KIGAM 한국지질자원연구원

지속 가능한 미래를 위한 약속,

핵심광물 회수 기술

- 서주범 자원회수연구센터장 

핸드폰 한 대를 만들기 위해서는 금, 은, 니켈, 코발트, 희토류 등 수십 종의 금속 원료가 필요하다. 

이러한 금속 원료는 핸드폰뿐만 아니라 컴퓨터, 전기차, 가전제품 등 다양한 제품의 제조와 친환경 에너지 전환에 필수적인 요소이다. 

만일 수급에 차질이 생기면 산업 전반은 물론 국민의 일상에도 큰 영향을 미친다. 

이에 각국 정부는 수급 위기 시 자국 산업과 경제에 큰 파급효과를 미치는 광물을 ‘핵심광물’로 지정하고, 이들의 안정적인 공급망 확보에 주력하고 있다. 

핵심광물 확보의 중요성이 커짐에 따라, ‘선광’과 ‘제련’을 비롯한 자원회수 기술의 역할도 점점 더 중요해지고 있다.

* KIGAM 선광 연구실 전경

핵심광물 확보의 핵심, 선광과 제련

경제적 가치가 있는 금속이나 원소를 포함한 암석을 광석이라 부른다. 광석은 다양한 광물로 이루어져 있다. 인공지능의 발달에 따라 수요가 높아질 것으로 예측되는 구리의 경우, 광석에는 고작 0.5%가 포함되어 있다. 구리 광석은 황동석(CuFeS2)과 같이 구리를 포함하는 광물과 석영(SiO2)과 같이 그렇지 않은 광물들로 구성되어 있다.

선광은 우리가 회수하고자 하는 목적 광물과 불필요한 맥석 광물을 선별하여, 목적 광물이 농축된 ‘정광’을 제조하는 기술이다. 선광의 첫 단계는 광석을 파쇄 분쇄하여 개별 광물 입자로 분리하는 단체분리다. 이후 선별 공정에서는 각 광물의 물리적·화학적 특성 차이를 이용해 목적 광물을 선별한다. 예를 들어 자석을 이용해서 철광물을 선별하는 자력선별, 흑연과 같이 기름처럼 행동하는 소수성 광물을 물에 부유시켜 분리하는 부유선별 등이 있다.

제련은 선광 공정에서 생산된 정광에서 금속을 추출하는 기술이다. 제련 방식에는 크게 두 가지가 있다. 첫째, 건식 제련은 용광로나 전기로 등에서 고온의 열을 이용해 금속과 불순물을 분리하는 방법으로, 광석에 포함된 금속이온을 금속으로 환원시키기 위해 환원제를 투입한다. 금속 광물은 황동석(CuFeS₂)과 같이 황과 결합된 ‘황화광물’과 적철석(Fe₂O₃)과 같이 산소와 결합된 ‘산화광물’로 나뉘며, 각각 환원제인 산소나 탄소 등을 사용해 금속과 불순물(슬래그)로 분리한다. 

둘째, 습식 제련은 산이나 염기를 이용해 광석에 포함된 금속을 침출하는 화학적 분리 방법이다. 광석에는 다양한 금속이온이 포함되어 있어, 침출액에도 여러 금속이온이 함께 존재한다. 침전, 용매추출, 흡착 등 다양한 공정을 적용하여 개별 금속이온으로 분리·정제한 후 금속 또는 금속 화합물 형태로 회수한다.

* 일관작업장에 설치된 파일럿급 바나듐 분쇄-분급-선광 공정 시스템

폐기물, 자원으로 다시 태어나다

폐기물은 단순한 폐기물이 아니라, 우리가 자원으로부터 어렵게 확보한 유용한 원료들의 집합체이다. 전기차용 배터리를 예로 들어 살펴보자. 배터리 제조에 필요한 황산니켈은 인도네시아 등 적도지방 국가에 부존된 니켈 품위 1% 수준의 산화광을 고온·고압에서 황산으로 침출한 후, 침전, 추출 등 복잡한 공정을 거쳐 얻어진다. 음극재용 흑연 원료 또한 복잡한 공정을 통해 얻어진다. 선광을 통해 정광을 제조한 뒤, 손실률이 50% 이상인 구형화 공정, 고순도 정제, 코팅 등 여러 단계의 공정을 적용한다.

폐배터리에는 이처럼 복잡한 과정을 거쳐 만들어진 고순도 원료들이 다량 포함되어 있다. 따라서 폐배터리를 재자원화하면 광석을 직접 처리하는 것보다 간단하게 원료를 확보할 수 있는 장점이 있다. 폐배터리뿐만 아니라 핸드폰과 같은 전자제품, 생활에서 버려지는 플라스틱 등을 재활용함으로서 우리는 자원의 낭비를 줄이고 지구를 보존할 수 있다.

그렇다면 폐기물 재자원화는 어떻게 이루어질까? 이 역시 자원회수 기술에 기반을 두고 있다. 폐배터리에 선광 공정을 적용해서 파우치, 분리막, 구리, 알루미늄 및 니켈, 코발트 등 금속이 함유된 블랙매스를 얻는다. 블랙매스는 제련 공정에서 처리되어 황산니켈, 황산코발트 등 배터리 원료물질로 제조된다.

* 부유선별을 이용한 몰리브덴 광물 선별

지속 가능한 자원 산업을 향한 혁신

우리는 현재 기후변화 대응이 필수적인 시대에 살고 있다. 자원 산업도 예외가 아니다. 과거에는 제조 효율이 가장 중요한 가치였으나, 이제는 친환경성이 핵심 경쟁력으로 부상하고 있다. 제조 공정의 친환경적 전환뿐만 아니라, 생산 과정에서 발생하는 탄소 배출량 관리도 필요하다.

이와 함께 자원 산업의 중요한 이슈는 자원의 품위 저하이다. 오랜 자원 개발로 인해, 비교적 쉽게 유용한 원료를 얻을 수 있는 고품위 광석은 점차 고갈되고 있다. 또한, 과거에는 특정 국가에 존재하던 고품위 광석만이 자원으로 여겨졌으나, 이제는 자원의 범위가 확장되고 있다. 이에 따라 저품위 광석으로부터 효율적으로 원료를 확보하는 기술력의 중요성이 그 어느 때보다 커졌다.

최근에는 자립적인 원료 확보가 핵심 과제로 떠오르면서, 당장 사업화가 가능한 기술의 내재화가 더욱 절실해졌다. 자원 부국들이 자국 자원 산업 보호를 위해 원광 수출을 제한하고, 자국 내 가공시설 유치와 운영을 요구하는 등 자원 확보 환경이 까다로워지고 있기 때문이다.

오늘날 자원 산업은 친환경 공정 전환과 탄소 배출량 저감, 저품위 자원을 효과적으로 활용하는 기술 등 다양한 혁신을 요구하고 있다. 자원회수연구센터는 이러한 기술 내재화 및 혁신을 위해 노력하고 있다. 공정 운영의 효율성을 높여 에너지를 저감하는 기술 개발, 환경 부담이 큰 기존 시약을 친환경 시약으로 대체하는 연구, 저품위 자원으로부터 고순도 원료를 생산하는 기술 개발 등을 들 수 있다. 앞으로도 센터는 변화하는 산업 환경에 능동적으로 대응하고, 자원 산업의 성장과 경쟁력 강화를 위한 핵심 기술 개발에 최선을 다할 것이다.

writer. 서주범 자원회수연구센터장

2012년 한국지질자원연구원에 입사한 이래 현재까지 광물자원 활용 연구를 수행하고 있다. 

2022년부터 자원회수연구센터장을 맡고 있으며, 현재 몰리브덴광 선광·제련 연구, 폐배터리 전처리 연구, 국내 부존 핵심광물 자원 활용 연구를 진행 중이다.

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