미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 오크리지 국립 연구소(ORNL; Oak Ridge National Laboratory) 연구팀이 개발한 재료 덕분에, 해양으로부터 수확된 우라늄(uranium)을 이용하여 원자로(nuclear reactor)에 연료를 공급하는 것이 현실에 더욱 가까워졌다.

ORNL 연구진이 개발한 고용량 재사용이 가능한 흡착제(adsorbent)와 Florida company가 개발한 표면적이 넓은 폴리에틸렌 섬유(polyethylene fiber)는 물에 용해되어 있는 가치 있고 귀중한 금속을 선택적으로 신속하게 추출할 수 있다. 오늘날 가장 우수한 흡착제의 기능을 능가하는 HiCap이라는 새로운 재료는 고체 또는 기체 분자, 원자 또는 이온의 지표면 정체(surface retention)를 달성할 수 있다. 또 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(PNNL; Pacific Northwest National Laboratory)에서 연구진에 의해 증명된 결과에 따르면, HiCap은 물에서 독성 금속을 효과적으로 제거할 수 있다.

 

연구진이 개발한 흡착제가 전 세계 가장 우수한 흡착제와 비교했을 때 7배 더 빠른 흡수 속도에서 5∼7배 더 많은 우라늄을 추출할 수 있다고 ORNL 재료과학 및 기술부 소속의 한 사람이며, 이 흡착제를 발명한 사람 중 하나인 Chris Janke는 밝혔다. 이 연구의 결과는 2012년 8월 21일 미국 필라델피아에서 개최된 미국 화학회(acs; American Chemical Society) 가을 연례 회의에서 발표됐다.

 

HiCap은 오늘날 존재하는 우라늄과 45억 톤으로 추정되는 해양 우라늄의 일부를 경제적으로 추출하는 것에 대한 국가 재정상의 격차를 효과적으로 좁힐 것으로 기대된다. 비록 용해된 우라늄이 단 3.2ppb(parts per billion) 농도로 존재한다고 하더라도, 해양에 존재하는 우라늄의 순수한 양은 몇 세기 동안 전 세계 원자로에 연료를 공급하기 충분한 정도이다.

 

해양으로부터 우라늄을 추출하려는 목표는 1960년대 일본에서 수행된 다수의 연구 및 개발 프로젝트로부터 비롯됐다. 이러한 목표를 추구한 다른 국가로는 러시아, 중국, 독일, 영국, 인도, 한국, 터키 및 미국 등이 포함된다. 많은 흡착 재료가 개발되어 평가됐지만, 경제적으로 실용성이 있는 재료는 규명된 바 없었다.

 

흡착제는 높은 표면적과 우수한 기계적 특성을 지닌 작은 직경의 둥글거나 둥글지 않은 섬유로 만들어졌다. 섬유의 형태와 직경을 조작함으로써, 연구진은 표면적과 흡착 용량(adsorption capacity)을 상당히 증가시킬 수 있었다. 특허 출원 중인 흡착 섬유를 제조하는 ORNL 기술은 훨씬 더 신속하게 금속을 선택적으로 회수할 수 있으며, 흡착 용량 역시 상당히 증가하여 효율성을 비약적으로 개선시켰다.

 

연구진의 HiCap 흡착제는 방사선을 이온화시키기 위하여 높은 표면적의 폴리에틸렌 섬유를 다루어 만들어졌으며, 이후 선별적인 금속에 대하여 높은 친화도(affinity)를 지니는 화합물과 이러한 전조사 섬유(pre-irradiated fiber)를 반응시킨다고 Janke는 밝혔다.

 

처리 후, 연구진은 신속하고 선별적으로 포획될 수 있는 목표 물질을 함유하고 있는 물에 HiCap 흡착제를 배치할 수 있었다. 이후 과학자들은 물에서 흡착제를 제거하고 금속은 단순한 산 용리 방법(acid elution method)을 이용하여 손쉽게 추출될 수 있다. 흡착제는 수산화칼륨(potassium hydroxide)으로 조절된 후 재생성 및 재사용될 수 있다.

 

현재의 최신 흡착제와의 직접적 비교에서, HiCap은 상당히 더 높은 우라늄 흡착 용량, 보다 더 빠른 흡수 및 보다 더 높은 선택성 등을 제공한다. 특별히, HiCap의 흡착 용량은 20℃에서 6ppm의 우라늄을 함유하고 있는 용액에서 7배(흡착제 1킬로그램당 우라늄 146그램 vs. 22그램) 더 높다. 해수에서 HiCap의 흡착 용량은 흡착제 1킬로그램당 우라늄 3.94그램으로 전 세계 가장 우수한 우라늄 흡착제를 이용한 1킬로그램당 우라늄 0.74그램보다 5배 이상 높다. 선택성은 HiCap에서 7배 이상 더 높은 것으로 나타났다.

 

이러한 결과는 보다 더 높은 표면적이 보다 더 높은 용량으로 해석된다는 것을 명확하게 증명하고 있다고 Janke는 밝혔다.

 

ORNL 연구진은 PNNL 산하 해양 과학 실험실과 마이애미 대학(University of Miami)과 협력 체제를 구축한 RSMAS(Rosenstiel School of Marine & Atmospheric Science)에서 재료의 현장 연구를 수행했다.

 

연구팀에 참여한 다른 구성원은 ORNL 소속의 Yatsandra Oyola, Sheng Dai, Richard Mayes, Tomonori Saito, Xiao-Guang Sun, Costas Tsouris 등과 Hills Inc. 소속의 Jeff Haggard 등이다.