- 세계 최초, 텅 빈 겹꽃 모양 티타늄-페로시아나이드 나노입자 개발 성공 -

- 바닷물, 강산성 조건에서도 세슘 99% 이상 제거 -

□ 국내 연구진이 겹꽃 모양 나노구조의 새로운 세슘 흡착제를 개발했다. 세계 최고 수준의 속도와 효율로, 물 속 방사성 세슘을 신속하고 안전하게 정화할 수 있는 새로운 길이 열렸다. 

□ 한국원자력연구원(원장 박원석)은 양희만 박사팀이 속은 비어있으면서 표면적이 큰 ‘세슘 제거용 꽃모양 티타늄-페로시아나이드 나노흡착제(Hf-TiFC, Hollow flower-like Titanium FerroCyanide structure)’ 개발에 성공했다고 4월 28일 밝혔다.

한국원자력연구원이 방사성 세슘을 제거하는 겹꽃 모양의 티타늄-페로시아나이드 흡착제를 새로 개발했다

(왼) 주사전자현미경 사진 (오) 투과전자현미경 사진

□ 세슘은 방사성 폐수 정화 과정에서 중요한 부분을 차지하지만, 효율적인 제거가 어렵다. 특히 방사성폐수의 특성상 세슘과 화학적 거동이 비슷한 나트륨, 칼륨 등 경쟁이온이 다수 섞여있어 세슘만을 선택적으로 제거하는데 많은 어려움이 있다. 

 ㅇ 전 세계적으로 세슘만 선택적으로 제거하기 위한 다양한 흡착제 개발이 보고되고 있다. 하지만 대부분 제조과정이 복잡하고 바닷물과 같이 경쟁이온이 많거나 제염 후 만들어진 폐수처럼 강산성인 환경에서는 세슘 제거 효율이 급격히 저하되는 한계가 있다. 

□ 원자력연구원이 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. 

 ㅇ 그 결과, 속이 비어 있지 않은 기존 미립자 형태의 금속-페로시아나이드에 비해 세슘 흡착 속도가 1만배 빨랐다. 후쿠시마 사고 수습에 사용된 타이타노 실리케이트에 비하면 32배 빠른 속도를 보였다. 

 ㅇ 흡착 용량도 뛰어나다. 1g 당 최대 454mg의 세슘을 제거한다. 기존 금속-페로시아나이드 대비 3배, 타이타노 실리케이트 대비 1.7배 뛰어난 결과다.

□ 꽃 모양의 티타늄-페로시아나이드 나노흡착제는 실험실이 아닌 실제 환경에서 더욱 유용하다. 대표적인 경쟁 이온인 칼륨이 5,000ppm 이상 들어있는 폐수에서도 세슘을 선택하는 분배계수가 타이타노 실리케이트보다 261배 높았다. 

 ㅇ 해안에 자리잡는 원전의 특성상 바닷물에서 세슘을 제거하는 능력 또한 중요하다. 그런데 바닷물 속에서도 세슘을 99.1% 이상 제거하는데 성공했다. 이는 타이타노 실리케이트의 제거율 78.9% 보다 월등히 우수한 결과다. 

 ㅇ 현재 사용되는 세슘 흡착제 대부분은 pH1 이하의 강산성 폐수에서 흡착 성능이 저하된다. 연구원 양희만 박사팀은 실제 현장 활용에 집중해 산성에 강한 티타늄을 사용했다. 티타늄과 특별한 형태 덕분에 강산성 폐수에서도 99.8% 이상의 세슘을 제거하는데 성공했다. 같은 티타늄을 사용한 타이타노 실리케이트의 81.3% 제거율보다도 월등히 우수한 결과이다. 

□ 이번에 개발한 기술은 원자력시설 사고시 발생하는 대량의 방사성 폐수나 원전 해체시 발생하는 강산성의 제염 공정 폐액을 처리할 때 활용 가능성이 높다. 

ㅇ 현재 국내 특허 출원 중이며, 미국, 일본, EU 등 해외 특허 출원을 준비하고 있다. 기술 이전을 통해 방사성 세슘을 제거해야 하는 실제 현장에 투입하는 것을 목표로 추진 중이다. 

원자력연구원 양희만 박사팀이 새로운 세슘 흡착제를 개발했다

□ 연구를 주도한 양희만 박사는 “제조가 쉽고 간편해 상용화의 필수조건인 대량생산도 가능하다”며, “기존 흡착제에 비해 성능이 우수하고 적은 양으로도 대량의 방사성 폐수를 처리할 수 있어 폐액 처리 비용을 크게 줄일 수 있을 것”이라고 밝혔다. 

 ㅇ 이번 연구는 과학기술정보통신부 원자력기술개발사업으로 수행되었으며, 연구결과는 지난 4월 9일 화학공학 분야의 세계적인 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 게재(‘Hollow flower-like titanium ferrocyanide structure for the highly efficient removal of radioactive cesium from water’)됐다.