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- 매년 전 세계적으로 약 7억 5천만 톤 석탄회 생산, 희토류 함량은 평균 약 500ppm
- 플래시 줄 가열은 에너지 효율적 톤당 약 600kWh만 필요, 톤당 약 12달러의 비용
- 플래시 증발은 기존 공정보다 최대 10배 더 높은 이윤 가능
- 하루 수 톤에 플래시 줄 가열을 상업적으로 적용하면 폐기물에서 대규모 희토류 회수

폐기물에서 추출하는 희토류 원료
플래시 주울(Flash Joule) 공정: 발전소 재 및 보크사이드 슬러지에서 희토류 추출

자원으로서의 과부하:
새로운 공정으로 석탄 화력 발전소의 재와 알루미늄 생산의 보크사이트 슬러지와 같은 폐기물에서 귀중한 희토류를 추출한다. "Flash Joule Heating"을 사용한 플래시 증발 동안 희토류 금속은 몇 초 이내에 재료에서 방출돼 가용성 산화물 또는 금속으로 변환된다. 이 플래시 증발은 수율을 증가시키지만 현재 공정과 달리 더 적은 에너지와 강산이 필요하지 않다고 연구팀은 보고했다. 

▲ 짧고 강력한 전기 폭발은 발전소 재 또는 보크사이트 슬러지와 같은 폐기물에서 귀중한 희토류 금속을 방출하는 데 도움이 된다. © 라이스 대학교

이트륨, 네오디뮴, 테르븀 또는 디프로슘과 같은 희토류 금속은 현대 기술에 없어서는 안될
필수 요소다. 그들은 무엇보다도 자석, 디스플레이, 반도체, 전기 자동차 및 발전기에서 발견된다.

그러나 공급이 부족하고 비싸며 이러한 희토류의 대부분은 현재 중국에서 공급되고 있다.
이러한 원료에 대해 이전에 사용하지 않은 자원을 사용하는 것이 훨씬 더 중요할 것이다.

▲ 석탄 화력 발전소는 여전히 상당량의 희토류 금속을 함유한 다량의 재를 생산한다. © Tonkovic / 게티 이미지

재와 진흙 속의 미개발 보물

석탄 화력 발전소에서 발생하는 회분과 알루미늄 생산에서 발생하는 보크사이트 슬러지는 지금까지 거의 사용되지 않은 희토류 금속의 원천이다. 둘 다 이전에 거의 사용되지 않은 희토류 부분을 포함한다. 

 

매년 전 세계적으로 약 7억 5천만 톤이 생산되는 석탄회에서 희토류 함량은 평균 약 500ppm이라고 휴스턴 라이스 대학의 Bing Deng과 그의 동료들이 보고했다.

비록 이러한 폐기물이 대부분의 광석보다 희토류 금속을 적게 함유하고 있지만, 석탄재에서 특히 중요한 5가지 요소인 이테르븀, 네오디뮴, 테르븀, 유로퓸 및 디스프로슘의 비율은 일반적인 중국 광석 매장지보다 훨씬 높다.

문제는 지금까지 강용매와 산을 사용하여 희토류를 제거하는 공정이 환경에 유해할 뿐만 아니라 비용이 많이 들 뿐만 아니라 효율도 좋지 않다는 점이다. 따라서 그들은 거의 사용되지 않는다.

플래시 증발에 의한 추출

"Flash Joule Heating"이 솔루션을 제공할 수 있다. 이 오믹 플래시 기화에서 원료는 그을음으로 농축된 다음 짧고 격렬한 전기 서지에 의해 순식간에 3천 도 이상으로 가열된다.

Deng과 그의 팀은 전자 폐기물에서 금속을 증발시키고 분리하기 위해 이미 이 방법을 사용했다. 그들은 최근 플래시 증발이 석탄재에서 희토류 금속을 추출하는 데 적합한지 여부를 조사했다.

연구원들은 희토류 함량이 재료 킬로그램당 418밀리그램과 516밀리그램인 석탄재의 두 가지 일반적인 변형을 사용했다. 또한 알루미늄 생산에서 건조된 보크사이트 슬러지로 테스트를 수행다. 이것은 때때로 1,000ppm의 희토류 금속을 포함할 수도 있다. 비교를 위해 과학자들은 각 시험 물질의 일부를 강염산 또는 질산을 사용하여 표준 산 추출에 적용했다.

나머지 샘플에 대해 팀은 플래시 줄 가열을 사용해 분리를 수행했다.
이 경우, 희토류 금속은 후속적으로 가용성 산화물 또는 금속 형태로 존재한다. 그런 다음 Deng과 그의 동료들이 설명하는 것처럼 단지 0.1몰의 약한 염산으로 제거할 수 있다. 

▲ BR 및 전자폐기물에서 REE 회수.(A) BR의 XRD 패턴. 삽입: BR의 사진. 스케일 바, 5cm. (B) BR 원료 및 120V FJH 활성화 BR에서 산-침출 가능한 개별 REE 함량(0.5M HNO3) 및 회수율(Y/Y0)의 증가. (C) 전자폐기물의 XRD 패턴. 삽입: 전자 폐기물을 분말로 분쇄한 사진. 스케일 바, 5cm. (D) 전자폐기물 원료 및 50V FJH 활성화 전자폐기물의 산성 침출성 REE 함량(1M HCl) 및 회수율 증가. (B) 및 (D)에서 Y0는 원료의 산침출에 의한 REE 회수율을 나타내고, Y는 활성물질의 산침출에 의한 REE 회수율을 나타낸다. (B) 및 (D)의 모든 오차 막대는 N = 3인 SD를 나타낸다. (출처: 관련논문 Rare earth elements from waste)

2배의 수확량

플래시 줄 가열 후 모든 폐기물에 대한 추출 가능한 희토류 금속의 수율은 기존 공정보다 170~230% 높았다. 연구원들은 약 3,000도까지 강력하지만 짧은 가열이 순수한 화학 공정보다 금속을 더 효과적으로 이동시킨다는 사실이 이 결과를 만든다. 석탄재의 일부 희토류 금속은 난용성 인산염에 결합되거나 작은 유리 입자로 둘러싸여 있다.

"Flash Joule 가열은 이러한 요소를 캡슐화하는 유리를 깨고 희토류 인산염을 훨씬 더 쉽게 용해되는 금속 산화물로 변환한다"고 공동 저자인 제임스투어(James Tour)는 설명한다. 실험에서 플래시 증발을 이용한 추출 후 불순물의 비율도 더 낮은 것으로 나타났다.

전반적으로, 귀중한 희토류 금속은 석탄회 및 보크사이트 슬러지와 같은 폐기물에서 보다 효율적으로 회수될 수 있다.

<이것이 플래시 기화 추출이 작동하는 방식이다. © 라이스 대학교>

경제적으로 실행 가능

Deng과 그의 팀에 따르면, 새로운 공정은 이러한 잔류물에서 희토류 금속을 추출하는 것을 이전보다 더 실용적이고 무엇보다 가치 있게 만들 수 있다고 한다. 이 방법은 일반적인 추출 방법보다 빠르고 저렴하기 때문이다. "플래시 줄 가열은 매우 에너지 효율적이며 톤당 약 600kWh만 필요하다. 이는 톤당 약 12달러의 비용에 해당한다"고 그들은 보고했다.

과학자들에 따르면 플래시 증발은 기존 공정보다 최대 10배 더 높은 이윤을 가능하게 할 수 있다. 동시에 프로세스를 쉽게 확장할 수 있으며 자동화된 프로세스에 통합할 수 있다.

Deng과 그의 동료들은 "하루 수 톤에 플래시 줄 가열을 상업적으로 적용하면 폐기물로부터 대규모 희토류 회수를 할 수 있는 길을 열 수 있다"고 강조했다.
(Science Advances, 2022; doi: 10.1126/sciadv.abm3132)
출처: Rice University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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