빛나는 크롬을 휘두르며 국자, Michael Rosenthal은 반쯤 채워진 55갤런 드럼에 몸을 기울여 가루를 파냅니다. 그는 국자를 들고 손가락으로 꼬집어 으깨어 질감을 보여줍니다. 활석과 비슷하지만 옅은 녹색-회색의 이상하고 아름다운 색조입니다. 우리 주변의 선반에는 각각 1톤의 무게가 나가는 거대한 흰색 가방이 있습니다.
이 특별한 가루가 존재한다는 사실은 기본적으로 기적입니다. 그것은 여기 Rosenthal이 진행한 일종의 즉석적이고 떠돌이 미니 세미나 이후 이 시점에서 나에게 있어서 피할 수 없는 결론입니다. 캘리포니아주 마운틴패스네바다 국경 근처. Rosenthal은 공동 창업자이자 최고 운영 책임자(COO)입니다. MP재료희토류 광석을 채굴하고 이 광석에서 산업적으로 유용한 대량의 광석을 추출하는 북미 유일의 회사입니다. 희토류 화합물.
그가 나에게 보여주고 있는 가루는 순수한 혼합물이다. 희토류 산화물대부분 네오디뮴과 일부 프라세오디뮴이 포함되어 있습니다. 이는 반도체 제조, 전기 광학 시스템, 화학 촉매 작용, 그리고 특히 강력한 영구 자석의 수많은 중요한 공정 및 제품의 핵심 성분입니다. 거의 모든 곳에 들어가는 자석입니다. 전기자동차용 모터 기후 제어 시스템, 가전제품, 도구, 풍력 터빈에 사용되는 발전기, 매년 판매되는 수억 개의 헤드폰과 스피커에 이르기까지 다양합니다.
지난 몇 시간 동안 온도가 43°C(110°F)로 올라갔을 때 나는 Rosenthal과 함께 이리저리 돌아다녔습니다. 국회의원 노천광산 그리고 모하비 사막 북동쪽에 위치한 가공 시설. 앞서 우리가 광대한 광산 구덩이 가장자리에 서 있었을 때 Rosenthal은 우리 아래 훨씬 아래에 있는 연한 회색빛의 “시골 암석” 벽에 희토류 광석이 들어 있는 갈색과 붉은 빛을 띠는 암석층이 있음을 지적했습니다. “여기에서는 1952년부터 희토류 채굴이 이루어졌습니다.”라고 그는 말했습니다. “우리는 적어도 30년은 더 가야 한다고 생각합니다.”
이는 미국, 호주 및 캐나다에서 필수 요소를 생산하기 위한 광범위한 프로그램을 시작한 유럽, 북미, 일본 및 한국의 정부 관료 및 기술 경영진에게 위안이 되는 생각입니다. 이러한 노력은 중국이 생산하는 경우 중요한 희토류 공급을 보장하는 것을 목표로 합니다. 대략 90퍼센트 가공되어 산업에 바로 사용 가능한 희토류의 수출을 제한하기로 결정했습니다. 이제 10년이 넘는 노력 끝에, 미국과 기타 정부뿐 아니라 민간 기업이 수십억 달러를 지출한 이후, 2025년은 이 모든 자금과 활동의 일부 결과가 눈에 띄게 되는 해가 될 것입니다.
“이 업계의 성공 기록은 형편없습니다.” —Michael Rosenthal, MP Materials 공동 창업자
예를 들어, MP 머티리얼즈(MP Materials)는 올해 네오디뮴 프라세오디뮴 제품의 생산량을 늘리는 동시에 텍사스주 포트워스 근처에 완성된 고품질 영구 자석을 생산하는 시설을 완공할 것으로 예상하고 있습니다. 한편 MP의 중국 외 유일한 대형 경쟁업체인 리나스 희토류 호주 퍼스의 한 회사는 미국 국방부(DOD)로부터 2억 5,800만 달러를 투자하여 텍사스주 시드리프트에 건설 중인 거대한 희토류 처리 시설에 대한 작업을 시작할 것으로 예상하고 있습니다.
그러나 이러한 대규모의 공개된 프로젝트만큼 잠재적으로 변화를 가져올 수 있는 모든 부분은 희토류 투자자, 개발자 및 연구자로 구성된 소규모 커뮤니티 내에서도 거의 알려지지 않았습니다. 올해 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 연구원들은 화학자가 발명한 새로운 화학 추출 방법을 기반으로 한 파일럿 라인을 운영하고 분석할 예정입니다. 산타 얀손-포포바. 이는 표준 추출 공정에 비해 희토류를 추출하는 데 필요한 용매, 물 및 에너지를 최대 60%까지 줄일 수 있는 것으로 보입니다. 이러한 기술 발전은 결국 수십 개의 처리 시설을 운영하고 환경 규제의 제약을 덜 받는 중국의 희토류 거대 기업과 경쟁하기 위해 고군분투하는 미국, 호주 및 기타 기업에게 없어서는 안 될 것으로 입증될 수 있습니다.
희토류 사업은 분류를 거부합니다
희토류 산업에 관해 간단한 것은 거의 없습니다. 이는 다른 많은 글로벌 핵심 첨단 산업이 의존하는 기술 기반의 상업적 노력입니다. 또한 지정학과 국방이 뜨거운 관계를 맺고 있는 곳이기도 합니다. 그리고 이는 기후 변화 완화를 목표로 하는 가장 크고 가장 빠르게 성장하는 산업 중 일부에서 중추적인 역할을 하는 역사적으로 체크무늬가 있는 환경 기록을 가진 산업입니다.
중국의 희토류 생산 지배력에 대한 불안감은 지난 12월 중국이 희토류 생산을 중단하겠다고 발표하면서 급증했습니다. 수출 금지를 시작하다 특정 중요 물질을 미국에 제공합니다. 특히 이번 금지 조치에는 희토류가 포함되지 않았지만, 금지 조치로 인해 2010년 어업 분쟁 이후 중국이 일본에 대한 모든 희토류 판매를 일시적으로 중단한 사건이 발생했습니다. 3년 후, 보고서 미국 의회 조사국은 F-35 라이트닝 II 전투기 한 대당 414kg(약 920파운드)의 희토류 물질이 포함되어 있다는 사실을 지적해 큰 논란을 불러일으켰습니다.
얼마 지나지 않아 돈이 쏟아지기 시작했습니다. 특히 미국 기관에서 나왔습니다. 국방부일본과 한국의 다른 사람들과 개인 투자자들로부터. 수많은 기업과 벤처 기업이 생겨났습니다. 146개 이상 대규모 희토류 프로젝트가 진행 중이며 그 중 최소 96개는 북미, 호주, 유럽 및 남미에서 진행되었습니다.
미국에서는 대부분의 노력이 자급자족에 중점을 두고 있습니다. 하지만 여기에서 거기까지의 길은 꽤 험난할 거예요. “희토류를 만드는 것은 정말 정말 어렵습니다.”라고 Rosenthal은 말합니다. “매우 비싸고 많은 장비가 필요하며 이 업계의 성공 기록은 형편없습니다.”
따라서 놀랄 것도 없이 146개의 대규모 희토류 프로젝트 중 거의 모두가 채굴 벤처이지 가공 벤처가 아니며 희토류 공급을 다양화하는 데 거의 아무 것도 하지 않을 것입니다. Rosenthal은 “중국 이외의 지역에서 더 다양한 공급망을 보유하는 것이 중요합니다.”라고 동의합니다. “그러나 업계는 잘 이해되지 않는 자원(탐사 광산 현장)에 대한 과대광고와 부당한 언론으로 인해 제대로 서비스를 받지 못하고 있습니다. 우리에게 정말로 더 필요한 것은 공급망의 모든 부분에서 처리 능력입니다.” Rosenthal은 새로운 희토류 광산의 생산량이 희토류 산화물로 처리되기 위해 중국으로 이동해야 하는 경우 공급의 지리적 다양성을 늘리는 데 아무런 도움이 되지 않는다고 지적합니다.
MP Materials가 Mountain Pass 현장에서 생산한 네오디뮴 프라세오디뮴 산화물 분말과 같은 네오디뮴 함유 희토류 화합물은 산업, 군사 및 상업적으로 매우 중요합니다.MP재료
오늘날에는 그러한 마련이 일반적입니다. 희토류 처리 분야에서 중국의 지배력은 Mountain Pass 채굴 및 처리 작업을 통제하는 모회사인 MP Materials Corp.조차도 처리를 위해 일부 광석을 중국으로 보낼 정도입니다. 그리고 중국 회사인 Shenghe Resources Holding Co.는 MP Materials 주식의 약 7.7%를 소유하고 있습니다.
Rosenthal은 “중국은 지난 10년 동안 최소 50개의 희토류 분리 공장을 건설했습니다.”라고 추정합니다. 비교를 위해, 중국 외에 산업 규모로 희토류 산화물을 생산할 수 있는 분리 시설은 단 3개뿐입니다. 하나는 마운틴 패스(Mountain Pass)입니다. 또 다른 하나는 토론토에 본사를 둔 Neo Performance Materials가 소유한 에스토니아 Sillamäe의 Silmet 공장입니다. 세 번째는 엄청나네요 라이나스신소재공장말레이시아 Kuantan 근처. (호주 칼굴리에 있는 또 다른 Lynas 시설은 고객 현장에서 산업적으로 유용한 산화물로 전환될 수 있는 희토류 탄산염 혼합물을 생산합니다.)
재분배 정제
희토류 광석을 희토류 산화물로 정제하는 과정은 다음과 같은 공정으로 시작됩니다. 축복 업계에서. 여기서 암석은 먼저 자갈 덩어리로 분해된 다음 물과 혼합되어 슬러리로 분쇄됩니다. 그런 다음 Mountain Pass에서 사용하는 비교적 환경 친화적인 공정인 거품 부유선광에서 계면활성제라고 하는 일종의 화학 시약을 슬러리에 첨가합니다. 이 혼합물은 일련의 용기 또는 셀에 도입되며, 여기서 계면활성제는 희토류 함유 입자를 선택적으로 셀 상단에 떠 있는 기포와 결합시킵니다. 거품이 위로 떠오르면서 희토류를 함유한 곡물을 운반하여 폐기물 곡물과 분리합니다. 여러 단계를 거쳐 건조되고 나면 남는 것은 희토류 농축액이라는 미세한 분말입니다. 목표는 이 농축물이 중량 기준으로 최소 60%의 희토류 산화물을 갖는 것입니다.
다음 단계를 침출이라고 합니다. 마운틴패스에서는 정광을 로스팅한 후 염산으로 침출하여 고가의 희토류 원소를 용액에 담습니다. 이 단계에서는 가치가 낮은 희토류인 세륨이 대부분 제거됩니다.
각각 1톤의 화합물이 들어 있는 네오디뮴 프라세오디뮴 산화물 분말 봉지가 캘리포니아 마운틴 패스 현장의 창고에서 배송을 기다리고 있습니다.마이클 테슬러/MP 머티리얼즈
다음 단계는 가장 복잡하고 중요합니다. 여기서는 네오디뮴 및 프라세오디뮴과 같은 특정 희토류 원소를 다른 희토류와 분리합니다. 표준기술이라고 합니다. 용매 추출70년 전 미국 연구진이 발명한 공정과 크게 다르지 않다. 아르곤 국립 연구소 그리고 오크리지 국립연구소.
이 방법은 서로 섞이지 않는 두 가지 용매(하나는 수성, 다른 하나는 유성)를 사용하기 때문에 액체-액체라고 불립니다. 희토류는 용매 중 하나에 용해되어 다른 용매와 격렬하게 혼합됩니다. 특정 희토류를 분리하기 위해 이 공정에서는 유기 추출제를 사용하고 특정 공정 조건에서 다양한 희토류 원소에 대한 추출제 친화력의 미묘한 차이를 활용합니다.
작동 방식은 다음과 같습니다. 희토류를 함유한 수성 산성 용액이 있는데, 이를 수상이라고 합니다. 이는 유기 추출제와 희석제로 구성된 유성 또는 유기상과 혼합됩니다. 기술자는 추출제가 회수할 특정 희토류 이온(예: 네오디뮴)에 우선적으로 결합할 수 있도록 온도 및 압력과 같은 공정 조건을 조정합니다. 수상과 유기상이 격렬하게 혼합되면 네오디뮴 이온이 추출제에 결합하여 유기상으로 끌어당깁니다. 이 유성 상은 수성 상과 섞이지 않기 때문에 네오디뮴 이온이 다른 상과 분리됩니다. 실제로 혼합기라고 불리는 용기에서 격렬한 결합이 이루어진 다음 결합된 액체를 침강기라고 하는 인접한 용기로 밀어 넣습니다. 여기서 두 상은 천천히 분리되어 목표 희토류는 유기상에 축적되고 원하지 않는 희토류는 유기상에 축적됩니다. 지구는 수성 단계로 다시 세척됩니다.
이러한 혼합과 침전은 반복해서 발생합니다. 원하는 희토류의 농도가 점차적으로 증가할 때마다. 여러 번 반복한 후에 목표 희토류는 일반적으로 수성상으로 다시 이동됩니다. 그런 다음 침전 기술을 통해 회수됩니다.
모든 것이 매우 간단하게 들리면 그렇지 않습니다. Mountain Pass에서 Rosenthal은 추출이 이루어지는 축구장보다 큰 건물로 나를 데려갔습니다. 나는 인상적인 산업 및 기술 현장을 많이 둘러봤지만 이와 같은 것을 본 적이 없습니다. 내 눈이 희미한 빛에 적응한 후, 나는 한 쌍의 거대한 선박 기둥이 내 위로 우뚝 솟아 저 멀리 떨어져 있는 것을 봅니다. 그것들은 각각 약 20입방미터(대략 5,000갤런)이고 적어도 100개가 있습니다(정확한 숫자는 영업 비밀이라고 들었습니다). 이들은 혼합자와 정착민입니다.
Oak Ridge가 희토류 추출을 재창조한 방법
적절하게 조정되면 액체-액체 용매 추출 공정은 매우 효과적이어서 순도가 99.9% 이상인 희토류 산화물을 생성할 수 있습니다. 그러나 몇 가지 중요한 단점이 있습니다. 이 공정에서 유기상은 인산트리부틸과 같은 인산염계 화합물이고, 수상은 염산, 질산, 황산 등의 강산이다. 이러한 용매와 시약은 엄청난 양으로 사용되며 재활용이 가능하지만 결국 모두 폐기해야 합니다.
현재 많은 연구가 목표로 삼고 있는 것은 더 나은 추출제 식별— 예를 들어 덜 산성인 공정을 가능하게 하거나 원하는 희토류와 더 선택적으로 화학적으로 결합하는 공정이 있습니다. 추출제의 효율성을 측정하는 방법은 분리 계수입니다. 이는 한 라운드의 혼합-침강기를 통과할 때 인접한 희토류에 비해 용액에서 추출되는 목표 희토류 원소의 양을 나타냅니다. 오늘날 기존 시스템의 경우 인접한 희토류의 분리 계수는 1.1에서 약 6 사이입니다. 비교를 위해 다른 화학 산업 공정의 분리 계수는 100을 초과할 수 있습니다.
“분리 요소를 두 배 또는 세 배로 늘릴 수 있다면 혼합 정착자의 수를 최대 2/3까지 절반 또는 줄일 수 있습니다”라고 미국 정부 주도 컨소시엄의 이사인 Tom Lograsso는 말합니다. 중요재료혁신허브문제에 대한 연구를 후원하고 있습니다. “비용, 자본 비용, 토지 사용, 물 사용을 줄이고 가공의 환경적 건전성을 향상시킬 수 있는 만병통치약이 있다면 환경적으로 안전한 화학 물질을 찾는 것이 될 것입니다. 희토류를 서로 분리하는 것이 더 나은 작업입니다.”
Oak Ridge National Laboratory의 연구 화학자 Santa Jansone-Popova는 희토류 추출에 혁명을 일으킬 수 있는 DGA-6 화학 물질을 발명했습니다.Carlos Jones/ORNL/미국 에너지부
Oak Ridge에서는 Critical Materials Innovation 허브의 자금 지원을 받아 Jansone-Popova가 이끄는 프로젝트가 바로 그 일을 하고 있습니다. Jansone-Popova는 기존 공정을 사용하면 용액이 혼합-침강기의 연속 단계를 거치면서 용액이 더욱 산성이 된다고 지적합니다.
“오일-수성 분리 시스템에서 희토류 원소를 회수하려면 더 농축된 수용액, 즉 더 산성인 용액을 사용해야 합니다.”라고 그녀는 설명합니다. 그녀는 또한 그 용액의 산성도를 낮추기 위해 알칼리를 사용해야 한다고 덧붙입니다. 그러면 수성 흐름이 재활용될 수 있습니다. “이것은 시스템에 더 많은 화학 물질을 추가하는 것을 의미하는데 이는 이상적이지 않으며 결국 더 많은 폐기물을 생성하고 환경 문제를 야기하게 됩니다.”라고 그녀는 말합니다.
그녀의 해결책은? 산도 조절에 따라 작동하지 않는 추출제를 사용하십시오. Jansone-Popova는 “이는 이온 강도를 조정하는 다른 메커니즘으로 작동합니다.”라고 말했습니다. “즉, 더 농축된 산성 용액으로 시작한 다음 화학 물질을 추가하지 않고도 해당 산성 용액을 재활용할 수 있다는 의미입니다. 그리고 우리가 희토류 원소를 회수하고 싶을 때 우리는 희토류 침전 후 재활용이 가능한 매우 묽은 산성 용액을 사용하고 있습니다. 우리는 기본적으로 물로 희토류 원소를 회수할 수 있습니다. 시스템에 화학물질을 추가하지 않으며 공정에서 사용하는 모든 산을 재활용할 수 있습니다. 그게 바로 아름다움이에요.”
그리고 그것도 아니지 모두 아름다움. 새로운 추출제는 선택성이 훨씬 높아 기존 공정에 비해 분리 계수가 2~3배 향상되었습니다.
특정 희토류 원소를 추출하기 위한 새로운 고효율 공정이 Oak Ridge 국립 연구소에서 개척되었습니다. 이 과정은 화학물질인 디글리콜아미드-6(DGA-6)에 따라 달라집니다. [in beaker above] 현재 Marshallton Research Labs에서 제조되고 있습니다.Carlos Jones/ORNL/미국 에너지부
새로운 추출제는 디글리콜아미드(DGA)라고 불리는 화학 계열에 속합니다. Jansone-Popova는 자신의 팀이 현재 DGA-6으로 개발 중인 제품을 언급합니다. 이는 오일 상에 사용되며, 그녀의 팀이 개발한 또 다른 새로운 추출제는 수성 상에 사용됩니다. “우리의 목표는 흐름도를 시연하고 업계에 이것이 더 나은 프로세스임을 확신시키는 것입니다.”라고 그녀는 말합니다.
그녀는 이미 업계에 개종한 사람이 한 명 있습니다. Mac Foster는 공동 소유주입니다. 마샬턴 연구소원자력 및 희토류 산업의 추출 공정에 필요한 화학 물질을 제공합니다. 그는 Jansone-Popova와 협력해 왔으며 자신이 보는 것을 좋아합니다. “최신 기술에 비해 [traditional-process extractants]이 새로운 종류의 DGA는 추출제가 중성이기 때문에 작동이 훨씬 깨끗합니다.”라고 그는 말합니다. “그들은 산성이 아닙니다. 따라서 다량의 산을 중화시키는 큰 변화가 필요하지 않습니다. 그게 더 효율적이에요.”
DGA-6 제조 라이센스를 보유한 Marshallton은 Oak Ridge에서 평가 및 테스트를 위해 상대적으로 소량을 생산해 왔습니다. 회사는 또한 Jansone-Popova 팀에게 상용화에 대한 조언을 제공해 왔습니다. Foster는 “우리는 DGA-6의 제조 공정을 개선했습니다.”라고 덧붙였습니다. “그 말은 우리가 하고 있는 일이 문헌에 없다는 뜻입니다. 그리고 추출제를 만드는 데 드는 비용이 낮아집니다. 규모를 키우는 데 더 적합합니다.”
Mountain Pass로 돌아와 Rosenthal에게 Oak Ridge 작업에 대해 물어봤습니다. 그는 지금까지 들었던 것을 좋아합니다. “Oak Ridge 추출제가 더 선별적이라면 우리는 그렇게 많은 탱크가 필요하지 않을 것입니다.”라고 그는 말합니다.
장기적으로 서구 희토류 생산업체는 디글리콜아마이드를 추구하는 중국 업체와 경쟁하기 위한 노력을 강화하기 위해 뭔가 특별한 것이 필요할 것입니다. 희토류 처리용 추출제. Oak Ridge 프로세스가 아니라면 매우 유사한 프로세스여야 합니다. 그리고 빠를수록 좋습니다.
