고동연 KAIST 교수팀 "원전폐수 삼중수소 제거 촉매 개발"

고동연 한국과학기술원(KAIST) 생명화학공학과 교수(왼쪽)·박찬우 한국원자력연구원 박사 [사진=KAIST]

국내 연구진이 원자력발전소에서 나오는 폐수의 삼중수소 효과적으로 제거할 수 있는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 고동연 생명화학공학과 교수 연구팀과 박찬우 한국원자력연구원 박사 연구팀이 원전 폐수에 있는 삼중수소 제거 공정을 위한 이중기능 소수성 촉매를 개발했다고 27일 밝혔다.

현재 삼중수소 제거에는 주로 액상촉매교환 공정이 이용되며 해당 공정 중 수소·물 동위원소 교환 반응이 일어난다. 촉매에 주로 이용되는 백금은 반응성이 높지만, 비용이 많이 들고 물로 인해 비활성되는 문제가 있다. 따라서 적은 양의 백금을 고르게 분산하고, 물을 밀어내는 성질인 소수성 물질을 도입하는 기술이 중요하다.

고 교수팀은 금속·유기 골격체(MOF)와 다공성 고분자로 된 새로운 복합 구조 삼중수소 제거 촉매를 개발했다. 평균 2.5나노미터(㎚) 지름의 백금 입자를 금속·유기 골격체에 고르게 분포한 뒤 화학적 변형을 통해 소수성을 부여하는 구조다. 촉매가 물로 활성을 잃는 것을 방지하는 동시에 반응에 필요한 만큼의 물 분자를 촉매에 쉽게 접근할 수 있게 한 것이다.

연구팀이 개발한 촉매는 원전 운전 조건과 비슷한 매우 낮은 농도의 동위원소 삼중수소 제거 효과가 탁월했다. 특정 반응 조건에서 최대 76.3%의 반응 효율을 보였다. 4주 연속 가동해도 일정 수준 이상의 성능을 유지했다.

한국연구재단의 원전해체 안정성강화 융복합 핵심 기술개발사업 지원을 받아 이뤄진 이번 연구 성과는 국제 학술지 '에너지 앤드 인바이런멘탈 머티리얼스' 최근호에 게재됐다.

고 교수는 "비교적 간단한 금속·유기 골격체 소재의 소수성 조절로 촉매 비활성화의 주요 원인인 수분 저항성을 높이고, 삼중수소 제거 반응에 이용될 수 있는 새로운 구조의 촉매를 제안한 것"이라고 설명했다. 아울러 "삼중수소 폐액 처리뿐 아니라 반도체에 사용하는 중수소 원료 생산과 핵융합 연료 주기 기술 등 다양한 기술에 필수적인 수소 동위원소 분리 핵심 소재로 응용이 기대된다"고 밝혔다.