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[미래 에너지 기술과 희소금속 자원의 이용 동향 3]
일본의 물질 흐름과 레어메탈(희소금속)
전 세계적으로 공급량이 극히 한정되어 있거나 한정된 일부 국가에만 매장되어 있는 광물을 레어메탈(Rare metal) 즉, 희소금속이라고 부른다. 보통 니켈, 크롬, 몰리브덴, 리튬, 텅스텐, 코발트 등 56개 원소 35종의 광물을 희소금속으로 분류하고 있다. 본고에서는 먼저 물질 흐름 분석(MFA)의 관점에서 일본의 물질 흐름에 대해 살펴보고, 철강 제련 프로세스에서의 원소 분배 경향을 통해 니켈, 크롬, 몰리브덴 등 철강계 레어메탈의 유효 이용 가능성에 대한 논의를 정리한다.
번역·정리 김대근 기자
일본은 레어메탈(희소금속)의 세계 최대 수요국이자, 레어메탈을 포함하는 기반재료 및 하이테크 제품의 공급국이다. 이 레어메탈은 고기능·고성능 첨단기술의 핵을 담당하는 원료로서, 철강재료, 반도체, 전기전자부품, 자성재료 등 그 용도는 매우 다양하다. 특히 환경·에너지 관련 기술에서 커다란 주목을 받고 있다. 발전기술로 눈을 돌리면 화력발전 기술에서는 니켈, 크롬, 몰리브덴 등이 첨가된 스테인리스강이 고온내열성·고내식성의 재료로서 △ 열교환용 튜브 △복수기 △연돌 라이닝 등의 용도로 이용되고 있다. 또 최근에는 석탄화력발전 플랜트용 재료로서 초합금(Ni기 초합금 및 Co기 초합금)이 주목을 받고 있다. 한편, 신에너지 기술(태양전지, 연료전지, 풍력발전 등)로 눈을 돌리면 태양광발전에서는 화합물 박막계의 태양전지로서 인듐, 갈륨 등의 레어메탈이 사용되고 있다. 또 연료전지에서는 고분자형 연료전지로서 촉매전극에 플라티나(백금), 연료개질 촉매에는 니켈이 사용되고 있다. 또한, 풍력발전에서는 자석합금으로서 네오디뮴이 사용되고 있다. 본고에서는 물질 흐름 분석(Material Flow Analysis: MFA)의 관점에서 레어메탈을 포함한 일본의 물질 흐름을 읽어내는 동시에 레어메탈의 가운데서도 고내식성·고온내열성을 부여하기 위한 철강용 합금원소로 이용되고 있는 니켈, 크롬, 몰리브덴 등의 유효 이용 가능성에 대해 정리했다.
일본의 물질 흐름
물질 흐름의 개관
일본에서는 환경성이 일본 경제사회의 물질 흐름을 제시하고 있다. 또 순환형 사회 형성 추진 기본 계획에는 순환형 사회 형성을 도모하기 위해 물질 흐름의 각 단면(입구, 출구, 순환)에 관한 지표(물질 흐름 지표)와 그 수치 목표를 나타내고 있다. 일본의 총 물질 투입량은 2000년도가 21.4억t(천연자원 등 투입량: 19.3억t)이었던 것에 비해 2008년도는 약 17.4억t(천연자원 등 투입량: 14.9억t)이었다. 한편, 수입량은 2000년도가 8.0억t(수입자원량: 7.5억t, 수입제품량: 0.5억t)이었던 것에 비해 2008년도는 8.1억t(수입자원량: 7.5억t, 수입제품량: 0.6억t)이었다. 천연자원 투입량의 감소요인으로는 주로 토목·건축용 토석계(土石系) 자원 투입량의 감소에 따른 요인이 크고, 여전히 자원의 많은 부분을 해외에 의존하고 있는 실정이다. 일본에서는 레어메탈을 포함한 금속계 자원의 1차 원료의 대부분 전량을 해외에 의존하고 있으며, 약 1.5억t의 광석을 수입하고 있는 것이 현실이다. 또한 이 천연자원의 투입량에는 ‘숨은 흐름’이라고 불리는 직접적 또는 간접적인 경제활동에 수반한 물질의 이동량(예를 들면, 자원채굴에 따른 암석 및 이동된 토사 등의 양)은 포함되어 있지 않다.
경제활동에 수반한 ‘숨은 흐름’
제2차 순환 기본계획에서는 자원이용에 따른 해외의 환경부하를 계측하기 위한 하나의 지표로서 이 숨은 흐름을 고려한 관여물질 총량(Total Material Requirement: TMR)을 문제 삼아 금속계 자원의 수입에 관한 TMR을 모니터링 지표로 설정하고 있다. 본고에서는 이 수입자원에 관한 TMR에 대해 Waste Input-Output Material Flow Analysis(WIO-MFA) 모델에 의해 추계한 결과를 이하에 나타낸다. WIO-MFA 모델은 산업 연관 분석법을 응용한 MFA 수법이며, 산업 연관표에 이 모델을 적용함으로써 제품조성 등을 파악할 수 있다. 이하는 일본의 2000년 산업 연관표(총무성)의 자원·소재부문을 확장시킴과 동시에 모델을 적용한 결과이다. [그림 1]에 금속계 자원의 최종 수요량과 수입량을 나타냈다. 추계 시에는 일본의 최종 수요량 및 수입량에 WIO-MFA 모델에 의해 얻어진 조성정보를 이용했다. 일본의 금속계 자원의 최종 수요량은 1.1억t(순분)이며, 그 중 약 43%(4.7억t)가 수출인 것으로 나왔다. 한편, 광석·소재 등의 수입(Direct Material Input: DMI)에 자동차 등의 가공도가 높은 제품의 수입(Indirect flow: IF)을 포함한 금속계 자원의 수입량은 0.97억t인 것으로 나왔다. 원소별로 내역을 살펴보면, 금속계 자원의 최종 수요량과 수입량 모두 철이 커다란 비율을 차지하고 있다. 최종 수요량에서 철은 약 92%를 차지하고 있으며, 다음으로 알루미늄(3.8%), 구리(2.2%), 아연(0.6%) 순으로 이어진다. 마찬가지로 수입량에서의 철은 약 91%를 차지하고 있으며, 다음으로 알루미늄(4.7%), 구리(1.9%) 순으로 이어진다. 또 [그림 2]에는 일본의 금속계 자원의 수입량 내역을 나타냈다. 귀금속류(금, 은, 백금, 팔라듐)는 IF가 큰 경향이 있지만, 수입량 전체 대비 IF가 차지하는 비율은 약 5%라는 결과가 나왔다. 이 요인은 금속계 자원의 수입량 대비 철광석 수입량이 차지하는 비율이 높은 것에 기인한다. [그림 3]에 금속계 자원의 수입량에 TMR계수를 곱한 금속계 자원의 수입에 관한 TMR을 나타냈다. 일본의 금속계 자원의 수입에 관한 TMR은 약 22억t이다. 즉, 광석 등 금속계 자원의 수입 배경에는 약 21억t의 숨은 흐름이 존재하고 있다는 것을 의미한다. 이것은 일본의 총 물질 투입량에 필적하는 물량이다. 이 대부분은 채굴에 따른 암석 및 맥석 등으로 자원 산출국의 폐기물 따위인 것으로 보고 있다. 그 내역은 철이 약 31.9%로 큰 비율을 차지하고, 다음으로 구리(30.3%), 금(9.9%), 알루미늄(9.6%), 주석(6.4%) 순으로 이어지며, 금속 수입량과는 커다란 차이를 보인다. 이것의 요인으로는 철의 TMR계수가 8t-TMR/t인 것에 비해, 귀금속 및 레어메탈의 TMR(예를 들면, 금: 1100000t-TMR/t, 백금: 520000t-TMR/t) 계수가 크다는 것에 기인한다. 이것은 귀금속 및 레어메탈의 리사이클(Recycle)이 TMR로 표시되는 자원 산출국에 대한 부하의 관점에서 효과가 크다는 점을 시사한다. 또 수입량과 마찬가지로 금속자원의 수입에 관한 TMR 내역을 분석한 결과, IF가 차지하는 비율은 수입량에서는 5%였던 것에 비해 TMR에서는 18%를 차지하는 것으로 나타났다. 이 결과는 가공도가 높은 제품의 수입에 대한 영향을 고려하는 것이 자원 산출국에 대한 부하를 생각할 때 중요하다는 것을 알려준다. 이 결과는 일본의 2000년도 금속계 자원의 수급 구조에서 약 1억t이라고 하는 금속계 자원의 배경에는 약 21억t의 숨은 흐름이 존재하고 있음을 보여주고 있다. 즉, 금속계 자원의 이용 배경에는 약 21배의 숨은 흐름이 존재하고 있음을 의미하고 있으며, 최근 금속계 자원의 수입량은 미세하게 감소하고 있지만, 여전히 많은 ‘숨은 흐름’이 유발되고 있다.   
도시 광산에서의 원소(元素) 회수 가능성
레어메탈 가운데서도 소비량이 많은 니켈, 크롬, 망간, 몰리브덴은 일본의 국가비축대상 광종(鑛種)으로 지정되어 있다. 이 4원소의 주된 용도는 앞서 언급한 스테인리스 따위의 철강재료이며, 그 수요량은 철강재료의 방대한 수요에 크게 영향을 미치고 있다. 또 그 수급구조는 MFA 연구를 통해 파악할 수 있으며, 니켈, 크롬, 망간, 몰리브덴의 유효 이용을 위한 ‘철 리사이클’의 중요성이 지적되고 있다. 최근에 희소금속의 안정공급을 위한 하나의 전략으로서 검토가 진행되고 있는데 그것은 도시 광산으로 불리는 사용 후 제품에서 희소금속을 회수하는 것이다. 그 중에서도 금속을 추출하기 위한 하나의 프로세스로서 ‘제련’이 주목을 받고 있다. 제련이란 한마디로 얘기하면, 광석 등의 원료에서 불순물을 제거함으로써 목적 금속을 추출하는 공정을 말한다. 기존의 제련 시스템에서는 광석 등 일정 품질 및 조성을 지닌 원료를 상정하여 목적 원소를 경제적이고 고효율로 추출할 수 있도록 프로세스를 조합하여 시스템을 최적화하였다. 그 종류는 원료 및 목적 금속의 종류에 따라 매우 다양하다. 그러나 광석 등의 1차 자원과 비교해 다종다양한 조성 및 불순물의 혼입이 상정되는 ‘사용 후 제품’의 2차 자원에 포함된 원소의 분배거동 및 불순물의 제거한계·회수 가능성에 대해서는 충분한 논의가 이루어지지 못 했다. 이에, 일본 국립환경연구소에서는 열역학 해석에 근거한 건식제련 프로세스 및 폐기물의 용융 처리 프로세스에서의 원소의 분배경향 해석을 연구하고 있다. [그림 4]는 철강제련(전로: BOF, 전기로: EAF)을 상정(1873K, 1mol% 첨가)한 원소의 분배거동의 해석결과이다. 종축에는 금속상과 슬래그상에 대한 원소의 분배 경향을 나타내는 지표로서 용매(구리)와 슬래그에 대한 원소의 열역학적 분배율을, 횡축에는 금속상과 가스상에 대한 분배 경향을 나타내는 지표로서 각 원소와 용매의 증기압비를 나타냈다. 이 그림을 이용함으로써 철스크랩 및 수반물로서 철강제련 프로세스에 투입 시 합금원소인 니켈, 크롬, 몰리브덴 및 도금 성분인 아연, 전형적인 금기원소인 구리 및 주석(모터 및 케이블 등의 혼입 등에 기인) 등 각종 원소가 금속상, 슬래그상, 가스상 중 어느 하나에 강하게 분배되는 경향이 있는가의 여부를 파악할 수 있다. 또 [그림 5]는 같은 해석을 다른 건식제련 프로세스에 대해 적용한 결과를 정리한 분배경향의 개략도이다. [그림 4]와 마찬가지로 각 프로세스에서의 금속상 및 가스상 또는 슬래그상에 대한 분배 경향을 나타내며, 중심방향으로 갈수록 금속상에 대한 강한 분배경향을 보인다. 해석결과([그림 4])로부터 산화 경향이 강한 크롬 및 망간은 산화 제거되어 슬래그상으로 강한 분배경향을 보이며, 니켈 및 몰리브덴은 철에 대한 트램프 엘리먼트로 잘 알려진 구리 및 주석 등의 원소와 마찬가지로 금속상에 대한 강한 분배경향을 나타냄을 알 수 있다. 또 증기압이 높은 아연은 휘발 제거되어 더스트상으로 강한 분배경향을 나타냄을 확인할 수 있다. 철강제련은 앞서 설명한 대로 니켈, 크롬, 몰리브덴 등의 주된 용도로 쓰이나, 오스테나이트계 스테인리스(SUS304: 18%_Cr, 8%_Ni 등)를 제외하고는 합금성분을 배려한 리사이클(재활용)은 실시되고 있지 않다. 또 리사이클에 통한 원소의 개체 분리는 매우 어려우며, 비용적으로도 맞지 않기 때문에 실시되고 있지 않다. 이에 대해 제안되고 있는 순환 시스템은 합금성분을 고려한 스크랩의 분별회수와 배합의 최적화(스크랩 소팅)이다. 스크랩 소팅을 실시함으로써 스크랩 중의 합금성분을 활용함에 따라 페로알로이(합금철) 등의 1차 자원의 투입량 절감을 기대할 수 있다. 구체적으로는 [그림 4]에서도 알 수 있듯이 니켈, 몰리브덴, 코발트 등의 금속상에 대한 분배 경향이 강한 원소에 대해서는 합금성분의 첨가용도인 페로알로이 등의 절감을 기대할 수 있다. 또 슬래그상에 대한 분배 경향이 강한 망간에 있어서는 탈산제로 이용되는 페로망간 및 알루미늄의 절감을 기대할 수 있다. 또한, 철 리사이클과 마찬가지로 후공정에 유효한 불순물 제거 프로세스를 거치지 않는 알루미늄과 마그네슘의 재활용([그림 5] 참조)에 있어서도 이 스크랩 소팅 도입을 통해 1차 자원의 투입량 절감이 기대될 것으로 보인다. 
<Energy News>
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