희토류 원소는 실제로 얼마나 희귀한가?

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17가지 금속으로 구성된 희토류 원소는 지구 지각에 비교적 풍부하게 존재하지만, 이를 추출하는 것은 매우 어렵습니다.

네오디뮴은 채굴하기 매우 어려운 희토류 원소 중 하나입니다. 사진: RHJ/게티 — 네오디뮴은 채굴하기 매우 어려운 희토류 원소 중 하나입니다. 사진: *RHJ/게티*

희토류 원소는 많은 유용한 특성을 가지고 있기 때문에 에너지 및 기술 산업에서 높은 수요가 있습니다. 이 그룹은 주기율표의 맨 아래에 있는 15개의 금속 원소와 이트륨, 스칸듐이라는 두 원소를 포함하여 총 17개의 금속으로 구성되어 있습니다.

이러한 원소 중 가장 귀중한 것은 네오디뮴, 프라세오디뮴, 테르븀, 디스프로슘으로, 이는 초강력 소형 자석으로 작용하여 스마트폰, 전기 자동차 배터리, 풍력 터빈과 같은 전자 기기의 핵심 구성 요소입니다. 그러나 희토류 원소의 공급이 제한적이라는 점은 현대 필수품을 생산하는 기업과 정부 에 큰 우려사항입니다.

희토류 원소는 그렇게 희귀하지 않습니다. 미국 지질조사국(USGS)이 다양한 원소의 결정 풍부도(지각의 평균 가용성)에 대한 연구에 따르면, 대부분의 희토류 원소는 구리, 아연 등 일반 금속과 같은 양으로 존재합니다. 버지니아 공대의 에런 노블 교수는 "은, 금, 백금과 같은 금속만큼 희귀하지는 않습니다."라고 말했습니다.

하지만 이를 천연자원에서 추출하는 것은 매우 어렵습니다. "문제는 희토류 원소가 한 곳에 집중되어 있지 않다는 것입니다. 미국 전역의 셰일 1kg에는 약 300mg의 희토류 원소가 함유되어 있습니다."라고 웨스트버지니아 수자원 연구소 소장인 폴 지엠키에비츠는 말했습니다.

일반적으로 금속은 용암류, 열수 활동, 산맥 형성 등 다양한 지질학적 과정으로 인해 지구 지각에 농축됩니다. 그러나 희토류 원소의 특이한 화학적 특성으로 인해 이러한 특수한 조건에서는 일반적으로 함께 농축되지 않습니다. 희토류 원소의 흔적은 지구 곳곳에 흩어져 있어 채굴 효율이 낮습니다.

때로는 산성 지하 환경으로 인해 특정 지역의 희토류 원소의 양이 약간 증가할 수 있습니다. 하지만 이런 장소를 찾는 것은 단지 첫 번째 과제일 뿐입니다.

자연에서 금속은 광석이라고 불리는 혼합물로 존재하며, 광석에는 금속 분자가 다른 비금속(반대이온)과 강력한 이온 결합으로 결합되어 있습니다. 순수한 금속을 얻으려면 이러한 결합을 끊고 비금속 물질을 제거해야 합니다. 작업의 난이도는 결합된 금속과 비금속에 따라 달라집니다.

"구리 광석은 일반적으로 황화물(황과 다른 원소로 구성된 화학물질) 형태로 나옵니다. 광석을 가열하면 황화물이 가스로 방출되고 순수한 구리는 반응기 바닥으로 떨어집니다. 이는 매우 간단한 추출 과정입니다. 산화철과 같은 다른 종류의 구리는 금속을 분리하기 위해 첨가제가 필요합니다. 하지만 희토류를 분리하는 것은 훨씬 더 복잡합니다."라고 지엠키에비츠는 설명합니다.

희토류 금속은 3개의 양전하를 가지고 있으며, 각각 3개의 음전하를 가지고 있는 인산 이온과 매우 강력한 이온 결합을 형성합니다. 따라서 추출 공정에서는 양전하 금속과 음전하 인산염 사이의 매우 강한 결합을 극복해야 합니다.

"희토류 광석은 화학적으로 매우 안정된 광물이기 때문에 분해하려면 많은 에너지와 화학적 힘이 필요합니다. 일반적으로 이 과정은 광석 내 결합이 매우 강하기 때문에 매우 낮은 pH, 혹독한 조건, 그리고 매우 높은 온도를 요구합니다."라고 노블은 말했습니다.

순수한 원소를 분리하는 데 어려움이 있어 "희토류 원소"라는 이름이 생겨났습니다. 일부 전문가들은 현재 공급에 대한 압박을 완화하기 위해 산업 폐기물과 오래된 전자제품에서 귀중한 금속을 재활용하고 추출하는 새로운 방법을 연구하고 있습니다. 그들은 또한 희토류 원소의 독특한 자기적, 전자적 특성을 새로운 화합물에서 재현하려고 노력하고 있으며, 이러한 새로운 화합물이 더 쉽게 접근 가능한 대안이 되기를 바라고 있습니다. 그러나 희토류 원소에 대한 수요는 증가하고 있음에도 불구하고 현재 효과적인 대체재는 없습니다.

투 타오 ( Live Science 에 따르면)

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