원전 폐수 속 저농도 삼중수소까지 제거하는 촉매 개발

일본 후쿠시마 제1원전. 연합뉴스 제공

국내 연구팀이 저농도 삼중수소까지 효과적으로 제거할 수 있는 새로운 구조의 촉매를 개발했다.

KAIST는 고동연 생명화학공학과 교수팀이 박찬우 한국원자력연구원 선임연구원 연구팀과의 공동연구를 통해 금속-유기 골격체를 활용한 복합 촉매를 개발하고 기존 연구에서 달성하지 못한 저농도 삼중수소를 제거하는 데 성공했다고 27일 밝혔다. 연구결과는 지난달 31일 국제학술지 '에너지 앤 인바이런멘탈 머티리얼스'에 공개됐다.

삼중수소는 원전 운영 시 발생하는 방사성 물질로 주로 물 분자에 존재해 해양 생태계와 환경에 악영향을 줄 수 있다.

현재 널리 활용되는 삼중수소 제거 방법은 액상 촉매 교환이다. 물(H2O) 안에 있는 수소원자를 수소 기체(H2)의 원자와 교환해 분리하는 방법이다. 촉매로 쓰이는 백금은 반응성이 높지만 비용이 많이 들고 물과 계속 닿으면 쉽게 비활성화되는 문제가 있다. 백금을 적게 쓰면서도 물을 밀어내 촉매가 잘 활성화되도록 하는 것이 핵심이다.

금속-유기 골격체(MOF)를 활용한 삼중수소 제거 촉매 제작 과정(위)과 작동 방식. 촉매는 물과 백금의 직접적인 접촉은 막고 반응에 필요한 만큼만 수분을 출입시킨다(아래). KAIST 제공

연구팀은 금속-유기 골격체(MOF)와 구멍이 많이 난 다공성 고분자 복합체 형태의 삼중수소 제거 촉매를 개발했다. 약 2.5나노미터(nm, 10억분의 1m) 지름의 백금 입자를 골격체에 고르게 분포시키고 물을 밀어내는 소수성을 띠도록 구조를 변형한 것이다. 덕분에 반응에 필요한 양의 물만 촉매에 접근할 수 있다.

연구팀이 개발한 촉매는 기존 촉매 연구에서 구현하지 못한 수백 ppm 수준의 저농도 삼중수소도 제거할 수 있었다. 또 4주 연속으로 제거 공정을 가동해도 성능을 유지해 내구성 또한 입증해 냈다.

빛이 물질에 반사돼 돌아오는 정보를 실시간 분석하는 적외선 분광 기술을 활용해 작은 분자 수준에서 물 분자의 실시간 움직임을 확인하는 데도 성공했다. 개발된 촉매가 촉매 비활성화를 피하면서도 반응이 지속적으로 일어날 수 있다는 것을 직접 관찰한 것이다.

고동연 교수는 "삼중수소 폐액 처리뿐 아니라 반도체에 쓰이는 중수소 원료 생산, 핵융합 연료 주기 기술 등에 필수적인 수소 동위원소 분리 핵심 소재로 응용이 기대된다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/eem2.12815

가장 흔히 존재하는 수소(왼쪽)는 양성자 1개와 전자 1개로 이뤄졌다. 삼중수소(오른쪽)는 수소에 2개의 중성자가 더 있어 질량이 3배인 동위원소다. 원자력 발전소 운영 등에서 발생하는 방사성 물질이다. 위키미디어 제공

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]