Research Paper

Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers. 31 October 2018. 405-413
https://doi.org/10.32390/ksmer.2018.55.5.405

ABSTRACT


MAIN

  • 서론

  • 재료 및 연구방법

  •   시료 및 부선시약

  •   분쇄실험

  •   FT-IR 분석

  • 연구결과 및 고찰

  •   규석 원광 및 분쇄산물의 특성

  •   FT-IR 분석

  •   원광석의 분쇄 및 부유 특성

  •   분쇄시간에 따른 규석광의 역부선 효율

  •   포수제 첨가량에 따른 역부선 효율

  •   급광입도별 규석광에 대한 역부선

  •   연속공정에 의한 규석광 정제

  • 결론

서론

변성암에 속하는 규암은 SiO2의 함량비가 높아 규석광상을 형성한다. 대부분 SiO2 함량이 98% 이하인 규석을 파분쇄하여 제조한 규사는 주로 시멘트용, 유리공업용, 주물/주강용, 내화물용 등으로 사용되고 있다. 국내에서는 SiO2 99.5% 이상인 고품위 규사 원료를 제조하기 위하여 규석을 분쇄하여 비중선별, 자력선별과 같은 물리적인 방법으로 정제하고 있다(Park, 2006; Hyun et al., 2006). 이처럼 고순도 규사의 경우에는 도료용 충전재, 저철분 유리, 실리콘 메탈, 폴리실리콘, 석영도가니 원료로 사용되며 그 활용도가 높아지고 있다. 국내에서는 고품위 규사광을 수입해서 가공하여 사용하고 있거나 완제품을 수입하여 활용하고 있는 실정이다. 특히, 사용량이 지속적으로 증가할 것으로 예상되는 태양전지용 폴리실리콘, 화학공업용 충전재, 광학유리용과 같은 첨단공업 원료에 필요한 초고순도 규산질 원료를 장기 안정적으로 확보하기 위해서는 현재보다 더 뛰어난 고도 정제기술 개발이 필요하다(Shon and Kim, 2006; Yang et al., 2009).

저품위 규석광의 고품위화 및 순도개선을 위한 물리적 방법으로는 파분쇄 및 분립공정을 거친 후 자력선별이 주로 이용되고 있으며(Hyun et al., 2006), 화학적 방법으로는 옥살산 및 혼합산(mixed acid) 등을 이용한 침출법이 사용되고 있다(Lee et al., 2007). 화학적 방법이 물리적 방법에 비하여 순도개선효과는 우수할 수 있으나, 시료의 전처리가 요구되며 이에 따른 공정의 번거로움, 제품의 후처리 등의 문제점이 지속적으로 대두되고 있다.

반면, 물리적 방법은 순도개선효과는 화학적 방법에 비하여 낮으나, 공정이 간편하며 경제적이고 적용성이 우수하기 때문에 실제 산업현장에서의 활용도가 매우 높다고 할 수 있다. 그러나 규석광 내에 미립의 맥석광물이 분산형으로 존재할 때, 단체분리도를 높이기 위해 광석의 미립화가 필요하다(Choi at al., 2016). 이처럼 급광의 입도가 수십 µm인 경우, 비중선별이나 자력선별은 적용하기 어려워 이에 적합한 선별법 중 하나가 광물표면의 물리화학적 특성인 젖음성(wettability) 차를 이용하는 부선법이다(Wills and Finch, 2016). 오래전부터 규사 또는 규석광의 정제법으로 역부선법이 이용되고 있다(Mowla et al., 2008; Sekulic et al., 2004; Vidyadhar and Rao, 2007).

따라서 본 연구에서는 국내산 규석광의 광물학적 특성과 분쇄 산물의 특성을 파악하여 SiO2 함량이 99.50% 이상 되는 고품위 정제품을 생산할 수 있는 선별공정을 개발하고자 한다.

재료 및 연구방법

시료 및 부선시약

본 정제실험에 사용한 시료는 국내 순천산 규석광이다. 규석광에 대한 광물학적 특성은 Phillip사의 X선분말회절기(X'pert MPD powder diffractometer)와 편광현미경(Leica DM4 P)을 사용하여 분석하였다. 그리고 시료의 화학성분은 습식분석 및 Shimadzu사의 파장분산형 X선형광분석기(LAB Center XRF-1800)을 사용하여 분석하였다. FT-IR분석용 시료는 순수한 표준광물을 사용하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 부선시약을 나타낸 것이다. 광액의 pH 조절제로는 H2SO4 그리고 모든 실험용수로는 수돗물을 사용하였다.

Table 1. Flotation reagents used this study

Commercial nameChemical compositionFunction RemarkProduction
company
(country)
Armac CCoco amin acetateCationic collectorpaste, yellowAkzo Nobel
(USA)
AF65H(C3H6O6)6․5OHFrotherliquidCytec (USA)

분쇄실험

규석광 분쇄실험에 사용한 Ball mill은 철분의 혼입을 방지하기 위해 세라믹 jar(내경 10.3 cm)와 세라믹 ball(지름 20 mm)을 사용하였다. 이때의 건식분쇄조건은 다음과 같다. ball 충전율은 jar 용량(1.0l)의 50 vol.%, 시료의 충전율은 ball 충전율의 45 vol.% 그리고 mill의 운전 회전수는 임계회전수(critical rpm)의 70%이었다. 그리고 분쇄산물의 입도분포는 일본 Horiba사의 LA-950V2로 측정하였다.

부유선별 실험

규석광 정제를 위한 부유선별실험은 공기유량조절기가 장착된 Sub-A형 부선장치(KHD Humboldt Wedag AG)를 사용하여 수행하였다. 본 연구에서는 부선 종료 후 회수한 광화된 포말(mineralized froth)과 부선cell 내에 남아있는 광액을 고-액분리한 여과케익을 완전 건조시켜 부유물과 잔유물의 무게를 측정하였다. 그리고 급광 및 정광의 무게 기준으로 부선 산출율(yield) 그리고 SiO2 기준으로 정광의 품위(grade)를 계산하였다. 부유선별법의 종류는 목적물질을 부유시키느냐 아니면 광액 속에 남기느냐에 따라 직접부선(direct flotation)과 역부선(reverse flotation)으로 분류하고 있다(Wills and Finch, 2016). 따라서 본 연구에서는 규석광에서 맥석광물을 부유시켜 불순물로 제거하고 잔유물을 정광으로 회수하는 역부선을 적용하여 부선효율을 파악하였다.

FT-IR 분석

순수 광물시료, 부선시약 그리고 부선시약으로 조건부여 시킨 광물시료에 대한 FT-IR분석은 실온에서 Shimadzu사의 IRTracer-100 spectrometer를 사용하여 4000~600 cm-1 범위의 스펙트럼을 측정하였다. 포수제로 조건부여 시킨 광물시료에 대한 FT-IR분석은, 먼저 5 µm 이하의 광물시료를 소정의 pH 및 농도용액에서 5분동안 조건부여 시킨 다음 고액분리하여 진공건조 시킨 후 FT-IR분석을 수행하였다.

연구결과 및 고찰

규석 원광 및 분쇄산물의 특성

Fig. 1은 순창산 규석광에 대한 XRD분석 결과를 나타낸 것으로 광석광물로는 석영(SiO2) 그리고 주요 맥석광물은 백운모[(K,F)2(Al2O3)3(SiO2)6]임이 확인되었다. 한편 규석광의 분쇄산물에 대해 1만 Gauss 습식자력선별로 회수한 자성물을 XRD분석한 결과, 본 논문에는 XRD패턴을 게재하지 않았지만 규석 원광에서는 잘 나타나지 않았던 점토광물인 버미큘라이트 [(Mg,Fe)3[(Al,Si)4O10](OH)2·4H2O], 일라이트 [(K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)]], 디카이트 [Al2Si2O5(OH)4] 등과 Iron manganese silicate(Fe2MnSi)가 확인되었다.

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Fig. 1.

XRD pattern of the quartzite ore from Soonchang.

Table 2는 순창산 규석광에 대한 습식분석 결과로서 원광석 내의 주요 불순성분은 Al2O3 2.380%, Fe2O3 0.755%, K2O 0.736% 등 7대 성분 합이 4.159% 그리고 강열감량(LOI)은 0.20%이었다. 따라서 예측된 SiO2 품위는 95.641%이었다. 이러한 Al 및 Fe 불순성분들은 XRD분석에서 확인하였듯이 주로 비자성 광물인 백운모 외에도 점토광물 및 여러 자성광물로부터 유래한 것으로 추측할 수 있다.

Table 2. Chemical composition of the quartzite ore from Soonchang

Chemical composition(wt. %)
SiO2Impurities
Al2O3FeO3CaOMgOK2ONa2OTiO2LOI
95.6412.3800.7550.0110.1290.7360.0310.1170.20

Fig. 2는 규석광에 대한 편광현미경의 직교 니콜(cross nicol)과 개방 니콜(open nicol) 사진으로 광석광물인 석영(Qz)의 결정크기는 100∼300 µm로 평균 결정크기는 약 150 µm이다. 그리고 주요 맥석광물인 백운모(Ms)의 결정크기는 석영의 결정크기보다 작은 50 µm 이하로 석영 결정입자 사이에 침상의 반자형으로 존재하고 있다. 따라서 규석광이 분쇄될 때 석영 입자보다는 맥석광물인 백운모가 미립자로 존재할 가능성이 높다.

Table 3은 순창 규석광의 cone crusher 파쇄산물(D90 = 568 µm)을 건식 체질하여 입도군별 무게 백분율과 화학성분의 함유율을 나타낸 것이다. 미립화된 입도군 시료일수록 불순물의 함량이 증가하여 규석의 품위가 낮아짐을 알 수 있다. 특히 325 mesh 이하의 입도군의 무게 백분율은 7.4%인데 비해 불순물은 29.7%가 함유되어 있다. 이는 앞서 언급하였듯이 맥석광물의 결정크기가 광석광물의 결정크기보다 작게 존재하기 때문에 나타나는 현상이다.

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Fig. 2.

Polarizing microscope analysis of the quartzite ore from Soonchang (Ms: muscovite, Qz: quartz).

Table 3. Chemical composition according to particle size of the quartzite ore

Particle size
fraction
(mesh)
Weight (%)Chemical composition (wt%)
SiO2
(LOI 0.20%)
Impurities
Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2
+50 21.097.3531.2010.7140.0070.0980.3280.0140.085
-50/+10045.298.0560.9190.3950.0070.0560.2820.0120.073
-100/+20019.196.7211.7480.5440.0140.0850.5630.0240.101
-200/+3257.390.5525.6481.2020.0250.2241.8770.0830.189
-3257.485.1688.6572.3080.0570.4012.7780.1190.312

FT-IR 분석

순창 규석광의 주요 맥석광물은 백운모이므로 백운모 부유에 효과적이라고 알려진 아민계 양이온 포수제(Pugh et al., 1996; Xu et al., 2013; Wang et al., 2014; Xu et al., 2016) 계통인 Armac C를 이용하여 천연적인 친수성 광물인 석영과 백운모의 표면개질 여부를 파악하고자 FT-IR분석을 수행하였다. Fig. 3은 순수한 백운모, 포수제인 Armac C 그리고 pH3.5에서 Armac C(400 g/ton)로 조건화된 백운모의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 것이다. 백운모의 스펙트럼에 나타난 3618 cm-1에서의 특유한 밴드는 Al-O-H 그룹의 -OH의 신축 진동에 기인한다(Jovanovski and Makreski, 2016; Ali et al., 2018). 그리고 972 cm-1에 나타난 특유의 날카로운 밴드는 Si-O 그룹의 신축 진동 때문이다(Wang et al., 2014). Armac C의 IR 스펙트럼의 경우, 2916 cm-1과 2854 cm-1에 두 개의 피크가 -CH 신축 그룹에 해당된다(Liu et al., 2011 ). 그리고 Armac C로 처리된 후 나타난 백운모의 -CH 신축(2,916 cm-1 및 2,854 cm-1)의 피크 강도는 백운모 표면에 Armac C가 흡착되었음을 가리킨다. 한편, 순수 석영의 스펙트럼과 Armac C에 의해 처리된 석영의 스펙트럼은 거의 동일하였다(Fig. 4). 이러한 FT-IR분석 결과를 통해 강산성 조건에서 양이온 포수제인 Armac C는 석영 표면에는 흡착하지 않았지만 백운모 표면에는 흡착하였음을 알 수 있었다. 즉, 강산성 조건에서 양이온 포수제인 Armac C를 사용하면 순창 규석광 내에 존재하는 천연적인 친수성 광물인 백운모만을 선택적으로 소수성화 시켜 역부선법으로 제거 가능함을 파악하였다.

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Fig. 3.

FTIR spectra of (1) muscovite, (2) Armac C, and (3) muscovite treated by Armac C at pH 3.5.

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Fig. 4.

FTIR spectra of (1) quartz, (2) Armac C, and (3) quartz treated by Armac C at pH 3.5.

원광석의 분쇄 및 부유 특성

선광공정에서 단체분리도를 높이는 것이 선별효율을 높이는 선결조건이라 할 수 있다(Jung, 2016). 단체분리도를 증가시키기 위해서는 분쇄산물 입자의 크기를 축소시켜야 하는데, 단체분리도와 분쇄산물 입도와의 관계는 광석광물과 맥석광물의 함유량 및 결정크기에 따라 달라질 수 있다. 만약 광석광물과 맥석광물이 동일한 결정크기로 교호하면서 유사한 부피비로 존재하는 광석을 결정크기의 ½로 분쇄하면 확률적인 단체분리도는 12.5%이며 1/16로 분쇄하여야 82.4%까지 증가할 수 있다고 알려져 있다(Lee, 1980). 그러나 광석광물의 양이 맥석광물보다 많을 경우에는 단체분리도는 크게 증가한다. 예를 들어 광석광물의 양이 맥석광물의 양보다 10배 많은 광석의 경우에는 광석광물 결정크기의 ½ 크기로 분쇄하면 이론적인 단체분리도는 80.0%이고 1/16로 분쇄하면 97.9%까지 증가할 수 있다. 즉, 광석광물의 함량과 맥석광물의 함량 차(부피비)가 매우 큰 광석의 경우에는 적게 들어 있는 광물의 결정크기보다 크게 분쇄해도 단체분리도가 상당히 높을 수 있다고 알려져 있다(Lee, 1980). Table 2에서 예측할 수 있듯이 규석광 내의 유용성분인 SiO2(석영)는 95% 정도이고 무용성분(맥석광물)은 5% 정도이므로 이론적인 광석광물과 맥석광물의 함량비율이 약 19: 1이다. 석영의 밀도(2.65 g/cm2)가 주요 맥석광물인 백운모의 밀도(2.82 g/cm2)보다 다소 작은 것을 고려해 볼 때 광석광물의 부피가 맥석광물의 부피보다 매우 크므로 맥석광물의 결정크기보다 크게 분쇄해도 단체분리도는 높을 수 있을 것이다. 규석광에 대한 편광현미경 직교 니콜 사진(Fig. 2a) 분석결과에서 알 수 있듯이 석영(Qz) 입자의 결정크기는 평균 150 µm 그리고 맥석광물인 백운모(Ms)의 결정크기는 대략 50 µm 이하이다. Choi et al.(2011)은 스카른 광석 내의 광석광물의 결정크기와 분쇄산물의 단체분리도와의 상관성에 대한 연구를 수행하여 광석광물의 결정크기 부근에서 단체분리도가 급격히 증가한다는 결과를 발표하였다. 따라서 백운모의 결정입자 크기 50 µm보다 더 크게 분쇄하여도 높은 단체분리도를 확보할 수 있을 것이다. 한편 부유선별법에 적합한 입도범위는 일반적으로 10~500 µm로 알려져 있다(Kelly and Spottiswood, 1982). 급광 입자가 너무 클 때에는 입자의 무게 때문에 기포에 부착하여 부유하기가 어려워지고 입자가 너무 미세해지면 부선시약의 소비량이 많아지고 동반부유(entrapment 또는 entrainment)되는 미립자가 많아지므로 정광의 품위와 실수율이 저하된다(Yu et al., 2017). 순창 규석광의 정제를 위해 양이온 포수제인 Armac C를 사용한 예비 역부선 실험 결과, 부유물의 입도분포도는 Fig. 5와 같았다. Fig. 5를 통해 규석광 부유물의 90% 통과누적입도 D90이 245 µm로 60 mesh(250 µm) 이상의 입자는 부유되기 어렵다는 사실을 파악하였다.

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Fig. 5.

Particle size distribution of floating product of quartzite ore by reverse flotation.

분쇄시간에 따른 규석광의 역부선 효율

Table 4는 분쇄시간에 따른 규석광의 시료를 pH 3.5±0.2인 조건에서 고체농도 20%인 광액에 Armac C 400 g/ton 첨가하여 3분간 조건부여한 후에 기포제(AF 65)를 150 g/ton 첨가하고 압축공기를 5 l/min 불어 넣어주면서 5분 동안 역부선한 결과를 나타낸 것이다. Table 4에서 알 수 있듯이 분쇄시간이 길어질수록 역부선 정광의 품위와 산출율이 약간씩 증가하고 있다. 이는 분쇄시간이 길어질수록 단체분리도가 향상되고 부유하기 적합한 크기의 입자 양이 약간씩 증가하기 때문일 것이다. 그러나 예비 역부선의 부유물에 대한 입도분석 결과(Fig. 5)에서 파악하였듯이 규석광의 역부선에 적합한 급광입도가 60 mesh(250 µm) 이하인데 비해 100분 분쇄시료의 D90이 355 µm이므로 단체분리도가 낮을 뿐만 아니라 부유에 적합하지 않은 250 µm 이상인 입자가 다량 함유되어 있기 때문에 정광의 산출율과 품위가 높지 못하다고 생각되었다. 단체분리도를 증가시키기 위해서는 분쇄입자의 크기를 매우 작게 해야 하는데, 분쇄공정에 소요되는 비용이 크고 초미립의 분쇄산물은 선별이 어렵고 침전 및 여과공정과 같은 후처리공정에서 다루기가 매우 까다롭기 때문에 적절한 분쇄산물 입도를 선정하는 것이 매우 중요하다. 단체분리도를 100%되게 하는 것은 불가능할 뿐만 아니라 불필요하므로 일반적으로 선광장에서는 단체분리도 85% 정도를 목표로 분쇄하고 있다(Wills and Finch, 2016).

Table 4. Results of reverse flotation according to grinding time of quartzite ore

SampleD90
(µm)
Chemical composition(wt%) of concentrateFlotation yield
(%)
SiO2
(LOI 0.20%)
Impurities
Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2
Grinding time (min.)2046898.7990.4510.3240.0100.0430.1170.0050.05154.6
4041298.8000.4530.3060.0150.0520.1180.0050.05162.8
6038798.8170.4500.3130.0080.0400.1160.0050.05162.1
8036298.8570.4250.3050.0090.0410.1110.0040.04866.7
10035598.8860.4050.3050.0080.0380.1040.0050.04967.0

Fig. 6은 Ball mill 분쇄시간에 따른 90% 통과누적입도(D90)를 최적화한 그래프이다. 순창 규석광 분쇄산물의 D90이 250 µm(60 mesh)가 되는 분쇄시간은 외사법으로 대략 165분으로 파악되었다. 따라서 규석광 정제를 위한 역부선 실험에서는 세라믹 볼밀과 60 mesh 체를 사용한 닫힌 분쇄회로(closed grinding circuit)를 적용해 170분 동안 규석광을 분쇄하여 제조한 분체 시료(D10 = 18 µm, D50 = 108 µm, D90 = 242 µm)를 사용하였다.

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Fig. 6.

Particle size (D90) change curves according to grinding time.

포수제 첨가량에 따른 역부선 효율

Table 5는 양이온 포수제인 Armac C의 첨가량에 따른 역부선 결과를 나타낸 것이다. 이때의 역부선은 산성영역인 pH 3.5±0.2인 조건에서 60 mesh 이하 규석광을 고체농도 20%인 광액에 소정의 포수제를 첨가하고 3분간 조건부여한 후에 기포제(AF 65)를 150 g/ton 첨가하고 압축공기(5 l/min)를 불어넣어주면서 5분 동안 수행하였다.

Table 5에서 알 수 있듯이 Armac C의 첨가량이 증가할수록 부유되는 광미의 양이 많아져 산출율은 급격히 감소하고 있으나 역부선 잔유물인 정광의 품위는 약간씩 증가하고 있다. 예를 들어 Armac C의 첨가량이 100 g/ton일 때, SiO2 품위가 98.829% (Al2O3 0.462%, Fe2O3 0.288%)인 정광을 78.3% 회수하였다. 그러나 Armac C의 첨가량을 500 g/ton까지 증가시켰더니 SiO2 품위가 99.164%(Al2O3 0.277%, Fe2O3 0.211%)로 높아졌지만 정광의 산출율은 51.6%로 감소하였다. 이처럼 60mesh 이하의 규석광 시료에 대해 Armac C의 첨가량을 500 g/ton까지 증가시켜도 품위 높은 정광의 회수가 불가능하였고 산출율도 매우 낮았다. 이와 같은 역부선 결과는 단체분리가 안 된 미분리 입자(locked particle)가 다량 존재하기 때문에 나타나는 현상이라 판단되었다. 따라서 단체분리도를 좀 더 향상시킨 급광에 대한 역부선 정제효과를 검토해 보았다.

Table 5. Results of reverse flotation according to dosage of collector

Dosage of
Armac C (g/ton)
Chemical composition(wt %) of concentrateFlotation yield
(%)
SiO2
(LOI 0.20%)
Impurities
Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2
10098.8290.4620.2880.0090.0370.1180.0050.05278.3
20098.9150.4140.2670.0070.0340.1070.0050.05174.6
30098.9850.3670.2600.0080.0300.0970.0040.04966.0
40098.9910.3590.2590.0100.0310.0930.0050.05264.2
50099.1640.2770.2110.0060.0220.0760.0030.04151.6

급광입도별 규석광에 대한 역부선

Table 6은 닫힌 건식분쇄회로에서 제조한 급광입도별 시료에 대해 전과 동일한 조건에서 Armac C 400 g/ton을 첨가하여 역부선한 결과를 나타낸 것이다.

Table 6에서 알 수 있듯이 역부선에 투입된 급광의 입도가 감소할수록 정광의 품위와 산출율이 동시에 약간씩 증가하고 있다. 급광입도가 60mesh 이하(D10 = 18 µm, D50 = 108 µm)인 경우에는 SiO2 품위가 98.991%인 정광을 64.2% 회수하였고, 급광입도가 80mesh 이하(D10 = 16 µm, D50 = 78 µm)인 경우에는 SiO2 품위가 99.180%인 정광을 66.2% 회수하였다. 그리고 100mesh 이하(D10 = 14 µm, D50 = 62 µm)인 경우에는 정광의 SiO2 품위가 99.293%로 높아짐과 동시에 정광의 산출율도 67.6%로 약간 증가하였다. 선별공정에서 실수율이 높아지면 정광의 품위가 낮아지는 것이 일반적인 현상이지만 광석광물과 맥석광물의 단체분리도가 증가하면 선별효율이 좋아짐에 따라 정광의 품위와 실수율이 동시에 증가하는 경향이 나타나게 된다고 알려져 있다(Wills and Finch, 2016). 이처럼 정광의 품위와 실수율이 동시에 증가하는 경향은 부선공정에 투입되는 급광입도가 감소함에 따라 단체분리도가 증가하여 즉, 광석광물인 석영과 주요 맥석광물인 백운모가 분리입도(free particle)로 존재할 확률이 높아져 선택부선이 용이해졌기 때문일 것이다. 이처럼 부유선별공정에서는 부유하기 적합한 입도군을 만들면서 단체분리도를 높이는 것이 선별효율을 높이는 중요한 요인이다. 한편, 역부선 정광 내에 불순성분인 Al2O3와 Fe2O3의 함유율이 높은 편이다. 이는 역부선만으로는 미립으로 존재하는 점토광물 및 철산화물이 효과적으로 제거되지 않았기 때문일 것이다. 즉, Fe2O3 성분 및 부유선별에 나쁜 영향을 미치는 슬라임이 다량 존재하기 때문에 고순도 정제품을 생산하기 어렵다고 판단되었다. 따라서 역부선 실험에 앞서 부선시약의 소모량을 증가시키고 동반부유되어 정광의 품위를 저해시키는 슬라임과 자성물질을 사전에 제거하기 위한 전처리공정으로 탈슬라임 및 습식자력선별을 수행하였다.

Table 6. Results of reverse flotation according to feed size

Feed size
(mesh)
Chemical composition(wt %) of concentrateFlotation yield
(%)
SiO2
(LOI 0.20%)
Impurities
Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2
-6098.9910.3590.2590.0100.0310.0930.0050.05264.2
-8099.1800.3120.1330.0170.0190.0880.0040.04766.2
-10099.2930.2850.1140.0070.0120.0510.0020.03667.6

연속공정에 의한 규석광 정제

Table 7은 연속적인 정제공정(탈슬라임→습식자력선별→역부선)에 의해 규석광 정제 결과를 나타낸 것이다. 여기서 탈슬라임공정은 규석광의 급광시료(-100mesh)를 광액농도 30wt%가 되도록 세정(scrubbing) 용기에 넣고 3분 동안 교반속도 5,000rpm으로 강력교반한 후, 2분 동안 정치시켜 조립자를 침전시킨 다음, 경사법(decantation)으로 슬라임을 제거하였다. 제거한 슬라임은 여과, 건조 후 무게를 측정하여 탈슬라임공정 산출율을 계산하였다. 그리고 탈슬라임공정을 거쳐 회수한 규석광 시료(DS 정광)을 1만 Gauss 습식자력선별기를 사용하여 자성물질을 제거하였다. 제거한 자성물질은 여과, 건조 후 무게를 측정하여 습식자력선별공정 산출율을 계산하였다. 계속해서 습식자력선별한 정광(MS 정광)을 광액농도 20wt% 되도록 부선cell에 넣고 1,200rpm으로 교반하면서 광액의 pH를 3.2±0.2되도록 조절한다. 실온(25±2℃)에서 5분 경과한 후에 Armac C를 50 g/ton 첨가하고 3분 동안 조건부여 한다. 계속해서 기포제(AF 65)를 150 g/ton 첨가하고 3분 동안 조건부여한 후, 압축공기 5.0 l/min를 넣어주면서 부유물(광화된 포말)을 5분 동안 제거하고 잔유물(역부선 정광)을 여과, 건조시킨 다음 무게를 측정하여 부선 산출율을 계산하였다. 한편, 공정별 정광 중 일정양의 시료를 채취하여 7대 원소에 대한 XRF분석을 실시하여 불순물의 총량을 구하고 정광의 추정 SiO2 품위와 불순물 중 Al2O3와 Fe2O3 함량을 파악하였다. 탈슬라임(de-sliming)공정에 의해 광미는 18.2% 그리고 불순물은 48.3%(Al2O3 48.2%, Fe2O3 43.8%)가 제거되었고 습식자력선별공정에 의해 광미는 5.7% 그리고 불순물이 7.5%(Al2O3 3.7%, Fe2O3 26.9%) 제거되었다. 계속해서 역부선공정에 의해 광미가 11.8% 그리고 불순물이 38.6%(Al2O3 43.3%, Fe2O3 22.2%) 제거되었다. 즉, 연속적인 정제공정(탈슬라임→습식자력선별→역부선)에 의해 광미는 35.7% 그리고 불순물은 94.4%(Al2O3 95.2%, Fe2O3 92.9%)가 제거되어 고품위 정제품(SiO2 품위 99.50% 이상, Al2O3 0.200% 이하, Fe2O3 0.060% 이하)을 64.3% 생산할 수 있었다. 특히 급광 내의 슬라임을 사전에 제거함으로서 포수제 사용량을 획기적으로 감소시킬 수 있었다.

Table 7. The refining results of quartzite ore by continuous process

ProcessChemical composition (wt%) by XRFYield
(%)
SiO2
(LOI, 0.20%)
Impurities
Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2Sum
Feed
(-100 mesh)
96.6451.6460.7660.0130.0850.0220.5240.0993.155-
Concentrate of de-sliming97.9341.0420.3890.0070.0600.0120.2960.0601.86681.8
Concentrate of magnetic separation98.0821.0400.2180.0100.0380.0120.3440.0561.71876.1
Concentrate of reverse flotation99.5440.1220.0620.0050.0070.0010.0350.0240.25664.3

결론

순창산 규석광의 광물학적 특성 및 분쇄특성을 고려해 제조한 분쇄산물을 대상으로 정제실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 순창 규석광의 광물학적 분석자료를 검토한 결과, 규석광에서 불순물로 제거할 주요 맥석광물은 백운모였다. 비자성광물인 백운모의 결정입도와 존재상태로 볼 때, 고순도 규석 정제품 생산을 위해서는 맥석광물을 자유입자로 노출시켜 역부선법으로 제거하는 것이 효과적일 것이다.

2. 백운모의 결정크기는 석영의 결정크기보다 작게 존재함으로 규석광이 분쇄될 때 광석광물인 석영 입자보다는 맥석광물인 백운모가 미립자로 존재할 가능성이 높다. 또한 백운모 외에도 미량의 점토광물(Illite, Vermiculite, Dickite 등)과 Iron manganese silicate 등이 초미립자로 존재하므로 역부선공정 전에 점토광물 및 약자성광물을 제거하기 위한 전처리공정이 반드시 필요하였다.

3. 규석광을 닫힌 분쇄회로를 통해 단체분리도를 확보한 후, 역부선 공정에 앞서 탈슬라임 공정 및 습식자력선별 공정을 거친 광액에 대해 pH를 강산성으로 조정하고 백운모 부유에 효과적인 amin acetate 계열 포수제인 Armac C를 50 g/ton 소량 사용하여 역부선을 수행하면 고품위 정제품(SiO2 품위 99.50%이상, Al2O3 0.200%이하, Fe2O3 0.060%이하)을 생산할 수 있었다.

Acknowledgements

본 연구는 2017학년도 세명대학교 교내학술연구비 지원에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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