이차전지 소재 부산물의 가치 전환: 지속가능한 제조를 위한 순환경제 솔루션
이차전지 소재 부산물 처리: 친환경 에너지의 숨겨진 과제
전기차 시장의 급성장과 함께 이차전지 소재 부산물 처리 문제가 새로운 과제로 떠오르고 있습니다.전기차와 재생에너지 저장장치를 위한 2차 전지 산업의 가파른 성장은 탄소중립 실현을 위한 핵심 동력입니다. 그러나 이러한 성장 과정에서 새로운 과제가 드러났습니다. 전지 원료 생산 과정에서 상당량의 황산나트륨(Na₂SO₄)이 부산물로 발생한다는 점입니다.일반적으로 황산 침출 후 수산화나트륨 중화 과정을 포함하는 이러한 합성 공정은 역설을 만듭니다. 전지가 청정 에너지를 가능하게 하지만, 그 생산 과정은 반드시 해결해야 할 환경적 부담을 만들죠. 효과적인 Na₂SO₄ 관리 솔루션이 없다면 전지 산업의 지속가능성은 불완전한 상태로 남습니다.포항산업과학연구원(RIST) 연구팀은 이 폐기물을 가치 있는 제품인 탄산수소나트륨과 석고로 전환하는 통합 공정을 개발하였으며, 시마크로의 기술 지원을 통해 공정의 디지털화를 위한 시뮬레이션 모델 확보에 성공하였습니다.Chemical Engineering Journal에 발표된 이 연구는 공정 개발에 디지털 엔지니어링의 시너지가 더해져, 이차전지 소재 생산 과정에서 발생하는 부산물을 고부가가치 소재로 전환할 수 있음을 보여줍니다.이는 배터리 소재 제조 공정의 환경적 부담을 줄이면서도, 부산물을 새로운 자원으로 활용할 수 있는 산업적 순환경제 모델을 제시합니다.
황산나트륨 부산물 가치화를 위한 통합 공정 설계
연구팀은 Na₂SO₄를 다른 두 가지 산업용 화학물질로 전환하기 위한 공정 개발에 주력했습니다. 목표 제품은 탄산수소나트륨(NaHCO₃)과 석고(CaSO₄·2H₂O)였습니다. 이러한 물질은 식품 생산, 제약, 환경 응용, 건설 분야에서 시장을 차지하고 있습니다.이 전환 공정은 폐기물 감소를 넘어 추가적인 환경 및 산업적 이점을 제공합니다. 탄산화 과정에서 이산화탄소(CO₂)는 반응물로 직접 활용되어, 배출 대신 공정 내에서 재사용됩니다. 이는 탄소 포집·활용(CCU) 전략을 실제 공정에 구현한 사례입니다. 회수된 석고는 시멘트 산업의 원료 공급 안정성에도 기여합니다. 특히 석탄 화력발전소의 축소로 배기가스 탈황에서 얻는 석고 공급이 줄어드는 상황에서 그 의미가 큽니다.기존의 Na₂SO₄ 가치화 시도는 아래 세 가지 한계점들로 인해 산업적 적용에 어려움을 겪었습니다.
입자 크기 제어 – 산업 적용에는 특정 입자 크기(일반적으로 100-200 μm 범위)가 필요하지만, 일관된 크기 분포를 달성하기 어려웠습니다.
제품 순도 – 상업용 등급 적용은 99%를 초과하는 순도 수준을 요구하지만, 기존 공정은 경제적으로 이를 달성하기 어려웠습니다.
폐수 관리 – 전환 공정은 적절한 처리가 필요한 암모늄과 황산염 이온을 포함한 폐수를 발생시켜 복잡성과 비용을 추가합니다.
RIST에서는 ‘원료 투입’부터 ‘최종 제품 산출’ 및 ‘폐기물 배출’까지 전체 경로를 포괄하는 통합 공정 개발을 통해 세 가지 과제를 모두 해결했으며, 시마크로와의 협업을 통해 공정을 디지털화함으로써 스케일업 단계로의 확장을 위한 공정 설계 기반을 마련했습니다.
Proposed process for NaHCO₃ and CaSO₄ production utilizing Na₂SO₄ byproduct generated from SBRMs manufacturing. ⒸChemical Engineering Journal, Volume 523
세 가지 핵심 혁신
1. 단계별 공정을 통한 정밀 입자 제어
연구팀은 탄산화 반응과 결정화 공정을 분리하는 2단계 반응기 시스템을 개발했습니다. 이 분리는 각 단계의 독립적인 최적화를 가능하게 하며, 근본적인 과제를 해결합니다. 탄산화와 결정화가 동시에 발생하면 반응 조건의 변화가 넓고 일관성 없는 입자 크기 분포를 만듭니다.1단계에서는 조기 결정 형성을 방지하는 제어된 온도 조건 하에서 Na₂SO₄ 완충용액에 CO₂를 주입합니다. 이를 통해 균일한 조성의 투명한 과포화 용액을 생성합니다. 2단계에서는 이 용액이 순환 결정화기에서 제어된 냉각을 거쳐 균일한 결정 성장을 촉진합니다.결과는 상당한 개선을 보여줍니다. 단일 단계 공정은 매우 가변적인 크기의 결정을 생성했습니다(상대 표준편차 75%). 반면 2단계 시스템은 산업적으로 선호되는 100-200 um 수준의 평균 입자 크기를 가지는 훨씬 더 균일한 결정을 달성했습니다(상대 표준편차 44%).
Particle size characteristics of synthesized NaHCO₃ and Na+/SO42− mole ratio remaining in the Na₂SO₄ solution under combined BCR and CCR operation: (a)PSD at the BCR temperature of 40 ◦C. The extracted solution was heated to 70 ◦C and then cooled to 40 ◦C in the CCR; (b) PSD at the BCR temperature of 70 ◦C. The extracted solution was maintained at 70 ◦C and then cooled to 40 ◦C in the CCR; and (c) temporal variations in VMD and product purity of NaHCO₃. (d) Na+/SO42− mole ratio in the Na₂SO₄ solution over time.ⒸChemical Engineering Journal, Volume 523
2. 상업용 등급 순도 달성
제품 순도는 상업적 적용 가능성과 시장 가치를 결정합니다. 연구는 간단한 물 세척 단계가 원료 품질에 따라 순도를 효과적으로 향상시킬 수 있음을 입증했습니다.산업 공정에서 발생한 폐 Na₂SO₄(순도 86%)를 사용할 경우, 최적화된 세척 공정 적용 시 NaHCO₃ 제품 순도가 95.4%까지 향상됩니다. 이는 배기가스 탈황 등의 산업적 적용에 충분한 수준입니다. 한편 전지 재료 생산 과정에서 얻어지는 고순도 Na₂SO₄(순도 99%)를 사용한 경우는, 99.3% 순도를 달성하여 식품 및 제약 등급 사양을 충족했습니다.이러한 유연성은 공정을 다양한 원료 공급원과 목표 시장에 맞춤 수 있게 하여 다양한 운영 시나리오에서 경제적 타당성을 향상시킵니다.
3. 폐수로부터의 가치 회수
탄산수소나트륨 분리 후, 남은 폐수에는 처리가 필요한 잔류 화학물질이 포함되어 있습니다. 이를 처리 문제로 보는 대신, 연구팀은 산화칼슘을 이용하여 암모니아를 회수하고, 동시에 고부가가치의 석고를 생산하는 방법을 개발했습니다.공정은 pH 조정과 열처리를 통해 작동합니다. 산화칼슘을 추가하면 용액 pH가 상승하여 용해된 암모늄을 회수 가능한 암모니아 가스로 전환합니다(95% 회수율). 동시에 칼슘 이온은 황산염과 반응하여 석고를 침전시킵니다(85% 제거율). 2차 처리 단계는 석고 순도를 97.1%로 더욱 향상시켜 시멘트 생산을 위한 산업 사양을 충족합니다.중요한 실용적 장점이 있습니다. 산화칼슘 용해는 발열 반응이므로 암모니아 회수에 필요한 외부 에너지 요구량을 크게 줄입니다. 이 고려사항은 공정 경제성을 개선합니다.
NH4+ recovery and CaSO4 formation characteristics from wastewater generated after NaHCO₃ production as a function of wastewater temperature (40 ◦C, 60 ◦C, and 80 ◦C): (a) NH4+ recovery efficiency as a function of wastewater pH; (b) SO42− removal efficiency as a function of wastewater pH; and (c) XRD patterns of CaSO formed at different pH levels. ⒸChemical Engineering Journal, Volume 5234
공정 모델링을 통한 타당성 검증
실험실 결과를 산업적으로 스케일업하기 위한 공정 설계 및 전환 과정에서는 물질 및 에너지 수지, 장비 규모, 다양한 운전 조건에 대한 정량적 검증이 필요합니다. 이러한 복합적 요소들을 고려하여 공정의 타당성을 검증하기 위해서는 공정 모델링이 핵심적으로 활용됩니다.
시마크로의 기여
시마크로는 RIST가 개발한 통합 공정의 기술적, 경제적 타당성을 검증하기 위해 널리 확립된 공정 솔루션 플랫폼인 Aspen Plus를 활용하여 전체 공정을 포괄하는 전산 모델을 구축하는데 기여했습니다.시뮬레이션은 복잡한 전해질 화학 반응식이 반영된 모델이며, 여기에는 다중 평형 반응, 염 형성 경로, CO₂ 및 NH₃에 대한 상평형이 포함됩니다. 이 엄격한 프레임워크는 각 공정 단위의 특정 운전 조건 하에서 pH, 상 분포, 물질 수지를 정확하게 예측할 수 있게 했습니다.
시뮬레이션의 주요 결과
모델링 작업은 정량적 예측으로 공정 실행 가능성을 확인했습니다. 시간당 100kg의 Na₂SO₄ 폐기물을 처리하면 다음을 생산합니다.
시간당 57kg의 탄산수소나트륨 (나트륨 함량 기준 58% 회수율)
시간당 80kg의 석고 (황산염 함량 기준 84% 회수율)
제품 수율을 넘어, 시마크로의 분석은 자원 최적화를 위한 중요한 기회를 밝혀냈습니다.① 물 관리: 기본 공정은 폐기물 kg당 4.3kg의 물이 필요합니다. 그러나 최종 농축 단계에서 배출되는 물은 재사용에 충분히 낮은 불순물을 포함합니다. 이 재순환을 구현하면 전체 물 소비량이 폐기물 kg당 0.6kg으로 감소합니다. 이는 거의 제로 배출 운전을 가능하게 하는 86% 감소를 나타냅니다.⓶ 고체 폐기물 최소화: 고순도 원료와 전략적 공정 스트림 재활용을 통해 고체 폐기물 발생량을 95% 줄일 수 있습니다. 처리된 재료 kg당 0.49kg에서 0.024kg으로 감소합니다.이 모델링 작업은 지속가능한 공정 개발을 위한 디지털 엔지니어링에서 시마크로의 역량을 보여주었으며, 고급 시뮬레이션이 실험실 혁신과 산업 구현 사이의 격차를 연결하는 방법을 입증했습니다.
이차전지 소재 부산물 재활용을 통한 순환경제 실현
이 통합 가치화 공정은 전지 산업이 Na₂SO₄ 과제를 해결하면서 경제적, 환경적 가치를 창출할 수 있는 실용적 경로를 제공합니다.
경제적, 환경적 이점
공정은 상업적으로 가치 있는 재료의 회수를 통해 폐기물 처리 비용을 제품 수익으로 전환합니다. 회수된 암모니아는 공정 내에서 재활용될 수 있어 운영 화학물질 비용을 줄입니다. 특정 적용을 위한 포괄적인 기술경제성 평가가 여전히 필수적이지만, 폐기물 감소, 제품 판매, 자원 회수의 조합은 설득력 있는 경제적 사례를 제시합니다.RIST 연구진은 출판물에서 다음과 같이 언급했습니다. "향후 작업은 공정을 더욱 최적화하고 산업 타당성을 엄격하게 평가하기 위한 포괄적인 기술경제성 평가에 집중할 것입니다."폐기물 감소를 넘어, 공정은 여러 지속가능성 이점을 제공합니다.
탄소 활용 – 공정 반응물로 CO₂를 소비하는 것은 탄소 포집 및 활용 전략과 일치하며, 전지 제조업체가 전체 탄소 발자국을 줄일 수 있게 합니다.
물 보존 – 체계적인 재활용을 통한 거의 제로 배출 운전은 물 부족 지역에서 환경 영향을 크게 줄입니다.
순환 물질 흐름 – 선형 폐기물 스트림을 폐쇄 루프 사이클로 전환하는 것은 순환경제의 원칙을 구현합니다. 한 공정의 폐기물이 다른 공정의 원료가 되는 것입니다.
확장성 경로
공정은 버블 컬럼, 결정화기, 열 스트리퍼를 포함한 검증된 단위 조작을 사용합니다. 이들은 화학 제조에서 잘 확립되어 있어 산업 확장을 위한 기술적 위험을 줄입니다. 검증된 공정 시뮬레이션은 상업 규모의 상세 엔지니어링 설계와 경제적 최적화를 위한 기반을 제공합니다.
전망: 지속가능한 산업을 위한 디지털 엔지니어링
이 Na₂SO₄ 가치화 프로젝트는 체계적인 공정 설계와 디지털 검증이 환경적 부담을 경제적 가치로 전환하는 방법을 보여주며, 산업 규모에서 순환경제 원칙을 구현합니다. 시마크로의 고급 모델링 및 시뮬레이션 역량은 데이터 관리 및 공정 최적화와 통합되어 물리적 구현 전에 복잡한 화학 공정을 전산적으로 검증하며, 기술적 위험을 줄이고 상용화를 가속화합니다.전지 산업이 빠르게 확장됨에 따라, 강력한 디지털 엔지니어링의 지원을 받아 지속가능성을 핵심 운영에 통합하는 산업은 탄소 제약이 증가하는 경제에서 더 유리한 위치를 차지할 것입니다. 여기서 검증된 방법론은 화학 제조, 바이오 공정, 재료 생산 전반의 다른 폐기물 스트림에 적용 가능한 템플릿을 제공합니다. 디지털 엔지니어링은 지속가능성 목표를 측정 가능하고 경제적으로 실행 가능한 결과로 전환하는 필수 기반을 제공합니다.
핵심 요약:
전지 원료 생산은 환경적, 경제적 과제를 제시하는 상당량의 Na₂SO₄ 폐기물을 발생시킵니다
통합 공정은 폐기물을 상업용 등급 탄산수소나트륨(99% 순도)과 석고(97% 순도)로 전환합니다
2단계 반응기 시스템은 개선된 균일성으로 산업용 등급 입자 크기 제어를 달성합니다
폐수 처리는 암모니아 95%와 황산염 85%를 회수하면서 가치 있는 석고를 생산합니다
공정 시뮬레이션은 86% 물 소비 감소로 거의 제로 배출을 검증했습니다
디지털 엔지니어링은 실험실 연구에서 산업적으로 실행 가능한 순환 제조로의 전환을 가능하게 합니다
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이 연구는 포항산업과학연구원(RIST) 연구진에 의해 수행되었으며, 그 결과는 Chemical Engineering Journal(2025, Vol. 523)에 논문으로 게재되었습니다.연구 소개Designer보스턴과 서울에 본사를 둔 시마크로는 지난 2018년부터 40개 기업에서 90개 이상의 상업적 모델링 프로젝트를 완료했습니다. AspenTech, Emerson, OLI 등 글로벌 기술 리더들과 협력하며 공정 산업의 디지털 혁신 발전에 전념하고 있습니다.SIMACRO 소개Designer