카드뮴: 원소 속성 및 용도

카드뮴 소개

카드뮴(원자 번호 48, 약어 Cd)은 청백색의 부드러운 금속으로, 뛰어난 물리적 특성과 철저한 독성이 입증된 물질입니다. 카드뮴은 19세기에 처음 분리되었으며 이후 배터리부터 안료에 이르기까지 다양한 산업 공정의 핵심 소재로 등장했습니다. 카드뮴은 주로 아연 제련 부산물로 제조되며, 2022년 전 세계 생산량은 약 2만 3,000톤으로 주로 중국, 한국, 일본과 같은 국가에 집중되어 있습니다. 카드뮴은 독성 때문에 대부분의 산업에서 엄격한 규제를 받고 있습니다.

카드뮴의 화학적 특성

카드뮴은 대부분의 화학적 거동을 나타내는 +2 산화 상태(Cd²⁺)를 보이는 경향이 있습니다. 다른 전이 원소에 비해 매우 불활성이지만 카드뮴은 산소, 황, 할로겐과 반응하여 산화 카드뮴(CdO) 및 황화 카드뮴(CdS)과 같은 화합물을 생성합니다. 이러한 화합물은 전기 도금, 안료 및 반도체의 기초가 됩니다.

주요 화학적 특성은 다음과 같습니다:

- 보호 코팅이 형성되어 천천히 산화되기는 하지만 실온에서 공기 중 반응에 대한 내성.

- 전기화학에 참여할 수 있는 산 용해도.

- 특히 유황 및 셀레늄과 함께 반짝이는 유색 화합물을 형성하는 흡수 능력으로, 이전에는 안료로 유용하게 사용되었습니다.

더 자세한 화학적 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)를 참조하세요.

예시 및 통계가 포함된 주요 산업 응용 분야

1. 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리

• 니켈 카드뮴 배터리는 휴대용 전자기기, 전동 공구, 항공 기술 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
• 일반적인 1.2V Ni-Cd 배터리는 무게 기준으로 약 5~10%의 카드뮴을 함유하고 있습니다.

안정적이고 수백 번의 충전-방전 사이클을 견딜 수 있지만 환경 문제로 인해 사용량이 감소하고 있습니다. 예를 들어, 유럽 연합은 배터리 지침(2006/66/EC)을 통해 Ni-Cd 배터리의 사용을 제한했습니다.

2. 플라스틱, 세라믹 및 유리 안료

• CdS는 강렬한 색상의 노란색 안료를 생산하고, CdSe는 붉은 주황색 안료를 생산합니다.
• 사례 예시: CdS 안료는 1990년대에 건축용 플라스틱에 적용되어 변색되지 않고 20년 이상 지속되는 변색 방지 제품을 제공했습니다.
• 현재 대부분의 국가에서 카드뮴 함량이 0.01% 미만으로 제한되어 있는 RTE 안료는 규제를 받고 있습니다.

3. 전기 도금 및 내식성

카드뮴 전기 도금은 특히 해양 환경에서 높은 내식성으로 인해 항공우주 및 방위 산업에서 사용됩니다.

예시: 카드뮴 코팅된 군용 패스너는 염수 분무 부식에 1,000시간 이상 견디는 반면, 아연 도금된 대체 제품은 200-300시간이 지나면 고장납니다.

4. 반도체 및 태양광 발전

• 카드뮴 텔루라이드(CdTe)는 실리콘을 대체할 수 있는 효율적이고 비용 효과적인 박막 태양전지에 사용됩니다.
• 사례 데이터: CdTe 태양광 모듈은 표준 테스트 조건에서 결정질 실리콘보다 와트당 생산 비용이 낮으면서도 최대 22%의 효율을 달성할 수 있습니다.

환경 및 건강 문제

카드뮴은 동물과 인간에게 매우 유독합니다. 소량으로 장기간 노출되면 다음과 같은 증상이 나타납니다:

-신장 손상 및 뼈의 석회질화

-호흡기 질환 및 폐암(카드뮴 먼지 또는 연기 흡입으로 인한)

-먹이 그물망, 특히 잎채소, 곡물 및 조개류 내 생체 축적

환경 사건을 통해 위험에 노출됩니다:

-일본의 이타이-이타이병(1960년대)에서 카드뮴에 오염된 쌀은 200명 이상의 피해자에게 심각한 뼈와 신장 질환을 일으켰습니다.

- 현재 채굴 및 제련 과정에서 배출되는 카드뮴은 엄격하게 규제되고 있으며, 예를 들어 EPA는 폐수 카드뮴을 0.005 mg/L로 제한하여 생태 및 인체 피해를 방지하기 위해 얼마나 엄격하게 관리해야 하는지를 보여주고 있습니다.

이러한 위험성 때문에 업계에서는 카드뮴이 함유되지 않은 대체품, 예를 들어 Ni-Cd 대체 배터리용 리튬 이온 배터리와 플라스틱 및 페인트용 무카드뮴 안료로 전환하고 있습니다. 그러나 카드뮴은 고유한 특성으로 인해 고성능 태양전지 및 특수 전기 도금 분야에서는 대체재가 없습니다.

자주 묻는 질문

카드뮴의 원자 번호는 무엇인가요?

카드뮴의 원자 번호는 48이며 일련의 전이 금속입니다.

카드뮴은 얼마나 독성이 있나요?

카드뮴은 독성이 강하며 장기간 노출되면 신장, 뼈, 폐에 손상을 일으킵니다. 인체 및 환경 위험을 제한하기 위해 규제 용량이 엄격하게 설정되어 있습니다.

오늘날의 주요 산업적 용도는 무엇인가요?

Ni-Cd 배터리, 안료, 카드뮴 전기 도금, CdTe 태양전지가 여전히 중요한 용도로 사용되고 있습니다.

카드뮴은 어떻게 제조되나요?

카드뮴은 주로 아연 제련의 부산물로 제조되며, 일반적으로 로스팅, 증류 및 전해 공정을 통해 제조됩니다.

더 안전한 대안이 있나요?

네. 그렇습니다. 카드뮴이 함유되지 않은 안료는 환경 노출을 줄이면서 Ni-Cd를 대체하는 NiMH와 리튬 이온을 사용합니다. 하지만 카드뮴은 항공우주 코팅 및 CdTe 태양광과 같은 특정 고성능 용도로는 여전히 필요합니다.