1. 서 론
주석은 점차 사용량이 증가하고 있는 전자제품의 기판 제조 시 사용하는 무연 솔더(Solder)와 도금의 재료로 활용되고 있는 금속으로, 시간이 지남에 따라 응용 분야 뿐 아니라 수요가 증가할 것이라 예상되고 있다1,2,3,4,5,6,7). 주석 금속을 생산하기 위한 광물 중 주석석(Cassiterite)의 경제적 가치가 가장 높은 것으로 알려져 있다4,5,6,7,8). 주석석은 화강암 퇴적물에서 주로 발견되며, 백운석, 방해석, 형석, 석영과 같은 규산염 광물이 같이 존재하고 있다. 주석석은 비중이 높은 편으로, 일반적으로 비중 선별과 부유 선별 연구가 많이 진행되고 있다4,5,6,7,8). 특히, 비중 선별은 유용 광물과 맥석 광물의 비중 차이를 이용하여 분리하는 선별법으로 다양한 광물에 적용되고 있으며, 낮은 운영비용과 많은 처리량 그리고 별도의 시약을 사용하지 않는 장점을 가지고 있다8).
국내에서는 주석 수요 전량을 수입에 의존하고 있으며, 광물로부터 주석을 개발하는 연구보다 주석을 포함하고 있는 스크랩과 폐기물로부터 재활용 하는 연구가 많이 수행된 것으로 확인된다9,10,11).
몽골은 세계 10대 자원부국 중 한 곳으로 6,000개 이상의 광물자원 매장지에 80여 종의 광물자원을 보유한 자원이 풍부한 나라이다12,13,14,15). 몽골에는 약 100여개의 주석 광상이 존재한다고 알려져 있으며, 몽골 내 주석에 대한 관심이 낮고 개발 기술의 부족으로 현재 별도의 개발이 이루어지고 있지 않는 실정이다12).
본 연구에서는 몽골 토브 아이막의 에르덴 솜에 위치한 주석 광산 시료를 대상으로, 고품위의 정광을 회수하기 위한 선별 시스템 개발을 수행하였다. 주석 광물인 주석석을 효율적으로 회수하기 위하여 Shaking table을 활용한 비중 선별 위주로 실험을 진행하고, 정광의 품위와 회수율을 향상시키기 위하여 Cleaner와 Scavanger 공정을 추가하여 선별 공정을 설계하였다.
2. 실험 방법
2.1. 시료 특성
본 연구에서 실험에 사용한 시료는 몽골 토브 아이막의 에르덴 솜에 위치한 주석 광산에서 수령한 것으로, 수령 이후에 건조하여 사용하였다. Table 1은 실험에 사용한 시료의 화학적 조성을 나타낸 것으로 ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy)와 XRF(X-Ray Fluorescence) 분석을 통하여 확인한 값이다. 시료의 품위는 Sn 기준으로 2.35%이며, 나머지는 규산염 광물의 주성분인 SiO2, Al2O3가 각각 71.26%, 11.48% 그리고 Fe2O3, CaO가 각각 1.82%, 0.71%로 확인되며, 맥석광물 대부분이 Si, Al을 포함하는 규산염 광물인 것으로 파악된다.
Fig. 1은 실험에 사용한 시료의 화학적 성분 분석으로 파악된 구성 원소로 이루어진 광물을 파악하기 위하여 XRD(X-Ray Diffraction) 분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 주석은 주석석(Cassiterite, SnO2)으로 존재하는 것으로 확인되었으며, 맥석광물은 주로 석영(Quartz, SiO2), 사장석(Albite, NaAlSi3O8), 백운모(Muscovite, KAl2Si3AlO10 (OH)2) 등으로 구성되어 있는 것으로 확인되었다. Table 2는 실험에 사용한 시료를 분쇄하지 않고, 자연 건조 상태로 입도 구간을 8개로 (+8, -8/+16, -16/+30, -30/+40, -40/+50, -50/+70, -70/+100, -100 mesh) 나누어 무게 분율을 나타낸 것이다. 30 mesh 크기 이상의 시료가 약 50% 존재하는 것으로 확인되었으며, 비중 및 자력 선별과 같은 선별 공정에 바로 투입하기에는 입자가 큰 것으로 파악되어 선별 공정의 효율을 향상시키기 위하여 적절한 입도 제어 및 단체분리가 필요한 것으로 판단된다. Fig. 2는 Table 2에서 언급한 것과 같이 실험에 사용한 시료를 8개의 입도 구간으로 나누어 나타낸 것이며, 입도가 작아질수록 겉보기 색이 백색으로부터 점차 황색으로 짙어지는 것을 육안으로 확인할 수 있었다.
Table 1.
Chemical composition of sample using XRF and ICP-OES
Component | Sn | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO |
wt.% | 2.35 | 71.26 | 11.48 | 1.82 | 0.71 | 0.45 |
Component | K2O | Na2O | TiO2 | MnO | P2O5 | Ig.loss |
wt.% | 4.24 | 2.78 | 0.33 | 0.04 | 0.06 | 1.28 |
Table 2.
Weight fraction by particle size range of sample
Mesh | +8 | -8+16 | -16/+30 | -30/+40 | -40/+50 | -50/+70 | -70/+100 | -100 |
wt.% | 13.02 | 17.59 | 19.26 | 11.41 | 13.26 | 9.28 | 4.63 | 11.55 |
2.2. 실험 방법
본 연구에서 사용한 시료 내 주석을 함유하고 있는 주석석은 비중이 약 6-7 정도로 비중이 약 2-3 정도인 다른 구성 광물들에 비하여 상대적으로 높기 때문에 비중 차이를 이용한 비중 선별 공정을 적용하는 것이 효율이 높을 것으로 판단하였으며, 이를 위하여 Shaking table을 사용하여 주석석 정광을 회수하는 연구를 수행하였다. Fig. 3은 Wilfley shaking table을 나타낸 것으로, 이는 반면의 공급수 흐름 내에서 입도와 비중이 서로 다른 입자 간 이동 차이를 활용하여 분리하는 장비이다. 이때 회수되는 산물은 Shaking table에서 산물이 회수되는 부분을 정광(Concentrates), 미들링(Middlinlg), 광미(Tailings), 슬라임(Slime)과 같이 4부분으로 나누어 회수하였다. 그리고 XRD 분석에서 확인되지는 않았지만, XRF 분석에서 확인된 Fe 성분을 고려하여 자성 광물을 제거하여 비중 선별의 효율을 높이고자, 자력 선별의 적용 여부를 파악하기 위하여 Drum type magnetic separator를 사용하여 실험을 수행하였다. 또한, 최종 선별 산물인 정광의 품위 및 회수율을 향상시키기 위하여 비중 선별을 여러 단계로 적용하여 선별 공정 설계를 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 자력 선별
시료를 파쇄 및 분쇄하지 않고 5000G로 자력 선별을 수행한 결과, 자성 산물로 분리되는 시료는 약 3.6 wt.% 인 것을 확인하였다. 이와 비교하기 위하여 파쇄 장비인 Cone crusher를 사용하여 파쇄를 수행하고, 같은 조건으로 자력 선별을 수행한 결과, 자성 산물로 분리되는 시료는 약 0.2 wt.% 이하인 것을 확인하였다. 파쇄 전후의 자성 산물 무게 분율이 차이가 나는 것은 시료 분취 과정에서의 발생하는 차이보다는 자철석 및 적철석이 단체 분리되어 입도가 작아지고 품위가 높아진 입자가 분리되었을 가능성이 더 높은 것으로 파악된다. 이는 Fig. 1의 XRD 분석 결과에서 확인된 것과 같이 원 시료 내 자철석과 적철석의 조성이 나타나지 않는 것으로 설명이 가능 하며, 차후 선별 공정 설계 시 경우에 따라 자력 선별 존재 여부를 결정지을 수 있을 것으로 판단된다.
3.2. 비중 선별
광물 간 비중 차이를 이용하여 비중이 상대적으로 높은 주석석을 정광으로 회수하기 위하여, Shaking table을 이용하였으며, 시료 입자의 크기, 경사각, 공급수의 유량을 주요 변수로 설정하여 실험을 수행하였다.
Fig. 4는 시료 입자의 크기가 비중 선별 산물 중 정광의 품위와 회수율에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 해당 조건에서 입도가 제어된 시료를 사용하여 비중 선별을 수행한 결과 입자 크기가 작아질수록 정광의 품위는 증가하는 것을 확인할 수 있고, 회수율은 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 shaking table이 입자의 밀도와 크기에 따라 분리하는 장비이기 때문에 입자 크기가 작을수록 단체분리도가 높아져 중광물로 분리되는 정광 부분에 품위가 높은 산물이 농축되는 한편, 미립자 분율이 많기 때문에 공급수와 함께 리플(riffle)을 넘어가 미들링 이하 부분으로 이동이 되어 회수율이 감소되기 때문이다. 입자의 경우 일정 크기 이하로 작아지면 비표면적이 증가하고 이에 따라 겉보기 비중이 커져 정광으로 회수되지 못하고 저비중 산물로 회수되는 경우가 발생할 수 있다.
Fig. 5는 Shaking table의 경사각이 비중 선별 산물 중 정광의 품위와 회수율에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 기울기의 경사각이 점차 증가함에 따라 정광의 품위는 소폭 증가하고, 회수율을 상대적으로 많이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 기울기의 경사각이 증가하는 경우, 분리하고자 하는 중광물인 주석석과 상대적으로 경광물인 규산염 광물의 비중 차이로 인하여 분리되는 경향이 커짐에 따라 정광의 품위가 증가하나 일부 주석석이 큰 경사각으로 인하여 저비중 산물로 회수되는 경우가 발생할 수 있다.
Fig. 6은 공급수의 유량이 비중 선별 산물 중 정광의 품위와 회수율에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 공급수의 유량이 점차 증가함에 따라 정광의 품위는 증가하는 것을 확인할 수 있고, 회수율은 감소하는 것을 확인할 수 있다. 시료가 투입될 때 같이 투입되는 공급수의 유량이 증가할수록 공급수와 함께 저비중 산물 구역을 회수되는 규산염 광물의 분리 정도가 향상되나, 많은 유량으로 일부 주석석이 저비중 산물로 회수되는 경우가 발생할 수 있다.
Fig. 7은 Figs. 4,5,6에서 도출된 각 변수의 최적값을 사용하여 실험을 수행하고 회수한 산물들의 광물 조성을 파악하기 위하여 XRD 분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다. Conc. 부분에서 주석석이 농축이 잘 되는 것으로 확인되었으며, 일부 규산염 광물이 포함된 것으로 확인되어 최종 정광의 품위를 향상시키기 위하여 추가적인 선별이 필요한 것을 확인하였다. 그리고, 이와 같이 Rougher만 수행한 경우에는 정광의 Sn 품위 및 회수율은 24.32%, 65.99% 인 것을 확인하였다.
3.3. 선별 공정 설계
자력 선별과 비중 선별을 수행하여 얻은 결과를 바탕으로 해당 시료로부터 품위와 회수율이 높은 정광을 회수하기 위한 선별 공정을 설계하였다. 일반적으로 정광으로 거래되는 품위로 알려져 있는 Sn 품위 60% 이상을 달성하기 위하여 각 공정의 산물의 농도 및 분포를 파악하고, 정광을 다시 시료로 이용하여 품위를 향상시키기 위하여 비중 선별을 수행하는 Cleaner 단계와 정광 외의 산물을 시료로 이용하여 회수율을 향상시키기 위한 Scavenger 단계로 구성하여 반복 실험을 수행하였다. 그 결과, Fig. 8의 공정을 설계하고 이를 통하여 최종적으로 회수한 정광의 Sn 품위 및 회수율이 60.3%, 76.67% 인 것을 확인하였다.
기존에 주석광은 한국지질자원연구원에서 국내 경북 지역의 주석광을 대상으로 비중 선별 및 부유선별 연구를 진행한 바 있다. 비중 선별은 Jig separator을 사용하여 전처리 개념인 Rougher 최적연구를 수행하여 회수한 1차 정광의 Sn 품위와 회수율이 14.9%, 94.95% 인 것을 확인하였다16). 그리고 부유선별의 경우 올레인산 포수제 시스템에서 Cleaner를 8회 수행한 경우와, 알킬-하이드록삼산 포수제 시스템에서 Cleaner를 3회 수행한 경우 각각 정광의 Sn 품위와 회수율이 55.32%, 77.24% 그리고 75.55%, 89.86%인 것을 확인하였다17,18). 시료 및 선별 공정 등의 차이가 있어, 절대적인 비교는 어렵지만 주석광의 경우 일반적으로 품위 60% 이상인 경우 상업적으로 거래가 되는 것으로 알려져 있으며, 몽골의 경우 선별에 사용할 수 있는 급수원이 제한적인 점, 시약을 사용하지 않아 환경 부담이 적은 것 등을 고려하여 본 연구에서 개발한 공정의 발전 가능성이 높다고 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 몽골 토브 아이막의 에르덴 솜에 위치한 주석 광산에서 수령한 시료를 대상으로 고품위 정광 회수를 위한 선별 시스템 연구를 수행하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
실험에 사용한 시료의 특성을 분석한 결과 주석은 주로 주석석 내에 존재하여 품위는 2.35%이며, 나머지는 석영, 사장석, 백운모 등의 규산염 광물로 구성되어 있는 것을 확인하였다. 시료는 30 mesh 크기 이상의 시료가 약 50% 존재하여 입도제어가 필요한 것을 확인하였으며, shaking table을 활용하여 주요 변수로 시료 입자의 크기, 경사각, 공급수 유량을 선정하여 비중 선별 실험을 수행하였다. 1차 비중 선별만 진행한 경우 정광의 Sn 품위와 회수율은 24.32%, 65.99% 인 것을 확인하였으며, 품위와 회수율을 향상시키기 위하여 Cleaner와 Scavenger 공정을 단계별로 적용하여 선별 공정을 설계하였다. 그 결과, 최종 선별 공정에서 Sn 품위와 회수율이 60.30%, 76.67%인 정광을 회수하였다.