첨단 희토류 자석 재활용

현대 기술의 초석인 희토류 원소는 그린 에너지, 전기 자동차, 풍력, 하이엔드 전자제품, 특히 네오디뮴 자석을 핵심으로 하는 첨단 전자제품에 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 하지만 희토류 채굴에 드는 환경 비용이 높고, 고도로 집중된 공급망으로 인한 지정학적 위험도 점점 더 커지고 있습니다. 희토류 자석을 재사용하면 생산 비용을 크게 절감할 수 있을 뿐만 아니라 환경 피해를 완화하여 공급망의 탄력성을 높이고 자원의 수명을 연장할 수 있습니다. 하이프로매그의 HPMS 공정과 같은 새로운 기술을 통해 희토류 재활용은 친환경 공급과 경제적 이익을 달성하는 주요 경로로 자리 잡고 있습니다. 네오디뮴 자석, 사마륨-코발트 및 알니코 자석에는 중요한 희토류 원소가 포함되어 있습니다.

희토류 원소 재활용 전략

희토류 원소는 란탄화물, 스칸듐, 이트륨을 포함한 화학 원소 그룹으로, 특히 프라세오디뮴과 네오디뮴이 산업 응용 분야에서 중요합니다. 천연 광석의 농도는 일반적으로 5% 미만입니다. 따라서 버려진 자석은 고부가가치 "도시 광산"이 될 수 있습니다. 재활용은 이러한 희토류 물질을 생산 주기에 다시 도입하여 폐쇄 루프 경제 시스템을 구축할 수 있는 프로세스입니다. 반면에 네오디뮴 자석의 제조 공정은 희토류 원소를 추출하고 정제하는 등 매우 복잡한 과정을 거칩니다. 광석 채굴, 화학적 분리, 합금 제조, 자석 성형 등 생산 공정은 에너지 집약적이고 다량의 화학 시약이 필요해 생태 파괴와 자원 오염으로 이어지기 쉬우며, 이는 곧 생태 파괴와 자원 오염으로 이어집니다. 또한 전 세계 희토류 공급망은 대부분 중국에 집중되어 있습니다(중국은 80% 이상의 생산량을 차지함). 따라서 지정학적 환경의 변화와 무역 제한에 따라 공급 중단과 가격 변동이 발생할 수 있습니다.

희토류 자석의 재활용은 위의 문제를 해결할 수 있는 가장 실현 가능한 방법 중 하나입니다. 재활용은 버려진 전자제품, 수명이 다한 차량, 산업 장비에서 NdFeB 자석을 꺼내는 방식으로 새로운 채굴에 대한 의존도를 낮추고 생산 비용을 줄이며 자원 효율성을 개선합니다.

희토류 자석 재활용의 과제

희토류 자석 재활용은 환경을 보호하고, 투입 재료의 중단 위험을 줄이며, 희토류 재료의 수명을 연장할 수 있는 청정 에너지 부문의 기반이 되었습니다. 네오디뮴 자석을 재활용하는 것은 경제적, 환경적으로 많은 잠재력을 가지고 있지만, 실제 실행에는 여전히 어려움이 많습니다.

1. 낮은 재활용률

알루미늄의 경우 50%, 구리의 경우 40%에 비해 전 세계적으로 재활용되는 NdFeB 자석의 양은 1-2%에 불과합니다. 왜 차이가 날까요? 많은 사람들이 이러한 자석을 재활용할 수 있다는 사실을 모르고 있으며, 관련 인프라도 부족한 경우가 많습니다. 유엔환경계획은 매년 5천만 톤의 전자 폐기물에 최대 10만 톤의 재활용 가능한 NdFeB 자석이 포함되어 있지만 회수되는 양은 1% 미만으로 추정하고 있습니다.

2. 분리의 기술적 과제

NdFeB 자석은 천연 광석보다 희토류 농도가 높지만, 폐기물에 플라스틱, 구리, 강철과 같은 물질이 섞여 희토류 함량이 희석되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 폐하드 드라이브에 들어 있는 NdFeB 자석은 전체 무게의 1-2%에 불과합니다. 이러한 저농도의 희토류를 추출하려면 고급 선별 기술이 필요하지만 기존의 물리적 분리 방법은 비효율적이며 고순도 회수에 어려움을 겪습니다. 습식 야금 공정은 희토류를 추출할 수 있지만 강산과 다량의 물을 사용하므로 오염도가 높은 폐수를 발생시킵니다.

NdFeB 자석은 일반적으로 부식을 방지하기 위해 니켈, 아연 또는 에폭시 수지로 코팅되어 있으며, 이러한 코팅은 재활용 시 제거하기가 어렵습니다. 또한 많은 자석이 복잡한 접착제로 제품에 고정되어 있어 화학적 특성으로 인해 분리가 더욱 복잡해집니다.

3. 재활용에 대한 경제적 장벽

1차 희토류 채굴에 비해 NdFeB 자석을 재활용하려면 초기 투자 및 운영 비용이 많이 듭니다. 1톤의 NdFeB 자석을 재활용하는 데 드는 비용은 킬로그램당 약 $50-70달러인 반면, 1차 희토류의 시장 가격은 킬로그램당 $30-50달러로 추산됩니다. 비용을 줄이려면 기술 발전과 시장 확대가 필요합니다. 재활용 비용을 낮추기 위해 정부는 보조금이나 탄소배출권을 제공하여 기업이 더 많은 재활용 공장을 건설하도록 장려할 수 있습니다.

4. 시장 수용성 및 품질 문제

재활용 NdFeB 자석의 시장 수용성은 품질과 성능에 따라 달라집니다. 일부 재활용 소재는 불순물이나 공정상의 한계로 인해 1차 소재보다 성능이 떨어집니다. 재활용 자석은 전기 자동차 모터와 같은 첨단 애플리케이션에 사용되려면 새 자석의 품질과 일치해야 합니다.

희토류 자석 재활용 기술

직접 재사용, 수소 야금, 파이로 야금과 같은 전통적인 재활용 방법은 기반을 마련했지만 높은 에너지 소비와 환경 오염으로 인해 널리 채택되는 데 한계가 있습니다. 최근에는 바이오 침출, 이온성 액체 추출, 수소 처리와 같은 새로운 기술이 희토류 재활용 환경을 재편하여 효율은 높이고 탄소 발자국은 줄이면서 산업 발전을 촉진하고 있습니다.

1. 직접 재사용 및 분말 야금

직접 재사용은 폐기된 제품에서 폐 NdFeB 자석을 해체하여 새 자석으로 재가공하는 것을 말합니다. 이는 모양과 특성이 여전히 요구 사항을 충족하는 자석에 일반적으로 사용됩니다. 해체 후 자석을 세척, 장식, 성능 테스트를 거쳐 표준을 충족하면 수요가 적은 애플리케이션에 바로 사용할 수 있습니다. 분말 야금에서는 자석을 분말로 분쇄한 다음 소결하여 새로운 자석으로 만듭니다. 이 방법은 복잡한 화학 처리를 피할 수 있고 비용이 저렴하지만 적용 범위가 제한적입니다.

2. 습식 야금학: 산 침출 및 용매 추출

습식 제련은 화학적 용해와 분리를 통해 NdFeB 자석에서 희토류 원소를 추출합니다. 먼저 산을 사용하여 폐자석을 액체 금속염으로 용해한 다음 용매 추출을 통해 네오디뮴과 디스프로슘과 같은 원소를 분리합니다. 이 방법은 높은 회수율(최대 95%)을 달성하고 복잡한 폐기물을 처리할 수 있습니다. 그러나 다량의 강산과 유기 용매를 사용하면 오염도가 높은 폐수가 발생하여 희토류 회수 톤당 10~15톤의 폐수가 발생한다는 큰 단점이 있습니다.

3. 열 야금학: 고온 가공 및 플라즈마 아크

파이로메탈러지는 고온 제련(일반적으로 1000°C 이상)을 통해 NdFeB 자석을 금속 산화물 또는 합금으로 분해한 다음 전기분해 또는 화학 환원을 통해 희토류 원소를 추출합니다. 플라즈마 아크 기술은 고온 플라즈마(>6000°C)를 사용하여 자석을 빠르게 분해함으로써 효율성을 높이며, 코팅이나 접착제가 있는 복잡한 폐기물을 처리하는 데 적합합니다. 하지만 파이로야금은 에너지 집약적이며 탄소 배출량이 습식 야금보다 약 1.5배 높고, 고온으로 인해 희토류 휘발이 발생하여 회수율이 70~85%에 불과할 수 있습니다.

4. 생물 침출: 미생물 추출

생물 침출은 친산성 미생물을 사용하여 폐자석에서 희토류 원소를 추출합니다. 미생물은 신진대사를 통해 유기산을 생성하여 희토류를 분리 가능한 화합물로 용해시킵니다. 이 방법은 습식 제련보다 폐수 오염이 훨씬 적고 에너지 소비량이 기존 방법의 3분의 1에 불과해 환경 친화적입니다.

5. 이온 액체 추출

이온성 액체(IL)는 전통적인 습식 야금에서 유기 용매를 대체하는 데 사용되는 저휘발성, 재활용 가능한 친환경 용매입니다. 고순도 분리를 위해 희토류 원소를 선택적으로 용해합니다. 예를 들어 이미다졸륨 기반 이온성 액체는 네오디뮴과 디스프로슘의 경우 최대 98%의 추출 효율을 달성하며 폐수 발생량은 70%가 적습니다.

6. 자석 스크랩의 수소 처리(HPMS) 6.

하이프로매그의 자석 스크랩 수소 처리(HPMS) 기술은 상압에서 수소를 사용하여 NdFeB 자석을 고순도 NdFeB 분말로 분해합니다. 이 공정은 고온이나 강산이 필요하지 않으며, 탄소 배출량은 습식 제련보다 70% 낮고 회수율은 90% 이상입니다. 생성된 분말은 새로운 자석을 소결하는 데 직접 사용할 수 있으며, 버진 자석과 5% 미만의 성능 차이를 보입니다.

7. 초임계 CO2 및 전기 화학적 방법

초임계 이산화탄소(SC-CO2)는 높은 투과성과 용해도를 유기 리간드와 결합하여 희토류 원소를 추출하는 데 활용합니다. 고압과 적당한 온도에서 작동하는 이 방법은 폐수 발생을 최소화하고 85-90%의 회수율을 달성합니다. 전기화학적 방법은 산성 폐수를 피하면서 전기분해를 통해 용액에 희토류 원소를 선택적으로 침착시킵니다.

8. 구리 염법

구리염법은 희토류 원소를 우선적으로 녹여 분리 가능한 화합물을 형성하는 구리염 용액에 NdFeB 자석을 반응시키는 방식입니다. 이 방법은 높은 회수율(>95%)과 수소 야금보다 50% 낮은 탄소 발자국을 제공합니다. 일본 도호쿠대학의 연구에 따르면 이 방법은 쉽게 중화되는 폐수로 코팅된 자석을 효과적으로 처리하는 것으로 나타났습니다. 하지만 폐기물을 정밀하게 사전 분류해야 하며, 구리 염 재활용은 비용 절감을 위해 추가적인 최적화가 필요합니다.

요약: 희토류 재활용의 장기적 가치

희토류 채굴은 거대한 굴착기를 사용해 지구의 '피부'를 벗겨내는 것과 같아서 수질 오염, 토양 황폐화, 막대한 탄소 배출이라는 '상처'를 남깁니다. 희토류 채굴 지역에서는 매년 수백만 톤의 유독성 광미가 발생하여 강과 농지를 오염시킵니다. 1톤의 자석을 재활용하면 약 12톤의 광석 추출과 15톤의 폐수 배출을 줄일 수 있습니다. 이 기술은 지구에 대한 피해를 최소화합니다.

EU의 REE 침묵 프로젝트는 2030년까지 재활용을 통해 유럽 희토류 수요의 15-20%를 충족할 수 있다고 추정하고 있으며, 미국의 ReCycle 프로젝트는 2027년까지 네오디뮴 자급률 10%를 달성하는 것을 목표로 하고 있습니다. 재활용 자석은 채굴된 자석보다 20~30% 저렴하기 때문에 희토류 재활용은 순환 경제의 핵심 축이자 지속 가능성을 위한 장기적인 해결책이 될 수 있습니다. EU의 중요 원자재법은 2030년까지 희토류 수요의 15%을 재활용을 통해 충족하도록 의무화하고 있으며, 중국의 순환 경제 개발 계획도 희토류 재활용의 산업화를 추진하고 있습니다. 소비자 인식이 높아지면서 재활용에 대한 시장 수요가 증가하고 있으며, 장기적으로 희토류 재활용은 순배출 제로 목표를 지원할 뿐만 아니라 효율적인 자원 사용을 통해 지속 가능한 경제 성장을 견인합니다.

Ethan Huang

저는 자석에 관한 대중 과학 글을 쓰고 있습니다. 제 기사는 주로 자석의 원리, 응용 분야, 업계 일화에 초점을 맞추고 있습니다. 제 목표는 독자들에게 유용한 정보를 제공하여 모든 사람이 자석의 매력과 중요성을 더 잘 이해할 수 있도록 돕는 것입니다. 동시에 자석과 관련된 여러분의 의견을 듣고 싶습니다. 자석의 무한한 가능성을 함께 탐구하는 동안 자유롭게 팔로우하고 참여해 주세요!

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