Sorption and Ion Exchange Characteristics of Chabazite: Competition of Cs with Other Cations

To investigate the sorption characteristics of Cs, which is one of the major isotopes of nuclear waste, on natural zeolite chabazite, XRD, EPMA, EC, pH, and ICP analysis were performed to obtain the informations on chemical composition, cation exchange capacity, sorption kinetics and isotherm of chabazite as well as competitive adsorption with other cations ($Li^+$, $Na^+$, $K^+$, $Rb^+$, $Sr^{2+}$). The chabazite used in this experiment has chemical composition of $Ca_{1.15}Na_{0.99}K_{1.20}Mg_{0.01}Ba_{0.16}Al_{4.79}Si_{7.21}O_{24}$ and its Si/Al ratio and cation exchange capacity (CEC) were 1.50 and 238.1 meq/100 g, respectively. Using the adsorption data at different times and concentrations, pseudo-second order and Freundlich isotherm equation were the most adequate ones for kinetic and isotherm models, indicating that there are multi sorption layers with more than two layers, and the sorption capacity was estimated by the derived constant from those equations. We also observed that equivalent molar fractions of Cs exchanged in chabazite were different depending on the ionic species from competitive ion exchange experiment. The selectivity sequence of Cs in chabazite with other cations in solution was in the order of $Na^+$, $Li^+$, $Sr^{2+}$, $K^+$ and $Rb^+$ which seems to be related to the hydrated diameters of those caions. When the exchange equilibrium relationship of Cs with other cations were plotted by Kielland plot, $Sr^{2+}$ showed the highest selectivity followed by $Na^+$, $Li^+$, $K^+$, $Rb^+$ and Cs showed positive values with all cations. Equilibrium constants from Kielland plot, which can explain thermodynamics and reaction kinetics for ionic exchange condition, suggest that chabazite has a higher preference for Cs in pores when it exists with $Sr^{2+}$ in solution, which is supposed to be due to the different hydration diameters of cations. Our rsults show that the high selectivity of Cs on chabazite can be used for the selective exchange of Cs in the water contaminated by radioactive nuclei.

차바자이트의 흡착 및 이온 교환 특성: Cs 및 다른 양이온과의 경쟁

방사성 폐기물의 주요 성분 중 하나인 Cs의 자연에서 정출되는 제올라이트인 차바자이트(chabazite)에 대한 흡착 특성을 알아보기 위해 XRD, EPMA, EC, pH, ICP 분석방법을 이용하여 동정 및 화학성분 분석을 하였다. 그리고 추가적으로 양이온 교환능력을 확인하였고 시간과 농도에 따른 Cs 흡착 및 타 양이온($Li^+$, $Na^+$, $K^+$, $Rb^+$, $Sr^{2+}$)에 대한 경쟁흡착 실험을 실시하였다. 본 연구에 사용된 차바자이트의 화학식은 $Ca_{1.15}Na_{0.99}K_{1.20}Mg_{0.01}Ba_{0.16}Al_{4.79}Si_{7.21}O_{24}$였고 Si/Al 비율과 양이온 교환능력은 각각 1.50와 238.1 meq/100 g으로 측정되었다. 시간과 농도에 따른 Cs 흡착 등온 실험결과를 흡착 반응 속도 모델과 등온 흡착 모델에 적용해본 결과 각각 유사 2차 반응과 Freundlich 모델에 부합하였으므로 고체 표면에 흡착 물질이 2개 이상의 다중 흡착 층을 이루는 것을 알 수 있으며 모델로부터 유도되는 상수 값을 통해 차바자이트의 Cs 흡착 능력정도를 평가하였다. 경쟁 흡착 실험 결과 이온의 종류에 따라 이온 교환되어 차바자이트 내에 존재하는 Cs의 몰 분율에서 차이를 보였다. 각 양이온과 세슘과의 액체에서 고체 내로 흡착되는 경쟁 경향이 $Na^+$, $Li^+$, $Sr^{2+}$, $K^+$ 그리고 $Rb^+$ 순으로 선택성이 있었으며 이는 수화 직경의 순서와 유사한 양상을 보였다. Kielland 도시법을 이용하여 Cs과 타 양이온의 교환 평형관계를 도시해 보았을 때에는 $Sr^{2+}$가 가장 선택성이 높았으며 그 다음으로 $Na^+$, $Li^+$, $K^+$, $Rb^+$ 순으로 선택성이 나타났고 모든 타 양이온에 대하여 양의 값을 나타내었다. Kielland 도시법에서 나타나는 평형상수 값의 순서는 열역학 및 반응 속도론적인 의미를 내포하고 있으므로 수용액에서 공극 내로 들어가는 Cs은 $Sr^{2+}$과의 공존 시 선호도가 높다는 것을 알 수 있다. 이는 경쟁하고 있는 수화된 양이온 간의 직경 차이가 원인일 것으로 추측된다. 본 연구 결과는 차바자이트가 높은 Cs 친화력을 가지는 것을 보여줌으로써 방사성 물질로 오염된 물에서 Cs을 선택적으로 교환할 수 있음을 보여주고 있다.