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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 황유훈
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수25
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본 연구에서는 전 세계적으로 급증하는 에너지 사용량과 비례하여 증가하는 원자력 발전소의 사고에 대비하기 위하여 사고 발생 시 유출되는 방사성 폐기물 Cs-137을 제거할 수 있는 흡착소재를 개발하였다.
기존에는 원전사고 발생 시 응급물품으로 프러시안 블루를 사용하였다. 프러시안 블루는 면심입방구조를 띄고 있는 청색의 염료로, 양이온을 선택적으로 흡착할 수 있기에 Cs-137을 잘 흡착한다고 한다. 하지만 5 ~ 200 nm 정도의 매우 작은 크기로 인하여 수중에서 미세분말 형태로 존재하기에, 세슘을 흡착한 이후에 프러시안 블루를 따로 분리하는데 있어서 어려움이 존재하였다. 이에 본 연구에서는 수 처리에 자주 사용되는 활성탄에 프러시안 블루를 고정화함으로써 사용 후 회수에 있어서 용이하게 만들었으며, 추가적으로 흡착 이후의 탈착에 대비하기 위하여 활성탄 표면을 공유결합유기물질로 개질하여 안정성을 높였다. 소재에 대한 분석은 SEM-EDS, FT-IR 등을 활용하여 측정하였다. 이후 개질된 소재에 프러시안 블루를 고정화하기 위한 최적조건을 판별하였으며, 변수로써 합성과정 중 고액분리, 세척 등의 여러 과정으로 실험을 진행하였다.
최종 합성한 소재의 경우에는 활성탄 표면에 전체 중량의 약 9.7 %에 달하는 프러시안 블루가 고정된 것을 확인할 수 있었으며, 이는 공유결합유기물질로 개질하지 않은 경우에 비하여 개질한 경우가 약 2배 이상의 프러시안 블루가 고정된 것을 확인 할 수 있었다. 이에 추가적으로 소재의 성능평가를 진행하였다.
성능평가를 진행하기 위하여 pH 영향평가를 진행하였다. pH가 중성일 때 가장 우수한 성능을 보이는 것을 확인하였으며, 개질 전에 비하여 개질 후 2 배 이상의 높은 세슘 흡착 제거율을 확인할 수 있었다. 이후 등온흡착실험, 동역학실험을 진행하였으며, 개질한 소재는 최대 흡착량이 15.055 mg Cs/g PB에 달했고 1차 반응속도식에 더 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로는 실적용 가능성을 평가하기 위하여 인공/실제 하천수(경기도 고양시 한류천)를 이용하였으며, pH의 영향으로 인공 하천수에서 뿐만 아니라 실제 하천수에서도 우수한 흡착 제거율을 확인할 수 있었다. 또한 연속성 평가를 진행하기 위하여 컬럼을 이용하여 연속반응실험을 진행하였으며, 2160분이 흘렀음에도 불구하고 지속적으로 흡착하는 반응을 확인할 수 있었다. 마지막으로는 흡착제로부터의 흡착질의 탈착에 대해 평가를 진행하였으며, 24시간의 지속적인 교반에서도 흡착 이후 탈착이 된 양이 극소수인 것으로 보아 안정성에 있어서도 탁월하다고 판단하였다. 결과를 바탕으로 하여 기존의 흡착제와 비교를 해본 결과 실제 원전사고 발생 시 응급물품으로 사용하는데 있어서 가능하다고 판단하였다.
기존에는 원전사고 발생 시 응급물품으로 프러시안 블루를 사용하였다. 프러시안 블루는 면심입방구조를 띄고 있는 청색의 염료로, 양이온을 선택적으로 흡착할 수 있기에 Cs-137을 잘 흡착한다고 한다. 하지만 5 ~ 200 nm 정도의 매우 작은 크기로 인하여 수중에서 미세분말 형태로 존재하기에, 세슘을 흡착한 이후에 프러시안 블루를 따로 분리하는데 있어서 어려움이 존재하였다. 이에 본 연구에서는 수 처리에 자주 사용되는 활성탄에 프러시안 블루를 고정화함으로써 사용 후 회수에 있어서 용이하게 만들었으며, 추가적으로 흡착 이후의 탈착에 대비하기 위하여 활성탄 표면을 공유결합유기물질로 개질하여 안정성을 높였다. 소재에 대한 분석은 SEM-EDS, FT-IR 등을 활용하여 측정하였다. 이후 개질된 소재에 프러시안 블루를 고정화하기 위한 최적조건을 판별하였으며, 변수로써 합성과정 중 고액분리, 세척 등의 여러 과정으로 실험을 진행하였다.
최종 합성한 소재의 경우에는 활성탄 표면에 전체 중량의 약 9.7 %에 달하는 프러시안 블루가 고정된 것을 확인할 수 있었으며, 이는 공유결합유기물질로 개질하지 않은 경우에 비하여 개질한 경우가 약 2배 이상의 프러시안 블루가 고정된 것을 확인 할 수 있었다. 이에 추가적으로 소재의 성능평가를 진행하였다.
성능평가를 진행하기 위하여 pH 영향평가를 진행하였다. pH가 중성일 때 가장 우수한 성능을 보이는 것을 확인하였으며, 개질 전에 비하여 개질 후 2 배 이상의 높은 세슘 흡착 제거율을 확인할 수 있었다. 이후 등온흡착실험, 동역학실험을 진행하였으며, 개질한 소재는 최대 흡착량이 15.055 mg Cs/g PB에 달했고 1차 반응속도식에 더 잘 맞는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로는 실적용 가능성을 평가하기 위하여 인공/실제 하천수(경기도 고양시 한류천)를 이용하였으며, pH의 영향으로 인공 하천수에서 뿐만 아니라 실제 하천수에서도 우수한 흡착 제거율을 확인할 수 있었다. 또한 연속성 평가를 진행하기 위하여 컬럼을 이용하여 연속반응실험을 진행하였으며, 2160분이 흘렀음에도 불구하고 지속적으로 흡착하는 반응을 확인할 수 있었다. 마지막으로는 흡착제로부터의 흡착질의 탈착에 대해 평가를 진행하였으며, 24시간의 지속적인 교반에서도 흡착 이후 탈착이 된 양이 극소수인 것으로 보아 안정성에 있어서도 탁월하다고 판단하였다. 결과를 바탕으로 하여 기존의 흡착제와 비교를 해본 결과 실제 원전사고 발생 시 응급물품으로 사용하는데 있어서 가능하다고 판단하였다.
목차
I. 서 론 11. 연구의 배경 12. 이론적 배경 31) 국내?외 원전 현황 32) 방사성 폐기물의 발생과 특징 및 위험성 63) 방사성 물질의 제거 방법 8(1) 이온교환수지 8(2) 용매 추출 9(3) 흡착 94) 프러시안블루 (Prussian Blue) 115) 공유결합 유기고분자(Covalent organic polymer) 136) 등온흡착식 14(1) Langmuir 등온식 16(2) Freundlich 등온식 177) 흡착 속도식 18(1) 1차반응속도식(Pseudo-first order kinetic model) 18(2) 2차 반응속도식(Pseudo-second order kinetic model) 193. 연구 목적 및 범위 20II. 공유결합 유기고분자로 표면 개질 된 입상활성탄을 이용한 프러시안 블루 고정 최적화에 대한 연구 221. 서론 222. 실험 재료 및 방법 221) COP-GAC 개질 222) Prussian Blue 고정화 25(1) 프러시안 블루 고정 방법 25(2) 프러시안 블루 고정 조건 분류 27(3) 세슘 흡착능 평가 283) 소재 특성 분석 283. 실험 결과 및 고찰 291) COP-GAC 개질 결과 292) 프러시안 블루 고정 최적 조건 판별 31(1) 조건에 따른 합성 후 프러시안 블루 생성 정도 31(2) 세슘 흡착 성능 32(3) 구성 원소 분석 334.결론 36III. Cs+ 제거를 위한 프러시안 블루가 고정된 공유결합 유기고분자로 표면 개질한 입상활성탄 소재 성능 평가 371. 서론 372. 실험 재료 및 방법 381) pH에 따른 Cs 흡착 제거 영향 평가 382) 소재 별 흡착 속도식 평가 393) 소재 별 등온흡착 곡선 평가 394) 실적용 가능성 평가 39(1) 하천수에서의 성능평가 39(2) 연속성 반응실험 42(3) 프러시안 블루 및 세슘 탈착 평가 433. 실험 결과 및 고찰 441) pH 영향 평가 44(1) 소재 별 pH 변화 및 Cs 제거율 44(2) pH 영향 평가 452) 흡착속도식 평가 473) 흡착소재에 따른 등온흡착 실험결과 494) 실적용 가능성 평가 51(1) 하천수에서의 흡착효율 평가 51(2) 연속반응평가 53(3) 프러시안 블루 및 세슘 탈착평가 54(4) 흡착제 성능 비교 564. 결론 58Ⅳ. 결론 59참고문헌 61영문초록(Abstract) 68
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