KIGAM 한국지질자원연구원

남철우 박사는 20여 년간 ‘망간단괴’에서 금속자원을 회수하는 연구에 몰두해 왔다. 망간단괴는 심해저의 검은 노다지라 부르는 광물자원이다. 심해에 부존되어 있으며 첨단소재를 만드는 데 중요한 전략광물을 다양하게 함유하고 있다. 망간 25%, 구리 1.0%, 니켈 1.2%, 코발트 0.2%, 이외에 몰리브덴, 희토류 등이다. 육상 광물자원이 고갈되고 있어 심해저 광물자원의 잠재 가치는 점점 높아지고 있는 상황. 그래서 전 세계는 미래 자원인 심해저 광물자원을 확보하기 위한 소리 없는 전쟁을 펼치고 있다. 심해저 광물자원을 제련하는 공정이 필요한 이유다.

해저 자원 개발의 고도화를 위하여

자원회수연구센터 남철우 박사

남철우 박사에게 바다는 ‘노다지’다. 망간단괴와 같은 미래 광물자원이 매장돼 있기 때문. 망간단괴는 심해저 5 km 아래에서 발견되고 자갈처럼 분포한다. 부존 매장량만 해도 1.7조 ton이나 된다. 현재 소비량으로 망간단괴를 소비할 경우 망간은 2,400 년 구리는 640년 니켈은 1,600년 동안 사용할 수 있다. 이처럼 심해저는 인류에게 유용한 자원을 제공하는 보물창고다.

주먹만 한 망간단괴에서 다양한 금속자원을 회수하기 위해서는 복합적인 제련 과정이 필요하다. “금속자원은 미세한 입자로 존재해요. 이로부터 유가금속을 회수하려면 여러 제련 공정이 필요합니다. 과거에는 ‘습식제련’ 공정을 거쳤어요. 망간단괴에 산·알칼리를 넣어 녹인 후 경제성 높은 구리·코발트·니 켈만 회수하는 방식이죠. 망간이 가장 많아 망간단괴라 부르는데 정작 망간은 경제성이 낮아 버려졌죠. 금속자원의 함유량을 생각하면 버려지는 양이 더 많아요.”

비단 폐기량이 많다는 점만 문제가 아니다. 제련 과정에서 넣은 산·알칼리 때문에 환경 문제가 유발된다. 특히 망간단괴 연구가 한창이던 1990년대부터 환경 규제가 강화됐다. 제련 후남은 폐기물을 처리하는 것이 최우선 과제로 떠올랐다. 남철우 박사는 폐기물을 최소화하고 친환경적인 방법으로 망간단괴를 제련하기 위한 연구에 착수한다. “망간단괴에 석회석·코크스 등 첨가제와 환원제를 섞어 1,450 ℃ 이상의 용광로에 넣어 요. 망간단괴는 쇳물처럼 녹게 돼요. 이때 구리·코발트·니켈은 합금 형태로 가라앉고 망간단괴와 불순물은 슬래그 형태로 합금 위에 떠오르기 때문에 쉽게 분리할 수 있죠. 합금은 다시 황산을 넣어 녹이면 물처럼 녹고, 용매추출 과정을 거치면 구리·니켈·코발트를 따로따로 분리할 수 있어요. 슬래그에 함유된 망간 역시 다시 제련 과정을 통해 회수하는데 이때 폐기 물에는 중금속은 거의 용출되지 않는 슬래그만이 남아요. 이를 골재용, 도로 재료 등으로 유용하게 활용할 수 있습니다. 망간 단괴의 금속자원을 모두 활용할 수 있도록 하는 공정인 ‘용융 환원-습식제련 공정’입니다.” 용융환원-습식제련 공정의 실증실험을 위해 (주)동부메탈과 공동 실험을 추진하기도 했다. 망간단괴로부터 유가금속을 합금 형태로 회수하는 용융환원 공정을 상용화할 경우 다양한 문제 점이 유발될 수 있기 때문에 규모 확대 시험이 필요했다. 2 ton 규모의 파일럿플랜트를 동부메탈에 구축해 실증 연구를 하고, 지난 2013년 11월 성공리에 실증시험을 마칠 수 있었다. 용융환 원-습식제련 공정은 연속적으로 공정할 수 있고 스케일이 크건 작건 반응 결과가 동일했다. 또 이 과정에서 발생하는 슬래그를 다시 망간 합금철로 만들 수 있음을 규명했다. 파일럿플랜트 시험의 성공은 우리나라가 심해저 망간단괴를 제련할 수 있는 핵심공정을 확립하는 계기를 마련한 것으로 의미가 크다. 특히 망간단괴를 선제적으로 연구해온 해외 사례와 비교해도 우위를 선점할 수 있을만큼 기술 효율성이 뛰어나다.

20여 년 동안 진행해온 연구는 실증실험을 완료한 뒤 2016년 막을 내렸다. 이는 우리나라가 미래 광물자원에 대비할 수 있는 준비가 ‘완료’되었다는 이야기다. “상용화까지는 아직 여러 단계의 준비가 필요해요. 하지만 연구소 수준의 연구는 어느 정도 마무리되었다고 생각해요. 향후 망간단괴 개발이 본격화된다면 우리가 축적한 기술 노하우가 큰 힘이 될 것으로 생각합니다. 연구 과정에서 개발한 공정은 다른 광물자원의 제련 공정에도 적용할 수 있어, 활용 가능성 또한 높을 것으로 기대됩니다.”

축적된 노하우를 바탕으로 후속 연구도 이어나갈 예정이다. 할수만 있다면 ‘해저열수광상’을 제련하는 연구도 추진하고 싶다. “해저열수광상은 열수 때문에 생겨난 광석 덩어리에요. 금· 은·구리·아연 및 희토류 금속을 다량 함유하고 있어 세계적 으로 각광받는 자원이에요. 여러 광석이 모여있는 형태라 우선 이를 분리하는 선광이 필요하죠. 이들 금속자원을 선택적으로 분리하거나 전체를 녹여 분리하는 연구를 해보고 싶습니다.” 무엇보다 ‘경제성’ 있는 제련 공정을 개발하는 것이 가장 큰 목표다. 결과는 시간과 정비례한다고 했던가. 심해저 광물자원 개발에 대한 든든한 믿음이 샘솟는다.