신기술

나노입자로 물속 방사성 세슘 99% 이상 제거

한국원자력연구원, 세계 최초 ‘티타늄-페로시아나이드 나노흡착제’ 개발
산성에 강한 티타늄 활용 강산성 폐수·바닷물 속 세슘 99.8%·99.1% 제거

물속 방사성 세슘(Cs)을 99.8% 이상 제거할 수 있는 기술이 개발됐다. 세슘 입자만 선택적으로 빠르게 흡착할 수 있는 나노입자로, 물속 방사성 세슘을 신속하고 안전하게 정화할 수 있게 될 것으로 기대된다.

한국원자력연구원(원장 박원석)의 양희만 해체기술연구부 선임연구원 연구진은 세계 최고 수준의 효율을 갖춘 ‘세슘 제거용 꽃모양 티타늄-페로시아나이드 나노흡착제(Hf-TiFC, Hollow flower-like Titanium FerroCyanide structure)’ 개발에 성공했다고 지난 4월 28일 밝혔다.

▲ 한국원자력연구원이 물속 방사성 세슘을 99% 이상 제거하는 겹꽃 모양의 티타늄-페로시아나이드(Hf-TiFC) 흡착제를 개발했다. [사진제공 = 한국원자력연구원]

세슘은 방사성 폐수 정화 과정에서 중요한 부분을 차지하지만 효율적인 제거가 어렵다. 특히 방사성 폐수의 특성상 세슘과 화학적 거동이 비슷한 나트륨(Na), 칼륨(K) 등 경쟁이온이 다수 섞여있어 세슘만을 선택적으로 제거하는 데 많은 어려움이 있다. 전 세계적으로 세슘만 선택적으로 제거하기 위한 다양한 흡착제 개발이 보고되고 있지만 대부분 제조과정이 복잡하고 바닷물과 같이 경쟁이온이 많거나 제염 후 만들어진 폐수처럼 강산성인 환경에서는 세슘 제거 효율이 급격히 저하되는 한계가 있다.

연구진이 개발한 티타늄-페로시아나이드 나노흡착제는 세슘 흡착 효율을 향상시키기 위해 특별한 구조로 만들어졌다. 세슘 흡착에 활용되지 않는 입자 내부는 빈 공간으로 만들어 무게를 줄이고, 입자 표면은 표면적이 큰 겹꽃 모양의 나노구조로 합성했다.

그 결과 Hf-TiFC 나노흡착제는 속이 비지 않은 기존 미립자 형태의 금속-페로시아나이드에 비해 세슘 흡착 속도가 1만 배 빠른 것으로 나타났다. 2011년 후쿠시마 사고 수습 당시 사용됐던 타이타노 실리케이트와 비교하면 32배 빠른 속도다.

흡착 용량 역시 1g당 최대 454㎎으로 기존 금속-페로시아나이드 대비 3배, 타이타노 실리케이트 대비 1.7배 수준이다. 꽃 모양의 티타늄-페로시아나이드 나노흡착제는 실험실이 아닌 실제 환경에서 더욱 유용하다. 대표적인 경쟁 이온인 칼륨이 5천㎎/L 이상 들어있는 폐수에서도 세슘만 선택적으로 흡착해내는 비율을 의미하는 분배계수가 타이타노 실리케이트보다 261배 높았다.

현재 사용되는 세슘 흡착제 대부분은 pH(수소이온농도) 1 이하의 강산성 폐수에서 흡착 성능이 저하되는데, 연구진이 개발한 Hf-TiFC 나노흡착제는 산성에 강한 티타늄 덕분에 강산성 폐수에서도 99.8% 이상의 세슘을 제거할 수 있다. 같은 티타늄을 사용한 타이타노 실리케이트의 세슘 제거율(81.3%)보다도 월등히 우수한 결과이다. 연구진은 이 나노흡착제를 이용해 바닷물 속 세슘을 99.1% 이상 제거하는 데에도 성공했다. 

연구진은 이번에 개발한 기술이 원자력시설 사고 시 발생하는 대량의 방사성 폐수나 원전 해체 시 발생하는 강산성의 제염 공정 폐액을 처리할 때 활용 가능성이 높을 것으로 기대했다.

한국원자력연구원은 해당 기술에 대해 국내 특허 출원 중이며, 향후 미국, 일본, EU 등 해외에도 특허를 출원할 계획이다.

[『워터저널』 2020년 6월호에 게재]