가스하이드레이트를 활용한 방사성 폐수 처리기술 개발

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[아이뉴스24 최상국 기자] 원자력발전소에서 발생하는 방사성 오염수를 처리하는 데는 복잡한 공정과 많은 비용이 투입된다. 일본 후쿠시마 오염수를 정화하는 다핵종제거설비(ALPS)의 경우 62종의 방사성핵종을 제거하는 공정을 위해, 총 16기의 거대한 시설을 가동하고 많은 양의 2차 폐기물이 방출된다. 원전은 인류에게 안정적으로 전기에너지를 공급해 왔지만 환경적으로 지속가능하면서도 경제적인 방사성 폐수 처리는 여전히 큰 숙제로 남아있다.

한국연구재단은 윤지호 한국해양대학교 교수와 차민준 강원대학교 교수 연구팀이 한국기초과학지원연구원,한국해양과학기술원과 공동으로 방사성 폐수로부터 방사성 화학물질을 제거하는 동시에 깨끗한 물을 회수할 수 있는 가스하이드레이트 기반 담수화 기술을 개발했다고 밝혔다.

‘인바이런멘탈 사이언스·테크놀로지(Environmental Science & Technology, ES&T)’ 4월 9일자 표지 이미지. [사진=한국연구재단]

가스하이드레이트(gas hydrate)는 물과 가스가 결합된 화합물을 말한다. 수소 결합으로 연결되어 있는 물 분자 동공(비어있는 공간)에 작은 객체 분자가 포접되어 있는 고체 물질이다.

연구팀은 방사성 폐수 속에 가스하이드레이트를 형성시켜 방사성 폐수를 제거하는 동시에 담수를 회수하는 ‘하이드레이트 기반 담수화 공정’개발에 성공했다.

연구팀이 개발한 공정은 크게 방사성 폐수 속에 얼음 형태의 가스하이드레이트를 형성하고→형성된 가스하이드레이트를 폐수에서 분리한 뒤 →가스하이드레이트를 다시 물과 가스로 분리하는 세 단계로 이루어진다.

핵심 원리는 방사성 오염수 속에서 가스하이드레이트가 형성되는 과정(가스하이드레이트 결정체가 어는 과정)에서 방사성 이온이 가스하이드레이트 동공에 포접되지 않고 밀려나는 ‘이온배척(Ion exclusion)’ 현상에 따른 것이다.

연구팀은 먼저 방사성 폐수 속에 가스하이드레이트가 존재할 수 있는 온도와 압력의 영역을 조사한 결과, 방사성 이온은 가스하이드레이트의 결정 구조에 영향을 주지 않음을 실험과 이론 계산을 통해 확인하고, 이같은 이온배척 현상을 고체 자기공명 분광법 등을 이용해 규명해 냈다.

연구팀은 이런 과정을 거쳐 개발한 가스하이드레이트 기반 담수화 기술공정에 의해 95~99%의 제거율로 세슘과 스트론튬 등 방사성 이온의 분리가 가능하다는 것을 이번 연구를 통해 처음으로 제시했다. 1 ppm의 세슘 이온을 포함하고 있는 폐수를 3단계의 제거/분리 공정으로 0.2 ppb로 낮출 수 있었다.

방사성 폐수처리를 위한 가스하이드레이트 기반 담수화 기술은 크게 가스하이드레이트 형성, 가스하이드레이트 분리, 그리고 가스 분리로 나뉜다. 초기 농도가 1 ppm의 세슘 이온을 포함하고 있는 폐수로부터 가스하이드레이트의 형성 정도를 40%, 세슘의 제거 효율을 98%으로 가정했을 경우, 제거/분리 공정에 의해 세슘의 농도를 0.2 ppb로 낮출 수 있다. [사진=한국연구재단]

윤지호 교수는 “이번에 개발한 기술은 물과 저분자 가스와 같은 자연에서 얻을 수 있는 재료와 함께 간단한 공정 단계에 의해 작동이 가능하다”며, “차후 원전해체뿐만 아니라 다양한 산업에서 발생하는 방사성 폐수처리 등에 활용할 수 있다.”고 설명했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중견연구자 지원사업으로 수행된 이번 연구결과는 화공/환경분야 국제학술지인 ‘케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’, ‘저널 오브 헤저더스 머티리얼즈(Journal of Hazardous Materials)’, ‘인바이런멘탈 사이언스·테크놀로지(Environmental Science & Technology, ES&T)’에 게재됐으며, 특히 ES&T에는 4월 9일 표지논문으로 선정됐다.

*논문명 :Freshwater recovery and removal of cesium and strontium from radioactive wastewater by methane hydrate formation

*저자 : 윤지호, 차민준(이상 교신저자), 임솔거(제1저자), 오창엽, 김선하, 나공태

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