연구재단-원자력硏-인하대 개발, 세슘 99.24% 제거
“화학약품 없이 회수 가능 2차 환경오염까지 해결”
2011년 3월 후쿠시마 원전 사고 이후 방사성 세슘(137 Cs)을 포함하는 방사성 오염물질에 대한 전 세계적인 관심이 집중되고 있다.
최근 우리나라도 9ㆍ12 경주 지진 발생이후 원자력발전소 인근 지역주민과 정치권, 시민사화단체 등에서 원자력 안전성에 대한 관심이 높아지면서 예상치 못한 사고를 방지하기 위한 대비책으로 방사성 오염물질을 제거할 흡착제가 필요한 상황이다.
이에 우리나라를 비롯해 세계 원자력 및 과학계는 실용적인 방사성 물질 제거용 흡착제 개발에 대한 연구가 활발히 진행하고 있지만 현재까지 보고된 방사성 세슘 흡착제의 경우, 나노 입자의 형태로써 방사성 오염지역에 사용 후 흡착제의 회수 및 흡착제에 의한 2차 오염을 일으키는 문제를 야기할 수 있다.
무엇보다 높은 흡착 효율과 넓은 비표면적(surface area)을 갖는 다양한 나노 물질 및 나노 구조의 방사성 물질 흡착제가 개발돼 있지만 실험관점으로 흡착능에 대한 평가를 중심으로 보고되고 있어 실제 실제 방사성 물질 누출 사고 시 환경에 사용이 가능한 흡착제의 개발이 절실하다.
최근 한국연구재단과 한국원자력연구원, 그리고 인하대학교 공동연구팀이 원전 사고나 핵실험 때 방출되는 방사성 세슘(137Cs)을 제거할 수 있는 흡착제를 대량생산 할 수 있는 기술 개발에 성공했다.
<캡슐형 방사성 세슘 흡착제의 방사성 세슘 제거 모식도>
연구팀에서 캡슐형 방사성 세슘 흡착제(P-MSC)는 서로 다른 성질을 갖는 3가지 물질을 가교반응을 통해 제작한 기능성 복합 흡착제이다. 캡슐형 방사성 세슘 흡착제는 점토(AIP clay), 알지네이트, 프러시안 블루(PB)로 구성되어 있으며, 선택적인 세슘 흡착능을 갖는 나노 프러시안 블루를 알지네이트-점토로 중합된 캡슐 내부에 효과적으로 담지 할 수 있다. 구체적으로, 선택적인 방사성 세슘 흡착 제거원리는 프러시안 블루의 이온교환 및 점토의 내부층위 흡착을 통해 방사성 세슘을 99%이상 제거할 수 있다. 이는 연구에서 개발한 캡슐형 흡착제 한 개를 이용하여 39.4 마이크로그램(μg)의 방사성 세슘(137Cs)이 포함되어 있는 1L 해수 및 식수로부터 99.24%로 완벽하게 방사서 세슘을 제거하여 정제할 수 있음을 의미한다.
이번 연구에서는 쉽게 대량 생산이 가능하며 친환경적인 물질을 사용한 현장적용가능성 흡착제를 제작했다. 합성된 담지체 내부에 세슘 흡착능이 우수한 흡착매(adsorptive medium)를 담지시킴으로써 방사성 세슘 흡착제로 활용했다.
또 양가 표면전하를 갖는 클레이가 분산되어 있는 용액에 알지네이트(Alginate) 고분자 용액을 떨어뜨려 캡슐형 흡착제를 제조했으며, 높은 세슘 흡착능과 내구성을 증가시키기 위해 클레이 나노입자를 기반으로 프러시안 블루(Prussian blue) 나노입자를 함입시켜 이를 주사 전자 현미경(Scanning electron microscop)을 사용하여 복합체 구조를 확인했다.
노창현 원자력연구원 박사는 “제조된 흡착제는 기존의 칼슘-알지네이트 비드에 비해 우수한 강도와 수용액에서 높은 안정성을 보였다”면서 “비방사성 세슘과 방사성 세슘을 사용하여 정량적으로 흡착 성능을 정량적으로 측정 후 비교했고 흡착제의 처리 전후를 감마선 검출기(detector)를 사용하여 흡착능을 확인한 결과 99% 이상의 높은 흡착 성능을 확인했다”고 밝혔다.
실제로 연구팀이 2015년 개발한 그래핀 기반의 흡착제와 비교하면 제작공정이 보다 간단하면서 대량생산이 더욱 수월하다. 약 2밀리미터(mm) 크기의 캡슐형 흡착제는 오염된 수용액에서 1년간 형태를 유지했다. 형태가 유지되므로 기존 분말형 흡착제와 달리 화학약품 없이 회수 가능해 2차 환경오염 문제도 줄일 수 있다.
10밀리그램(mg)의 캡슐형 흡착제는 100베크렐(Bq/g)의 방사성 세슘(137Cs)으로 오염된 물 10밀리리터(ml)의 방사선 세슘을 99.24% 제거했다. 이는 흡착제 한 개가 1리터의 물에 담긴 39.4 마이크로그램(μg)의 방사성 세슘을 99.24% 제거한다는 것이다.
허윤석 인하대 교수는 “이 연구성과는 자연 소재인 점토와 알지네이트를 사용하여 저렴하게 대량생산 가능한 방사성 세슘 흡착제를 개발한 것이다. 원전 사고에서 나오는 방사성 세슘과 폐기물 처리 등에 사용할 것”이라고 연구개발의 의의를 설명했다.
한편 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단 원자력연구개발사업(방사선기술개발사업)의 지원으로 수행됐으며, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 2016년 12월 5일자에 논문(Synergistically strengthened 3D micro-scavenger cage adsorbent for selective removal of radioactive cesium)이 게재됐다.