한국원자력연구원(이하 원자력연)이 수입에 의존하던 우라늄 흡착제를 대체할 수 있는 친환경 나노신소재를 개발했다고 24일 밝혔다.
우라늄은 자연에서 다양한 물질에 녹아 있고 방사성폐기물에도 다량 포함, 이를 효과적으로 추출해 회수하는 것이 매우 중요하다.
원자력연 방사화학기술개발부 김종윤 박사팀은 흡착제에 사용되는 실리카 물질에 유기인산계 화합물(HDEHP)을 결합해 우라늄 흡착 성능이 탁월한 친환경 나노구조 신소재를 개발했다.
김 박사 연구팀은 특정 구조의 주형 물질을 섞어 원하는 형태와 크기의 물질을 합성하는 주형합성법을 활용, 우라늄 흡착에 특화된 실리카 나노구조체를 합성했다.
기존 방식은 실리카 나노구조체 합성을 위한 출발 물질인 전구체 사에틸 오르토실리케이트(TEOS)에 주형 물질로 도데실아민을 섞는 나노구조체는 입자가 균일하지 않고 기공 크기가 우라늄 흡착에 최적화되지 않았다.
이에 연구팀은 우라늄 흡착력을 가진 HDEHP를 추가로 혼합하는 하이브리드 소재 합성방식을 활용했다.
또 주형 물질을 500℃ 이상 고온에서 연소하거나 유독성 용매로 제거해야 하는 기존 방식과 달리 주형 물질 HDEHP를 제거하지 않고 용액에 넣어 가열하는 수열반응으로 간단하게 하이브리드 소재를 합성했다.
이를 통해 기존 방식으로 구현하기 어려웠던 10~100㎛의 균일 입자를 가지면서, 기공 크기까지 제어할 수 있는 신소재를 개발했다.
이 소재는 표면적이 넓고, 흡착할 물질이 기공 내로 잘 들어가서 강하게 붙잡아 둘 수 있는 2~50㎚ 크기 메조기공을 효율적으로 만들 수 있다.
아울러 HDEHP 농도와 반응 온도를 높일수록 메조기공의 크기가 커지는데, 그 수준을 쉽게 제어할 수 있다.
연구팀이 개발한 나노 신소재는 흡착제 1g당 우라늄 136㎎을 흡착할 수 있는데, 현재 상용화 제품의 최고 성능과 동일 수준이다.
이는 간단히 합성할 수 있어 경제적이며, 후처리 공정이 없어 폐기물을 획기적으로 줄여 환경친화적이다.
특히 메조기공 크기를 자유롭게 조절할 수 있어 흡착제뿐 아니라 기공 활성물질을 넣어 전달하는 운반전달체로도 활용할 수 있다.
임상호 원자력연 방사화학기술개발부장은 “이번 기술은 우라늄자원 회수, 방사능 오염수 관리뿐 아니라 촉매제, 약물전달물질 등 다양한 분야에서 활용할 수 있는 원천기술이 될 것”이라며 “대규모 생산 및 상용화를 위한 연구를 지속하겠다”고 설명했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업과 산업통상자원부 원전해체경쟁력강화기술개발사업 지원으로 수행됐고, 연구결과는 국제학술지 ‘분리정제기술(Separation and Purification Technology)’에 게재됐다.
(논문명 : 기공 확대와 인산기로 기능화된 메조다공성 실리카 마이크로스피어 복합체 합성: 단일반응기 합성 및 수중 우라늄 제거 기술, Pore-expanded phosphate-functionalized mesoporous silica microsphere composites: One-pot synthesis and application for removing uranium from water)
