전 세계적으로 인구증가와 함께 산업화, 도시화에 따라 에너지에 대한 수요가 증가하고 있다. 원자력에너지는 생산 비용이 저렴하고 고갈의 위험성이 없다는 장점으로 세계 전역에서 사용되고 있다. 하지만 원자력 에너지는 방사능폐기물이 발생하고 원자력사고가 일어날 수 있다는 치명적인 단점이 있다. 특히 원자력사고는 한 번 발생할 경우 그 피해의 규모가 매우 커 회복이 어렵고 소요되는 기간이 길다. 원전사고 발생 시 대기, 토양, 수질을 통해 방사능 오염물이 퍼져나갈 수 있기 때문에 전 세계적으로 위험해 질 수 있다. 특히 수계를 통해 유출되는 방사능 물질은 확산 속도가 빨라 오염범위가 크고 수생생물에 흡수되고 식용수 공급의 피해가 심각할 것이기 때문에 빠른 처리가 중요하다.
방사능 사고 시 방출되는 오염물질 중 137Cs은 다른 물질에 비해 반감기가 30년으로 매우 길고, 수계로 유입될 경우 쉽게 용해돼 제거가 어렵다. 또한 동·식물에 쉽게 흡수되고 생물농축이 일어나 최종적으로 섭취하는 사람에게도 매우 치명적이다. 따라서 원전사고 발생 시 137Cs의 빠른 처리가 필요하다.
프러시안 블루는 Fe4[Fe(CN)6]3의 화학식을 가지는 푸른색 염료로 입방격자 구조를 가지고 있어 이 입방격자의 크기와 수화된 세슘 이온의 크기가 잘 맞아 세슘을 잘 흡착한다고 알려져 있다. 하지만 프러시안 블루는 크기가 매우 작은 나노 물질로 용해성이 있어 수계로 바로 투입할 경우 회수가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 프러시안 블루가 고정화된 흡착소재를 개발 및 평가하였다.
앞서 언급한 바와 같이 원전사고 발생 시 수계로 유입된 방사성 물질의 빠른 처리는 중요하며 그에 따라 안전한 식용수 공급은 매우 중요한 문제이다. 따라서 수중 137Cs을 식용수로부터 제거하기 위해 취수원의 취수구 앞 단에 설치할 수 있는 셀룰로스 필터 소재를 프러시안 블루의 고정 지지체로 선정하였다. 셀룰로스 표면에 수산화기가 존재하는데 이는 상대적으로 약한 기능기로 프러시안 블루의 고정량과 고정력을 증가시키기 위해 셀룰로스 필터의 표면 개질을 통해 카르복실기를 형성했다. 일반 셀룰로스 필터를 CF, 표면 개질된 셀룰로스 필터를 CF-AA라 하였으며 두 소재에 프러시안 블루를 화학적으로 합성하여 CF-PB, CF-AA-PB라고 하였다.
단단히 고정되지 못한 프러시안 블루의 제거를 위해 제작된 소재를 세척한 결과 프러시안 블루의 탈착량은 비개질 소재에서 두 배 가까이 높았다. 세척된 소재를 육안으로 확인했을 때 CF-PB는 하늘색이, CF-AA-PB는 진한 푸른색을 띄었다.
FTIR를 통해 표면 개질된 셀룰로스 필터 표면에 카르복실기(-COOH)가 잘 형성됨을 확인하였고 HR-SEM분석을 통해 CF-PB와 CF-AA-PB에 프러시안 블루가 잘 합성됨을 확인하였다. TGA를 통해 프러시안 블루 고정량을 비교해봤을 때 CF-AA-PB가 CF-PB보다 약 1.5배 증가하였다.
동역학 실험에서 두 소재의 흡착 속도는 큰 차이가 없어 개질 후 투수성이 감소되지 않음을 확인할 수 있었다. 등온흡착실험에서 CF-AA-PB의 최대흡착량과 흡착친화도가 증가하여 표면개질 후 세슘 흡착이 더 잘 일어나는 것을 확인하였다. pH에 따른 흡착실험에서 CF-PB, CF-AA-PB 모두 중성 이상의 pH에서 세슘 흡착이 잘 일어났는데 이는 낮은 pH에서 수소이온이 세슘 흡착을 위한 프러시안 블루의 음이온 전극형성을 방해한 것으로 보인다. 수질 조건에 따른 흡착실험에서 이온 농도가 높았던 경수에서 가장 높은 세슘 흡착량을 나타냈다. 이는 알칼리도의 영향과 프러시안 블루의 세슘 흡착 선택성 때문으로 판단된다.
실제 처리공정의 적용을 위해 15겹의 필터 통과 상황을 모사한 결과 실제 하천수에서 CF-AA-PB의 세슘 제거효율은 3겹 통과 시 80 %이상, 7겹 통과 시 90 %이상, 13겹 통과 시 95 %이상으로 높은 처리효율을 나타냈다. 따라서 본 연구를 통해 표면 개질 후 프러시안 블루의 고정량이 증가하여 세슘 처리효율이 향상됨을 확인하였고 실제 하천수에서 연속운전 했을 경우 높은 처리효율을 보여 현장적용 가능성을 확인하였다.

With industrialization and urbanization all over the world, the demand for energy is increasing. Nuclear energy is used throughout the world because of its low production costs and the risk of depletion. However, nuclear energy has the drawbacks of radioactive waste generation and the possibility of nuclear accidents. In particular, if a nuclear accident occurs once, the damage is global, difficult to recover and takes a long period of time.
If nuclear accidents occur, radioactive contamination can spread through the air, soil, and water quality. 137Cs emitted by nuclear accidents, has a long half-life of 30 years. When it is introduced into the water system, easily dissolved and rapidly diffused into the water and easily absorbed by organisms. Therefore, in the event of an nuclear accident, rapid treatment of 137Cs is required.
Prussian blue is a blue dye and has a formula of Fe4[Fe(CN)6]3 and has a cubic lattice structure. It is known that the size of cube lattice matches the size of the hydrated cesium ion. However, Prussian blue is a very small nano material that is soluble and difficult to recover when put directly into the water system. Therefore, this study developed and evaluated Prussian blue immobilized adsorbent materials.
Safe drinking water supply is a very important issue in the event of a nuclear accident. Therefore, to remove 137Cs in the water, a cellulose filter(CF) that can be installed of the intake point at the intake source was selected as the fixed support. CF has a hydroxyl group that relatively weak functional group. After CF surface modification which forms a carboxyl group, thereby increasing the binding amount of Prussia blue. Prussian blue were synthesized in CF and CF-AA, respectively, and were referred to as CF-PB and CF-AA-PB.
As a result of washing the manufactured material, CF-PB showed a light blue color and CF-AA-PB had a deep blue color when it was checked with the naked eye. Through the FTIR, it was confirmed that the carboxyl group(-COOH) was well formed on the surface of CF-AA. Through the HR-SEM, It was confirmed that Prussian blue was well synthesized in manufactured material. The CF-AA-PB increased about 1.5times as compared to the CF-PB when compared to the blue fixation amount through the TGA.
As a result of the kinetic experiments, it was found that the adsorption rate was not significantly different and the permeability after the reforming was not decreased. The adsorption amount and the adsorption affinity was higher in CF-AA-PB then in CF-PB. So Cs adsorption occurs better after surface modification. In adsorption experiment according to the pH, adsorption occurred well at basic pH in both CF-PB and CF-AA-PB. It appears that at low pH, H+ hinder the formation of prussian blue anion electrodes for Cs adsorption. At experiment of the water quality conditions the highest cesium adsorption amount was shown in the hard water having high ion concentration because of the alkalinity.
The 15 cycle filter passage condition was simulated. As a result, the Cs removal efficiency of CF-AA-PB in the real river water was 80% or more at the 3 filters passage, 90% or more at the 7 filters passage. Therefore, it was confirmed that the Cs treatment efficiency was improved by increasing the fixed amount of Prussian blue after surface modification through this study.