원전 폐수의 삼중수소, 새 촉매로 제거

KAIST·원자력연, 초저농도의 방사성 수소 동위원소 제거 확인

후쿠시마 제1원자력발전소 내 다핵종제거설비(ALPS·알프스)를 거친 오염수를 방류 전에 보관하면서 방사능 농도 측정도 하는 탱크 군의 모습./연합뉴스

지난해부터 후쿠시마 오염수가 해양에 방류되면서 방사성 물질인 삼중수소에 대한 대중적 관심이 크게 늘어났다. 일정 농도 이상의 삼중수소는 해양 생태계와 환경에 위험을 초래할 수 있어 제거 설비가 필요하다. 국내 연구진이 촉매를 이용해 삼중수소를 획기적으로 제거할 수 있는 기술을 개발했다.

고동연 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수 연구진은 한국원자력연구원 박찬우 선임연구원과 함께 원전 폐수에 함유된 삼중수소를 제거하기 위한 새로운 구조의 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다. 연구 결과는 환경 분야 국제 학술지 ‘에너지 & 환경 물질(Energy & Environmental Materials)’에 지난달 31일 게재됐다.

현재 삼중수소 제거에는 주로 액상 촉매 교환 공정이 쓰인다. 액상 촉매 교환은 촉매를 사용해 수소와 물 사이의 동위원소를 교환하는 방법이다. 이때 촉매로 주로 사용하는 백금은 반응성이 높지만, 비용이 많이 들고 물에 의해 반응 자리가 쉽게 비활성화되는 문제가 있다. 따라서 적은 양의 백금을 고르게 분산하고, 물을 밀어내는 소수성 물질을 도입해 촉매가 활성화되도록 하는 것이 핵심이다.

연구진은 금속-유기 골격체(Metal-organic framework, MOF)와 다공성 고분자의 복합체로 이뤄진 촉매를 개발했다. 금속-유기 골격체는 금속 이온과 유기 분자로 이뤄진 결정 구조다. 평균 약 2.5㎚(나노미터, 10억분의 1m) 지름의 백금 입자를 금속-유기 골격체에 고르게 분포시키고, 이후 화학적인 변형을 통해 소수성을 부여했다. 분자 수준에서 소수성을 조절해 촉매가 물에 의해 활성을 잃는 것을 방지하면서도 반응에 필요한 양의 물 분자는 촉매에 쉽게 접근할 수 있도록 했다.

이번에 개발한 촉매는 원전 운전조건과 비슷한 매우 낮은 동위원소 농도에서도 높은 활성을 보였다. 기존 촉매에서는 구현하지 못한 특성이다. 특정 반응 조건에서는 최대 76.3%의 반응 효율을 나타냈다. 또 4주 연속으로 가동할 때도 일정 수준 이상의 성능을 유지해 내구성을 입증했다.

연구진은 현장 난반사 적외선 분광법(in-situ DRIFTS) 분석을 통해 분자 수준에서 물 분자의 실시간 움직임을 확인했다. 현장 난반사 적외선 분광법은 실시간으로 빛이 물질에 반사돼 돌아오는 정보를 분석해 물질의 성분 변화를 알아내는 기술이다. 이를 통해 개발한 촉매가 수분에 의한 촉매 비활성화를 최소화하면서도 물 분자가 촉매에 지속적으로 접근해 반응이 일어나는 것을 확인했다.

고동연 교수는 “삼중수소 폐액 처리뿐 아니라 반도체에 사용되는 중수소 원료 생산과 핵융합 연료 주기 기술처럼 다양한 기술에 필수적인 수소 동위원소 분리에서 핵심 소재로 응용할 수 있을 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

참고 자료

Energy & Environmental Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/eem2.12815

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