1. 서 론
국내 탄소중립 실현을 위해 재생에너지인 태양에너지 및 풍력에너지와 전기자동차에 사용되는 배터리 기술의 중요성이 대두되고 있으며, 재생에너지와 에너지 저장 장치 기술을 포괄하는 탄소중립 기술은 다종 다량의 금속이 필요하다1). 은(Ag)은 물리적, 화학적 특성이 우수하여 전기･전자, 태양광 모듈 등 다양한 분야에서 사용되고 있다2).
2022년 World Silver Survey에 의하면 수요처별 비중은 투자목적 26%, 장신구 17%, 태양광발전 11%, 은 식기류 4% 등으로 산업용 수요가 전체의 48% 수준이다3).
국내 2018년 기준 전기전자 분야에서는 249백만 톤이 요구되고 있으며, 태양광 모듈용으로는 81백만 톤의 수요가 요구되고 있다. 현재 태양광 모듈 설치의 급증으로 해당 분야의 은 사용량 또한 증가하고 있는 추세이다2).
그러나 우리나라의 금속광의 자급률은 2021년 기준 약 0.5% 불과하며, 금속광의 경우 대부분의 수요량을 수입에 의존하고 있다. 금속자원 중 은광의 국내 자급률은 2.2%로 매우 낮은 실정이다4).
2021년 기준 은 수입량은 전년 대비 약 11% 증가한 약 99.7만 kg로 나타났으며, 그 중 은 봉･형재의 수입량은 약 4.1만kg으로 전년 대비 약 32% 증가하였다. 주로 산업용으로 소비되고 있으며, 국내 산업 수요 증가로 봉･형재 수입량이 증가한 것으로 나타났다4).
선진국뿐만 아니라 신흥경제국들의 자원･에너지에 대한 소비 급증으로 인해 매장량이 유한한 천연자원 고갈 및 폐기물 증가에 의한 환경문제 등이 발생하고 있으며, 이를 개선하기 위해서는 지속가능한 생산과 소비, 자원의 효율적 사용을 위한 국내 자원순환 산업의 경쟁력 확보가 절실히 필요하다5).
2018년 「제1차 자원순환기본계획」은 “자원의 선순환으로 지속가능한 순환경제 실현”이라는 비전하에 순환이용률 향상을 위한 폐금속 자원의 회수를 강조하고 있다6). 그러나, 현재 은 자원순환율 및 재자원화율은 2011년 기준 각각 67.7%, 90.3%, 2016년 기준 각각 37.6%, 85.7%로 2011년 대비 감소하는 추세이다7).
현재 금속가공업체 폐수처리 공정은 대부분 물리･화학적 공정으로 산화･환원 및 응집･침전법을 이용하고 있으며8), 은 재자원화 공정(이하 기존 공정)은 투입시스템 및 반응조건이 최적화되어 있지 않다. 이로 인해 은의 회수율이 낮아 다량의 폐액이 발생하고 많은 양의 에너지 및 화학물질이 사용되고 있어 공정의 개선이 필요한 실정이다.
따라서, 본 연구에서는 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 활용하여 폐도금액 내 유가금속 회수공정 투입시스템 개발 및 반응조건 개선에 따른 환경영향을 비교 분석하고자 한다.
2. 연구 방법
본 연구에서 폐도금액내 재자원화 공정 개선을 통해 기존 대비 환경영향을 산출하여 비교 분석하고자 한다. 이를 위해 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessment) 국제/국가 표준을 기반을 활용하였다.
LCA는 제품의 전과정에 걸쳐 제품시스템에 투입물 및 산출물의 양을 정량화하여 환경에 미치는 영향을 평가하고 이를 통해 환경개선 방안을 모색하는 평가 기법이다9).
LCA 수행 절차는 목적 및 범위 설정(Goal and Scope Definition), 전과정 목록분석(Life cycle Inventory Analysis), 전과정영향평가(Life cycle Impact Assessment), 결과 해석(Interpretation)으로 구성된다9).
2.1. 목적 및 범위 설정
본 연구의 목적 및 범위 설정은 Table 1에 나타내었으며, 목적은 폐도금액내 은 회수공정의 기존 및 개선 시의 환경영향 비교 분석으로 설정하였다. 또한, 대상 제품은 재자원화된 은으로 기능단위는 1 kg로 설정하였으며, 시스템경계는 수송단계를 포함하여 재자원화 공정 개선에 따른 전･후의 환경영향 비교 분석으로 제조전 단계 및 제조단계(Cradle to Gate)로 설정하였다.
Table 1
Goal and Scope Definition
2.2. 데이터 수집 및 전과정 목록분석
재자원화된 은 1 kg 기준으로 수집한 기존 및 개선 공정의 투입물/산출물 자료를 Table 2에 나타내었다. 환경영향 산정을 위해 은 재자원화공정인 A공장 및 B공장을 대상으로 데이터수집을 하였으며, A공장에서 사전 작업 후 은이 반제품으로 배출되고 이를 B공장으로 이동해 나머지 작업을 수행한다. 은 재자원화 공정에는 공통으로 질산, 에탄올, 가성소다 등 원료물질이 투입되며, 유틸리티는 상수 및 전기가 사용되고 있어 A공장 및 B공장에서 발생하는 투입물 및 산출물을 별도로 구분하지 않고 한 공장에서 재자원화하는 것으로 가정하여 산출하였다.
Table 2
Inventory analysis of current and improvement silver recycling process
폐도금액(은 함유) 수송 단계는 3개 공급업체가 존재하여 공급비율이 50% 이상인 한 업체를 기준으로 최단거리를 산정하여 적용하였다10).
반제품 은 수송은 경유승용차를 이용하고 있어 2006 IPCC Guideline11)에 제시된 이동 연소 Tier 1을 활용하였으며, 수송 거리에 따른 경유 사용량은 식(1)을 활용하였다. 경유 승용차의 연비는 평균 10 km/L, 수송 거리는 사업장 간 최단 편도거리 5 km로 월 2회 수송하는 것으로 가정하여, 10 km로 적용하였다.
여기서, : 수송 거리에 따른 연료 사용량
원료 및 에너지 생산, 폐기물처리, 수송의 적용된 DB, 출처를 Table 3에 나타내었으며, 국내외 LCI DB를 활용하였다.
Table 3
Applied LCI DB and sources
| Type | Material | LCI DB | Source |
|
Raw material and energy production | Urea (CO(NH2)2) | urea production RoW | ecoinvent 3.812) |
| Borax (Na2B4O5(OH)4∙8H2O) | borax production, anhydrous, powder | ||
| Nitric acid (HNO3) | Nitric Acids | Korea National LCI DB13) | |
| Ethanol (CH3CH2OH) | Edible Ethanol | ||
| Sodium hydroxide (NaOH) | Caustic soda(50%) | ||
| Sodium nitrate (NaNO3) | Sodium nitrate | ||
| Water | DrinkingWater | ||
| Electricity | Electricity | ||
| Waste treatment | Waste water | waste water treatment | |
| Spent liquor | hazardous waste landfill | ||
| Transport | Truck | road transportation-truck | |
| Diesel car | - | 2006 IPCC Guideline |
2.3. 전과정 영향평가
전과정영향평가는 전과정 목록분석 결과를 바탕으로 환경영향을 해석하는 것으로 영향범주와 지표를 이용하여 LCI 결과를 환경적 관점에서 평가하여 제품 시스템을 분석 및 조사하는 단계이다.
영향범주는 탄소발자국(Global Warming Potential, GWP), 자원발자국(Abiotic Depletion Potential, ADP), 오존층영향(Ozone Depletion Potential, ODP), 산성비(Acification Potential, AP), 부영양화(Eutrophication, EP), 광화학스모그(Photochemical Ozone Creation Potential, POCP), 물발자국(Water Footprint, WF) 7개로 구성되어 있다.
본 연구에서는 물발자국을 제외한 6대 영향범주에 대해 환경영향을 분석하였으며, Table 4에 환경성적표지 및 ecoinvent 배출계수를 나타내었다.
Table 4
Evaluation coefficient
3. 전과정 영향평가 결과
재자원화된 은 1 kg 기준 6대 영향범주의 환경영향평가 결과를 Table 5-1, 5-2에 나타내었다.
그 결과, GWP의 기존 및 개선 공정의 영향은 각각 1.08E+03 kg CO2 eq./kg 및 5.49E+02 kg CO2 eq./kg으로 가장 높게 나타났다. ADP의 경우는 기존 및 개선 공정의 영향은 각각 2.53E+00 kg CO2 eq./kg 및 8.37E-01 kg Sb eq./kg으로 두 번째로 높게 나타났다. 나머지 영향범주는 AP, EP, PDCP, ODP 순으로 환경영향이 높은 것으로 나타났다. 6대 영향범주 중 GWP 및 ADP가 가장 높게 나와 두 영향범주를 중심으로 물질별 환경영향평가 결과를 다음과 같이 도출하였다.
물질 중 폐액 처리 GWP는 기존 및 개선 공정에서 8.44E+02 kg CO2 eq./kg 및 5.11E+02 kg CO2 eq./kg로 가장 높게 차지하는 것으로 나타났다.
전기, 상수의 GWP는 각각 기존 공정에서 1.94E+02 kg CO2 eq./kg, 2.68E-01 kg CO2 eq./kg 및 1.18E-01 kg CO2 eq./kg로 나타났으며, 개선 공정은 3.10E+00 kg CO2 eq./kg, 1.96E-02 kg CO2 eq./kg 및 5.62E-02 kg CO2 eq./kg로 기존 대비 크게 저감된 것으로 나타났다.
가성소다의 경우 GWP는 기존 공정 2.97E-01 kg CO2 eq./kg, 개선 공정 4.84E-01 kg CO2 eq./kg로 기존 대비 약 1.87E-01 kg CO2-eq/kg 증가하였다. 또한, ADP도 기존 공정은 2.53E+00 kg Sb eq./kg, 개선 공정은 8.37E-01 kg Sb eq./kg로 약 3.91E+01 kg Sb eq./kg 정도 증가한 것으로 확인되었다.
Table 5-1
LCA Results
Table 5-2
LCA Results
전과정 영향평가 결과에 따른 온실가스 저감량 및 자원 저감량을 Table 6에 나타났다. 기존 공정 대비 온실가스 저감량은 5.31E+02 kg CO2 eq./kg, 자원 사용 저감량은 1.69E+00 kg Sb eq./kg로 나타났으며, 각각 약 49% 및 67% 정도 감소한 것으로 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서는 폐도금액내 은의 기존 및 재자원화 공정 개선에 따른 환경영향평가 결과를 비교 분석하였다. 수행 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
환경영향평가 결과, 6대 영향범주 중 GWP가 가장 높게 나타났으며, 나머지 영향범주는 ADP, AP, EP, PDCP, ODP 순으로 나타났다. GWP 및 ADP가 가장 높게 나와 두 영향범주를 중심으로 결론을 다음과 같이 나타내었다.
GWP 저감량은 5.31E+02 kg CO2 eq./kg으로 약 49% 감소하였으며, ADP는 1.69E+00 kg Sb eq./kg으로 약 67% 감소하였다.
물질 중 폐액 처리 GWP가 가장 높게 차지하며, 이는 폐액이 구리 및 기타 금속 등을 함유하고 있어 높게 나타난 것으로 확인되었다. 특히 구리는 유가금속으로 구리를 함유한 유독성 중금속 침전물을 매립할 시 환경오염 문제를 야기한다14). 따라서 향후, 기술 개발을 통해 은 추출뿐만 아니라 구리 및 기타 금속 등을 회수 또한 처리하여 온실가스 발생량을 저감할 필요성이 있다고 판단된다.
전기, 상수의 GWP는 기존 공정 대비 개선 공정에 따른 저감 비율은 각각 약 98%, 93%로 나타났다. 이를 통해 에너지를 최소화하여 화석연료에 대한 의존도를 낮출 수 있다. 또한, 전체 온실가스 배출량의 약 87%를 차지하고 있는 에너지 부문15)을 재자원화 기술을 통해 저탄소 시스템으로 전환하여 온실가스 저감에 기여한다.
가성소다 GWP의 경우 순도 향상을 위해 강알칼리(가성소다) 세정제 사용량을 증가시켜 기존 공정 대비 약 1.87E-01 kg CO2-eq/kg 증가하였으며, ADP 또한 약 3.91E+01 kg Sb eq./kg 정도 증가하였다. 그러나 가성소다를 제외한 화학물질은 개선 공정을 통해 질산 약 36%, 에탄올 28%, 요소 50%, 질산나트륨 47%, 붕사 52%로 절감한 것으로 나타났다.
또한, 물질/에너지 절감 효과는 재자원화된 은 1 kg 기준 상수가 1,047 kg으로 가장 많이 절감되었으며, 전기 385 kWh, 폐액 185 kg 및 폐수 164 kg 등 순으로 절감 효과가 나타났다.
따라서, 본 연구를 통해 재자원화 기술의 발전은 은 재자원화율 향상, 물질 및 에너지의 사용을 절감하여 온실가스 배출량 저감, 자원 사용 절감이 가능한 것으로 나타났다. 이는 저탄소 산업구조로의 전환과 도시광산산업에서 자원생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
