<사진. 앨라배마 대학에 설치된 작은 노즐의 끝에서 형성되기 시작한 섬유. 연구팀은 핵발전소에 사용할 우라늄의 해양에서의 흡착을 위한 새로운 물질을 개발하고 있다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

해양 우라늄 흡착에 사용할 나노섬유 매트

미국 에너지부는 앨라배마 대학(University of Alabama)의 신생기업을 선정해 150만 달러의 자금을 지원함으로써 해양으로부터 우라늄을 추출할 수 있는 대체 물질을 개발하도록 하였다.

해수 및 지각(Earth`s crust)에 자연적으로 존재하는 우라늄(uranium)은, 핵발전을 위한 연료이다. 지난 수 십 년 동안 과학자들은 해양에서 우라늄을 분리할 수 있는 더 효율적이고 경제적인 방안을 탐구해 왔으며, 이는 육지에서의 공급량 감소와 광산에 대한 환경적인 문제 때문이었다.

본 연구팀을 제외하고는 전 세계 과학자들은 이를 위해 플라스틱을 활용하였다. 대신 연구팀은 키틴(chitin) 화합물로 만든 생분해성 흡착제(adsorbent) 물질을 개발하였는데, 키틴은 새우껍데기 및 다른 갑각류 및 곤충에서 발견되는 물질이다. 연구팀은 작은 키틴 섬유로 구성된 투명한 시트 혹은 매트를 개발하였다. 해양 표면 아래에 부유된 상태로 두면, 이 매트는 우라늄을 흡착할 수 있도록 설계되어 있다. 일단 해양에 담그면 자석처럼 우라늄을 빨아들여 우라늄이 매트에 부착하게 된다. 일단 매트에 우라늄이 흡착되면 발전소로 보내어 우라늄 원료로 사용하기 위해 다시 제거하면 된다.

이전에 수행된 연구에서도 키틴을 활용한 우라늄의 추출에 대한 개념을 증명한 바 있다. 525 Solutions사의 창업주인 Robin Roger 박사는 회사 대표에게 과학적인 조언자의 역할을 하고 있으며, 앨라배마 대학 Center for Green Manufacturing의 디렉터도 겸하고 있다.

해양에는 현재 육지에 알려진 우라늄 매장량보다 천 배 이상 많은 양이 녹아 있다. 운이 좋게도, 해양의 우라늄 농도는 매우 낮지만 해양의 부피 자체는 매우 크다. 이 자원의 절반이라도 회수할 수 있다면 6,500년 동안 핵발전소를 운용할 수 있는 충분한 우라늄을 확보하는 셈이다.

갑각류 껍데기에서 순수한 형태의 키틴을 얻어내는 것은 어려운 것으로 증명된 바 있지만, 연구팀은 이를 위해 이온성 액체(ionic liquid)라고 불리는 새로운 종류의 용매를 사용하는 방법을 찾아내었다. 이온성 액체는 액상 염(liquid salt)으로, 기존의 용매가 갖지 못했던 독특하고 바람직한 성질을 가지고 있다. Rogers 박사는 이온성 액체 분야에서 세계적인 대가로 인정받고 있다.

앨라배마 대학 연구팀은 전기방사(electrospinning)라고 불리는 유서 깊은 실험기술을 이용해 매트를 제조하였다. 이 공정에서 과학자들은 특별히 준비한 키틴 기반의 이온성 액체 용액을 사용하였으며, 이 이온성 액체를 전기방사 기구에 적용하였다. 약 3만 볼트의 전압이 부가되고 수조(water bath)에 섬유를 방사하였다. 몇 시간 후, 거미줄보다 훨씬 얇은 섬유로 구성된 나노섬유 매트가 고체 시트 상에 만들어졌다.

증가된 나노매트의 표면적이 본 프로젝트의 핵심이다. 표면적이 넓어질수록 더 많은 변형이 가능해짐으로써 더 많은 양의 우라늄 흡착이 가능해진다.

앨라배마 대학 태생의 12개 이상의 신생기업 중 하나인 525 Solutions는 기술이전센터(Office for Technology Transfer)로부터 일찍이 도움을 받아왔다. Rogers 박사는 본 연구의 잠재적인 환경적 이점과 비용 이점에 대해 높게 평가하고 있다.

육지에서 우라늄을 채굴하는 것은 매우 더럽고 에너지를 많이 사용하는 과정으로, 유해한 폐기물도 많이 발생된다. 만약 해양에서 우라늄을 얻게 됨으로써 육지의 우라늄 광산을 사용하지 않게 된다면, 해양을 정화시킴과 동시에 우라늄 광산에 의해 발생하는 모든 환경문제를 한꺼번에 해결할 수 있게 될 것이다.

연구를 통해 우라늄을 해양에서 얻어낼 수 있다는 것은 증명되었지만, 그 공정은 매우 비용이 많이 든다. 이 문제를 해결하기 위해 더 효과적인 흡착제 개발을 위한 연구가 진행 중이다.

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