희토류 원소는 17가지 금속으로 이루어진 그룹으로, 지구 지각에 비교적 풍부하게 존재하지만 추출하기는 매우 어렵습니다.
채굴하기 매우 어려운 희토류 원소 중 하나인 네오디뮴. 사진: RHJ/Getty
희토류 원소는 다양한 유용한 특성을 지니고 있어 에너지 및 기술 산업에서 매우 높은 수요를 자랑합니다. 이 그룹은 주기율표 끝자리에 있는 15개의 금속과 이트륨, 스칸듐을 포함한 총 17개의 금속으로 구성됩니다.
이러한 원소들 중 가장 가치가 높은 것은 네오디뮴, 프라세오디뮴, 테르븀, 디스프로슘으로, 이들은 초강력 소형 자석으로 작용하며 스마트폰, 전기 자동차 배터리, 풍력 터빈과 같은 전자 기기의 핵심 부품입니다. 그러나 희토류 원소의 제한된 공급량은 이러한 현대 필수품을 생산하는 데 있어 기업과 정부 모두에게 큰 문제로 작용하고 있습니다.
희토류 원소는 사실 그렇게 희귀하지 않습니다. 미국 지질조사국(USGS)의 연구에 따르면, 지구 지각 전체에 걸쳐 존재하는 다양한 원소의 결정 구조 내 함량(평균적인 존재량)은 대부분 구리나 아연과 같은 흔한 금속과 거의 비슷한 양으로 존재합니다. 버지니아 공과대학교의 애런 노블 교수는 "희토류 원소는 은, 금, 백금과 같은 금속만큼 희귀하지는 않다"고 말했습니다.
하지만 천연 자원에서 희토류를 추출하는 것은 매우 어렵습니다. 웨스트버지니아 수자원 연구소 소장인 폴 지엠키에비츠는 "문제는 희토류가 한 곳에 집중되어 있지 않다는 것입니다. 미국 전역의 셰일 1kg당 약 300mg의 희토류가 함유되어 있습니다."라고 말했습니다.
일반적으로 금속은 용암류, 열수 활동, 산맥 형성 등 다양한 지질학적 과정으로 인해 지구 지각에 집중됩니다. 그러나 희토류 원소는 특이한 화학적 성질 때문에 이러한 특정 조건에서 한곳에 집중되지 않는 경우가 많습니다. 희토류는 지구 곳곳에 미량으로 흩어져 있어 채굴 효율이 낮습니다.
때때로 산성 지하 환경은 특정 위치에서 희토류 원소의 함량을 약간 증가시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 위치를 찾는 것은 단지 첫 번째 과제일 뿐입니다.
자연에서 금속은 광석이라고 불리는 혼합물 형태로 존재하며, 금속 분자가 다른 비금속(반이온)과 강한 이온 결합으로 연결되어 있습니다. 순수한 금속을 얻으려면 이러한 결합을 끊고 비금속을 제거해야 합니다. 이 작업의 난이도는 금속과 결합된 비금속의 종류에 따라 다릅니다.
"구리 광석은 일반적으로 황화물(황과 다른 원소를 포함하는 화학 화합물) 형태로 존재합니다. 광석을 가열하면 황화물은 기체로 빠져나가고 순수한 구리는 반응기 바닥에 침전됩니다. 이는 비교적 간단한 추출 과정입니다. 산화철과 같은 일부 희토류 원소는 금속을 분리하기 위해 첨가제가 필요합니다. 하지만 희토류 원소를 분리하는 것은 훨씬 더 복잡합니다."라고 지엠키에비츠는 설명합니다.
희토류 금속은 양전하 3개를 가지고 있으며, 음전하 3개를 가진 인산염 반이온과 매우 강한 이온 결합을 형성합니다. 따라서 추출 과정에서는 양전하를 띤 금속과 음전하를 띤 인산염 사이의 매우 강한 결합을 극복해야 합니다.
노블은 "희토류 광석은 화학적으로 매우 안정적인 광물이어서 분해하는 데 막대한 에너지와 화학적 힘이 필요합니다. 일반적으로 광석 내 결합이 매우 강하기 때문에 이 과정에는 극도로 낮은 pH, 가혹한 조건, 그리고 매우 높은 온도가 요구됩니다."라고 말했습니다.
순수한 원소를 추출하기 어려운 점 때문에 "희토류"라는 이름이 붙었습니다. 일부 전문가들은 현재의 공급 압박을 완화하기 위해 산업 폐기물과 오래된 전자제품에서 이러한 귀중한 금속을 재활용하고 추출하는 새로운 방법을 연구하고 있습니다. 또한 희토류 특유의 자기적, 전자적 특성을 새로운 화합물에 재현하여 보다 쉽게 구할 수 있는 대체재가 되기를 기대하고 있습니다. 그러나 수요가 증가하고 있음에도 불구하고 현재로서는 희토류를 효과적으로 대체할 수 있는 자원은 없습니다.
( 라이브 사이언스 에 따르면) 투 타오
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