원전 폐수 속 삼중수소 효과적으로 제거하는 촉매 개발

KAIST·원자력연 "최대 반응 효율 76.3%"

MOF-고분자 복합체 구조 촉매 제작 과정 [KAIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 고동연 교수와 한국원자력연구원 박찬우 박사 연구팀은 원전 폐수에 함유된 삼중수소를 효과적으로 제거하기 위한 고분자 복합체 구조의 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.

지난해부터 후쿠시마 오염수의 해양 방류로 중수로 원전에서 발생하는 방사성 물질인 삼중수소에 대한 관심이 커지고 있다.

후쿠시마 오염수 처리 당시 다핵종제거설비로 걸러지지 않고 바다로 흘러들어 인체와 해양 생태계에 미칠 영향에 대한 우려가 제기된다.

삼중수소 제거에는 주로 액상 촉매 교환(Liquid-phase catalytic exchange) 공정이 이용된다.

촉매로 이용되는 백금은 반응성은 높으나 비용이 많이 들고 물에 의해 반응 자리가 쉽게 비활성화되는 문제가 있다.

적은 양의 백금을 고르게 분산한 뒤 물을 밀어내는 소수성 물질을 도입해 촉매를 활성화하는 것이 핵심이다.

연구팀은 금속과 유기물을 결합한 다공성 소재인 금속 유기 골격체(MOF)와 다공성 고분자의 복합체 형태의 이중기능(물은 차단하고 수증기는 통과하는 성질) 소수성 촉매를 개발했다.

MOF-고분자 복합체 구조 촉매(왼쪽)의 전자현미경 사진(오른쪽) [KAIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

2.5㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 지름의 백금 입자를 금속 유기 골격체에 고르게 분포시킨 뒤 화학적인 변형을 통해 소수성을 갖도록 했다.

촉매가 물에 의해 활성을 잃는 것을 방지하면서도 반응에 필요한 양의 물 분자는 촉매에 쉽게 접근할 수 있도록 조절했다.

이 촉매는 특정 반응 조건에서 최대 76.3%의 반응 효율을 보였다.

또 ppm(100만분의 1) 수준의 저농도 동위원소 함량에서도 삼중수소 제거 반응에 높은 활성을 나타냈으며, 4주 연속 가동에도 일정 수준 이상의 성능을 유지하는 것을 확인했다.

연구팀이 현장 난반사 적외선 분광법(물질에 적외선을 쬔 뒤 실시간으로 반사되는 양을 분석해 성분 변화를 알아내는 방법)을 통해 분자 수준에서 물 분자의 실시간 움직임을 확인한 결과, 물 분자가 촉매 활성 자리에 지속해 접근해 반응이 일어남을 입증했다.

고동연 교수는 "비교적 간단한 금속 유기 골격체 소재의 소수성 조절을 통해 삼중수소 제거 촉매를 제안했다"며 "삼중수소 폐액 처리뿐 아니라 반도체에 사용되는 중수소 원료 생산과 핵융합 연료 주기 기술 등에 다양하게 응용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '에너지 앤 인바이런멘탈 머티리얼스'(Energy & Environmental Materials) 지난달 31일 자로 실렸다.

삼중수소 제거 촉매 개발한 연구팀 [KAIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

jyoung@yna.co.kr

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