Strategy to Recover Rare Earth Elements from a Low Grade Resource via a Chemical Decomposition Method

In this study, rare earth elements (REE) leaching from a refractory REE ore containing goethite as a major gangue mineral was conducted, introducing a two-stage method of chemical decomposition-acid leaching. At the chemical decomposition step, using one of alkaline agent, NaOH, the ore was decomposed, changing NaOH concentration from 20 to 50 wt% at 10% (w/w) of pulp density and the maximum temperature achieved without boiling at each NaOH concentration. With increasing NaOH concentration, light REE (Ce, La and Nd) and iron were concentrated in the solid phase which is the decomposed product, while aluminum (Al) and phosphorus (P) were removed to the liquid phase, and their concentrations in the solid phase were down to 18 김리나 · 조희찬 · 정진안 · 김지혜 · 이수경 J. of Korean Inst. Resources Recycling Vol. 29, No. 1, 2020 1. 서 론 희토류는 주기율표 상의 17개 원소들로서, 란타넘족 15개 원소(La~Lu) 를 비롯하여 Sc, Y 등을 포함한다. 희 토류의 특수한 화학적, 광학적, 자기적 특성으로 인해 이 들 원소는 이차 전지, 형광체, 연마제, 영구자석, 각종 센 서 제조 등 현대 첨단 산업의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 일반적으로 희토류 원소들은 모나자이트(REEPO4), 제 노타임(YPO4), 바스트나사이트(REECO3F) 등의 광물로 부터 유래된다. 광물을 물리적 선별법으로 농축할 수 있 는 경우, 모나자이트, 제노타임 등의 인산염 광물을 함유 한 광석은 농황산 분해-수침출 또는 알칼리 분해-산 침출 의 방법으로 처리되고, 바스트나사이트 함유 광석의 경우 산화 배소 후 염산 또는 황산 침출 방법이 주로 사용된다. 이온 흡착형 클레이 또한 대표적인 함희토류 자원인데, 황산암모늄 용액을 이용한 이온 교환 메커니즘을 통해 희 토류 원소를 회수할 수 있다. 그러나 위에서 언급된 광물 이외의 희토류 광물이 함유된 경우, 희토류 광물을 농축 할 수 없는 난용성 광석의 경우, 또는 광석이 아닌 2차자 원으로부터 희토류를 회수하는 경우 등에는 해당 자원의 특성(예: 광물학적 조성, 불순물 함량 및 구성) 에 맞는 처 리법이 도입되어야 한다. 특히, 희토류 광물의 농축이 불 가능한 광석 또는 2차자원의 처리 시 각각 맥석광물이 희 토류 농축을 방해하거나 희토류가 매우 안정한 합금 형태 로 존재하기 때문에 강력한 분해 공정이 필요하다. 본 연구에 사용된 광석 시료는 TREO(total rare earth oxide) 함량이 약 3%로 비교적 높은 수준에 속하나 함희 토류 광물이 광석 전체에 분산되어 있고, 일부 희토류 광 물들은 맥석광물 속에 갇혀 있어 물리적 선별법을 통해 희 토류 성분을 농축하기가 용이하지 않아 난용성 광석에 속 한다. 유사한 형태의 광석이 브라질 Araxá 광산에서 발견 되는데, 해당 광석 또한 5.01% TREO라는 높은 희토류 함 량에도 불구하고 물리적 선별법의 적용이 가능하지 않은 것으로 알려져 있다. 이와 같은 광석들은 광석 처리의 초기 단계부터 습식제련법의 적용이 요구된다. 그러나 맥 석광물의 영향으로 목적 금속에 대한 직접 침출이 용이하 지 않기 때문에 침출 단계에 앞서 맥석광물에 대한 화학적 분해가 선행되어야 한다. 실제로 앞서 언급된 Araxá 광석 의 경우 희토류 광물이 함철광물 속에 갇혀 있고, 50% 가 량의 희토류 광물이 20 μm 이하의 매우 낮은 입도로 분포 하고 있어 물리적 선별 과정이 생략되었고, 농황산 분해 후 수침출 하는 공정을 택하였다. 본 연구에서는 기존 의 희토류 광물 분해에 적용되는 알칼리 분해법이 본 연구 의 광석에 함유된 맥석광물 분해 및 희토류 광물 침출 거 동에 미치는 영향에 대하여 조사하고 최적 분해 및 침출 조건을 규명∙확립하고자 한다.