활성탄소섬유에 의한 우라늄(Ⅵ) 이온의 전기 흡·탈착 특성 = Electrosorption characteristics of uranium(Ⅵ) ions on activated carbon fibers

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 전기흡착기술과 활성탄소섬유 전극을 사용하여 고농도의 화학염 중에 존재하는 저농도의 우라늄만을 무구속 방출 수준인 1 ppm 이하까지 처리할 수 있도록 활성탄소섬유에 의한 우라늄(Ⅵ) 이온의 전기 흡·탈착 거동을 조사하였다.
U-100ppm이 함유된 고농도염의 매질 속에서 처리한 활성탄소섬유 전극을 사용하여 수행한 고정층 전기흡착에 의해 U(Ⅵ) 이온이 일반흡착에 비해 효과적으로 제거되었다. 우라늄 이온의 전기흡착에 대한 전위의 영향을 조사한 결과 음의 전위가 증가할수록 흡착 제거율이 증가함을 나타내어 높은 전위 의존성을 보여 주었다. 따라서 가용된 음전위의 크기가 우라늄의 흡착속도를 조절함을 알 수 있었으며 U(Ⅵ) 이온의 제거를 위한 최적 흡착 전극전위로는 -0.9V이다. 또한 유입액의 pH가 우라늄 제거 효율에 있어서 중요한 변수임을 확인하였다. 따라서 용액의 pH가 증가할수록 U(Ⅵ)의 흡착속도가 증가함을 보여주어 낮은 수소이온 농도 분위기일수록 흡착이 용이함을 확인할 수 있었고, 전기흡착 공정에 적용하기 위한 유입액의 최적 흡착 pH 범위로는 pH 4∼5이다. 우라늄 이온의 제거를 위해 전기흡착 공정에 적용하기 위해서는 용액 내에서 전류의 전도성이 보장되어야 하므로 충분한 지지전해질이 존재해야 함을 확인하였다. 따라서 라군 폐액에 대한 전기흡착 공정의 적용 가능성을 판단할 수 있었으며, 우라늄 이온의 경우 다른 양이온들에 비해 강한 흡착 성향을 가짐으로써 우라늄만의 선택적인 제거가 가능함을 확인하였다.
전기흡착 기술의 큰 특징 중 하나인 단순전위역전에 의해 전기탈착이 가능함을 확인할 수 있었다. 흡착과 마찬가지로 전기탈착 역시 가용전위의 크기가 탈착속도를 조절함을 알 수 있었으며, +1.2V의 전위에서 가장 좋은 탈착률을 보여주었다. 전기탈착 공정의 중요한 탈착변수로서 탈착용액의 pH는 낮을수록 더 효과적임을 보여 주었고, 탈착용액의 최적 pH는 3이다. 또한 탈착의 경우 연속흐름 방식보다는 회분식 방식이 탈착속도와 우라늄을 농축하는데 있어서 유리함을 알 수 있었다.
전기흡착과 전기탈착을 연속적으로 반복하여 실험한 결과, 다섯 번의 주기 동안 흡ㆍ탈착 거동에서 평형 흡ㆍ탈착량에 거의 변화가 없음을 보여 주었다. 또한 재생된 활성탄소섬유 전극이 초기 흡착 능력을 그대로 유지함으로서 전기이중층 충전에 의해 활성탄소섬유 전극이 직접 재생되어 공정의 가역성을 확인할 수 있었다. 따라서 공정의 가장 경제적인 요소의 하나인 전극을 연속 재생하여 그 경제성을 제고할 수 있었다.
우라늄 이온의 전기흡착 실험을 통해 흡착전극인 활성탄소섬유에 흡착된 우라늄은 UO_(3)·2H_(2)O의 침전물 형태임을 확인하였다. 또한 선택적으로 우라늄만을 흡착 제거하는 전기흡착 거동은 ACF전극의 전기이중층 용량, 이온교환 형태의 흡착과 전기화학적으로 유발된 우라늄 침전으로 설명할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, both the electrosorption technology and the ACF electrode were used to adsorb and remove only low-density uranium that existed in high concentration chemical salt.
The study investigated the electrosorption behavior that lowers the waste contamination up to U concentration 1 ppm or less of the environmental emission, depending upon applied potential, pH and changed flow rate, etc, and compared the potential with non-applied adsorption behavior. In addition, the study examined the desorption behavior of the uranium adsorbed depending upon the applied potential and the pH of the solution to investigate the properties of electrosorption process that can concentrate by desorbing the uranium into a certain volume of solution, and investigated uranium desorption behavior depending upon the applied potential and the pH of the solution. The study applied the electro adsorption and desorption periodically to examine the regeneration characteristics of the electrode absorbent and verify continuous use of the electrosorption material.
According to the result of investigating the uranium electrosorption behaviors, the ACF electrode that was treated at the medium containing U-100ppm could remove U(VI) ion more effectively with fixed layer's electrosorption than common adsorption. The effects of the potential upon the electrosorption of uranium ion were as follows: The more negative potential, the higher absorption removal ratio. So, the potential dependence remained high. In addition, the size of applied negative potential controlled the adsorption rate of uranium. -0.9V is thought to be optimum adsorption electrode potential enough to remove U(VI) ion. The more the pH of the solution, the higher the adsorption rate of U(VI): Lower hydrogen ion condition was found to be easy to adsorb. pH 4∼5 is thought to be optimum adsorption of the inflow. The electrosorption process can be controlled by surface reaction. 1ml/min of low flow rate is needed to keep U(VI) concentration of the extraction 1 ppm or less. The uranium ion had stronger adsorption tendency than other positive ions to remove only uranium from the lagoon waste.
The potential overshoot, an important electrosorption technology, could do electro-desorption. At the electro-desorption, the size of positive potential controlled desorption rate that remained high at +1.2V of the potential. The lower pH of the desorption solution, the easier the desorption. pH 3 is thought to be optimum desorption.
The ACF electrode was regenerated during five times adsorption and desorption cycle to keep initial adsorption as it is. So, the regeneration of the ACF electrode could be verified. The electrode, an important economic factor at the applications of electrosorption process, could be regenerated continuously to elevate economic advantages.
The uranium on the ACF was found to be the precipitate of UO_(3)·2H_(2)O. Therefore, the electrosorption mechanism of uranium of the ACF included the electric double layer capacity of the ACF, the adsorption in ion exchange of uranium and the electrochemically induced uranium precipitation, etc.

목차 (Table of Contents)

• 차례 = i
• 그림 차례 = iii
• 표 차례 = vi
• 국문요약 = vii
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 이론적 배경 = 4
• 2.1. 흡착 및 흡착평형 이론 = 4
• 2.1.1. 흡착 = 4
• 2.1.2. 흡착평형 = 5
• 2.2. 전기흡착 이론 = 9
• 2.2.1. 전착공정 = 9
• 2.2.2. 전기흡착 공정 = 13
• 2.3. 전기이중층 이론 = 16
• 2.4. 다공성 전극 이론 = 20
• 2.5. 활성탄소섬유의 특징 = 22
• 제3장 실험장치 및 방법 = 24
• 3.1. 흡착전극 및 시약 = 24
• 3.1.1. 흡착전극 = 24
• 3.1.2. 시약 = 24
• 3.2. 실험장치 = 25
• 3.3. 실험방법 = 28
• 3.3.1. 활성탄소섬유의 특성 = 28
• 3.3.2. 전기흡·탈착 실험 = 30
• 3.4. 흡·탈착 농도 및 생성물 분석 = 31
• 제4장 결과 및 고찰 = 33
• 4.1 활성탄소섬유 전극의 구조적·화학적 특성 = 33
• 4.1.1. 활성탄소섬유의 구조적 특성 = 33
• 4.1.2. 활성탄소섬유의 화학적 특성 = 36
• 4.2. 우라늄의 화학적 특성 = 36
• 4.3. 전기흡착 거동 = 39
• 4.3.1. 전기흡착에 대한 전위의 영향 = 39
• 4.3.2. 전기흡착에 대한 pH의 영향 = 46
• 4.3.3. 전기흡착에 대한 전해질의 영향 = 49
• 4.3.4. 전기흡착 용량 = 57
• 4.3.5. 전기흡착에 대한 유속 및 흡착제 양에 따른 영향 = 59
• 4.3.6 전기흡착에 대한 활성탄소섬유의 전기화학적 처리에 의한 영향 = 63
• 4.4. 전기탈착 거동 = 67
• 4.4.1. 전기탈착에 대한 pH의 영향 = 67
• 4.4.2. 전기탈착에 대한 전위의 영향 = 69
• 4.4.3. 회분식 전기탈착 = 69
• 4.5. 활성탄소섬유 전기흡착제의 재생능 = 72
• 4.6. 전기흡착의 생성물 분석과 메카니즘 = 76
• 4.6.1. 전기흡착의 생성물 분석 = 76
• 4.6.2. 우라늄의 전기흡착 메카니즘 = 79
• 4.7. 전기흡착 공정의 실증 = 81
• 제5장 결론 = 83
• 참고문헌 = 85
• Abstract = 89