KIGAM 한국지질자원연구원

자동차 폐촉매에서 유용 자원을 추출한다

DMR 융합연구단 전략광물활용기술지원팀 라제쉬 쿠마 박사

자동차 한 대를 만드는 데는 다양한 물질이 사용된다.

이들 물질은 자동차를 폐기한 후에, 회수하여 재활용할 수 있다.

특히 자동차 배기가스 정화 촉매제로 사용하는 백금족 금속은 전 세계적으로 생산량이 적어 많은 양을 재활용하고 있다.

우리나라의 경우 백금족 금속을 대부분 수입해 사용하기 때문에, 백금족 금속의 재활용은 매우 필수적이다. 

그러나 백금족 금속을 회수하는 과정은 쉽지 않다. 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 시간도 오래 걸리기 때문. 최근 라제쉬 쿠마 박사는 백금족 금속의 백금과 로듐을 손쉽게 분리 추출하는 현상을 새롭게 규명했다.

백금족 금속을 대부분 수입해 사용하는 우리나라에게 부족한 자원 문제를 해결해 줄 더없이 중요한 기술이다.

 무궁무진한 가치, 백금족 금속

“한국은 천연자원이 부족해 대부분의 백금족 금속을 수입해 사용합니다. 때문에 이런 금속을 전자 소재 및 자동차의 촉매제로 사용한 후에는 적절하게 재활용하는 기술이 필요합니다. 백금족 금속이 필요한 국내 산업에 도움을 줄 것이며, 버려지지 않고 재활용하니 자연환경을 보호하는 데도 큰 도움을 줄 것입니다.”

특히 첨단산업에서 많이 활용하는 백금족 금속은 금속 폐기물에 많이 함유되어 있다. 백금족 금속은 루테늄(Ru)·오스뮴(Os)·로듐(Rh)·이리듐(Ir)·팔라듐(Pd)·백금(Platinum, Pt)의 6가지 금속 원소를 말한다. 이들은 보통 천연 합금 형태로 백금 광석에 함유되어 있는데, 특성이 매우 독특해 산업적으로 유용하다. 높은 온도에도 잘 견디며, 내식성이 우수해 부식에도 강하다.

산(acid)에도 잘 녹지 않고 여러 화학 반응에서 촉매 작용이 탁월하다. 하지만 백금족 금속은 가격이 고가일 뿐만 아니라, 전 세계적으로 생산량이 매우 적다. 또한, 지각 내 함유량이 극히 적어 특정 국가에 집중적으로 부존되어 있다. 따라서 백금족 금속을 재활용할 수 만 있다면, 산업에 원료를 안정적으로 공급할 수 있고 비용도 절감할 수 있다.

특성이 뛰어나니 활용 분야가 무궁무진하다. 여러 화학 공정에서 촉매로 사용한다. 그 예로

자동차에서 배출하는 유해가스를 정화하는 촉매로 사용하며, 석유·화학 산업에서 유기화학 반응을 일으키는 촉매로도 활용한다. 연료전지에도 필수적으로 들어가는 것이 백금족 금속이다.

산업분야뿐만 아니라, 의료용으로도 사용한다. 다른 금속에 비해 생체에 안전해 치과용 재료, 생체 재료로 활용된다.

새로운 방법을 규명하다

백금족 금속을 활용하기 위해서는 ‘백금’과 ‘로듐’을 분리하는 과정이 필요하다. 백금족 금속의 부가 가치를 높이기 위한, 중요한 공정이다. 하지만 쉽지 않은 일이다. 현재 백금족 금속을 원소별로 분리할 때 ‘침전법’과 ‘용매추출법’을 사용하는데, 백금과 로듐의 화학적 성질이 비슷해 분리하는 일이 무척 까다롭다. 그래서 고(高)순도의 백금을 회수하기에는 많은 시간과 비용이 발생한다.

최근 라제쉬 쿠마 박사는 백금족 금속 재활용의 난제였던 백금과 로듐을 크라운 에테르(crownether) 화합물과 아민계 추출제를 조합하여 분리 특성을 높이는 현상을 세계 최초로 규명했다.

이 내용은 세계적인 학술지 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 온라인 판 6월 10일(영국시간)자에도 게재됐다.

“현재는 백금과 로듐을 분리할 때 용매추출을 이용합니다. 분리가 쉽지 않습니다. 새로운 추출 방법을 강구했습니다. 최적의 실험 조건을 갖춘 뒤, 크라운 에테르(crown ether) 화합물과 아민계 추출제를 조합해 보았어요. 로듐과 백금이 분리되는 걸 확인했죠. 크라운 에테르 화합물은 특정원자를 끌어들이는 성질이 있어요. 에테르 화합물을 단독으로 사용할 때보다, 아민계 추출제를 함께 사용할 때 분리되는 정도가 3배 이상 높은 것을 확인했습니다.”

사실 본 연구는 기존에 선행해온 연구의 확장 선상이었다. 몇 년 전, 백금 재활용 관련 중소기업이 전략광물활용기술지원팀에게 기술 조언을 요청했다. 기존에도 연구팀은 백금족 분리 정제에 대한 연구 경험이 있었으나, 기존 기술로는 중소기업에 원하는 답변을 해줄 수 없었다. 마침 그 무렵 환경부 ‘글로벌탑 환경기술개발 사업’ 중, 폐금속 유용 자원 재활용 기술개발 사업단이 발족했다. 그때 폐촉매로부터 유가금속을 회수하는 연구를 진행했고, 그 연구 결과로 이와 같은 좋은 성과를 얻을 수 있었다고 쿠마 박사는 말했다.

쿠마 박사는 본 연구 결과를 활용해 새로운 분리-추출 시스템을 개발할 예정이다. 첨단 분야에 활용 가능한 백금족 금속을 안정적으로 확보할 수 있어 우리나라의 산업 경쟁력을 강화하는 데 기여할 것으로 기대된다.

녹색 한국을 꿈꾸며

2007년 5월, 라제쉬 쿠마 박사는 인도 스리 벤카테슈와라 대학교(Sri Venkateswara University)에서 박사학위를 취득한 후 KIGAM에 입사했다. 무엇보다 KIGAM이 지구과학분야에서 세계적으로 명성이 높기에, 선택한 길이었다. 주요 연구 분야는 폐자원에서 희귀금속을 추출하는 일이다. 특히 습식 제련을 통해 희귀금속을 회수하는 연구를 수행하고 있다. KIGAM에 입사한 후 많은 프로젝트에 참여했고 다양한 연구를 수행했다고 했다. 덕분에 이번 연구에서 좋은 결과도 얻을 수 있었다며, 자신을 먼저 배려해주고 도와준 동료들에게 감사하다고 했다. 

쿠마 박사는 자신의 나라가 아닌, 다른 나라를 위해 하나의 꿈을 이루고 싶다. 한국을 녹색

국가로 만드는 일이다. 희귀금속 분리 기술 개발을 시작으로, 한국의 녹색 미래를 위해 연구에 더욱 박차를 가할 것이라는 쿠마 박사. 이번 연구를 통해 쿠마 박사의 꿈이 한 단계 도약하길 바란다.