The safe disposal of high-level radioactive waste has become a prominent global concern, necessitating rigorous safety assessments for deep geological disposal facilities. In Korea, crystalline rock with low-permeability is considered as the host rock for radioactive waste disposal, and fluid flow and solute transport in a low-permeability rock formation predominantly occur through interconnected fracture network. To analyze and predict fluid flow and solute transport behavior within the fractures, a comprehensive understanding of solute mixing at fracture intersections is crucial. However, difficulty in direct observation of the mixing processes occurring within microscale fracture intersections has led only to analytical and numerical studies, which requires thorough experimental study based on direct observations and measurements for a fundamental understanding of the mixing processes in fracture intersections. In this study, elaborate experiments are being prepared and conducted to measure the complex flow velocity/structure and solute concentration at rough-walled fracture intersections, using a microscale visualization technique of micro Particle Image Velocimetry (micro-PIV) system. Most analytical and numerical studies have shown that at high Peclet number (Pe) > 1,000, streamlinerouting model plays a major role in redistributing solutes at the fracture intersection, at which the mixing ratio converges to zero. As opposed to the conventional mixing model, our experiments found the rebounding of the mixing ratio in the inertial flow regime, indicating an enhanced solute mixing at the intersection. Flow visualization has demonstrated that the inertial flow features, such as the development of large-scale eddies and the straightening of main streamlines, enhance the physical mixing of solutes at rough-walled fracture intersections. The findings provide insights into the influence of fracture geometry on flow dynamics and its significant impact on solute mixing at fracture intersections.

Organic scintillator is easy to manufacture a large size and the fluorescence decay time is short. However, it is not suitable for gamma measurement because it is composed of a low atomic number material. Organic scintillation detectors are widely used to check the presence or absence of radiation. The fluorescence of organic scintillators is produced by transitions between the energy levels of single molecules. In this study, an organic scintillator development study was conducted for use in gamma measurement, alternative materials for secondary solute used in basic organic scintillators were investigated, and the availability of alternative materials, detection characteristics, and neutron/gamma identification tests were performed. In other words, a secondary solute showing an improved energy transfer rate than the existing material was reported, and the performance was evaluated. 7-Diethylamino -4-methylcoumarin (DMC), selected as an alternative material, is a benzopyrone derivative in the form of colorless crystals, has high fluorescence and high quantum yield in the visible region, and has excellent light stability. In addition, it has a large Stokes shift characteristic, and solubility in solvent is good. Through this study, it was analyzed that the absorption wavelength range of DMC coincided with the emission wavelength range of PPO, which is the primary solute. Through this study, it was confirmed that the optimal concentration of DMC was 0.04wt%. As a result of performing gamma and neutron measurement tests using a DMC-based liquid scintillator, it showed good performance (FOM=1.42) compared to a commercial liquid scintillator. Therefore, the possibility of use as a secondary solute was demonstrated. Based on this, if studies on changes in the composition of secondary solute or the use of nanoparticles are conducted, it will be possible to manufacture and utilize a scintillator with improved efficiency compared to the existing scintillator.

정삼투 공정에 유용한 유도용질로서 diethyl malonate를 사용한 citrate 계열의 유기 화합물을 합성하였다. 최종적으로 얻은 potassium pentane-1,3,3,5-tetracarboxylate는 1H-NMR과 13C-NMR을 통하여 확인하였다. 유도용질의 물성을 확인 하기 위해 삼투압, 용해도, 수투과도, 역염 투과도를 측정하였다. 합성한 유도용액을 사용하여 정삼투 공정을 진행한 결과, 동일한 citrate 계열인 trisodium citrate 및 tripotassium citrate보다 높은 수투과량을 나타내었으며 염의 역확산 정도는 NaCl에 비하여 매우 낮은 값을 나타내었다. 합성된 유도용질의 삼투압은 NaCl보다 약 25% 낮았으나 물에 대한 용해도는 NaCl의 8.8 배인 317 g/100 g water의 값을 나타내었다. 정삼투 종료 후 유도용질의 회수를 위해 상용화된 나노여과막을 사용하였고, 낮은 압력에서 효율적으로 회수가 가능하였다.

물 부족 현상의 해결책으로 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투는 다양한 수처리 분야에 적용이 가능하며 낮은 비용, 낮은 에너지 소비량, 낮은 막오염의 장점을 가지며 이로 인해 최근 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에는 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용질, 나노재료를 이용한 나노파티클 유도용질의 연구가 진행되었으나 상용화에는 이르지 못하고 있다. 본 연구에서는 분자량 약 800의 폴리에틸렌이민을 카복실산 금속염의 형태로 치환함으로써 물에 대한 용해도가 큰 PEI800-K을 합성하였다. 이를 유도용질로서 성능평가를 진행하여 다른 유도용액과 비교실험을 수행하고, 정삼투 후 유도용질의 회수를 위해 나노여과를 사용하였다.

정삼투 공정에 유용한 유도용질로서 n-nitrilotris(methylene) phosphonic acid (NTPA) 염을 합성하였다. NTPA에 첨가하는 KOH의 함량을 변화시켜 NTPA-4K, NTPA-5K, NTPA-6K 세 종류의 유도용질을 합성하고 1H-NMR, 13C-NMR을 통하여 확인하였다. 유도용질의 물성을 확인하기 위해 삼투압, 점도, 수투과도, 역염 투과도를 측정하였다. 정삼투 공정에서는 증류수를 유입용액으로 사용하고 0.5 M의 유도용액으로 실험한 결과 각각 수투과도는 35.8, 38.8, 42.2 LMH를 나타내고 5.4, 6.9, 7.4 gMH의 역염 투과도를 나타내었다. 이는 기존의 NaCl 유도용액보다 높은 수투과도와 훨씬 낮은 역염 투과도를 확인 하였다. 정삼투 공정 후 묽어진 유도용질의 회수를 위해 나노여과 방식으로 상용막을 사용하여 제거율을 측정한 결과 90% 이상의 높은 성능을 확인하였다.

폴리에틸렌이민(분자량 800)에 다가이온을 갖는 정삼투용 새로운 유도용질을 합성하고 특성을 분석하였다. 폴리 에틸렌이민과 메틸 아크릴레이트의 중화반응으로 중간체를 합성하고, KOH로 가수분해하여 수용성의 카복실산 금속염 형태의 폴리에틸렌이민을 합성하였다. NMR, 점도, 삼투압을 측정하여 유도용질의 특성을 평가하였다. 그 염이 유도용질로서 사 용할 수 있는지의 여부를 정삼투 실험을 통하여 알아보았다. 유도용질로서 수투과도와 역염 투과도를 측정하여 NaCl과 비교 하였다. 정삼투와 나노여과의 혼성공정을 통하여 유도용질의 회수가능성을 보였다.

물 부족 현상의 해결책으로 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투 공정은 가압 조건이 필요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있다는 장점이 있다. 이에 사용되는 유도 용질은 높은 삼투압을 나타내어 높은 수투과를 발생시키고, 염의 역확산은 낮아야한다. 또한 유도용액 후처리 공정에서 저렴한 비용으로 쉬운분리가 가능해야한다. 최근에는 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용질, 나노재료를 이용한 나노파티클 유도용질의 연구가 진행되었으나 상용화에는 이르지 못하고 있다. 본 연구에서는 높은 수투과량, 낮은 염의 역확산을 나타내고 나노여과로 쉽게 회수 가능한 카복시화된 폴리에틸렌이민 유도용질을 합성하고 정삼투 공정에서의 성능평가 및 다른 유도용액과 비교실험을 수행하였다.

We synthesized the poly(4-vinylbenzyltributylammonium hexanesulfonate) P[VBTBA][HS] which was obtained via anion exchange with hexanesulfonate after acquiring monomer [VBTBA][Cl] by Menshutkin reaction to investigate its feasibility as draw solute for forward osmosis process. P[VBTBA][HS] shows lower critical solution temperature (LCST) property at about 21℃, while LCST property of [VBTBA][Cl] and P[VBTBA][Cl] was not confirmed. This result suggests that P[VBTBA][HS] can be recovered from solution by heating them to above LCST. In AL-FS mode with solution of 20 wt% P[VBTBA][HS] at 15℃, water flux and reverse solute flux were found to be about 6.43 LMH and 0.59 gMH. This study can provide an understanding of new way of proceeding draw solute and information for the potential design and synthesis of thermo-responsive organic material.

물 부족 현상의 해결책으로 저에너지 해수담수화가 가능한 정삼투 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 정삼투 공정은 가압 조건이 필요하지 않으므로 에너지 비용을 저감할 수 있다는 장점이 있다. 이에 사용되는 유도 용질은 높은 삼투압을 나타내어 높은 수투과를 발생시키고, 염의 역확산은 낮아야한다. 또한 유도용액 후처리 공정에서 저렴한 비용으로 쉬운분리가 가능해야한다. 최근에는 고분자 전해질을 이용한 유도용질, 온도감응성 고분자를 이용한 유도용질, 나노재료를 이용한 나노파티클 유도용질의 연구가 진행되었다. 본 연구에서 는 디치오 카복시화된 유도용질을 합성하고 정삼투 공정에서의 성능평가 및 다른 유도용액과 비교실험을 수행하였다.

We synthesized the zwitterionic homopolymer polysulfobetaine (PBET), which shows upper critical solution temperature property, in order to investigate its feasibility as a draw solute for the forward osmosis (FO) process. The UCST property of the monomer sulfobetaine (BET) was not confirmed, while the UCST property of PBET was confirmed to be roughly 41°C. This result suggests that PBET can be recovered from aqueous solutions by cooling them to below the UCST. In an active layer facing feed solution (AL-FS) method containing 20 wt% PBET at 50°C, the water flux and reverse solute flux of PBET were found to be roughly 3.22 LMH and 0.36 gMH, respectively. This research provides a deep understanding of new ways of developing draw solutes, and could provide inspiration for the design and synthesis of thermo-responsive organic materials.