해외신기술

실온의 물로부터 트리튬 분리 흡수제 개발

일본 교토대학 연구팀, 산화망간 이용 방사능 농도 뚜렷하게 감소
원전 오염수 처리·첨단제약 합성·고신뢰성 세포 배양 응용 기대

일본 교토대학 연구팀은 실온에서 트리튬(tritium, 3중수소)을 물로부터 분리할 수 있다는 것을 세계 최초로 실험적으로 증명했다. 트리튬은 통상적인 물에 트리튬수(HTO)로서 혼합된다.

이 HTO는 H2O와 물리화학적 성질이 상당히 비슷하기 때문에 다량의 물에 혼합된 트리튬수를 실온에서 수중으로부터 분리하는 것은 종래 어떠한 분리방법이라도 불가능했다. 이번 연구에서는 전지재료로 잘 알려진 산화망간에 수소이온을 함침시켜 트리튬을 포함한 물에 접촉시키면 수중의 트리튬 농도가 뚜렷하게 저하되는 현상을 발견했다.

이 트리튬 농도의 뚜렷한 저하는 HTO를 형성하는 수산화물이온의 동위체(OT-)가 산화망간의 표면에서 산화·분해돼 트리튬이온(T+)과 산소가 만나 발생한 T+가 산화망간에 흡수되는 반응에 기초한다. 이 화학반응을 이용해 처리수 중의 트리튬 농도가 저하된 타이밍에 트리튬을 흡수한 산화망간을 처리수와 고액분리함으로써 트리튬을 실온의 물로부터 분리 제거할 수 있었다.

산화망간에는 다양한 결정구조가 존재하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 결정구조에 수소이온을 함유하는 성질이 가장 높은 스피넬산화망간을, 높은 반응성을 얻을 수 있는 나노입자가 응집한 분말상으로 합성해 산성수용액과 접촉시키는 간단한 전처리에 의해 수소이온을 결정에 흡수시켰다.

이 수소이온을 흡수시킨 상태의 산화망간 분말(0.5g)을 트리튬 농도가 1L 당 수백만 베크렐의 인공 트리튬 오염수(100ml)에 pH5∼6 정도의 조건 하에서 현탁시킨 결과 인공오염수의 트리튬 농도가 초기농도에 대해 30% 이상 감소하는 현상을 확인했다.

트리튬 농도의 계측에는 액체 신틸레이션카운터를 이용해 현탁액 중의 트리튬 방사능 농도변화를 정밀하게 측정했다. 이 방법에 따라 트리튬 농도가 충분히 감소한 타이밍에서 트리튬을 흡수시킨 산화망간을 처리수로부터 고액분리함으로써 실온의 처리수로부터 트리튬을 분리할 수 있다는 것을 증명했다. 

실험결과는 다음과 같다. 트리튬 흡수제로 사용한 산화망간 분말의 투과전자현미경 사진을 보면, 크기가 10∼30㎚(나노미터) 정도의 미립자가 모여 분말을 형성하고 있다. 수소이온 또는 리튬이온을 포함한 스피넬형 결정구조를 가진 산화망간 분말을 인공 트리튬수에 첨가한 결과 얻어진 T 방사능 농도의 경시변화를 나타낸 것이다. 실험에서는 화학조성이 HMn2O4 또는 LiMn2O4의 산화망간 분말을 약 0.5g씩 각각 100ml의 인공 트리튬수에 첨가했다.

산화망간을 이용한 경우에도 방사능 농도가 초기치에서 15∼30분 정도에 뚜렷하게 감소하고, 그 후 재상승하고 있는 모습이 나타났다. 이것은 산화망간 분말에 의한 T+의 흡수반응이 비평형반응이라는 것을 나타낸다.

때문에 실제 정수 플랜트에서는 기존의 플로우타입의 신틸레이션카운터로 처리수 중의 T 방사능 농도를 상시 모니터링해 T를 흡수한 산화망간을 처리수로부터 고액분리하는 최적의 타이밍을 판단할 필요가 있다.

이번 실험결과는 방사성 세슘이 토양의 주성분인 규산알루미늄의 결정과 강하게 결합해 흙으로부터 분리되지 않는 경우와 달리, T가 산화망간으로부터 간단하게 분리되는 성질을 이용함으로써 흡수제로서의 재생이용도 검토할 수 있다는 것을 나타낸다. 때문에 처리과정에서 T를 포함한 산화망간이 방사성 폐기물로써 대량으로 발생함으로 인해 보관·저장장소 때문에 곤란한 사회적인 문제를 회피할 수 있다고 예상된다.

pH5에서 pH6 정도의 액상과 비교하여 고농도로 수소이온을 함유한 산화망간은 그 결정구조로부터 수중에 H+를 용출한다. 전하중성을 유지하기 위해 산화망간은 수중으로부터 결정표면의 틈을 통과 가능할 정도로 크기가 작은 T+를 결정 내에 흡수한다. 통상적으로 물분자의 전리도는 상당히 낮지만, HTO로부터 전리되어 있는 수산화물이온 동위체(OT-)를 산화망간의 표면이 촉매로서 작용하여 산화 분해하고, T+로서 결정 내에 흡수함으로써 트리튬수 분자의 전리평형을 전리방향으로 진행시킨다고 사료된다.

이 산화망간 촉매에 의한 OT-의 산화분해반응과 결정 및 액상 사이에서 T+와 H+의 농도차에 의해 이온교환반응이 T의 회수기구에서 중요한 역할을 담당하고 있다고 보인다. [그림 2]에서 관찰된 T 농도의 재상승은 반응시간의 경과와 함께 결정 내의 H+ 농도가 부족해 결정 내의 흡착도를 액상에서 침입한 H+에 다시 뺏김으로써 T+의 방출에 기인하는 현상이라고 예상된다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 / 2015년 4월 28일 / 원문출처 : http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2015/documents/150422_1/03.pdf]

[『워터저널』 2015년 5월호에 게재]