[미국] 펜실베이니아대 연구팀, 새로운 산성광산배수 처리방법 개발
환경오염 문제 해소·희토류 원소 생산…폐기물이 중요한 광물로 변모

펜실베이니아 주립대학교(Pennsylvania State University ;  Penn State) 과학자들에 따르면, 산성광산배수(AMD ; acid mine drainage)를 처리하는 새로운 방법이 환경오염 문제 해소 및 스마트폰에서 전투기에 이르는 기술을 생산하는 데 필요한 중요한 희토류(rare earth elements) 원소의 중요한 국내 공급원으로 변화시키는데 도움을 줄 수 있을 것이라고 한다.

펜실베이니아 주립대학교(Penn State) 지구광물과학대학의 광산공학 조교수인 모하마드 레제이(Mohammad Rezaee)는 "산성광산배수(AMD)는 수십년 동안 환경적으로 중요한 관심사였다"고 말했다.

모하마드 레제이(Mohammad Rezaee)는 이어 "이 연구는 우리가 환경적인 우려를 해결할 뿐만 아니라, 동시에 귀중한 요소들을 회복하고 실제로 치료비를 줄이는 방식으로 기존의 치료 과정을 수정할 수 있다는 것을 보여준다"고 말했다.

펜실베이니아주 캠브리아 카운티의 하천에서의 산성광산배수 오염 모습. 

펜실베이니아 주립대학교(Penn State)의 과학자팀은 "이전에 가능했던 것보다 적은 양의 화학물질을 사용하여 고농도의 희토류 원소를 회복할 수 있는 2단계 치료 과정을 개발했다"고 말했다.

펜실베이니아 주립대학교(Penn State) 에너지광물공학부 교수 겸 임계광물센터 소장인 사르마 피수파티(Sarma Pisupati)는 "이 기술은 다양한 소비재와 공산품에서 사용되는 이런 귀중한 광물을 추출하는 효율적이고 저렴하며 환경 친화적인 방법을 보여준다"고 말했다.

희토류 원소는 선진 기술에 널리 사용되는 17개의 광물로 이루어진 집단으로 미국이 자국의 경제와 국가 안보에 중요한 것으로 지정했다. 미국은 현재 이 물질들의 거의 100%를 수입하고 있으며, 중국은 전 세계 공급량의 약 85%를 생산하고 있다.

아팔라치아(Appalachia) 석탄 채굴 사업장의 AMD는 고농도 광물을 함유하는 경우가 많고, 환경문제로 이미 채취해 치료하고 있기 때문에 희토류 원소의 국내 유망한 공급원을 대표한다고 과학자들은 말했다.

아팔라치아(Appalachia) 석탄 채굴 사업장의 사르마 피수파티(Sarma Pisupati) 소장은 "현재 물을 처리하는 데만 비용이 들고, 많은 경우 이런 광물조차 다 채취하지 않고 있다"라면서 "이제 우리는 폐품이라고 여겨졌던 것을 귀중한 자원으로 만들 수 있게 되었다"라고 덧붙였다.

AMD는 채굴활동에 의해 발굴된 피라이트(pyrite) 암석인 황화철(iron sulfide)이 물과 공기와 상호 작용한 후 산화하여 황산을 만들 때 발생한다. 그리고 나서 이 산은 주변의 암석을 분해하여 독성 금속이 물에 용해되게 한다고 과학자들은 말했다.

전통적인 치료 방법에는 고정 연못에서 AMD를 수집하고 pH를 중화시키기 위한 화학물질을 추가하는 것이 포함된다. 이는 물질이 얼마나 산성적이거나 기초적인지를 나타내는 지표다.

이것은 용해된 금속을 침전시키거나 고체로 형성하여 물 밖으로 가라앉게 한다. 연구원들에 따르면 이 과정을 통해 희토류 원소의 최대 70%를 슬러지로 추출할 수 있으며 나머지는 처리된 물과 함께 방출된다.

과학자들은 AMD에 이산화탄소를 첨가한 다음 환경 교정조치 대상인 중립 pH 7에 두 단계로 나누어 고농도의 희토류 원소와 기타 중요한 광물을 추출할 수 있다는 것을 발견했다.

과학자들은 이 방법을 이용해 알루미늄의 90%가 pH5에서 회수됐으며 희토류 원소의 85%가 pH 7에서 회수됐다고 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)에 보도했다.

AMD에 이산화탄소를 첨가하면 카본라이트라고 불리는 고체 광물이 형성되는 화학반응을 일으킨다고 과학자들은 말했다. 희토류 원소는 여분의 탄소와 결합하여 낮은 pH 값으로 물 밖으로 침전한다.

이산화탄소 광물화라고 불리는 이 과정은 대기 중의 과잉 이산화탄소를 제거하기 위해 사용되고 있는 새로운 기술이다. 이 연구는 AMD로부터 대규모의 희토류 원소를 복구하는 데 사용된 최초의 사례라고 과학자들은 말했다.

전통적인 처리 방법을 사용하여 AMD로부터 동일한 농도의 희토류 원소를 복구하려면 pH 7 이상으로 증가시키기 위해 화학물질을 추가해야 할 것이다.

과학자들은 회복 비용을 낮춤으로써 새로운 치료법이 국내 희토류 시장을 더욱 경쟁력 있게 만들 수 있다고 말했다.

레제이(Rezaee)는 "기존 처리과정을 단순하게 수정하면 업계는 화학물질을 덜 사용하고 AMD 폐기물의 가치를 높일 수 있다"라면서 "이것이 이 연구의 묘미다"라고 강조했다.

펜실베이니아 주립대학교(Penn State)의 박사과정인 베자드 바지리 하사스(Behzad Vaziri Hassas)도 이 연구에 참여했다. 지구광물과학대학 에너지연구소가 자금을 지원했다.

[원문보기]

New Acid Mine Drainage Treatment Turns Waste Into Valuable Critical Minerals

A new way to treat acid mine drainage (AMD) could help transform the environmental pollution problem into an important domestic source of the critical rare earth elements needed to produce technology ranging from smart phones to fighter jets, according to Penn State scientists.

“Acid mine drainage has been a significant environmental concern for many decades,” said Mohammad Rezaee, assistant professor of mining engineering in the College of Earth and Mineral Sciences at Penn State.

“This research shows we can modify existing treatment processes in a way that not only addresses environmental concerns, but at the same time recovers valuable elements and actually decreases the cost of treatment.”

A team of Penn State scientists developed a two-stage treatment process that enabled them to recover higher concentrations of rare earth elements using smaller amounts of chemicals than previously possible, the scientists said.

“This technique represents an efficient, low-cost and environmentally friendly method to extract these valuable minerals that are used in a wide variety of consumer and industrial products,” said Sarma Pisupati, professor of energy and mineral engineering and director of the Center for Critical Minerals at Penn State.

Rare earth elements are a group of 17 minerals widely used in advanced technologies and designated by the U.S. as critical to the country’s economic and national security. The U.S. currently imports nearly 100% of these materials, with China producing about 85% of the world supply.

AMD from coal mining operations in Appalachia represents a promising domestic source of rare earth elements because it often contains high concentrations of the minerals, and because it is already being collected and treated due to environmental concerns, the scientists said.

“We are currently incurring costs just to treat the water, and in many cases, we are not even collecting all these minerals,” Pisupati said. “Now we are able to turn what had been considered a waste product into a valuable resource.”

AMD occurs when pyrite rock - iron sulfide - unearthed by mining activity interacts with water and air and then oxidizes, creating sulfuric acid. The acid then breaks down surrounding rocks, causing toxic metals to dissolve into the water, the scientists said.

Traditional treatment methods involve collecting the AMD in retention ponds and adding chemicals to neutralize the pH ? an indicator of how acidic or basic a substance is.

This causes the dissolved metals to precipitate, or form into solids, and settle out of the water. Up to 70% of rare earth elements can be extracted as a sludge using this process, and the rest are released along with the treated water, according to researchers.

The scientists found they could extract a higher concentration of rare earth elements and other critical minerals by adding carbon dioxide to the AMD and then bringing it to a neutral pH of 7, the target for environmental remediation, in two separate steps.

Using this method, 90% of aluminum was recovered at a pH of 5 and 85% of rare earth elements were recovered by pH 7, the scientists reported in Chemical Engineering Journal.

Adding carbon dioxide to AMD produces chemical reactions that result in the formation of solid minerals called carbonites, the scientists said. The rare earth elements bond with the extra carbonites and precipitate out of the water at lower pH values.

The process, called carbon dioxide mineralization, is an emerging technology being used to remove excess carbon dioxide from the atmosphere. This study represents the first time it has been used to recover large concentrations of rare earth elements from AMD, the scientists said.

Recovering the same concentration of rare earth elements from AMD using traditional treatment methods would require adding additional chemicals to increase the pH beyond 7.

The scientists said by lowering recovery costs, the new treatment method could make the domestic rare-earth-element market more competitive.

“With a simple modification of existing treatment processes, industry could use less chemicals and get more value out of AMD waste,” Rezaee said. “This is the beauty of this research.”

Behzad Vaziri Hassas, a doctoral candidate at Penn State, also participated in this research. The College of Earth and Mineral Sciences’ Energy Institute provided funding.

[출처=워터온라인(https://www.wateronline.com/doc/new-acid-mine-drainage-treatment-turns-waste-into-valuable-critical-minerals-0001) / 2020년 8월 5일]