폐기물 석탄재에 엄청난 희토류 함유, 중국 공급망 배제 가능

미국 석탄 폐기물(Coal waste)에 함유된 희토류 금속(REM=Rare Earth Metals)만으로도 중국을 공급망에서 배제할 수 있다는 연구 결과가 나왔다.

희토류 원소(REE=Rare Earth Elements)는 현대 기술에 필수적이지만, 가격이 비싸고 추출하기 어렵다. 특히 중국 광산에서 대부분 생산되어 전 세계적인 독점 체제를 형성하고 있다.

화석 연료 폐기물에는 막대한 양의 희토류 원소가 함유되어 있어, 공급망 독립을 추구하는 국가들에게 이러한 핵심 금속을 자국에서 생산할 수 있는 잠재적인 공급원이 될 수 있음이 밝혀졌다.

연구자들은 환경 지속 가능성과 자원 규모 확대 문제를 해결하기 위해 ▶ 산(酸, acid)을 이용한 방법 ▶ 전기화학적 방법 ▶ 희토류 과축적 식물을 이용한 식물채취 등 환경친화적인 접근 방식을 포함하여 석탄재(Coal Ash)에서 희토류를 추출하는 다양한 방법을 연구하고 있다.

해당 연구는 석탄 과학 및 기술 저널(Journal of Coal Science & Technology)과 환경 관리 저널(Journal of Environmental Management)에 게재됐다.

첨단 무기, 가전제품 등이 존재하는 세계는 앞으로도 금속(金屬) 없이는 제대로 돌아가지 못할 것이다. 현대 기술, 산업 및 사회 기반 시설은 컴퓨터, 항공기, 자동차 등에 사용되는 17가지 귀중한 금속인 희토류 원소(REE) 없이는 불가능하다.

이름과는 달리 희토류 원소는 그렇게 희귀한 것은 아니지만, 가격이 비싸고 유용한 형태로 추출하기 어렵다는 게 지금까지의 문제점이다.

하지만 과학자들의 발견에 따르면, 사용 후 남은 폐기물 더미(Pile of waste)에는 엄청난 양의 희토류 원소가 포함되어 있으며, 이는 이러한 금속의 미국 국내 생산 가능성이 있는 원천이 될 수 있다. 물론 석탄을 이용하는 모든 국가는 다소(多少)를 불문하고 적극적인 관심, 기술, 조직과 의지만 있으면 자체적인 희토류 확보가 가능해 질 것이라고 과학 전문 매체인 사이언스 얼러트(Science Alert)가 4일 보도했다.

희토류는 지구상에 불균등하게 분포되어 있으며, 중국 광산에서 희토류 생산량의 약 70%를 차지하고, 전 세계 중희토류 가공량의 약 90%를 담당하며 독점 체제를 구축하고 있다. 이러기 때문에 트럼프 미 대통령의 관세전쟁, 무역전쟁, 나아가 경제 전쟁을 아무리 외쳐대며 겁박해도 희토류라는 강력한 카드가 있는 중국은 ‘준비된 보복 국가’(The Prepared Revenge State)임에 틀림없다.

희토류는 청정에너지 전환에 필수적인 요소로, 태양광 패널, 배터리, 풍력 터빈 모터뿐 아니라 의료 및 국방 기술에도 반드시 필요하다. 예를 들어 F-35 전투기 한 대에는 약 400kg의 희토류가 포함되어 있다.

많은 국가들이 독립적인 희토류 공급망 확보를 ▶ 국가 안보 ▶ 기술적 지속가능성 ▶ 경제적 안정 및 에너지 독립에 필수적인 요소로 보고 있다. 또한 이는 보다 “순환적인 물질 경제”(Circular material economy)를 구현하는 데에도 도움이 될 것이다.

다행히도, 사용 후 화석 연료 폐기물 속에 갇혀 있는 희토류 원소가 상당히 많이 있는 것으로 드러났다.

실제로 2024년 텍사스 오스틴 대학교의 지구과학자들이 주도한 연구에 따르면, 미국 내 석탄 화력 발전소에서 나오는 석탄재에는 추출 가능한 희토류 원소가 거의 1,000억 달러(약 135조 원)에 달할 수 있다고 추산했다.

현재 미국 희토류 공급량의 약 70%는 중국산 수입에 의존하고 있다. 미국에는 캘리포니아주에 있는 단 하나의 주요 희토류 광산만이 가동 중이며, 이곳에서 전 세계 희토류 공급량의 16%를 생산하고 있지만, 자체적인 ‘가공 시설’이 부족하다. 가공에는 까다롭게 풀어야 할 환경문제가 도사리고 있다.

흥미롭게도, 석회질 석탄재(limestone coal ash)는 잠재적인 에너지 자원이다. 석탄이 연소되면서 생성되는 부산물인 석탄재는 수억 년 동안 지구 내부의 오래전에 죽은 고대 식물들이 극심한 ‘열과 압력’에 의해 ‘압축’되면서 만들어진 것이다.

석탄의 질량과 가연성 원소 대부분이 연소되고 나면, 남은 재에 함유된 희토류 원소의 농도는 연소되지 않은 석탄보다 최대 10배나 높아져, 이미 발굴된 중요한 물질 공급원이 된다는 설명이다.

접근 가능한 석탄재에 함유된 희토류 원소의 양은 약 1,100만 톤으로 추산되는데, 이는 미국이 국내에 보유하고 있는 희토류 원소 양의 거의 8배에 달한다.

따라서 실용적인 추출 방법을 개발하기 위한 세계적인 경쟁이 벌어지고 있다.

호주 모나쉬 대학교의 엔지니어들은 환경적으로 무해한 산(acid)을 사용하여 석탄재에서 희토류 원소를 추출하고 있으며, 시범 실험에서 17개 원소 모두를 90% 회수하는 데 성공했다고 보고했다.

모나쉬 대학교 화학공학과 샹카르 바타차랴(Sankar Bhattacharya) 교수는 “이 연구의 중요성은 환경 폐기물을 줄이는 동시에 핵심 광물의 국내 공급을 확보하는 두 가지 측면에서 큰 의미를 지닌다”고 설명했다.

이 연구 결과는 활용도가 매우 높다. 모나쉬 연구진은 자신들의 방법이 규모를 확장하고 상용화된다면, 전자 폐기물은 물론 광석에서 유가 금속을 채굴하고 남은 찌꺼기를 포함한 다른 일반적인 폐기물에도 적용될 수 있다고 밝혔다.

모나쉬 대학의 지속 가능한 자원 회수 엔지니어인 베넷 토마스는 호주 매체인 AAP와의 인터뷰에서 “새로운 광산을 파낼 필요가 없다. 이미 가공되어 매립지에 쌓여 있는 것을 활용할 수 있다.”며, 희토류 자급률 향상이 “국가적 위험”에 대응할 수 있다고 덧붙였다.

2025년 환경 관리 저널에 발표된 논문 역시 석탄재의 활용되지 않은 잠재력을 강조했다.

엔지니어인 루치 아그라왈과 아서 라가우스카스는 전 세계적으로 석탄재에서 매년 30만 톤(27만 2천 미터톤) 이상의 희토류 원소를 생산할 수 있으며, 이는 “전 세계 수요를 훨씬 초과한다”고 추산(推算)했다.

하지만 기존 추출 방법에는 수율이 낮고 후처리 과정에서 독성 폐기물이 발생하는 등 여러 단점이 있다.용액 ▶ 전기화학적 추출 방법 그리고 ▶ 미생물이 만든 대사산물과 같은 자연 기반 용액이 포함되는데, 이러한 물질 들은 폐기물에서 희토류 원소를 친환경적인 방식으로 침전시킨다.

게다가, 식물 채굴은 조직에 희토류 원소를 축적하는 ‘과축적 식물’을 활용하여 이러한 자연의 경이로움을 우리에게 유익하게 사용할 수 있다. 탄소 격리, 산소 생산, 공기 정화, 도시 냉각, 환경 미화, 식량 및 건축 자재 제공 외에 식물이 우리에게 최근에 해준 것이 무엇이 있을까?

하지만 각 방법에는 환경 지속 가능성, 자원 요구 사항, 확장성 및 복잡성과 관련된 장단점이 있기 때문에, 고품질 희토류를 비용 효율적이고 에너지 효율적인 방식으로 얻으려면 추출 과정에서 최적의 지점을 찾아야 한다고 사이언스 얼러트는 지적했다.