Selective Strontium Adsorption using Synthesized Sodium Titanate in Aqueous solution

Abstract

Radionuclide pollutants have been released in large amounts by atmospheric nuclear tests, mining and milling of uranium, reprocessing of spent nuclear fuel, and operation, decontamination and decommissioning of nuclear power facilities. Much of them have fallen to aquatic circumstances such as rivers, groundwater, and oceans. Among these radionuclides, 90Sr and 137Cs have long-term environmental influence because of their high fission yield and long half-life. Especially, Sr have high mobility, high water solubility, and high specific radioactivity. Hence, effective and specific methods to remove Sr from aquatic environment are required for nuclear safety, prevention of environmental pollution, and reduction of potential risks about human health. Adsorption is a primary technique for removing radionuclides with high economic feasibility and availability. Even though several types of organic and inorganic adsorbents have been used for removing Sr from aquatic circumstances, sodium titanates have most distinctive physico-chemical characteristics among the radionuclide adsorbents. The study is composed of three main categories. At first, amorphous sodium titanates were synthesized using a mid-temperature sol-gel method for evaluation as selective adsorbents of strontium from aqueous solution. Three different sodium titanates were synthesized and named as iii ST1, ST2, and ST3 with different synthesis method to observe methodological effect of sodium titanate synthesis. According to SEM and XRD experimental results, ST1, ST2 and ST3 had amorphous structure without any-crystalline complex. EDS experimental results assessed that it could be estimated the chemical compositions of the ST1, ST2, and ST3 as Na0.28H1.72TiO3, Na0.21H1.79TiO3 and Na0.56H1.44TiO3, respectively. It was found that protonation and hydration during sodium titanate synthesis could affect Sr adsorption ability of sodium titanate in aquatic solution significantly. In addition, it was revealed that ion-exchange process between Na and H could make Sr adsorption ability of sodium titanate lower. Second, it was found that ST3 showed highest capacity of Sr adsorption in aquatic solution containing both Sr and Cs among sodium titanates (ST1, ST2, and ST3). During the adsorption test with competing metal ions (Al, Mg, Ca, Mn), ST3 showed high Sr selectivity and Ca acted as the strongest inhibitor to Sr adsorption. This inhibition tendency of Sr adsorption by ST3 could be explained with size difference between Sr and other cations. Sr adsorption capacity by ST3 at equilibrium increased as the initial Cs and Sr concentrations increased. Although Sr competed with Cs for Na from ST3 during ion-exchange process, the Sr adsorption capacity obtained from adsorption experiments was higher than that in previous other studies that used aqueous solution that contained only Sr. Finally, It was revealed that Sr adsorption in aqueous solution by ST3 followed pseudosecond-order kinetics and generalized Langmuir isotherm model, which implicated that Sr adsorption mechanism, could be explained by diffusion and monolayer phenomenon. It was found that before Sr adsorption, Na+ ions and Ti3+ ions were present on the surface of ST3, and when Sr adsorption began, Sr ions in the aqueous solution were located on the surface of ST3 instead of Na iv ions via ion-exchange process, and then Sr forms the crystalline substances by surface precipitation, resulting in the presence of Ti4+ -based metal oxides by oxidation of Ti3+ on the surface of ST3.

방사성 핵종 오염물질은 대기 중 핵실험, 우라늄 채굴 및 제분, 사용 후 핵연료 재처리, 원전시설 가동 및 해체, 방사성 핵종 제염 등의 부산물로써 많은 양이 환경으로 배출되었다. 그들 중 대부분이 강, 지하수, 바다와 같은 수중 환경으로 흘러 들어가게 된다. 이러한 방사성 핵종 중 스트론튬-90 과 세슘-137 은 핵분열 수율이 높고 반감기가 길기 때문에 장기적으로 환경에 큰 영향을 미친다. 특히, 스트론튬은 이동성이 높고, 수용성이 높으며, 방사성 핵종의 단위 질량당 방사능수치가 높기 때문에 원자력 안전, 환경오염 방지 및 인간 건강에 대한 잠재적 위험 감소를 위해 수생환경에서 스트론튬을 제거하기 위한 효과적이고 구체적인 방법이 요구된다. 흡착 기법은 경제성과 가용성이 높은 방사성 핵종을 제거하기 위한 주요 기술이다. 여러 유형의 유기 및 무기 흡착제가 수중 환경에서 스트론튬을 제거하기 위해 사용되었지만, 그 중 소듐 타이타네이트는 방사성 핵종 흡착제 중에서 가장 독특한 물리화학적 특성을 가지고 있다. 연구는 세 가지 주요 범주로 구성되어 있다. 먼저 수용액 내 스트론튬의 선택적 흡착제의 가능성을 평가하기 위해 소듐 타이타네이트를 중온 졸-겔 법을 이용하여 합성하였다. 소듐 타이타네이트 합성의 방법론적 효과를 관찰하기 위해 세 가지 다른 소듐 타이타네이트를 합성하여 ST1, ST2, ST3 로 명명하였다. SEM 및 XRD 실험 결과에 따르면 ST1, ST2 및 ST3 은 어떤 결정 구조도 갖지않는 비정질 구조를 가졌다는 것이 확인되었다. EDS 실험 결과는 ST1, ST2, ST3 의 화학 조성을 각각 Na0.28H1.72TiO3, Na0.21H1.79TiO3, Na0.56H1.44TiO3 로 추정할 수 있다는 것으로 밝혀졌다. 그리고, 소듐 타이타네이트 합성 과정 내에서의 양성자 화 및 수화 작용이 수용액 내 소듐 타이타네이트의 스트론튬 흡착 능력에 큰 영향을 미칠 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또, 소듐과 수소의 이온교환 과정에 의해 소듐 타이타네이트의 스트론튬 흡착 능력이 저하될 수 있음을 알 수 있었다. 둘째, 소듐 타이타네이트 (ST1, ST2, ST3) 중 스트론튬과 세슘을 모두 포함하는 수용액에서 ST3 이 스트론튬 흡착 용량이 가장 높은 것으로 나타났다. 경합하는 금속 이온(알루미늄, 마그네슘, 칼슘, 망간)과의 흡착 실험에서 ST3 은 높은85 스트론튬 선택성을 나타내었으며, 칼슘이 Sr 흡착에 대한 가장 강한 저해제 역할을 하였다. 이러한 ST3 에 의한 스트론튬 흡착 저해 경향은 스트론튬 이온과 다른 양이온의 크기 차이로 설명할 수 있었다. 흡착 평형 상태까지 ST3 에 의한 스트론튬 흡착 용량은 초기 세슘 및 스트론튬 농도가 증가할수록 증가하였다. 스트론튬은 이온교환 과정에서 ST3 내 소듐에 대해 세슘과 경쟁하였음에도 불구하고, 흡착실험에서 얻어진 스트론튬 흡착 용량은 스트론튬만을 함유한 수용액을 사용한 이전의 다른 흡착 연구의 결과보다 높은 수치를 나타냈다. 마지막으로 ST3 에 의한 수용액 내 스트론튬 흡착은 유사 2 차 동역학 방정식을 따르고 일반화된 랭뮤어 등온 모델을 따른다는 것이 밝혀졌으며, 이는 스트론튬 흡착 메커니즘이 확산 및 단층 현상으로 설명될 수 있음을 시사했다. 스트론튬 흡착 이전에 ST3 표면에 타이타늄 3 가 이온과 소듐 이온들이 존재하고, 스트론튬 흡착이 시작되면 수용액 내 Sr 이온은 이온교환 과정을 통해 소듐 이온 대신 ST3 의 표면에 위치하게 되고, 이후 스트론튬은 표면 침전에 의해 결정성 물질을 형성하게 되어 ST3 의 표면에 타이타늄 3 가 이온의 산화에 의해 타이타늄 4 가 이온계 금속 산화물이 존재하게 된다는 것을 추론할 수 있었다.