희토류 원소: 폐기물 수확의 중요한 발전

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/rare-earth-elements-critical-developments-in-harvesting-from-waste

 ©Tmy350/Wikimedia (CC BY-SA 4.0)

전기 자동차와 웨어러블 기술부터 인공지능과 스마트 시티까지 현대 세계는 점점 더 복잡해지고 있습니다.

하지만 이 모든 것을 뒷받침하는 것은 지구에서 채취한 희토류 원소(REE)라고 불리는 소수의 물질입니다. 이것이 없다면 현대 생활의 덫은 결코 존재할 수 없습니다.

과제는 신뢰할 수 있고 사람이나 환경에 해를 끼치지 않는 방식으로 이러한 재료를 수집하는 것입니다. 채굴에는 고유한 문제가 있기 때문에 희토류를 재활용한다는 아이디어가 심각하게 (재)고려되고 있습니다.

현대 기술은 희토류 원소에 의존합니다

희토류 원소는 17개의 금속 원소를 말합니다 . 여기에는 주기율표에 있는 란타넘에서 루테튬까지 연속된 15개의 원소와 스칸듐, 이트륨이 포함됩니다.

이러한 금속은 컴퓨터 하드 드라이브와 스마트폰부터 자동차 촉매 변환기와 인터넷 자체를 작동시키는 광섬유 케이블에 이르기까지 현대 가전제품의 필수 구성 요소를 형성합니다.

또한, 전기 자동차와 기타 재생 가능 기술에 필요한 고출력 자석과 충전식 배터리의 핵심 구성 요소를 제공하기 때문에 친환경 기술로의 전환에도 필수적입니다.

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희토류(REE)는 1950년대부터 널리 사용되어 왔으며, 2022년에는 희토류 시장 규모가 약 95억 달러에 도달했습니다. 2028년까지는 2배 이상 증가하여 209억 달러에 이를 것으로 예상됩니다 .

그러나 희토류 산업은 지정학과 희토류 채굴이 환경에 미치는 부정적 영향이라는 두 가지 난제에 직면해 있습니다. 이러한 딜레마를 해결하기 위해 디카페인 커피를 만드는 데 사용된 방법을 포함한 새로운 세대의 재활용 방법이 개발되어 이러한 금속의 힘을 활용할 수 있는 더 많은 방법을 제공하고 있습니다.

네바다 대학 지구과학 경제지질학과의 준교수인 사이먼 조윗 교수는 "희토류를 재활용하려는 욕구와 사실상의 필요성은 여러 가지 이유로 그 어느 때보다 클 것"이라고 말했습니다.

"우리는 이 분야에서 약간의 진전을 보았지만, 사실은 우리가 그 어느 때보다 더 많은 희토류 원소를 채굴하고 있으며, 이는 저탄소 및 무탄소 에너지 생산 개발에 필수적입니다."

희귀 원소 추출의 과제

이름에 "희귀"라는 단어가 사용되었음에도 불구하고, 희토류는 실제로 자연에서 풍부하게 발견됩니다. 안타깝게도, 희토류는 어느 한 곳에서 충분한 양으로 발견되는 경우가 "거의" 없습니다. 희토류를 추출하는 데는 노동 집약적이며 환경과 인간 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

예를 들어, REE 채굴 공정에는 독성 화학 물질이 필요하고 폐가스, 폐수, 먼지, 심지어 방사성 잔류물까지 생성되어 지하수, 토양, 수로를 오염시킬 수 있습니다. 노출은 또한 심내막 심근섬유증 및 빈혈과 같은 질병과 관련이 있습니다 .

지정학적 우려

서방 정부와 산업계가 모두 우려하는 또 다른 문제는 희토류 생산에 있어서 중국의 과도한 역할과 세계적 긴장의 영향입니다.

중국은 세계 희토류 매장량의 약 3분의 1에 불과하지만, 세계 REE 채굴 작업의 대부분을 담당하고 있습니다. 필리핀 마닐라에 있는 De LaSalle University의 한 교수는 중국이 현재 "세계 희토류 채굴 생산량의 60%, 희토류 처리 용량의 85%, 제조된 고강도 희토류 영구 자석의 90% 이상을 차지한다 "고 썼습니다.

반면 미국은 캘리포니아주 네바다주 경계 근처에 있는 Mountain Pass Rare Earth Mine and Processing Facility라는 단 하나의 REE 광산 만 보유하고 있습니다. 최근 Wyoming주의 Brook Mine에서 REE가 발견 되었습니다. Biden 행정부는 국내 희토류 원소 공급원을 채굴하는 것은 공급망을 확보하는 측면에서 국가 안보 문제라고 밝혔습니다 .

"중국은 희토류 원소 채굴에 상당한 통제력을 가지고 있지만, 현재 미국과 호주에서 채굴이 이루어지고 있어 감소하고 있습니다." 교수 Jowitt은 The Earth & I 에 이렇게 말했습니다 . "중국 정부는 2009/2010년경 희토류 원소 수출을 제한하려고 했지만 [세계 무역 기구]에서 불법으로 판결했고, 수출 제한은 해제되었지만 희토류 원소 가격이 급등한 후에야 해제되었습니다."

서부에서 새로운 채굴 작업이 제한적이고 채굴이 환경과 인간 건강에 미치는 부정적인 영향이 있기 때문에 사람들이 이미 가지고 있는 희토류를 재활용한다는 아이디어는 타당해 보입니다. 하지만 그렇게 하는 것은 간단하거나 직관적이지 않습니다.

떠오르는 REE 재활용 산업

희토류는 전자 부품에 사용하기 위해 다른 금속과 혼합되는 경우가 많으므로, 이를 불필요한 원소로부터 분리하는 것(그리고 충분한 양으로 분리하는 것)이 재활용 과제의 대부분입니다.

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일부 재활용 공정에는 염산과 같은 유해 화학 물질 을 사용해야 하는데 , 이는 희토류 채굴의 부정적 영향을 피하는 목적을 어느 정도 저해합니다. 그리고 희토류를 재활용하는 것은 항상 비용 효율적인 것은 아닙니다. 공정이 끝날 때 소량의 희토류만 회수되기 때문입니다.

하지만 재활용 희토류에 대한 수요는 상당합니다. Eurometaux가 의뢰한 연구에 따르면 2050년까지 유럽의 청정 에너지 금속 수요의 45%(니켈)에서 75%(리튬)가 2차 공급(재활용 포함)을 통해 충족될 수 있다고 예측합니다. 희토류 금속 재활용 시장 자체도 2026년까지 4억 2,200만 달러의 가치가 예상 됩니다 .

이러한 수요를 충족하는 동시에 부정적인 환경 영향을 피하기 위해 새로운 재활용 방법이 테스트되고 활용되고 있습니다.

디카페인 커피, 곰팡이, 자석으로부터 얻은 교훈

그러한 방법 중 하나는 박테리아, 균류, 조류와 같은 미생물을 이용하여 희토류 원소를 세포에 흡수시켜 발효시키는 것입니다.

글루코노박터 박테리아 와 같은 유기체는 자연적으로 글루콘산을 생산하여 유동 촉매 분해 촉매에서 희토류를 끌어낼 수 있습니다 . 이러한 유기산은 염산이나 기타 전통적인 금속 침출 산보다 환경에 덜 해롭습니다. 이러한 유형의 기술은 유럽 연합에서 자금을 지원하는 체코-오스트리아 플랫폼인 REEgain 에서 개발하고 있습니다 .

또 다른 전략은 구리 염을 사용하여 폐기된 자석에서 희토류를 뽑아내는 것입니다. 이 방법은 아이오와주 에임스 국립 연구소와 에너지부 중요 재료 연구소(CMI)의 재료 과학자 인 이케나 넬레베딤이 이끄는 팀이 개발한 방법입니다. 한 예측에 따르면 "미국 하드 디스크 드라이브에서 자석의 네오디뮴만 회수해도 중국을 제외한 전 세계 수요의 약 5%를 충족할 수 있습니다."

CMI 연구원들은 또한 전자 폐기물의 고출력 자석에서 REE를 추출하는 방법을 개발했습니다 . 하드 드라이브에 저장된 콘텐츠에 대한 민감성 때문에 일반적으로 폐기되기 전에 분쇄됩니다. 새로운 방법은 분쇄된 혼합물을 용액 에 넣어 자석만을 표적으로 삼고 혼합물의 나머지 구성 요소는 용해되지 않은 상태로 둡니다.

다른 연구자들은 디카페인 커피를 만들기 위해 커피콩에서 카페인을 추출하는 것과 비슷한 방식으로 REE를 추출하는 방법을 고심하고 있습니다.

세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교의 맥켈비 공과대학의 한 팀이 연구하고 있는 것이 바로 그것입니다 . 그들은 1970년대부터 산업계에서 커피콩에서 카페인을 추출하는 데 사용되어 온 초임계 CO2를 사용하는 공정을 개발했습니다 . 그들은 이를 사용하여 석탄 연소에서 나오는 미세하고 가루 같은 폐기물인 석탄 플라이 애시에서 희토류를 회수했습니다. 

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프로젝트 리더인 영신 전 에너지, 환경 및 화학 공학 교수는 "초임계 유체는 보다 친환경적인 용매로 간주되며 환경에 덜 침습적이며, 원료를 침출 및 로스팅하지 않고도 고형 폐기물에서 직접 REE를 추출할 수 있으므로 새로운 공정에 필요한 에너지가 적고 폐기물도 덜 발생합니다."라고 말했습니다.

한편, 텍사스에서는 자체 기술을 사용하여 REE 자석을 재활용하는 Noveon Magnetics가 상업적 수준에서 솔루션을 출시하고 있습니다.

이 회사는 전기 모터와 MRI 스캐너와 같이 기술 분야에서 수명이 다한 자석을 재활용합니다. 이 회사는 생산하는 자석 1톤마다 11톤의 CO2 배출량이 절감된다고 주장합니다.

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CEO Scott Dunn은 The Earth & I 에 다음과 같이 말했습니다 . " 우리는 재료에 구애받지 않는 건식 분말 야금 공정을 사용하여 벌크 스크랩이나 순수한 재료를 수확하고, 이러한 재료를 미세 분말로 변환하고, 분말을 압축하고, 진공로에서 재료를 구운 다음, 더 높은 자속, 증가된 저항률 및 뛰어난 열 안정성을 갖춘 새롭게 설계된 희토류 자석을 만듭니다."

초기 단계의 산업

조윗 교수 는 광산 폐기물이나 석탄재 와 같은 폐기물에서 희토류 원소를 재활용하는 데 흥미로운 발전이 있지만 극복해야 할 중요한 문제가 있다고 말했습니다 .

"캘리포니아주에 있는 Mountain Pass 희토류 원소 매장지에서는 8% 등급의 희토류 원소 광석이 채굴됩니다. 즉, 채굴된 광석의 8%가 희토류 원소입니다.

"어떤 이들이 희토류 원소의 공급원이라고 말하는 석탄재에는 백만 분의 500 또는 0.05%의 희토류 원소가 들어 있는데, 주로 우리가 원하지 않는 란탄과 세륨입니다.

"다시 말해," 그는 말했다. "Mountain Pass에서 채굴한 광석 1톤과 같은 양의 희토류 원소를 얻으려면 160톤의 석탄재를 옮겨야 합니다. 여기에는 온갖 물류, 운송, 배출 문제가 있으므로 이러한 대안 솔루션이 실제로 얼마나 실행 가능한지 생각해야 합니다."

Noveon Magnetics의 Dunn 씨는 다른 신생 산업과 마찬가지로 인력 개발 및 장비 제작과 관련된 과제가 있다고 말했습니다. "결과적으로 우리는 중앙 집권 세력에 대한 자체적인 공급망 회복력을 만들기 위해 많은 기계를 설계하고 제작해야 했습니다."

*Mark Smith is a journalist and author from the UK. He has written on subjects ranging from business and technology to world affairs, history, and popular culture for the Guardian, BBC, Telegraph, and magazines in the United States, Europe, and Southeast Asia.