자원순환: 알루미늄 생산 시 잔류 슬러지에서 철 추출 (영상)
- 기술 / 문광주 기자 / 2024-02-04 10:59:18
4'00" 읽기 + 6'57" 영상
- 철강 산업은 전 세계 CO2 배출량의 약 7%에 책임 있다.
- 알루미늄(Al)을 추출할 때 보크사이트에서 Al 추출 후 남은 레드머드(red mud)가 문제
- 매년 약 1억 8천만 톤의 레드머드가 생산, 전 세계적으로 약 40억 톤이 축적
- 실험에서 레드머드에 포함된 산화철의 약 70%가 약 10분 후에 금속철로 환원
두 가지 이점:
새로운 방법은 알루미늄 추출에서 발생하는 독성 적색 슬러지를 무해하게 만들고 철강 생산을 위한 순수한 철을 많이 생산한다. 이는 전기 아크로에서 수소 플라즈마를 사용해 보크사이트 슬러지에 포함된 산화철을 감소시킴으로써 가능해졌다. 몇 분 안에 쉽게 추출할 수 있는 금속성 철이 생성된다. 이 공정은 빠르고 경제적으로 수익성이 높으며 붉은 진흙의 독성 중금속을 무해한 것으로 만든다.
강철과 알루미늄은 현대 사회에서 가장 중요한 금속 원료 중 하나다. 그러나 철강 생산은 결코 환경친화적이고 기후 친화적이지 않다. 철강 산업은 전 세계 CO2 배출량의 약 7%를 책임지고 있으며, 대부분은 산화철광석이 금속철로 환원될 때 배출된다. 알루미늄을 추출할 때 보크사이트에서 알루미늄을 추출한 후 남은 레드머드(red mud)가 문제를 일으킨다. 다양한 금속 산화물과 중금속의 고알칼리성 혼합물은 환경에 해롭고 독성이 있다.
원자재가 풍부하지만 거의 사용되지 않고 있다.
"매년 약 1억 8천만 톤의 레드머드가 생산된다. 이미 전 세계적으로 약 40억 톤이 축적됐다는 의미다"고 뒤셀도르프에 있는 막스 플랑크 철 연구소의 마틱 조비체비츠-클룩(Matic Jovicevic-Klug)와 동료들은 설명했다. 문제는 보크사이트 슬러지에는 최대 60%의 산화철을 포함해 여전히 사용 가능한 원료가 들어있다. 그러나 현재까지 이러한 잔류물을 얻기 위한 레드머드 가공은 너무 복잡하고 비용이 많이 든다. 복잡한 다단계 분리 및 세척 공정이 필요하기 때문이다.
연구진의 설명에 따르면 지금까지 보크사이트 슬러지의 약 3%만이 재활용됐다. 나머지 독성, 부식성 액체는 거대한 대야에 저장되고 때로는 큰 비용을 들여 건조되어 매립지로 보내진다. 이는 환경 위험이 높다. 레드머드 누출로 인해 2010년 헝가리, 2012년 중국에서 여러 차례 재난이 발생했다.
추출 보조제로서의 수소 플라즈마
요비체비치-클루그와 그의 팀이 지금 시연하고 있는 것처럼 다른 방법도 있다. 그들은 간단하고 수익성 있는 방법으로 레드머드에서 산화철을 분리하는 동시에 단 한 단계로 금속철로 환원시키는 방법을 찾았다. Jovicevic-Klug는 “우리 공정은 알루미늄 생산 시 폐기물 문제를 해결하는 동시에 철강 산업의 탄소 배출량을 개선할 수 있다”고 말했다.
이것은 레드머드가 뜨거운 수소 플라즈마와 접촉함으로써 가능해졌다. 아르곤 가스와 10% 수소의 혼합물을 가열해 플라즈마로 만드는 전기 아크로에서 생성된다. 따라서 레드머드는 가열되고 고도로 환원되는 조건에 노출된다. 연구진은 실험에서 레드머드의 변화를 직접적으로 모니터링할 수 있도록 소규모로 플라즈마 감소를 수행했다.
녹은 철로 만들어진 작은 구슬
이는 사실로 밝혀졌다. 단 1분 만에 뜨거운 수소 플라즈마가 레드머드의 첫 번째 화학적 변화를 촉발했다. 주로 적철석(Fe2O3)으로 존재하는 산화철은 먼저 열에 의해 분해되어 티타노자석(Fe2.5Ti0.5O4)으로 변환된다고 연구진은 설명했다. 그러면 플라즈마는 이 중간 생성물을 더욱 감소시켜 금속 철이 형성된다. 이는 덩어리의 바닥에 모여 쉽게 분리될 수 있는 작은 용융 금속 공을 형성한다.
실험에서 레드머드에 포함된 산화철의 약 70%가 약 10분 후에 금속철로 환원됐다고 연구팀은 밝혔다. Jovicevic-Klug와 그의 동료들은 "다른 철 추출 방법과 비교할 때, 우리의 공정은 평균 철 함량이 95%이고 황, 인, 탄소와 같은 파괴적인 요소가 무시할 수 있는 비율로 포함된 고순도 철을 생성한다"며 “이것은 이 철이 철강 생산에 직접 사용될 수 있다는 것을 의미한다”고 설명했다.
잔여 슬러지는 무해한 건축 자재로 유리화琉璃化
장점으로 플라즈마 감소는 남은 레드머드 잔류물의 pH 값을 감소시켜 알칼리성 대신 중성으로 만든다. 냉각되면 다양한 금속 산화물의 혼합물도 안정된 유리 같은 물질로 응고된다. 여기에 포함된 중금속은 단단히 결합되어 있어 붉은 진흙에서 발생할 수 있는 것처럼 더 물로 씻겨 나갈 수 없다. 이 공정은 또한 알루미늄 생산에서 발생하는 폐기물의 독성 성분을 완화한다.
"잔류물은 콘크리트, 아스팔트, 페인트 및 기타 건축 자재의 충전재 및 결합제로 사용하기에 이상적인 재료를 형성한다"고 연구원은 썼다. 또한 유사한 플라즈마 공정을 사용해 레드머드에서 다른 금속을 추출할 수도 있다. "다른 중금속과 귀금속도 철이나 별도의 영역으로 들어갈 가능성이 높다"고 Jovicevic-Klug는 말했다.
거의 모든 경우에 재정적으로 수익성이 있음
레드머드에서 철을 추출하는 것이 경제적으로도 실행 가능한가? 연구자들은 또한 이 질문을 조사했는데 긍정적인 결과를 얻었다. 수소 및 전기 생산을 위해 재생 가능 에너지를 부분적으로 사용하는 경우 레드머드에 약 50%의 산화철이 포함되어 있으면 이 프로세스는 가치가 있다. 또한 건조 및 매립 저장과 같은 레드머드 폐기 시 일반적으로 발생하는 비용을 고려하면 보크사이트 슬러지의 산화철 함량이 35%이므로 이 프로세스는 수익성이 높다.
"경제적 관점에서 볼 때 이 프로세스는 업계에 새롭고 실용적인 길을 열어줄 수 있다"고 연구팀은 썼다. “철의 환원은 대부분의 레드머드 구성에서 매우 빠르고 수익성이 높다.” 이 공정에 필요한 전기 아크로는 이미 금속 산업에서 널리 사용되고 있으므로 업계에서는 이에 대한 투자가 거의 필요하지 않다.
철강 생산 시 CO2 절감
또한, 이미 전 세계에 축적된 레드머드를 이런 방식으로 재활용한다면, 추출된 철로부터 약 7억 톤에 달하는 CO2-Free 친환경 철강을 생산할 수 있다. 이는 전 세계 연간 철강 생산량의 3분의 1에 해당하며 과학자들이 강조하는 것처럼 기후에 해를 끼치는 이산화탄소를 약 15억 톤 절약할 수 있다. 막스 플랑크 철연구소(Max Planck Institute for Iron Research)의 수석 저자인 디르크 라베(Dierk Raabe)는 "이제 붉은 진흙을 철로 변환하는 플라즈마 환원을 사용하는지는 업계에 달려 있다"고 말했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-023-06901-z)
출처: Max-Planck-Institut für Eisenforschung /막스 플랑크 철연구소
- 철강 산업은 전 세계 CO2 배출량의 약 7%에 책임 있다.
- 알루미늄(Al)을 추출할 때 보크사이트에서 Al 추출 후 남은 레드머드(red mud)가 문제
- 매년 약 1억 8천만 톤의 레드머드가 생산, 전 세계적으로 약 40억 톤이 축적
- 실험에서 레드머드에 포함된 산화철의 약 70%가 약 10분 후에 금속철로 환원
자원순환:철강 산업의 탄소 배출량 감소
유독한 붉은 진흙(red mud)으로 만든 그린 스틸(Green Steel)
수소 플라즈마 환원으로 알루미늄 생산 시 잔류 슬러지에서 철 추출
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| ▲ 알루미늄을 추출할 때 보크사이트에서 알루미늄을 추출한 후 남은 레드머드(red mud)가 문제를 일으킨다. 다양한 금속 산화물과 중금속의 고알칼리성 혼합물은 환경에 해롭고 독성이 있다. |
두 가지 이점:
새로운 방법은 알루미늄 추출에서 발생하는 독성 적색 슬러지를 무해하게 만들고 철강 생산을 위한 순수한 철을 많이 생산한다. 이는 전기 아크로에서 수소 플라즈마를 사용해 보크사이트 슬러지에 포함된 산화철을 감소시킴으로써 가능해졌다. 몇 분 안에 쉽게 추출할 수 있는 금속성 철이 생성된다. 이 공정은 빠르고 경제적으로 수익성이 높으며 붉은 진흙의 독성 중금속을 무해한 것으로 만든다.
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| ▲ a, 알루미늄 생산을 위해 광석이 전기분해를 통해 공급원료인 알루미나와 폐적니(red mud)로 화학적으로 변환되는 보크사이트 채굴 후속 바이엘 공정의 도식적 표현 (출처 Open access Published: 24 January 2024 Green steel from red mud through climate-neutral hydrogen plasma reduction / nature) |
강철과 알루미늄은 현대 사회에서 가장 중요한 금속 원료 중 하나다. 그러나 철강 생산은 결코 환경친화적이고 기후 친화적이지 않다. 철강 산업은 전 세계 CO2 배출량의 약 7%를 책임지고 있으며, 대부분은 산화철광석이 금속철로 환원될 때 배출된다. 알루미늄을 추출할 때 보크사이트에서 알루미늄을 추출한 후 남은 레드머드(red mud)가 문제를 일으킨다. 다양한 금속 산화물과 중금속의 고알칼리성 혼합물은 환경에 해롭고 독성이 있다.
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| ▲ b, 상단, 레드머드를 저장하는 데 사용되는 폐기물 연못의 위성 이미지. 그러한 저수지의 거대한 크기에 대한 참고 자료로 고전 기념물의 개략도가 겹쳐져 있다. 하단, 레드머드 댐이 무너졌을 때 발생한 재앙적인 사건을 보여주는 위성 이미지(왼쪽)와 사진(오른쪽). |
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| ▲ c, 15g의 레드머드 부분을 금속철로 변환하기 위해 여기에서 사용된 수소-플라즈마 기반 공정의 도식적 표현. |
원자재가 풍부하지만 거의 사용되지 않고 있다.
"매년 약 1억 8천만 톤의 레드머드가 생산된다. 이미 전 세계적으로 약 40억 톤이 축적됐다는 의미다"고 뒤셀도르프에 있는 막스 플랑크 철 연구소의 마틱 조비체비츠-클룩(Matic Jovicevic-Klug)와 동료들은 설명했다. 문제는 보크사이트 슬러지에는 최대 60%의 산화철을 포함해 여전히 사용 가능한 원료가 들어있다. 그러나 현재까지 이러한 잔류물을 얻기 위한 레드머드 가공은 너무 복잡하고 비용이 많이 든다. 복잡한 다단계 분리 및 세척 공정이 필요하기 때문이다.
연구진의 설명에 따르면 지금까지 보크사이트 슬러지의 약 3%만이 재활용됐다. 나머지 독성, 부식성 액체는 거대한 대야에 저장되고 때로는 큰 비용을 들여 건조되어 매립지로 보내진다. 이는 환경 위험이 높다. 레드머드 누출로 인해 2010년 헝가리, 2012년 중국에서 여러 차례 재난이 발생했다.
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| ▲ 레드머드 누출로 인해 2010년 헝가리, 2012년 중국에서 여러 차례 재난이 발생했다. |
추출 보조제로서의 수소 플라즈마
요비체비치-클루그와 그의 팀이 지금 시연하고 있는 것처럼 다른 방법도 있다. 그들은 간단하고 수익성 있는 방법으로 레드머드에서 산화철을 분리하는 동시에 단 한 단계로 금속철로 환원시키는 방법을 찾았다. Jovicevic-Klug는 “우리 공정은 알루미늄 생산 시 폐기물 문제를 해결하는 동시에 철강 산업의 탄소 배출량을 개선할 수 있다”고 말했다.
이것은 레드머드가 뜨거운 수소 플라즈마와 접촉함으로써 가능해졌다. 아르곤 가스와 10% 수소의 혼합물을 가열해 플라즈마로 만드는 전기 아크로에서 생성된다. 따라서 레드머드는 가열되고 고도로 환원되는 조건에 노출된다. 연구진은 실험에서 레드머드의 변화를 직접적으로 모니터링할 수 있도록 소규모로 플라즈마 감소를 수행했다.
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| ▲ d, 10분 환원 후 최종 제품으로 변하는 레드머드 분말의 예(고형화된 시료). 생성된 샘플은 기계적 분쇄 및 자기 분리를 통해 잔여 산화물이 풍부한 분말과 철 덩어리로 분리되었다. 산화물 부분은 토목 건축 목적 및 철에서 강철 생산으로 사용될 수 있다. |
녹은 철로 만들어진 작은 구슬
이는 사실로 밝혀졌다. 단 1분 만에 뜨거운 수소 플라즈마가 레드머드의 첫 번째 화학적 변화를 촉발했다. 주로 적철석(Fe2O3)으로 존재하는 산화철은 먼저 열에 의해 분해되어 티타노자석(Fe2.5Ti0.5O4)으로 변환된다고 연구진은 설명했다. 그러면 플라즈마는 이 중간 생성물을 더욱 감소시켜 금속 철이 형성된다. 이는 덩어리의 바닥에 모여 쉽게 분리될 수 있는 작은 용융 금속 공을 형성한다.
실험에서 레드머드에 포함된 산화철의 약 70%가 약 10분 후에 금속철로 환원됐다고 연구팀은 밝혔다. Jovicevic-Klug와 그의 동료들은 "다른 철 추출 방법과 비교할 때, 우리의 공정은 평균 철 함량이 95%이고 황, 인, 탄소와 같은 파괴적인 요소가 무시할 수 있는 비율로 포함된 고순도 철을 생성한다"며 “이것은 이 철이 철강 생산에 직접 사용될 수 있다는 것을 의미한다”고 설명했다.
잔여 슬러지는 무해한 건축 자재로 유리화琉璃化
장점으로 플라즈마 감소는 남은 레드머드 잔류물의 pH 값을 감소시켜 알칼리성 대신 중성으로 만든다. 냉각되면 다양한 금속 산화물의 혼합물도 안정된 유리 같은 물질로 응고된다. 여기에 포함된 중금속은 단단히 결합되어 있어 붉은 진흙에서 발생할 수 있는 것처럼 더 물로 씻겨 나갈 수 없다. 이 공정은 또한 알루미늄 생산에서 발생하는 폐기물의 독성 성분을 완화한다.
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| ▲ e, 단괴 형태로 획득된 Fe와 시료의 산화물 부분 내 Fe 및 O 함량과 관련헤 환원 시간에 따라 추출된 중량 변화를 나타내는 다이어그램이다. |
"잔류물은 콘크리트, 아스팔트, 페인트 및 기타 건축 자재의 충전재 및 결합제로 사용하기에 이상적인 재료를 형성한다"고 연구원은 썼다. 또한 유사한 플라즈마 공정을 사용해 레드머드에서 다른 금속을 추출할 수도 있다. "다른 중금속과 귀금속도 철이나 별도의 영역으로 들어갈 가능성이 높다"고 Jovicevic-Klug는 말했다.
거의 모든 경우에 재정적으로 수익성이 있음
레드머드에서 철을 추출하는 것이 경제적으로도 실행 가능한가? 연구자들은 또한 이 질문을 조사했는데 긍정적인 결과를 얻었다. 수소 및 전기 생산을 위해 재생 가능 에너지를 부분적으로 사용하는 경우 레드머드에 약 50%의 산화철이 포함되어 있으면 이 프로세스는 가치가 있다. 또한 건조 및 매립 저장과 같은 레드머드 폐기 시 일반적으로 발생하는 비용을 고려하면 보크사이트 슬러지의 산화철 함량이 35%이므로 이 프로세스는 수익성이 높다.
"경제적 관점에서 볼 때 이 프로세스는 업계에 새롭고 실용적인 길을 열어줄 수 있다"고 연구팀은 썼다. “철의 환원은 대부분의 레드머드 구성에서 매우 빠르고 수익성이 높다.” 이 공정에 필요한 전기 아크로는 이미 금속 산업에서 널리 사용되고 있으므로 업계에서는 이에 대한 투자가 거의 필요하지 않다.
철강 생산 시 CO2 절감
또한, 이미 전 세계에 축적된 레드머드를 이런 방식으로 재활용한다면, 추출된 철로부터 약 7억 톤에 달하는 CO2-Free 친환경 철강을 생산할 수 있다. 이는 전 세계 연간 철강 생산량의 3분의 1에 해당하며 과학자들이 강조하는 것처럼 기후에 해를 끼치는 이산화탄소를 약 15억 톤 절약할 수 있다. 막스 플랑크 철연구소(Max Planck Institute for Iron Research)의 수석 저자인 디르크 라베(Dierk Raabe)는 "이제 붉은 진흙을 철로 변환하는 플라즈마 환원을 사용하는지는 업계에 달려 있다"고 말했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-023-06901-z)
출처: Max-Planck-Institut für Eisenforschung /막스 플랑크 철연구소
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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