로투스 바카라 폐돼지뼈가 독성 금속 흡착제로 변함
-폐자재를 활용한 저렴하고 고성능의 금속흡착기술의 실현-

[요약]

일본원자력기구(회장: 고다마 토시오) 재료과학연구센터 세키네 유리나 연구원, 국립대학법인 도쿄대학 첨단기초연구센터 미나미카와 다쿠야 연구원 외 이 연구그룹은 이학연구과 야마다 테츠헤이 교수(학장 고노카미 마코토), 국립재료과학연구원 NIMS 엔지니어 네모토 요시히로(학장)가 주도한다 하시모토 카즈히토), 그룹 리더 타케구치 마사키스트론튬, 카드뮴 등 금속에 대한 흡착 성능이 높은 뼈의 특성을 이용하여 폐돼지 뼈로 만든 저렴하고 효율적인 흡착제를 개발했습니다

광산 및 산업 지역 주변의 독성 금속으로 인한 환경 오염을 방지하기 위해 다양한 조치가 취해졌습니다 또한, 동일본 대지진에 따른 도쿄전력 후쿠시마 제1원자력발전소(이하 1층) 사고 이후, 방사성 물질을 함유한 오염수를 처리하고 방사성 물질의 누출 및 광역 확산을 방지하는 기술의 중요성이 다시 인식되었습니다 특히 뼈에 쉽게 흡수되어 인체에 미치는 영향이 우려됩니다방사성 스트론튬[1]넓은 면적에 분산되는 것이 중요하며, 대량 생산이 가능한 고성능, 저가의 흡착제 확립이 필요합니다

음식물 쓰레기로 대량 생산되는 소뼈와 돼지뼈는 금속 흡수 능력이 높은 것으로 알려져 있습니다 따라서 과거에는 실제 원자력 시설에서 방사성원소를 제거하기 위해 저렴하고 대량으로 사용 가능한 흡착제로 활용하려는 시도가 있었다 그러나 성능이 충분하지 않아 실용화되지 못했다 따라서 본 연구그룹은뼈가 스트론튬, 카드뮴과 같은 금속에 대해 높은 흡착 성능을 갖는 메커니즘을 밝힐 뿐만 아니라특성을 활용하여 기존 저가 천연흡착제보다 효율이 높습니다우리는 스트론튬, 카드뮴과 같은 유해 금속을 흡착 및 제거할 수 있는 새로운 흡착제 개발에 성공했습니다

음식물 쓰레기에서 나온 "돼지 뼈"베이킹소다(로투스 바카라수소나트륨)[2]담그기만 하면 저렴한 비용으로 쉽게 만들 수 있는 흡착제를 실현본 연구 결과는 음식물 쓰레기의 효과적인 활용으로 이어질 뿐만 아니라, 오염된 물의 정화[4], 오염물질을 토양에 매립하여 지하수 및 해수로 유입되는 것을 방지하는 기술, 유용한 금속 회수 기술 등에 활용될 것으로 기대됩니다

이 연구는 일본원자력청 재료과학연구센터의 감독을 받아 첨단연구센터, 도쿄대학교 과학대학원, 국립재료과학연구소와 공동으로 수행되었습니다

이 결과는 국제학술지 “환경화학공학저널"의 온라인 버전에 게시됨 (1월 21일(일본 시간))

[배경 및 역사]

광산 및 산업 지역 주변의 독성 금속으로 인한 환경 오염을 방지하기 위해 다양한 조치가 취해졌습니다 또한, 2011년 동일본 대지진으로 인한 1층 사고 이후 방사성 물질이 포함된 오염수를 처리하고 방사성 물질의 누출 및 광역 확산을 방지하는 기술의 중요성이 다시 인식되었습니다 방사성 원소 중 뼈에 쉽게 흡수되고 인체에 미치는 영향이 우려되는 방사성 스트론튬을 채취하는 방법의 확립이 중요하다 독성 금속과 방사성 스트론튬의 광역 확산을 막기 위해서는 고성능이면서 가격이 저렴하고 대량 생산이 가능한 흡착제의 확립이 필요하다

뼈는 스트론튬과 카드뮴으로 만들어졌습니다리드[3]특히, 음식물 쓰레기로 대량으로 배출되는 소뼈와 돼지뼈는 유해금속을 흡수하는 능력이 높은 것으로 알려져 있으며, 과거에는 실제 원자력 시설에서 방사성원소를 제거하기 위한 저렴하고 대용량의 흡착제로 활용하려는 시도가 있었다 그러나 성능이 충분하지 않아 실용화되지 못했다 이는 뼈의 주성분으로 유해한 금속을 흡수하는 능력이 뛰어난 이유입니다로투스 바카라인회석[4]에 포함된 칼슘의 유사한 특성 때문인 것으로 생각되어 왔습니다 그 금속들과 로투스 바카라 성분의 성질 등이 밝혀졌으나 자세한 메커니즘은 알려지지 않았다

이러한 배경을 바탕으로 우리 연구 그룹은 뼈가 스트론튬, 카드뮴, 납과 같은 금속에 대해 높은 흡수 성능을 갖는 메커니즘을 해명할 수 있다면 오염된 물과 환경에서 스트론튬, 카드뮴, 납과 같은 유해 금속을 보다 효율적으로 제거할 수 있는 흡착제를 만들 수 있을 것이라고 생각했습니다 한편, 식품산업에서는 전 세계적으로 매년 75억 톤의 폐뼈가 발생하고 있으며, 이를 효과적으로 처리할 수 있는 방법이 모색되고 있다 따라서 음식물 쓰레기인 돼지 뼈 뼈를 원료로 사용하면 저렴하고 친환경적인 흡착제 개발이 가능할 뿐만 아니라, 음식물 쓰레기 처리 문제 해결에도 도움이 될 수 있다고 생각했다 따라서 뼈의 주성분인 로투스 바카라인회석에 함유된 로투스 바카라의 영향에 주목하여, 서로 다른 양의 로투스 바카라을 함유한 로투스 바카라인회석 소재를 제작하고, 스트론튬, 카드뮴, 납에 대한 흡착성능을 조사하였다

[이 결과]

본 연구그룹에서는 음식물쓰레기인 돼지뼈와 식품첨가물로도 사용되는 베이킹소다(로투스 바카라수소나트륨)를 이용하여 실험을 진행했습니다 돼지 뼈를 가압 및 가열한 후 베이킹 소다를 함유한 수용액에 담그자 뼈 모양을 유지하는 흰색 구조물이 형성되는 것을 관찰했습니다(그림 1) 이 구조의 조성과 미세구조를 조사한 결과 나노미터 크기의 로투스 바카라인회석 결정으로 구성되어 있음을 발견했습니다 이 로투스 바카라인회석은 일반 뼈보다 로투스 바카라을 더 많이 함유하고 있으며, 이를 담근 베이킹소다 수용액의 농도가 높아질수록 로투스 바카라의 양도 증가했다 따라서 이를 베이킹소다에 침지함으로써 로투스 바카라염을 다량 함유한 고로투스 바카라인회석(이하, 로투스 바카라인회석이라 함)이 형성됨을 알 수 있었다

 

제조된 로투스 바카라인회석을 스트론튬(농도 01 mol/L)이 함유된 수용액에 교반한 후, 용액에 남아있는 스트론튬을 측정하여 스트론튬 흡착성능을 조사하였다 그 결과, 로투스 바카라인회석은 3분 이내에 용액 내 스트론튬을 99% 이상 흡착했다 흡착 성능을 좀 더 자세히 조사한 결과, 로투스 바카라인회석이 발견되었습니다분할 계수 Kd 값[5]이는 274,780 mL/g으로 치료되지 않은 뼈에 비해 약 250배 높았습니다(그림 2 왼쪽) 또한 스트론튬 흡착제로 알려진 천연 제올라이트의 일종입니다클리노프틸로라이트[6]과 비교하면 로투스 바카라인회석의 Kd 값이 클리노프틸로라이트의 Kd 값보다 약 20배 더 높았다

다음으로, 흡착제 성능에 중요한 최대 흡착량을 조사한 결과, 제조된 로투스 바카라인회석은 그램당 최대 125mg의 스트론튬을 흡착하는 것으로 나타났습니다(그림 2, 오른쪽) 이는 미처리된 뼈 및 클리노프틸로라이트에 비해 약 5배 높은 수치였습니다 또한, 실제 환경을 모사하기 위해 지하수와 동일한 조성의 스트론튬 수용액을 이용하여 흡착성능을 평가한 결과, 로투스 바카라인회석의 흡착성능이 유지되는 것을 확인하였다

로투스 바카라인회석이 높은 스트론튬 흡착 성능을 갖는 요인을 명확히 하기 위해, 서로 다른 양의 로투스 바카라을 함유한 로투스 바카라인회석을 제조하고 스트론튬에 대한 흡착 성능을 조사했습니다 그 결과, 로투스 바카라인회석에 함유된 로투스 바카라염의 양이 증가할수록 스트론튬에 대한 흡착성능이 향상되는 것을 확인하였다(그림 3) 또한, 로투스 바카라인회석의 표면특성을 조사한 결과 로투스 바카라의 도입으로 인해 표면이 음전하를 띠게 되는 것을 발견하였다충전됨 [7]우리는 양전하를 띤 스트론튬이 쉽게 흡착된다는 것을 확인했습니다 게다가X선 흡수 미세구조 평가 방법 [8]를 이용하여 로투스 바카라인회석에 흡착된 스트론튬 주변의 화학 구조를 조사한 결과, 로투스 바카라인회석이 스트론튬 흡착에 적합한 새로운 구조를 가지고 있음을 발견했습니다흡착 장소 [9]형성되었다(그림 4)

이 연구 그룹은 카드뮴 및 납에 대한 로투스 바카라인회석의 흡착 성능을 추가로 조사했습니다 결과는 로투스 바카라인회석이 카드뮴과 납을 높은 효율로 흡착한다는 것을 보여주었습니다 특히 독성 금속 흡착제로도 사용되는 클리노프틸로라이트보다 카드뮴에 대해 약 370배 더 효과적이다모데나이트[10]보다 약 3,200배 높은 흡착 성능을 나타냈습니다 (그림 5) 이상으로부터 로투스 바카라인회석이 환경정화를 위한 흡착제로 유용할 가능성이 높다는 것을 알 수 있었다

이런 방법으로 우리는 음식물 쓰레기 뼈를 베이킹 소다에 담그는 것만으로도 스트론튬뿐만 아니라 카드뮴, 납 등 유해 금속에 대해서도 높은 흡착 성능을 나타내는 물질을 만드는 것이 가능하다는 것을 발견했습니다

[미래 전망]

저희는 음식물쓰레기 돼지뼈를 이용하여 아주 간단한 과정을 통해 중금속을 흡착하는 고성능 흡착제 개발에 성공했습니다 이 소재는 오염된 물을 정화할 뿐만 아니라 오염물질을 토양에 매립해 지하수 등 환경으로 확산되는 것을 방지해 인체가 유해금속을 섭취할 가능성을 극대화하는 데 활용될 것으로 기대된다 본 기술은 환경오염 문제 및 이에 따른 건강 유해성을 해결하기 위한 솔루션으로 국내외적으로 개발될 것으로 기대됩니다 또한, 유용금속의 회수를 목적으로 하는 흡착제로의 활용도 기대된다

우리는 현재 이 결과와 관련하여 일본 및 해외에 특허를 신청하고 있습니다

<추가 참고사항>

각 연구원의 역할은 다음과 같습니다

• 미나미카와 세키네(바카라 커뮤니티): 음식물쓰레기 돼지뼈를 이용한 흡착제 개발 실험 설계
• Sekine, Minamikawa, Matsumura, Sugita, Shimoyama, Kozai, Morooka(바카라 커뮤니티), Yamada(도쿄 대학), Nemoto, Takeguchi(국립 재료 과학 연구소): 본 연구와 관련된 데이터 수집 및 분석
• 미나미카와 세키네(일본원자력청): 뼈를 이용한 독성 금속 제거 메커니즘을 이론으로 설명

[논문 정보]

○잡지명: Journal of Environmental Chemical Engineering

○제목:뼈 폐기물에서 추출한 로투스 바카라나노수산화인회석과 독성 이온 제거를 위한 초흡착제로서의 잠재력

○저자 이름: 세키네 유리나^1,2, 난카와 타쿠야², 야마다 텟페이³, 마츠무라 다이주¹, 네모토 요시히로⁴, 타케구치 마사키⁴, 스기타 츠요시², 시모야마 이와오², 코자이 나오후미², & 모로오카 사토시¹

○소속: 1 바카라 커뮤니티 재료과학연구센터, 2 바카라 커뮤니티 첨단기초연구센터, 3 도쿄대학교, 4 국립재료과학연구소

 

[용어 설명]

[1] 방사성 스트론튬

방사성 동위원소의 일종으로 스트론튬 90(원소기호: 90Sr)으로 표기합니다 우라늄이나 플루토늄의 핵분열 생성물로 몇 퍼센트만 생성되며 반감기는 2890년이다

[2] 베이킹 소다(로투스 바카라수소나트륨)

화학식 NaHCO₃으로 표시되는 중로투스 바카라나트륨 식품첨가물, 소화제, 의약품으로 사용됩니다

[3] 리드

원소기호는 Pb이며 원자번호 82번의 금속원소입니다 생명체에 독성증상을 유발할 뿐만 아니라 용혈성 빈혈, 면역체계의 억제, 신장의 손상을 유발합니다

[4] 로투스 바카라인회석

화학식 Ca₅(PO₄)₃(OH)로 표시되는 로투스 바카라염과 인산칼슘을 함유한 무기 화합물 척추뼈 조직의 주성분

[5] 분포계수 Kd 값

용액에서 흡착제로의 Sr 분리 성능을 나타내는 값입니다 흡착제 성능을 나타내는 지표 중 하나입니다

[6] Clinoptilolite

실리카와 알루미나로 구성된 규칙적인 구조를 가진 천연 제올라이트의 일종, 화학식: Na₆[(Al2O₂)₆(SiO₂)₃₀]・24시간₂O로 대표되는 다공성 물질 이온교환성이 뛰어나 오염된 물의 정화 및 환경오염 물질로 사용됩니다 건축자재나 화장품의 첨가제로도 사용됩니다

[7] 전기 요금

물체가 전기적으로 대전되는 현상

[8] X선 흡수 미세구조 평가 방법

물질에 X선을 조사하여 얻은 흡수 스펙트럼을 분석하는 방법 시료 내 대상 원소 주변의 국부적인 구조와 화학적 상태를 평가하는 것이 가능합니다

[9] 흡착 장소

표적 요소나 물질이 흡착되는 위치

[10] 모데나이트

실리카와 알루미나로 구성된 규칙적인 구조를 가진 천연 제올라이트의 일종, 화학식: Na₈[(Al2O₂)₈(SiO₂)₄₀]・24H₂O로 대표되는 다공성 물질 이온교환성이 뛰어나 오염된 물의 정화 및 환경오염 물질로 사용됩니다 크로노프틸로라이트보다 더 큰 기공을 가지고 있습니다