Resources Recycling ISSN:2765-3439(Print) 2765-3447(Online) 자원리싸이클링

지열수·해수·복합염수 등 다양한 수자원으로부터 리튬을 회수하는 직접 리튬 추출(direct lithium extraction, DLE)은 증발지 및 정광 기반 공급체계의 구조적 한계를 보완하는 대안으로 부상하고 있다. 일본에서 개발된 λ-MnO₂ 기반 흡착제는 지열수 조건에서 높은 리튬 선택성과 우수한 사이클 안정성을 보여 왔으며, 특히 중성 pH 조건에서의 버퍼링과 표면 안정화가 망간 용출과 성능 저하를 효과적으로 억제하는 것으로 보고되었다. 본 논문은 흡착, 이온교환, 용매추출, 전기화학적 삽입의 네 가지 DLE 경로를 대상으로 작동 메커니즘과 기술성숙도(technology readiness level, TRL)를 비교·정리하고, 지열수 및 해수 적용성, 다가 양이온 간섭, 실리카 오염, pH 드리프트 등 주요 공정 과제를 체계화하였다. 아울러 EU 핵심원자재법(CRMA, Regulation (EU) 2024/1252)과 미국 인플레이션 감축법(IRA)을 포함한 정책 환경과 최근 생애주기평가(life-cycle assessment, LCA) 논의를 종합하여, 동아시아의 기술·정책 연계 전략을 제시한다. 특히 일본의 해외 사막호수 파일럿과 국내 지열자원 연계를 축으로 한 이원적 DLE 경로가 중·하류 소재 공급망과 접속되는 현실적 로드맵을 논의한다.

희토류(Rare Earth Elements, REEs)는 전기자동차, 풍력발전, 반도체, 디스플레이, 국방·항공우주 등 첨단산업 전반에 필수적으로 활용되는 전략 자원이다. 그러나 글로벌 희토류 산업은 특정 원소를 중심으로 반복적인 수급 불균형과 높은 공급 리스크를 경험해 왔으며, 이러한 현상은 단기적인 시장 변동이나 일시적 정책 조치만으로는 충분히 설명되기 어렵다. 본 논문은 이러한 불균형의 구조적 원인을, 다원소 혼합 산출에 따른 결합 생산의 제약과 원소별 수요·공급의 불일치, 그리고 분리·정제 공정의 특정 국가 집중이라는 두 축을 중심으로 검토한다. 이 구조는 수십 년간 글로벌 희토류 산업에 내재되어 있었으나, 에너지 전환 가속화와 지정학적 긴장의 심화로 인해 최근 들어 본격적인 공급망 리스크로 가시화되었다. 분석 결과, 공급 리스크는 자원의 지질학적 희소성보다 채굴 이후 가공 단계의 집중에 의해 규정된다. 원광 채굴 단계 HHI 약 5,000에서 정제 단계 약 9,000으로 집중도가 심화되며, 중국 제외 시 2035년 자석용 희토류 수요의 35~40%만 충족 가능하다는 N-1 분석이 이를 뒷받침한다. 또한 2010~2011년 공급망 위기 당시 Nd·Dy·Tb는 수배 급등한 반면 La·Ce는 오히려 하락하는 비대칭적 가격 반응이 나타났으며, 이는 동일한 정책 충격이 원소별 수요 구조에 따라 상이하게 전달됨을 보여주는 실증이다. 이 집중 구조가 특정 국가의 정책·환경 규제 변화를 글로벌 수급 충격으로 즉각 전이시키는 취약성의 근원이다. 재자원화는 현재 공급량 기여는 제한적이나, 정제 공정의 의존을 부분적으로 완화할 수 있는 수단으로서 중장기적 정책 의의를 지닌다. 본 연구는 희토류 수급 문제를 자원 부족이 아닌 공급망 구조의 설계 문제로 재정의하며, 구조적 리스크 관리 관점에서의 정책적 기틀을 제시하고자 한다.

리튬이온배터리 산업의 성장에 따라 생산량과 사용량이 급격히 증가하고 있으며, 이에 수명이 종료된 배터리의 재활용에 대한 관심과 노력 또한 증가하고 있다. 본 연구에서는 사용 후 리튬이온배터리 블랙매스 대상으로 소성–부유선별 공정을 적용하여 흑연과 양극재의 선택적 분리 가능성을 평가하였다. 열중량분석을 통해 블랙매스 내 유기 물질 성분의 열적 거동을 분석하고, 이를 바탕으로 전처리용 열처리 조건을 400℃, 2 h로 선정하였다. 열처리 전·후 시료에 대해 부유선별 실험을 수행하여 분리 거동을 비교한 결과, 열처리를 통해 흑연과 양극재 간 표면 특성 차이가 명확히 개선됨을 확인하였다. 또한 포수제와 기포제 투입량 변화가 분리 거동에 미치는 영향을 분석하여 부유선별 공정의 주요 인자를 도출하였다. 최적 조건에서 흑연은 회수율 89.96%와 품위 79.20%를 나타냈으며, 양극재는 회수율 89.67%와 품위 92.21%를 달성하였다. 본 연구는 소성–부유선별 공정을 활용한 블랙매스 열처리 조건을 제시하며, 향후 리튬이온배터리 재활용 공정의 부유선별 조건 최적화를 위한 기초 자료를 제공한다.

본 연구에서는 NdFeB 슬러지를 대상으로 전처리 조건 (산화배소, NaOH 침지)에 따른 희토류 (REEs)와 철의 산 침출 거동을 비교 및 분석하였다. 시료는 NdFeB 자석 가공 공정에서 발생한 미세 분말 슬러지로, XRF 및 XRD 분석 결과 Nd, Pr, Dy, Tb 등의 희토류와 Fe 산화물이 주성분으로 확인되었다. 본 시료를 전처리 없이 침출 시 염산 2 M, 온도 75℃ 조건에서 희토류 침출율 99%, 철 침출율 96%로 동반 침출되어 선택적 회수가 불가능함을 확인하였다. 전처리 방법 중 산화배소 (660℃, 3 h) 시에는 NdFeO₃ 복합 산화물과 Fe₂O₃가 형성되어 희토류 침출이 현저히 저하되는 것으로 나타났다. 반면, NaOH 침지 (50 wt.% NaOH, 145℃, 5 h) 적용 시에는 Nd(OH)₃와 Fe₃O₄ 상이 형성되었으며 염산 농도(0.5–2 M) 및 온도(25–75℃) 조건을 변화시켜 침출 실험을 수행한 결과, 0.5 M HCl, 25℃의 비교적 온건한 침출 조건 하에서 희토류 침출율 99.5% 이상, Fe 침출율 0.53%로 가장 우수한 선택성을 보였다. 본 연구를 통해 NaOH 침지 전처리와 저농도·상온 침출 조건이 Fe 침출을 효과적으로 억제하면서 NdFeB 슬러지로부터 희토류를 선택적으로 침출할 수 있음을 확인하였다.

회전로의 예비 설계 및 경제성 평가는 전통적으로 물질수지와 열수지에 기반하여 수행되어 왔으며, 이러한 접근은 연료소모량과 총 열손실을 빠르게 산정하는 데 유용하다. 그러나 열수지는 에너지의 양적 보존을 중심으로 하므로, 연료 연소열, 원료 예열 현열 및 외벽 열손실 등이 갖는 에너지 quality와 가용성 차이를 나타낼 수 없다. 이에, 본 연구에서는 기존문헌에서 제시된 β-cristobalite 생산용 회전로 예열 공정 설계 사례를 대상으로 열수지 기반 해석에 엑서지 개념을 추가하여 재검토하고, 수치계산으로 구현 가능한 모델을 제시하였다. 문헌에 제시된 무열회수 조건과 cyclone preheater 적용 조건을 이용하여 계산한 결과, 원료 예열에 따른 현열 증가분은 약 869 kW이고 연료 연소열 감소분은 약 953 kW로서 열수지 기준 대체비는 약 0.91로 나타났다. 반면, 동일한 조건을 엑서지 기준으로 환산하면 원료 물리엑서지 증가분은 약 642 kW-ex, 연료 화학엑서지 감소분은 약 1000 kW-ex으로 계산되었고, 이에 대한 엑서지 기준 대체비는 약 0.64에 불과하였다. 또한 문헌에서 보고된 회전로 외벽 열손실 비율은 총 유입열의 약 4%로 낮게 산정되어 있으므로, 본 연구는 해당 비율을 4%, 10%, 20% 및 30%로 변화시키는 민감도 분석을 추가하였다. 그 결과 외벽 열손실 비율이 증가할수록 동일한 원료 예열 조건에서도 요구 연료 연소열과 연료 절감량이 달라졌으며, 엑서지 기준 대체비 역시 변화하였다. 이는 예열 원료 현열과 연료 연소열이 동일한 kW 단위로 표현되더라도 회전로 설계 및 기술경제성 평가에서 동일한 열역학적 가치를 갖지 않음을 의미한다. 따라서, 회전로의 열에너지 절감 및 예열 설계 관련 기술경제성 평가는 열수지를 기본으로 하되 엑서지 흐름 분석을 병행하는 방식으로 수행될 필요가 있다.

본 연구에서는 직접환원철 생산을 위한 미분 철광석의 유동층 환원 공정에서 조업 변수의 영향을 파악하기 위해, 내경 0.2m의 원통형 기포 유동층에 대한 3D CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위해 점도와 밀도가 현저히 다른 수소(H₂)와 코크스 오븐 가스(Coke oven gas, COG)를 유동 가스로 사용하였으며, 유동화 되기 전 정지층 높이 대 직경 비를 0.5~1.5 범위로, 가스 분산판의 노즐 각도를 60~90° 범위로 변화시켜 그 결과를 비교하였다. 시뮬레이션에서 환원 온도는 700°C, 운전 압력은 2 bar, 철광석 입자 크기는 1 mm로 설정하였다. 시뮬레이션 결과, 미분 입자의 유동화 거동은 유동 가스의 물리화학적 특성, 층 높이, 유동층 반응기 벽면 방향의 노즐 각도에 의해 크게 영향을 받음을 확인하였다. 또한 시뮬레이션의 정량적 결과를 통해, 유동층 반응기 내 노즐 각도의 최적화가 유동층에서 흔히 발생하는 비유동화 및 분산판 노즐을 통한 광석 미분의 낙하와 같은 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대한다.