독립행정법인 산업기술종합연구소 지권자원환경연구부문의 지권환경리스크연구그룹과 나노시스템연구부문의 그린테크놀로지연구그룹은 일본 환경과학주식회사와 연대하여 농업용수 및 하천수(환경수) 중의 저농도 용존상태의 방사성 세슘을 프러시안 블루(Prussian blue) 담지 부직포에 의해 농축하여 기존보다도 신속하게 분석할 수 있는 기술을 개발하였다.

 

    [그림 1] 프러시안 블루 담지 부직포와 컬럼에 의한 용존상태 방사성 세슘의 흡착 개요


환경수중의 방사성 세슘은 주로 용존상태와 현탁물질 부착형태로 존재하고, 용존상태의 방사성 세슘은 식물에 흡수되기 쉽기 때문에 주목을 받고 있다. 용존상태의 방사성 세슘 농도는 대부분의 장소에서 물 1L당 0.28Bq 이하로 상당히 저농도이기 때문에 본 방법에서 사용하고 있는 게르마늄 반도체 검출기에서는 약 6~13시간 측정하여도 정량할 수 없다. 때문에 대량의 물을 장시간에 걸쳐 농축하여 측정할 필요가 있었다.

 

이번에 개발한 기술에 의해 수중의 저농도 용존상태의 방사성 세슘을 종래의 1/10 이하의 전처리 및 측정시간(각각 약 30분~1시간에 가능)에 기존의 2리터 물을 장시간 측정하는 방법의 1/10 정도의 농도(0.01Bq/L)까지 측정할 수 있게 되었다.

본 방법을 이용하여 후쿠시마현 내의 농업용수 및 하천수를 모니터링한 결과, 용존상태의 방사성 세슘 농도는 0.01Bq/L~0.09Bq/L 정도(전체 방사성 세슘농도는 0.17Bq/L 미만~2.0Bq/L)로 저농도라는 것을 확인하였다. 본 방법은 후쿠시마현 내의 농업용수 및 삼림으로부터의 유출수 등 환경수중의 방사성 세슘의 모니터링 및 농작물에 대한 영향평가, 환경중 방사성 세슘의 동태해석 등에 공헌할 것으로 기대된다.

이번에 개발한 기술에 의한 방사성 세슘의 모니터링 시스템의 컬럼부분의 개요와 프러시안 블루 담지 부직포에서의 흡착 모식도를 보면, 본 방법은 펌프로 환경수를 끌어 올려 프러시안 블루 부직포를 충진시킨 컬럼을 여러 개 종열로 연결하고 이 컬럼 내부에 일정속도로 100~200L 물을 통과시킴으로써 프러시안 블루 부직포에 방사성 세슘을 농축시키는 방법이다.

 

                                  [그림 2] 부직포 중의 프러시안 블루 구조

부직포에는 수중의 용종상태 방사성 세슘을 특이적으로 흡착하는 프러시안 블루를 담지시켰다. 이 부직포를 충진시킨 컬럼에 물을 통과시켜 프러시안 블루 담지 부직포에 용존상태의 방사성 세슘을 흡착시켜 농축한다. 샘플링 지점에서 컬럼에 물을 100~200L 통과시키면 기존에 실시되고 있는 2L의 용기에 의한 환경수중의 방사성 세슘 분석과 비교하여 50~100배 농축이 가능하다.

부직포에 담지시킨 프러시안 블루의 구조를 보면, 프러시안 블루는 정글짐과 같은 구조로 내부에 공극을 가지고 있으며, 그 공극에 세슘을 흡착시키는 것으로 생각된다. 용존상태의 방사성 세슘을 흡착 및 농축시킨 프러시안 블루 담지 부직포를 물을 이용하여 초음파로 세정하고, 부착된 흙입자 등의 미립자를 제거한 후에 용기에 충진시킨다. 이 부직포를 게르마늄 반도체 검출기에서 분석하면 용존상태의 방사성 세슘의 농도만을 측정할 수 있다.

용존상태의 방사성 세슘 농도를 1.5Bq/L로 조정한 오염수를 이용하여 컬럼을 12개 종열로 접속시켜 물을 통과시킨 결과를 보면, 최초 컬럼 3개에서 67%, 전체 컬럼(12개)에서 거의 100%의 방사성 세슘의 회수가 가능하다는 것을 확인하였다.

 

              [그림 3] 프러시안 블루 담지 부직포의 통수 컬럼 수와 방사성 세슘의 회수율

또한, 실제 저농도의 방사성 세슘을 함유한 환경수(0.01~0.1Bq/L)의 시험결과에서도 각 컬럼의 흡착률은 거의 동일한 경향을 나타내었다. 10~12컬럼에서는 99% 이상의 용존상태의 방사성 세슘의 회수가 가능하고 그 정량한계는 0.01Bq/L이었다. 이것에 의해 기존 용존상태의 방사성 세슘 측정법의 1/10 이상의 전처리 및 분석시간으로 2L의 용기에 의한 측정의 정량한계의 1/10~1/20 정도의 정량한계의 달성이 가능하였다.

본 방법을 이용하여 2012년 3월~5월에 교토대학 대학원 농학연구과와 협력하여 후쿠시마현 내에서 실시한 환경수 모니터링의 결과를 보면, 조사지점에서 용존상태의 방사성 세슘 농도는 0.01~0.09Bq/L의 범위에 있는 낮은 수준이었다. 용존상태 방사성 세슘 농도는 방사성 세슘의 침착량이 많은 지역에서 높은 경향을 나타냈으며, 폭우 후에 상승하는 경향이 나타났다.

한편, 전체 방사성 세슘 농도(주로 용존상태와 현탁물질 부착상태)는 0.17Bq/L 미만~2.9Bq/L이며, 특히 폭우 후 현탁물질 농도의 상승과 함께 방사성 세슘 농도가 4~30배 정도 상승한다는 것을 확인하였다. 용존상태 방사성 세슘의 존재비는 현탁물질 부착상태의 증가량이 크고 존재비는 10% 미만이었지만, 평상시에는 10~40% 정도라는 것을 확인하였다.

본 방법을 이용함으로써 식물에서의 흡수 및 방사성 세슘의 환경동태 및 물질순환에서 큰 역할을 하는 용존상태의 방사성 세슘 농도의 측정이 가능하게 되었다.