한국원자력연구원, 방사성 오염토양 중 세슘만 쏙 제거하는 자성분리 기술 개발

- 자성 복합체 활용해 점토와 세슘만 선택적으로 제거하는 토양정화 기술 개발 -

원자력 사고나 해체한 원자력시설에서는 방사성 오염토양이 생기기 마련인데, 아직까지 고농도의 대용량 방사성 오염토양을 경제적으로 처리할 수 있는 상용기술은 없다.

전 세계적으로 다양한 방법들을 적용한 활발한 연구가 이뤄지는 가운데, 한국원자력연구원(원장 박원석)은 해체기술연구부 김일국 박사 연구팀이 세슘과 강하게 결합된 점토(지름이 0.002mm 이하인 미세한 흙입자)를 자성을 이용해 선택적으로 분리하고, 점토 분리 후 남은 오염토양에서 잔여세슘을 효과적으로 떼어내는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

제조된 플러스 전하의 자성나노물질 (좌측부터 윤인호 책임연구원, 김일국 선임연구원) 및 자성 흡착제 (김준현 박사과정 학생)

연구는 과학기술정보통신부 원자력기술개발사업의 지원을 받았다. 관련 2건의 국내 특허 등록을 지난달 마쳤으며, 미국과 일본에서도 특허 등록 심사 중에 있다.

< 이미지. 자성 분리기술을 이용해 방사성 오염토양으로부터 세슘을 선택적으로 제거하는 모식도 >

방사성 세슘은 물리․화학적 특성 때문에 오염토양 중 점토에 강하게 흡착한다. 이 때문에 토양 중 10~30%를 차지하는 점토를 우선 선택적으로 분리하는 기술이 필요하다.

연구팀은 표면이 마이너스 전하를 띠는 점토의 일반적 특성을 이용했다. 플러스 전하를 띤 자성나노입자를 제조해 정전기적 인력으로 토양 내 점토 입자와의 선택적 결합을 유도했다.

이 과정에서 자성을 부여받은 점토 입자는 외부 자석을 통해 추가적인 에너지 없이 쉽게 분리가 가능하다. 

자기력만을 이용해 분리하고, 분리에 이용하는 용액은 계속 재사용이 가능하기 때문에 별도의 폐액처리가 필요하지 않아 경제성이 우수하다.

자석으로 점토를 분리하는 과정에서 간단한 메쉬필터를 결합함으로써 분리의 선택성을 더욱 높일 수 있었다.

여기까지의 과정만으로 이미 약 90% 제염효과를 확인했다. 점토 분리 후 잔류 오염토양은 국내의 엄격한 기준을 만족하기 위해 추가 제염과정이 필요할 수 있다.

연구팀은 이를 위해 남은 토양을 페로시아나이드(세슘 제거용 입자)가 결합된 자성 흡착제를 투입해 세척했다. 세척 실험 결과 세슘이 약 95% 이상 제거되는 것을 확인했다.

결과적으로, 방사성 오염토양 중 점토를 자성분리하고 자성 흡착제를 이용한 세척까지 진행함으로써 약 97%의 방사성 세슘을 선택적으로 제거하는 데 성공했다.

연구결과는 국제학술지인 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, I.F.:10.652, JCR 화학공학분야 상위 3%) 온라인판에 지난달 말 게재됐다.

이번에 개발한 토양정화 기술은 방사성 오염토양 뿐 아니라 중금속, 유류 등 일반 환경오염 토양에도 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.

연구팀은 상용화를 목표로 연구를 보완해나갈 계획이다.

연구를 주도한 연구원 김일국 박사는 “이번에 개발한 토양정화 방법은 저에너지의 자성분리 기술을 접목해 상용화에 매우 유리하기 때문에 향후 원자력시설 해체 시 발생가능한 대량의 방사성 오염토양을 처리하는 데 직접 활용 가능할 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

추적사건25시 유규상 기자