Journal of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers ISSN:2288-0291(Print) 2288-2790(Online) 한국자원공학회지

광물과 에너지는 인류의 삶과 발전에 떼어낼 수 없는 필수 불가결한 자원입니다. 최근, 바나듐 (Vanadium)은 대표적인 차세대 에너지 저장광물 자원으로 손꼽히고 있습니다. 현재까지 주로 제트엔진, 고강도철근, 공구 등 고강도 합금 및 촉매제의 원료로 많이 사용되었습니다. 그러나 최근 대용량 에너지저장시스템(ESS)의 발화 및 폭발로 안정성이 이슈화되면서, 기존 에너지저장 시스템의 대체재로서 충전 및 방전이 자유롭고 장기간 안전하게 사용이 가능한 바나듐 레독스흐름전지 (VRFB: Vanadium Redox Flow Battery)가 개발되어 상용화 단계에 도달하면서, 이에 필수적인 바나듐 원료의 안정적 확보가 관건이 되고 있습니다. 신재생에너지의 확대 및 발전 잉여전력의 저장 활용이 가시화되면서, 대용량 에너지 저장시스템의 시장 확장세를 고려하면 전 세계적으로 바나듐의 사용량이 급격하게 증가할 것이라 기대되고 있습니다. 바나듐은 중국, 러시아, 남아공 3개국에서 전 세계 매장량의 80%, 생산량의 90% 이상을 차지할 만큼 특정 지역에 편중되어 있어, 가격의 변동성이 크고 확보가 매우 어려운 광물입니다. 최근, 경기도 북부지역에 개발 가치가 높은 함바나듐광이 대랑 부존되어 있는 것으로 확인되었습니다. 정확한 매장량과 부존 특성은 현재 조사 중이지만, 바나듐광의 국내 수급측면에서 바나듐의 회수를 위한 선광·제련·활용 기술 등 전주기에 걸친 기술 확보가 매우 시급합니다. 이에, 한국지질자원연구원은 작년부터 국내에 부존되어 있는 VTM 광석을 대상으로 경제성이 우수하고 효율적인 바나듐 회수를 위한 연구를 시작하여, 대량 처리 공정을 현장 실정에 맞게 도입하는 노력과 함께 더 나아가 바나듐 주요 생산국으로 도약할 수 있는 경제 및 산업발전의 견인차 역할을 하고자 열심히 준비하고 있습니다. 본 특별호에서는 국내에 부존되어 있는 함바나듐티탄철광으로부터 바나듐 레독스흐름전지용 전해액을 제조하는 공정까지 선광/제련/활용 전 분야의 기술 및 공정을 포함하는 기술개발 관련 연구 논문들로 특별호를 구성하였습니다. 우선 국내에 부존되어 있는 바나듐 광물자원 생산을 위한 기술개발 필요성에 대한 총설로 시작하였습니다. 그리고 연구의 흐름에 맞게 파분쇄 특성 및 단위선별에 의한 바나듐의 거동 파악 및 정광생산 연구, 바나듐 정광으로부터 고품위 바나듐산화물 (V2O5) 회수를 위한 염배소-수침출, Rotary Kiln 등을 이용하는 건식 및 습식 정/제련 연구, 고품위 오산화바나듐을 활용하여 전해액 제조 및 바나듐 레독스 흐름전지 적용 가능성을 연구한 논문들로 구성하였습니다. 또한, 국내 광산업의 4차 산업 촉진을 위한 메이저 광업회사들의 디지털 첨단사례를 정리한 해설도 수록하였습니다. 산업의 필수 원료인 금속광 자급률이 0.4% 이하인 대표적인 자원빈국인 대한민국에서, 최근 가장 이슈가 되고 있는 고부가가치 광물인 바나듐의 자립수급 기술 확보와 활용은, 국내 뿐 아니라 전 세계적으로 침체되고 있는 광산업계에서 역전의 신호탄이 될 것이라 생각합니다. 본 특별호는 향후 바나듐을 포함한 다양한 산업의 원료광물의 공급을 위한 지속적인 연구개발 및 이를 실용화 할 수 있는 방안을 모색하는데 큰 도움이 될 것이라 기대합니다.

본 연구에서는 국내 바나듐 티탄철광(Vanadium Titanomagnetite, VTM)으로 대상으로 광물학적 특성분석 및 바나듐 회수를 위한 자력선별 실험을 실시하였다. 또한 바나듐뿐만 아니라 티타늄도 함께 회수하기 위한 선별 공정개발을 수행하였다. 본 연구에 사용된 원광의 품위는 V₂O₅ 기준으로 0.54%이며, 자철석 및 티탄철석이 80%이상 함유되어 있는 것으로 분석되었다. 자력선별 실험 결과, 자력의 세기 0.05T는 품위 향상에 0.1T는 회수율 향상에 효과적인 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 자력선별공정도를 개발하여 V₂O₅ 기준으로 품위 1%, 회수율 82.39%인 정광을 회수하였다. 또한 앞선 실험결과를 바탕으로 바나듐과 함께 티타늄도 회수 가능한 선광 공정 개발을 진행하여, 품위 1.06V₂O₅%, 회수율 88.41%인 바나듐 정광과 품위 42.20TiO₂%, 회수율 73.39%인 티타늄 정광을 동시에 회수할 수 있는 공정을 개발하였다.

이 연구에서는 국내 바나듐함유 티탄철광(vanadium-titanium magnetite, VTM)내 효과적인 바나듐 회수를 위하여 먼저 VTM의 파쇄 및 분쇄를 수행하였다. 그리고, 분쇄시간에 따른 산물에 대하여 저자력 (0.05 T) 세기에서 습식 자력선별 실험을 수행하였다. 파분쇄에 의하여 VTM의 단체분리가 크게 일어났으며, 15분 분쇄시간이 최적 분쇄시간으로 설정되었다. 게다가, 분쇄시간에 따른 분쇄산물의 자력선별 실험 결과, 15분 분쇄된 시료에서 가장 우수한 바나듐 회수가 가능하였으며, 바나듐 품위 1.05% 그리고 회수율 80.3%를 달성하였다. 자력선별에서의 최대 바나듐으로 회수하기 위해서는 선택적으로 자철석을 자성물질로 티탄철석을 비자성물질로서 효과적으로 분리해야 할 것이다.

함바나듐 티탄철광으로부터 바나듐 회수를 위한 소다회 (Na₂CO₃) 염배소-수침출 조건 확립에 대한 연구를 수행하였다. 주요 광물로 자철석 및 티탄철석을 함유하고 있는 광석의 자력선별 정광을 연구에 사용하였으며, 정광 중 바나듐 함량은 V₂O₅로써 약 0.8%로 분석되었다. 본 연구에서 고려한 염배소 및 수침출 영향인자는 Na₂CO₃ 첨가량, 염배소 온도 및 시간 (이상 염배소 인자), 염배소 산물의 D₅₀ 입도, 수침출 온도 및 시간 (이상 수침출 인자) 등이다. 연구 결과, 정광을 20 wt% Na₂CO₃, 1,000°C, 3시간 조건에서 염배소한 후 D₅₀ 2.1 µm, 80°C, 1시간 조건하에서 수침출하였을 때, 바나듐의 최대 침출율 85.2%가 달성되었다.

본 연구에서는 포천에 부존하는 바나듐 함유 티탄철석으로부터 바나듐을 회수하기 위한 염배소 공정의 설계를 위한 공정 조건에 중요한 인자를 열역학적 관점에서 확인하였다. 열역학 계산에 앞서, 실제 실험을 통하여 온도 및 Na₂CO₃의 첨가 조건에 따른 바나듐의 수침출률 변화를 확인하였다. Na₂CO₃ 30 wt% 첨가 및 1,273 K 열처리 조건에서 70% 이상의 높은 바나듐 침출률을 확인하였다. 실제 실험 결과와 열역학 계산 결과를 토대로 하여, 바나듐 수침출에 있어서 중요한 인자는 액상의 Na₂CO₃ 형성임을 도출하였다. 마지막으로 국외 바나듐 함유 티탄철석에 대한 염배소 연구 결과와 열역학 계산 결과와의 비교를 통하여, 본 연구에서 도출한 액상의 Na₂CO₃ 형성이 최적의 염배소 조건 선정에 있어서 중요한 변수 인자임을 확인하였다.

국내 바나듐함유 티탄철광내 바나듐을 효율적으로 침출시키기 위하여 전처리로서 로터리킬른을 이용한 염배소 공정의 타당성을 검토하였다. 이러한 적용 타당성 분석은 로터리 킬른 구조, 열유체 흐름, 열/물질전달, 광석의 이송, 운전 최적화 등 다양한 측면에서 고려되어야 하지만 본 논문에서는 공정상 핵심 인자 즉 로터리 킬른내 광석의 체류시간이나 온도분포 등에 중점을 두었다. 그 결과 미세입자 비산, 킬른내 온도구배 등의 문제가 해결된다면 통상적인 로터리 킬른의 개량을 통한 배소효과의 향상을 기대하며 이러한 개량에는 킬른 End 부위 Circular Dam 설치를 통한 킬른내 광석의 충분한 체류시간 확보 등이 포함될 수 있을 것이다.

본 연구에서는 오산화바나듐(V₂O₅)로부터 불순물을 제거하기 위한 건식정제 공정법 중의 하나인 휘발정제 방법에 대한 기초연구를 수행하였다. 열역학적 분석결과 오산화바나듐에 함유된 P₂O₅ 불순물은 300°C 이상에서 NaOH와 KOH 같은 불순물은 600°C 이상에서 증기압이 높아 기상으로 휘발 제거가 가능할 것으로 분석되었다. 실험은 대기 분위기와 감압 분위기에서 휘발온도 600 – 1000°C, 유지시간 15 – 60분으로 변화시키면서 수행되었다. 감압은 아르곤 분위기에서 7.9×10^-2 – 1.1×10^-1 기압으로 조절하였다. 열역학적 분석결과와 실험 결과를 비교함으로써 SO₃, P₂O₅, NaOH, KOH 같은 불순물이 로내 압력 조건에 상관없이 효과적으로 오산화바나듐으로부터 제거된다는 것이 확인되었다. 최적 조건에서 99.6 wt% 순도를 갖는 오산화바나듐이 99.2 wt% 순도를 갖는 오산화바나듐으로부터 제조되었다.

본 연구에서는 VRFB의 고순도 바나듐 전해액을 제조하기 위해 저순도 오산화바나듐의 고순도화 공정으로 가수분해 침전 공정을 적용하였다. 상용 바나듐 전해액 순도 분석을 통하여 검토한 VRFB용 바나듐 전해액 및 오산화바나듐의 최저 순도는 각각 99.98% 및 99.8%로 확인되었다. 초기 순도가 99.7% 및 98.3%인 오산화바나듐에 가수분해 침전 공정을 적용할 경우 99.8% 이상의 고순도 오산화바나듐이 제조되었지만 Fe, Ga 성분이 불순물로 함유되었다. 추가적인 순도 향상을 위해 red cake 침전 단계를 포함하는 2단계 공정을 적용하였으나 바나듐 회수율이 감소하는 단점이 확인되었다. 따라서 향후 단일 공정으로 구성되어 높은 바나듐 회수율을 얻을 수 있는 고순도 바나듐 정제 공정 개발이 필요하다.

박테리아인 Shewanella putrefaciens에 의한 V(V) 환원을 호기성 및 혐기성 조건에서 실험을 통하여 연구하였다. 전자공여체로는 젖산염을 공급하였다. 비생물학적 비교시료와 달리 S. putrefaciens를 접종한 시료에서는 두 조건에서 모두 시간이 경과하며 초기의 노란색이 점차 진한 초록색으로 변화하여 V(V)가 미생물학적으로 환원됨을 확인하였다. 미생물 시료에서는 침전물이 형성되었으며, XRD 분석 결과 이는 V(IV)를 함유한 광물인 것으로 나타났다. 또한 미생물 시료에서는 용액 내 총 용존 바나듐 함량이 시간에 따라 점차 감소하여, S. putrefaciens에 의해 용존 V(V)가 환원된 후 고체로 침전됨을 의미하였다. 이러한 결과는 바나듐 레독스 흐름전지 비용 중 많은 부분을 차지하는 V(IV) 전해질 제조에 미생물학적 V(V) 환원이 경제적으로 적용될 수 있는 가능성을 나타낸다.

1980년대부터 1990년대까지 산업혁신이 부진하여 2000년대 자원산업의 생산성이 감소하였다. 메이저 광업회사들은 디지털 전환을 시도하여 변화하는 현장에 대한 대응능력을 개선하고, 예측 점검 시스템을 마련하며, 현장 지원자원 손실의 방지 등을 실현하고자 하였다. 이 글에서는 메이저 광업회사들의 도입한 디지털 전환 주요 정책으로서 광산업에 대한 자동화와 예측 유지보수 시스템의 도입 사례를 검토하여 국내 광산업의 4차산업 도입을 촉진하고자 하였다.

바나듐은 주로 고강도 및 내마모성 철강 제조 등에 많이 사용되고 있다. 최근에는 차세대 대용량 에너지저장장치로 주목받고 있는 바나듐 레독스 흐름전지의 양극 및 음극 활물질로 연구가 많이 진행되고 있다. 지금까지 바나듐은 철, 우라늄, 인 등의 제련 및 정련 과정에서 부산물로 대부분 회수 되었으나, 수요가 크게 증가하면서 광석으로부터 직접 회수하는 기술개발이 이루어지고 있다. 중국은 자국에 많이 부존된 무연탄광으로부터 많은 양을 자립생산하고 있다. 국내에도 함바나듐 티탄자철석 광상 등으로 V₂O₅ 품위 0.3~0.6% 정도의 바나듐이 부존되어 있는 것으로 알려져 있어, 자립 확보를 위한 선별 기술개발이 필요하다. 특히, 국내는 세계 최고의 2차 전지 제조기술을 확보하고 있어, 바나듐 원료의 안정적 확보가 이루어지면 대용량 에너지산업도 우리나라의 주요 핵심 산업으로 발전할 것으로 기대된다.

본 연구는 갱내 채광 광산을 대상으로 수리역학적 특성을 고려한 갱도 안정성 연구를 수행하였다. 최근 국내의 노천 채광 광산은 민원 및 환경문제 등으로 갱내 채광으로 전환됨에 따라 갱도 안정성 및 지하수 출수문제가 발생하고 있다. 광산마다 지질조건, 광체의 특성, 초기응력, 수리학적 특성 등이 다양하기 때문에 암반 공학적 특성과 수리지질학적 인자들이 갱도 안정성에 미치는 영향을 수치해석 하였다. 안정성 해석에 적용된 인자들의 수준이 변할 때 안전율에 미치는 영향을 분석하였다. 불연속면 특성, 초기응력, 갱도 크기 중 안전율에 영향을 미치는 유의수준 이상의 인자는 불연속면 크기, 측압계수, 불연속면 간극, 불연속면 밀도, 갱도 크기이다. 간극수압을 적용한 경우 역학해석과 비교하여 안전율은 평균 23% 감소를 유발하였다.