1. 서 론
2. 실험재료 및 방법
2.1. 실험재료
2.2. 실험방법
3. 실험 결과
3.1. 반응시간의 영향
3.2. 일라이트 투입량의 영향
3.3. 일라이트 입자크기의 영향
4. 결 론
1. 서 론
일라이트는 SiO2, MgO, K2O 등의 화학성분으로 구성되어 있고, 단사정계에 속하는 운모족 광물이다. 퇴적암, 열수변질암에 주로 분포하며, “일라이트” 라는 명칭은 Grim 등이 일리노이주 이질암에서 흔히 산출되는 점토 입자크기의 운모를 명명한 것으로 그 유래를 찾을 수 있다1). 4 μm 이하 입자크기로서 비팽창성, 이팔면체이면서 알루미늄이 풍부한 운모같은 광물을 일라이트로 정의하였는데, 이는 현재 가장 일반적으로 통용되고 있는 정의와 부합된다. 현재 널리 쓰이고 있는 일라이트의 일반적인 정의는 결정화학적 특징을 고려하여 “입자의 크기가 2-4 μm로서 운모와 비슷하며, 저면간격은 10 Å이고, 화학적으로는 백운모에 비하여 Si4+, Mg2+ 및 H2O가 풍부하나, 사면체자리의 Al3+과 층간 K+의 함량은 더 낮다.”고 규정되고 있다. 일라이트의 화학적 조성은 K0.8-0.9(Al,Fe,Mg)2(Si,Al)4,O10(OH)2이며, 결정학적 구조 모식도를 Fig. 1에 나타내었다2,3).
일라이트는 편상 구조로 인해 탄성, 흡착성이 뛰어나며, 중금속 흡착, 원적외선 방사, 향균 등에서 우수한 물성을 보여줌으로 인해 건강, 미용, 친환경 건축자재. 친환경 농수축산 분야 등 여러 방면에서 활용되고 있다. 국내의 경우, 강원도에 세계 유일한 고품질의 일라이트 수백 ton이 맥상으로 존재한다고 알려져 있고, 채광하여 상기와 같이 다양한 분야에서 활용되고 있지만, 방사능 오염물질 흡착 관련 분야에서의 연구는 매우 미흡한 실정이다. 2011년에 발생한 일본 후쿠시마 원전사고는 국제원자력 사고등급(INES:International Nuclear and Radiological Event Scale) 기준 최악인 ‘레벨 7’로 기록되었고, 체르노빌 원전사고에 비해 약 10배 이상의 방사능 물질이 유출된 것으로 보고되어 있다. 2026 년 현재, 일본 후쿠시마 오염수는 일일평균 약 140-150 ton 규모로 발생하고 있으며, 현재 저장 용량 한계치에 도달하여, 후쿠시마 오염수를 방류한다는 일본 정부의 발표에 따라 뉴스, 신문 등 여러 매스컴으로 관련 정보가 전파되고 있는 상황으로 인해 대국민적 불안감이 고조됨에 따라 대비책이 필요하다4). 일본 정부 및 국제기구는 환경 및 인체 위해성 저감을 목적으로 방류 전 처리수 중 Cs-137을 25 Bq/L 이하, Sr-90을 10 Bq/L 이하로 관리하도록 기준을 설정하고 있으며, 실제 오염수 내 핵종 농도는 법적 방출 기준 대비 수백 배 이상 초과될 것으로 사료된다. 한편, 국내의 경우 원전 가동 및 해체 시 발생하는 방사능 오염수를 드럼 등에 저장하여 보관하고 있으며, 저장 한계치가 초과 될 시기에 대비해야 한다. 특히 Table 1에 나타낸 바와 같이 방사능 오염수의 성분 중 90% 이상을 차지하고 있는 방사성 세슘(Cs-137), 방사성 스트론튬(Sr-90)은 반감기가 길고, 인체에 치명적인 손상을 줄 수 있기 때문에 Cs-137, Sr-90의 흡착을 통한 제거 기술을 확보한다면 인체 및 환경 측면에서의 위해성을 근본적으로 저감할 수 있는 핵심 정화 기술로 활용될 수 있을 것이다5). 현재 액체 중 존재하는 Cs-137, Sr-90 제거를 위해 개발된 기술은 전기분해법6), 증발농축법7), 침전법8), 이온교환법9) 등이 있지만, 화학성분에 의한 2차 오염이 발생하여 별도의 처리 공정이 필수적으로 요구되며, 이에 따른 2차 환경 오염 및 생태계 파괴 등이 다양한 단점이 존재하는 것으로 보고되어 있다. 친환경적, 경제적인 처리방법으로 미세조류를 사용한 흡착방법이 있지만, 반응속도가 느리다는 단점이 존재한다10). 반면, 일라이트를 활용한 방사성 물질 흡착기술은 화학반응이 빠르게 진행되고, 공정이 간단하며, 저비용, 친환경적인 특징 등을 가지고 있기 때문에 상용화 기술이 개발된다면 경제적, 환경적 및 기타 분야에서 다양한 파급효과가 있을 것으로 기대된다. 일라이트의 세슘 흡착 메커니즘의 경우, 일본의 연구에서 일라이트의 격자 층간에 존재하는 포타슘(K+)이 산소원자와 공유결합을 하고 있어 습윤 상태가 되어도 팽윤되지 않는 비팽창형 광물에 속하는데, 여러 풍화과정을 겪으면서 끝부분의 포타슘을 잃고 벌어진 FES(Frayed Edge Site)에 의해 흡착된다고 보고되어 있으며11), 또한, 국내 연구에서 FES에 진입한 수화 세슘이온은 비수화상태로 존재하는 포타슘과의 이온교환반응에 의해 세슘이 FES에 비가역적으로 흡착된다고 보고되어 있다12). 본 연구에서는 영동지역 일라이트의 액체 중 존재하는 Cs-137, Sr-90의 흡착성능에 대한 기초연구를 수행하였으며, 일라이트에 의한 최적의 Cs-137, Sr-90 흡착 조건을 제시하였다.
2. 실험재료 및 방법
2.1. 실험재료
본 연구에 사용된 일라이트는 국내 영동 지역에서 채광한 일라이트를 3 가지 크기로 파·분쇄하여 실험을 수행하였으며, 입도분석기(HORIBA, LA-960V2)를 사용하여 분석 입도 크기를 분석한 결과, 각 시료의 입도 크기는 25-50 μm, 195-450 μm, 550-850 μm였다. 입도 크기별 일라이트의 광학현미경 사진을 Fig. 2에 나타내었다.
결정성 차이를 확인하기 위하여 25-50 μm 일라이트의 전자주사현미경(JSM-7800F Prime) 분석을 수행하였다. 시료의 입자 형상을 관찰하여 Fig. 3에 나타내었고, 시료의 EDS 포인트 분석(Point analysis) 결과는 Fig. 4에 나타내었다.
일라이트 시료의 화학적 성분 분석에 대한 XRF(S8 Tiger Series 2) 분석 결과를 Table 2에 작성하였다. 시료의 주요 성분은 SiO2, CaO 였고, MgO, Al2O3 등의 성분도 일부 포함되어있다는 것을 확인하였다.
Table 2.
The chemical composition of illite from XRF analysis (Unit : Wt%)
| SiO2 | Al2O3 | TiO2 | Fe2O3 | MnO | MgO | CaO | Na2O | K2O | P2O5 | LOI* | Total |
| 28.51 | 7.92 | 0.43 | 3.29 | 0.06 | 10.81 | 22.89 | 0.12 | 1.43 | 0.06 | 24.44 | 99.97 |
한편, 실험에 사용한 방사성 세슘(Cs-137), 방사성 스트론튬(Sr-90)의 경우, Eckert&Ziegler사의 표준 액체 선원을 사용하였으며, 구체적 사양은 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
Specifications of liquid radioactive source
| Nuclide | Activity | Concentration | Purity | Carrier |
| Cs-137 | 10 kBq | 200 Bq/mL | > 99% | 10 μgCs/mL |
| Sr-90 | 10 kBq | 200 Bq/mL | > 99% | 10 μgSr + 50 μgY/mL |
2.2. 실험방법
실험에 사용할 액체 방사능 용액은 Table 3에 나타낸 Cs-137 또는 Sr-90 표준액체선원을 3차 증류수에 희석하여 특정농도로 500 mL 제조한 후, 흡착 실험 전 액체 시료의 방사능 농도를 분석하였다. γ선 핵종인 Cs-137는 Alpha spectra사의 3 인치 NaI(Tl) 검출기를 사용하였다. 한편, β선 핵종인 Sr-90은 Perkin Elmer사의 Wallac 1450 Microbeta LSC(Liquid Scintillation Counter)를 사용하여 분석하였다. 실험장치는 Fig. 5와 같이 구성하였으며, 액체 방사능 용액과 일라이트가 혼합된 상태로 항온수조 및 이중반응조를 이용하여 온도를 일정하게 유지한 상태로 상향식 교반기를 사용하여 일정한 속도로 상향 교반하였다.
특정 시간마다 시료를 채취하여 원심분리기를 이용하여 액상, 고상을 분리하였으며, 액상을 채취하여, 흡착 전 방사능 농도 분석과 동일한 방법으로 흡착 후 시료의 방사능 농도 분석을 수행하였다. 흡착율은 식 (1)과 같은 방법으로 계산하였다.
(C0:Initial Concentration, C1:Concentration after Adsorption)
3. 실험 결과
3.1. 반응시간의 영향
일라이트에 의해 Cs-137, Sr-90 흡착 시, 반응시간이 미치는 영향을 확인하기 위하여 액체 방사능 농도 10 Bq/mL, 온도 25 ℃ 조건 하에 실험을 수행하였다. 본 실험에서 사용한 일라이트의 입자크기는 25-50 μm였고, 10 g을 투입하였으며, 240분 간 교반시키면서 특정시간마다 방사선 농도를 측정하여 실험결과를 Fig. 6에 나타내었다. 실험 결과, 240분 반응하였을 때 2가지 핵종에 모두 최대 흡착율을 확인할 수 있었으며, Cs-137은 약 97.8 %, Sr-90은 약 42.1 %가 흡착되어 제거되는 것을 확인하였다. Cs-137의 경우, Sr-90에 비하여 흡착 반응이 빠르게 진행되는 것을 알 수 있었고, 10 분 간 반응 시, Cs-137가 약 93.7 % 흡착되었으며, 10 분 이후에는 흡착율의 증가율이 미미함을 확인하였다. 한편, Sr-90의 경우에는 30 분 반응하였을 때 32.8 % 정도가 일라이트에 흡착됨을 확인할 수 있었다.
3.2. 일라이트 투입량의 영향
일라이트에 의해 Cs-137, Sr-90 흡착 시, 일라이트의 투입량이 미치는 영향을 확인하기 위하여 액체 방사능 농도 10 Bq/mL, 온도 25 ℃ 조건 하에 실험을 수행하였다. 본 실험에 사용한 일라이트의 입자크기는 25-50 μm였으며, 흡착거동을 명확히 확인하기 위하여 10 분 간 반응시켰다. 결과는 Fig. 7에 나타내었으며, 실험 변수인 일라이트 투입량은 1.25 g, 2.5 g, 5.0 g, 10.0 g, 20.0 g, 30.0 g 으로 설정하였다. 투입량이 증가함에 따라 Cs-137, Sr-90의 흡착율이 증가함을 확인하였고, 투입량이 10 g 이상일 경우에는 흡착율의 증가율이 미미함을 확인하였다. 일라이트를 30.0 g 투입하였을 때, Cs-137 및 Sr-90의 최대 흡착율을 확인할 수 있었고, Cs-137의 흡착율은 약 95.11 %, Sr-90의 흡착율은 약 26.70 % 였다.
3.3. 일라이트 입자크기의 영향
일라이트에 의해 Cs-137, Sr-90 흡착 시, 일라이트의 입자크기가 미치는 영향을 확인하기 위하여 액체 방사능 농도 10 Bq/mL, 온도 25 ℃ 조건 하에 실험을 수행하였다. 본 실험에서 사용한 일라이트는 3가지 크기로 파·분쇄하여 실험을 수행하였고, 입도분석기로 입자의 크기를 분석한 결과 550-850 μm, 195-450 μm, 25-50 μm였다. 크기 별 일라이트를 10 g 투입하여, 10분간 반응시키면서 흡착 거동을 확인하였다. 실험결과는 Fig. 8에 나타내었으며, 25-50 μm 일라이트를 사용하였을 때, Cs-137, Sr-90 2가지 핵종 모두 최대 흡착율을 확인하였다. 이 때, Cs-137의 흡착율은 약 93.07 %, Sr-90의 흡착율은 약 17.2 % 였으며, 일라이트의 입자 크기가 감소할수록 흡착율이 증가하는 경향을 확인하였다. 반응면적이 흡착율에 매우 큰 영향을 미친다는 점을 확인하였고, 입자크기가 작은 일라이트를 사용할 때, 방사능 물질의 효과적인 제염이 가능하다는 점을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 사용후핵연료에서 배출되는 오염수 중 Cs-137 및 Sr-90의 제거 가능성을 평가하기 위하여 영동지역 일라이트의 흡착 특성에 대한 기초연구를 수행하였다. 10 Bq/mL 농도의 Cs-137 및 Sr-90 용액 500 mL를 대상으로 다양한 반응시간, 투입량 및 입자크기 조건에서 실험을 진행하였다.
반응시간의 경우, Cs-137은 10 분 이내에 약 93.7 %의 높은 흡착율을 나타내었으며, 240 분 반응 시 최대 97.8 %까지 증가하였다. 반면 Sr-90은 동일 조건에서 30 분 반응 시 약 32.8 %, 240 분 반응 시 약 42.1 %로 상대적으로 낮은 흡착율을 나타내어 두 핵종 간 뚜렷한 차이를 확인하였다. 투입량 증가에 따라 두 핵종 모두 흡착율이 증가하였으나, 10-20 g 이상에서는 증가폭이 감소하는 경향을 보였다. 또한, 입자크기가 감소할수록 흡착율이 증가하는 경향을 나타내었으며, 이는 반응 표면적 증가에 기인하는 것으로 판단된다.
Cs-137과 Sr-90의 흡착 거동 차이는 일라이트의 결정구조적 특성과 이온의 물리화학적 성질 차이에 의해 설명될 수 있다. 일라이트는 2:1 층상구조를 가지는 비팽창성 점토광물로, 층간에 존재하는 K+가 구조를 안정화하며, 풍화 과정에서 형성되는 Frayed Edge Site(FES)는 Cs+에 대해 높은 선택성을 갖는 특이 흡착 부위로 보고되어 있다11). Cs+는 K+와 동일한 1가 양이온이며 이온 반경이 유사하여 층간 공동에 구조적으로 적합하고, 수화 에너지가 낮아 탈수가 용이하므로 FES 내부에서 inner-sphere complex를 형성하며 준–비가역적으로 고정화되는 것으로 알려져 있다12). 이는 본 연구에서 Cs-137이 짧은 반응시간 내에 높은 흡착율을 나타낸 결과와 일치한다.
반면 Sr2+는 2가 양이온으로 전하밀도가 높고 수화 에너지가 커 탈수가 상대적으로 어렵고, 층간 K+ 자리와의 전하 균형 및 구조적 적합성이 낮아 FES에서의 특이적 고정화가 제한적인 것으로 판단된다. 따라서 Sr-90은 주로 일반적인 표면 음전하 부위에서의 이온교환 또는 외구형 흡착 형태로 존재하는 것으로 해석되며, 이는 상대적으로 낮은 흡착율과 완만한 반응속도로 나타난 실험 결과와 부합한다.
결과적으로, 일라이트는 Cs-137에 대해 높은 선택성과 빠른 반응속도를 나타내는 반면, Sr-90에 대해서는 제한적인 흡착 특성을 보였다. 본 연구는 일라이트의 방사성 세슘 제염 소재로서의 적용 가능성을 확인하였으며, 향후 스트론튬 제거 효율 향상을 위한 표면 특성 제어 및 복합소재 설계에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
