1. 서 론
2. 실험 방법
2.1. 시료 및 시약
2.2. 광물학적 특성 분석
2.3. 파·분쇄
2.4. 자력선별
2.5. 부유선별
3. 결과 및 고찰
3.1. 광물학적 특성
3.2. 파·분쇄 특성
3.3. 선광 공정 설계
4. 결 론
1. 서 론
니켈(Ni)은 스테인리스강, 배터리 소재, 합금 제조 등 다양한 산업 분야에서 필수적인 원소로, 특히 최근 전기차 및 에너지 저장 시스템의 확대에 따라 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다1,2,3). 그러나 현재 2025년 기준으로 국내에서는 니켈광의 생산이 전무하며, 수입에 의존하고 있는 실정이다4). 이러한 상황에서 국제 원자재 가격의 변동성과 공급망 리스크가 증가함에 따라 안정적인 니켈 공급망 구축이 중요한 과제로 대두되고 있다5). 이에 따라 국내 부존 니켈광의 개발 가능성에 대한 평가가 필요하다.
한편, 국내 연구진의 조사 결과, 경북 안동시 풍천면의 사문석 광산을 포함하는 초염기성암체에서 니켈이 부존되어 있음이 확인되었다6). 분석 결과, 사문석광 내 니켈은 주로 니켈 황화광의 주요 광물인 펜틀란다이트(Pentlandite, (Fe,Ni)9S8)와 산화광물인 감람석, 휘석, 사문석 내 철과 마그네슘을 치환한 형태로 존재하는 것으로 밝혀졌다6). 그러나 현재까지 국내 니켈 광석을 대상으로 한 본격적인 선광 연구가 거의 이루어지지 않았으며, 원광 내 니켈의 효과적인 회수를 위한 기초적인 선광 공정 개발이 필요한 상황이다.
따라서 본 연구에서는 국내 부존 사문석 광을 대상으로 니켈 황화광의 회수 가능성을 평가하고, 최적의 선광 공정을 도출하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위해 XRD, XRF, SEM-EDS 분석을 통해 원광의 광물학적 특성을 분석하고, 니켈 회수를 위한 자력선별 및 부유선별 공정을 설계하여 그 효율을 평가하였다. 또한, 국내 니켈광 개발의 가능성을 검토하고, 향후 정밀 선광 연구 및 공정 최적화를 위한 기초 자료를 제공하는 것을 목표로 하였다.
2. 실험 방법
2.1. 시료 및 시약
니켈 원광은 경북 안동시 풍천면 사문석 광산으로부터 제공받았다. 니켈광 시편 제조를 위한 사용된 에폭시 수지(평균 분자량 ≤ 700 g/mol), 경화제(Triethylenetetramine), 다이아몬드 현탁액(6, 3, 1 μm, Struers, Denmark를 활용하였다. 부유선별 공정에서 포수제로 활용된 포타슘 아밀 잔세이트(CH3(CH2)4OCS2K, Potassium amyl xanthate(PAX), TCI, Japan)를 활용하였다. 분산제인 규산나트륨(Na2SiO3, Sodium silicate, 삼전화학, Korea)), 기포제인 MIBC((CH3)2CHCH2CH(OH)CH3, Methyl Isobutyl Carbinol, 삼전화학, Korea)), 그리고 pH 조절제로 산화칼슘(CaO, Calcium oxide, 삼전화학, Korea)을 활용하였다.
2.2. 광물학적 특성 분석
사문석광의 구성광물의 성분을 확인하기 위해 XRD(X-ray diffraction, Philips X’Pert MPD) 분석이 수행되었다. 또한 사문석광 내 주요 원소의 농도를 정량 분석하기 위해 XRF(X-ray Fluorescence, MXF-2400, Shimadzu)와 ICP-AES(Inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry, 5300 DV, Perkin Elmer) 분석이 수행되었다.
또한 원광은 상온경화(Cold mounting)하여 시편을 제조하였다. 시편은 죠크러셔, 콘크러셔를 활용하여 10-20 mm의 사문석광을 제조한 후, 에폭시 수지와 경화제를 10:1 w/w로 혼합한 용액과 함께 30 mm 크기의 원통형 몰드에 담아, 상온 24시간 동안 경화과정을 통해 제조되었다. 제조된 시편은 연마기(SAPHIR 520, ATM GmbH, Germany)와 사포를 사용하여 표면을 연마한 후 다이아몬드 현탁액, 연마천을 활용하여 연마하었다.
연마된 시편으로부터 사문석광 내 니켈광의 결정크기 분석을 위해 SEM-EDS(Scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy, Hitachi, TM3000-SwiftED 3000, Japan) 분석이 활용되었다. SEM-EDS 분석을 통해 결정된 니켈광의 결정크기는 단체분리가 가능한 입자 크기 및 분쇄 조건을 확립하는데 활용되었으며, XRD 분석 결과는 선별 공정을 설계하는데 활용되었다.
2.3. 파·분쇄
니켈 원광을 부유선별하기 위해 파쇄 및 분쇄 실험을 수행하였다. 파쇄에는 실험용 죠크러셔(한국기계엔지니어링)와 콘크러셔를 사용하였으며, 파쇄된 원광은 4L 포트형 로드밀을 이용해 분쇄하였다. 분쇄 과정은 로드 무게 10.3 kg(로드 충진율 30%), 광액 농도 60 w/w% 조건에서 진행되었으며, 분쇄 시간은 5, 10, 15, 20분으로 설정하여 실험을 수행하였다. 분쇄 산물의 입도 분포는 체분석을 통해 평가하였다.
2.4. 자력선별
분쇄된 원광에서 자성 물질을 회수하기 위해 자력선별을 수행하였다. 자력선별은 drum type의 습식 영구자석 자력선별기(대보마그네틱)를 사용하여 진행되었으며, 자성의 세기는 10,000 Gauss로 설정하였다. 실험을 통해 얻은 정광과 광미들은 여과 후에 90℃로 12시간 동안 건조한 뒤, 질량을 측정하였다. 정광과 광미의 농도 분석은 ICP-AES을 활용하여 수행되었다.
2.5. 부유선별
안동 사문석광으로부터 니켈 황화광을 회수하기 위한 부유선별 연구를 수행하였다. Fig. 1은 사문석광으로부터 니켈 황화광인 펜틀란다이트를 회수하기 위한 공정의 모식도를 나타낸다. 선행연구에 따르면, pH 10 이하에서는 사문석 표면이 양전하를, 펜틀란다이트 표면이 음전하를 띠어 두 광물이 응집하는 것으로 알려져 있다7). 이러한 응집 현상이 발생하면 맥석인 사문석과 목적광물인 펜틀란다이트의 분리가 어려워져 부유선별의 효율이 저하될 수밖에 없다8). 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 CaO를 활용하여 pH를 10.5 이상으로 조절하였다. Fig. 1에 나타난 바와 같이, pH 10.5 이상에서는 두 광물 모두 음전하를 띠게 되어 분산성이 증가하는 것으로 보고되어 있다7). pH 조절 후, 광액의 분산성을 더욱 향상시키고 맥석인 규산염광물의 부유를 억제하기 위해 규산나트륨을 첨가하였다. 또한, 니켈 황화광의 소수성을 증가시키기 위해 Thiol(-SH)계 포수제인 포타슘아밀잔세이트(PAX)를 사용하였으며9), 기포제로는 MIBC를 적용하였다. 부유선별 실험 조건은 선행 연구를 참고하여 PAX 200 g/t, MIBC 100 g/t, 규산나트륨 1000 g/t로 설정하였다. 부유선별기는 Denver sub-A flotation machine(Metso, Finland)을 활용하였다. 실험은 원광 500 g을 사용하여 광액 농도 30 v/v% 조건에서 수행하였으며, 부유선별 시간은 8분으로 설정하였다10). 실험 후, 자력선별과 마찬가지로 정광 및 광미를 회수한 후 여과·건조 과정을 거쳐 질량을 측정하고 농도 분석을 수행하였다. Ni 이온은 ICP-AES, S는 LECO CS230(LECO, USA) 장비를 이용한 CS 분석법으로 각각 정량하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 광물학적 특성
Fig. 2는 안동 사문석 원광의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 원광의 주요 광물로는 사문석 광상에서 발견되는 리자다이트(Lizardite), 감람석(Olivine), 휘석(Pyroxene), 자휘석(Augite), 자철석(Magnetite) 등이 확인되었다. 또한 주요 맥석으로 활석(Talc)과 방해석(Calcite)도 확인되었다. 즉, XRD 분석으로부터 주요 맥석 광물이 친수성 Si-Mg 계 광물임이 확인되었다. 이에 따라 니켈 황화광과 친수성 광물을 효과적으로 분리할 수 있는 부유선별 공정이 적합하다고 판단된다. 또한 강자성 광물인 자철석이 포함되어 있어 자력선별 공정의 도입 가능성을 고려할 필요가 있다. 또한, 층상 규산염 광물인 활석은 자연소수성을 띠어 부유선별 과정에서 니켈 황화광 정광의 품위를 저하시킬 수 있어, 이를 제거하는 공정이 필요할 것으로 판단된다11).
Table 1은 안동 사문석의 XRF 및 ICP-AES 분석 결과를 나타낸 것이다. Ni과 Co의 농도는 ICP-AES로 분석하였으며, 나머지 원소들은 XRF 정량 분석을 통해 측정하였다. 앞서 XRD 분석 결과, 본 시료에는 주로 Si, Mg, Fe 계 광물이 포함되어 있음이 확인되었다. 이에 따라 XRF 분석에서도 SiO2, Fe2O3, MgO의 농도가 가장 높게 산출되었다. ICP-AES 분석 결과, Ni의 농도는 0.3 wt.%로 나타났다. 이는 현재 가행 중인 니켈 황화광의 원광 평균 Ni 농도(1–1.5 wt.%)에 비해 상당히 낮은 수준이다12). 또한, Co의 농도는 0.017 wt.%(170 ppm)로 분석되어 거의 존재하지 않는 것으로 확인되었다. 따라서 본 사문석 광석에서는 Co의 회수가 어려울 것으로 판단된다.
Table 1.
Major element analysis of Andong serpentine ore by ICP-AES and XRF
| XRF | ICP-AES | |||||||||
| Element | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | TiO2 | MnO | Ni | Co |
| Concentration (%) | 43.24 | 1.79 | 9.83 | 7.23 | 27.67 | 0.02 | 0.11 | 0.11 | 0.30 | 0.017 |
Fig. 3은 안동 사문석 광의 시편을 SEM-EDS 분석한 결과이다. EDS분석으로부터 SEM 이미지 상에 밝은 영역 광물이 니켈 함유광인 펜틀란이트와 자류철석(Pyrrhotite) 또는 황철석(Pyrite)으로 확인되었다. 어두운 영역에서는 주요 맥석 광물인 감람석과 리자다이트, 휘석 등이 관측되었다. 특이사항으로는 감람석에 Ni 이온이 검출되어 펜틀란다이트 부유 선별 시 Ni 회수율이 낮을 가능성이 있는 것으로 판단된다. 또한 펜틀란다이트의 결정 크기는 약 50 μm 내외로 관측되었다. 이에 따라 니켈 황화광 단체분리를 위해서는 광물 입자 크기 50 μm 내외로 분쇄하는 공정이 필요함이 확인되었다.
3.2. 파·분쇄 특성
사문석 원광 내 니켈황화광의 단체분리를 위해 파·분쇄 실험을 수행하였다. Fig. 4(a)는 죠크러셔, 콘크러셔 산물의 입도 분포를 나타낸 것이다. Fig. 4(b)는 콘크러셔 파쇄 산물을 로드밀에서 5, 10, 15, 20분 분쇄한 산물들의 입도 분포를 나타낸 그래프이다. 분쇄 시간 5, 10, 15, 20분에 따라 D80은 각각 320.3 μm, 126.4 μm, 71.1 μm, 21.7 μm, D50은 각각 179.4 μm, 56.4 μm, 37.3 μm, 25.0 μm, 로 산출되었다. 앞서 수행한 SEM-EDS 결정구조 크기 분석에 의하면, 단체 분리에 적합한 입자 크기는 약 50 μm로 산정되었으므로, 분쇄 시간은 10분이 가장 적합하다고 판단하였다.
3.3. 선광 공정 설계
광물학적 분석 결과, 주요 광물로 자철석, 사문석, 활석, 펜틀란다이트 등이 확인되었으며, 이를 바탕으로 두 가지 선광 공정을 제안하였다. 제안된 선광 공정의 개략적인 흐름은 Fig. 4에 제시하였다. Fig. 5(a)는 자철석을 제거하기 위해 자력선별을 우선적으로 수행한 후, 부유선별을 적용하는 공정으로 설계되었다. 반면, Fig. 5(b)는 자철석이 친수성을 갖고 있어 부유선별만으로 제거가 가능하다는 가정하에 자력선별을 생략하고 부유선별만 수행하는 공정으로 설계되었다. 본 연구에서는 선광 공정 산물인 최종 정광 내 Ni 품위 및 회수율을 기준으로 두 공정의 효율을 비교·평가하였다.
3.3.1. Case 1: 자력선별과 부유선별이 결합된 공정
Fig. 6(a)는 안동 사문석광 내 맥석광물로 존재하는 Fe-bearing 광물(자철석 등)을 제거하기 위해 자력선별을 수행한 후, 비자성물질을 부유선별한 공정 흐름과 물질 수지를 나타낸 것이다. 본 실험에서는 평균 입자크기가 ~50 µm인 시료를 대상으로 습식 자력선별을 수행하였으며, 이후 Fig. 1의 공정도에 따라 비자성물질에 대한 부유선별을 실시하였다. 그 결과, 전체 시료의 약 34.6 wt.%가 자성물질로 선별됨을 확인하였다.
Fig. 6(b)는 자성물질과 비자성물질의 XRD 분석 결과를 보여준다. 자성물질에서 자철석 peak가 관찰된 반면, 비자성물질에서는 나타나지 않아 대부분의 자철석이 자력선별을 통해 효과적으로 제거되었음을 확인할 수 있었다. 그러나 Fig. 7(a)와 Fig. 7(b)에 나타난 Ni의 품위 및 회수율 결과를 통해, 자성산물의 니켈 회수율 및 품위가 비자성에 비해 높은 것을 확인하였다. 즉, 니켈이 자성 산물로 이동하는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 자력선별이 결합된 부유선별 공정에서 Ni 품위는 0.44 wt.%이었다. Fig. 7(c)와 Fig. 7(d)의 결과에서 정광의 니켈의 낮은 회수율 및 품위로 알 수 있듯이, 비자성 물질의 부유선별을 통해서는 니켈의 추가적인 농축이 거의 이루어지지 않았다. 이러한 현상은 Fe-bearing 광물 중 하나인 필로타이트(Pyrrhotite)의 존재로 인해 발생한 것으로 추정된다. 필로타이트는 강자성을 가지며, 단사정계(monoclinic) 형태의 결정구조를 지닐 경우 Fe 이온과 Ni 이온이 치환될 수 있는 것으로 알려져 있다13,14). 또한, Fig. 3의 SEM-EDS 분석에서도 필로타이트 내 Ni 이온이 존재할 가능성이 관찰되었으며, 이로 인해 자력선별 과정에서 Ni이 자성물질로 이동했을 것으로 판단된다. 결과적으로, 안동 사문석광에 자력선별을 적용할 경우 Ni이 자성산물로 함께 분리되어 품위 및 회수율을 향상시키기 어려운 한계를 가지는 것으로 나타났다. 따라서, 자력선별은 Ni을 효과적으로 농축하기 위한 적절한 선별 방법이 아님을 확인할 수 있었다.
3.3.2. Case 2: 부유선별 단독 공정
Fig. 8은 자력선별을 제외하고 오직 부유선별로 구성된 선광 회로와 이에 대한 물질 수지 결과를 나타낸 것이다. 광물학적 분석 결과, 층상 구조로 인해 자연소수성을 가지는 활석이 포함되어 있음이 확인되었으며, 이를 효과적으로 제거하기 위해 별도의 활석 제거용 부유선별 공정을 추가하였다. 먼저, 기포제인 MIBC만을 첨가하여 활석을 부유물로 제거한 후, 남은 비부유물에 pH 조절제, 억제제, 포수제를 투입하여 니켈 황화광의 부유선별을 수행하였다. 이후, 정광의 품위를 향상시키기 위해 3단계 정선(Cleaning) 공정을 추가로 진행하였다.
Fig. 9는 각 부유선별 단위 공정에서 정광의 Ni 및 S 품위와 회수율을 나타낸 그래프이다. Fig. 10은 원광과 정광의 SEM-EDS 분석 결과를 나타낸 그림이다. 분석 결과, 최종 정광의 Ni 품위는 1.84 wt.%로, 원광 대비 6.13배 향상되었음을 확인하였다. Fig. 10에서도 정광에 니켈 황화광이 농축되었음을 알 수 있다.
그러나 다른 니켈 광산의 정광(10-15 wt.%)과 비교했을 때 여전히 낮은 Ni 품위를 보였다. 이는 다음 두 가지 요인에 기인하는 것으로 추정된다. 첫 번째 요인은 니켈이 단순히 황화광에만 존재하는 것이 아니라, 앞서 언급한 감람석(Olivine)이나 리자다이트(Lizardite) 내 Mg 이온과 치환되어 존재할 가능성이다6). 이는 니켈 산화광 중 사프로라이트(Saprolite)에서 흔히 관찰되는 현상으로, Fig. 3의 감람석에서 Ni 이온이 검출된 점을 고려할 때, 안동 사문석광에서도 동일한 거동이 나타날 수 있다15). 두 번째 요인은 조선(Rougher) 공정의 낮은 선별 효율이다. Fig. 9(c)와 Fig. 9(d)의 결과에서 볼 수 있듯이, 조선 공정에서 정광의 S 품위 및 회수율이 낮아 전반적인 선별 효율이 저하된 것으로 확인되었다. 이는 조선 공정에서 사문석과 펜틀란다이트의 분산과 사문석의 억제가 원활하지 않았기 때문으로 추정된다. 선행연구에 의하면 사문석은 전분(Starch)이나 카복시메틸셀룰로오스(Carboxymethyl Cellulose, CMC)로 억제된다고 알려져 있다10,16,17,18). 이에 따라 향후 실험에서는 사문석 억제 및 분산력 강화를 통해 조선 공정의 효율을 향상시키는 방안을 모색할 계획이다.
4. 결 론
본 연구에서는 국내 부존 니켈광 개발을 위한 기초 연구로서 안동 사문석광으로부터 니켈 황화광을 회수하기 위한 기초 선광 연구를 수행하였다. 광물학적 분석 결과, 사문석, 감람석, 리자다이트, 자철석, 펜틀란다이트 등이 주요 광물로 확인되었으며, 이를 바탕으로 자력선별과 부유선별을 결합한 공정과 부유선별 단독 공정을 비교 분석하였다. 자철석과 같은 Fe-bearing 광물을 제거하기 위해 자력선별을 수행한 후, 비자성물질을 대상으로 부유선별을 적용한 결과, 약 34.6 wt.%의 시료가 자성물질로 분류되었으며, XRD 분석을 통해 자철석이 효과적으로 제거되었음을 확인하였다. 그러나, 니켈의 상당 부분이 자성 산물로 함께 이동하는 현상이 관찰되었으며, 이는 강자성을 띠는 필로타이트(Pyrrhotite) 내 Ni 치환에 기인한 것으로 추정되었다. 이에 따라 자력선별은 니켈 농축을 위한 적절한 방법이 아니며, 오히려 Ni 회수율 감소를 초래할 수 있음이 확인되었다. 반면, 자력선별을 제외하고 부유선별만을 적용한 경우, 최종 정광의 Ni 품위는 1.84 wt.%로 원광 대비 6.13배 증가하였으나, 이는 여전히 기존 니켈 광산의 정광 품위(10–15 wt.%)에 비해 낮은 수준이었다. 이러한 원인은 감람석 및 리자다이트 내 Ni 치환 가능성 및 조선(Rougher) 공정의 낮은 선별 효율에 기인한 것으로 판단되었다. 특히, 사문석의 분산 및 억제가 원활하지 않아 부유선별의 효율이 저하된 것으로 분석되었다. 결론적으로, 안동 사문석광을 대상으로 한 자력선별 공정은 니켈 회수율 저하를 초래하여 적절한 선별 방법이 아니며, 부유선별 공정의 최적화가 필요함을 확인하였다. 향후 연구에서는 사문석의 억제력을 강화하고 조선 공정의 선별 효율을 향상시키는 방안을 추가적으로 검토할 계획이다.
