흡착효율 40배 높은 방사성 세슘 흡착제 개발

[산업일보]
국내 연구진이 지하수나 바닷물, 사용한 핵연료 재처리 과정에서 얻어지는 방사성 폐수에 존재하는 방사성 세슘을 농도에 상관없이 효과적으로 흡착하는 물질을 개발했다.

방사성 세슘(세슘-137)은 반감기가 30년인 핵 분열시 발생하는 인체에 극히 해로운 방사성 동위원소로 지하수, 바닷물 등 자연계로 흘러가면 동식물에 의해 쉽게 흡수돼 사람에게 치명적인 해를 끼칠 수 있다.

서강대 화학과 윤경병 교수 주도로 슈보다타 연구교수, 문원경 박사과정 연구원, 최도영 석사과정 연구원, 나노물질연구소 황인철 교수 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐고 연구결과는 화학분야 국제학술지 앙게반테 케미지(Angewandte Chemie International Edition) 온라인판에 게재됐다. 한편 이 논문은 이 학술지에 게재되는 논문 중 상위 5% 이내의 중요도를 갖는 VIP(Very Important Paper) 논문으로도 선정됐다.

후쿠시마 제1원전 핵발전소 사고의 영향으로 많은 사람들이 세슘-137이라는 방사성 물질에 대하여 알게 됐다. 세슘-137은 가장 위험한 방사성 원소 중 하나로 반감기가 30년이기 때문에 한번 오염된 지역은 오랫동안 오염 상태가 지속될 수밖에 없다. 특히 세슘염은 물에 잘 녹기 때문에 빠른 속도로 주변 환경으로 확산돼 가며 농작물 등 식물 속으로 흡수가 잘 되므로 사람이 세슘-137에 오염된 음식물을 섭취할 경우 세슘-137이 체내 근육 조직에 축적된다. 세슘-137이 체내에 다량 축적될 경우 심각한 질환을 일으키며, 소량만 섭취해도 각종 암의 원인이 될 수 있다.

원자력 발전소의 핵연료 재처리 과정에서 발생하는 폐수뿐 아니라 오염된 지하수, 토양, 바닷물로부터 방사성 세슘을 제거하는 것은 인류의 안전과 건강에 직결된다. 그러나 녹아 있는 방사성 세슘의 절대적인 양은 바닷물이나 지하수 등에 다량 들어 있는 나트륨, 칼슘, 마그네슘, 칼륨 등의 경쟁 이온들의 농도에 비해 훨씬 낮기 때문에 방사성 세슘을 선택적으로 제거하기 위해서는 방사성 세슘에 대한 선택도가 매우 높고 효율적인 흡착제가 필요하다.

그간 수많은 무기재료들이 개발돼 왔으며 현재 후쿠시마 제1원전 핵발전소 사고 수습에 사용되고 있는 타이타노실리케이트(티타늄과 실리콘 산화물)가 가장 우수한 성능을 보이는 것으로 알려져 있다. 전 세계적으로 매우 낮은 농도로 존재하는 세슘-137을 더욱 효과적으로 제거할 수 있는 강력한 흡착제 개발에 대한 요구가 있어 왔으나 지난 20년간 수많은 연구진의 노력에도 불구하고 타이타노실리케이트보다 더 우수한 물질이 발견되지 않았다. 그러나 타이타노실리케이트는 방사성 세슘의 농도가 1 ppm이하로 낮아지면 흡착능력이 떨어진다는 단점이 있었다.

이에 연구팀은 기존 타이타노실리케이트 흡착제보다 40배 이상 흡착 성능이 뛰어난 신규물질 바나도실리케이트 SGU-45를 개발했다. 바나도실리케이트(SGU-45)는 바나듐과 실리콘을 주 원소로 하는 다공성 물질로서 Sogang University-45란 의미의 SGU-45라 명명한다.

SGU-45는 세슘의 농도가 낮을수록 더욱 세슘에 대한 흡착력이 높아지고 나트륨 같은 경쟁이온들이 다량 존재하는 경우에도 세슘만을 선택적으로 흡착할 수 있다. 흡착력의 비밀은 오염수 속의 방사성 세슘이 이 물질 내부의 칼륨 이온과 이온 교환하면서 물질의 내부로 이동하는 데 있는데, 흡착속도도 기존 타이타노실리케이트보다 두 배 이상 빠르다는 설명이다.

윤경병 교수는 “이번에 개발된 고효율 흡착물질로 핵연료 재처리 과정에서 발생하는 방사성 세슘과 원전 사고로부터 누출되는 방사성 세슘을 농축해 안전하게 폐기하는데 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

현재 동 기술은 국내 특허 출원 중이고, 기술이전을 통해 향후 이 물질의 대량생산 방법을 개발, 방사성 세슘을 제거해야 하는 실제 현장에 투입하는 것을 목표로 하고 있다.