[기획/창조경제, 신소재 산업이 답이다] ③ 포스코 리튬 사업<하>
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▲포스코는 지질자원연구소 등과 함께 경제성 있는 리튬 추출 방법을 개발했다. 그림은 리튬추출플랜트의 모습. <사진=지질자원연구소> |
[에너지경제 안희민 기자] 리튬은 전기자동차·휴대폰·노트북 등에 사용되는 이차전지의 원료이며 차세대 핵융합 발전원료 등으로 사용할 수 있는 자원이다.
현재 칠레·중국 등 일부 국가에만 편중돼 있는 데다 육상에서 상업적으로 채광 가능한 물량이 410만톤 정도로 10년 내 고갈될 것으로 전망돼 세계 각국이 리튬 확보경쟁을 벌이고 있다. 이에 따라 국토해양부와 한국지질자원연구원은 2000년부터 ‘해양 용존 자원 추출기술 개발’을 추진해 2009년 바닷물에서 리튬을 추출하는 원천기술을 확보하는 데 성공했다.
◇포스코, 해수와 염수에서 리튬 추출 성공- 포스코는 2010년 국토해양부·한국지질자원연구원과 해양 리튬 추출기술 상용화를 위한 공동 연구개발 사업 협정을 체결했다. 국토해양부와 2010년부터 2014년까지 5년간 각각 150억원씩 300억원을 투자해 한국지질자원연구원과 포항산업과학연구원(RIST)이 탄산리튬 생산 상용화 플랜트 구축에 필요한 연구개발을 맡기로 했다.
2010년 포스코는 강릉시 옥계면에서 ‘해수용존 리튬자원 연구시설 및 실증플랜트 건설사업’ 기공식을 가지고 해수용존 리튬자원 상용화 기술개발을 본격화하고 2011년 강릉시 옥계면에 ‘해수리튬연구센터‘를 준공해 바닷물에 미량(농도 0.17㎎/ℓ) 녹아 있는 리튬을 상업적으로 추출하는 기술개발에 착수했다.
해수리튬연구센터는 리튬추출 상용화 기술을 연구할 연구동과 고순도 탄산리튬 제조공정을 개발할 실험동으로 구성, 해상에는 바닷물에 녹아 있는 리튬을 흡·탈착할 플랜트를 설치, 실제 해역에서 실증연구를 수행했다.
2012년 포스코는 리스트(RIST)에서 볼리비아 우유니염호 염수에 화학반응을 일으켜 리튬을 직접 추출하는 기술을 시연했다.
이 기술은 염수에 화학반응을 일으켜 리튬을 추출하는 방식으로, 생산까지 걸리는 기간도 종전 자연증발 방식이 약 12개월인 데 비해 1개월 이내로 단축했으며 소량은 8시간이면 추출이 가능하다. 리튬 회수율도 종전 50%에서 80% 이상으로 향상했으며 염수에 녹아 있는 마그네슘·칼슘·칼륨·붕소 등 다른 고부가가치 원소의 동시 분리 추출도 가능하다.
2013년 3월엔 칠레 관계자들을 대상으로 포스코 고유의 리튬 추출기술을 시연했다. 마침내 지난 해 12월 아르헨티나 북부 후후이주 카우차리 염호 인근에서 세계 최초로 개발한 리튬 직접 추출기술 대용량 실증 플랜트 준공식을 치뤘다. 이로서 포스코 고유 추출 기술이 적용된 대용량 실증플랜트는 탄산리튬 연 200톤 생산이 가능하게 됐다.
실증 플랜트는 2014년 8월 플랜트 설비가 한국에서 출발한 뒤 약 4개월의 운송과 건설 기간을 거쳐 완성됐으며, 이후 정상 가동을 통해 리튬 직접 추출기술의 최종 검증을 완료할 계획이다.
◇ 볼리비아를 사로잡은 리튬 추출 방법은- 포스코는 그동안 리튬 추출 주요 기술 30여 건을 국내외에 특허출원해 지적재산권 확보를 통해 기술경쟁력을 높여왔다.
특히, 포스코의 탄산리튬 기술 중 가장 의미 깊은 건 볼리비아 우유니 염호의 염수로부터 탄산리튬을 추출하는 기술이다.
산업연구원의 보고에 따르면 유유니 염호는 세계최대(50%) 리튬 매장량이지만 칠레 아타카마 염호보다 품질이 낮아 경쟁력이 떨어지고, 추운 고지대에 위치해 있는 데다 빈약한 인프라로 인해 상품화까지 개발여건이 매우 취약하다.
우유니염호는 표고가 3700m로 일본 후지산과 비슷한 높이며 면적이 1만2000km2로 경기도 크기의 광대한 소금호수다. 이곳에 전세계 리튬 매장량의 40%이상이 담겨 있다.
하지만 리튬농도가 낮은 단점이 있다. 우유니 염호의 리튬 농도는 0.035%로 칠레의 아타카마 0.15%는 물론 동해 0.17%보다 낮다. 게다가 마그네슘 비률이 21.5%로 아타카마 6.4%보다 현격히 높다. 마그네슘은 추출하는데 비용이 리튬보다 비싼 금속으로 알려져 있다. 염수에서 리튬을 추출하려면 마그네슘을 먼저 추출해야 한다.
게다가 우유니 염호 인근의 도로, 전력, 용수 등 기본적인 사회 인프라가 최악인 것으로 알려졌다.
따라서 원가 절감이 필수로 떠올라 다양한 공법이 개발됐다. 우유니 염호의 특성에 맞춰 개발된 공법은 침전 회수공정, 선택흡착재에 의한 리튬 회수공정, 신규 응용공정 등이다.
침전 회수공정은 수차례 정제를 통해 불순물인 마그네슘 이온, 황산이온, 붕소 이온과 화학적 정제공정에 투입된 칼슘성분을 제거 후 농축공정을 통해 염수 중 리튬함량을 높이는 방식이다.
불순물이 제거되고 고농도로 리튬이온이 농축된 염수를 탄산화해 탄산리튬을 제조하고 회수된 탄산리튬에 함유된 미량의 불순물을 제거해 탄산리튬의 순도를 높인다.
선택흡작제에 의한 리튬 회수공정은 리튬흡착제를 이용해 염수에서 리튬을 농축, 회수해 불순물을 제거하는 방식이다.
염수에서 마그네슘을 제거하는 마그네슘 석출 단계, 마그네슘이 제거된 염수에서 흡착제를 이용해 리튬을 회수, 농축하는 리튬 흡탈착 단계, 흡탈착을 통해 얻어진 리튬 용액을 탄산리튬 제조가 용이하도록 리튬 농도를 높이는 농축 단계와 탄산리튬 제조 단계 등 4단계로 이뤄진다. 마그네슘을 수산화물 형태로 제고해 마그네슘 산화물 제조에 이용해 공정의 경제성을 높이는게 특징이다.
신규 응용공정은 기존 공정과 달리 염수를 증발시키지 않고 염수로부터 리튬을 선택적으로 분리하는 것이 핵심기술이다. 염수 농축과정에서 석출물에 함유된 리튬과 황산리튬칼륨 등 리튬을 함유하는 화합물의 침전에 의한 리튬 손실을 방지해 리튬 회수율이 매우 높다.
특히 탄산리튬 회수를 방해하는 마그네슘과 칼슘을 리튬 추출이전에 추출하고 나트륨을 배제해 리튬의 회수율을 극대화하다. 이 공법을 통해 얻어지는 탄산리튬의 순도는 99.9% 이상이며 리튬 회수율을 86.1%다.
아울러 부산물의 부가가치를 높여 경제성을 높였다. 부산물 가운데 대표적인 것이 칼륨이다. 칼륨은 지표에 7번째로 많은 물질로 식물의 생장에 중요한 원소다. 볼리비아는 포스코로부터 칼륨을 비료로 공급받아 경제적 이득도 취했다.
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