 더욱 온도에 민감하였다.

참고 문헌

[1] M. Kohler, G. P. Curtis, D. B. Kent, and J. A. Davis  "Experimental          investigation and modeling of uranium(Ⅵ) transport under variable            chemical condition." Water Resources Research, Vol.32, No.12, 1996

[2] D. I. Kaplan, T. L. Gervais and K. M. Krupka,  "Uranium(Ⅵ) Sorption to     Sediments Under High pH and Ionic Strength Conditions" Radiochimica       Acta 80, 201-211 (1998)