다공성 물질로 물과 ‘증수’ 분리, 교토대 연구팀


(사진) 물과 중수 분자를 분리하는 이미지 (산케이신문)

성질이 거의 같은 물과 ‘중수(중수소가 포함된 물)’를 기존의 100배 이상의 효율로 분리할 수 있는 다공성 재료 개발에 세계 최초로 성공했다고 기타가와 스스무 교토대 특별교수 연구팀이 발표했다. 중수는 원자로에서 핵분열 반응이 쉽게 일어나도록 하는 재료(감속재)로 사용된다. 그러나 분리에 막대한 비용이 든다는 과제가 있어 이번 연구의 실용화가 기대된다. 연구 성과는 9일자 영국 과학학술지 네이처 커뮤니케이션(전자판)에 게재됐다.

활성탄 등으로 대표되는 다공성 재료는 미세한 구멍(세공)이 무수히 뚫린 물질로, 세공을 통해 가스 분자를 흡착하는 성질을 지닌다. 연구팀은 이제까지 세공의 구조 및 크기를 자유롭게 도안할 수 있는 다공성 재료의 일종으로 ‘다공성 금속 착체’를 개발했다. 또한 내부로 여닫는 문(게이트)의 역할을 하는 분자를 집어넣어 흐름을 제어해 특정 분자를 분리∙저장하는 구조를 구축하는데도 몰두하고 있다.

자연계 물속에 약 0.02%의 비율로 포함된 중수는 원자로 및 방사선 치료의 감속재, 과학 연구에 사용되는 용매 등 다양한 용도가 있지만, 물과 분자 크기와 끓는점 등의 성질이 거의 같기 때문에 물로부터 분리하려면 비용이 많이 들어간다.

이번 발표에서 연구팀은 실온에서 잠자리 날개처럼 가볍게 펄럭이며 운동하는 분자를 만들어 나노미터 크기(나노는 10억분의 1)의 세공을 가진 다공성 재료에 넣어, 물과 중수를 포함한 증기에 노출시켜서 양쪽 분자의 투과량에 차이가 나는지를 검증했다. 그 결과, 물 분자가 우선적으로 세공에 들어가 흡착돼, 기존 기법 대비 100배 이상 효율로 중수를 분리할 수 있는 것이 밝혀졌다.

연구팀에 의하면, 도쿄전력 후쿠시마 제1원자력발전소 사고로 계속해서 쌓이는 처리수에 포함된 방사성 물질 트리튬(3중 수소)의 분리도 이론적으로는 가능하다고 한다. 현 단계에서는 실용화할 수 있는 분리 기술은 없어 “트리튬을 포함해 다른 물질에도 분리 방법을 응용할 수 있는지 연구를 진행하겠다”고 전했다. (스기 유리카)

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