친환경 점토 이용한 방사성 물질 흡착제 대량생산 기술 개발

친환경 점토 이용한 방사성 물질 흡착제 대량생산 기술 개발

 

등록일 2017-01-25

 

 친환경 점토 이용한 방사성 물질 흡착제 대량생산 기술 개발
 
         
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 허윤석 교수(인하대)·노창현 박사(한국원자력연구원) 연구팀이 원전 사고나 핵실험 때 방출되는 방사성 세슘*을 제거할 수 있는 흡착제*를 대량생산 할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.
     * 방사성세슘 : 방사성 세슘(137Cs)은 우라늄의 핵분열 과정에서 얻어지는 방사성 물질로 자연 상태에서는 존재하지 않으나, 핵실험과 원자력발전에 의해 인공적으로 발생됨.
     * 방사성 세슘 흡착제 : 방사성 세슘으로 오염된 물로부터 선택적으로 방사성 세슘을 물리적 또는 화학적으로 흡착하여 제거할 수 있는 재료를 의미함.

□ 방사성 세슘은 인체에 흡수되면 장기와 근육에 쉽게 축적돼 불임증, 전신마비, 골수암 등의 각종 질병을 유발한다. 최근 후쿠시마 원전사고로 방사성 세슘 흡착제 개발이 주목받고 있다.

□ 연구팀은 점토와 알지네이트*로 구성된 껍질 안에 세슘을 선택하여 흡착하는 프러시안 블루* 나노입자가 들어간 캡슐형 흡착제를 개발했다. 점토에 프러시안 블루와 알지네이트가 섞인 용액을 상온에서 떨어뜨리는 것만으로 제작할 수 있다. 연구팀이 2015년 개발한 그래핀 기반의 흡착제와 비교하면 제작공정이 보다 간단하면서 대량생산이 더욱 수월하다.
     * 알지네이트(Alginate) : 알긴산염. 차가운 바다의 갈조류 등에서 추출한 물질로써 칼슘 알긴산염과 규조토가 결합된 천연물질.
     * 프러시안 블루(PB, Prussian blue) : 파란색을 띄는 염색용 시료. 알칼리 양이온에 대한 선택적 흡착이 가능하고 특히 방사성 세슘에 대한 흡착능력이 뛰어남.

□ 약 2밀리미터(mm) 크기의 캡슐형 흡착제는 오염된 수용액에서 1년간 형태를 유지했다. 형태가 유지되므로 기존 분말형 흡착제와 달리 화학약품 없이 회수 가능해 2차 환경오염 문제도 줄일 수 있다.

□ 10밀리그램(mg)의 캡슐형 흡착제는 100베크렐*(Bq/g)의 방사성 세슘 (137Cs)으로 오염된 물 10밀리리터(ml)의 방사선 세슘을 99.24% 제거했다. 이는 흡착제 한 개가 1리터의 물에 담긴 39.4 마이크로그램(μg)의 방사성 세슘을 99.24% 제거한다는 것이다.
    * 베크렐(Bq/g) : 방사능의 국제단위(SI). 100배크렐은 일반적으로 원전사고 등을 가정한 실험 상황에서 사용하는 기준.

□ 허윤석 교수는 “이 연구성과는 자연 소재인 점토와 알지네이트를 사용하여 저렴하게 대량생산 가능한 방사성 세슘 흡착제를 개발한 것이다. 원전 사고에서 나오는 방사성 세슘과 폐기물 처리 등에 사용할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구성과는 미래창조과학부한국연구재단 원자력연구개발사업(방사선기술개발사업)의 지원으로 수행되었다. 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 2016년 12월 5일자에 게재되었다.

<참고자료>   1. 연구결과 주요내용               2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기                      4. 용어설명
             5. 그림설명                        6. 연구자 이력사항

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Synergistically strengthened 3D micro-scavenger cage adsorbent for selective removal of radioactive cesium
   - 저자 정보 : 허윤석(교신저자, 인하대학교 교수), 노창현(공동 교신저자, 한국원자력연구원), 장성찬(제1저자, 인하대/한국원자력연구원), 강성민(공동 제1저자, 인하대)

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 일본 후쿠시마 원전 사고를 통해 방사성 세슘(137Cs)을 포함하여 방사성 오염물질에 대한 관심이 집중되고 있다. 이를 통해 전 세계적으로 실제 현장에서 적용 가능한 방사성 물질 제거용 흡착제 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.
      * 방사성세슘 : 방사성 세슘(137Cs)은 우라늄의 핵분열 과정에서 얻어지는 방사성 물질로 자연 상태에서는 존재하지 않으나, 핵실험과 원자력발전에 의해 인공적으로 발생됨.

  ○ 최근에 우리나라 내륙에서 지진이 다수 발생하고 있다. 특히 원자력발전소 인근 지역이 지진의 활성단층으로 밝혀짐에 따라 국내 언론 및 환경단체의 원자력 안전성에 대한 관심이 급증하였다. 이에 예상치 못한 사고를 위한 사전 대비책으로 방사성 오염물질을 제거할 수 있는 흡착제의 개발이 필요하다.

  ○ 현재까지 보고된 방사성 세슘 흡착제는 나노 입자의 형태가 많다. 이는 방사성 오염지역에 사용 후 흡착제의 회수 및 흡착제에 의한 2차 오염을 일으키는 문제를 야기할 수 있다. 따라서 흡착능력이 뛰어난 나노입자를 고정하는 기술을 바탕으로, 실제 방사성 물질 누출 사고 발생 시 친환경적으로 사용 가능한 흡착제의 개발이 시급하다.

 2. 개발 원리
  ○ 연구팀에서는 대규모 방사능 오염상황에서 방사성 세슘을 효과적이면서도 신속하게 제거할 수 있는 실용적인 점토(클레이) 입자를 기반으로 방사성 세슘 흡착능력이 뛰어난 캡슐형 방사성 세슘 흡착제를 개발하였다.
  ○ 기존 칼슘이온(Ca2+)을 이용하여 알지네이트를 가교시키는 방법에서 착안하여, 칼슘이온의 대체물질인 양가 전하를 갖는 점토(클레이)를 사용하여 알지네이트를 중합시키는 기술을 개발하였다. 이를 통해 자가 조립을 통한 캡슐 형태의 흡착제를 성공적으로 개발하였다.

  ○ 칼슘이온의 대체물질인 양 전하를 갖는 점토(클레이)는 알지네이트의 가교제로 사용됨과 동시에 점토(클레이) 특유의 2차원 다층구조를 통해 세슘의 흡착능력을 향상시켜주는 동반 상승효과를 보여준다.
 
  ○ 클레이(점토) 입자를 기반으로 방사성 세슘 흡착능력이 뛰어난 캡슐형 방사성 세슘 흡착제를 이용하여 100 베크렐(Bq/g) 방사성 세슘(137Cs)으로 오염된 10 밀리리터(ml)의 물을 10밀리그램(mg)의 소량의 흡착제로 99.24%의 높은 세슘 효율을 확인하는 연구결과를 얻었다. 이는 기존 알지네이트 기반 흡착제에 비해 세슘 흡착능을 236배 향상시킨 결과이다.

 3. 연구 성과
  ○ 점토(클레이) 입자를 기반으로 방사성 세슘 흡착능력이 뛰어난 캡슐형 방사성 세슘 흡착제는 방사성 오염물질 제거를 목적으로 하는 다양한 응용분야에 활용이 가능하다. 구조 내부에 나노입자들이 고정되어 있기 때문에, 나노 입자에 의한 2차 오염도 막을 수 있고 사용 후 회수도 쉬워 원자력 산업분야에 실질적 적용이 가능할 것으로 기대된다.
  

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
 ㅇ 일본 후쿠시마 원전 사고로 방사성 세슘(137Cs)을 포함하는 방사성 오염물질에 대한 전 세계적인 관심이 집중되고 있고, 이에 전 세계적으로 실용적인 방사성 물질 제거용 흡착제 개발에 대한 연구가 활발히 진행하고 있다.
 ㅇ 최근에 우리나라 내륙에서도 지진이 다수 발생하고 있고 특히 원자력발전소 인근 지역에서의 지진발생으로 국내 언론 및 환경단체들의 원자력 안전성에 대한 관심이 커졌으며, 예상치 못한 사고를 방지하기 위한 대비책으로 방사성 오염물질을 제거할 흡착제가 필요한 상황이다.
 ㅇ 현재까지 보고된 방사성 세슘 흡착제의 경우, 나노 입자의 형태로써 방사성 오염지역에 사용 후 흡착제의 회수 및 흡착제에 의한 2차 오염을 일으키는 문제를 야기할 수 있다. 따라서 흡착능이 뛰어난 나노입자를 담지체에 고정화하는 기술이 필요하며, 이에 실제 방사성 물질 누출 사고 시 환경에 사용이 가능한 흡착제의 개발이 필요하다.
 ㅇ 높은 흡착 효율과 넓은 비표면적(surface area)을 갖는 다양한 나노 물질 및 나노 구조의 방사성 물질 흡착제가 개발되어지고 있지만, 실험관점으로 흡착능에 대한 평가를 중심으로 보고되고 있으며, 실제 현장 적용측면에서 적용 가능한 연구들의 필요성이 대두되고 있다.

2. 연구내용
 ㅇ 연구에서는 쉽게 대량 생산이 가능하며 친환경적인 물질을 사용한 현장적용가능성 흡착제를 제작하였다. 합성된 담지체 내부에 세슘 흡착능이 우수한 흡착매(adsorptive medium)를 담지시킴으로써 방사성 세슘 흡착제로 활용하였다.

 ㅇ 양가 표면전하를 갖는 클레이가 분산되어 있는 용액에 알지네이트 고분자 용액을 떨어뜨려 캡슐형 흡착제를 제조하였다. 높은 세슘 흡착능과 내구성을 증가시키기 위해 클레이 나노입자를 기반으로 프러시안 블루 나노입자를 함입시켰으며, 이를 주사 전자 현미경(Scanning electron microscop)을 사용하여 복합체 구조를 확인하였다.
 ㅇ 제조된 흡착제는 기존의 칼슘-알지네이트 비드에 비해 우수한 강도와 수용액에서 높은 안정성을 보였다.
 ㅇ 비방사성 세슘과 방사성 세슘을 사용하여 정량적으로 흡착 성능을 정량적으로 측정 후 비교 하였으며, 흡착제의 처리 전후를 감마선 검출기(detector)를 사용하여 흡착능을 확인한 결과 99% 이상의 높은 흡착 성능을 보였다.

3. 기대효과
 ㅇ 방사성 오염물질에 의해 오염된 환경을 효과적으로 정화할 수 있는 흡착제 제조 원천기술을 확보하였다. 또한 친환경 고분자와 점토를 사용한 캡슐형 흡착제를 제시했다. 캡슐 내부에 흡착매를 담아 나노 재료를 사용한 기존 물질들의 문제점인 사용 후 회수 및 후 처리 방법을 간단하게 할 수 있는 방법을 제시했다. 이는 곧 담지체를 사용한 흡착제의 연구개발에 기여할 것으로 기대할 수 있으며, 더 나아가 중금속과 같은 환경오염 분야 등의 미래 국가재난대응 기술로 널리 활용될 수 있다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 2011년 후쿠시마 원전 사고에 의하여 방사성 물질이 환경에 누출되는 사고가 발생하였으며, 이를 해결하고자 많은 연구들이 수행되고 있다. 최근엔 우리나라도 내륙에서 지진이 발생하며, 지진의 영향에 의한 원전 안전에 대한 관심이 많아지고 있다. 우리나라도 현재 30%이상의 에너지를 원자력 발전소 에너지를 통하여 얻고 있으며, 24기의 원전이 운영 중이다. 또한, 현재 4기가 건설 중이며 4기가 건설 예정 중에 있기 때문에 원전 사고에 대비를 위한 사고 시 사용가능한 방사성 물질 흡착제의 필요성이 대두되고 있다. 이에 고효율 방사성 오염물질 흡착제의 긴급한 필요성을 파악하고 본 연구를 수행하게 되었다. 본 연구에서는 친환경적인 소재들을 사용하여 실제 환경오염 현장에서 사용이 편리하도록 캡슐 형태의 담지체를 제조하였고, 실제 방사성 오염물질의 제거실험결과 99% 이상의 뛰어난 방사성 흡착효율을 보여주었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 국가 재난상황에 대량적으로 환경에 사용이 가능한 안전하면서 효율적인 흡착제를 만드는 것이 본 연구팀의 목표였다. 처음 소재의 선별에서부터 친환경적인 소재를 이용하고자 하였으며, 쉽게 제조가 가능한 방법을 사용하여 대량생산이 용이한 기술을 확보하였다. 알지네이트와 클레이 모두 자연에서 쉽게 조달이 가능한 물질이며, 이를 이용하여 효율적인 흡착제를 제조하는데 성공하였다. 추가적으로 흡착 성능을 높이기 위해서 내부에 세슘 흡착능이 놓은 프러시안 블루를 함입함으로써, 효율적인 흡착제를 제조할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 비방사성 세슘에 의한 실험을 통해 실험데이터를 얻는 것도 중요하지만, 실제 방사성 세슘을 사용하여 다양한 농도 조건에서 흡착성능을 확인해 보는 것도 꼭 필요하다고 생각되어 방사성 세슘을 사용한 연구를 진행하고자 하였다. 하지만 실제 방사성 물질을 실험에 적용하기 위해서는 세심한 안전 절차가 필요했으며, 필수적으로 요구되는 정규교육과정들을 성공적으로 이수한 이후에서야 실험을 진행할 수 있었다. 또한 한국원자력연구원과 긴밀한 상호협력연구를 통하여 실제 방사성 활성의 세슘을 취급할 수 있었다. 실제 방사성 활성 세슘을 이용하여 제거실험을 진행하였으며, 실험결과 방사성 오염물질에 대한 높은 흡착능을 확인할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 기존의 연구들은 흡착성능이 높은 나노입자 형태의 흡착제를 만들어 흡착 성능에 관한 연구에 집중을 하였다면, 이번 성과는 실제 현장에 사용이 쉽도록 캡슐형의 흡착제를 제조하는데 목표가 있으며, 효율적인 나노입자 담지 및 구조적 안정성을 만족하는 재료를 제조하는데 성공하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 방사성 세슘에 대한 이슈와 그 문제를 해결하기 위해서 연구를 진행하게 되었다. 따라서 실제 현장에서 사용할 수 있는 흡착제를 만드는 것이 그 목표이며, 기회가 된다면 현장에서 사용이 가능함을 보여주는 것이 앞으로의 연구 진행 방향이 될 것이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 방사성 세슘을 사용한 흡착 실험을 진행하기 위해 연구자들이 직접 방사선 작업종사자 교육을 수료하고 안전에 대한 교육을 받은 후 실험을 진행하였다. 방사성 물질을 실제 실험에 사용하기 위해서는 안전 절차 및 RI(동위원소) 실험실이 필요하기 때문에 한국원자력연구원의 협조로 실험을 진행할 수 있었다. 방사선 작업종사자 교육을 받지 않았더라면, 막연한 위험성에 대한 무서움으로 실험을 진행할 수밖에 없었겠지만, 교육을 받고 한국원자력연구원의 박사님들의 안전 관리에 따라 실험을 진행할 수 있었으며, 위험한 실험이지만 안전에 만전을 기하여 연구를 진행하였다. 이러한 노력결과 흡착능이 우수한 흡착제를 성공적으로 제조할 수 있었다. 또한 실제 환경과 가장 유사한 조건에서 평가할 수 있었다. 어느 한 기관만의 연구 인프라 및 기술로는 수행하기 어렸던 연구를 학교와 연구소간의 긴밀한 상호교류 속에 이루어진 연구결과라는 측면에서 보다 큰 의미가 있다 생각한다. 누군가위험을 감수하고 진행해야 하는 국가재난대응기술이라는 측면과 우리 연구원들이 성실하게 맡겨진 실험들을 성숙한 연구자의 태도로 얻어낸 결과라는 면에서 자부심을 갖게 하는 것 같다.

용 어 설 명

1. 방사성 세슘
 ○ 세슘-137(영어: Cesium-137, 137Cs)은 핵분열시 발생하는 주요 방사성 동위 원소 중 하나이다. 습도계, 밀도계, 유량계와 같은 공업용 기계, X선 등의 의료 분야에도 쓰인다. 세슘-137은 베타 붕괴를 통해 1.176 MeV의 에너지를 방출하면서 137Ba로 바뀌며, 그 반감기는 30.17년이다. 자연 상태에는 미량의 세슘-134와 세슘-137이 존재하는데, 우라늄과 토륨의 자발 핵분열로 인해 미량 존재하고 있다. 자발적인 핵분열로 인해 생성된 세슘-137은 극미량으로 존재하기 때문에 자연계에 영향이 미미한 실정이다. 하지만 상당수는 1940년대부터 1960년대 사이의 핵실험 및 핵사고로부터 방출된 것이며, 가장 많은 양이 방출된 사건으로는 구소련의 체르노빌 원자력 발전소 사고(Chernobyl disaster)와 브라질의 고이아니아 사고(Goiânia accident)가 대표적이다. 최근에 후쿠시마 원전 사고에 의해서 다량의 세슘이 바다에 유출되었다고 보고되어지고 있다.

3. 프러시안 블루(PB, Prussian blue)
 ○ 파란색을 띄는 염색용 시료이다. 균일한 면심 입방 격자구조를 갖고 있으며, Fe4(Fe(CN)6)3의 화학 구조를 갖고 있다. 프러시안 블루의 특징 중에는 알칼리 양이온에 대한 선택적 흡착이 가능한 소재로 알려져 있으며, 특히 방사성 세슘에 대한 흡착능이 뛰어나다는 특성을 갖고 있다.

4. 나노입자
 ○ 입자 크기가 수 나노미터(nm)에서 수백 나노미터(nm) 크기의 범주에 속하는 입자이다. 기존의 크기가 큰 입자들과 달리 매우 작고 미세하기 때문에 같은 부피의 입자의 경우 상대적으로 나노입자가 매우 큰 비표면적(surface area)을 갖기 때문에 흡착제로 좋은 장점을 갖는다.        
    
5. 알지네이트
 ○ 알긴산염. 차가운 바다의 갈조류 등에서 추출한 물질로 칼슘 알긴산염과 규조토가 결합된 천연물질. 

6. 자가 조립
 ○ 기본이 되는 분자, 입자 수준으로부터 거대 복합구조로의 자발적인 형성을 의미함.

7. 베크렐(Bq/g)
 ○ 방사능 물질이 방사능을 방출하는 능력을 측정하기 위한 방사능의 국제단위(SI)로 1초에 1개의 원자핵이 붕괴하는 방사능 활동을 의미함. 100배크렐의 방사성 세슘 오염은 일반적으로 원전사고 등을 가정한 상황에서 사용하는 기준임.

그 림 설 명

(그림 1) 캡슐형 방사성 세슘 흡착제의 방사성 세슘 제거 모식도
연구팀에서 캡슐형 방사성 세슘 흡착제(P-MSC)는 서로 다른 성질을 갖는 3가지 물질을 가교반응을 통해 제작한 기능성 복합 흡착제이다. 캡슐형 방사성 세슘 흡착제는 점토(AIP clay), 알지네이트, 프러시안 블루(PB)로 구성되어 있으며, 선택적인 세슘 흡착능을 갖는 나노 프러시안 블루를 알지네이트-점토로 중합된 캡슐 내부에 효과적으로 담지 할 수 있다. 구체적으로, 선택적인 방사성 세슘 흡착 제거원리는 프러시안 블루의 이온교환 및 점토의 내부층위 흡착을 통해 방사성 세슘을 99%이상 제거할 수 있다. 이는 연구에서 개발한 캡슐형 흡착제 한 개를 이용하여 39.4 마이크로그램(μg)의 방사성 세슘(137Cs)이 포함되어 있는 1L 해수 및 식수로부터 99.24%로 완벽하게 방사서 세슘을 제거하여 정제할 수 있음을 의미한다.

(그림 2) 점토(클레이) 기반 캡슐형 흡착제의 전자주사현미경 이미지.
기존 칼슘-알지네이트 비드 흡착제의 내부구조(A,B)와 점토-알지네이트 비드 흡착제(C)의 내부구조. 비교결과 점토 기반의 흡착제 내부는 거미줄 형태의 구조를 갖고 있어 흡착제의 강도를 증가시킬수 있음을 확인하였다. 이번 연구로 개발된 프러시안 블루가 들어간 점토-알지네이트 흡착제의 단면(D)과 내부구조(E,F)는 점토와 알지네이트 복합체로 이뤄져 있으며, 내부는 석류의 모양과 같이 프러시안 블루 나노입자가 빽빽하게 결합되어 있음을 확인할 수 있다.