1. 서 론

흑연은 변성 및 열수 환경에서 형성되는 흑색 광물로, sp² 혼성 궤도를 가진 탄소 원자가 육각형 고리 구조를 이루며 층상 구조를 형성한다^1,2,3,4). 각 층은 강한 공유 결합으로 결합되어 있으나, 층간은 약한 반데르발스 힘으로 유지되어 쉽게 박리될 수 있다^2,3). 이 구조적 특성으로 인해 흑연은 우수한 전기·열전도성과 내열·내화학성을 가지며, 산업적으로 다양한 응용 가능성을 지닌다^2,3). 천연흑연은 철강, 윤활, 주조 산업 등 전통적 용도를 넘어 최근에는 리튬이온전지 음극재의 핵심 원료로 활용되며 전략 광물로 부상하고 있다. 흑연은 리튬 이온의 삽입과 탈리를 안정적으로 반복할 수 있는 구조적 특성을 가지며, 현재 상업용 리튬이온전지의 표준 음극재로 사용된다. 그러나 배터리급 흑연은 고정탄소 함량이 99.5 % 이상이어야 하고⁵⁾, 금속 불순물이 ppm 단위 이하로 낮아야 한다. 불순물이 잔류할 경우 전해질과 반응하여 부반응을 유발하고, 초기 쿨롱 효율(initial coulombic efficiency, ICE) 및 사이클 수명을 저하시킨다⁶⁾. 하지만 천연 상태의 흑연광은 규산염, 탄산염, 황철석 등 다양한 맥석광물과 혼재되어 있으며, Fe, Ni, Cr, Co, V, Mo 등의 미량 금속 불순물을 포함한다^1,7). 특히 Fe를 비롯한 전이금속 불순물은 리튬이온전지 음극재에서 부반응을 촉진하여 성능 저하를 유발할 수 있기 때문에 더욱 엄격한 제거가 요구된다. 이러한 불순물은 흑연 결정 내부나 층간에 미세하게 분포해 물리적 선광만으로는 완전히 제거하기 어렵기 때문에, 고순도화 공정을 통한 화학적 정제가 필수적이다.

최근 탄소중립 기조와 전기차·에너지저장시스템(energy storage system, ESS)의 확대는 고순도 흑연 수요를 급증시키고 있다. 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 2040년까지 리튬이온전지용 흑연 수요가 2020년 대비 8배 이상 증가할 것으로 전망했다. 전기차 1대당 평균 50-100 kg의 흑연이 사용되며, 배터리 생산 확대는 곧 흑연 자원 확보 경쟁으로 직결된다⁸⁾. 그러나 고품위 천연흑연의 매장지는 한정되어 있고, 국내 가행 광산은 대부분 중·저품위 광체에 해당하므로, 자국 자원을 고순도화할 수 있는 정제 기술 개발이 중요하다. 이와 함께 전 세계적인 무역불균형으로 인하여 국제적으로 흑연 공급망 불균형도 심화되고 있다. 전 세계 천연흑연 정광의 70 % 이상이 중국에서 생산되고 있으며, 고순도 음극재용 흑연의 대부분이 중국에서 가공된다. 주요국의 공급망 규제가 강화되면서, 안정적인 원료 확보와 기술 내재화가 국가 경쟁력의 핵심 요소가 되었다. 이에 따라 국내에서도 신규 광체의 개발뿐 아니라, 채굴된 흑연광을 배터리급으로 정제할 수 있는 기술 확보가 절실하다.

한편, 흑연 정제 기술은 일반적으로 부유선별과 화학적 정제를 결합하여 진행된다^4,9). 부유선별은 흑연의 천연 소수성을 이용해 규산염·황화광물을 분리하는 가장 일반적인 선광 공정으로, 흑연의 순도를 일정 품위까지 향상시켜 정광을 회수하는데 많이 사용되고 있다^{5,7,9,10,11,12,13)}. 그러나 잔류 불순물은 흑연 입자 표면이나 결함 부위에 강하게 부착되어 있어 부유선별 공정만으로는 완전히 제거하기 어렵기 때문에, 화학적 정제가 반드시 필요하다^9,11,14,15). 화학적 정제는 주로 산 침출을 통해 진행되며, 황산, 염산 그리고 불산 등의 무기산이 주로 사용된다^{7,11,14,16,17,18)}.

따라서 본 연구에서는 국내 천연 흑연광을 대상으로 고순도 흑연을 생산하기 위한 부유선별과 화학적 정제에 대한 기초적인 실험적 연구를 수행하였다. 특히, 전통적인 흑연 부유선광 실험을 통해 흑연 정광을 얻었으며, 얻은 정광을 황산-불산을 활용한 정제 실험을 수행하여 고순도 천연흑연을 제조하고자 하였다. 특히, 화학적 정제 단계에서는 황산 및 불산의 농도를 변수로 하여 최적 조건을 탐색하였다. 더 나아가, 화학적 정제에 의해 최종 정제 산물의 총 탄소함량, 입자크기 및 입자형상/불순물 분포 분석을 통하여 국내 천연 흑연광을 대상으로 고순도 흑연 생산 공정의 주요 영향인자를 도출하고자 하였다.

2. 실험 방법

2.1. 국내산 천연 흑연광 및 사용 시약

본 연구에서는 충청남도 당진시 금암 지역에서 채취된 천연 흑연광을 대상으로 수행하였다. 부유선별에 사용된 시약으로는 억제제로 sodium silicate(Na₂SiO₃, Samchun Chemicals), 포수제로 kerosene(Samchun Chemicals, 95.0 %) 그리고 기포제로 methyl isobutyl carbinol(MIBC, Daejung Chemical & Metals, > 99.5 %)을 사용하였다. 화학적 정제 공정에는 황산(H₂SO₄, 5 M, Samchun Chemicals)와 불산(HF, ≥ 48 %, Samchun Chemicals)를 사용하였으며, 모든 용액은 증류수(deionized water, DI water)를 이용해 제조하였다.

2.2. 국내 천연 흑연광으로부터 흑연 정광 회수를 위한 부유선별

본 연구에서 활용한 국내 부존 천연 흑연광으로부터 고순도 흑연 생산을 위해 우선적으로 선광공정을 통하여 흑연 정광을 생산해야 하며, 흑연 정광의 회수를 위해 잘 알려진 전통적인 선광공정을 Fig. 1에 나타내었다. 특히, 선광공정에서 전통적으로 활용되는 다단 부유선별 공정(multi-stage flotation processes)을 적용하여 본 연구에서 대상 시료인 국내 천연 흑연광으로부터 흑연 정광 생산 특성을 살펴보고자 하였다.

Fig. 1

Flowchart of the conventional graphite beneficiation process for recovery of concentrate from natural graphite ore^19,20,21).

부유선별에 적합한 입도 분포를 확보하기 위하여, 먼저 흑연 원광을 1차 및 2차 조 크러셔(jaw crusher)와 콘 크러셔(cone crusher)를 이용하여 4 mm 이하로 파·분쇄하였다²²⁾. 이후 로드밀(rod mill)을 이용하여 70 rpm에서 10분간 추가 분쇄를 실시하여 부유선별용 시료를 제조하였다. 부유선별 실험은 Metso사의 실험실 규모 부선기(Denver Sub-A Type, Model D12, Metso)를 사용하여 수행하였다. 제조된 시료를 2 L 셀에 넣고, 광액농도 25 %, 교반속도 1500 rpm에서 2분간 교반한 후 시약을 투입하였다. 시약은 억제제(sodium silicate, 1000 g/t), 포수제(kerosene, 500 g/t) 그리고 기포제(MIBC, 250 g/t)의 순서로 첨가하였으며, 각각의 조건 부여시간은 억제제 5분, 포수제 3분, 기포제 1분으로 설정하였다. 조선(roughing) 과정 후, 시약을 추가하지 않은 상태에서 4회의 정선(cleaning)을 연속 수행하였고, 로드밀을 이용한 추가 분쇄를 1회를 실시하였다. 그 후, 다시 추가 정선 공정을 2회 실시하였다. 첫 번째 추가 정선 시에는 억제제 1000 g/t, 포수제 50 g/t 그리고 기포제 50 g/t를 첨가하였으며, 이후 단계에서는 시약을 추가하지 않았다. 각 단계의 정광 회수 시간은 5분으로 고정하였다. 회수율(recovery(%), Cc/Ff×100)은 회수된 정광에 포함된 흑연 함량을 백분율로 정의하였으며 계산하였다^23,24). 여기서, C는 정광의 무게, c는 정광의 품위, F 그리고 f는 각각 원광의 무게와 품위이며, 농축비(enrichment ratio, ER)는 원광의 품위(f)에 대한 정광 내 흑연 품위(c)의 비율이다. 부유선별 후 정광은 이후 화학적 정제 실험의 출발원료로 사용되었다.

2.3. 고순도 흑연 생산을 위한 화학적 정제

부유선별로 얻어진 정광은 불순물 제거를 위한 황산-불산을 통해서 정제 실험을 수행하였으며, 이를 통하여 고순도 흑연을 얻고자 하였다. 흑연 정광 10 g을 용액 200 mL(고액비, S/L=50)에서 수행하였으며, 모든 반응은 550 rpm 및 80 ℃로 유지하여 진행되었다^25,26). 앞선 연구 결과에 따르면, 황산 처리 과정에서 흑연은 황산 이온의 층간 삽입(intercalation)에 의해 층간 거리가 증가하여 층간 접근성이 향상되는 것으로 알려져 있으며²⁷⁾, 이러한 구조적 변화는 후속 HF 침출에서 규산염계 불순물에 대한 확산 및 반응성을 높이는 요인이 될 수 있을 것으로 사료된다. 황산은 흑연 정광에 존재하는 전이금속 및 금속 산화물·탄산염 계열 불순물(eg., Fe, Ca, Mg 등)을 우선적으로 용해·제거하는 것으로 알려져 있다²⁸⁾. 이러한 금속류 불순물이 제거되지 않은 경우, 후속 불산 침출 과정에서 불용성 플루오르화물 침전물이 형성되어 불산 소모가 증가하고 규산염계 불순물 제거를 저해할 수 있기 때문에^29,30), 금속 불순물을 사전에 제거하는 황산 전처리는 정제 효율 향상에 기여할 것으로 판단하였다. 이를 기반으로, 정제 반응 공정은 황산 처리 → 불산 처리 → 세척 → 건조의 단계로서 설계하여 진행하였다. 황산 처리와 불산 처리는 각각 3시간 동안 수행되었으며, 반응 후에 처리 산물은 증류수로 세척하였다. 세척은 상온에서 pH가 약 7에 도달할 때까지 진행되었으며, 최종 정제 산물은 80 ℃에서 건조하였다. 황산 및 불산의 농도 변화에 따른 화학적 정제 산물의 흑연 함량을 평가하였다. 황산 그리고 불산 정제는 각각 0.05 M에서 5.0 M 범위에서 수행되었다.

2.4. 분석 및 특성평가

총 탄소함량(total carbon content)은 ASTM D7582에 따라 열중량분석기(TGA, DTG-60H, Shimadzu, Japan)를 이용하여 측정하였다³¹⁾. XRD(X-ray diffraction, D8 ADVANCE, Bruker, Germany)을 통해 시료의 흑연원광 및 선별 시료의 결정 분석을 평가하였다. 입자 표면 특성은 SEM-EDS(Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, JSM 6380LA, JEOL, Japan) 분석하였다. 이를 통해 정제 과정에 따른 입자 형태의 변화와 불순물 분포를 평가하였다. 또한, XRF(X-ray fluorescence, Shimadzu, Japan)를 통해 주요 산화물(SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃ 등)의 조성비를 확인하였다. 입자 크기 측정은 레이저 회절 분석기(Mastersizer3000, Malvern, UK)을 사용하였다.

3. 결과 및 고찰목

3.1. 국내 천연 흑연광의 광물학적 특성

본 연구에 사용된 천연 흑연광은 충청남도 당진시 금암 지역에서 채취하였다. 우선, 채취된 원광에 대하여 광종 분석 및 함량 분석을 수행하였다. 탄소 함량 분석을 위하여 파쇄된 시료의 축분을 통하여 균일하게 혼합한 후, 디스크 밀(vibrating cup mill, Fritsch, Germany)을 이용하여 미세한 크기로 분쇄하여 사용하였다. 시료의 탄소 함량은 ASTM D7582 기준으로 수행한 TGA 결과를 Table 1에 나타내었다.

탄소 함량 분석에 따르면, 휘발분 탄소는 2.40 wt.% 그리고 고정탄소 16.95 wt.%으로서 총 탄소함량은 19.35 wt.%로 확인되었다. 최근 보고된 국내 흑연광 기반으로 탄소함량을 비교하였을 때 상대적으로 낮지 않은 고정탄소 함량을 가지는 것으로 나타났다^19,8). 채취한 시료의 광종 분포를 확인하고자 XRD를 수행하였으며, 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 주요 피크는 석영(quartz)로 확인되었고, 이와 함께 백운모(muscovite), 정장석(orthoclase) 그리고 적철석(hematite)에 대응하는 피크도 확인되었다. 다만, 석영과 흑연의 주 피크(primary peak)가 거의 동일함에 따라 XRD 정량분석을 수행하였다. 정량 XRD 분석 결과, 석영이 57.2 %로 가장 높은 비율을 차지하였으며, 흑연은 28.6 %로 확인되었다. 그 외에 백운모, 정장석, 적철석 등은 상대적으로 미량으로 존재하였다. 따라서 대상 흑연광은 규산염 광물이 주를 이루는 흑연광으로 판단된다.

Fig. 2

(a) XRD pattern and (b) mineral phase composition of the natural graphite ore used in this study, showing that quartz accounts for the largest fraction (57.2 %) among the associated mineral phases.

Table 2는 본 연구에서 사용되는 국내 천연 흑연광의 XRF 분석 결과를 나타내었다. 대상 흑연광의 분석 결과, SiO₂ 함량이 70.12 wt.%가 주성분으로 가장 많이 존재하였으며, Al₂O₃와 Fe₂O₃가 그다음으로 높은 함량을 보였다. 이는 앞서 실시한 XRD 정량분석에서 석영이 가장 높은 함량을 가지는 결과와 XRF 결과와 일치하는 것으로 확인되었다. 그리고, 백운모, 정장석, 적철석의 화학적 구조 기반으로 Al₂O₃ 및 Fe₂O₃ 성분이 일정하게 존재하는 또한 일치되는 것으로 확인되었다.

3.2. 흑연 정광 생산을 위한 부유선별 결과

본 연구에서 활용된 국내 천연 흑연광으로부터 다단 부유선별 공정을 수행하였으며, 공정 성능 평가 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 전통적인 부유선별 공정에 의하여 얻어진 회수된 정광의 품위는 69.6±4.2 wt.%, 회수율 41.1±3.1 % 수준으로 나타났으며, 농축비는 3.6±0.2로 확인되었다. 잘 알려진 전통적인 부유선별 공정을 활용하여 농축비를 대략 3.6으로 향상시킬 수 있었지만, 정광 내 총 탄소 함량이 대략 70 wt.% 수준으로서 선광 공정을 통하여 얻어진 흑연 정광 내 여전히 다량의 불순물이 존재하는 것으로 확인되었다.

Fig. 3

Flotation performance results for grade, recovery and enrichment ratio of the natural graphite using the conventional graphite beneficiation process (Fig. 1. Process).

다단 부유선별 공정을 통하여 얻어진 정광 그리고 맥석광물(tailing)의 결정상을 비교하기 위하여 XRD 분석을 수행하였으며, 이는 Fig. 4에 나타내었다. 정광에서는 흑연의 회절 피크 강도가 크게 증가하였으며, 석영, 백운모, 정장석 및 적철석 등의 불순물 피크는 상대적으로 감소하였다. 반면 잔사에서는 석영과 백운모 피크가 상대적으로 높은 강도로 나타났다.

Fig. 4

XRD patterns of (a) the concentrate and (b) the tailing obtained from the graphite beneficiation process (by Fig. 1 process).

회수된 정광의 미세구조와 주요 원소의 분포를 확인하기 위해 SEM-EDS 분석을 수행하였으며, 결과를 Fig. 5에 나타내었다. SEM 이미지에서 정광은 불규칙한 판상 형태를 유지하였으며, EDS 분석 결과 Al, Si, Fe 성분이 일부 잔류하였으나 원광 대비 함량이 현저히 감소하는 것으로 확인되었다. SEM-EDS 결과로 보아, 본 연구에서 사용된 전통적인 다단 부유선별 공정에 의하여 국내산 천연 흑연광으로부터 효과적으로 흑연 정광을 확보할 수 있었던 것으로 판단된다.

Fig. 5

SEM image and EDS results of the graphite-enriched concentrate from domestic graphite ore by the graphite beneficiation process. Black, yellow, blue and orange regions in the EDS image represent carbon (C), aluminum (Al), silicon (Si) and iron (Fe), respectively.

3.3. 고순도 흑연 생산을 위한 화학적 정제 결과

다단 부유선별 공정을 통하여 얻어진 흑연 정광으로부터 화학적 정제를 통하여 고순도 흑연을 생산하고자 하였으며, 황산 및 불산의 농도에 따른 흑연 순도의 거동 평가를 수행하였다. 일반적으로 황산은 흑연 정제 공정에서 천연 흑연 정광에 포함된 규산염, 알루미늄 및 철 산화물 등 다양한 불순물을 제거하기 위해 널리 사용되는 대표적인 습식 화학 정제용 시약이다. 황산은 이러한 금속 산화물과 반응하여 수용성 황산염을 형성함으로써 불순물을 용출시킨다^26,32,33). 또한 불산을 기반으로 한 정제 공정에서는 99.9 % 이상의 초고순도 흑연 확보가 가능한 것으로 알려져 있다³⁴⁾. 불산은 규산염 대표물질인 실리카(SiO₂)와 반응하여 용액상 헥사플루오로규산(H₂SiF₆)으로 전환시켜 규산염 불순물을 효과적으로 제거하며³⁵⁾, 이 반응은 다음 식 (1)와 같다.

우선, 0.05 M에서 5.0 M 농도에서 다양한 황산 농도에 의하여 흑연 정광의 탄소 순도 향상에 대한 평가를 수행하였다. 부유선별에 의해 얻어진 흑연 정광의 탄소 함량은 69.6 wt.%였으며, 황산 농도 변화에 따른 탄소 함량의 편차는 ±0.05 wt.% 이내로, 거의 차이가 없는 것으로 확인되었다. 이에, 본 연구의 설정된 황산 농도 범위에서는 단일 황산에서는 흑연 정광 내 불순물 제거가 일어나지 않는 것으로 나타났으며, 따라서 황산 처리한 후에 불산 처리가 필요한 것으로 확인되었다.

이전 보고된 연구결과에 따르면 황산은 흑연의 층상을 확장하는 역할을 하기에²⁷⁾, 다양한 황산 농도에 의해 흑연 층상의 확장성에 대한 영향을 간접적으로 확인하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 국내 흑연광으로부터 얻어진 흑연 정광의 화학적 정제에 의한 고순도 흑연 생산은 황산 처리한 후에 불산 처리 공정으로 설계되었다. 따라서, Fig. 6은 0.05 M에서 5.0 M 농도의 다양한 황산 조건에서 처리한 후, 얻어진 모든 시료에 대하여 1.0 M 고정된 불산 농도에 처리되어 얻어진 시료들의 탄소 함량 결과를 나타내었다. 결과에 따르면, 출발원료인 흑연 정광의 탄소함량에 비해 흑연 함량은 대략 15 wt.% 이상 향상되는 것으로 확인되었다. 그러나, 모든 황산 농도 범위에서 처리된 시료의 흑연 함량은 대략 83-86 wt.% 이내로 관찰되었다. 이것은 본 연구에서 활용된 국내 천연 흑연광으로부터 얻어진 흑연 정광으로 황산 처리에 의하여 불순물 제거 효과가 매우 미비한 것으로 판단된다.

Fig. 6

Carbon content results for samples treated with H₂SO₄ concentrations ranging from 0 to 5 M obtained from graphite concentrate. All experiments were performed at 80 ℃ and 550 rpm. Samples treated with H₂SO₄ were subsequently leached with 1.0 M HF.

Fig. 7은 황산 5.0 M 농도로 처리된 1차 정제 처리된 산물로부터 다양한 불산의 농도로부터 얻어진 정제 시료의 탄소함량 결과를 나타내었다. 앞선, 다양한 황산 농도에서 탄소 함량 변화와 달리, 황산 농도를 5.0 M으로 고정한 상태에서 불산 농도의 증가에 의해 탄소 함량이 급격히 상승하는 것으로 확인되었다. 특히, 3.0 M 불산 농도 조건에서 얻어진 시료의 흑연 순도는 99.85 wt.%을 달성하였으며, 5.0 M 불산에서는 99.99 wt.% 이상으로 확인되었다. 이에, 본 연구의 출발원료인 천연 흑연광은 황산보다는 불산이 불순물 제거에 매우 효과적인 것으로 판단된다.

Fig. 7

Carbon content results for samples leached with HF concentrations ranging from 0 to 5 M following 5.0 M H₂SO₄ pretreatment. All experiments were performed at 80 ℃ and 550 rpm.

Fig. 8는 황산 및 불산에 의한 정제를 수행한 흑연 시료의 입자 크기 분포를 나타낸 결과이며, 정제 처리 효율의 차이가 큰 조건의 시료를 대상으로 분석하였다. 모든 정제 실험은 정광 → 황산 → 불산 처리 과정으로 실험하였으며, 이에, 비교하고자 부유선별에 의해 얻어진 흑연 정광의 입자 크기분포 또한 함께 나타내었다. 화학적 정제 실험을 위해 사용된 부유선별에 의해 얻어진 흑연 정광은 입자크기의 범위는 0.5 μm에서 350 μm으로 나타났다. 이와 달리, 모든 정제된 시료들은 상대적으로 흑연 정광보다 좁은 입자크기 분포를 가지는 것으로 확인되었다. 그리고, 흑연 정광에 비해 정제된 시료의 입자평균 크기가 작아졌다. 이는 화학적 정제 과정에서 불순물 제거에 따라 응집된 입자 간 해체 및 분산이 발생하거나 미세입자가 제거됨에 따라, 결과적으로 입자 크기 분포가 균일해진 것으로 판단된다. 그러나 정제 조건에 따른 처리 효율의 차이에도 불구하고, 정제된 시료의 입자 크기 분포에서는 유의한 변화가 관찰되지 않았다.

Fig. 8

Particle size distributions of the graphite samples after purification under various concentrations.

Fig. 9은 황산-불산 정제 처리된 흑연 시료의 SEM–EDS 분석 결과를 나타내었다. SEM 이미지상 모든 시료는 전형적인 천연 흑연의 판상 형태를 가지는 것으로 나타났으며, EDS 결과에서 불산 농도 5 M 조건에서만 Al, Si, Fe 가 거의 검출되지 않아 완전한 정제가 이루어진 반면, 저농도 HF 에서는 불순물이 관찰됨에 따라 일부분의 불순물이 잔존하는 것으로 사료 되었으며, 금암 흑연광의 고순도 정제에는 높은 불산 농도 조건이 결정적인 역할을 하는 것으로 판단된다. 추가적으로, 본 연구에서 적용한 황산 및 HF 기반 고순도 흑연 정제 메커니즘을 명확히 규명하기 위해서는 흑연의 구조적 특성, d002 면간거리 변화, 적층 결함 정도, 그리고 흑연화도에 대한 정량적 분석이 추후 필요할 것으로 판단되며²⁷⁾, 이러한 메커니즘 분석을 통하여 최종적으로 얻어지는 고순도 흑연의 활용방안에 필수적인 정보를 제공할 것으로 사료된다.

Fig. 9

SEM-EDS results of the graphite samples after purification under different concentrations: (a) 5.0 M H₂SO₄-0.05 M HF, (b) 5.0 M H₂SO₄-5.0 M HF, (c) and (d) show the corresponding EDS elemental mapping results indicating the distribution of C, Al, Si, and Fe, respectively.

본 연구에서는 국내 천연 흑연광으로부터 전통적인 부유선별 공정을 통해 확보한 흑연 정광을 대상으로, 황산 및 불산을 이용한 화학적 정제 거동과 입자 특성을 종합적으로 평가하였다. 그 결과, 시료 내에 다량으로 존재하는 석영, 백운모 등의 실리카계 규산염 광물의 영향으로 인해, 황산 처리보다 불산 처리 시 정제 효율이 현저히 향상되는 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 불산이 실리카 기반 불순물의 용해 및 제거에 보다 효과적으로 작용하기 때문이다. 향후 연구에서는 국내산 천연 흑연광을 대상으로 광종별 화학적 정제 거동을 체계적으로 비교·분석함으로써, 광종 분포 및 불순물 특성에 따른 정제 효의 차이와 그 메커니즘을 규명할 필요가 있다. 아울러 환경적·안전적 측면을 고려하여 불산 사용을 최소화할 수 있는 대체 공정 또는 친환경적 정제 방법에 대한 연구도 병행되어야 할 것이다.

4. 결 론

국내 흑연광을 대상으로 부유선별과 황산-불산을 활용한 화학 정제 공정을 적용하여 고순도 흑연 생산에 대해 실험적 연구를 수행하였다. 다단 부유선별을 통해 탄소함량 70 wt.%의 흑연 정광을 회수하였다. 화학적 정제 실험 결과, 황산 농도 변화는 정제 효율에 큰 영향을 주지 않았으며, 불산 농도의 증가에 따라 탄소 함량이 급격히 향상되어 5 M 조건에서 99.9 % 이상의 고순도를 확보하였다. SEM-EDS 분석에서도 고농도 불산 처리 시 Si, Al, Fe 성분이 거의 제거되어 완전한 정제가 이루어졌음을 확인하였다. 이러한 결과로부터, 본 연구에서 사용된 천연 흑연광의 화학적 정제 과정에서 불산은 실리카 기반 규산염 불순물의 용해 및 제거에 있어 황산보다 효과적으로 작용함을 확인할 수 있었다. 따라서, 천연 흑연광으로부터 고순도 흑연을 생산하기 위해 화학적 정제를 수행할 때에는 광물학적 조성 및 광종 분포가 중요한 영향 요인으로 판단된다. 본 연구결과를 토대로 국내 저품위 흑연광의 고순도화 및 향후 친환경 정제 공정 설계의 기초 자료로 활용될 수 있다고 판단된다.