해수에는 막대한 양의 금이 이온 형태로 녹아 있으나 이를 상업적으로 추출하기 힘든 이유가 무엇인가요?

Question

해수에는 막대한 양의 금이 이온 형태로 녹아 있으나 이를 상업적으로 추출하기 힘든 이유가 무엇인지, 금의 표준 환원 전위가 매우 높음에도 불구하고 해수 내 농도가 극도로 낮아 발생하는 이유로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

해수에는 약 2천만 톤에 달하는 금이 녹아 있는 것으로 추정되지만, 이를 상업적으로 채굴하는 것은 현대 기술로도 불가능에 가깝습니다. 가장 큰 이유는 해수 내 금의 농도가 상상을 초월할 정도로 낮기 때문입니다. 보통 해수 1톤당 함유된 금은 수 밀리그램 수준에 불과한데, 이는 금 이온을 추출하기 위해 이동시켜야 하는 바닷물의 양과 그에 드는 에너지가 얻을 수 있는 금의 가치보다 훨씬 크다는 것을 의미합니다.

​화학적으로 금은 표준 환원 전위가 약 +1.52V로 매우 높습니다. 이는 금 이온이 전자를 받아들여 고체 금으로 환원되려는 성질이 매우 강하다는 뜻입니다. 이론적으로는 환원제를 조금만 넣어도 쉽게 금을 얻을 수 있을 것 같지만, 실제 해수에서는 금이 단독 이온이 아닌 염화물 착이온 형태로 매우 안정하게 존재합니다. 이렇게 안정화된 상태에서 극미량으로 흩어져 있는 이온을 선택적으로 잡아내기 위해서는 정밀한 흡착제나 전기 화학적 공정이 필요한데, 농도가 너무 낮아 반응 효율이 극히 떨어집니다.

​결국 경제성의 문제입니다. 금의 높은 환원 전위 덕분에 추출 자체는 가능할지 몰라도, 광활한 바다에서 모래알보다 작은 금 입자를 찾아내기 위해 쏟아부어야 하는 설비비와 운영비가 금값보다 수만 배 이상 비쌉니다. 현재의 기술 수준에서 해수 금 추출은 과학적인 호기심이나 실험실 단위의 연구를 넘어 실제 산업으로 이어지기에는 에너지 효율과 농도 측면에서 커다란 장벽에 가로막혀 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

전 세계 해수에 녹아 있는 금의 총량은 약 2천만 톤으로 추정되며 이는 인류 역사상 채굴한 금 전체의 수백 배에 달하는 어마어마한 양입니다. 하지만 이를 농도로 환산하면 리터당 약 0.013 나노그램, 즉 1조 분의 13그램 수준으로 극도로 희박합니다. 우선 금의 표준 환원 전위는 Au³⁺/Au 기준으로 +1.50V로 매우 높은데요, 이는 금이 전자를 받아 환원되려는 경향이 매우 강하다는 의미이며, 즉 다시 말해서 금 이온이 수용액 중에서 다른 물질에 의해 환원되어 금속으로 석출되기가 쉽다는 뜻입니다. 하지만 네른스트 방정식에 따르면 실제 환원 전위는 표준 환원 전위에서 이온 농도의 로그값에 비례하는 보정 항이 더해집니다. 해수 속 금 이온의 농도가 극도로 낮기 때문에 이 보정 항이 매우 큰 음의 값을 갖게 되고, 결과적으로 실제 환원 전위는 표준값보다 훨씬 낮아집니다. 구체적으로 계산하면 농도가 10의 12승 분의 1 수준으로 낮아질 때마다 환원 전위는 수백 밀리볼트 단위로 떨어지게 되므로, 해수 속 금은 표준 환원 전위가 아무리 높아도 실제 열역학적 환원 구동력이 거의 없는 상태가 되는 것입니다.

상업적 추출이 불가능한 이유는 선택성의 문제입니다. 해수에는 나트륨, 마그네슘, 칼슘, 황산염, 염소 이온 등이 금 이온보다 수십억 배 높은 농도로 존재하는데요, 이때 금을 선택적으로 포집하려면 다른 이온들을 모두 무시하고 금 이온만 인식하는 흡착제나 전극이 필요합니다. 하지만 이런 선택성을 현실적인 규모에서 구현하는 것이 극도로 어려운 것입니다. 물론 실험실 수준에서는 금에 특이적으로 결합하는 유기 리간드나 금속-유기 골격체 소재들이 개발되고 있지만, 실제 해수처럼 복잡한 이온 환경에서는 선택성이 급격히 떨어집니다. 또한 에너지와 비용의 문제도 수반됩니다. 1그램의 금을 얻으려면 약 770억 리터의 해수를 처리해야 하는데, 이 막대한 양의 해수를 펌핑하고, 필터링하고, 흡착 처리하는 데 드는 에너지와 설비 비용이 추출되는 금의 시장 가치를 압도적으로 초과합니다. 현재 기술로는 금 1그램을 추출하는 데 드는 비용이 금 시세의 수천 배에 달한다는 추산도 있습니다. 또한 금 이온을 포집한 흡착제에서 금을 분리하고 흡착제를 재사용하는 과정에서도 상당한 에너지와 화학 처리가 필요하고, 이 과정에서 해양 환경 오염 문제도 발생한다는 문제가 있습니다. 감사합니다.