현대인의 삶은 희토류로 알려진 금속에 의존합니다. 불행하게도, 이러한 요소는 너무 광범위하게 사용되고 대중적이기 때문에 언젠가는 사회의 요구를 충족시키기에 충분하지 않을 수도 있습니다.

이 17가지 금속은 특수한 특성으로 인해 고성능 컴퓨터 화면, 휴대폰 및 기타 전자 제품에 중요한 역할을 합니다. 소형 형광등이 사용합니다. 의료 영상 기계, 레이저, 고출력 자석, 광섬유 및 안료도 마찬가지입니다. 충전식 전기 자동차 배터리에도 있습니다. 이러한 요소는 또한 기후 친화적인 저탄소 또는 무탄소 미래로 가는 관문입니다.

2021년에 세계는 280,000톤의 희토류를 채굴했습니다. 이는 1950년대 중반의 약 32배입니다. 전문가들은 2040년까지 오늘날 우리가 사용하는 양의 최대 7배가 필요할 것으로 추정합니다.

희토류가 하는 대부분의 작업을 대신할 좋은 대체재는 없습니다. 따라서 이러한 금속에 대한 우리의 욕구를 만족시키는 것은 쉽지 않을 것입니다. 그들은 풍부한 예금에서 발견되지 않습니다. 따라서 광부들은 광석을 얻기 위해 엄청난 양의 광석을 채굴해야 합니다. 그런 다음 회사는 물리적 및 화학적 공정을 혼합하여 금속을 농축하고 분리해야 합니다.

이러한 프로세스는 많은 에너지를 사용합니다. 그들은 또한 더럽고 독성 화학 물질을 사용합니다. 또 다른 우려 사항: 중국은 이러한 금속을 채굴하고 가공하는 거의 유일한 장소입니다. 예를 들어 현재 미국 전역에는 활성 희토류 광산이 하나만 있습니다.

이 모든 것은 연구원들이 이러한 금속을 재활용하려는 이유를 설명합니다. 재활용은 “매우 중요하고 중심적인 역할을 할 것”이라고 Ikenna Nlebedim은 말합니다. 그는 Department of Energy’s Critical Materials Institute의 재료 과학자입니다. (Iowa의 Ames National Laboratory에서 운영합니다.)

Nlebedim은 10년 이내에 재활용을 통해 희토류 수요의 최대 4분의 1을 충족할 수 있다고 말합니다. 만약 사실이라면 그것은 “엄청난 것”이 될 것이라고 그는 말한다.

스마트폰을 포함한 대부분의 전자 제품에는 자석이 포함되어 있습니다. 많은 가전 제품과 기계도 마찬가지입니다. 이러한 자석의 대부분은 희토류에 의존하여 힘을 얻습니다. 그러나 일단 제품의 수명이 다하면 새로운 용도로 희토류를 회수하는 것이 어려울 수 있습니다. 새로운 연구가 이를 바꾸기 위해 노력하고 있습니다.

미국과 유럽에서는 철강과 같이 사용 빈도가 높은 금속의 15~70%를 재활용하는 것이 표준입니다. 그러나 오늘날 오래된 제품의 희토류 중 약 1%만이 재활용되고 있다고 Simon Jowitt는 말합니다. 지질학자인 그는 라스베거스의 네바다 대학교에서 근무합니다.

“구리 배선은 더 많은 구리 배선으로 재활용될 수 있습니다. 강철은 더 많은 강철로 재활용될 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. 그러나 많은 희토류 제품은 “재활용이 쉽지 않습니다.”

왜? 종종 그들은 다른 금속과 혼합되었습니다. 다시 분리하는 것은 매우 어려울 수 있습니다. 어떤 면에서 버려진 물건에서 희토류를 재활용하는 것은 광석에서 희토류를 추출하고 가공하는 것만큼이나 어려운 일입니다.

희토류 재활용은 염산과 같은 유해 화학 물질을 사용하는 경향이 있습니다. 또한 많은 열을 사용하므로 많은 에너지를 사용합니다. 그리고 그 노력으로 소량의 금속만 회수할 수 있습니다. 예를 들어 컴퓨터의 하드 디스크 드라이브에는 몇 그램(1온스 미만)의 희토류 금속이 포함될 수 있습니다. 어떤 제품은 1000분의 1에 불과할 수도 있습니다.

그러나 과학자들은 이러한 금속을 더 많이 채굴할 필요성을 줄이기 위해 더 나은 재활용 접근 방식을 개발하려고 노력하고 있습니다.

박테리아에서 소금 및 제분까지

한 가지 접근 방식은 미생물을 모집합니다. Gluconobacter 박테리아는 자연적으로 유기산을 생성합니다. 이러한 산은 사용된 촉매 또는 형광등을 빛나게 하는 발광 형광체에서 란탄 및 세륨과 같은 희토류를 끌어올 수 있습니다. 박테리아 산은 다른 금속 침출 산보다 환경에 덜 해롭다고 Yoshiko Fujita는 말합니다. 그녀는 Idaho Falls에 있는 Idaho National Laboratory의 생지구화학자입니다.

실험에서 이러한 박테리아 산은 촉매와 형광체에서 희토류의 약 1/4에서 절반만 회수합니다. 그것은 어떤 경우에는 99%까지 추출할 수 있는 염산만큼 좋지 않습니다. 그러나 바이오 기반 접근 방식은 여전히 노력할 가치가 있다고 Fujita와 그녀의 팀은 보고합니다.

다른 박테리아도 희토류 추출을 도울 수 있습니다. 몇 년 전, 연구원들은 일부 미생물이 희토류를 붙잡을 수 있는 단백질을 생산한다는 사실을 발견했습니다. 이 단백질은 많은 자석에 사용되는 디스프로슘의 네오디뮴과 같은 희토류를 서로 분리할 수 있습니다. 이러한 시스템은 많은 독성 용매의 필요성을 피할 수 있습니다. 그리고 이 과정에서 남은 폐기물은 생분해됩니다.

아이다호 국립 연구소의 원자로 기계

하나의 실험적 재활용 접근법은 유기산을 사용하여 폐기물에서 희토류를 추출합니다. 박테리아는 그 산을 만듭니다. 아이다호 국립 연구소의 이 반응기는 이러한 재활용을 위해 유기산 혼합물을 준비하고 있습니다.

아이다호 국립 연구소

또 다른 새로운 기술은 산이 아닌 구리 염을 사용하여 버려진 자석에서 희토류를 추출합니다. 네오디뮴-철-붕소(NIB) 자석은 희토류의 가장 큰 단일 사용자입니다. 희토류는 무게 기준으로 이러한 자석의 거의 1/3을 차지합니다.7년 이내에 미국 하드 디스크 드라이브의 NIB 자석에서 네오디뮴을 재활용하면 이 금속에 대한 세계 수요의 약 5%를 충족할 수 있습니다(중국 제외).

Nlebedim은 파쇄된 전자 장치의 자석에서 희토류를 침출하기 위해 구리 염을 사용하는 기술을 개발한 팀을 이끌었습니다. 이 과정은 자석을 만들고 남은 음식에도 사용되었습니다. 그곳에서 희토류의 90~98%를 회수할 수 있습니다. 추출된 금속은 새로운 자석을 만들기에 충분히 순수하다는 것을 Nlebedim 팀이 보여주었습니다. 그들의 공정은 또한 기후에 더 좋을 수 있습니다. 중국에서 희토류를 채굴하고 가공하는 주요 방법 중 하나와 비교할 때 구리 염 방법은 탄소 발자국이 절반도 되지 않습니다.

TdVib라는 아이오와 회사는 이 구리염 공정을 사용하기 위해 시험 공장을 막 건설했습니다. 한 달에 2톤의 희토류 산화물 생산을 목표로 하고 있다. 데이터 센터의 오래된 하드 디스크 드라이브에서 희토류를 재활용합니다.

Noveon Magnetics는 텍사스 주 산 마르코스에 있는 회사입니다. 이미 재활용 NIB 자석을 만들고 있습니다. 폐기된 자석을 탈자 및 세척한 후 금속을 분쇄하여 분말로 만듭니다. 그 가루는 새로운 자석을 만드는 데 사용됩니다. 여기서 희토류를 먼저 추출하고 분리할 필요가 없습니다. 최종 제품은 99% 이상 재활용된 자석일 수 있습니다.

NIB 자석을 만드는 일반적인 방법과 비교할 때 이 방법은 에너지 사용을 약 90% 줄인다고 연구원들은 2016년 논문에서 보고했습니다. Noveon은 또한 온실 가스인 이산화탄소를 약 절반만 방출한다고 추정합니다.

Apple에서 개발한 Daisy라는 로봇의 사진

재활용을 돕기 위해 Apple은 23개 모델의 iPhone을 분해할 수 있는 로봇 Daisy(그림)를 개발했습니다. 작업 중인 다른 로봇인 Taz와 Dave는 희토류 자석 회수를 전문으로 할 것입니다.

재활용할 제품을 모으는 것이 여전히 문제

많은 커뮤니티에는 재활용을 위해 금속, 종이 또는 유리를 수집하는 프로그램이 있습니다. 아이다호 국립 연구소의 Fujita는 희토류가 포함된 폐기 제품을 수거하는 것과 같은 것은 존재하지 않는다고 말합니다. 희토류 재활용을 시작하려면 귀중한 금속이 포함된 비트를 찾아야 합니다.

Apple은 일부 전자 제품을 재활용하기 위한 노력을 시작했습니다. Daisy 로봇은 iPhone을 분해할 수 있습니다. 그리고 작년에 Apple은 희토류 재활용을 돕는 한 쌍의 로봇 Taz와 Dave를 발표했습니다. Taz는 일반적으로 전자 제품을 파쇄하는 동안 손실되는 자석 포함 모듈을 수집할 수 있습니다. Dave는 iPhone의 다른 부분에서 자석을 복구할 수 있습니다.

그럼에도 불구하고 회사가 재활용을 쉽게 하는 방식으로 제품을 설계했다면 훨씬 더 쉬웠을 것이라고 Fujita는 말합니다.

그러나 재활용이 아무리 잘 되더라도 Jowitt는 채굴 노력을 강화할 필요성을 피할 수 없다고 생각합니다. 희토류에 대한 사회의 굶주림은 너무 크고 점점 커지고 있습니다. 그러나 그는 재활용이 필요하다는 데 동의합니다. “매립지에 그냥 버리는 것보다 우리가 할 수 있는 것을 추출하려고 노력하는 것이 더 낫습니다.”라고 그는 말합니다.