"핵 재처리 기술로 희토류 캔다"… 日 JAEA, 반도체 폐수서 전략 광물 100% 회수 성공

중국의 희토류 수출 통제 강화로 글로벌 공급망 안보의 중요성이 날로 커지는 가운데, 일본 연구진이 원자력 발전소의 사용후핵연료 재처리 기술을 역응용해 반도체·화학 공장 등의 산업 폐수 및 폐유에서 전략 희토류를 고효율로 회수하는 혁신 기술을 개발했다.

그동안 분리와 정제가 극도로 까다로웠던 유·수분 혼합 폐액 속에서 고부가가치 희토류만을 선택적으로 결합·추출하고 흡착제까지 재사용할 수 있는 길을 열어, '도시 광산(재활용)'을 통한 자원 자립도를 획기적으로 끌어올릴 돌파구가 마련됐다는 평가다.
8월 26일(현지시각) 일본 종합 경제 미디어 닛케이 아시아(Nikkei Asia) 보도에 따르면, 일본원자력연구개발기구(JAEA)와 공동 연구팀은 액체 상태의 산업 폐기물에서 특정 희토류 원소만을 화학적으로 포착·분리해 내는 특수 흡착제 시스템 개발에 성공했다고 밝혔다.


이번 신기술의 핵심 메커니즘은 원자력 시설에서 강산, 유기 용매, 중금속이 뒤섞인 고준위 방사성 폐기물로부터 우라늄과 플루토늄을 안전하게 분리·추출하기 위해 개발되었던 고도화된 화학 결합 기술에 기반한다.

JAEA 연구팀은 특정 희토류 원소와만 선택적으로 강력하게 결합하는 화학적 '암(Arm·작용기)' 구조를 설계하고, 이를 미세한 비드(Bead·구슬) 형태의 고체 흡착제에 결합시켰다.

기존의 회수 기술들은 기름과 물이 에멀션 형태로 섞여 있는 복합 산업 폐액에서 표적 금속을 분리하는 데 구조적 한계를 겪었다. 반면 JAEA의 신형 비드 흡착제는 수용액뿐만 아니라 폐유가 혼합된 가혹한 액체 환경에서도 표적 희토류를 정밀하게 포착해 냈다.

실제 실험에서 연구진은 디스플레이(LED·LCD) 및 형광체 소재의 필수 희토류인 유로퓸(Europium)이 포함된 물·기름 혼합 용액에 흡착제를 투입해 유로퓸을 완전히 추출하는 데 성공했다. 이후 강산 용액 처리를 통해 흡착된 유로퓸을 고순도로 분리·회수했으며, 사용된 비드 흡착제는 성능 저하 없이 원상태로 재생되어 재사용이 가능함을 입증했다.

아라이 요이치(Yoichi Arai) JAEA 수석연구원은 "그동안 경제성과 기술적 난이도로 인해 폐기 처분되던 산업 폐액에서 전략적 가치가 높은 희토류를 직접 건져 올릴 수 있는 획기적인 통로가 열렸다"고 평가했다.

특히 비드 형태의 흡착제는 반도체 팹, 첨단 화학 플랜트, 전자 부품 제조 공장의 기존 배수·폐기물 처리 라인에 필터 형태로 손쉽게 삽입할 수 있는 구조적 장점을 지닌다. 기업들이 기존 제조 라인을 전면 개조하거나 가동을 중단할 필요 없이 공정 말단에서 희토류를 회수할 수 있어 상용화 시 비용 부담을 크게 낮출 수 있다.

연구팀은 향후 흡착제의 원소별 결합 친화도를 미세 조정해 네오디뮴(Nd), 디스프로슘(Dy) 등 전기차 영구자석용 핵심 희토류로 회수 대상을 확대하고, 대량 합성 공정 개발을 거쳐 향후 10년 이내에 본격적인 상용화 플랜트를 가동한다는 계획이다.


시장조사업체 루신텔(Lucintel)에 따르면 글로벌 희토류 재활용 시장 규모는 2031년 11억 달러(약 1조 5,230억 원) 수준으로 급팽창할 전망이다.

현재 미국 미시시피 대학교가 자기장을 이용한 전자 폐기물 희토류 회수 기술을 연구 중이며, 일본 정부는 도쿄 동쪽 미나미토리시마 인근 해저 진흙(심해 점토)에서 희토류를 상업 채굴하는 프로젝트를 병행하는 등 서방 진영의 '탈(脫)중국 광물 독립' 노력이 전방위로 전개되고 있다.

JAEA의 핵 재처리 기술 기반 희토류 추출 혁신은, 향후 ‘중국의 희토류 무기화에 대응해 폐기물에서 고순도 광물을 자급하는 친환경 순환 경제 모델’과 더불어 ‘원자력 기술의 민간 첨단 소재·공급망 안보 분야 응용 가능성’을 입증하는 핵심 기술 지표로 작용할 전망이다.


신경원 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com