고밀집 섬유 집합체에 의해 유도된 모세관 현상을 이용한 정적 액 - 액 접촉장치의 개발과 그 특성 연구

김광욱,변기호,이일희,유재형,박현수 ( Kwang Wook Kim,Kee Hoh Byeon,Eil Hee Lee,Jae Hyung Yoo,Hyun Soo Park ) 한국공업화학회 1996 공업화학 Vol.7 No.4

본 연구에서는 고밀집 섬유 다발체 내에 수용상과 유기상을 동시에 주입시켜 나타나는 모세관 현상을 이용하여 최소 공간에서 최대한의 물질 전달 면적을 갖게 한 정적 액-액 접촉 장치가 개발되었다. 이 장치의 특성과 안정성을 평가하기 위해 TBP와 우라닐 이온을 함유한 질산계의 연속 추출 실험이 수행되었으며, 추출 성능은 동일 상비 조건에서 수행된 회분식 성능과 동일하였다. 초기 수용액에 대한 추출 수율을 증가 시키기 위해서는 일정한 수용액 유속에서 유기상의 유속 증가가 필요하였고, 같은 상비 조건의 회분식의 추출수율을 갖기 위해서는 수용액이 장치 내에서 일정한 체류 시간을 유지해야함을 알 수 있었고 본 추출계에서는 약 1.9분이 필요함을 알 수 있었다. 본 연구에서 개발된 고 밀집 섬유체 접촉기는 안정성과 재현성이 뛰어 났으며, 일반 물질 분리용 뿐만 아니라, 액-액계면 넓고 안정되어 있어 용매 추출 속도론 해석에도 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다. A new static contactor using capillary phenomena induced by a highly packed fiber bundle was developed for the solvent extraction. When two immiscible phases being cocurrently and forcedly fed into the packed fiber bundle, the contactor brings about a very large liquid-liquid contact area for mass transfer within a small definite space without any turbulence and drop phenomena. In order to test the characteristics and stability of the static contactor system, continuous extraction experiments of TBP-uranyl ion-nitric acid system were done and compared with the batch extraction experiment of the same chemical system. The performance of the static contactor were the same as that of the ideal batch extractor with the same extraction condition. For the increase of the extraction yield by the contactor, the increase of organic flow rate was required at a fixed aqueous flow rate, and a certain residence time of the aqueous phase flow within the contactor system had to be maintained to meet the performance of the batch system of the same phase ratio. The residence time in the case of TBP-uranyl ion-nitric acid system was about 1.9 minutes. This system was confirmed to be effective and stable enough for purposes of the kinetic study of solvent extraction as well as the mutual separation and purification of ordinary materials because of good reproducibility and the stable and large static liquid-liquid contact area.

다성분핵종을 함유한 질산계로부터 TBP 용매추출에 의한 우라늄 제거 연구 (Ⅱ)

김광욱,이일희,신영준,유재형,박현수 ( Kwang Wook Kim,Eil Hee Lee,Young Joon Shin,Jae Hyung Yoo,Hyun Soo Park ) 한국공업화학회 1995 공업화학 Vol.6 No.3

고준위 방사성 폐액에 기준한 우라늄 및 10종류의 핵종을 함유한 질산 수용액계에서 TBP에 의한 우라늄 추출률의 저하 원인을 밝히기 위한 실험과 이의 해석이 수행되었다. 우라늄의 농도가 다른 핵종들의 농도보다 상대적으로 낮은 5g/ℓ 이하로 존재할 때, 다성분계에서의 우라늄 분배계수는 기존의 우라늄 분배계수를 예측하기 위한 기존의 반경험식의 결과와 크게 차이가 났다. 다성분 상태에서 TBP에 의한 낮은 추출률의 결과는 우라늄과 같이 존재하는 네오다이뮴과 철이온의 존재에 의해 야기되었음이 확인이 되었다. 네오다이뮴과 철이온만이 빠진 다성분계에서는 15vol.%의 TBP를 사용한 2회 추출에 의해서 초기 농도 2g/ℓ인 우라늄의 98% 이상 제거가 가능하였고 이는 우라늄 단일 성분계의 결과와 같았다. This study has investigated the experiments and their analysis for finding a cause of that the low extractability of uranium by TBP from nitric acid solution containing uranium and 10 elements on the basis of high-level radioactive waste. When the concentration of uranium is low relatively, compared with those of other elements in the system, that is, less than 5g/ℓ, the distribution coefficient of uranium in multi-components system is quite different from the one obtained by the semi-empirical equations already published for the estimation of distribution coefficient of uranium. Nd and Fe coexisting together with uranium in the solution were found to affect the low extractability of uranium by TBP in the multi-components system. In the multi-components system in absence of Nd and Fe, more than 98% of initial uranium concentration of 2g/ℓ could be removed by 2 times extraction with TBP of 15vol.%. The result was the same to that of uranium single component system.

수직형 순환식 수은 모세관 다발체 전극 전해계의 개발과 그 특성 연구

김광욱,이일희,신영준,유재형,박현수 ( Kwang Wook Kim,Eil Hee Lee,Young Joon Shin,Jae Hyung Yoo,Hyun Soo Park ) 한국공업화학회 1996 공업화학 Vol.7 No.2

본 연구에서는 고밀집 섬유다발체 내에 수은과 금속이온을 함유한 수용액을 동시에 주입시켜 최소 공간에서 최대한의 수은전극 면적을 갖는 수직형 순환식 수은 모세관 다발체 전극 전해반응 장치가 개발되었다. 이 장치의 특성과 안정성을 평가하기 위해 수은과 수용액의 유량 변화에 따른 철(III)과 우라늄(VI)이온의 환원 voltammogram이 측정되었다. 수용액의 유속은 장치 내 전해반응에 큰 영향을 미쳤으며, 잘 발달된 한계전류를 얻기 위해서는 정밀한 유속조절이 필요하였다. 측정된 voltammogram의 한계전류는 수용액 유속에 선형적으로 비례하였으며, 한계전류를 보이는 전위에서 연속적으로 우라늄(VI)과 철(III) 이온을 100% 환원시킬 수 있었다. 고밀집 섬유집합체 내에서 수은이 모세관 연속체를 유지하는데 필요로 하는 수은유속 이상에서는 수은유속의 변화는 장치 내의 전해반응에 큰 영향을 미치지 않았다. 본 연구에서 개발된 수직형 순환식 수은 모세관 다발체 전극 전해계는 정확히 제어되는 수용액 유량조건에서 수용액 내의 금속이온의 산화수 상태 및 농도의 연속적인 분석 및 전해반응 기구 해석에 효과적으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다. An electrolysis system with a vertically circulating mercury capillary bundle electrode was developed with a very large electrode area in a minimum space. This system was operated by forcedly feeding mercury and aqueous solution containing metal ion into a fiber bundle packed densely within a small porous glass tube. In order to test the characteristics and stability of the electrolysis system, the reduction voltammograms of uranyl and ferric ions were measured with changes of the mercury flow rate and the aqueous flow rate. The aqueous flow rate had a large effect on the electrochemical reaction of metal ion occurring at the interface between the mercury and the aqueous solution and had to be regulated as an appropriate value to have a good limiting current shape. The limiting current was linearly proportional to the aqueous flow rate, and complete reductions of uranyl and ferric ions were rapidly and continuously accomplished at the potential showing limiting current. With a mercury flow rate high enough to keep a capillary continuum of mercury in the fiber bundle, the mercury flow rate had almost no effect on the electrochemical reaction. This system was confirmed to be effective and stable enough to control rapidly and continuously the oxidation state of metal ions fed into the system under an appropriate aqueous flow rate.

고밀집 섬유 집합체를 이용한 정적 액 - 액 추출 장치의 이론적 해석

김광욱,변기호,이일희,유재형,박현수 ( Kwang Wook Kim,Kee Hoh Byeon,Eil Hee Lee,Jae Hyung Yoo,Hyun Soo Park ) 한국공업화학회 1997 공업화학 Vol.8 No.3

본 연구에서는 고밀집 섬유체에 의한 정적 액-액 접촉기에 대한 이론적 모델링을 통하여 섬유체 접촉기 내부에서의 물질 이동과정과 각 상에서의 축 방향 농도분포 해석이 수행되었고, 여러 운전 조건하에서 출구 농도를 예측하여 실험치와 비교하였다. 본 섬유체 액-액 추출기는 그 구조적 특성 때문에 축 방향 분산이 없는 플러그 흐름 모델로 완벽하게 묘사될 수 있었으며 data fitting을 통해 결정되어 모델식에 적용된 물질전달 계수와 섬유체 추출기 축 방향 단위 길이 당 물질전달 면적의 곱의 항인 k_a^σ은 그 섬유체 추출기의 고유 특성 값으로 사용될 수 있었고, 그 값은 약 0.0327cm2/sec이었다. Mass transfer mechanism and concentration profiles in the axial direction at each phase were analyzed and simulated by a theoretical modeling on a liquid-liquid static contactor using highly packed fiber bundle. The concentrations at the end of the fiber extractor calculated at several operational conditions were compared with e~cperimental results. The fiber extractor could be completely predicted by a plug flow model without axial dispersion. A paramter used in the model equations, k_a^σ called the product of mass transfer coefficient and mass transfer area per unit length of the fiber extractor in the axial direction, which was determined by a curve-fitting, was confirmed to be a unique characteristic value of the fiber extractor, and was about 0.0327 cm2/sec.

다성분핵종을 함유한 질산계로부터 TBP 용매추출에 의한 우라늄 제거 연구 (Ⅰ)

김광욱,이일화,신영준,유재형,박현수 ( Kwang Wook Kim,Eil Hee Lee,Young Joon Shin,Jae Hyung Yoo,Hyun Soo Park ) 한국공업화학회 1995 공업화학 Vol.6 No.1

고준위 방사성 폐액에 미량 존재하는 우라늄 및 폐액 농도에 기준한 10개의 핵종이 함유된 질산 수용액으로 부터 TBP를 사용하여 잔존 우라늄을 효과적으로 제거하는 조건을 찾기 위한 실험과 이의 해석이 수행되었다. 상기 혼합성분계에서 우라늄의 제거율은 상비(Phase ration), TBP농도 및 질산 농도 변화에 관계없이 고준위 방사성 폐액 내의 우라늄 농도를 기준으로 하여 최대 70% 이상을 초과하지 못하고, 이때의 우라늄 분배계수는 기존의 우라늄 분배계수 예측식과 큰 차이를 보이고 있어 이의 원인 규명과 기존 예측식의 수정이 요구된다. 이러한 계에서 우라늄을 가장 효과적으로 제거하기 위한 조업조건은 TBP농도는 15vol. %, 상비는 약 2.5이며 이때 용액중의 우라늄 제거율은 약 70% 정도이었다. This study work has investigated the experiments and their analysis for finding a effective condition to remove uranium by extraction with TBP from nitric acid solution containing uranium and 10 elements on the basis of high-level radioactive waste. The removal degree of uranium does not exceed 70% regardless of any changes of TBP vol.%, phase ratio and concentration of nitric acid. The distribution coefficient of uranium in multi-components system is quite different from one obtained by the semi-empirical equations already published for the estimation of distribution coefficient of uranium, and the elucidation of its reason and the modification of the existing equation should be required. The optimal condition for effective removal of uranium under this experimental condition are approximately TBP vol.% of 15 and phase ratio of 2.5.

CMPO/TBP-DTPA-NaNO3 계에서 Dy/Nb 의 상호분리

이일희(Eil Hee Lee),김수호(Soo Ho Kim),김광욱(Kwang Wook Kim),변기호(Kee Hoh Byeon),박현수(Hyun Soo Park) 한국공업화학회 2000 공업화학 Vol.11 No.3

N/A N/A

Glassy Carbon 섬유 다발체 전극에서 Np 산화가 조절을 통한 Np 의 TBP 에 대한 추출증진 연구

김광욱,박현수,유재형,최인규,이일희 한국화학공학회 2000 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.38 No.2

본 연구에서는 질산농도 0.5-5.5M 범위에서 Np의 상태가 분석을 흡광도, TBP(tri-butyl phosphate)에 의한 용매추출, 전기화학적인 방법으로 수행하였고 또한 아질산의 존재에 따른 Np의 상태가 변화에 대한 영향을 고찰하였다. 그리고 GC섬유 다발체 전극을 이용하여 Np산화가 조절을 통한 Np의 30% vol. TBP에 대한 추출 증진 연구를 수행하였다. 본 연구에서 사용된 Np용액에는 Np(IV)) 없이 Np(V)와 Np(VI) 만이 존재하였고 질산농도 0.5-5.5M에서 Np(V) 조성은 32-19% 이었다. Np용액 중에 공존하는 Np(V)용액 중에 공존하는 Mp(V)와 Mp(VI)로 전해적 방법으로 산화시킨 후 TBP에 의한 Np추출의 분배계수는 5배정도 증가하였다. 10^(-5)M이하의 아질산은 Np(V) 산화반응을 촉진시켜 주는 촉매 역할을 하고 10^(-3) 이상의 아질산은 Np(VI)에 대해 환원제로 작용함을 확인하였다. The Np valance state in nitric acid and the effect of nitrous acid on the Np valance composition were studied through the ways of absorbance by spectrophotometer, extraction by TBP, and electrochemistry. Enhancement of Np extraction to 30 vol% TBP was carried out through adjustment of Np valance state by using a glassy carbon fiber column electrode system. The Np solution used in this work consisted of only Np(V) and Np(VI) without Np(IV). The composition of Np(V) in the range of 0.5-5.5 M nitric acid was 32-19%. The electrolytic oxidation of Np(V) coexisting with Np(VI) in the solution enhanced Np extraction by 30 vol% TBP about five times more than that without the electrolytic oxidation. The facts were confirmed that the nitrous acid of less than about 10^(-5) M acted as a catalyst to accelerate the chemical oxidation reaction of Np(V) to Np(VI) and the nitrous acid of more than 10^(-3) M reduced Np(VI) to Np(V).

액막법을 이용한 습식인산중의 우라늄(Ⅵ) 회수에 관한 실험적 고찰(1)

김광욱,박현수,유재형 한국화학공학회 1985 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.23 No.4

습식인산 중에 존재하는 소량의 우라늄을 담체로서 D₂EHPA와 TOPO를 함유한 W/O/W형태의 액막에 의하여 회수하였다. D₂EHPA와 TOPO에 의한 우라늄 추출은 발열반응인 반면에 역추출은 흡열반응이었으며 반응열은 역추출쪽이 더 큰 값을 나타내었다. 액막에 의한 물질전달은 확산 뿐만 아니라 역추출 과정도 율속단계임을 보였다. 본 연구의 실험변수로 사용된 계의 온도, 계면활성제의 농도, 교반속도, W/O비율, 담체의 농도, HF의 농도 등은 물질전달 속도 뿐만 아니라 액막의 안정성에도 영향을 미치므로 이 두 조건을 동시에 만족시킬 수 있는 최적 실험조건을 규명하였다. Experimental investigation was performed on the recovery of uranium (VI) from Wet Process Phosphoric Acid by the novel liquid surfactant membrane with carrier mediated counter transport mechanism through batch operation. The membrane carrier used were D₂EHPA and TOPO showing the synergistic effect. The extraction of uranium (VI) was an exothermic reaction and the stripping of urnaium complex was an endothermic reaction. The various experimental variables such as temperature of system, concentration of surfactant, stirring speed, W/O ratio, concentration of carrier, concentration of HF had to be properly controlled in order to maintain the membrane stability and the recovery efficiency of uranium. In the transfer riechanism of uranium (VI), both diffusion and stripping reaction were rate controlling steps. By use of ICP-Emission Spectroscopy as an analysis instrument, the efficiency of recovery and membrane breakage were simultaneously measured.

액막법에 의한 습식인산 중의 우라늄(Ⅵ)회수 연구

김광욱,박현수,유재형 한국화학공학회 1986 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.24 No.3

에멀젼형 液膜을 이용하여 습식 인산 중에 함유된 우라늄을 회수할 때 물질전달속도를 묘사할 수 있는 모델을 제시하였다. 우라늄 抽出을 위한 단체로서는 抽出上昇效果(Synergistic effect)를 나타내는 D₂EHPA TOPO의 혼합물을 사용하였다. 물질전달속도의 支配因子로는 液膜을 통과하는 우라늄 錯物의 확산속도 뿐만 아니라 유효물질전달계수로 표시한 우라늄의 역추출속도를 동시에 고려하였다. 그리고 W/O/W 계의 에멀젼의 파괴도를 모델에 반영하였다. 결과적으로 본 모델에 의한 추정결과는 실험결과와 비교적 잘 일치하였다. A new model was proposed for mass transport through liquid surfactant membrane in the recovery of uranium from the wet process phosphoric acid. The synergistic combined extractant of di (2-ethylhexyl) phosphoric acid (D₂EHPA) plus trioctylphosphine oxide (TOPO) was used as a carrier in the W/O/W system. The stripping of uranium, described by using an effective mass transfer coefficient, was considered as a rate controlling step together with the diffusion of uranium complex across the membrane. The breakage of emulsion in the W/O/W system has also been considered in this model. Cunsequently, the predicted result by the present model was found to be in fairly good agreement with the experimental result.

격막형 액막에 의한 우라늄 회수에 관한 연구

김광욱,박현수,유재형 한국화학공학회 1986 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.24 No.2

담체로 D₂EHPA를 함유한 격막형 액막을 이용하여 수용상 중의 우라늄 회수시의 물질전달 기구와 이에 영향을 주는 변수에 대해 조사하여 보았다. D₂EHPA의 농도와 수용상 중의 pH가 커질수록 전체물질전달 저항 중에 추출계면 측의 수용상 경계층의 확산저항이 차지하는 비율이 증가하며 추출반응 저항과 액막의 확산저항이 차지하는 비율은 작아진다. 이때 역추출시의 저항은 거의 무시할 만큼 작음을 알 수 있었다. D₂EHPA의 ��도가 0.05M, pH가 2.5 이상에서는 수용상의 교반속도가 일정할 때 전체물질전달 이동속도가 거의 일정함을 알 수 있었다. 또한 계의 온도가 높아지면 막으로부터 유기용매의 손실이 심해짐을 알 수 있었다. Mass transport mechanism and the effect of variables for uranium recovery from aqueous solution by a supported liquid membrane containing D₂EHPA as a carrier were investigated. As concentration of DzEHPA as well as pH increased, the portion of mass transport resistance of diffusion through aqueous boundary layer on the extraction interface of membrane in total resistance increased while the portion of chemical reaction resistance of extraction and diffusion through membrane relatively decreased. The portion of stripping resistance, however, was found to be negligible in above both cases. Above 0.05M of D₂EHPA and 2.5 of pH in aqueous phase, the uranium transport rate was nearly constant at the given stirring speed. As temperature of system increased, loss of solvent from membrane became serious.