KR102354125B1 - Crystalline sillica-based entrapping agent for treating carbon dioxide containing radioactive carbon and method for preparing the same and system for treating carbon dioxide containing radioactive carbon using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실리카 구조; 및 상기 실리카 구조 내 함침된 보론 산화물 이온 및 알칼리 토금속 이온을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온이 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제; 이의 제조방법; 및 이를 이용한 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a silica structure; and a crystalline structure comprising boron oxide ions and alkaline earth metal ions impregnated in the silica structure, wherein oxygen ions in the alkaline earth metal ion and the boron oxide ion form an ionic bond. Silica-based trapping agent; its manufacturing method; And it relates to a radiocarbon-containing carbon dioxide treatment system using the same.

Description

방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템{CRYSTALLINE SILLICA-BASED ENTRAPPING AGENT FOR TREATING CARBON DIOXIDE CONTAINING RADIOACTIVE CARBON AND METHOD FOR PREPARING THE SAME AND SYSTEM FOR TREATING CARBON DIOXIDE CONTAINING RADIOACTIVE CARBON USING THE SAME}CRYSTALLINE SILLICA-BASED ENTRAPPING AGENT FOR TREATING CARBON DIOXIDE CONTAINING RADIOACTIVE CARBON AND METHOD FOR PREPARING THE SAME AND SYSTEM FOR TREATING CARBON DIOXIDE CONTAINING RADIOACTIVE CARBON USING THE SAME}

본 발명은 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a crystalline silica-based trapping agent for treating carbon dioxide containing radioactive carbon, a method for preparing the same, and a system for treating carbon dioxide containing radioactive carbon using the same.

원자력 시설에서 발생하는 다양한 폐기물 중, 방사성 탄소(C-14) 함유 탄소 폐기물에 대한 처리 문제가 심각하게 대두되고 있다. 원자력 시설 내에 보관 및 저장되어 있는 방사성 탄소 함유 탄소 폐기물의 양이 상당할 뿐만 아니라, 이때, 방사성 탄소의 반감기 역시 약 5730±40 년으로 엄청나게 길다. 더욱이, 방사성 탄소는 다른 방사성 핵종과 달리 유기물과 치환될 수 있기 때문에, 생명체에게는 매우 해로운 잠재력을 포함하고 있어, 반드시 안정된 형태로 처리해야 하는 상황이다. Among various wastes generated from nuclear power facilities, the problem of treatment of carbon waste containing radioactive carbon (C-14) is seriously emerging. Not only is the amount of radiocarbon-containing carbon waste stored and stored in nuclear facilities significant, but at this time, the half-life of radiocarbon is also incredibly long, about 5730±40 years. Moreover, unlike other radionuclides, since radiocarbon can be substituted with organic matter, it has the potential to be very harmful to living things, so it must be treated in a stable form.

방사성 탄소(C-14) 함유 탄소 폐기물을 열화학적으로 처리할 경우, 방사성 탄소 함유 이산화탄소가 발생하게 되는데, 이를 포집해서 후속 처리에 적합한 형태로 만드는 기술이 필요하다. 따라서, 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 효과적으로 포집하기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있는데, 후속 처리에 적합하게 만들기 위해서는 탄산염 형태로 포집을 해야 한다. 그러나, 탄산염 형태로 만들기 위해서는 주로 극한 조건이 필요해서, 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 다룰 때에는 방사성 폐기물의 안정성 문제로 적합하지 않다. 따라서, 온화한 반응 조건에서, 고효율(빠른 반응 속도 및 높은 포집량)로 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 포집하기 위한 기술이 요구되고 있는 실정이다. When carbon waste containing radiocarbon (C-14) is thermochemically treated, carbon dioxide containing radioactive carbon is generated, and a technology is required to capture it and make it into a form suitable for subsequent treatment. Accordingly, various methods have been developed to effectively capture radiocarbon-containing carbon dioxide. In order to make it suitable for subsequent treatment, it should be captured in the form of carbonate. However, since extreme conditions are mainly required to form the carbonate, it is not suitable for the stability of radioactive waste when dealing with carbon dioxide containing radioactive carbon. Therefore, there is a need for a technology for capturing radiocarbon-containing carbon dioxide with high efficiency (fast reaction rate and high capture amount) under mild reaction conditions.

한국등록특허공보 제10-1545440호 (2015. 08. 11.)Korean Patent Publication No. 10-1545440 (2015. 08. 11.)

본 발명은 온화한 반응 조건에서, 고효율(빠른 반응 속도 및 높은 포집량)로 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 포집하기 위한 것으로, 실리카 구조; 및 상기 실리카 구조 내 함침된 보론 산화물 이온 및 알칼리 토금속 이온을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온이 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제 등을 제공하고자 한다.The present invention is for capturing radioactive carbon-containing carbon dioxide with high efficiency (fast reaction rate and high capture amount) under mild reaction conditions, comprising: a silica structure; and a crystalline structure comprising boron oxide ions and alkaline earth metal ions impregnated in the silica structure, wherein oxygen ions in the alkaline earth metal ion and the boron oxide ion form an ionic bond. An object of the present invention is to provide a silica-based collector and the like.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 실리카 구조; 및 상기 실리카 구조 내 함침된 보론 산화물 이온 및 알칼리 토금속 이온을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온이 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제를 제공한다. The present invention relates to a silica structure; and a crystalline structure comprising boron oxide ions and alkaline earth metal ions impregnated in the silica structure, wherein oxygen ions in the alkaline earth metal ion and the boron oxide ion form an ionic bond. A silica-based collector is provided.

본 발명의 일 구현예로, (a) 실리카, 보론 산화물 및 알칼리 토금속 산화물을 혼합시키고, 용융시킨 다음, 냉각시켜 무결정성 실리카계 포집제를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 무결정성 실리카계 포집제를 결정성 온도 이상으로 승온시키고, 일정 시간 동안 유지한 다음, 냉각시키는 단계를 포함하는 상기 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제의 제조방법을 제공한다. In an embodiment of the present invention, (a) mixing silica, boron oxide and alkaline earth metal oxide, melting and cooling to prepare an amorphous silica-based trapping agent; and (b) raising the temperature of the prepared amorphous silica-based trapping agent to a crystalline temperature or higher, maintaining it for a certain period of time, and then cooling it. provide a way

본 발명의 다른 구현예로, 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 가스 실린더; 상기 공급된 이산화탄소를 액화 및 탄산염으로 변환시키기 위한 이산화탄소 포집 반응기; 및 상기 포집되지 않은 이산화탄소의 발생을 검출하기 위한 이산화탄소 검출기를 포함하고, 상기 이산화탄소 포집 반응기는 물에 분산된 상기 결정성 실리카계 포집제를 포함하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템을 제공한다. In another embodiment of the present invention, a carbon dioxide gas cylinder for supplying carbon dioxide containing radioactive carbon; a carbon dioxide capture reactor for converting the supplied carbon dioxide into liquefaction and carbonate; and a carbon dioxide detector for detecting the generation of the uncaptured carbon dioxide, wherein the carbon dioxide capture reactor includes the crystalline silica-based collector dispersed in water, and provides a carbon dioxide treatment system containing radioactive carbon.

본 발명에 따른 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제는 실리카 구조; 및 상기 실리카 구조 내 함침된 보론 산화물 이온 및 알칼리 토금속 이온을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온이 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는바, 이러한 결정성 구조는 제어된 열처리에 의한 분자 재배열을 통해 형성될 수 있다. The crystalline silica-based scavenger for the treatment of carbon dioxide containing radioactive carbon according to the present invention has a silica structure; and a crystalline structure comprising boron oxide ions and alkaline earth metal ions impregnated in the silica structure, wherein oxygen ions in the alkaline earth metal ions and the boron oxide ions form an ionic bond, such crystals Sexual structures can be formed through molecular rearrangement by controlled heat treatment.

본 발명에 따른 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제를 물에 분산된 상태로 이용하면, 이온 결합을 쉽게 해리시킬 수 있어 온화한 반응 조건에서, 고효율(빠른 반응 속도 및 높은 포집량)로 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 포집할 수 있다. 특히, 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 고정화 및 고화에 적합한 탄산염 형태로 포집시킬 수 있어, 탄소 폐기물 내 방사성 탄소의 포집에 큰 수요를 창출할 것으로 기대된다. When the crystalline silica-based trapping agent for treating carbon dioxide containing radioactive carbon according to the present invention is used in a dispersed state in water, ionic bonds can be easily dissociated, so that under mild reaction conditions, high efficiency (fast reaction rate and high collection amount) Carbon dioxide containing radioactive carbon can be captured. In particular, since carbon dioxide containing radioactive carbon can be captured in the form of carbonate suitable for immobilization and solidification, it is expected to create great demand for the capture of radiocarbon in carbon waste.

도 1은 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제의 이산화탄소 포집 전(a) 및 후(b) SEM 이미지를 비교한 사진이다.
도 2(a)는 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제의 이산화탄소 포집 전 및 후 XRD 패턴을 비교한 그래프이고, 도 2(b)는 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제의 이산화탄소 포집 전 및 후 TGA 곡선을 비교한 그래프이다.
도 3은 이산화탄소 포집 시간에 따른, 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제로부터 계산된 이산화탄소 포집량을 나타낸 그래프이다.
도 4(a)는 실시예 2에 따른 결정성 실리카계 포집제의 이산화탄소 포집 전 및 후 XRD 패턴을 비교한 그래프이고, 도 4(b)는 실시예 2에 따른 결정성 실리카계 포집제의 이산화탄소 포집 전 및 후 TGA 곡선을 비교한 그래프이다.
도 5는 이산화탄소 포집 시간에 따른, 실시예 2에 따른 결정성 실리카계 포집제로부터 계산된 이산화탄소 포집량을 나타낸 그래프이다.
1 is a photograph comparing SEM images before (a) and after (b) carbon dioxide capture of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 1.
Figure 2 (a) is a graph comparing the XRD patterns before and after carbon dioxide capture of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 1, Figure 2 (b) is the carbon dioxide of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 1 It is a graph comparing the TGA curves before and after collection.
3 is a graph showing the carbon dioxide capture amount calculated from the crystalline silica-based collector according to Example 1 according to the carbon dioxide capture time.
Figure 4 (a) is a graph comparing the XRD patterns before and after carbon dioxide capture of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 2, Figure 4 (b) is the carbon dioxide of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 2 It is a graph comparing the TGA curves before and after collection.
5 is a graph showing the carbon dioxide capture amount calculated from the crystalline silica-based collector according to Example 2 according to the carbon dioxide capture time.

종래 방법에 따르면, 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 탄산염 형태로 포집하기 위한 방법으로, 산화칼슘 등을 사용한 예가 있었지만, 산화칼슘의 경우, 칼슘과 산소가 공유 결합으로 연결되어 있기 때문에 그 자체로 아주 안정한 광물로 취급된다. 따라서, 이를 이용하게 되면, 상온 및 상압과 같은 온화한 조건에서는 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 탄산염 형태로 포집하기 위한 광물화(탄산화) 반응이 거의 일어나지 않거나, 일어난다 할지라도 그 속도가 매우 느린 한계가 있다. 한편, 고온 및 고압 조건을 설정하기 위해서는 많은 양의 에너지가 소요되며, 방사성 물질을 다룰 경우 극한 조건에 대한 불안정성으로 인해 위험하다는 문제점이 있다. According to the conventional method, there have been examples of using calcium oxide or the like as a method for capturing radiocarbon-containing carbon dioxide in the form of carbonate, but in the case of calcium oxide, calcium and oxygen are connected by a covalent bond, so it is a very stable mineral by itself. are treated Therefore, when this is used, there is a limit that the mineralization (carbonation) reaction for capturing the radiocarbon-containing carbon dioxide in the form of carbonate hardly occurs or, even if it occurs, the rate is very slow under mild conditions such as room temperature and atmospheric pressure. On the other hand, there is a problem in that a large amount of energy is required to set the high temperature and high pressure conditions, and the handling of radioactive materials is dangerous due to instability to extreme conditions.

이에, 본 발명자들은 종래 방법 대신, 알칼리 토금속 이온이 보론 산화물 이온 내 산소 이온과 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하도록 한 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제를 제조하였고, 물에 분산된 상태로 이용하면, 이온 결합을 쉽게 해리시킬 수 있어 상온 및 상압과 같은 온화한 조건에서도 고효율(빠른 반응 속도 및 높은 포집량)로 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 포집할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다. Accordingly, the present inventors prepared a crystalline silica-based trapping agent for treating carbon dioxide containing radioactive carbon, in which alkaline earth metal ions include a crystalline structure that forms an ionic bond with oxygen ions in boron oxide ions, instead of the conventional method, When used in a dispersed state, it is possible to easily dissociate ionic bonds, so it is confirmed that radioactive carbon-containing carbon dioxide can be captured with high efficiency (fast reaction rate and high capture amount) even under mild conditions such as room temperature and atmospheric pressure, and the present invention completed.

본 명세서 내 "방사성 탄소"는 탄소의 동위원소의 일종으로, 일반적으로, C-14를 말한다. 이때, 방사성 탄소의 반감기 역시 약 5730±40 년으로 엄청나게 길다. 더욱이, 방사성 탄소는 다른 방사성 핵종과 달리 유기물과 치환될 수 있기 때문에, 생명체에게는 매우 해로운 잠재력을 포함하고 있다. As used herein, "radioactive carbon" is a type of isotope of carbon, and generally refers to C-14. At this time, the half-life of radiocarbon is also incredibly long, about 5730±40 years. Moreover, radiocarbon, unlike other radionuclides, can be substituted with organic matter, so it has the potential to be very harmful to living things.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제Crystalline silica-based trapping agent for carbon dioxide treatment containing radioactive carbon

본 발명은 실리카 구조; 및 상기 실리카 구조 내 함침된 보론 산화물 이온 및 알칼리 토금속 이온을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온이 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제를 제공한다. The present invention relates to a silica structure; and a crystalline structure comprising boron oxide ions and alkaline earth metal ions impregnated in the silica structure, wherein oxygen ions in the alkaline earth metal ion and the boron oxide ion form an ionic bond. A silica-based collector is provided.

선택적으로, 상기 실리카 구조 내 유리 물질을 형성하기 위한 첨가제로서, 나트륨 산화물, 칼슘 산화물 또는 이들의 이온이 추가로 함침될 수 있다. Optionally, as an additive for forming a glass material in the silica structure, sodium oxide, calcium oxide or ions thereof may be further impregnated.

본 발명에 따른 결정성 실리카계 포집제라 함은, 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 탄산염 형태로 포집하기 위한 결정성 구조의 유리 물질을 말한다. The crystalline silica-based trapping agent according to the present invention refers to a glass material having a crystalline structure for trapping radioactive carbon-containing carbon dioxide in the form of carbonate.

구체적으로, 본 발명에 따른 결정성 실리카계 포집제는 실리카 구조; 및 상기 실리카 구조 내 함침된 보론 산화물 이온 및 알칼리 토금속 이온을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온과 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온이 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하는데, 이러한 결정성 구조는 제어된 열처리에 의한 분자 재배열을 통해 형성될 수 있다. 제어된 열처리에 의한 분자 재배열에 대해서는 후술하기로 한다. Specifically, the crystalline silica-based scavenger according to the present invention has a silica structure; and a crystalline structure comprising boron oxide ions and alkaline earth metal ions impregnated in the silica structure, wherein the alkaline earth metal ions and oxygen ions in the boron oxide ions form an ionic bond, wherein the crystalline structure is controlled It can be formed through molecular rearrangement by heat treatment. Molecular rearrangement by controlled heat treatment will be described later.

상기 실리카 구조는 유리 물질의 골격을 이루는 것으로, 산소를 2개 실리콘이 공유하는 형태이며, 망상(network) 구조일 수 있다. The silica structure constitutes a skeleton of a glass material, in which oxygen is shared by two silicons, and may have a network structure.

상기 보론 산화물 이온이라 함은 보론 산화물에서 하나 이상의 산소 결합이 끊어져서 음이온을 띄는 상태를 말하는 것으로, BO2 -일 수 있다. 또한, 상기 알칼리 토금속 이온이라 함은 알칼리 토금속 산화물에서 산소 결합이 모두 끊어져서 알칼리 토금속이 양이온을 띄는 상태를 말하는 것으로, M2+(이때, M은 알칼리 토금속이다)로 표시될 수 있다.The boron oxide ion refers to a state in which one or more oxygen bonds are broken in boron oxide to give an anion, and may be BO 2 -. In addition, the alkaline earth metal ion refers to a state in which all oxygen bonds in the alkaline earth metal oxide are broken so that the alkaline earth metal has a cation, and may be expressed as M 2+ (in this case, M is an alkaline earth metal).

상기 알칼리 토금속 이온은 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온과 이온 결합을 형성하여 결정성 구조를 가지는데, 따라서, 상기 결정성 실리카계 포집제를 물에 분산시키는 경우, 이온 결합을 해리시켜 온화한 반응 조건에서, 고효율(빠른 반응 속도 및 높은 포집량)로 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 포집할 수 있다.The alkaline earth metal ion has a crystalline structure by forming an ionic bond with an oxygen ion in the boron oxide ion. , it is possible to capture radiocarbon-containing carbon dioxide with high efficiency (fast reaction rate and high capture amount).

보다 구체적으로, 상기 결정성 구조는 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 포함할 수 있다:More specifically, the crystalline structure may include a structure represented by the following Chemical Formula 1:

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112020033517285-pat00001
Figure 112020033517285-pat00001

상기 식에서, M은 알칼리 토금속이고, 상기 알칼리 토금속 이온은 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 마그네슘(Mg) 및 베릴륨(Be)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 이온을 포함할 수 있고, 반지름 크기를 고려하면, 스트론튬(Sr) 또는 칼슘(Ca)을 포함하는 것이 바람직하고, 효율적인 측면에서 스트론튬(Sr)을 포함하는 것이 가장 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. In the above formula, M is an alkaline earth metal, and the alkaline earth metal ion is at least one selected from the group consisting of strontium (Sr), calcium (Ca), barium (Ba), radium (Ra), magnesium (Mg), and beryllium (Be). It may contain ions, and in consideration of the radius size, it is preferable to include strontium (Sr) or calcium (Ca), and it is most preferable to include strontium (Sr) in terms of efficiency, but is not limited thereto.

한편, 상기 결정성 실리카계 포집제는 물에 분산된 겔 상태일 수 있다. 상기 결정성 실리카계 포집제를 물에 분산시키는 경우, 상기 결정성 실리카계 포집제의 표면이 유리 상태에서 겔 상태로 변환될 수 있다. 따라서, 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 포집시킨 이후, 분리가 용이한 이점을 가진다. Meanwhile, the crystalline silica-based collector may be in a gel state dispersed in water. When the crystalline silica-based trapping agent is dispersed in water, the surface of the crystalline silica-based trapping agent may be converted from a glass state to a gel state. Therefore, after the radiocarbon-containing carbon dioxide is captured, it has the advantage of easy separation.

방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제의 제조방법Method for manufacturing crystalline silica-based trapping agent for carbon dioxide treatment containing radioactive carbon

본 발명은 (a) 실리카, 보론 산화물 및 알칼리 토금속 산화물을 혼합시키고, 용융시킨 다음, 냉각시켜 무결정성 실리카계 포집제를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 제조된 무결정성 실리카계 포집제를 결정성 온도 이상으로 승온시키고, 일정 시간 동안 유지한 다음, 냉각시키는 단계를 포함하는 상기 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제의 제조방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of (a) mixing silica, boron oxide and alkaline earth metal oxide, melting, and cooling to prepare an amorphous silica-based trapping agent; and (b) raising the temperature of the prepared amorphous silica-based trapping agent to a crystalline temperature or higher, maintaining it for a certain period of time, and then cooling it. provide a way

먼저, 본 발명에 따른 결정성 실리카계 포집제의 제조방법은 실리카, 보론 산화물 및 알칼리 토금속 산화물을 혼합시키고, 용융시킨 다음, 냉각시켜 무결정성 실리카계 포집제를 제조하는 단계[(a) 단계]를 포함한다. First, the method for producing a crystalline silica-based trapping agent according to the present invention comprises the steps of mixing silica, boron oxide and alkaline earth metal oxide, melting, and cooling to prepare an amorphous silica-based trapping agent [step (a)] includes

상기 실리카, 보론 산화물 및 알칼리 토금속 산화물의 몰비는 30: 15: 55 내지 40: 25: 35인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 실리카는 상기 실리카계 포집제의 유리 물질의 골격을 구성하는 역할을 한다. 또한, 상기 보론 산화물은 중추를 형성하고 점도 및 녹는점을 낮추기 위한 유리 물질을 형성하기 위한 첨가제로서 역할을 한다. 또한, 상기 알칼리 토금속 산화물은 방사성 탄소 함유 이산화탄소와 반응하는 역할을 한다. 상기 용융은 900℃ 내지 1400℃에서 0.5 시간 내지 1.5 시간 동안 수행될 수 있는데, 이러한 용융 조건에서 무결정성 실리카계 포집제를 제조할 수 있다. 이후, 상기 냉각은 빠르게 이루어지는 것을 특징으로 하는데, 그 속도는 100℃/분 내지 200℃/분일 수 있다. 이러한 급냉으로 인해, 분자의 재배열이 불가능할 것이다. The molar ratio of the silica, boron oxide and alkaline earth metal oxide is preferably 30: 15: 55 to 40: 25: 35, but is not limited thereto. In this case, the silica serves to constitute a skeleton of the glass material of the silica-based collector. The boron oxide also serves as an additive to form a backbone and form a glass material to lower the viscosity and melting point. In addition, the alkaline earth metal oxide serves to react with carbon dioxide containing radioactive carbon. The melting may be performed at 900° C. to 1400° C. for 0.5 hours to 1.5 hours, and an amorphous silica-based trapping agent can be prepared under these melting conditions. Then, the cooling is characterized in that it is made quickly, the rate may be 100 ℃ / min to 200 ℃ / min. Due to this quenching, rearrangement of the molecules would be impossible.

그밖에, 나트륨 산화물, 칼륨 산화물 또는 이들의 혼합물을 망목수식산화물로 혼합시킬 수 있는데, 그 양은, 상기 실리카, 보론 산화물 및 알칼리 토금속 산화물에 대하여, 1 몰% 내지 10 몰%일 수 있다. In addition, sodium oxide, potassium oxide, or a mixture thereof may be mixed as a mesh modified oxide, and the amount thereof may be 1 mol% to 10 mol% based on the silica, boron oxide and alkaline earth metal oxide.

다음으로, 본 발명에 따른 결정성 실리카계 포집제의 제조방법은 상기 제조된 무결정성 실리카계 포집제를 결정성 온도 이상으로 승온시키고, 일정 시간 동안 유지한 다음, 냉각시키는 단계[(b) 단계]를 포함한다. Next, the method for producing a crystalline silica-based trapping agent according to the present invention comprises the steps of raising the temperature of the prepared amorphous silica-based trapping agent above the crystalline temperature, maintaining it for a certain period of time, and then cooling [(b) step ] is included.

상기 제조된 무결정성 실리카계 포집제를 대상으로 제어된 열처리를 수행하여 분자를 재배열함으로써, 결정성 구조를 형성할 수 있는데, 이때, "결정성 구조"에 대해서는 전술한바 있으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다. 따라서, 상기 결정성 실리카계 포집제를 물에 분산시키는 경우, 이온 결합을 해리시켜 온화한 반응 조건에서, 고효율(빠른 반응 속도 및 높은 포집량)로 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 포집할 수 있다. 한편, 무결정성 실리카계 포집제를 물에 분산시키는 경우에는, 이온 결합의 부재로 인해 방사성 탄소 함유 이산화탄소의 포집 효율이 상대적으로 저하되는 한계가 있다. By performing a controlled heat treatment on the prepared amorphous silica-based trapping agent to rearrange the molecules, a crystalline structure can be formed. decide to do Therefore, when the crystalline silica-based trapping agent is dispersed in water, it is possible to dissociate ionic bonds and collect radiocarbon-containing carbon dioxide with high efficiency (fast reaction rate and high collection amount) under mild reaction conditions. On the other hand, when the amorphous silica-based trapping agent is dispersed in water, there is a limit in that the trapping efficiency of radiocarbon-containing carbon dioxide is relatively reduced due to the absence of ionic bonds.

상기 승온은 분자 재배열을 위해 분자의 움직임을 자유롭게 하기 위한 것으로, 1℃/분 내지 10℃/분의 속도로 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. The temperature increase is for freeing the movement of molecules for molecular rearrangement, and is preferably performed at a rate of 1°C/min to 10°C/min, but is not limited thereto.

상기 승온은 결정성 온도 이상으로 이루어지는데, 상기 결정성 온도는 700℃내지 800℃인 것으로, 그 이상의 온도까지 승온될 필요가 있다. 이때, 상기 알칼리 토금속 산화물로 스트론튬(Sr) 산화물을 사용한 경우, 그 결정성 온도는 약 800℃이고, 상기 알칼리 토금속 산화물로 칼슘(Ca) 산화물을 사용한 경우, 그 결정성 온도는 약 780℃이다. The temperature rise is made above the crystalline temperature, the crystalline temperature is to be 700 ℃ to 800 ℃, it is necessary to raise the temperature to a temperature higher than that. In this case, when strontium (Sr) oxide is used as the alkaline earth metal oxide, the crystallinity temperature is about 800° C., and when calcium (Ca) oxide is used as the alkaline earth metal oxide, the crystallinity temperature is about 780° C.

상기 결정성 온도 이상에서 일정 시간 동안 유지는 결정성 구조를 가지기 위해 고온에서 처리를 함으로써 분자의 이동이 자유로워지고, 서서히 냉각하면서, 분자가 재배열하기 위한 것으로, 30분 내지 10 시간 동안 유지될 수 있고, 1시간 내지 3시간 동안 유지되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 보론 산화물에서 하나 이상의 산소 결합을 끊어 음이온을 띄는 보론 산화물 이온을 형성하고, 상기 알칼리 토금속 산화물에서 산소 결합을 모두 끊어 양이온을 띄는 알칼리 토금속 이온을 형성하며, 이들 간에 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함할 수 있다. 이후, 상기 냉각은 서서히 이루어지는 것을 특징으로 하는데, 그 속도는 5℃/분 내지 10℃/분일 수 있다. 이러한 서냉으로 인해, 분자는 재배열될 수 있다.Maintaining for a certain period of time above the crystalline temperature is to free the movement of molecules by processing at a high temperature to have a crystalline structure and, while cooling slowly, to rearrange the molecules, and to be maintained for 30 minutes to 10 hours. and preferably maintained for 1 hour to 3 hours, but is not limited thereto. At this time, a crystal that breaks one or more oxygen bonds in the boron oxide to form boron oxide ions with an anion, breaks all oxygen bonds in the alkaline earth metal oxide to form alkaline earth metal ions with positive ions, and forms ionic bonds between them It may contain gender structures. Then, the cooling is characterized in that it is made gradually, the rate may be 5 ℃ / min to 10 ℃ / min. Due to this slow cooling, the molecules may rearrange.

방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템 및 방법Radiocarbon-containing carbon dioxide treatment system and method

본 발명은 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 가스 실린더; 상기 공급된 이산화탄소를 액화 및 탄산염으로 변환시키기 위한 이산화탄소 포집 반응기; 및 상기 포집되지 않은 이산화탄소의 발생을 검출하기 위한 이산화탄소 검출기를 포함하고, 상기 이산화탄소 포집 반응기는 물에 분산된 상기 결정성 실리카계 포집제를 포함하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템을 제공한다. The present invention is a carbon dioxide gas cylinder for supplying carbon dioxide containing radioactive carbon; a carbon dioxide capture reactor for converting the supplied carbon dioxide into liquefaction and carbonate; and a carbon dioxide detector for detecting the generation of the uncaptured carbon dioxide, wherein the carbon dioxide capture reactor includes the crystalline silica-based collector dispersed in water, and provides a carbon dioxide treatment system containing radioactive carbon.

또한, 상기 시스템을 이용한 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 방법을 제공한다. In addition, there is provided a method for treating carbon dioxide containing radioactive carbon using the system.

먼저, 본 발명에 따른 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템은 이산화탄소 가스 실린더; 이산화탄소 포집 반응기; 및 이산화탄소 검출기를 포함하고, 선택적으로, 원심분리기를 추가로 포함할 수 있으며, 각 장치는 튜빙을 통해 연결된 상태일 수 있다. First, the system for treating carbon dioxide containing radioactive carbon according to the present invention includes a carbon dioxide gas cylinder; carbon dioxide capture reactor; and a carbon dioxide detector, and optionally, a centrifuge, and each device may be connected via tubing.

구체적으로, 본 발명에 따른 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템은 이산화탄소 가스 실린더를 포함하는데, 상기 이산화탄소 가스 실린더는 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 공급하기 위한 역할을 한다. 상기 이산화탄소 가스 실린더 후단에 순차적으로 메인 밸브(main valve), 조절 장치(regulator) 및 니들 밸브(needle valve)를 추가로 포함할 수 있다. Specifically, the system for treating carbon dioxide containing radioactive carbon according to the present invention includes a carbon dioxide gas cylinder, wherein the carbon dioxide gas cylinder serves to supply carbon dioxide containing radioactive carbon. A main valve, a regulator, and a needle valve may be further included sequentially at the rear end of the carbon dioxide gas cylinder.

이를 위해, 상기 이산화탄소 가스 실린더에 방사성 탄소 함유 탄소 폐기물 가스 및 선택적으로, 촉매가 투입될 수 있고, 이는 산소 또는 공기 하에서 이루어질 수 있다. 또한, 상기 이산화탄소 가스 실린더는 방사성 탄소 함유 탄소 폐기물 가스로부터 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 발생시키기 위한 온도 및 압력 조건을 유지할 필요가 있고, 40℃ 내지 200℃의 온도 및 10-1 Pa 내지 105 Pa의 압력 조건을 유지하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. To this end, the carbon dioxide gas cylinder may be charged with a carbon waste gas containing radioactive carbon and optionally a catalyst, which may be carried out under oxygen or air. In addition, the carbon dioxide gas cylinder needs to maintain temperature and pressure conditions for generating radiocarbon-containing carbon dioxide from radiocarbon-containing carbon waste gas, and a temperature of 40° C. to 200° C. and a pressure of 10 -1 Pa to 10 5 Pa. It is preferable to maintain the conditions, but is not limited thereto.

또한, 본 발명에 따른 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템은 이산화탄소 포집 반응기를 포함하는데, 상기 이산화탄소 포집 반응기는 상기 공급된 이산화탄소를 액화 및 탄산염으로 변환시키기 위한 역할을 한다. 상기 이산화탄소 포집 반응기는 다수 개가 직렬로 연결될 수도 있다. In addition, the radiocarbon-containing carbon dioxide treatment system according to the present invention includes a carbon dioxide capture reactor, wherein the carbon dioxide capture reactor serves to convert the supplied carbon dioxide into liquefaction and carbonate. A plurality of the carbon dioxide capture reactor may be connected in series.

상기 이산화탄소 포집 반응기로 공급되는 이산화탄소의 속도는 0.5 ml/분 내지 5.0 ml/분일 수 있고, 0.5 ml/분 내지 2.0 ml/분인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 이산화탄소 포집 반응기로 공급되는 이산화탄소의 속도가 상기 범위에 비해 빨라지는 경우, 포집되지 않은 잉여의 이산화탄소의 발생이 과다해지는 문제점이 생긴다. The rate of carbon dioxide supplied to the carbon dioxide capture reactor may be 0.5 ml/min to 5.0 ml/min, preferably 0.5 ml/min to 2.0 ml/min, but is not limited thereto. At this time, when the speed of carbon dioxide supplied to the carbon dioxide capture reactor is faster than the above range, there is a problem in that excessive generation of uncollected carbon dioxide occurs.

특히, 상기 이산화탄소 포집 반응기는 물에 분산된 상기 결정성 실리카계 포집제를 포함하는 것으로, 상기 이산화탄소 포집 반응기는 물 및 결정성 실리카계 포집제를 분산시키기 위한 교반 장치를 구비할 수 있다. 이때, "결정성 실리카계 포집제", 특히, "물에 분산된 결정성 실리카 포집제"에 대해서는 전술한 바 있으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다. In particular, the carbon dioxide trapping reactor includes the crystalline silica-based trapping agent dispersed in water, and the carbon dioxide trapping reactor may include a stirring device for dispersing water and the crystalline silica-based trapping agent. At this time, since the "crystalline silica-based collector", in particular, the "crystalline silica collector dispersed in water" has been described above, a redundant description will be omitted.

상기 이산화탄소 포집 반응기는 상기 물 100 ml에 대하여, 상기 결정성 실리카계 포집제 1 g 내지 10 g을 포함할 수 있고, 상기 결정성 실리카계 포집제 2 g 내지 6 g을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이는 포집되지 않은 잉여의 이산화탄소의 발생을 최소화하기 위해 설정된 함량이다. The carbon dioxide trapping reactor may contain 1 g to 10 g of the crystalline silica-based trapping agent with respect to 100 ml of the water, and it is preferable to include 2 g to 6 g of the crystalline silica-based trapping agent, not limited This is the content set to minimize the generation of excess carbon dioxide that is not captured.

상기 이산화탄소 포집 반응기에서 상기 결정성 실리카계 포집제의 분산은 100 rpm 내지 1,000 rpm 조건에서 수행될 수 있고, 300 rpm 내지 1,000 rpm 조건에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이로써, 상기 결정성 실리카계 포집제를 물에 잘 분산시킬 수 있다. Dispersion of the crystalline silica-based trapping agent in the carbon dioxide trapping reactor may be performed at 100 rpm to 1,000 rpm conditions, and is preferably performed at 300 rpm to 1,000 rpm conditions, but is not limited thereto. Accordingly, the crystalline silica-based collector can be well dispersed in water.

상기 결정성 실리카계 포집제에서 알칼리 토금속 이온은 방사성 탄소 함유 이산화탄소와 쉽게 반응할 수 있는 이점이 있기 때문에, 상기 이산화탄소 포집 반응기는 상온 및 상압과 같은 온화한 조건을 유지해도 충분한 이점을 가진다. 따라서, 상기 이산화탄소 포집 반응기는 20℃ 내지 40℃의 온도 및 0.5 atm 내지 1.5 atm의 압력 조건을 유지하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 이산화탄소 포집 반응은 5시간 이내, 바람직하게는 1시간 내지 3시간 동안 수행될 수 있다. Since the alkaline earth metal ions in the crystalline silica-based trapping agent have an advantage that they can easily react with carbon dioxide containing radioactive carbon, the carbon dioxide trapping reactor has sufficient advantages even when maintaining mild conditions such as room temperature and atmospheric pressure. Accordingly, the carbon dioxide capture reactor is preferably maintained at a temperature of 20°C to 40°C and a pressure condition of 0.5 atm to 1.5 atm, but is not limited thereto. In addition, the carbon dioxide capture reaction may be performed within 5 hours, preferably for 1 hour to 3 hours.

선택적으로, 상기 이산화탄소 포집 반응기에서 변환되는 탄산염(혹은, 탄산염이 포집된 결정성 실리카계 포집제)을 분리하기 위한 원심분리기를 추가로 포함할 수 있다. Optionally, it may further include a centrifuge for separating the carbonate (or the crystalline silica-based trapping agent in which the carbonate is collected) converted in the carbon dioxide capture reactor.

또한, 본 발명에 따른 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템은 이산화탄소 검출기를 포함하는데, 상기 이산화탄소 검출기는 상기 포집되지 않은 잉여의 이산화탄소의 발생을 검출하기 위한 역할을 한다. 이는 연속적 및 실시간으로 확인될 수 있다. In addition, the radiocarbon-containing carbon dioxide treatment system according to the present invention includes a carbon dioxide detector, wherein the carbon dioxide detector serves to detect the generation of the excess carbon dioxide that is not captured. This can be checked continuously and in real time.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제는 실리카 구조; 및 상기 실리카 구조 내 함침된 보론 산화물 이온 및 알칼리 토금속 이온을 포함하고, 상기 알칼리 토금속 이온은 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온과 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는바, 이러한 결정성 구조는 제어된 열처리에 의한 분자 재배열을 통해 형성될 수 있다. As described above, the crystalline silica-based scavenger for treating radioactive carbon-containing carbon dioxide according to the present invention has a silica structure; and boron oxide ions and alkaline earth metal ions impregnated in the silica structure, wherein the alkaline earth metal ions include a crystalline structure that forms an ionic bond with oxygen ions in the boron oxide ions, such crystals Sexual structures can be formed through molecular rearrangement by controlled heat treatment.

본 발명에 따른 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정성 실리카계 포집제를 물에 분산된 상태로 이용하면, 이온 결합을 쉽게 해리시킬 수 있어 온화한 반응 조건에서, 고효율(빠른 반응 속도 및 높은 포집량)로 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 포집할 수 있다. 특히, 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 고정화 및 고화에 적합한 탄산염 형태로 포집시킬 수 있어, 탄소 폐기물 내 방사성 탄소의 포집에 큰 수요를 창출할 것으로 기대된다. When the crystalline silica-based trapping agent for treating carbon dioxide containing radioactive carbon according to the present invention is used in a dispersed state in water, ionic bonds can be easily dissociated, so that under mild reaction conditions, high efficiency (fast reaction rate and high collection amount) Carbon dioxide containing radioactive carbon can be captured. In particular, since carbon dioxide containing radioactive carbon can be captured in the form of carbonate suitable for immobilization and solidification, it is expected to create great demand for the capture of radiocarbon in carbon waste.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[실시예][Example]

실시예 1Example 1

(1) 백금 도가니에 SiO2, B2O3, Na2O 및 SrO를 35: 20: 5: 40의 몰비로 혼합시키고, 약 1350℃에서 약 1시간 동안 용융시켰다. 그 다음, 백금 도가니를 꺼내어, 약 25℃에 있는 흑연판에 용융물을 부어줌으로써 빠르게 냉각시켜 무결정성 실리카계 포집제를 제조하였다. 이후, 약 5℃/분의 속도로 약 800℃까지 승온시키고, 그 온도에서 약 1시간 동안 유지한 다음, 전기로의 전원을 끔으로써 약 25℃로 서서히 냉각시켜 결정성 실리카계 포집제를 제조하였다. 이후, planetary mill(SPEX SamplePrep 8000M)로 분쇄 후, 자동 체(auto sieve)(Orto Alresa OASS 203)를 통해 < 45μm 의 일정한 크기로 회수하였다. 이때, 결정성 실리카계 포집제의 XRD 패턴, TGA 곡선 및 SEM 이미지는 도 1(a) 및 (b)와, 도 2(a)를 통해 확인된다. (1) SiO 2 , B 2 O 3 , Na 2 O and SrO were mixed in a molar ratio of 35: 20: 5: 40 in a platinum crucible, and melted at about 1350° C. for about 1 hour. Then, the platinum crucible was taken out, and the melt was poured on a graphite plate at about 25° C. and cooled rapidly to prepare an amorphous silica-based trapping agent. Thereafter, the temperature was raised to about 800°C at a rate of about 5°C/min, maintained at that temperature for about 1 hour, and then slowly cooled to about 25°C by turning off the electric furnace to prepare a crystalline silica-based collector. . Thereafter, after grinding with a planetary mill (SPEX SamplePrep 8000M), it was recovered to a constant size of <45 μm through an auto sieve (Orto Alresa OASS 203). At this time, the XRD pattern, TGA curve, and SEM image of the crystalline silica-based collector are confirmed through FIGS. 1(a) and (b) and FIG. 2(a).

그 다음, 이산화탄소 포집 반응기에 초순수 50 ml 및 결정성 실리카계 포집제 2g을 첨가한 다음, 반응기 뚜껑을 닫아 두었다. 이후, 이산화탄소 포집 반응기에 구비된 교반 장치를 이용하여 약 500 rpm의 높은 속도로 교반하여 결정성 실리카계 포집제를 초순수에 잘 분산시켰다. Then, 50 ml of ultrapure water and 2 g of a crystalline silica-based trapping agent were added to the carbon dioxide trapping reactor, and then the reactor lid was closed. Thereafter, the crystalline silica-based trapping agent was well dispersed in ultrapure water by stirring at a high speed of about 500 rpm using a stirring device provided in the carbon dioxide trapping reactor.

(2) 산소 또는 공기 하에서 방사성 탄소 함유 탄소 폐기물 가스 및 백금 촉매를 이산화탄소 가스 실린더에 투입하여 방사성 탄소 함유 이산화탄소를 발생시키는 대신, 모의 실험으로서, 이산화탄소를 이산화탄소 가스 실린더에 투입하여 이산화탄소를 발생시켰다. 이산화탄소 가스 실린더 후단에 위치한 메인 밸브(main valve)를 열어, 발생한 이산화탄소를 플라스틱 튜빙을 따라 1 ml/분의 속도로 조절 장치(regulator)로 이동시켰다. 이후, 조절 장치(regulator) 후단에 위치한 니들 밸브(needle valve)를 열어, 이동시킨 이산화탄소를 플라스틱 튜빙을 따라 이산화탄소 포집 반응기로 공급하였다. (2) As a simulation experiment, carbon dioxide was generated by injecting carbon dioxide into a carbon dioxide gas cylinder as a simulation, instead of generating radioactive carbon-containing carbon dioxide by putting a radioactive carbon-containing carbon waste gas and a platinum catalyst into a carbon dioxide gas cylinder under oxygen or air. By opening the main valve located at the rear end of the carbon dioxide gas cylinder, the generated carbon dioxide was moved along the plastic tubing at a rate of 1 ml/min to the regulator. Thereafter, a needle valve located at the rear end of the regulator was opened, and the moved carbon dioxide was supplied to the carbon dioxide capture reactor along the plastic tubing.

(3) 공급된 이산화탄소를 약 25℃의 온도 및 약 1 atm의 압력 조건을 유지하는 이산화탄소 포집 반응기에서 약 3 시간 동안 액화시킨 다음 탄산염으로 변환시키는 반응을 진행하였고, 수용액에서 생성되는 방울을 통해 반응이 진행되는지 여부를 확인하였다. (3) The supplied carbon dioxide was liquefied for about 3 hours in a carbon dioxide capture reactor maintaining a temperature of about 25° C. and a pressure of about 1 atm, and then a reaction was carried out to convert it into carbonate, and the reaction was carried out through droplets generated in the aqueous solution. Check whether this is going on or not.

(4) 이산화탄소 검출기를 통해 포집되지 않은 이산화탄소의 발생을 연속적 및 실시간으로 확인하였다. (4) The generation of uncaptured carbon dioxide was checked continuously and in real time through a carbon dioxide detector.

(5) 이산화탄소 포집 반응이 끝난 후, 원심분리기를 통해 탄산염이 포집된 결정성 실리카계 포집제 및 수용액을 분리하고 회수하였고, 수용액은 희석하여 농도 측정에 사용하였고, 탄산염이 포집된 결정성 실리카계 포집제는 완전히 건조시킨 다음 정량 및 정성 분석에 사용하였다. 이때, 탄산염이 포집된 결정성 실리카계 포집제의 SEM 이미지, XRD 패턴 및 TGA 곡선은 도 1 및 2를 통해 확인된다. 또한, 탄산염이 포집된 결정성 실리카계 포집제로부터 계산된 이산화탄소 포집량은 도 3을 통해 확인된다. (5) After the carbon dioxide capture reaction was completed, the crystalline silica-based trapping agent and aqueous solution in which carbonate was collected were separated and recovered through a centrifugal separator, and the aqueous solution was diluted and used for concentration measurement, and the crystalline silica-based agent in which carbonate was collected The collector was completely dried and then used for quantitative and qualitative analysis. At this time, the SEM image, XRD pattern, and TGA curve of the crystalline silica-based trapping agent in which the carbonate is collected are confirmed through FIGS. 1 and 2 . In addition, the amount of carbon dioxide capture calculated from the crystalline silica-based collector in which the carbonate is captured is confirmed through FIG. 3 .

비교예 1Comparative Example 1

(1) 백금 도가니에 SiO2, B2O3, Na2O 및 SrO를 35: 20: 5: 40의 몰비로 혼합시키고, 약 1350℃에서 약 1시간 동안 용융시켰다. 그 다음, 백금 도가니를 꺼내어, 약 25℃에 있는 흑연판에 용융물을 부어줌으로써 빠르게 냉각시켜 무결정성 실리카계 포집제를 제조하였다. 이후, 제어된 열처리를 생략한 채로, planetary mill(SPEX SamplePrep 8000M)로 분쇄 후, 자동 체(auto sieve)(Orto Alresa OASS 203)를 통해 < 45μm 의 일정한 크기로 회수하였다. 이때, 무결정성 실리카계 포집제의 XRD 패턴 및 TGA 곡선은 도 2를 통해 확인된다. (1) SiO 2 , B 2 O 3 , Na 2 O and SrO were mixed in a molar ratio of 35: 20: 5: 40 in a platinum crucible, and melted at about 1350° C. for about 1 hour. Then, the platinum crucible was taken out, and the melt was poured on a graphite plate at about 25° C. and cooled rapidly to prepare an amorphous silica-based trapping agent. Thereafter, while omitting the controlled heat treatment, it was pulverized with a planetary mill (SPEX SamplePrep 8000M), and then recovered to a constant size of <45 μm through an auto sieve (Orto Alresa OASS 203). At this time, the XRD pattern and TGA curve of the amorphous silica-based collector are confirmed through FIG. 2 .

그 다음, 이산화탄소 포집 반응기에 초순수 50 ml 및 무결정성 실리카계 포집제 2g을 첨가한 다음, 반응기 뚜껑을 닫아 두었다. 이후, 이산화탄소 포집 반응기에 구비된 교반 장치를 이용하여 약 500 rpm의 높은 속도로 교반하여 무결정성 실리카계 포집제를 초순수에 잘 분산시켰다. Then, 50 ml of ultrapure water and 2 g of an amorphous silica-based trapping agent were added to the carbon dioxide trapping reactor, and then the reactor lid was closed. Thereafter, the amorphous silica-based trapping agent was well dispersed in ultrapure water by stirring at a high speed of about 500 rpm using a stirring device provided in the carbon dioxide trapping reactor.

그 다음, 실시예 1의 (2)~(5)와 동일한 방법으로 이산화탄소를 처리하였다. Then, carbon dioxide was treated in the same manner as in Example 1 (2) to (5).

실시예 2Example 2

(1) 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, SrO 대신 CaO를 사용하여 무결정성 실리카계 포집제를 제조하였다. 그 다음, 약 10℃/분의 속도로 약 950℃까지 승온시키고, 그 온도에서 약 2시간 동안 유지한 다음, 전기로의 전원을 끔으로써 약 25℃로 서서히 냉각시켜 결정성 실리카계 포집제를 제조하였다. 이후, planetary mill(SPEX SamplePrep 8000M)로 분쇄 후, 자동 체(auto sieve)(Orto Alresa OASS 203)를 통해 < 45μm 의 일정한 크기로 회수하였다. 이때, 결정성 실리카계 포집제의 XRD 패턴 및 TGA 곡선은 도 4를 통해 확인된다. (1) An amorphous silica-based trapping agent was prepared in the same manner as in Example 1, except that CaO was used instead of SrO. Then, the temperature was raised to about 950°C at a rate of about 10°C/min, maintained at that temperature for about 2 hours, and then slowly cooled to about 25°C by turning off the electric furnace to prepare a crystalline silica-based trapping agent did. Thereafter, after grinding with a planetary mill (SPEX SamplePrep 8000M), it was recovered to a constant size of <45 μm through an auto sieve (Orto Alresa OASS 203). At this time, the XRD pattern and TGA curve of the crystalline silica-based collector are confirmed through FIG. 4 .

그 다음, 이산화탄소 포집 반응기에 초순수 50 ml 및 결정성 실리카계 포집제 2g을 첨가한 다음, 반응기 뚜껑을 닫아 두었다. 이후, 이산화탄소 포집 반응기에 구비된 교반 장치를 이용하여 약 500 rpm의 높은 속도로 교반하여 결정성 실리카계 포집제를 초순수에 잘 분산시켰다. Then, 50 ml of ultrapure water and 2 g of a crystalline silica-based trapping agent were added to the carbon dioxide trapping reactor, and then the reactor lid was closed. Thereafter, the crystalline silica-based trapping agent was well dispersed in ultrapure water by stirring at a high speed of about 500 rpm using a stirring device provided in the carbon dioxide trapping reactor.

그 다음, 실시예 1의 (2)~(5)와 동일한 방법으로 이산화탄소를 처리하였다. Then, carbon dioxide was treated in the same manner as in Example 1 (2) to (5).

비교예 2Comparative Example 2

(1) 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, SrO 대신 CaO를 사용하여 무결정성 실리카계 포집제를 제조하였다. 이후, 제어된 열처리를 생략한 채로, planetary mill(SPEX SamplePrep 8000M)로 분쇄 후, 자동 체(auto sieve)(Orto Alresa OASS 203)를 통해 < 45μm 의 일정한 크기로 회수하였다. 이때, 무결정성 실리카계 포집제의 XRD 패턴은 도 4를 통해 확인된다. (1) An amorphous silica-based trapping agent was prepared in the same manner as in Example 1, except that CaO was used instead of SrO. Thereafter, while omitting the controlled heat treatment, it was pulverized with a planetary mill (SPEX SamplePrep 8000M), and then recovered to a constant size of <45 μm through an auto sieve (Orto Alresa OASS 203). At this time, the XRD pattern of the amorphous silica-based collector is confirmed through FIG.

그 다음, 이산화탄소 포집 반응기에 초순수 50 ml 및 무결정성 실리카계 포집제 2g을 첨가한 다음, 반응기 뚜껑을 닫아 두었다. 이후, 이산화탄소 포집 반응기에 구비된 교반 장치를 이용하여 약 500 rpm의 높은 속도로 교반하여 무결정성 실리카계 포집제를 초순수에 잘 분산시켰다. Then, 50 ml of ultrapure water and 2 g of an amorphous silica-based trapping agent were added to the carbon dioxide trapping reactor, and then the reactor lid was closed. Thereafter, the amorphous silica-based trapping agent was well dispersed in ultrapure water by stirring at a high speed of about 500 rpm using a stirring device provided in the carbon dioxide trapping reactor.

그 다음, 실시예 1의 (2)~(5)와 동일한 방법으로 이산화탄소를 처리하였다. Then, carbon dioxide was treated in the same manner as in Example 1 (2) to (5).

도 1(a)에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제의 평균 입자 크기는 이산화탄소 포집 전에 약 100 ㎛ 이하(약 75 ㎛)로 미세한 수준인 것으로 확인되나, 이산화탄소 포집 후에 광물화(탄산화) 반응이 진행되어, 크기가 고른 SrCO3가 다수 생성된 것으로 확인된다. As shown in FIG. 1(a), the average particle size of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 1 was found to be at a fine level of about 100 μm or less (about 75 μm) before carbon dioxide capture, but minerals after carbon dioxide capture It is confirmed that the carbonization (carbonation) reaction proceeds, and a large number of SrCO 3 having an even size is generated.

도 2(a)에 나타난 바와 같이, XRD 패턴 분석 결과, 비교예 1에 따른 무결정성 실리카계 포집제의 경우, 결정성 구조를 가지지 않은 것으로 확인되나, 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제의 경우, 분자 재배열을 통해 결정성 구조(Strontium metaborate; SrB2O4)를 가지는 것으로 확인된다. 또한, 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제의 경우, 이산화탄소를 포집한 후에 새로운 XRD 피크가 확인되는바, 이는 SrCO3의 생성으로 인한 것으로 볼 수 있다. As shown in FIG. 2( a ), as a result of XRD pattern analysis, it was confirmed that the amorphous silica-based trapping agent according to Comparative Example 1 did not have a crystalline structure, but the crystalline silica-based trapping agent according to Example 1 In the case of , it is confirmed to have a crystalline structure (Strontium metaborate; SrB 2 O 4 ) through molecular rearrangement. In addition, in the case of the crystalline silica-based scavenger according to Example 1, a new XRD peak is confirmed after capturing carbon dioxide, which can be considered due to the generation of SrCO 3 .

도 2(b)에 나타난 바와 같이, TGA 곡선 분석 결과, 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제의 경우, 이산화탄소 포집 1시간 후 약 600℃에서 TGA 곡선의 급격한 변화가 관찰되는데, 이는 탄산염의 열분해로 인한 것으로 볼 수 있다. 한편, 이산화탄소 포집 12시간 후 TGA 곡선을 보더라도, 이산화탄소 포집 1시간 후 TGA 곡선과 큰 차이가 없었다. 이를 통해, 이산화탄소를 액화 및 탄산염으로 변환시키는 것은 1시간 이내 모두 완료된 것으로, 빠른 반응 속도를 가지는 것으로 볼 수 있다. 한편, 비교예 1에 따른 무결정성 실리카계 포집제의 경우, 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제에 비해, 이산화탄소 포집 1시간 후 약 600℃에서 TGA 곡선의 변화 정도가 상대적으로 미미한 수준인 것으로 관찰된다. As shown in FIG. 2(b) , as a result of the TGA curve analysis, in the case of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 1, a sharp change in the TGA curve was observed at about 600° C. after 1 hour of carbon dioxide capture, which This may be due to thermal decomposition. On the other hand, even when looking at the TGA curve after 12 hours of carbon dioxide capture, there was no significant difference from the TGA curve after 1 hour of carbon dioxide capture. Through this, the conversion of carbon dioxide into liquefaction and carbonate is completed within 1 hour, and it can be seen that the carbon dioxide has a fast reaction rate. On the other hand, in the case of the amorphous silica-based trapping agent according to Comparative Example 1, compared to the crystalline silica-based trapping agent according to Example 1, the degree of change in the TGA curve at about 600°C after 1 hour of carbon dioxide capture was relatively insignificant. is observed to be

이러한 결과로부터, 무결정성 실리카계 포집제에 제어된 열처리를 수행하여 분자를 재배열시킨 결정성 실리카계 포집제를 이용하면, 무결정성 실리카계 포집제를 이용한 경우에 비해, 이산화탄소를 탄산염 형태로 효과적으로 포집시킬 수 있는 것으로 볼 수 있다. From these results, when the crystalline silica-based trapping agent in which the molecules are rearranged by performing a controlled heat treatment on the amorphous silica-based trapping agent is used, carbon dioxide can be effectively converted into a carbonate form compared to the case of using the amorphous silica-based trapping agent. It can be viewed as being collectible.

도 3에 나타난 바와 같이, 이산화탄소 포집 시간에 따른, 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제로부터 이산화탄소 포집량(CO2 capacity)을 하기 식을 통해 계산하였다: As shown in Figure 3, the carbon dioxide capture amount (CO 2 capacity) from the crystalline silica-based collector according to Example 1 according to the carbon dioxide capture time was calculated through the following formula:

CO2 capacity (mmol CO2/g adsorbent) =

Figure 112020033517285-pat00002
CO 2 capacity (mmol CO 2 /g adsorbent) =
Figure 112020033517285-pat00002

여기서, X는

Figure 112020033517285-pat00003
이고, A는 이산화탄소가 분해되기 시작하는 600 ℃의 온도에서 TGA로부터 획득된 중량 %이고, B는 TGA 곡선이 안정된 경우에 중량 %이다. where X is
Figure 112020033517285-pat00003
, A is the weight % obtained from TGA at a temperature of 600° C. at which carbon dioxide starts to decompose, and B is the weight % when the TGA curve is stable.

그 결과, 고효율(빠른 반응 속도(≥4.54 mmol/gh) 및 높은 포집량(4.54 mmol/g))로 이산화탄소를 포집할 수 있는 것으로 확인된다. 이는 Sr이 이산화탄소와 모두 반응했다고 가정한 이론값(5.0 mmol/g)의 90%에 해당하는 값으로, 비교예 1에 따른 무결정성 실리카계 포집제의 포집량인 4.2 mmol/g에 비해서 월등히 높은 값이다. As a result, it is confirmed that carbon dioxide can be captured with high efficiency (fast reaction rate (≥4.54 mmol/gh) and high capture amount (4.54 mmol/g)). This is a value corresponding to 90% of the theoretical value (5.0 mmol/g) assuming that all of Sr reacted with carbon dioxide, which is significantly higher than that of the amorphous silica-based trapping agent according to Comparative Example 1, which is 4.2 mmol/g. is the value

도 4(a)에 나타난 바와 같이, XRD 패턴 분석 결과, 비교예 2에 따른 무결정성 실리카계 포집제의 경우, 결정성 구조를 가지지 않은 것으로 확인되나, 실시예 2에 따른 결정성 실리카계 포집제의 경우, 분자 재배열을 통해 결정성 구조(calcium metaborate; CaB2O4)를 가지는 것으로 확인된다. 또한, 실시예 1에 따른 결정성 실리카계 포집제의 경우, 이산화탄소를 포집한 후 새로운 XRD 피크가 확인되는바, 이는 CaCO3의 생성으로 인한 것으로 볼 수 있다. As shown in FIG. 4( a ), as a result of XRD pattern analysis, it was confirmed that the amorphous silica-based trapping agent according to Comparative Example 2 did not have a crystalline structure, but the crystalline silica-based trapping agent according to Example 2 In the case of , it is confirmed to have a crystalline structure (calcium metaborate; CaB 2 O 4 ) through molecular rearrangement. In addition, in the case of the crystalline silica-based scavenger according to Example 1, a new XRD peak is confirmed after capturing carbon dioxide, which can be considered due to the generation of CaCO 3 .

도 4(b)에 나타난 바와 같이, TGA 곡선 분석 결과, 실시예 2에 따른 결정성 실리카계 포집제의 경우, 이산화탄소 포집 1시간 후 약 600℃에서 TGA 곡선의 변화가 관찰되는데, 이는 탄산염의 열분해로 인한 것으로 볼 수 있다. As shown in FIG. 4(b), as a result of the TGA curve analysis, in the case of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 2, a change in the TGA curve was observed at about 600° C. 1 hour after carbon dioxide capture, which is the thermal decomposition of carbonate may be considered due to

도 5에 나타난 바와 같이, 이산화탄소 포집 시간에 따른, 실시예 2에 따른 결정성 실리카계 포집제의 포집량을 계산한 결과, 비교적 높은 효율(비교적 빠른 반응 속도(≥3.82 mmol/gh) 및 비교적 높은 포집량(3.40 mmol/g))로 이산화탄소를 포집할 수 있는 것으로 확인된다. 이는 Ca이 이산화탄소와 모두 반응했다고 가정한 이론값(6.6 mmol/g)의 51%에 해당하는 값이다. As shown in FIG. 5 , as a result of calculating the amount of the crystalline silica-based trapping agent according to Example 2 according to the carbon dioxide trapping time, relatively high efficiency (relatively fast reaction rate (≥3.82 mmol/gh) and relatively high It is confirmed that carbon dioxide can be captured with a capture amount (3.40 mmol/g)). This is a value corresponding to 51% of the theoretical value (6.6 mmol/g) assuming that all of Ca reacted with carbon dioxide.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (13)

실리카 구조; 및
상기 실리카 구조 내 함침된 보론 산화물 이온 및 알칼리 토금속 이온을 포함하고,
상기 알칼리 토금속 이온과 상기 보론 산화물 이온 내 산소 이온이 이온 결합을 형성하는 결정성 구조를 포함하며,
상기 결정성 구조는 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 포함하는 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리용 결정 성 실리카계 포집제.
[화학식 1]
Figure 112021104674458-pat00010

상기 식에서, M은 알칼리 토금속이다.
silica structure; and
Including boron oxide ions and alkaline earth metal ions impregnated in the silica structure,
and a crystalline structure in which oxygen ions in the alkaline earth metal ions and the boron oxide ions form an ionic bond,
The crystalline structure is a crystalline silica-based trapping agent for treating carbon dioxide containing radioactive carbon comprising a structure represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure 112021104674458-pat00010

In the above formula, M is an alkaline earth metal.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 알칼리 토금속 이온은 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 마그네슘(Mg) 및 베릴륨(Be)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 이온을 포함하는, 결정성 실리카계 포집제.
The method of claim 1,
The alkaline earth metal ion includes at least one ion selected from the group consisting of strontium (Sr), calcium (Ca), barium (Ba), radium (Ra), magnesium (Mg) and beryllium (Be), crystalline silica-based collector.
제1항에 있어서,
상기 결정성 실리카계 포집제는 물에 분산된 겔 상태인, 결정성 실리카계 포집제.
The method of claim 1,
The crystalline silica-based trapping agent is in a gel state dispersed in water, the crystalline silica-based trapping agent.
(a) 실리카, 보론 산화물 및 알칼리 토금속 산화물을 혼합시키고, 용융시킨 다음, 냉각시켜 무결정성 실리카계 포집제를 제조하는 단계; 및
(b) 상기 제조된 무결정성 실리카계 포집제를 결정성 온도 이상으로 승온시키고, 일정 시간 동안 유지한 다음, 냉각시켜 결정성 실리카계 포집제를 제조하는 단계; 를 포함하고,
상기 결정성 실리카계 포집제는 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 포함하는 결정성 실리카계 포집제의 제조방법.
[화학식 1]
Figure 112021104674458-pat00011

상기 식에서, M은 알칼리 토금속이다.
(a) mixing silica, boron oxide and alkaline earth metal oxide, melting and cooling to prepare an amorphous silica-based scavenger; and
(b) raising the temperature of the prepared amorphous silica-based trapping agent to a crystalline temperature or higher, maintaining it for a certain period of time, and then cooling to prepare a crystalline silica-based trapping agent; including,
The crystalline silica-based trapping agent is a method for producing a crystalline silica-based trapping agent comprising a structure represented by the following formula (1).
[Formula 1]
Figure 112021104674458-pat00011

In the above formula, M is an alkaline earth metal.
제5항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 실리카, 보론 산화물 및 알칼리 토금속 산화물의 몰비는 30: 15: 55 내지 40: 25: 35인, 결정성 실리카계 포집제의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The molar ratio of silica, boron oxide and alkaline earth metal oxide in step (a) is 30: 15: 55 to 40: 25: 35, the method for producing a crystalline silica-based trapping agent.
제5항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 용융은 900℃ 내지 1400℃에서 수행되는, 결정성 실리카계 포집제의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The melting in step (a) is carried out at 900 ℃ to 1400 ℃, a method for producing a crystalline silica-based trapping agent.
제5항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 결정성 온도는 700℃ 내지 800℃인, 결정성 실리카계 포집제의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The crystallinity temperature in step (b) is 700 ℃ to 800 ℃, the method for producing a crystalline silica-based trapping agent.
제5항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 승온은 1℃/분 내지 10℃/분의 속도로 수행되는, 결정성 실리카계 포집제의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The method of producing a crystalline silica-based trapping agent, wherein the temperature increase in step (b) is performed at a rate of 1 °C / min to 10 °C / min.
제5항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 유지는 30분 내지 10 시간 동안인, 결정성 실리카계 포집제의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The maintenance in step (b) is for 30 minutes to 10 hours, the method for producing a crystalline silica-based trapping agent.
방사성 탄소 함유 이산화탄소를 공급하기 위한 이산화탄소 가스 실린더;
상기 공급된 이산화탄소를 액화 및 탄산염으로 변환시키기 위한 이산화탄소 포집 반응기; 및
상기 포집되지 않은 이산화탄소의 발생을 검출하기 위한 이산화탄소 검출기를 포함하고,
상기 이산화탄소 포집 반응기는 물에 분산된 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 따른 결정성 실리카계 포집제를 포함하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템.
a carbon dioxide gas cylinder for supplying carbon dioxide containing radioactive carbon;
a carbon dioxide capture reactor for converting the supplied carbon dioxide into liquefaction and carbonate; and
A carbon dioxide detector for detecting the generation of the uncaptured carbon dioxide,
The carbon dioxide capture reactor comprises a crystalline silica-based collector according to any one of claims 1, 3 and 4 dispersed in water, a carbon dioxide treatment system containing radioactive carbon.
제11항에 있어서,
상기 이산화탄소 포집 반응기는 상기 물 100 ml에 대하여, 상기 실리카계 포집제 1 g 내지 10 g을 포함하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템.
12. The method of claim 11,
The carbon dioxide capture reactor contains, with respect to 100 ml of the water, 1 g to 10 g of the silica-based trapping agent, a carbon dioxide treatment system containing radioactive carbon.
제11항에 있어서,
상기 이산화탄소 포집 반응기는 20℃ 내지 40℃의 온도 및 0.5 atm 내지 1.5 atm의 압력 조건을 유지하는, 방사성 탄소 함유 이산화탄소 처리 시스템.
12. The method of claim 11,
The carbon dioxide capture reactor maintains a temperature of 20° C. to 40° C. and a pressure condition of 0.5 atm to 1.5 atm, a carbon dioxide treatment system containing radioactive carbon.
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