연마용 재료 석류석 모래에서 스칸듐 추출, 경제성 뛰어나

기술 / 편집국 기자 / 2021-06-09 11:31:02
3'50" 읽기
* 매년 전 세계적으로 15-20톤 스칸듐 추출
* 연마용 모래에 1kg당 100mg 스칸듐 포함, 대륙 지각에는 1kg당 21.9mg
* 산업용 가넷(Garnet) 모래에서 희귀금속 재활용 기술 개발
* 가넷 모래 1톤에는 약 132달러에 해당하는 스칸듐 포함돼

스칸듐의 원천으로 연마 모래 폐기물?
산업용 가넷(garnet, 석류석) 모래에서 희귀 금속 원료를 재활용할 수 있다.

숨겨진 원료 :
희귀 금속 원료 스칸듐의 미개척 자원은 산업용 분쇄 공정에서 발생하는 폐기물에 숨겨져 있다. 연구에 따르면, 연마재 및 발파제로 사용되는 석류석 모래에는 킬로그램 당 거의 100mg(밀리그램)의 스칸듐이 포함돼 있다. 이 스칸듐은 여러 번 사용한 후에도 모래에 남아 있다. 연구자들에 따르면 스칸듐 생산을 위해 이 모래를 재활용하는 것은 가치가 있을 수 있다고 한다. 

▲ 석류석 모래는 산업에서 연마제 및 발파제로 사용된다. 일단 사용되면 이 모래는 스칸듐의 2차 공급원으로

사용될 수 있다. © Ludovic Debono / 게티 이미지


스칸듐은 드물지만 수요가 많은 원료이다.
이 전이 금속은 밀도가 낮아 매우 가볍지만 높은 인장 강도를 가지고 있다. 따라서 무게와 연료를 절약하기 위해 항공에서 알루미늄-스칸듐 합금으로 사용된다. 고체 연료 전지에서 스칸듐은 작동 온도를 낮추고 수명을 연장한다. 전문가들은 이 은백색 경금속에 대한 수요가 향후 4배가 될 것으로 예상한다.

석류석(Garnet) 미네랄의 스칸듐

문제는 스칸듐이 자체 침전물을 형성하지 않고 다른 광석의 부산물로만 그것도 매우 적은 양으로만 발생한다는 것이다. 이러한 이유로 매년 전 세계적으로 15~20톤의 스칸듐만 추출되며, 대부분은 중국, 호주 또는 우크라이나에서 산출된다. EU에서는 공급이 확보되지 않은 중요한 원료로 간주된다. 따라서 첨단 금속을 추출하는 새로운 방법에 대한 집중적인 연구가 있다.

브레멘 야콥스 대학교(Jacobs University Bremen)의 프란치스카 킴펠(Franziska Klimpel)과 그녀의 동료들은 이제 가능한 스칸듐 소스를 발견했다. 연구의 시작점은 특정 가넷 미네랄이 스칸듐을 포함할 수 있다는 지식이었다.
"철과 마그네슘이 풍부한 가넷 미네랄 알만딘-형(almadine-type)(Fe2+3Al2(SiO4)3)과 파리로프-형(Pyrope-type)(Mg3Al2(SiO4)3)는 스칸듐이 이러한 미네랄의 결정 격자에 쉽게 흡수된다”고 연구원들은 설명했다.
▲ 과일 석류
▲ 석류석 http://www.mindat.org/photo-188416.html Author : Robert M. Lavinsky

사용된 샌딩 샌드

흥미로운 점 :
이 광물은 경도가 좋은 연마재가 되기 때문에 가넷 모래 형태로 산업에서 자주 사용된다.
그들은 주 사용처는 샌드 블라스팅이지만 워터제트 절단 및 여과에도 활용된다. 가넷 모래는 일반적으로 우수한 연마 특성이 저하되어 폐기되기 전에 3~10회 재사용된다.

여기에서 Klimpel과 팀의 연구가 시작됐다.
그들은 갓 추출한 가넷 모래, 판매 준비가 된 산업용 가넷 모래 및 폐기용 ‘사용 된’ 분쇄 모래에 얼마나 많은 스칸듐이 포함되어 있는지 조사했다. 이를 위해 인도와 호주의 광산에서 채취 한 샘플과 독일에서 판매되는 가넷 모래와 폐기물도 분석했다.
스칸듐의 잠재적인 2차 자원

그 결과 신선한 가넷 모래와 산업적으로 가공된 연마용 모래에는 모래 1kg 당 거의 100mg의 스칸듐이 포함돼 있다. "이러한 스칸듐 농도는 대륙 지각에 대해 킬로그램 당 약 21.9mg의 평균치보다 상당히 높다"고 Klimpel과 동료는 논문에 보고했다.
동시에 이러한 값은 가넷 모래에서 연마 모래로 추출가공 처리해도 스칸듐 농도가 감소하지 않음을 보여준다.

더 중요한 것은 이러한 샌딩 모래를 여러 번 재사용하고 최종적으로 폐기물로 처리하더라도 스칸듐은 그 안에 남아 있다. 이것은 산업용 가넷 모래가 스칸듐의 잠재적인 2차 자원으로 분류될 수 있다는 의미다. 금속은 모래가 이미 분쇄 및 절단에 사용된 후에 추출될 수 있다.
▲ 알만딘(Almandine) http://www.mindat.org/photo-163762.html. author : Robert M. Lavinsky

공급 안정화 및 순환 경제 기여

원칙적으로 유럽에서 스칸듐 수요의 적어도 일부는 마모된 연마 모래를 재활용함으로써 충족될 수 있다. 그것만으로는 공급 병목 현상을 제거하기에 충분하지 않다.
Klimpel과 그녀의 팀이 설명하는 것처럼 전 세계적으로 약 120만 톤의 석류석 모래가 생산되기 때문이다. 그래도 폐기된 분쇄 모래에서 스칸듐을 추출하면 유럽의 스칸듐 비용을 낮추고 공급을 안정화하는 데 도움이 될 수 있다.

연구팀에 따르면 가넷 모래 1톤에는 약 132달러에 해당하는 스칸듐이 포함돼 있다.
따라서 신선한 모래에서 금속을 추출하거나 스칸듐 생산만을 위해 모래를 추출하는 것은 경제적으로 실행 가능하지 않다. 반면에 이미 폐기용으로 의도된 연삭 모래를 사용하면 다르다.
또한 스칸듐에 대한 수요와 가격은 가까운 장래에 계속해서 급격히 상승할 것이라고 과학자들은 전했다.

가넷 모래를 재활용하면 순환 경제와 폐기물 방지에도 기여한다.
"폐기물을 2차 자원으로 사용하는 것은 순환 경제를 향한 개발이 모색되고 있어 EU에서 중요성과 사회적 수용이 증가하고 있다"고 Klimpel과 동료들은 말했다.
(Scientific Reports, 2021; doi : 10.1038 / s41598-021-84614-x)
출처 : Jacobs University Bremen

[더사이언스플러스]

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