오현철 경상국립대 교수, 수소동위원소 확산 차이 규명
방사성 오염수서 수소와 중수소 분리하는 데 활용 전망
국내 연구진이 유연한 다공성 소재에서 수소와 중수소를 분리할 수 있는 실마리를 찾았다. 일본 후쿠시마 원전 오염수에 포함된 방사성 삼중수소를 분리하는 기술로 발전시켜 나갈 수 있을지 주목된다.
과학기술정보통신부는 오현철 경상국립대 교수와 박지태 독일 뮌헨공대 박사 연구팀이 공동으로 외부 자극에 미세한 기공이 팽창되는 다공성 물질인 '플렉서블 금속-유기 골격체'를 이용해 수소와 중수소의 확산 속도 차이를 밝혀냈다고 7일 밝혔다.
수소와 중수소는 크기나 모양이 물리·화학적으로 매우 비슷해 혼합물에서 분리하기 어렵다.
현재 일본 후쿠시마 원전에서 발생되는 오염수는 방사성 삼중수소(반감기 12.4년)를 포함하고 있지만, 현재 개발된 삼중수소 처리 기술은 경제성이 낮아 오염수를 완벽하게 정화할 수 없다.
이 때문에 최근 다공성 물질을 이용해 마치 체로 거르듯 수소동위원소에서 중수소를 분리·저장하기 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 하지만, 영하 254도의 극저온에서 고가의 액체헬륨을 이용해야 하는 한계가 있다.
연구팀은 유연한 구조의 다공성 소재는 액체헬륨(영하 254도)보다 60도 높은 액체질소 온도(영하 196도)에서 수소와 중수소의 확산 속도 차이가 3배 이상 된다는 사실을 규명했다. 기존 단단한 구조의 다공성 소재는 액체질소 온도에서 수소와 중수소의 확산속도에 차이가 없어 분리하기 거의 불가능했다.
연구팀은 금속과 유기물로 이뤄진 다공성 소재의 구조적 유연성과 동위원소의 선택적 반응을 통해 수소와 중수소에 확산 차이가 생긴다고 설명했다.
수소와 중수소가 기공 안으로 들어가면 다공성 소재 구조가 1차로 확장되고, 이후 중수소에 의해 선택 반응을 통해 2차로 확장이 일어나게 된다. 그 때 여분의 공간이 중수소에만 확보돼 이동 속도가 더 빨라지게 된 것이다.
이런 확산 속도 차이는 수소 동위원소 기체의 흡수량이 많아질수록 온도가 높아질수록 급증하는 것으로 나타났다.
오현철 경상국립대 교수는 "이번 연구성과는 보다 실용적인 수소동위원소 분리기술을 개발하는 데 단초가 될 것"이라며 "다만, 높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 것으로, 후쿠시마 오염수처럼 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리를 위해 추가적인 검증이 필요하다"고 말했다.
이 연구결과는 신소재 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(7일자)'에 실렸으며, 과기정통부와 연구재단의 지원을 받아 연구가 수행됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr
