저장 시설로부터 침전물과 지하수로 유입되는 핵 재처리와 관련된 폐기물의 배출은 중요한 환경 우려가 되고 있다. 미국 내 두 곳의 국가 연구소 소속의 연구진은 일부 침전물에 자연적으로 풍부한 철을 함유하는 광물(iron-bearing minerals)이 테크네튬(technetium)과 같은 오염물질과 다시 반응하여 고정시킬 수 있다는 증거를 발견했다.
이 연구는 이러한 반응이 지하수에서 오염물질 수준을 낮추는 데 얼마나 오래 걸리는지를 예측하기 위하여 사용될 수 있다고 제안했다. 또 이러한 정보는 지하수 오염의 위험을 낮추는 자연적 공정의 능력을 평가하는데 중요하다. 게다가 이 연구는 워싱턴 주 동남 지역에 위치한 핸포드 지역(Hanford Site)에서 수행된 복원 노력을 오염물질과 반응하고 오염물질을 약화시키는 철을 함유하는 광물이 결여된 지역에 초점을 맞출 수 있게 해준다. 냉전 시대 동안 핸포드 지역은 미국에서 핵무기를 위하여 생산된 플루토늄의 2/3를 생산했다.
이러한 발견은 버클리 국립 연구소(Berkeley National Laboratory)의 ALS(Advanced Light Source)와 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 APS(Advanced Photon Source) 등에 구비된 X-선을 이용하여 부분적으로 얻어졌다. 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(PNNL; Pacific Northwest National Laboratory)와 EMSL(Environmental Molecular Sciences Laboratory) 소속의 연구진은 핸포드 지역에서 몇 곳의 위치로부터 수거된 침전물에 대하여 X-선 및 다른 연구를 수행했다.
Geochimica et Cosmochimica Acta 저널에 2014년 4월 발표된 이 연구의 제목은 “핸포드 지표면에서 Tc(VII)로 이질적 전자 이동 연구를 위한 자연적인 티탄철광의 특성(Characterization of natural titanomagnetites (Fe3?xTixO4) for studying heterogeneous electron transfer to Tc(VII) in the Hanford subsurface)”이었다.
연구진은 침전물 전체 중량의 약 1%를 구성하고 있는 자성 광물, 즉 자석철(magnetite)이라고 불리는 산화철(iron oxide)이 전체 자성 광물 함량의 약 90%를 대표하고 있다고 밝혔다. 2가 철(ferrous iron)은 자석철의 표면에 위치하고, 따라서 환경에 분포하는 오염물질과 반응이 가능하다. 게다가 침전물에 포함된 자성 광물은 과테크니튬산(pertechnetate)을 함유한 용액과 반응하여 이러한 오염물질의 수준을 감소시킨다.
모든 점에서 이 연구 결과는 2가 철이 광물 표면에서 전자를 과테크니튬산으로 전달하여 테크네튬의 환원형인 동시에 불용성 형태를 생성한다. 연구진의 계산에 따르면, 만약 테크네튬-99 모두가 이용이 가능한 2가 철과 접촉한다면, 이러한 자연적인 공정이 지하수로부터 몇 달 동안에 걸쳐 핸포드 지역에서 주요 오염 위험에 노출시켰던 유해한 동위원소를 제거할 수 있다고 제안했다.
연구진은 철을 함유한 광물의 특성을 규명했으며, 과테크니튬산이라고 불리는 테크네튬의 산화된 수용성 형태와 반응할 수 있는 이러한 광물의 능력을 평가했다. 연구진은 EMSL에서 입자의 크기와 형태를 특성화하기 위하여 주사전자현미경을 사용했으며, 광물 구조를 특성화하기 위하여 마이크로 X-선 회절을, 이러한 광물의 표면 조성을 결정하기 위하여 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy)를, 벌크 침전물의 조성을 결정하기 위하여 전자 탐침 미량 분석(electron probe microanalysis)을 이용했다. 화학적 조성은 X-선 현미경법(X-ray microprobe microscopy)과 APS와 퍼시픽 노스웨스트 컨소시엄 사이의 파트너십으로 운영되고 있는 빔라인 20-ID에서 XANES(X-ray absorption near edge structure) 분광학을 이용하여 APS에서 지도로 구축됐다.
비록 핵 재처리와 관련된 폐기물이 연못과 지하 탱크에 저장된다고 하더라고, 우라늄, 테크네튬 및 플루토늄 등과 같은 오염물질은 이러한 저장 시설로부터 누수되어 하부에 있는 침전물과 지하수로 유입된다. 엄청난 노력이 이 문제를 적극적으로 해결하기 위하여 수행됐지만, 침전물 자체는 이러한 오염물질의 일부가 지하수로 이동하는 것을 자연적으로 줄여줄 수 있다.
핸포드 지역 침전물은 현무암과 같은 화성암(igneous rocks)에서 유래하는 자성을 띠는 철이 풍부한 광물을 함유하고 있다. 이러한 광물의 일부는 2가 철이라고 불리는 철의 환원된 형태를 함유하는 산화철로 여분의 전자를 오염물질로 전달할 수 있으며, 따라서 침전물에서 불용성 형태로 안정화시켜 지하수 오염의 위험을 줄여준다.
그림1> 저장 시설에서 하부 침전물과 지하수로 유입되는 핵 재처리 공정과 관련된 폐기물의 배출은 중요한 환경 문제이다. 일부 침전물에서 자연적으로 풍부하게 존재하는 철을 함유한 광물이 테크네튬과 같은 오염물질과 반응하여 고정시킨다.
키워드 : 철을 함유하는 광물, 테크네튬, 산화철, 2가 철, 과테크니튬산
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문:
http://phys.org/news/2014-04-iron-bearing-minerals-sediments-naturally-contaminant.html 제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2014.05.12 11:38
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