UNIST, 방사성 요오드 제거 ‘초다공성 탄소섬유’ 개발

초다공성 탄소 섬유 소재, 방사성 요오드 흡착

원전 폐기물 처리·환경 정화 기술 응용 기대

(왼쪽부터)채한기 교수, 이승걸 교수, 전창범 연구원, 이혜진 연구원, 이가현 연구원ⓒUNIST

국내 연구진이 방사성 요오드 기체를 빠르고 효율적으로 제거할 수 있는 초다공성 탄소섬유를 개발했다. 높은 흡착 용량과 빠른 속도, 재사용성까지 확보해 원전 안전과 환경 대응 분야에서 활용 가능성이 주목된다.

울산과학기술원(UNIST)은 신소재공학과 채한기·이승걸 교수팀이 방사성 요오드 기체를 빠르고 효율적으로 제거할 수 있는 초다공성 탄소섬유를 개발했다고 2일 밝혔다.

초다공성 탄소섬유는 자기 무게의 최대 4.68배에 해당하는 많은 요오드 기체를 흡착할 수 있으며 흡착 속도도 빨라 포화 상태에 도달하는 시간이 약 100분으로 짧다.

연구팀은 소재 내부에 다양한 크기의 기공을 많이 만들 수 있는 제조 기술과 산소 도핑(첨가) 처리를 통해 이 같은 소재를 개발했다.

이 소재 1g 안에 들어 있는 기공을 모두 펼쳐 붙이면 그 면적이 최대 2982m²에 달한다.

32평 아파트 약 30채의 바닥면적에 해당하는 공간이 숨어 있는 셈이다. 이처럼 넓은 내부 표면 덕분에 요오드 기체가 붙을 자리가 많다.

또 내부에 큰 기공들이 통로 역할을 해줘 요오드가 내부로 빠르게 이동하고 흡착 속도가 빨라진다.

여기에 산소가 들어가면서 성능이 더 강해졌다. 산소가 요오드와 상호작용을 일으켜 흡착을 더 강하게 만들기 때문이다.

산소가 없는 탄소섬유보다 요오드 흡착량은 약 1.5배, 흡착 속도는 약 1.7배 향상된 것으로 나타났다.

제조 자체도 간편하다.

분말 형태의 기존 흡착제와 달리 별도 성형 공정이 필요 없으며 차세대 다공성 소재인 MOF와 비교해 제조 비용이 낮고 대량생산에 유리하다. 여러 번 반복 사용해도 초기 성능의 약 90% 이상을 유지해 재사용할 수 있는 것도 장점이다.

한편, 연구팀은 요오드가 탄소섬유 내부로 들어오면서 탄소층 사이 간격이 일시적으로 벌어지는 현상도 확인했다.

이는 요오드가 탄소층 가장자리와 층 사이 공간까지 파고들며 흡착된다는 것을 보여주는 결과다. 컴퓨터 시뮬레이션(DFT)을 통해서도 이를 확인했다.

이승걸 교수는 “연구는 탄소 소재가 유해 물질을 흡착하는 과정에서 나타나는 동적 구조 변화 메커니즘을 규명했다는 점에서도 의미가 있다”고 설명했다.

채한기 교수는 “제조가 간편하고 대량생산이 가능하며, 재사용할 수 있어 경제성을 갖추고 있다”며 “사용후핵연료 재처리 시설의 배기 시스템이나 사고 대응용 필터뿐만 아니라 다양한 오염 물질 흡착에도 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

연구 성과는 국제학술지 케미컬엔지니어링 저널에 지난 1일 게재됐다.