석탄 폐기물서 희토류 뽑는다… 추출 효율 3배 높인 ‘마이크로파’ 혁신

풍력 터빈부터 스마트폰에 이르기까지 현대 첨단 기술의 필수 원자재인 희토류 원소(REE)를 버려진 석탄 폐기물에서 획기적으로 추출할 수 있는 신기술이 개발되었다.

추출 효율을 기존 방식 대비 최대 3배까지 끌어올린 이번 연구 결과는 자원 확보의 어려움과 환경 오염 문제를 동시에 해결할 수 있는 돌파구가 될 것으로 기대를 모으고 있다.

1일(현지시각) 학술지 ‘환경 과학 및 기술(Environmental Science and Technology)’에 게재된 연구에 따르면, 미국 노스이스턴 대학교 연구팀은 석탄 채굴 후 남겨진 폐기물인 ‘석탄 폐기물(Coal tailings)’에서 희토류를 효율적으로 분리해내는 새로운 공정을 발표했다.

현재 미국 매립지에 쌓인 약 15억t의 석탄 폐기물에는 600킬로톤 이상의 희토류가 포함된 것으로 추정되지만, 그동안 암석 내 점토 광물에 단단히 결합되어 있어 효율적인 추출이 불가능했다.

연구진이 개발한 기술의 핵심은 두 단계의 화학적·물리적 전처리에 있다. 먼저 미세하게 분쇄된 석탄 폐석을 알칼리 용액에 담근 뒤 마이크로파로 가열하는 과정을 거친다.

이 과정에서 마이크로파 에너지는 희토류 원소를 단단히 감싸고 있던 광물의 고체 구조를 변화시켜 액체가 잘 스며들 수 있는 ‘다공성’ 형태로 전환시킨다.

노스이스턴 대학교의 화학 생물학자 다밀롤라 다라몰라는 "이 공법은 단순히 표면을 깎아내는 것이 아니라 물질의 고체 구조 자체를 근본적으로 바꾸는 것"이라고 설명했다.

이렇게 구조가 바뀐 폐석에 질산 처리를 가하면, 암석 속에 숨어있던 희토류 원소들이 기존보다 훨씬 쉽고 풍부하게 밖으로 흘러나오게 된다.

이번 공정을 통해 추출되는 대표적인 원소 중 하나는 고강도 자석 제작에 필수적인 네오디뮴이다. 네오디뮴은 전기차 모터와 풍력 터빈의 핵심 부품으로 쓰여 탄소 중립 실현을 위한 친환경 기술 전환에 없어서는 안 될 자원이다.

희토류는 실제 매장량이 적은 것은 아니나 정제 과정이 매우 까다롭고 환경 부하가 커 공급망 확보가 늘 난제로 꼽혀왔다.

전 세계적으로 희토류 수요가 급증하는 상황에서, 이번 연구는 그간 건축 자재용 골재로 쓰이거나 그대로 버려졌던 석탄 폐기물을 고부가가치 자원으로 탈바꿈시킬 수 있는 통찰을 제공한다.

특히 미국 펜실베이니아주에만 쌓여있는 20억 톤 규모의 석탄 폐기물을 활용할 경우, 수천억 달러 가치의 자원 자립 효과를 거둘 수 있을 것으로 예상된다.


획기적인 효율 향상에도 불구하고 대규모 상용화까지는 여전히 넘어야 할 산이 많다. 우선 지역마다 석탄 폐기물의 광물 조성이 다르기 때문에 각 현장에 맞는 미세한 공정 조정이 필수적이다.

또한, 마이크로파 가열과 화학 처리에 드는 비용이 여전히 높고, 산업적 규모로 시설을 확장하는 데 따른 기술적 난관도 존재한다.

석탄 폐기물 내에 희토류와 함께 섞여 있는 마그네슘 등 다른 유용한 원소들을 어떻게 동시에 회수하여 경제성을 높일 것인지도 향후 연구의 핵심 고려사항이다.

연구팀은 이번 결과가 희토류 방출 메커니즘에 대한 새로운 이해를 도울 것이며, 전처리 공정 최적화를 통해 추출 잠재력을 극대화할 수 있을 것이라고 강조했다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com