후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후 3.3 × 1016 Bq의 세슘(Cs)이 환경에 노출되면서, 수원으로부터 방사성 세슘 (Cs)을 제거하는 것에 대한 관심이 증대되었다. 지속 가능한 개발과 환경 안전 측면에서 오염된 환경을 복원하는 것은 매우 중요한 이슈이다. 유해 오염물질을 효과적으로 제거하기 위해 분리막 기반의 분리/정제 기술은 매우 각광받는 기술 중 하나 이다. 특히 막 흡착(membrane adsorber) 기술은 흡착과 막 분리를 결합할 수 있는 기술로 수용액에서 오염물질을 제거하는 데 매우 유용한 기술이다. 특히 전기방사 분리막은 높은 기공률, 다양한 고분자 활용가능 그리고 다양한 응용 분야 등의 특징 으로 지난 수십 년 동안 많은 연구가 수행되어 왔다. 본 리뷰 논문은 오염된 물에서 세슘을 제거하기 위한 프러시안 블루 (Prussian blue)가 포함된 전기방사 기반 막 흡착 소재 제조에 대한 다양한 기술을 리뷰하였다.

One of the issues currently facing nuclear power plants is how to store spent nuclear waste materials which are contaminated with radionuclides such as 134Cs, 135Cs, and 137Cs. Bioremediation processes may offer a potent method of cleaning up radioactive cesium. However, there have only been limited reports on Cs+ tolerant bacteria. In this study, we report the isolation and identification of Cs+ tolerant bacteria in environmental soil and sediment. The resistant Cs+ isolates were screened from enrichment cultures in R2A medium supplemented with 100 mM CsCl for 72 h, followed by microbial community analysis based on sequencing analysis from 16S rRNA gene clone libraries (NCBI’s BlastN). The dominant Bacillus anthracis Roh-1 and B. cereus Roh-2 were successfully isolated from the cesium enrichment culture. Importantly, B. cereus Roh- 2 is resistant to 30% more Cs+ than is B. anthracis Roh-1 when treated with 50 mM CsCl. Growth experiments clearly demonstrated that the isolate had a higher tolerance to Cs+. In addition, we investigated the adsorption of 0.2 mg L-1 Cs+ using B. anthracis Roh-1. The maximum Cs+ biosorption capacity of B. anthracis Roh-1 was 2.01 mg g-1 at pH 10. Thus, we show that Cs+ tolerant bacterial isolates could be used for bioremediation of contaminated environments.

전 세계적으로 원자력 발전소는 442기가 가동 중이며, 62기가 충원될 예정이다. 원자력 발전소의 증가에 따라 방사성 폐기물 유출에 대한 위험성도 증가하였다. 이러한 이유 때문 에, 방사성 폐기물의 처리는 인간, 동물, 식물을 포함하는 자 연 생태계를 보전하는 관점에서 중요하다. 또한, 방사성 폐 기물 유출은 그 지역뿐만 아니라 전 세계적으로 심각한 문 제를 야기한다. 본 연구는 입체 배양세포에 방사성 핵종원 소 (세슘, 스트론튬, 코발트)를 처리하였고 이에 대한 영향력 을 확인하였다. 입체 배양 구조체는 아가로오스 하이드로겔 을 이용하여 제작했으며 암세포 및 정상세포 (HeLa, HepG2, COS-7)를 사용하여 입체 배양을 실시 하였다. 입체 형태로 세포를 배양한 후 세슘, 스트론튬, 코발트 농도 변화에 따라 세포 생존능력을 분석하였다. 이때 입체 배양세포에서 생존 능력이 단층 배양세포 보다 최대 42% 우수한 것을 확인하였 다. 입체 배양구조체는 세포가 형태 및 생리학적으로 in vivo 환경인 조직과 비슷하게 배양을 가능하게 하였다. 따라서, 입체 배양구조체는 기존의 단층 배양 한계점인 in vivo 환경 에 적용시킬 수 없다는 한계를 극복하였다. 본 입체 배양 기 술이 중금속 독성평가 및 단시간 내에 다수의 물질 분석을 수행하는 고속 대량 스크리닝 기술에 활용될 것으로 기대한 다.

This study was evaluated the applicability of the membrane filtration process (Micro Filtration (MF), nanofiltration membranes (NF), reverse osmosis (RO)) on the major radioactive substances, iodine (I-) and cesium (Cs+) using membranes produced in Korea and domestic raw water. Iodine (I-) or cesium (Cs+) in the microfiltration membrane (MF) process could not be expected removal efficiency by eliminating marginally at the combined state with colloidal and turbidity material. At the domestic raw water (lake water, turbidity 1.2 NTU, DOC 1.3 mg/L) conditions, nanofiltration membrane (NF) and reverse osmosis (RO) showed a high removal rate of about 88 ~ 99% for iodine (I-) and cesium (Cs+) and likely to be an alternative process for the removal of radioactive material.

고준위방사성폐기물 내에 핵분열 생성물로 존재하는 방사성 세슘의 이동은 화강암을 기반으로 하는 고준위방사성폐기물 처분장의 안전성 평가를 위한 중요한 고려 항목이다. 지하수의 수리화학적 특성과 모암 을 이루는 광물과의 반응 특성은 처분장에서 방출된 세슘의 이동 속도를 결정하는데 있어서 중요한 요소이 다. 알칼리 금속인 세슘은 지하수 내의 주요 양이온들과 수착 자리를 놓고 경쟁하는 것으로 알려져 왔고, 흑 운모는 화강암의 핵종 수착 특성에 중요한 기여를 하는 구성광물로 알려져 왔다. 이 논문은 심부 처분장의 무산소 환경을 모사하기 위해 혐기성 챔버에서 전형적인 중생대 원주화강암에 대한 세슘 수착특성을 연구한 결과를 보고한다. 분쇄한 화강암에 대하여 전해질(NaCl, KCl, CaCl2) 용액과 합성지하수를 사용하여 세슘 초 기농도(10-5, 5×10-6, 10-6, 5.0×10-7 M)를 달리하여 세슘 수착속도와 수착량을 측정하였다. 세슘 수착 실험 결 과는 유사 2차 속도 모델(r2 = 0.99)과 프로인들리히(Freundlich) 등온선 모델(r2 = 0.99)로 잘 모사되었다. 특히 염화포타슘(KCl)은 모든 이온강도 및 세슘 초기농도에서 다른 전해질에 비해 가장 강력하게 세슘 수착을 제 한하였다. 이는 포타슘 이온(K+)이 세슘의 가장 효과적인 경쟁 이온임을 지시하는 것으로 판단된다. 흑운모 함량에 따른 세슘 수착 실험 결과 흑운모의 세슘 수착 분배계수는 화강암 자체의 값보다 약 2배 이상 높았 으며 선형관계를 나타냈다. 포타슘 이온은 주로 흑운모에 의해 공급되기 때문에, 이러한 결과는 처분심도 ~500 m 깊이에서 화강암체 내에 존재하는 흑운모가 세슘의 효율적인 수착재로 작용하지만 또한 지하수의 수리화학 조건에 따라 세슘의 수착을 저해하는 역할을 할 수 있음을 지시하며, 향후 이에 대한 상세한 후속 연구가 필 요함을 보여준다.

In the current study, MIL-101(Cr)-SO3H[HCl] as metal-organic frameworks (MOFs) was fabricated via a hydrothermal method. The physicochemical properties of the synthesized material were characterized using XRD, FT-IR, FE-SEM, TEM, and BET surface area analysis. The XRD diffraction pattern of the prepared MIL-101(Cr)-SO3H[HCl] was similar to previously reported patterns of MIL-101(Cr) type materials, indicating successful synthesis of MIL-101(Cr)-SO3H[HCl]. The FT-IR spectrum revealed the molecular structure and functional groups of the synthesized MIL-101(Cr)-SO3H[HCl]. FE-SEM and TEM images indicated the formation of rectangular parallelopiped structures in the prepared MIL-101(Cr)-SO3H[HCl]. Furthermore, the EDS spectrum showed that the synthesized material consisted of the elements of Cr, O, S, and C. The fabricated MIL-101(Cr)-SO3H[HCl] was then employed as an adsorbent for the removal of Sr2+ and Cs+ from aqueous solutions. The adsorption kinetics and adsorption isotherm models were studied in detail. The maximum adsorption capacities of MIL-101(Cr)-SO3H[HCl] for Sr2+ and Cs+ according to pH (3, 5.3∼5.8, 10) were 35.05, 43.35, and 79.72 mg/g and 78.58, 74.58, and 169.74 mg/g, respectively. These results demonstrate the potential of the synthesized MOFs, which can be effectively applied as an adsorbent for the removal of Sr2+ and Cs+ ions from aqueous solutions and other diverse applications.

본 연구는 제올라이트 Y (Si/Al = 1.56)에서 Cs+ 이온 교환에 Ca2+ 이온의 경쟁 양이온 효과를 연구하기 위해 수행되었다. 완전히 탈수되고 부분적으로 Cs+ 이온으로 교환된 3개의 제올라이트 Y(Si/Al = 1.56)의 단결정은 혼합이온교환 용액을 사용하여 흐름법으로 제조되었으며, 전체 농도가 0.05 M인 이온교환용액의 CsNO3 : Ca(NO3)2 몰비는 1 : 1 (Crystal 1), 1 : 100 (Crystal 2) 및 1 : 250 (Crystal 3)이다. 이온교환된 단결정을 723 K에서 2일 동안 1 × 10-4 Pa로 진공 탈수시켰으며, 결정구조는 100(1) K에서 입방공간군 Fd3̅m을 사용하여 단결정 싱크트론 X선 회절법으로 해석하고 구조를 정밀화하였다. Crystal 1, 2 및 3의 단위세포당 화학식은 |Cs21Ca27|[Si117Al75O384]-FAU, |Cs2Ca36.5|[Si117Al75O384]-FAU 및 |Cs1Ca37|[Si117Al75O384]-FAU이다. 3개의 결정 모두에서, Ca2+ 이온은 D6Rs 내의 site I을 우선적으로 점유하고 있으며 나머지는 site I’, II’ 및 II를 점유하고 있다. 한편 주어진 이온교환용액의 초기 Cs+ 이온의 농도에 따라 Cs+ 이온의 분포에 중요한 차이가 관찰되었다. Crystal 1에서는 Cs+ 이온이 site II’, II, III와 III’에 위치하고 있으며, Crystal 2에서는 site II, IIIa, IIIb에 위치하고 있다. Crystal 3에서는 Cs+ 이온은 site IIIa 및 IIIb에만 위치하고 있다. 초기 Ca2+ 이온의 농도가 증가하고 Cs+ 이온의 농도가 감소에 따라 Cs+ 이온의 교환정도는 28.0에서 2.7과 1.3 %로 급격히 감소하였다.

Currently, the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) is planning to build the Ki-Jang Research Reactor (KJRR) in Ki-Jang, Busan. It is important to safely dispose of low-level radioactive waste from the operation of the reactor. The most efficient way to treat radioactive waste is cement solidification. For a radioactive waste disposal facility, cement solidification is performed based on specific waste acceptance criteria such as compressive strength, free-standing water, immersion and leaching tests. Above all, the leaching test is important to final disposal. The leakage of radioactive waste such as 137Cs causes not only regional problems but also serious global ones. The cement solidification method is simple, and cheaper than other solidification methods, but has a lower leaching resistance. Thus, this study was focused on the development of cement solidification for an enhancement of cesium leaching resistance. We used Zeolite and Loess to improve the cesium leaching resistance of KJRR cement solidification containing simulated KJRR liquid waste. Based on an SEM-EDS spectrum analysis, we confirmed that Zeolite and Loess successfully isolated KJRR cement solidification. A leaching test was carried out according to the ANS 16.1 test method. The ANS 16.1 test is performed to analyze cesium ion concentration in leachate of KJRR cement for 90 days. Thus, a leaching test was carried out using simulated KJRR liquid waste containing 3000 mg·L-1 of cesium for 90 days. KJRR cement solidification with Zeolite and Loess led to cesium leaching resistance values that were 27.90% and 21.08% higher than the control values. In addition, in several tests such as free-standing water, compressive strength, immersion, and leaching tests, all KJRR cement solidification met the waste acceptance or satisfied the waste acceptance criteria for final disposal.

원전사고 및 시설보수 과정에서 방출되는 방사성물질 중 137Cs은 토양의 주 오염원 중 하나이다. 세슘으로 인한 토양오염은 주민의 거주 및 공업용지로의 재사용을 위해 제염이 불가피하다. 본 연구에서는 다양한 토양복원 기술 중 국내·외에서 실 제 방사성물질로 오염된 토양에 적용한 사례가 있는 토양세척 기술을 선정하였다. 토양세척 공정은 세척제를 사용하여 토양 과 세슘의 표면장력을 약화시켜 토양과 세슘을 분리하는 원리이다. 이러한 토양세척 공정의 세척수 재사용을 통해 공정효율 을 높이고자 세척수에 응집제를 적용하여 미세토양 및 세슘의 제거 성능 실험을 수행하였다. ICP-OES를 통해 세슘 수용액 에 토양을 첨가하여 세슘을 흡착시킨 후 응집제를 첨가하여 세슘의 농도를 측정하였으며 응집제 적용시 최대 세슘 제거율은 약 88%, 최소는 67%였다. Visual MINTEQ Code를 통한 세슘과 토양과의 종결합을 예측하였으며 탁도 측정을 통해 응집제 투여 후 탁도를 측정하여 세척수의 재사용 여부 및 미세토양 제거율을 분석하였다.

오염수로부터 자성분리가 가능하며, 방사성 세슘을 효율적으로 제거하기 위한 코발트 페로시아나이드(cobalt ferrocyanide, CoFC) 혹은 니켈 페로시아나이드(nickel ferrocyanide, NiFC)가 도입된 자성입자 흡착제를 제조하였다. Fe3O4 나노 입자는 공침법을 이용해 제조하였고, Co2+와 Ni2+ 이온을 입자 표면에 도입시키기 위해 금속이온과 금속 배위결합(metalcoordination) 을 하는 카르복실기를 포함한 숙신산(succinic acid, SA)을 자성나노입자(magnetic nanoparticles, MNPs) 표 면에 코팅하였다. CoFC와 NiFC는 자성나노입자 표면에 도입된 Co2+ 혹은 Ni2+ 이온이 hexacynoferrate와 결합하여 형성된 다. 제조된 CoFC-MNPs 그리고 NiFC-MNPs는 각각 43.2 emu·g-1, 47.7 emu·g-1의 우수한 포화자화 값을 보여주었다. X- 선 회절분석(XRD), 퓨리에 변환 적외선 분광분석(FT-IR), 나노입자 입도 분석기(DLS), 투과전자현미경(TEM) 등의 분석을 통해 흡착제의 물성을 파악하고, 세슘에 대한 흡착 성능을 알아보았다. 흡착실험을 평가하기 위해 Langmuir/Freundlich 등 온흡착식을 이용해 실험 결과 값을 곡선맞춤 하였고, CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 최대흡착량(qm)은 각각 15.63 mg·g-1, 12.11 mg·g-1이다. CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs는 방사성 세슘에 대해서도 최저 99.09%의 제거율을 가지며, 경쟁이온의 존재에도 방사성 세슘만을 선택적으로 흡착한다.

본 연구는 원자력 중대 사고 시, 환경에 유출된 방사성 세슘의 확산을 억제하기 위해 충북 영동 지역 일라이트의 활용 가능성을 평가하였다. 영동 일라이트는 운모질 편암의 열수변질 작용에 의해 형성되었으며, 주요 구성 광물은 석영, 장석, 일라이트이다. 저농도 세슘 용액을 사용한 회분식 흡착 실험 결과, 영동 일라이트의 흡착 분배 계수(Kd)는 약 4,200 L kg-1으로 다른 점토 광물에 비해 비교적 높은 값을 가지며, 이는 일라이트에 존재하는 풍화된 모서리면(FES)의 영향으로 판단된다. 영동 일라 이트와 세슘의 흡착등온선은 비선형 흡착 특성을 나타내며 단일 표면 한계 흡착 능력이 250,000 μg kg-1으로 우수한 흡착능을 보여주어 방사성 세슘 흡착제로서의 사용 가능성을 입증하였다. 이러한 결 과는 추후 방사능 누출 사고 등의 긴급 상황 발생 시, 영동 지역 일라이트를 오염 확산 방지 및 정화 작업에 사용하기 위한 평가 자료로 활용될 것으로 기대된다.

본 연구는 원자력 중대 사고 시, 환경에 유출된 방사성 세슘의 확산을 억제하기 위해 충북 영동 지역 일라이트의 활용 가능성을 평가하였다. 영동 일라이트는 운모질 편암의 열수변질 작용에 의해 형성되었으며, 주요 구성 광물은 석영, 장석, 일라이트이다. 저농도 세슘 용액을 사용한 회분식 흡착 실험 결과, 영동 일라이트의 흡착 분배 계수(Kd)는 약 4,200 L kg-1으로 다른 점토 광물에 비해 비교적 높은 값을 가지며, 이는 일라이트에 존재하는 풍화된 모서리면(FES)의 영향으로 판단된다. 영동 일라 이트와 세슘의 흡착등온선은 비선형 흡착 특성을 나타내며 단일 표면 한계 흡착 능력이 250,000 μg kg-1으로 우수한 흡착능을 보여주어 방사성 세슘 흡착제로서의 사용 가능성을 입증하였다. 이러한 결 과는 추후 방사능 누출 사고 등의 긴급 상황 발생 시, 영동 지역 일라이트를 오염 확산 방지 및 정화 작업에 사용하기 위한 평가 자료로 활용될 것으로 기대된다.