'유용 자원 경석, 소재 자립·고부가화 이끈다'

■경석, 유용한 원료로 부활

경석이란 석탄 채굴과정에서 석탄과 함께 섞여 나오는 암석으로, 석탄 성분이 거의 없어서 폐기되는 저품위 광석을 말한다. 경석은 탄을 찾기 위한 작업 중 굴착작업 과정에서 발생 되는 굴진경석과 석탄 가운데 함유돼 있는 이물질을 제거해 석탄을 생산하는 선탄공정에서 발생하는 선탄경석이 있다. 선탄경석은 기준 열량 2,000kcal/kg 이하의 폐석과 함께 셰일, 혼입암석, 저열량석탄 등이 포함돼 있다.

경석은 광산 운영에서 광물을 캐는 작업에서 필연적으로 발생한다. 갱도 굴착, 탄중협석, 갱도보수, 갱내 주요시설 설치, 갱내 배수로 정비, 선탄 과정, 지상 구조물 구축 등이 경석의 발생 원인이며 주로 선탄과정에서 많이 발생된다.

선탄 경석의 구성 성분을 살펴보면, 암석분인 이산화규소(SiO₂) 60~80%, 산화알루미늄(AI₂O₃)이 11~25%며 탄소분인 무연탄이 5~18%로 구성돼 있다. 굴진경석의 경우에는 무연탄 함량이 존재하지 않는다. 이산화규소(SiO2)의 함유량이 85wt.%를 상회하고, 산화알루미늄(AI₂O₃)함유량은 9.0wt.% 이하, 산화철(Fe2O3)의 함유량은 1.0wt.% 이하다. 이산화규소(SiO2) 품위가 높고 불순광물의 함유량이 적으며 내화도가 높아 이산화규소 광물로서의 대체 활용이 가능하다.

경석은 유리, 다공성 단열재, 시멘트, 주물사, 골재 등 세라믹 산업에 사용되는 원료의 주성분과 같아 화학적 조성 특성을 이용할 경우, 다공성 건축 내·외장재(ALC), 유리산업, 제철 ·제강공업의 슬래그 형성용 원료 등으로 활용할 수 있다.

또한 무연탄에서 수소 등을 추출하거나 무연탄 분말을 활용한 보조열량제 등 에너지원으로 사용할 수 있고 기능성 활성탄소 원료 물질, 흑연 등 탄소 소재로 활용할 수 있다.

▲ 경석 활용 계통도

■건설·환경·철강 등 다양한 분야 활용

경석 암석분의 화학성분은 세라믹 원료와 유사해 입도조정, 조성관리 등의 공정을 통해 기능성 건자재, 환경치유소재(제올라이트) 등의 원료로 활용이 가능하다.

기능성 건자재의 경우 불연 및 흡음성능 향상, 친환경 소재사용 등 건축물의 품질등급 기준강화로 향후 수요증가가 예상된다. 기능성 건자재 시장은 2025년에 5.4조원 규모로 연평균 9%의 성장률로 확대가 전망된다. 특히 불연성을 지닌 미네랄울(광물섬유)과 글라스울(유리섬유) 등의 무기 단열재 수요 증대가 기대된다. 국내 단열재 시장은 2017년 3.6조원에서 2025년에는 5.4조원규모로 확대될 전망이다.

우리나라는 미국, 일본, 유럽 등 선진국과 달리 열에 약하고 화재에 취약하며, 단열효과가 떨어지는 유기질계 사용 비중이 높은 편이다. 하지만 정부의 단열재 품질등급 기준강화에 따라 단열재 두께, 불연 및 흡음성능 향상, 친환경 소재사용 등의 품질향상 수요증가와 단열재로 인해 피해가 커진 화재사고 발생, 국제 시장의 흐름 등에 따라 유기질 단열재 시장에서 무기질 단열재 시장으로 무게 중심이 이동하고 있다.

이외 경석에서 나오는 원료를 활용해 기능성 건자재 산업분야에서 △경량콘크리트, 경량 보드 및 패널, 방음벽 등에 응용되는 경량골재 △세라믹 타일 △주택, 도로, 항만, 공항 등 건설산업의 필수불가결한 기초재료 골재 △방화문용 내화재 △친환경 벽돌 △투수, 3D 프린팅 옹벽 블록 등으로 활용 가능하다.

전 세계적인 탄소중립 선언에 따른 환경규제 강화와 자원고갈 문제로 에너지 절감과 이산화탄소(CO₂) 배출저감을 위한 포집용 핵심 소재인 다공성 세라믹이 배기가스필터, 기능성 흡착제, 이형·복합구조세라믹멤브레인, 세라믹융합특수단열재 등으로 적용이 확대되면서 수요가 증가할 것으로 보인다. 다공성세라믹 국내시장은(분리막 기준) 연평균 21.5% 성장이 예측되며 석유화학, 철강, 수송기계, 해양플랜트 등 산업군에 활용돼 에너지 효율화를 실현할 수 있다.

또한 다공성 재료로 석유화학촉매, 합성세제첨가제, 향균제, 가축사료첨가제, 건축자재, 정화제, 토양 및 피부보습제 등 환경치유용 소재로 널리 활용되고 있는 제올라이트는 경석이 가지고 있는 이산화규소(SiO₂)와 산화알루미늄(AI₂O₃)의 복합성분이기 때문에 제올라이트 제조 원료로 활용가치가 높다. 제올라이트의 결정 형태에 따라 1kg에 천원에서부터 백만원까지의 가격대가 형성돼 있어 이에 따라 응용분야도 다양하다.

일반적인 수처리용 흡착소재와 대기환경처리소재부터 반도체 및 전자 제품 생산 공장의 식각 공정에서 발생되는 폐액 및 암모니아 가스 등의 발암물질 흡착, 자동차 배기가스 중 NOx 및 SOx 발생량 감축을 위한 SCR 촉매까지 고부가가치 산업군의 유해물 처리용도 등으로도 사용된다. 이뿐만이 아니라 경석은 다양한 산업분야의 원료로 활용될 수 있다.

△세라믹 소결체 △중금속 처리용재 △도로용 성토재 △폴리머 콘크리트 골재 △융설 아스팔트용 소재 △주형재료(주강·주물사) 적용 △제철·제강 공업용 슬래그 등으로 활용 가능하다. 경석의 탄소분은 보조열량제, 기능성 활성탄소, 고순도 흑연화, 기능성 탄소소재, 소성 조건에 따라 다양한 형상의 세라믹 제품으로 활용할 수 있다.

▲ 경석자원 활용 시제품 분야

■年 70만톤 이상 발생, 환경오염·재정부담

경석은 광산 주위 일정 부지에 적치되거나 경석량이 증가해 경석장(폐석장) 확보가 용이하지 않은 경우에는 광산 주변 이외의 곳에 적치하고 있다. 현재 국내에는 막대한 양의 경석이 적치돼 있다. 1980년대 말부터 1990년 초까지 폐광된 석탄광의 경우 약 2억 톤의 경석이 발생돼 적치되었고, 2010년까지 가행 된 탄광에서도 약 3,600만톤이 발생돼 적치돼 있다. 경석은 현재에도 연간 70만톤 이상 지속적으로 발생하고 있다.

광해광업공단의 조사에 따르면, 2017년부터 2020년까지 조사한 강원지역 가행광산의 경석 적치량은 총 1,900만톤이다. 전국의 석탄 매장량은 13억 2천4백만 톤이며, 석탄 생산량 대비 경석 발생률은 약 51.89%로, 이를 적용해 향후 경석 발생량을 계산해보면 총 6억 8천7백만톤으로 추정된다. 폐탄광의 경석 적치량의 경우, 경석이 존재할 것으로 예상되는 태백시 폐경석장 30개를 선정해 조사한 결과 폐경석은 총 1,240만 톤으로 추정된다.

전국의 폐석탄 광산 인근 및 주변에 적치된 경석은 자연경관을 해치고 유실에 의한 수로 및 도로 차단, 토양·수질 등의 환경오염, 농경지 피복, 산사태, 적치사면 붕괴 등의 광해를 유발시킨다. 또한 붕괴로 인한 토지의 매몰과 인명 및 재산피해를 유발할 우려가 있으며 실제로 강원도 삼척시에서는 이로 인한 경석 적치장의 지형변화가 관찰되기도 했다.

특히 경석으로 인한 토양과 하천의 오염도가 심각한 것으로 조사됐다. 적치장에는 다량의 황화광물이 존재해 적치장 내로 빗물이나 지표수가 유입되면 황화광물의 산화작용이 일어나게 된다. 여기서 발생되는 수소 이온은 자연수의 pH를 낮추고 이러한 산성수와 접하게 되는 물질들로부터 중금속을 용출시켜 중금속으로 오염된 산성광산배수(AMD)가 발생하게 된다.

산성광산배수는 폐광 이후에도 끊이지 않고 인근의 중금속(비소, 카드뮴, 납, 아연 등)을 용해해 중금속의 유동성을 증대시켜 주변 토양과 지하수 등을 광범위하게 오염시킨다. 이로 인해 폐광산 인근의 토양과 하천에서는 중금속과 산성도가 기준치를 훨씬 웃돌게 나타나고 있으며, 주변 하천에 회백색의 침전물을 생성해 백화현상이 나타나고 있다.

이렇게 광해는 대형재해와 집단 피해의 원인이 되고 폐광 후에도 장기간 지속적으로 발생해 피해 범위가 광범위하고 복구에 많은 비용이 소요된다.

▲ 경석으로 인한 광해(강원도 정선의 지장천에 나타난 백화현상)

▲ 경석 적치장 지형변화

세라믹·탄소 소재 확보, 자원무기화 대응

규제개선·재정 지원 등, 경석 활용·사업화 촉진

■환경 복원 및 국가예산 절약·자원 확보 기대

현재 기능성 건축자재와 환경치유소재(제올라이트)로 활용되는 이산화규소(SiO₂)가 포함된 규사는 수입에 의존하고 있다. 단가문제 때문에 수입되는 규사는 대부분 고품위이고, 주로 유리제조용, 단열자재 원료용, 분체용, 주물사용으로 소비된다.

중국 정부의 규사 수출 규제로 호주, 베트남, 말레이시아 등에서 수입하고 있으며, 한국지질자원연구원의 광업·광산물 통계연보에 의하면 2021년 규사 수입량과 수입액은 695,975MT과 46,661 천달러에 달한다. 경석을 자원화하면 수입에 의존하고 있는 자원확보 효과가 기대된다.

또한 광해 복구사업의 비용도 절약된다. 정부는 폐광 및 경석으로 인한 광해를 적극적으로 방지해 자연환경을 보전하고 국민의 건강증진을 위해 2007년부터 매 5년마다 전국의 광해발생현황, 광해원인별 광해방지계획, 광해방지시설의 설치·운영계획, 투자계획을 포함한 ‘광해방지기본계획’을 수립·시행하고 있다.

한국광해광업공단의 광해방지사업 추진실적에 따르면, 2007년부터 2020년까지 투입된 광해방지사업비는 총 1조 1,050억원이며, 이중 경석과 직적접인 연관이 있는 폐석 유실방지, 산림토지복구, 오염수질개선, 지반침하방지 분야에 투입된 사업비는 3,538억원이다. 산업부는 2022년부터 2026년까지 광해방지사업에 5,432억원을 투입할 예정이다.

현재 국내에서 광산폐기물은 주로 매립처리를 실시하거나 유휴산림 계곡에 폐석을 적치한 후, 복토 및 식재방법에 의해 처리하고 있다. 이러한 방식은 광산폐기물의 유출방지 효과는 있으나 차단재의 훼손주기에 따라 오염이 재발생해 영구적인 처리방법이 되지 못하며 매립을 위한 토지 사용으로 비효율적이다.

광산폐기물에 의한 광해문제는 장기간의 시간이 경과해도 원인을 해결하지 않으면 계속적인 문제를 일으키고 계속 확대되는 특징이 있으므로, 가능한 한 빠른 기간 내에 처리하는 것이 경제적으로나 사회적으로 유리하다.

이렇게 경석을 자원화해 활용하면 현재 실시되고 있는 광해 복구사업의 비용 절약뿐만 아니라, 장기적인 관리비용이 절약되기 때문에 국가 예산 절약에 크게 기여할 것으로 보인다. 또한 폐광산지역의 환경오염 복원과 자원 확보를 할 수 있으며, 폐자원의 유효자원화를 통해 원료소재의 수입대체 효과, 국내 소재부품산업의 경쟁력 강화를 위한 원료의 자립기반 구축을 기대할 수 있다.

특히, 경석을 재활용해 제조 단가를 낮춰 원료 가격 경쟁력을 확보할 수 있다. 미네랄울 무기 단열재의 경우 이산화규소(SiO₂) 47%, 산화알루미늄(Al₂O₃) 15%, 생석회(CaO) 38%로 구성된다. 경석을 활용해 기존 원료의 조건과 맞추기 위해 석회석과 혼합한 원료 단가는 기존 원료 단가 대비 4분의 1 수준으로 낮출 수 있다. 점토벽돌에도 기존 원료대신 경석으로 대체할 경우 기존 원료의 단가 대비 3분의 1로 줄일 수 있다.

이외에도 선탄 폐석을 세라믹스 원료 및 부연료로 활용할 경우 점토광물의 대체와 에너지 절약 효과로 제품의 고급화를 기대할 수 있다. 더불어 경석의 선별과정에서 2차로 발생되는 석탄분은 산업용 연료로 판매가 가능하고 골재용 원료 등은 재판매 할 수 있어 매출 창출이 가능하다. 또한 친환경·기능성 원료 소재의 수요 급증에 대응할 수 있으며 경석의 새로운 가치 발굴을 통해 기업육성 및 신규 일자리 창출 등이 전망된다.

■해외 유용 자원 회수 개발, 韓 상용화 필요

대부분의 선진국에서는 광산폐기물의 재활용 방안과 처리지침을 수립해 환경적인 위험부담을 최소화하기 위한 광산폐기물의 무해화·감량화 조치를 취하고 있다.

미국은 환경보호국(EPA)을 중심으로 휴·폐광산 지역의 오염토양 복원기술 지원과 적용이 이루어지고 있다. 광무국에서는 유용광물의 회수율을 높이고, 공정의 효율화, 미이용 광물의 감량화 등에 대한 기술개발을 실시하고 있다.

캐나다의 경우는 정부 연구기관 CANMET에서 관련기술을 개발해 일반 업체에 기술을 공여하고 있으며, Noranda 등의 대규모 회사들은 자체적인 기술 수준을 높여 광해 및 폐기물의 안정화 처리를 시행하고 있다.

일본은 Metal Mining Agency of Japan이라는 기관에서 휴·폐 금속광산을 중심으로 관련 기술개발을 활발하게 추진하고 있고, 광산배수 부문에서 폐갱도 봉쇄, 지표수 수로의 변경, 토양피복 및 식재에 의한 광산배수 감소, 오염토양의 물리·화학적 및 생물학적 복원기술, 금속광물의 분리·회수 및 광산폐기물의 재활용에 의한 오염원 감소 등을 시행하고 있다.

영국의 경우 영국 지질 조사소(BGS)를 중심으로 산성 광산폐수 배출과 수계 이동경로 연구, 배출가스의 지질학적 규제방안 연구 및 채광이 지하수에 미치는 영향 분석 연구 등이 수행되고 있다.

호주는 Department of Environment and Heritage에서 금속 광산에 대한 생산 활동부터 폐기물 처리 부분까지의 정보를 관리하고, 각각의 광산 실정에 부합되는 관련 기술을 개발하도록 유도해 그 결과를 관리하고 있다.

해외에서 출원된 특허는 대부분 석탄자원의 고품위화 관련특허로, 외국 각각의 광산 실정에 부합되는 기술을 개발해 유용자원을 회수하거나 광해 원인물질들을 적절히 처리하려는 연구가 지속되고 있다.

우리나라에서도 경석을 산업 원료로 활용하기 위해 다양한 기술개발이 진행됐으며, 원천기술개발 중심의 사업과 다품종 소량생산 방식의 접근으로 상용화 단계에는 아직 이르지 못했으나 세라믹 원료 생산을 위한 기술 검증 및 원천기술을 확보한 상태다.

원료산업을 위한 대규모 설비투자에 대한 부담과 원천기술의 상용화를 위한 실증 인프라의 부족은 기술 상용화의 걸림돌이다. 이에 강원테크노파크 신소재사업단은 산업부의 ‘경석자원을 활용한 세라믹 원료산업 기반조성사업’에 선정돼 지난해 태백 동점산업단지에 원료산업지원센터를 구축했다. 경석원료가공분석, 원료인증·평가, 분석, 시제품 제작 장비 등을 구축해 상용화 기술개발을 지원하고, 기업들은 상용화 인프라를 활용한 원료소재 기술의 상용화 및 제품양산을 통해 산업화가 가능하다.

■성광이엔텍·에스제이·제이에이치, 경석 활용 기업

에너지환경 전문기업 ㈜성광이엔텍(대표아사 김현준)은 경석 등 폐자원을 활용한 자원순환 기술을 개발해 합성제올라이트를 제조하고 있다. 성광이엔텍은 자원순환 경제 구축 및 저탄소 발생 합성공정 기술을 적용해 고품질·고성능의 합성제올라이트 및 흡착제를 대량 생산하고 있다.

대기 및 수질 환경개선, 특수목적용 정화 흡착제, 비료 원료 및 복토용 첨가제로서 사용되는 성광이엔텍의 합성제올라이트와 흡착제는 경석을 재사용해 생산단가를 낮춰 기존 제품 대비 저렴한 판매 단가와 우수한 흡착성능, 합성반응 시간 단축, 높은 생산수율, 생산중 유해가스 및 고형폐기물을 배출하지 않는 장점을 확보해 경제성과 친환경성을 획득했다. 성광이엔텍은 경석을 이용한 합성 제올라이트 제조방법을 비롯해 국내와 해외를 합쳐 총 35건의 특허 기술을 보유하고 있다.

리사이클링 및 광물소재 친환경 기업인 에스제이(주)(대표 김태경)는 경석의 완전한 재처리를 통해 인공경량골재, 불연성 광물섬유, 고열탄을 제조하고 있으며, 이와 관련된 자체 개발 생산기술과 특허를 보유하고 있다.

에스제이의 인공경량골재는 천연골재 대비 뛰어난 보온성과 내열성, 우수한 경량성과 방음효과, 일반 콘크리트 보다 50% 이상 얇지만 높은 강도와 우수한 향균 효과를 자랑해 부재의 단면 감소 및 공간 효율을 증대시킬 수 있다. 또한 에스제이는 보유하고 있는 고열탄 제조장치 및 제조방법 기술로 경석의 석탄분을 추출 및 재가공해 고열탄으로 제조, 에너지원으로 활용할 수 있게 하고 있다.

친환경·스마트 건설자재 생산기업 ㈜제이에이치(대표 양치호)는 콘크리트 2차 제품(옹벽용 블록 및 패널 제품)등을 제작하고 있다. 제이에이치의 경석을 활용한 골재는 흡수율과 건조밀도, 유해성, 내구성 등 사전 평가에서 사용 가능 판정을 받았다. 제이에이치의 경석 골재는 일반 골재 대비 5분의 1 이하의 가격과 우수한 품질을 확보한 친환경 제품이다. 제이에이치는 이를 활용해 패널식 옹벽과 건설용 3D프린팅 기술을 접목한 블록식 옹벽을 생산해 경석골재를 단순 골재활용에서 벗어나 3D프린팅 복합소재로 활용 가능하다는 것을 확인했다. 이를 통해 제조업과 건설업 등의 신규시장 창출이 기대된다.

▲ 경석을 활용한 환경치유 소재 제조

■사업 활성화 위한 규제개선·지원 절실

최근 광산폐기물에 의한 광해발생에 대한 관심이 고조되고 있으며 광산폐기물의 무해화 처리요구가 확대되고 있다. 해외 광물 원료소재의 수요급등으로 인해 공급가격이 상승하고 환경보호 등의 대외여건으로 인해 새로운 광산 개발의 여건이 불리하게 전개되고 있다.

이와 같은 광물 수요급등 및 가격 상승, 광산개발 여건의 악화, 환경문제 중시 등의 상황을 타개하기 위한 방안으로 광산 폐기물이나 미활용 자원으로부터 유효자원 회수 및 재활용을 통한 사업이 활발하게 전개돼야 할 필요가 있다.

경석을 바로 원료로 활용해 경제성 확보와 환경문제를 해결할 수 있을 것 같지만 규제와 제약으로 인해 사업화가 어려운 상황이다. 현재 광산보안법 등 광해와 관련된 법령에서는 폐석 등 광물찌꺼기 자체 처리 즉, 재활용 자체에 대한 규정이 마련돼 있지 않다.

폐기물관리법은 폐기물 재활용에 대해 명시하고 있으나 광재를 폐기물이라고 하나로만 규정하고 있어 광산폐기물과 관련한 그 개념과 범위가 명확하지 않은 상태라 현재 관련 법 조항이 다양한 광산폐기물의 재활용 방법을 망라하고 있다고 보기 어렵다. 또한 암석 및 광업부산물은 상업적으로 이용 시 관할 기관에 신고 후 이동을 하게 되어 있어 민간에서 사용 시 허가 절차를 거쳐야 하며, 광업 폐기물을 활용해 고급화한 제품은 녹색환경인증을 획득해야 한다.

이처럼 경석은 광산폐기물로 지정돼 높은 제조 기술과 성능을 가지고 있음에도 불구하고 활용을 하지 못해 자원의 낭비 및 자연적치로 환경오염의 주범으로 지목되고 있다. 또한 원산지로부터 이동 시 폐기물의 이동 규제로 인한 제약과 고비용 발생으로 사업화가 힘들다.

이에 현재 겪고 있는 현실적인 어려움을 해소시킬 수 있도록 하는 방안을 시급히 마련해야 할 필요가 있다. 먼저 경석을 광산폐기물이라 지칭하는 대신 재활용이 가능한 원료로서 광업부산물 또는 저품위 광물로 개념과 범위를 정하고, 무연탄의 사용량이 줄어들면서 무연탄 또한 경석의 범위에 포함될 수도 있으니 기존의 경석을 활용한 혼합재료 이외의 다양한 활용처를 위해서 경석의 물성 데이터 확보 등이 필요하다.

또한 선도적으로 경석 활용에 참여하는 기업들에게 혜택을 제공하는 등 광업부산물의 재활용 촉진을 위한 정부의 재정적, 행정적 지원 등을 통해 자원 선순환 생태계가 구축될 수 있도록 해야 한다.