'세계에서 두 번째로 많이 사용되는 자원' 모래의 재생

모래 수요는 급증하는데, 재활용에는 어려움이 많다

원문링크: https://www.theearthandi.org/post/reclaiming-sand-the-second-most-used-resource-worldwide

*로빈 휘틀록(Robin Whitlock)

인도네시아 파다카시 산의 경사면에서 모래를 채굴하고 있다.  셔터오프애덤 / ShutterStock 셔터스톡

모래는 끝없이 펼쳐진 해변을 장식하든, 우뚝 솟은 건물과 수 마일의 포장도로 밑에 가려 있든, 지구에서 가장 보편적이고 풍부한 자원 중 하나이다.

그러나, 실제로는 더 복잡하다. 2022년 유엔 보고서에 따르면 모래는 전 세계에서 수요가 지속적으로 증가하고 있지만, "자연적으로 보충될 수 있는 양보다 더 빠르게 사용되고 있어 책임 있는 관리가 중요하다"고 한다.

까다로운 모래 재생의 세계로 들어가 보자. 그 이점을 쉽게 확인할 수 있다: 모래는 경제 개발, 주택, 도로, 병원 및 산업에 필수적이며, 생물 다양성과 취약한 생태계를 보존하기 위해 해변과 해안 지역을 강화하는 데에도 중요한 역할을 한다.

그러나 부적절한 모래 재생 전략은 복구 과정에서 강둑의 손상 등 환경에 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

모래 수요의 폭발적인 증가

2019년 덴마크와 미국의 과학자들로 구성된 연구팀은 2017년 전 세계 모래 수요가 95억5000만 톤(약 995억 달러)에 달한다는 연구 결과를 발표했다. 2022년 4월에 발표된 유엔환경계획(UNEP)의 후속 보고서에서는 매년 400억~500억 톤의 모래가 사용되고 있다고 한다. 500억 톤은 "지구 둘레에 폭 27미터(약 30야드), 높이 27미터의 벽을 쌓을 수 있는 양"으로, "모래는 전 세계에서 물 다음으로 가장 많이 사용되는 자원"이라고 보고서는 지적했다.

모래라는 [천연] 자원은 이제 고갈을 향해 가고 있다. 2050년까지 전 세계의 건설용 모래가 고갈될 것으로 예상되어 모래 재생과 대체 자원이 가장 중요해지고 있다.

도시와 건설 산업의 성장으로 인해 모래에 대한 수요가 급증하고 있다. 이는 곧 천연자원이 고갈되고 있다는 것을 의미하며, 2050년에는 전 세계적으로 건설용 모래가 고갈될 것으로 예상되는 만큼 모래 재생과 대체 자원 확보가 무엇보다 중요해지고 있다.

모래의 특성과 응용 분야

모래는 잘게 부스러진 다양한 구성의 광물 입자로 이루어져 있다. 모래는 주로 입자 크기에 따라 정의되며, 입자가 큰 자갈이나 더 미세하고 매끄러운 미사(微沙)와 구별된다. 예를 들어,

엔지니어링 및 지질학에서 사용되는 통합 토양 분류 시스템에서는 미국 표준체의 거름망 규격에 따라 모래를 직경 0.074~4.75밀리미터의 크기로 정의한다. 지질학자들이 적용하는 또 다른 정의는 직경 0.0625mm(또는 1⁄16mm)에서 2mm 범위의 입자에 대한 것이다.

내륙과 비열대 해안에서 모래를 이루는 가장 흔한 원소는 실리카(이산화규소 또는 SiO2)이다. 이는 일반적으로 대부분 석영으로 만들어지며, 화학적 불활성과 경도로 인해 풍화 작용에 강하다.

실리카 모래는 모바일 기기의 유리 화면은 물론 컴퓨터 칩, 광섬유 케이블 및 기타 하드웨어에 사용되어 아이폰과 컴퓨터 디스플레이를 가능하게 하는 소재이다.

실리카는 석유 및 가스 추출 시 수압 파쇄('프래킹')에 사용되는 파쇄 모래를 만드는 데도 사용된다.

실리카 모래는 모바일 기기의 유리 화면과 컴퓨터 칩, 광섬유 케이블 및 기타 하드웨어에 사용되어 아이폰과 컴퓨터 디스플레이를 가능하게 하는 소재이다.

미국 위스콘신주 오크데일에 있는 파쇄 모래 광산에는 3개의 대형 순환 선로가 있다.  

사진: 위키미디어/위키 아이디어1(공개 도메인)

열대 지역의 해안선에서 볼 수 있는 밝은 백사장은 침식된 석회암으로 형성되며, 다른 유기물과 함께 조개 조각과 산호 조각이 포함될 수 있다. 흰 모래는 골프장, 배구장, 내륙 해변 등의 장소에서 사용하기 위해 밝고 매력적인 외관을 만들기 위해 콘크리트와 혼합되는 경우가 많다.

키프로스 해변의 백사장.  사진: 드미트리 베치카스1969/굿프리포토스(공개 도메인)

사막의 모래를 활용할 수 있을까?

사하라 사막과 여타 광활한 사막의 모래는 어떨까?  안타깝게도 사막 모래는 풍부하긴 하지만, 건설용으로 적합하지 않은 이유가 크게 두 가지가 있다.

사막 모래는 입자가 각지지 않고 둥글어 시멘트의 응집력을 떨어뜨리는 경향이 있다. 또한 염분 함량이 높아 콘크리트를 약화시키고 강철의 부식을 촉진하는 성향이 있다.

사막 모래를 시멘트 기반 재료로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있지만, 강 모래는 여전히 건설 산업의 주요 모래 공급원이다.

모래 채굴의 단점

UNEP(유엔 환경 계획) 보고서에 따르면 강과 해안 또는 해양 생태계에서 모래를 채취하는 것은 심각한 악영향을 초래할 수 있다. 여기에는 "침식, 대수층의 염분화, 폭풍해일에 대한 보호 약화, 생물 다양성에 대한 악영향"이 포함된다.

UNEP 보고서에 따르면, 강과 해안 또는 해양 생태계에서 모래를 채취하는 것은 심각한 악영향을 초래할 수 있다. 여기에는 "침식, 대수층의 염분화, 폭풍해일에 대한 보호 기능 약화, 생물 다양성에 대한 악영향"이 포함된다. 이는 결국 물 공급과 식량 생산, 어업 및 관광 산업에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

중국 윈난성의 훙허 강을 따라 채굴되는 강 모래.  위키미디어/브멘코프(CC BY-SA 3.0)

또한 준설은 강이나 호수의 해양 생물을 죽이고 수년간 지속될 수 있는 환경적 영향을 유발한다(The Earth & I, 2024년 6월호 참조). 이는 수산업과 해안 지역사회에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 모래 채취는 해안선을 침식하고 교량과 같은 인프라를 손상시키며 숲을 위협할 수 있다.

모래의 개간과 재사용

2022년 연구에서 E.S. 렌티어와 L.H. 캄마로트는 강 모래 채굴이 환경에 미치는 영향을 최소화하고 생태계를 보호하기 위해 할 수 있는 일이 많다고 지적한다:

•  그린란드의 빙상 감소와 같이 강을 훼손하지 않는 지속 가능한 출처에서 모래를 채취한다. 이를 위해서는 사용 가능한 퇴적물 목록을 구축하기 위한 모래 감사가 필요하다.

• 지속 가능하지 않은 모래 자원 채굴에 대한 글로벌 가이드라인과, 모래 채굴 규제와 통제를 위한 국제적 프레임워크를 수립한다.

• 퇴적물 채굴을 모니터링하는 의무적인 글로벌 프로그램을 구축하자.

모래는 금속 주조용 금형을 만드는 데 사용되는데, 위의 경우 강철 밸브 생산에 이용된다.  © iStock 아이스톡/펀테이

미국 환경보호청(EPA)은 폐기물 감소, 재활용 및 재사용을 촉진하는 고형 폐기물 관리 계층구조를 채택했다. 그 예로 제철, 철강, 알루미늄 공장에서 사용한 주물모래 재사용을 들 수 있다.

이러한 시설에서는 모래를 여러 번 재사용하는 경향이 있지만, 결국 열과 기계적 마모로 인해 주조 주형에 사용할 수 없게 된다. 현재 연간 발생하는 600만~1000만 톤의 주물모래 중 약 15%가 재활용되고 있다.

현재 연간 발생하는 600만~1000만 톤의 주물모래 중 약 15%가 재활용되고 있다.

재활용 프로세스

핀란드의 한 주물모래 재생 회사는 15년 이상 모래 재생 공정을 개선해 왔다.

"재생 과정에서 모래 입자의 날카로운 모서리와 모서리가 모두 매끄럽게 처리되거나 제거되어 주물의 표면 품질이 향상되고 주조 공정에서 가스 투과성이 향상되며 모래 주형을 채울 때 모래의 유동성이 개선되는 등 많은 이점이 있다."고 모래 재생 회사 리샌드(Resand Ltd)의 부사장 유카 니미넨(Jukka Nieminen)은 설명한다.

이 모든 것은 2008년 핀란드 파운드리와 협업하여 파운드리에 금속 재활용 서비스를 제공하면서 시작되었다.

니미넨은 다음과 같이 말했다. "곧 파운드리에서 사용한 모래를 처리하는 데 어려움을 겪고 있다는 사실을 알게 되었다. 파운드리에서 도움을 요청했고, 2016년에 고객 파운드리 및 알토 대학교와 함께 프로젝트를 시작하여 모래 재생 테스트를 시작했다. 같은 해에 핀란드 누타야르비에서 오래된 유리 제조 공장을 인수하여 현재 운영 중이며, 모래 처리 장비를 개조하여 고객과 함께 시험 제작을 시작할 수 있었다."

환경 프로젝트에 투자하는 금융 기관인 네프코(Nefco)로부터 300만 유로(약 320만 달러)의 대출을 받은 리샌드는 최근 서비스형 모래(SAAS) 솔루션을 통해 서비스 확대에 박차를 가할 예정이다. 이 회사는 이를 통해 주조업체가 새 모래 소비를 75%까지 줄일 수 있을 것이라고 밝혔다.

리샌드의 모듈식 모래 회수 처리 장치는 가열 드럼과 냉각 및 분리 드럼[동영상 참조], 두 개의 회전 드럼으로 구성되어 있다.

네미넨은 "가열 드럼에서 모래의 온도는 섭씨 600~800도이며, 이 온도에서 모든 유기 바인더가 연소되고 두 번째 단계에서는 모래를 주변 온도에 가깝게 냉각시켜 바로 다시 사용할 수 있도록 한다."면서 "또한 모든 미세먼지 입자를 제거하여 모래에 먼지가 전혀 없고 깨끗한 상태로 재사용할 수 있도록 한다."고 설명한다.

리샌드는 또한 전기로 구동되는 재활용 공정을 통해 시간당 1000kg(또는 1.1톤)의 생산 능력으로 새 모래의 전체 이산화탄소 배출량을 최대 70%까지 줄일 수 있다고 주장한다.

이것이 바로 리샌드의 모래 재생 기술이 파운드리 산업의 친환경 전환에 기여하는 이유이다."라고 헤르 칼레 헤르키(Här Kalle Härkki) 리샌드 CEO는 말한다.

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*로빈 휘틀록은 영국에서 환경 문제, 기후 변화, 재생 에너지를 전문적으로 다루는 프리랜서 저널리스트로, 친환경 교통 등 다양한 분야에 관심을 갖고 있다.