환경부 소속 국립생물자원관(관장 서민환)은 전기차 등에 사용된 폐배터리의 핵심광물*을 친환경적인 방법으로 환원할 수 있는 미생물 3종을 경상북도의 한 폐광산에서 지난해에 발견하고 이들 미생물의 금속자원 추출 및 분리 가능성을 최근 확인했다고 밝혔다.
* 특정 국가들에 의존도가 높아 공급망 손실 위험이 존재할 수 있어 국가적으로 관리하는 광물(지질자원연구원, 2020)
폐배터리 금속자원 친환경적으로 추출하는 미생물 3종 발견
- 국립생물자원관, 폐광산에서 발견한 미생물 3종에서 리튬, 니켈 등 폐배터리 핵심광물 추출 및 분리 가능성 확인
국립생물자원관은 전북대 안준모·황국화 교수 연구진 및 군산대 이효정 교수 연구진과 함께 리튬이온배터리 양(+)극의 재료로 사용되는 양극활물질*을 미생물이 활성화된 용액에서 24시간 동안 침출한 결과, 핵심광물인 리튬, 니켈, 망간 및 코발트가 95% 이상 분리되는 것을 확인했다.
* 리튬이온배터리의 성능을 결정짓는 물질로 재활용이 최근 늘고 있음
이번 연구에 사용된 미생물 3종은 △애시디싸이오바실러스(Acidithiobacillus) 속에 속하는 2종과 △페로액시디바실러스(Ferroacidibacillus) 속에 속하는 1종이다.
국립생물자원관은 이번 연구 결과를 ‘바이오침출(Bioleaching)’과 관련된 특허로 이달 안에 출원하고 실증화를 위한 후속 연구를 수행할 예정이다.
‘바이오침출’이란 독성이 있는 무기산 대신, 미생물을 이용해 금속자원의 유용성분을 추출하는 생물학적인 기술로 공정상 위험성이 낮고 환경오염을 저감할 수 있는 환경친화적인 방법이다.
서민환 국립생물자원관장은 “앞으로도 우리나라의 다양한 생물자원을 발굴해 저탄소·녹색산업 육성에 기여할 수 있도록 생물자원 소재화 연구를 이어 나가겠다”라고 밝혔다.
바이오침출 실험 결과
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| 양극활물질 NCM 111 대상 침출실험 결과, (a) Blank (미생물 미접종 상태의 pH 1.8 맞춘 배양액) 조건에서 24시간 내 금속 침출률이 Li (리튬) 40%, Co (코발트), Mn (망간), Ni (니켈) 약 33%를 확인하였다. (b) 미생물 KCTC 4516 균주를 접종한 조건에서는 금속 침출률이 24시간 이내 Li, Mn 약 65%, Ni, Co 약 90%를 달성하였다. (c∼e) 한편, 본 연구팀에서 확보한 균주 3종의 경우, 기존 KCTC 4516 균주 대비 1시간 이내에, 금속 침출률 90%를 달성하였으며, 24시간 이내에 95% 이상의 침출률을 확보하였다. 특히, 이 중 9P1 균주는 1시간 이내에 Li, Ni, Mn, Co 침출률 98%를 달성하였다. |
전문용어 설명
○ 바이오침출(Bioleaching): 미생물 대사를 광석(ores)으로부터 직간접적으로 금속을 침출시켜 추출하는 방법으로, 산화-환원(oxidation-reduction)반응에 의해 금속 2+이온을 3+이온으로 산화시켜 침출시키거나, 미생물 작용에 의해 황을 산화시켜 황산의 생성으로 산-가수분해에 의해 이온 형태로 금속을 유리하는 방법 및 미생물이 직접 금속황화물의 산화를 유도시켜 금속을 추출하는 방법.
○ 애시디싸이오바실러스(Acidithiobacillus): 주로 pH가 낮은 산성환경에 존재하는 그람음성균으로, 전자공여체로 황, 사티온산염, 그리고 제 1 철(Fe2+)을 사용하는 절대 독립영양생물로 알려져 있음. 철을 산화하는 기능 때문에 환경 공학과 미생물 습식제련(Biohydrometallurgy) 분야에서 모든 호산성 세균 중에서 가장 널리 연구되고 있음.
○ 습식제련(Hydrometallurgy): 1차금속자원(광물) 및 2차금속자원(금속을 포함한 폐자원)으로부터, 화학물질을 이용하여, 금속 제품을 회수하는 기술. 1차적으로 화학물질을 이용하여 금속을 수용액 상태의 이온형태로 회수하는 침출(Leaching) 기술로 시작함. 이후, 불순물 금속이온으로부터 분리 및 목적금속 이온의 고농도로 정제 하기 위한 분리/정제(Purification & Concentration) 기술이 적용됨. 최종적으로는 고순도 금속 제품을 생산하기 위한 제품화 공정을 포함.
○ 양극활물질(Cathodic materials): 리튬이온배터리의 양극의 재료로 이용되며, 배터리의 성능을 결정짓는 물질. 양극활물질 내 리튬을 포함하여, 구성되는 금속의 종류에 따라 배터리의 성능, 안정성, 수명, 출력 등이 결정. 최근에는 양극활물질 내 유가 금속의 희소성 및 자원 편재성으로 인해 양극활물질을 포함한 폐리튬이온 배터리의 재활용이 확산되고 있음.