Removal of Iron and Aluminium from Reactor Storage Pool Water Using Polymer Membranes

기술 요약: 고분자 막을 이용한 원자로 저장 풀 용수 내 철 및 알루미늄 제거

문제 정의
연구 센터 레시(Research Centre Řež)는 LVR-15 경수로 연구용 원자로를 운영하고 있으며, 이 원자로는 주로 알루미늄과 강철로 된 조사된 물질의 장기 저장을 위해 저장 풀 B(Storage Pool B)를 사용한다. 저장된 물질의 부식으로 인해 풀 용수 내 철(Fe)과 알루미늄(Al) 농도가 지속적으로 높게 나타나고 있다. 2025년 1월부터 9월까지의 모니터링 데이터에 따르면, 비저항 전도도와 염화물 수치는 운영 한계치를 충족했으나, 철 농도는 평균 0.99 mg/L, 알루미늄 농도는 5050 µg/L에 달해 철의 운영 한계치인 1 mg/L를 초과했다. 혼합상 이온 교환 수지(Amberlite MB20)를 이용한 기존 처리는 효과가 없는 것으로 판명되었는데, 이는 해당 금속들이 용해된 이온 형태가 아니라 난용성 옥시-하이드록사이드 종 또는 콜로이드 형태로 존재하기 때문인 것으로 보인다. 본 연구는 다양한 pH 조건과 콜로이드 형성을 평가하기 위해 인위적으로 철 농도를 높인 조건에서 고분자 막을 이용한 압력 구동형 막 여과를 통한 오염 물질 제거 효율을 조사하였다.

방법론
본 연구는 두 종류의 친수성 고분자 막인 혼합 셀룰로오스 에스테르(MCE)와 나일론을 사용하여 압력 구동형 미세 여과 및 한외 여과 기술을 적용하였다. 테스트에 사용된 막의 공칭 기공 크기는 3.0 µm에서 0.22 µm까지였다.

실험은 저장 풀 B에서 채취한 용수 샘플을 대상으로 네 가지 뚜렷한 조건 하에 수행되었다:

1. 천연 pH: 자연 상태의 풀 pH인 5.77에서의 여과.
2. 산성 pH: 염산을 사용하여 pH 2.70으로 조절된 샘플.
3. 알칼리성 pH: 수산화나트륨을 사용하여 pH 11.28로 조절된 샘플.
4. 철 첨가: 콜로이드 형성을 촉진하기 위해 철 5 mg/L를 첨가한 샘-pH 3.67에서의 여과.

여과는 500 mL 샘플을 사용하여 표준 진공 설비를 통해 수행되었다. 여과 후, 여과액은 철(분광광도법), 알루미늄(원자 흡수 분광법), pH, 전도도 및 탁도로 분석되었다. 막에 잔류한 고형물은 라만 분광법과 FTIR을 사용하여 특성을 분석하였다. 또한, 다양한 pH 수준에서 철과 알루미늄의 지배적인 화학종을 예측하기 위해 PHREEQC를 사용하여 화학종 도표를 작성하였으며, 190–290 nm 파장 범위에서 분광 흡광도를 측정하였다.

주요 결과

• 천연 pH (5.77): 여과는 자연 pH에서 가장 효과적이었다. 철의 경우, MCE 막은 0.8 µm 기공 크기에서 효과적인 제거를 달려냈으며, 나일론 막은 0.45 µm에서 완전한 제거(검출 한계 0.05 mg/L 미만)를 달성했다. 알루미늄 제거 또한 상당했는데, MCE 막이 1.2 µm에서 유의미한 감소를 보였으며, 이는 입자 또는 콜로이드 형태의 존재를 시사한다.
• 산성 pH (2.70): 두 금속 모두 여과 효율이 현저히 감소했다. 금속들이 주로 용해된 양이온(Fe²⁺ 및 Al³⁺) 형태로 존재하여 막을 통과했기 때문에, MCE와 나일론 막 모두 완전한 제거를 달성하지 못했다. 가장 작은 기공 크기인 0.22 µm에서도 철은 초기 농도의 33.9%, 알루미늄은 22%로만 감소했다. 이 pH에서 잔류 고형물에 대한 분광 분석 결과, FeOOH 상과 함께 소량의 Fe₂O₃ 및 Fe₃O₄가 존재함이 확인되었다.
• 알칼리성 pH (11.28): 철 제거는 더 작은 기공 크기(0.22 µm)에서 크게 개선되어 초기 값의 4.49%까지 감소했는데, 이는 침전된 수산화물 상의 잔류 때문으로 보인다. 반대로, 알루미늄 제거는 효과가 없었으며, 농도가 초기 수준 근처를 유지했다. 이는 알루미늄이 미세 여과에 의해 잔류되지 않는 가용성 알루미네이트 복합체(Al(OH)₄⁻) 형태로 존재함을 나타낸다.
• 철 첨가: 5 mg/L의 철을 첨가하는 것은 철 제거를 유의미하게 개선하지 않았다. 그러나 이는 알루미늄 제거를 눈에 띄게 향상시켰는데, 0.22 µm 막을 통해 알루미늄을 초기 값의 11.4% 미만으로 감소시켰다. 이는 첨가된 철이 더 큰 혼합 Fe-Al 입자의 형성을 촉진하는 공침 또는 공응집 메커니즘을 시사한다.

의의 및 결론
본 연구는 원자로 저장 풀 용수의 철 및 알루미늄 제거를 위한 막 여과의 효율이 pH에 의해 결정되는 화학적 종 분화에 크게 의존한다는 결론을 내린다. 풀의 자연 pH에서 두 금속의 상당 부분은 입자 또는 콜로이드 형태로 존재하며, 이는 0.8 µm 미만의 기공 크기를 가진 미세 여과 막에 의해 효과적으로 제거될 수 있다. 반면, 산성 조건은 금속을 용해시켜 여과를 어렵게 만들며, 알칼리 조건은 철은 침전시키지만 알루미늄은 용해된 상태로 남겨둔다.

저자들은 화학종 도표가 금속 거동을 이해하는 기초를 제공하지만, 여과 성능을 완전히 설명하기에는 불충분하다고 강조한다. 관찰된 제거 효율은 용해된 이온, 콜로이드 입자, 그리고 막 표면 사이의 상호작용에 의해서도 영향을 받는다. 철 첨가가 알루미늄 제거를 강화한다는 발견은 처리 전략을 최적화하기 위한 잠재적인 메커니즘을 제공하지만, 본 연구는 오염 물질의 특정 화학종을 고려하지 않고는 여과만으로는 모든 화학적 조건 하에서 문제를 완전히 해결할 수 없음을 명시하고 있다.