한 겹의 그래핀으로 안전하게 차단
전세계 방사성 폐수 문제 해결책 주목
포스텍은 첨단원자력공학부·환경공학부 엄우용 교수 연구팀이 방사성 폐수 속 위험한 삼중수소를 액체 상태에서 분리할 수 있는 그래핀 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
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| ▲ 포스텍 첨단원자력공학부·환경공학부 엄우용 교수. [포스텍 제공] |
이번 연구는 후쿠시마 원전 오염수 등 전 세계 방사성 폐수 문제의 새로운 해결책으로 주목받으며 미국 화학회(ACS)에서 발간하는 재료 분야 국제 학술지인 'ACS' 온라인판에 게재됐다.
삼중수소는 원자력 발전소에서 생성되는 방사성 수소로, 대부분 물 분자 형태로 존재한다. 지금까지는 삼중수소를 기체 상태에서만 분리할 수 있을 뿐, 액체상의 삼중수소 제거는 큰 과제로 남아 있었다.
연구팀은 원자 한 겹 두께의 그래핀이 양성자만을 통과시키고, 삼중수소를 포함한 다른 방사성핵종은 차단하는 특수한 분리 능력이 있는 점에 주목했다.
이번 연구에서 연구팀은 고분자 전해질 막인 '나피온'의 수용액 상에서의 치수 안정성을 강화하기 위해 '테플론'을 기반으로 한 멤브레인에 나피온을 합침시킨 후, 그 위에 그래핀을 전사하여 최종 분리막을 완성했다.
그 결과, 전기장을 가해주었을 때 가벼운 수소 이온은 막을 빠르게 통과하지만, 무거운 중수소와 삼중수소는 막을 통과하지 못하고 농축되는 현상이 나타났다.
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| ▲ 연구팀이 개발한 단층 그래핀 기반 멤브레인의 수소 동위원소 분리 원리. [포스텍 제공] |
상대적으로 더 무거운 수소 동위원소는 이동 시 더 큰 에너지 장벽을 느껴 이동이 억제됨을 입증한 것이다. 이때 그래핀을 통한 수소와 중수소 간 분리 효율을 나타내는 분리계수는 6에 달했고, 농도 차이에 의한 확산 실험에서도 삼중수소가 양성자보다 멤브레인을 통해 3.1배 느리게 이동하는 것으로 나타났다.
이 기술의 가장 큰 장점은 원전 폐수처럼 상온 액체 상태에서도 높은 수준의 분리가 가능하다는 것이다. 특히, 기존 상용화된 기술인 극저온 증류 및 촉매 교환방식은 매우 낮은 분리계수를 나타내므로 높은 공정비용이 필요했으나, 이제는 고분자 전해질막 수전해(PEMWE)' 공정에 해당 멤브레인을 적용하여 물 상태 그대로 상온에서 삼중수소를 걸러낼 수 있다.
이를 적용하면 후쿠시마 오염수 등 글로벌 원자력 발전소 방사성 폐수를 효과적이고, 무엇보다 안전하게 처리할 수 있을 것으로 기대된다.
엄우용 교수는 "이번 기술은 원자력과 핵융합 산업의 방사성 폐수 문제 해결 및 삼중수소 활용에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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