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  • 기사등록 2021-04-07 11:33:49
  • 수정 2021-04-07 11:34:19
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[기계신문] 수소 동위원소를 혼합물로부터 효율적으로 분리하는 일이 현대분리기술 중 중요한 도전과제로 꼽히고 있다. 수소와 중수소의 크기나 모양 물리‧화학적 성질이 매우 비슷해 분리하기가 어렵기 때문이다.


일본 후쿠시마 원전에서 발생되는 오염수는 방사성 삼중수소(반감기 12.4년)를 포함하고 있으며, 현재까지 개발된 오염수 내 삼중수소 처리(분리/포집) 기술은 경제성이 낮아 일본은 삼중수소가 포함된 오염수를 희석시켜 바다로 방류하는 것을 계획하고 있다.


그런데 최근 후쿠시마 원전과 같이 사고원전 노심 냉각 후 버려지는 방사성 오염수를 정화시킬 수 있는 동위원소 분리기술에 대한 실마리가 나왔다.


사고원전 오염수에는 다양한 핵종이 존재하며, 대부분의 핵종은 제염처리가 가능하고, 방사성 삼중수소 분리 및 추출 기술은 다양하게 개발되어 왔으나 낮은 경제성으로 인해 후쿠시마 오염수와 같은 대량의 오염수처리에는 활용되기 어려웠다.


경상국립대학교 에너지공학과 오현철 교수, 뮌헨 공과대학교 박지태 박사 공동연구팀이 유연한 다공성 소재에서 나타나는 수소 동위원소의 확산속도 차이가 고온에서 더욱 커지는 현상을 규명해냈다.


수소 동위원소 분리공정 온도를 기존에 연구되던 액체헬륨 온도(영하 254℃)에서 액체질소 온도(영하 196℃)까지 끌어올릴 수 있는 실마리가 될 것으로 기대된다.



▲ 단단한 구조 및 유연한 구조에서의 수소 동위원소 확산계수 비교. 구조변화가 없는 단단한 구조의 다공성 물질 내에서 수소 및 중수소 확산은 저온에서 차이가 발생하지만 유연한 구조를 가진 금속-유기 골격체 내 수소 및 중수소 확산은 고온에서 확산차이가 발생하는 역전 효과가 있음을 보여주고 있다.



그간 같은 원소지만 중성자가 더 많아 무거운 동위원소가 다공성 물질 안의 좁은 공간을 가벼운 동위원소보다 더 빠르게 확산하는 성질을 이용해 마치 체로 거르듯(sieving) 동위원소들을 서로 분리하려는 연구가 이루어졌다. 하지만 영하 254℃에 이르는 극저온에서만 이러한 확산속도 차이가 확연하게 나타나기에 고가의 액체헬륨을 사용해야 했다.


그런데 연구팀이 제안한 유연한 구조의 다공성 소재에서는 액체헬륨보다 60℃ 가량 높은 액체질소 온도(영하 196℃)에서 수소와 중수소의 확산속도 차이가 3배 이상이 되는 것으로 나타났다. 기존 단단한 구조의 다공성 소재는 액체질소 온도에서는 수소와 중수소의 확산속도 차이가 없어 분리가 거의 불가능했다.


핵심은 금속과 유기물로 된 다공성 소재의 구조적 유연성과 동위원소에 대한 선택적 반응에 있었다. 수소와 중수소가 기공 안으로 들어가면 구조가 1차 확장되고, 이후 중수소에 의해서만 유연구조가 선택적으로 반응하여 2차 확장이 일어나게 되는데, 그때 여분의 공간이 중수소에만 확보되어 이동속도가 더 빨라지게 된다.


한편, 이 같은 유연소재 내 확산속도 차이는 수소 동위원소 기체의 흡수량이 많아질수록, 온도가 높아질수록 급증하는 것으로 나타났다.


오현철 교수는 “이번 연구 성과를 기반으로 보다 실용적인 수소 동위원소 분리기술이 개발되는 단초가 될 수 있을 것”이라며 다만 이번 연구는 높은 농도의 중수소 기체 분리 가능성을 검증한 것으로서 후쿠시마 오염수와 같은 낮은 농도의 삼중수소 액체 분리를 위해서는 추가적인 검증이 필요하다”고 언급했다.


이번 연구에서 중성자 실험을 책임진 박지태 박사는 “이번 연구를 통해 수소 동위원소 분리에서 유연소재의 잠재력을 중성자 실험으로 입증한 좋은 예가 되었다”면서 “동위원소 분리 성능 측정을 위한 측정 방식에 대한 새로운 방향을 제시한 것”이라고 강조했다.



▲ 기공 크기가 변하는 유연한 금속유기 골격체의 경우, 저온에서 수소와 중수소의 확산차이가 크게 나지 않으나, 상대적으로 높은 온도에서는 구조 변화가 발생하며 중수소 확산이 빨라지는 현상을 이미지화 한 그림



이번 연구는 플렉서블 금속-유기 골격체의 구조적 유연성을 이용해 수소 동위원소 분리 기원에 대해 보고한 첫 연구다. 작은 기공에서 큰 기공으로 바뀌는 호흡 현상에 의해 나타난 연구 결과이며, 지금까지 발표된 운동 양자체 효과를 이용한 중수소 분리 연구 중 처음으로 유연 구조 물질 내 수소 동위원소 확산 메커니즘을 보고한 연구이다.


수소 동위원소 혼합물로부터 분리하기 어려운 중수소를 유연 금속-유기 골격체를 통해 고온에서 분리할 수 있음을 증명하였다. 또한, 수소 동위원소 분리 공정의 작동 온도를 높여줌으로써 보다 효율적인 분리가 가능하다는 것을 시사하고 있다.


유연한 금속-유기 골격체를 이용하는 전략은 다른 동위원소나 가스 혼합물을 분리하는 데도 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 또, 고온에서 분리할 수 있는 다공성 물질의 지능형 설계에 실마리가 될 것으로 기대된다.


한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 원자력기초연구지원사업 및 해외대형연구시설활용연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 신소재분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 표지논문으로 선정, 한국시간 기준 4월 7일 온라인 우선 게재되었다.


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이은아 기자 lena@mtnews.net

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