하수 슬러지 소각재 중 방사성 세슘을 90% 이상 회수하는 데 성공

독립행정법인 일본 원자력 연구개발기구 첨단 기초연구센터의 연구 그룹은 도쿄전력 주식회사 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고 (이하 "후쿠시마 원전 사고")에 의해 생성된 방사성 세슘을 포함한 하수 슬러지(Sludge) 소각재의 화학 상태를 분석하고, 재를 수백 나노미터 크기의 입자까지 분쇄하여 처리함으로써 방사성 세슘을 90% 이상 회수하는 데 성공했다.

이러한 결과는 후쿠시마 제1원전 사고로 대기 중에 방출된 방사성 세슘 등 지정 폐기물의 적절한 처리와 그 양을 감소시키는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.

후쿠시마 제1원전 사고의 영향으로 하수 슬러지를 처리한 소각재 중 포함된 방사성 세슘을 적절한 방법으로 처리할 수 있어야 한다. 그 방법의 하나로서 소각재를 산 용액에 의해 용해하는 방법이 검토되고 있지만, 소각재에 포함된 방사성 세슘이 산성 용액에 모두 녹아 나오지는 않기 때문에 방사성 세슘의 회수율이 낮은 것이 문제였다.

이 연구 그룹은 다양한 용액에 의해 용출된 방사성 세슘의 농도와 철 등의 원소 농도 분석을 한 결과, 방사성 세슘은 주로 산화철에 포함되며, 일부 철 산화물은 규산염 광물에 의해 덮여 있기 때문에 용해되지 않는 것을 해명했다. 그래서, 재를 수백 나노 미터의 입도로 분쇄하여 염산 용액에 용해시킴으로써 분쇄 전에는 70% 밖에 회수하지 못했던 방사성 세슘을 90% 이상 회수하는 데 성공했다. 또한, 용해 잔유물을 순수와 바닷물에 넣어도 방사선 세슘은 용출되지 않는 것도 확인했다.이 결과는 후쿠시마 제1원전 사고로 대기 중에 방출된 방사성 세슘 등 지정 폐기물의 적절한 처리와 그 양을 감소시키는 데 크게 기여할 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 미국 학술지 `Water Research` 온라인 판에 11월 8일에 게시되었다.

후쿠시마 원전 사고로 방출된 방사성 물질에 오염된 폐기물 소각재나 하수 슬러지 중 방사성 세슘 농도가 1kg 당 8000Bq를 넘으면, 지정 폐기물로서 현재는 각지의 폐기물 처리 시설이나 하수 처리장에 보관되어 있다. 그중 하수 슬러지 등을 처리한 소각재(이하 "슬러지 소각재"라 한다)는 1,300℃ 이상의 고온에서 소각하거나 유기산이나 질산 등의 산성 용액으로 용해하는 등 다양한 방법으로 적절한 처리를 위해 검토가 진행되고 있다.

이러한 처리 방법 중 산성 용액으로 용해하는 방법은 슬러지 소각재에 포함된 방사성 세슘이 산성 용액에 좀처럼 녹아 나오지 않기 때문에 방사성 세슘의 회수율이 낮은 것이 문제가 되어 왔다.

슬러지 소각재 중의 방사성 세슘은 그 원소 농도가 매우 낮아 화학 상태를 직접 분석할 수 없다. 따라서, 본 연구 그룹은 슬러지 소각재에 포함된 방사성 세슘을 보유하고 있는 물질을 밝혀내기 위해 다른 산성 용액의 용해 특성에 주목했다. 유기산과 무기산 등 다양한 산성 용액의 종류와 농도를 바꾸어 용해 시험을 실시하여 용출하는 방사성 세슘과 철 등의 원소 농도를 측정하여 그 관계를 조사했다.

그 결과, 슬러지 소각재는 철을 포함한 입자와 인산 칼슘 및 규산염 광물 등으로 구성되어 방사성 세슘의 대부분이 산화철에 포함되어 있다는 것을 해명했다. 또한 용해 시험에서 이용한 산성 용액에 약 70%의 방사성 세슘이 용출했지만, 용출되지 않은 방사성 세슘의 20% 이상은 난용성 물질에 포함되어 있다는 것을 발견했다.

그런 다음 난용성 물질의 정체를 밝히기 위해 용해 잔류물을 전자 현미경으로 분석한 결과, 철을 포함한 입자가 규산염으로 덮여 있기 때문에 용해하지 않는다는 것을 알았다. 그래서, 이 입자를 잘게 분쇄하여 철 함유 입자를 표면에 드러내 방사성 세슘이 산화철에서 더 많이 용출시킬 수 있지 않을까 생각하여, 슬러지 소각재를 기계에 의해 분쇄하는 방법을 시도했다 .

그 결과, 슬러지 소각재의 분쇄 시간을 길게 할수록 방사성 세슘이 용출하는 비율이 증가하고(그림 4), 결국은 입자를 수백 나노미터 수준의 입도로 분쇄한 슬러지 소각재에서 90% 이상의 방사성 세슘을 용출하는데 성공했다. 또한, 용출된 용액은 철, 칼슘과 인산이 녹아 있었다. 또한 용해하지 않고 남은 잔사를 60℃의 모의 해수와 순수에 장시간 침지하여도 방사성 세슘은 전혀 용출되지 않았다.

슬러지 소각재를 미세 입자화하여 염산으로 용해하여 산화철에서 방사성 세슘을 가능한 한 많이 용출시킴으로써 잔류물(그림 5의 잔류물 A) 중의 방사성 세슘을 지정 폐기물 농도 이하로 감소시킬 수 있다. 또한, 용출 용액의 pH를 중성으로 하고, 침전된 철 및 칼슘 인산염(그림 5의 침전 B)에는 방사성 세슘은 포함되지 않고, 침전물 중의 방사성 세슘 농도를 안전하게 재사용할 수 있는 기준인 100Bq/kg 이하로 할 수 있다. 그리고, 용액에 남아있는 방사성 세슘을 양이온 교환 재로 회수할 수 있다.

이번 연구 결과는 이러한 방법을 확립하여 지정 폐기물인 슬러지 소각재를 1kg 당 8,000Bq의 기준 농도 이하로 처리하거나, 대폭 줄이는 것을 가능하게 하는 것이다.향후에는 이 연구 결과에 근거하여 민간 기업이나 각 연구 기관 등과 협력하여 미세화 프로세스에 의한 슬러지 소각재의 처리 시스템의 개발을 진행할 예정이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr