온도 조건에 따른 Zeolite 13X의 CO₂ 탈착 거동 평가 = Evaluation of CO₂ Desorption Behavior of Zeolite 13X under Varying Temperature Conditions

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 원전 해체 과정에서 발생하는 폐흡착제 중, 방사성 탄소-14(C-14)를 포함한 이산화탄소(CO₂)의 안정적 처분을 위한 전처리 기술 개발을 목적으로 수행되었다. 기존의 탈착 관련 연구들은 400 °C 이상의 고온 열처리나 진공 기반 조건에서 수행된 경우가 많아, 실제 운전 환경을 반영하기에는 한계가 존재하였다. 이에 본 연구에서는 높은 CO₂ 선택성과 구조 안정성을 지닌 제올라이트 13X를 흡착제로 사용하고, 온도 스윙 흡착(Temperature Swing Adsorption, TSA) 방식을 적용하여, 210–250 °C의 온도 조건에서 CO₂ 탈착 거동을 실험적으로 분석하였다. 실험 장치는 정밀한 온도 제어와 CO₂ 농도 측정이 가능한 구조로 자체 설계되었으며, 퍼지를 병행한 열처리 조건을 통해 실제 폐흡착제의 운전 환경을 일부 모사하였다. 실험 결과, 온도 상승에 따라 탈착량은 점진적으로 증가하는 경향을 보였다. 특히 고온 조건에서 별도의 고진공 공정 없이도 일정 수준 이상의 탈착 성능이 확보됨을 통해, 현실적인 전처리 조건의 가능성을 확인할 수 있었다. 본 연구는 이상화된 조건이 아닌 실용적인 환경을 모사한 실험 설계를 통해, 방사성 C-14가 포함된 폐흡착제의 전처리 기준 수립을 위한 기초 자료를 제공하며, 향후 감용 및 안정화 공정의 효율 향상과 기술 고도화에 이바지할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to develop a pre-treatment technology for the safe disposal of spent adsorbents generated during nuclear power plant decommissioning, particularly those containing radioactive carbon-14 (C-14) in the form of carbon dioxide (CO₂). Previous studies on desorption behavior have often relied on idealized conditions, such as high-temperature thermal treatment above 400 °C or vacuum environments, which limits their applicability to actual operational scenarios.
In this research, zeolite 13X was selected as the adsorbent due to its high CO₂ selectivity and structural stability. A Temperature Swing Adsorption (TSA) process was employed to experimentally analyze CO₂ desorption behavior under thermal conditions ranging from 210 to 250 °C. The experimental apparatus was custom-designed to allow precise temperature control and real-time CO₂ concentration measurement. A purge-assisted heating protocol was used to partially simulate the conditions of spent adsorbents in field operations.
The results showed a gradual increase in desorption capacity with rising temperature. Notably, even under moderate heating conditions, without the use of vacuum or extreme thermal activation, a sufficient level of desorption performance was achieved, demonstrating the feasibility of more practical pre-treatment scenarios. This study provides fundamental data for establishing desorption-based pre-treatment criteria for spent adsorbents containing radioactive C-14 under non-ideal but realistic conditions. It is expected to contribute to improving the efficiency and technical advancement of volume reduction and stabilization processes in future radioactive waste management.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 6
• 1. 연구의 배경 6
• 2. 연구의 목적 8
• Ⅱ. 이론적 배경 9
• 1. 방사성 탄소(C-14)의 발생원 및 거동 특성 9
• 2. 제올라이트(Zeolite 13X)의 구조와 물리화학적 특성 11
• 3. 흡착 및 탈착의 열역학적 원리 13
• 4. Zeolite 13X 기반 CO₂ 탈착 관련 선행 연구 15
• Ⅲ. 장비 개발 및 실험 설계 18
• 1. Zeolite 13X 모의 사용 시료 제작 과정 18
• 2. Zeolite 특성 평가 장치의 구성 22
• 3. 실험 절차 및 조건 설정 31
• Ⅳ. 결과 및 고찰 34
• 1. 실험 개요 및 결과 34
• 2. 실험 고찰 42
• Ⅴ. 결 론 46
• 참고문헌 47
• 초 록 49