희토류 원소란 무엇인가? 희토류 채굴 및 분석 가이드

희토류 원소(REEs)는 우리 세상을 더 스마트하고 지속 가능하게 만들기 위한 첨단 기술의 중추입니다. 그러나 희토류에 대한 수요 증가를 충족하는 것은 이들의 추출 및 처리의 어려움 때문에 쉽지 않습니다.

이번 블로그에서는 희토류 원소가 무엇인지, 그 중요성이 증가하는 이유, 그리고 첨단 원소 분석을 통해 희토류 채굴의 도전을 어떻게 극복할 수 있는지 알아보겠습니다.

주요 사실

• 희토류 원소는 “희토류 금속” 또는 “희토류”로 알려지며, 15개의 란타넘족 원소와 스칸듐, 이트륨을 포함한 17개의 금속 원소입니다.
• 희토류 원소는 양이 희귀하지 않지만, 광석에서 추출하기 어려워 “희귀”하다고 불립니다. 이는 전 세계적으로 희토류 광산의 부족에 기여했습니다.
• 고성능 X선 형광(XRF) 분석과 같은 종합적이고 정확한 원소 분석은 희토류 탐사, 추출 및 처리에 도움이 될 수 있습니다.

희토류 원소란 무엇인가?

희토류 원소, 때때로 “희토류 금속” 또는 “희토류”로 불리는 이들은 15개의 란타넘족 원소와 스칸듐, 이트륨을 포함한 17개의 금속 원소 집합입니다.

이들은 스마트폰, 전기 자동차(EV)의 모터 및 배터리와 같은 많은 하이테크 장치의 필수 부분을 형성하며, 점점 더 많은 국가가 에너지 전환을 다짐함에 따라 그 가치는 점점 더 높아지고 있습니다. 그러나 희토류를 채굴하고 처리하는 데 있어 어려움 때문에 이러한 수요를 충족할 수 있는 인프라를 갖춘 국가는 많지 않습니다.

주기율표상의 희토류 원소

대부분의 희토류 원소는 주기율표의 58번부터 71번 원소로 나타납니다. 란타넘(La), 이트륨(Y), 스칸듐(Sc)만 이 열에 나타나지 않습니다.

희토류 원소는 왜 “희귀”라고 불리나요?

희토류 원소는 자연에서 부족하기 때문에 “희귀”한 것이 아닙니다. 실제로 그 양은 구리, 아연과 같은 금속과 비슷한 수준으로 풍부합니다. 그러나 다음 몇 가지 이유로 “희토류”라고 불립니다:

1. 낮은 농도. 비록 비교적 풍부하지만 희토류 원소는 고농도로 존재하지 않는 경우가 많습니다. 이는 채굴 과정을 비효율적으로 만들며, 비교적 적은 양의 희토류를 추출하는 데 많은 전력이 필요합니다.
2. 높은 화학적 안정성. 희토류 금속은 또한 화학적으로 매우 안정적이기 때문에 추출이 어렵습니다. 이는 금속을 광석에서 분리하는 데 고강도의 처리가 필요함을 의미합니다.
3. 처리 중의 위험. 고강도 처리의 필요성에, 희토류 원소 자체가 종종 위험하다는 사실이 결합되어 희토류 원소 채굴에는 많은 안전 문제들이 수반됩니다.
4. 인프라의 부족. 이러한 문제들 때문에 희토류를 대규모로 추출할 수 있는 인프라가 갖춰진 전 세계적으로 몇몇 장소가 극히 드뭅니다.

희토류 원소는 왜 지금 그렇게 중요한가요?

희토류 원소는 에너지 전환에 필수적인 많은 기술의 제조에 필수적이기 때문에 지금 더욱 중요합니다.

국제 에너지 기구는 저탄소 에너지 및 EV 생산에 있어 네오디뮴에 대한 수요가 단독으로 2020년 4,900톤에서 2040년 37,700톤으로 600% 이상 증가할 것으로 예측합니다.

기타 희토류도 지속 가능한 기술에 중요합니다. 예를 들어:

• 풍력 터빈은 일반적으로 네오디뮴과 함께 프라세오디뮴, 디스프로슘, 테르븀과 같은 희토류를 포함한 자석을 사용합니다.
• EV 모터는 네오디뮴과 사마륨을 사용하며, 때로는 테르븀과 디스프로슘도 사용합니다.
• 태양 전지판은 때때로 얇은 필름 태양 전지의 효율성과 내구성을 높이기 위해 디스프로슘과 세륨을 활용합니다.

희토류 원소는 세계 어느 곳에서 발견될 수 있을까요?

세계 대부분의 희토류 원소는 중국에서 나옵니다. 이 나라는 약 4,400만 톤의 희토류 금속을 보유하고 있는데 이는 전 세계 총 비축량의 약 38%로, 어떤 다른 나라보다도 많은 양입니다. 중국은 또한 2024년에 거의 70%의 전 세계 희토류 원소 생산을 담당하는 세계 최대의 희토류 원소 생산국입니다.

이러한 지배력은 중국의 상당한 자연 자원뿐만 아니라 낮은 노동 비용, 정부 보조금, 더 완화된 환경 정책 덕분에 가능하여 희토류 금속 추출 및 처리에 관련된 비용을 상쇄시켰습니다.

이러한 비용은 역사적으로 다른 나라들이 그들의 희토류 원소 비축량을 충분히 활용하는 것을 막아왔습니다. 예를 들어, 베트남과 브라질은 각각 2,200만 톤과 2,100만 톤을 보유하며 두 번째로, 세 번째로 큰 희토류 금속 비축량을 가지고 있지만 각각 연간 약 1,000톤의 희토류만 생산합니다.

전 세계의 정부 기관들은 중국에 대한 희토류 원소 의존도를 줄이기 위해 현지 희토류 원소 채굴 프로젝트를 가속화하고 있습니다. 두 가지 예시는 미국과 유럽 연합입니다.

희토류 원소는 무엇에 사용되나요?

희토류 원소는 많은 첨단 기술, 특히 EV 모터와 해상 풍력 터빈의 자석 제조에 사용됩니다. 이들은 다른 응용 분야에서도 사용됩니다 – 희토류 원소 응용 분야에 대한 전체 개요입니다.

채굴 중 희토류 원소 분석의 도전

효과적인 원소 특성화는 희토류 원소를 채굴하는 데 중요합니다. 탐사, 추출 또는 가공 중에는 강력한 최종 제품을 보장하기 위해 어느 원소가 어떤 수량으로 존재하는지 아는 것이 필수적입니다.

희토류 원소를 분석할 때 몇 가지 주요 도전 과제가 있습니다:

1. 지질 다양성. 희토류 원소는 다양한 지질 환경에서 발견됩니다 – 예를 들어, 희토류 원소는 인도의 케랄라에 있는 해변 모래 또는 중국 광시에 있는 점토 퇴적물에서 발견될 수 있습니다. 이는 희토류 금속을 채굴하기 위한 분석 과정이나 워크플로를 하나로 통합할 수 없음을 의미합니다.
2. 원소 유사성. 대부분의 희토류 원소는 화학적으로 매우 유사하며, 자주 함께 발생하고 종종 매우 낮은 농도로 발생합니다. 이는 전통적인 XRF 같은 기술을 사용하여 분석하기 어렵게 만들며, 스펙트럼 겹침이 결과를 흐리게 할 수 있습니다. 따라서 명확한 분석을 달성하기 위해 고성능 XRF가 필요합니다.
3. 운영자의 안전 위험. 강력한 분석은 때때로 운영자에게 건강 및 안전 위험을 제기할 수 있으며, 요소 자체가 종종 방사성이라 운영자 안전에 추가적인 위험을 제기합니다.
4. 긴 피드백 루프. 희토류 원소 특성화에 필요한 복잡성과 방대한 인프라는 분석 방법이 종종 시간이 많이 걸리고 채굴 현장에서 멀리 떨어진 곳에서 발생하므로 처리 모니터링 및 최적화를 위한 피드백 루프가 길어집니다.

그러나 이러한 도전 과제를 극복할 수 있는 기기들이 있습니다.

희토류 금속 채굴 각 단계에 대한 분석 방법

희토류 원소 채굴의 각 단계에는 서로 다른 분석 요구 사항이 있습니다. 각 공정 단계에 대해 희토류 금속 전문가가 고려해야 할 분석 기술과 기기를 안내합니다.

희토류 원소 탐사

희토류 원소 탐사 중 원소 분석에서 이식성은 중요한 요소로, 다양한 지질학적 장소를 조사하는 데 도움이 됩니다.

그러나 전통적인 휴대용 XRF 기기는 보통 최대 50kV의 X선 튜브 전압을 가지고 있습니다. 이는 이러한 기기들이 가벼운 희토류 원소는 측정할 수 있지만, 무거운 희토류 원소는 실제로 측정하기 어려움을 의미합니다. 이는 불충분한 여기와 철이나 니켈과 같은 일반 금속과의 스펙트럼 겹침 때문입니다.

SciAps의 PowerHouse는 이러한 장애를 극복하는 데 도움을 줍니다. 희토류 원소 탐사를 위해 특별히 설계된 PowerHouse는 다음과 같은 기능을 제공합니다:

• 80kV의 미니어처 X선 튜브
• 가벼운 희토류 원소와 무거운 희토류 원소 및 탐색 요소 모두를 측정할 수 있는 능력
• 광업 및 탐사에 중요한 25가지 다른 요소의 측정
• 클라우드 연결 및 두 개의 카메라
• 6시간 이상의 배터리 수명
• 운영자를 위한 안전하고 직관적인 인터페이스

이 기능은 탐사 중 피드백 루프를 닫아, 현장에서 분석을 수행하고 작업 세부 사항을 기다리지 않고도 결과를 얻을 수 있게 합니다.

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희토류 원소 추출

추출 시점에서 광산 운영자는 광석의 내용을 일반적으로 이해하여 프로세스 단계를 맞추거나 필요 시 원료의 내용을 조정해야 합니다.

온라인 분석이 여기에 중요한 역할을 합니다. 실험실 기반 방법만큼의 정밀성을 제공하지는 않지만, 운영자가 프로세스 라인에 떨어지는 광석에서 추세를 찾아 처리 기술을 조정하도록 돕는 즉각적인 통찰력을 제공합니다.

CNA Pentos 또는 CNA³ 크로스 벨트 분석기는 이러한 종류의 분석에 강력한 후보로 다음과 같은 기능을 제공합니다:

• 효과적인 펄스 빠른 및 열 중성자 활성화(PFTNA) 분석
• 귀하의 원료 대부분에 대한 고빈도 분석
• 프로세스 라인에서 잠재적으로 위험한 자료에 접근할 필요 없이 귀하의 광석에 대한 인사이트 제공
• 귀하의 근로자를 보호하는 자동화된 방사선 보호 시스템(ARPS)

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희토류 원소 처리

마지막으로, 희토류 원석은 구성 요소를 분리하고 정제하기 위해 중대한 처리가 필요합니다. 효율적인 빈번한 또는 실시간 분석은 이러한 과정을 최적화하고 비용을 줄여, 희토류 원소 광산의 이익률을 넓히는 데 도움을 줄 수 있습니다. 다음은 고려해야 할 세 가지 분석 방법입니다:

1. Epsilon Xflow. Epsilon Xflow는 액체의 실시간 원소 분석을 위해 설계된 온라인 에너지 분산 XRF(EDXRF) 분석기입니다. 이는 예를 들어, 희토류 원소를 침출하는 데 사용되는 용액을 지속적으로 모니터링함으로써 REE 처리에 중요한 장점을 제공합니다. 이는 시약을 최적화하여 비용을 최소화하고 환경적 영향을 줄이도록 도와줍니다.
2. Zetium. Zetium 파장 분산형 XRF(WDXRF) 기기는 고도로 정밀하고 재현 가능한 고체 시료의 다중 원소 분석을 가능하게 합니다. 이는 최종 품질 관리 중 개별 희토류 농축물 및 산화물의 순도 사양과 고객의 요구를 충족할 수 있도록 도와줍니다. 그러나 모든 REE에 적합하지는 않습니다.
3. Aeris. 우리의 컴팩트한 X선 회절(XRD) 시스템은 특히 화학적 침출 및 부유와 같은 과정 전체에서 광물학적 변화를 모니터링하는 데 유용합니다.

희토류 원소 채굴을 위한 분석 방법: 요약 표

급하다면? 여기 희토류 원소 채굴을 위한 분석 방법의 빠른 요약이 있습니다.

귀하의 희토류 원소 광산을 위한 맞춤형 분석

희토류 원소에 대한 수요는 증가하고 있습니다. 에너지 전환과 기술 개발이 빠르게 진행되면서 전 세계의 국가들은 희토류 금속 채굴에 대한 압박을 가하고 있습니다.

이러한 수요를 따라가기 위해 희토류를 채굴하는 전문가들은 자료를 분석하고 공정을 최적화하는 데 도움을 줄 수 있는 정밀한 도구가 필요합니다. Malvern Panalytical 에서는 귀하의 공정을 강화할 뿐만 아니라 희토류 원소 추출 사이트에 맞춤형 채굴 솔루션을 만들 수 있는 전문 지식과 광범위한 포트폴리오를 보유하고 있습니다.

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