Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers ISSN:2288-0291(Print) 2288-2790(Online) 한국자원공학회지

폐 NdFeB 자석으로부터 공융용매를 활용한 희토류 침출 거동 연구를 수행하였다. 8개의 공융용매를 제조하여 Nd₂O₃, Fe, Fe₂O₃ 등 Nd, Fe 화합물에 대한 기초 침출 거동 실험을 우선 수행하였다. Nd₂O₃에 대한 침출 결과 GUC-LAC, ChCl-LAC, EG-MA 등 3가지 공융용매를 침출제로 사용 시 64-100%의 Nd 침출율을 획득하였다. 해당 3개의 용매를 사용하여 Fe, Fe₂O₃에 대한 침출을 수행한 결과, Fe는 모든 용매에서 94% 이상의 높은 침출율을 나타낸 반면, Fe₂O₃는 용매에 상관없이 침출율이 7% 이하로 낮게 나타났다. 기초 연구 결과를 토대로 NdFeB 자석에 대해 산화배소 유무에 따른 침출 실험을 수행한 결과 산화배소 후 NdFeO₃ 복합 산화물 형성으로 인해 Nd, Fe의 침출율이 각각 27%, 4.7%로 전처리하지 않은 자석의 침출에 비해 현저히 낮은 수준을 나타내었다. 따라서 NdFeB 자석에서 Nd를 선택적으로 회수하기 위해서는 적절한 전처리 방법의 적용을 통해 Nd₂O₃ 및 Fe₂O₃와 같이 각 산화물로의 상분리가 우선 진행되어야 함을 확인하였다.

배터리 필수 원자재인 리튬은 성인에 따라 세 유형(경암형;hard rock-type, 염수형;brine-type, 점토형;clay-type)으로 구분되며, 이중, 경암형인 LCT(Lithium-Cesium-Tantalum)형 페그마타이트는 생산 및 개발 효율 측면에서 가장 우수하다. LCT형 페그마타이트 탐사는 근원암(퇴적기원의 화강암)과 희유원소(Li, Cs, Ta, Be, Sn, Ta>Nb, B, P, F 등) 부화특성, 근원 화성암체의 분포, 지구조적 환경파악 및 지질연대 측정 등의 연구를 바탕으로 적절한 탐사기법이 적용되어야 하며, 이행 과정은 다음과 같다: 1) 사전 문헌조사, 2) 광역 지리정보 취득 및 대상지 위치 선정, 3) 지질조사 및 광물학적 정보 취득, 4) 리튬 페그마타이트의 정밀 지화학 분석 및 성인연구. 국내 LCT형 페그마타이트 광상은 경상북도 울진군에 부존하여, 산출특성을 고려한 다양한 탐사기법(광역 지구물리, 지화학 탐사, 구조지질, 정밀화학분석)을 적용한 연구가 진행되고 있어, 향후 탐사자료에 기반한 3차원 광체 모델 구축으로 리튬 잠재자원량을 예측하고자 한다.

니켈 라테라이트 광상의 시추 조사 과정에서 획득한 MWD 자료에 대한 경향성 및 상관관계분석을 통해 광상을 구성하는 주된 암상인 리모나이트와 사프로라이트, 그리고 기반암의 경계를 추정하였다. 동일한 시추공에서 획득된 MWD 자료 중 지층 굴진 과정에서 측정된 자료만을 추출하여 암상 경계 추출에 사용하였다. 사프로라이트와 기반암의 경계는 시간별 굴진거리의 추세선 기울기로부터 계산된 평균 굴진 속도의 변화 양상을 이용하여 추정하였다. 리모나이트와 사프로라이트의 경계는 MWD 자료 중 암상별로 상관관계값의 부호가 다른 ‘들어올리는 압력’과 ‘회전 압력’ 자료를 이용하여 추정하였다. MWD 자료를 이용한 암상 경계 추정 결과를 실험실 XRF 분석 결과를 이용하여 도출한 암상 분류 결과와 비교함으로써, 현장에서 측정된 MWD 자료를 이용한 암상 경계면 추정 방법의 유효성을 검토하였다.

탄소 중립을 통한 기후 위기 대응의 중요성이 높아짐에 따라 전기와 같은 친환경 에너지로의 전환이 빨라지고 있다. 이로 인해 전기화에 필수적인 배터리 원료와 첨단 산업에 필수적인 희토류와 같은 핵심광물에 대한 수요가 급증하고 있다. 따라서 핵심광물 공급망의 안정적 확보는 국가의 지속 가능한 발전에 있어 매우 중요하다. 이에 한국지질자원연구원은 아직 광상 성인 및 이에 특화된 탐사기술이 확립되지 않은 핵심광물 탐사의 기반 및 DB 구축을 위해 탐사 효율을 높이고 전 세계 어디에서도 탐사 자료를 공유할 수 있는 광물자원 데이터 플랫폼을 개발하였으며 본 논문에 그 내용을 소개하였다.

현재 상업적으로 회수되고 있는 리튬 공급량은 이미 한계에 도달하였고 이를 극복하기 위해 지열수, 유전염호 등과 같은 리튬을 함유한 저농도 염호로부터 리튬을 회수하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 고품위 염호를 대상으로 적용되는 자연증발/농축 기반의 상용화 공정의 경우 저농도 염호에 적용하기에는 한계를 지녀, 이를 대체할 수 있는 DLE(Direct Li Extraction) 기술이 제시되고 있다. DLE 기술은 저품위 염호( Li conc.<1000 ppm)으로부터 리튬을 회수할 수 있는 침전법, 용매추출법, 흡착법 등과 같은 비증발 리튬추출기술을 적용해 리튬을 회수하는 방법으로 기존 자연증발농축법의 단점인 긴 공정시간, 생산량 한계를 극복할 수 있는 기술로써 중요성이 확대되고 있다. 본 논문에서는 리튬회수기술 현황 및 최근 활발히 진행되고 있는 DLE 기술 개발 동향분석을 통해 환경성/경제성을 확보할 수 있는 DLE 기술 개발 방향성을 제시하고자 한다.

텅스텐은 전기전도도와 열전도도가 우수하고, 내마모성과 내식성이 강하며, 고온열팽창율이 낮은 고융점 금속이라는 특성으로 인해, 초경합금, 특수강 등의 재료로 많이 활용되고 있는 자원이다. 최근 4차 산업혁명 시대를 맞아 첨단로봇, 항공우주공학 분야와 같은 첨단산업이 발전함에 따라 그 수요가 증가될 것으로 예상된다. 경제적 개발 가치가 있는 텅스텐광은 회중석과 철망간중석이 있으며, 중국, 오스트리아, 러시아에 약 73%가 부존되어 있고, 국내에도 강원도 영월 상동지역에 매장되어 있는 것으로 확인되었다. 현재 텅스텐 자원은 전량 수입에 의존하고 있으며, 가격의 지속적인 상승과 원료 확보가 어려워 지속적인 관심을 가지고 기술 개발이 필요한 실정이다.

탄소 중립 목표와 에너지 전환으로 인해 전기차와 이차전지, 신재생에너지에 필요한 핵심광물(critical minerals)의 수요가 급증하고 있다. 급격한 수요 증가에 따른 공급부족과 함께 지정학적 긴장 상황이 전략 산업의 원자재 공급망에 영향을 주는 가운데, 미국과 유럽은 안정적인 공급망을 유지하고 내수시장을 활성화하기 위한 다양한 법안을 제정하고 있다. 또한, 핵심광물의 공급망은 산업, 외교, 무역 등 긴밀한 부처간·국가간 협력이 필요한 분야로 효과적인 정책 이행을 위한 거버넌스 체계가 필수적이다. 본 연구에서는 미국과 유럽의 핵심광물 현황과 관련 법안, 공급망 안정화를 위한 정책에 대해 분석하였다. 또한, 미 백악관과 EU 집행위원회가 중심이 되고 있는 미국과 유럽의 핵심광물 정책 거버넌스와 비교하여 한국 거버넌스의 현황과 문제점, 강력한 거버넌스 체계를 위한 전략을 제시하였다.

탄소중립 정책으로 국내 석탄산업이 축소되면서, 폐석탄광을 이산화탄소 지중저장소로 활용하는 대안이 제시되고 있다. 본 연구는 2023년 6월 폐광된 화순탄광의 이산화탄소 저장소로의 활용을 목적으로 현장 석탄시료에 대한 입자크기와 이산화탄소 흡착량간의 관계를 조사하였다. 그 결과 석탄입자가 작을수록 이산화탄소 흡착량이 증가하였고, 최대흡착량은 67.74에서 262.19 m³/ton로 측정되어 상당히 높은 흡착성을 보이는 것으로 나타났다. 다만, 초임계 상태의 이산화탄소를 주입하기 위해서는 800 m이상의 주입심도가 필요하며, 화순탄광의 경우 주가행심도가 560 m이므로 하부지층에 대한 탐사와 저장지층 흡착 능력 평가, 인근 이산화탄소 배출원과의 연계가 필요하다. 심도 800 m이상에서 화순탄광 석탄층의 두께를 1 m로 가정하면, 주입정 하나당 최소 2.7만 톤에서 32만 톤의 이산화탄소가 저장할 수 있는 것으로 판단되었다. 또한 갱도 하부의 미채광 석탄층 또는 사암층에 이산화탄소를 주입하면 상부로의 누출이 발생한다고 하더라도 석탄의 높은 이산화탄소 흡착성으로 인해 누출을 효과적으로 방지할 것으로 기대된다.

전기비저항 탐사법은 광물탐사, 환경, 지하 안전 분야 등에서 중요한 물리탐사법으로 활용된다. 주로 지표에서 수행하지만, 깊은 심도의 매질에 대한 고해상도 정보를 얻기 위해 시추공 간 또는 지표와 시추공 사이에 토모그래피를 수행하기도 한다. 이러한 시추공 연계 탐사법은 지표 탐사법과 전극 배열법 및 민감도가 다르기 때문에, 전극 배열법이나 측정 환경의 차이로 인해 발생하는 문제점들을 고려해야 한다. 본 연구에서는 기존 시추공 연계 전기비저항 탐사법의 다양한 전극 배열법에 대해서 정리하고 이에 따른 자료 특성을 분석하였다. 또한, 시추공 전기비저항 탐사 자료에서 발생하는 왜곡과 이 영향을 감소시킬 수 있는 해결 방안을 분석하였다. 시추공 전기비저항 탐사를 활용한 연구 사례를 소개하고자 한다.

사용후핵연료 등의 고준위 방사성 폐기물을 안전하게 처리하기 위한, 지하 수백 m 암반내에 격리하는 심층처분장을 안정적으로 운영하기 위해서는 지하연구시설에서 현장 실험을 수행하여 검증하는 과정이 필요하다. 특히, 부지 선정 단계부터 운영 단계에 걸쳐, 심층처분장에서 방사성 핵종이 생태계로 누출되는 주요 경로인 균열 및 지하수 흐름을 파악할 수 있어야 한다. 이를 위해, 지하 매질의 물성을 파악할 수 있는 다양한 물리탐사 기법들을 활용함으로써 심층처분장 및 지하연구시설에서 구조지질학적, 수리지질학적, 열응력 영향, 공학적 방벽 등을 평가할 수 있다. 국내외 지하연구시설에서 수행된 물리탐사 적용 연구의 다양한 사례들을 분석한 결과, 물리탐사는 심층처분장을 안정적으로 관리하고 평가하는 데 있어 충분히 유용하고 효과적임을 알 수 있었다.

사용후핵연료 심층처분장 처분부지 모암으로 결정질암반과 퇴적암반이 선호되고 있다. 본 연구에서는 퇴적암반에서의 스위스 사례와 결정질암반에서의 스웨덴과 캐나다 사례를 검토하였다. 스위스는 반사법탐사 적용을 통해 처분부지 후보모암을 Opalinus clay 지층으로 결정하고 Opalinus clay 지층을 포함한 중생대 퇴적층의 경계를 고분해능으로 영상화하였다. 또한, 3차원 반사법탐사를 적용하여 Opalinus clay 지층의 분포와 소규모 단층 정보를 파악하였다. 스웨덴은 Forsmark 부지에 반사법탐사를 적용하여 부지 내부에 분포하는 변형구조 렌즈에 대한 지질학적인 정보를 파악하였으며, 부지인근에 분포하는 3가지 변형대에 대한 지질구조를 파악하였다. 캐나다는 Ignace 부지에 반사법탐사를 적용하여 부지 인근에 분포하는 반사체의 분포위치, 경사각 등 지질구조에 대한 정보를 파악하였다.

이 연구에서는 국내 최초의 CCS 실증사업으로 추진되고 있는 동해-1 고갈 가스전 대상의 이산화탄소 주입에 대한 저장용량 평가를 수행하였다. 기존의 동해가스전 탄성파 자료 및 시추공 자료 등을 활용하여 동해-1 가스전의 신규 저류층 모델을 구축하였으며 이를 활용하여 다양한 주입 시나리오에 따른 이산화탄소 주입 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 수행 결과, 동해-1 가스전을 활용한 CCS 실증사업의 초기 목표인 연간 40만 톤의 이산화탄소를 최대 약 28년간 안정적으로 주입할 수 있는 저장용량을 가진 것으로 나타났으며 지구역학 시뮬레이션 연구 등 추가 연구 결과들과 함께 실증사업의 기초자료로 활용할 예정이다.

본 연구에서 석유/가스 회수증진 사업을 포함한 미국과 캐나다의 탄소시장 현황을 분석하였다. 미국 캘리포니아 배출권 거래제도의 감축실적으로 전환가능한 자발적 탄소시장인 American Carbon Registry (ACR)과 캐나다 앨버타 주정부의 온실가스 감축실적 시스템(AEOR)에서 석유회수증진과 염대수층 대상 이산화탄소 저장 방법론을 확인하였다. ACR은 천연가스 저류층도 저장소로 제시하였다. 미국의 종료된 EOR-CCS 사례에서 1,748~7,675백만 톤, 캐나다의 종료/진행 중인 사례에서 30~3,040백만 톤의 막대한 온실가스 감축량을 확인하였다. 석유회수증진 혹은 수소 생산 연계 사업이 캐나다 대표 CCS사업으로 현재도 추진되고 있다. 미국과 캐나다의 넷제로 정책에서도 석유/천연가스 생산과 CCS 및 수소생산과 연계하는 인프라 구축 및 연구개발, 실증사업이 활발히 진행되고 있다. 국내 천연가스, 수소 에너지 공급과 연계한 미국 및 캐나다 대상 CCS사업은 천연가스, 수소의 새로운 국외 공급원을 확보하고 국내에서 포집된 이산화탄소의 국외 처분 또한 가능하다.