서 론
본 론
Mt. Weld 광산의 개요
Mt. Weld 광산의 광상학적, 광물학적 특성
Mt. Weld 선광 플랜트의 생산 공정
광미 처리 현황: Tailing Storage Facilities(TSF)
광미로부터 희토류 광물을 회수할 수 있는 잠재적 가능성
결 론
서 론
자원무기화 등 글로벌 자원 수급 불안정성에 대한 선제적 대응책으로 자원 안보가 중요시되고 있다. 세계적으로 각국의 탄소중립 실현을 위해 에너지 전환과 전기차 산업 등을 공격적으로 추진함에 따라, 리튬, 니켈, 코발트, 희토류 등의 핵심광물(critical minerals)의 수요가 크게 증가할 것으로 전망된다. 2021년 5월 국제에너지기구(IEA)의 주요 광물수요 전망(IEA, 2021)에 따르면, 2020년 대비 2040년에는 희토류 수요량이 7배 이상 증가할 것으로 예측된다. 특히 첨단 무기와 전기차, 풍력발전기 제조 등의 첨단산업에서 영구자석의 수요가 증가함에 따라 네오디뮴(Nd), 디스프로슘(Dy)의 수요가 2025년 중반기부터 뚜렷하게 급증할 것으로 전망된다(Zhou et al., 2017).
희토류 원소(Rare Earth Elements, REEs)는 스칸듐(Sc), 이트륨(Y) 및 란타늄-루테늄(La-Lu) 계열 원소를 포함한 17개의 전이금속을 의미한다. 지질학적으로는 Sc를 제외한 Y과 La-Lu 계열원소만 또는 La-Lu 계열 원소만 희토류 원소로 간주하기도 한다. 이는 Sc의 이온 반경이 작아 Mg, Fe2+, Zr, Sn을 치환하는 일이 빈번하기 때문에 결과적으로 희귀하지 않은 원소인 Sc을 희토류 원소에서 제외하기 때문이다. 실제로는 La-Lu 계열 전체 원소의 지각 내 함량은 이름처럼 ‘희귀’하지 않으며 다만 희토류 원소를 다량 포함한, 경제성이 갖춰진 희토류 광상의 수가 적을 뿐이다(Adams and Staatz, 1973). 일반적으로 원소번호가 작은 La-Eu을 경희토류(LREEs), Gd-Lu과 Y을 묶어 중희토류(HREEs)라고 세분한다.
희토류 원소는 세륨(Ce4+), 유로피움(Eu2+)을 제외하면 +3의 전하 상태로 존재한다. 희토류 원소는 이제까지 알려진 광물의 약 6%에 해당하는 270여 개의 광물에서 발견된다(Chakhmouradian and Wall, 2012). 이 270여 개의 희토류 광물 중 약 43%는 규산염광물이고 23%는 탄산염 광물, 14%는 산화광물이다(Chakhmouradian and Wall, 2012). 희토류 원소 중에서 세륨, 이트륨, 란타늄, 니오븀 네 개의 원소는 전체 희토류 광물의 96%에 함유되어 있을 정도로 흔하다. 실제로 이 네 원소의 상부 지각 화성암에서의 함량은 납, 코발트, 몰리브덴, 주석, 텅스텐보다도 높다(Henderson, 1984).
희토류 원소는 주요 희토류 광물 외에도 이온반경과 전하가 유사한 다른 양이온을 빈번하게 치환(Table 1, Jaireth et al., 2014)하기 때문에 티탄석, 저어콘, 페로브스카이트, 황록석, 크랜달라이트족 광물에서 흔히 발견된다(Chakhmouradian and Wall, 2012). 이러한 치환은 커다란 양이온인 희토류 원소에 상응할 만큼 크기가 큰 양이온과의 사이에서 활발하게 이루어진다. 전자가 상태가 다른 양이온과 치환이 일어나는 경우에는 쌍쌍치환(coupled substitution)이나 일부 양이온 자리가 채워지지 않는 방식으로 전하의 균형이 맞춰지게 된다.
Table 1.
Elements substituted by rare earth elements in the crystal structure (ionic radius in parentheses)
희토류 원소는 적지 않은 수의 광물에 함유되어 있지만 희토류 산화물 등 상업적으로 거래되는 희토류 제품 생산을 위한 공정이 확립된 희토류 광물은 20여 개가 채 되지 않는다. 대표적으로 바스네사이트(bastnasite), 모나자이트(monazite), 일부 층상규산염광물, 제노타임(xenotime), 로파라이트(loparite), 파리사이트(parisite) 등을 들 수 있다. 희토류 원소의 생산은 1960년대 중반까지는 호주, 브라질, 인도 등 다양한 지역의 사광상, 1980년대 중반까지는 미국의 Mountain Pass 광산에서 중점적으로 이루어지다가 1990년대 이후 중국의 Bayan Obo 광산의 생산량이 압도적으로 증가하는 변화를 보였다(Haxel et al., 2005). 희토류 생산을 이끌었던 중국이 자국의 수요에 대응할 뿐만 아니라 환경 부담을 낮추기 위한 조치로서 희토류 수출을 제한하고 세계화 기조가 쇠퇴되면서 희토류 원소를 비롯한 핵심광물 공급망을 확보하기 위해 호주의 핵심광물자원에 대한 국내외의 관심이 높아지고 있다.
호주는 주요 자원부국임과 동시에 세계적인 핵심광물 보유 국가로 세계 6위의 희토류 보유국이다. 희토류 생산량은 중국이 압도적이나, 호주는 2022년 기준 중국, 미국에 이어 3번째로 많은 희토류를 생산(Statista, 2023), 대형 기업 투자 확대에 따라 생산 및 정제 시장 활성화를 꾀하고 있다. 호주 Lynas Rare Earth社(이하, Lynas)는 2021년 4분기 매출액이 약 2억 달러로 중국을 제외하면 최대 정제 희토류 생산업체로, 서호주의 Mount Weld 광산(이하, Mt. Weld 광산)에서 희토류를 채굴하여 말레이시아 Kuantan에서 제련을 거쳐 정제 희토류를 생산하고 있다.
Mt. Weld 광산은 현재 호주 유일의 희토류 가행 광산으로, 희토류 광석의 품위는 높은 반면 방사성 불순물인 우라늄과 토륨의 함량은 낮은 우수한 품질의 광석을 생산하고 있어서 큰 관심을 받고 있다. Mt. Weld 광산은 라테라이트형 지표생성광상으로 미립의 광물입자가 서로 엉겨 붙어 덩어리(aggregate)져 있거나 서로 다른 광물이 복잡하게 성장(intergrowth)한 것이 특징이다(Mitchell, 2015). 이런 이유로 선광이 까다롭기 때문에 희토류 광물의 회수율을 높이기 위해 슬라임을 제거하는데 이 때문에 상당한 양의 희토류 광물이 광미로 유입되어 광미의 희토류 산화물 품위가 8 ~ 9 wt%에 이른다고 알려져 있다(Faris et al., 2019).
호주의 희토류 생산은 Lynas의 생산 확장 계획에 따라 2030년까지 연평균 9.1%씩 지속적으로 증가할 것으로 전망되며, 서호주 지역 내의 열분해(cracking) 및 침출(leaching) 시설에 대한 투자 확대로 호주의 정제 희토류 생산량은 연평균 69% 가량 증가할 것으로 예상된다(KOTRA, 2022). 본 논문에서는 Mt. Weld 광산 광석의 광상학적, 광물학적 특성과 선광 공정을 고찰하고 초미립으로 이루어진 광미로부터 희토류 광물을 회수할 수 있는 잠재적 가능성을 모색하고자 한다.
본 론
Mt. Weld 광산의 개요
호주의 Mt. Weld 광산은 서호주 북부 골드필즈(Goldfields) 지역의 Laverton에서 남동쪽으로 35 km 떨어진 곳에 위치하고 있다. 중국의 Bayan Obo 광산, 미국의 Mountain Pass 광산, 미얀마의 Daloluxian 광산 등과 더불어 세계적인 대규모 희토류 광상 중 하나이다. 중국의 Bayan Obo 광산의 평균 희토류산화물 품위는 약 6 wt%이며 탄산암 기원의 희토류 광산 중 전 세계적으로 가장 중요한 광산으로 알려져 있다(Song et al., 2018; Yang et al., 2019). 미국의 Mt. Pass 광산의 희토류산화물 품위는 이보다 높은 8.2 wt% 정도로 알려져 있다(Castor, 2008; Poletti et al., 2016). 호주의 Mt. Weld 광산은 세계적으로 가장 품위가 높은 희토류 광산으로 알려져 있으며(Spandler et al., 2020; Zhukova et al., 2021), 2011년 개발이 시작된 이래 평균 희토류산화물의 품위는 9.8 wt%(Lottermoser, 1990) ~ 13.8 wt%(Jaireth et al., 2014), 희토류광물 정광의 최고품위는 45 wt%(Weng et al., 2015)에 이른다.
Mt. Weld 광산에는 여러 개의 광체가 분포되어 있는데 세계 최고 품위의 Central Lanthanide Deposit(CLD)과 Duncan 광상은 희토류, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 지르코늄 등 다금속 광상이 대표적이다(Fig. 1). 특히 CLD 광상의 남동쪽에 위치한 Duncan 광상의 희토류 함량은 CLD 광상의 25% 수준이지만 중희토류의 함량이 높은 것으로 알려져 있다. 이보다 크기가 작은 Crown 광상과 Coors 광상 역시 희토류를 포함하는 다금속 광상이며 큰 규모의 인삼염 광상인 Swan 광상과 작은 규모의 다금속 광상들이 분포하며 이 광상들은 아직 미개발 상태이다(Fig. 1, Jaireth et al., 2014). 현재 Lynas는 Mt. Weld 선광 플랜트에서 CLD 광석을 처리하여 희토류 정광을 생산하고 있다. 생산된 희토류 정광은 말레이시아 Kuantan 근처의 Lynas Advanced Materials Plant(LAMP)에서 정제하여 최종 제품을 생산한다(Lynas, 2019).
Fig. 1.
Cross-section and geographical location of the Mt. Weld carbonatite RE deposits, Western Australia (after Jaireth et al., 2014).
Mt. Weld 광산의 광상학적, 광물학적 특성
Mt. Weld 희토류 광상은 서호주 Yilgarn Craton의 Eastern Goldfield Province에 위치한다(Zhukova et al., 2021). 탄산암질 마그마에서 생성된 탄산암체가 강한 풍화작용을 거쳐 라테라이트로 바뀌는 과정에서 희토류가 농축되어 만들어졌다(Kravchenko and Pokrovsky, 1995; Kravchenko et al., 2003). 탄산암의 풍화잔류광상에는 광물상이구역에 따라 구분되어 분포하는데 Mt. Weld 광산에서는 희토류, 우라늄, 토륨, 니오븀, 탄탈륨, 스트론튬, 철 등이 풍부한 인산염 광물을 함유한 라테라이트 토양이 풍화잔류대 위에 생성되어 있다(Table 2, Lottermoser, 1990). 탄산암 관입암체가 지하수에 노출되어 물리화학적 풍화로 인한 용해가 일어나며 인회석, 황화광물, 규산염 광물이 생성되었고, 이어서 탄산암 광물의 용해, 산화 및 양이온 치환작용, 2차 광물의 침전 등이 진행되어 철 광물로 구성된 덮개암(cap rock)이 조성되었다(Fig. 2, Willett et al., 1986). 함희토류 광체가 위치하는 방해석질과 백운석질의 탄산암 및 탄산암질 각력암으로 구성된 직경 3 ~ 4 km의 분화공(diatreme, 화산폭발 시 가스분출 통로)이 있으며 이 주변은 교대작용에 의해 만들어진 장석, 휘석, 각섬석 등의 광물이 분포되어 있다(Zhukova et al., 2021). 이 탄산암분화공은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 70 ~ 130 m 두께의 표토로 덮여 있다(Pirajno, 2015; Lottermoser, 1987). 탄산암체 위에는 인회석이 풍부한 풍화잔류대가, 그 위에는 희토류 원소가 농집된 표성부화대가 주로 침철석으로 구성된 덮개암으로 덮여있는 이러한 구조(Fig. 2, Hoatson et al., 2011; Jaireth et al., 2014; Lottermoser, 1990)는 호수성 퇴적물과 충적토로 덮여 희토류 광물이 유실되지 않고 보존되는 결과를 가져왔다.
Table 2.
List of mineral phases of carbonatite laterite in Mt. Weld (after Lottermoser, 1990)
Mt. Weld 광산 희토류 광석광물의 존재 형태를 살펴보면, 결정도가 낮거나 재결정화 작용으로 생성된 철, 망간, 알루미늄-옥시수산화물(-OOH)이 희토류 원소를 표면에 흡착(또는 부착, adsorption)하여 표토에서 희토류 원소의 함량이 높은 원인이 되었다고 볼 수 있다(Lottermoser, 1987; Lottermoser, 1990). 표토의 상부에는 상대적으로 경희토류(LREE)가 농집되어 있는데 이들은 라도페인(rhabdophane)과 풍화작용 등에 의해 생성된 모나자이트에 주로 존재한다. 중희토류(HREE)는 주로 표토의 하부에 많고 주로 처차이트(churchite)에 함유되어 있다(Lottermoser, 1990). 상부 표토에서 나타나는 희토류 광물인 황록석은 크랜달라이트족(crandalite group) 광물과 니오븀을 함유한 침철석으로 치환되어 나타나기도 한다(Lottermoser and England, 1988).
Zhukova et al.(2021)에 의하면 전암 분석에서 희토류 함량이 높은 표토의 희토류 산화물 함량은 무려 51.71 wt%에 달한다. 탄산암 시료에서도 희토류 산화물 함량은 9.52 wt%, 덮개암에서는 4.27 wt%, 교대변질암 시료에서는 2.27 wt%로 분석되었다(Zhukova et al., 2021). Zhukova et al.(2021)의 연구에서 보고된 Mt. Weld 광산 함희토류 광물의 종류와 각 광물의 이론적 구조식을 기준으로 한 희토류 원소의 이상적 함량은 다음 표와 같다(Table 3). 희토류 광물 중에서도 세리아나이트, 라도페인, 모나자이트 등 희토류 함량이 매우 높은 광물이 존재함을 알 수 있다.
Table 3.
List of mineral phases of carbonatite laterite in Mt. Weld (after Lottermoser, 1990)
주요 광석 광물인 모나자이트는 입자가 큰 자형으로 존재하는데 Nd2O3 함량이 이상치보다 다소 낮은 편이며, 500 ~ 1,000 ppm의 Th과 2 ~ 5 ppm의 낮은 수준의 U을 함유한다(Zhukova et al., 2021). 모나자이트는 자형(euhedral) ~ 타형(anhedral)의 다양한 결정형으로 나타나는데 침상형, 탁상형, 세맥형, 섬유상 등을 포함한다. 모나자이트는 단체분리된 다결정의 입자로 존재할 뿐만 아니라 철 산화광물의 내부에 흩뿌려진 형상으로 나타나기도 한다. 이 때문에 모나자이트의 단체분리를 개선하기 위해 미립이 되도록 분쇄할 필요가 있다. Mt. Weld 광산의 또 다른 희토류 광석광물인 플로렌사이트는 일반적으로 모나자이트의 입자보다 작다. 모나자이트의 평균 희토류 함량은 52 ~ 60 wt%로, 플로렌사이트의 15%보다 훨씬 높다. 모나자이트에 함유된 불순물 원소는 스트론튬, 철, 황, 칼슘이다(Faris et al., 2019). 희토류 함량이 높은 표토에서 채취한 모나자이트의 공극에서는 세리아나이트가 성장된 것이 흔히 발견된다. 희토류 탄산염 광물인 패리사이트(parisite)에는 2,600 ~ 3,400 ppm의 스트론튬이 함유되어 있다(Zhukova et al., 2021).
Mt. Weld 광산에서 관찰되는 플로렌사이트-Ce의 희토류 산화물 함량은 43.4 ~ 44.7 wt%로, 플로렌사이트 결정구조의 이상적인 세륨 산화물 함량인 31.99 wt%보다 높다(Zhukova et al., 2021). 플로렌사이트에서는 세륨 이외에 란타늄이 확인되며 불순물 원소로는 칼슘과 스트론튬이 함유되어 있다(Faris et al., 2019).
함량은 낮지만 인회석에도 희토류 원소가 함유되어 있다. Mt. Weld 광산의 탄산암에 존재하는 인회석 시료에는 0.6 ~ 1.5 wt%의 희토류 원소가 함유되어 있고 이 인회석에는 미량이지만 우라늄과 토륨도 함유되어 있다(Zhukova et al., 2021).
Faris et al.(2019)에 의하면 침철석 내에 매우 얇은 세맥의 형태로 세리아나이트가 관찰되며, 철, 칼슘, 규소와 지르코늄이 불순물 원소로 검출된다. 지르코늄과 규소의 존재는 세리아나이트 입자 내에 나노미터 크기의 초미립 저어콘 입자가 있는 것을 암시한다(Faris et al., 2019).
희토류 광상의 주요 맥석 광물로는 철 광물인 침철석이 우세하며 적철석, 티탄철석, 백운석, 인회석 등도 존재한다. 이 밖에 석영, 카올리나이트, 백운석도 미량으로 존재한다(Faris et al., 2019).
Mt. Weld 선광 플랜트의 생산 공정
Mt. Weld의 선광 플랜트는 2011년 이후 10년 이상 가동되어 왔으며 연간 240,000톤의 광석을 처리하여 연간 최대 66,000톤의 정광(26,500톤의 REO 포함)을 생산하도록 설계되었다(Lynas, 2018). 파 ‧ 분쇄, 슬라임 제거(desliming), 부유선별, 여과 단계를 거쳐 최종적으로 40% 품위의 REO 정광을 약 70%의 회수율로 생산한다. 생산된 정광은 2차 처리를 위하여 서호주의 Fremantle 항에서 선적되어 말레이시아 Kuantan의 제련 플랜트인 Lynas Advanced Materials Plant(LAMP)로 운송된 후 정제되어 최종 제품으로 생산된다. 노천광산에서 채광된 원광은 일반적으로 파·분쇄 및 부유선별로 구성된 선광 공정을 거친 후, 용매추출, 침전, 하소, 전해 공정을 거쳐 금속으로 생산된다. Fig. 3은 Mt. Weld 광산에서 생산된 희토류로부터 네오디뮴을 생산하는 전체 공정도의 예시이다(Marx et al., 2018).
파‧분쇄
채광된 희토류 원광(Run of Mine, ROM)은 d100 = 20 mm의 1차 파쇄 공정 산물로 파쇄 및 스크리닝된 후, 단일 볼밀로 구성된 폐 분쇄회로(closed griding circuit)를 통해 분쇄산물의 목표입도인 38 µm까지 분쇄된다(Marx et al., 2018). 미분쇄를 통하여 단체분리를 달성한 시료는 부유선별 공정을 통해 목적광물과 맥석광물로 분리된다.
슬라임 제거
부유선별의 효율 향상을 위하여 파 ‧ 분쇄 공정에서 발생한 초미분을 걸러내기 위하여 슬라임 제거 단계를 거친다. 초미분의 비율이 높으면 부유선별 공정에서 다량의 시약을 필요로하며, 포말 안정성과 품위 및 회수율이 낮아지는 등의 문제가 발생한다(Lima et al., 2012; Yu et al., 2017). 이에 싸이클론을 통해 10 µm 이하의 초미분은 분리(Bulatovic, 2010)되고 광미 적치장(Tailing Storage Facilities, TSF)에 적치된다.
부유선별
Mt. Weld 광산의 희토류 원광은 일반적인 자력선별, 중력선별 등의 선별법으로 높은 품위의 정광을 생산하기가 어려워 Mt. Weld 선광 플랜트에서는 슬라임 제거 단계 후 바로 부유선별 공정을 통하여 정광을 생산한다(Ashton Rare Earths Pty Ltd., 1998; Guy et al., 2000; Marx et al., 2018). 부유선별은 교반된 펄프에 공기를 주입, 입자의 표면특성에 따라 기포와의 부착 여부가 결정되어 목적광물과 맥석광물을 분리하는 물리화학적 선별 공정이다.
슬라임 제거 단계를 거친 원광은 부유선별을 통해 분리 ‧ 선별된다. 현재 Mt. Weld 광산에서는 1단의 조선(rougher), 3단의 청소선(scavenger), 조선-청소선으로부터의 정광을 5단의 정선(cleaner)에 투입하는 시스템을 운용함으로써 REO 기준 품위 40%, 회수율 63%의 최종 정광을 생산하고 있다(Lynas, 2011).
각 부선 단계에서는 지방산(fatty acid)을 포수제로, 플루오린화규소산나트륨(sodium fluorosilicate)과 황화나트륨(sodium sulphide) 용액을 맥석 억제제로, 수산화나트륨(sodium hydroxide) 용액을 pH 조절제로, 규산나트륨(sodium silicate) 용액을 분산제로 사용한다(Ashton Rare Earths Pty Ltd., 1998; Herfst, 2010).
여과
부유선별 공정까지의 정광은 탈기 후 응집제 및 석회와 혼합되어 침전조에 투입되고, plate-frame filter press를 통해 탈수 과정을 거친다. 최종적으로 함수량 20% 미만의 여과케이크가 생산(Herfst, 2010; Marx et al., 2018)되며, 여과액은 초미분의 회수를 위하여 침전조에 재투입된다.
광미 처리 현황: Tailing Storage Facilities(TSF)
선광 플랜트에서 슬라임 제거, 부유선별, 여과 등 습식 공정을 거치면서 연간 28,500톤의 슬러리가 발생한다. 상등액은 선광 플랜트로 재유입 ‧ 재활용되며 잔류물은 TSF에 저장된다. 현재 Mt. Weld 광산에는 3개의 TSF가 운용 중이며, 1개를 추가 설립하는 확장안이 논의 중이다(KASA Consulting, 2022).
슬라임 제거 단계에서 발생한 슬라임의 높은 희토류 함량으로 인하여 광미에 잔류하는 희토류 함량은 희토류산화물 기준 약 9%로 비교적 높으나, 고품위 원광(희토류 함량 15%)의 높은 매장량으로 인하여 광미는 활용되지 못한 채 버려지고 있다.
Mt. Weld 광산은 인산염 광물을 함유한 라테라이트 토양이 강한 산화조건에서의 오랜 풍화작용의 결과로 풍화잔류대 위에 생성되었다(Lottermoser, 1990). 맥석광물 또한 생성기원에 따라 화학적으로 안정하여 선광 공정 후에도 화학적 변화를 보이지 않는 것으로 알려져 있으며, 주요 맥석광물로는 침철석이 우세하고, 망간산화물, 실리카, 티탄철석 등이 함께 존재한다(Faris et al., 2019; Lynas, 2023). 침철석 등 함철 희토류광에 대한 선별 연구는 CO 50%, CO2 50% 혼합 분위기 하에서(Jang et al., 2014) 혹은 650°C에서 석탄과 함께 가열함으로써(Faris et al., 2019) 환원 로스팅을 통해 침철석과 적철석을 자철석으로 변환하고 자력선별을 통해 분리하는 공정이 제시된 바 있다. 다만, Mt. Weld 광산의 희토류 광미는 철수산화물 내에 모나자이트가 함유되어 있는 형태로 슬라임 제거 단계에서 다량 발생하여 d50 = 15 µm로 매우 미분화되어있다.
광미로부터 희토류 광물을 회수할 수 있는 잠재적 가능성
앞에서 살펴본 바와 같이 Mt. Weld 광산 광미에는 희토류의 함량이 상당히 높아 광석이라고 해도 무방할 정도이다. 다만 미립자로 구성되어 있어 일반적인 선광법으로 분리가 어렵고 철의 함량이 높은 점이 해결되어야 한다.
대표적인 불순물인 침철석의 자기적 성질을 강자성으로 변화시키기 위한 환원로스팅의 선별력은 자력의 강도와 입자 크기에 좌우되는 것으로 나타났다(Faris et al., 2019). 환원로스팅을 거치더라도 희토류 광물의 낮은 단체분리도와 광석 광물입자 위 철 산화물의 코팅과 응집 등으로 인해 희토류 광물이 자성 산물로 이끌리는 것이 관찰되었다(Faris, 2019). 환원 공정을 통해 자철석의 형태로 철을 제거하는 방식의 효율성은 희토류 광물의 단체분리도를 적절한 수준까지 향상함으로써 개선시킬 수 있을 것으로 본다. 실제로 Mt. Weld 광석 광물은 미립인 경우에도 복합입자(composite particle)로 존재하는 경우가 흔하고 광석인 모나자이트는 서브 마이크론 크기의 침상형 결정이나 비정형 입자로 인산염이나 침철석에 포획된 경우가 드물지 않다(Faris, 2019; Zhukova et al., 2021).
희토류 광물의 단체분리도를 개선하기 위한 다른 방법으로 마이크로파 가열(microwave heating)을 전처리 방법으로 고려해볼 수 있다. 전자기 방사선인 마이크로파는 물질을 통과하는 동안 열로 빠르게 변환된다. 이때 마이크로파가 물질에 흡수되는데 조암광물에 따라 그 정도가 다르다는 것이 알려져 있다. 예를 들어 규산염과 탄산염은 마이크로파를 흡수하는 정도가 약하고 철, 망간, 티타늄 산화물은 강하게 마이크로파를 흡수한다(He et al., 2019; Nejati, 2014; Zheng et al., 2020). 광물의 성분과 조직의 차이에 따른 차별적 가열 효과는 선광 공정에 앞서 광석을 처리하는 방법으로 이용된 바 있으나 문제는 매우 비선형적으로 나타난다는 점이다. 그럼에도 불구하고 마이크로파를 광물입자에 조사함으로서 선택적 마광(selective milling), 불순물 제거 및 화학적 침출률 향상 효과까지 기대할 수 있다(Chistov et al., 1995). 결국 비선형적인 마이크로파 가열 효과를 광물의 종류와 함량, 복합입자의 조직에 따라 정량적으로 평가하고 최적화시킴으로서 Mt. Weld 광산 광미 시료의 선별 효율과 희토류 침출 증대를 기대해 볼 수 있을 것이다.
또한 미립의 광미는 건조 과정 중에 입자가 단단하게 응집되는데 이는 재분쇄 공정을 필요로하게 되어 전체 공정의 효율성을 저하시킨다. 이를 개선하고자 특정 광물만이 선택적으로 응집되도록하여 입도를 증가시키는 방법인 선택적 응집(selective flocculation)의 적용 가능성을 검토할 수 있다. 선택적 응집은 고분자 물질을 이용하여 미립의 입자를 응집시키고 분산 상에서 다른 입자로부터 응집체를 분리하는 방법이다(Mathur et al., 2000). 일반적으로 미세한 입자 크기 범위에서 고체-고체 간의 분리를 위하여 분산제를 추가한 후, 응집 성분에 대해 선택적으로 흡착시켜 플록(floc)을 형성시킨다. 그리고 낮은 전단 조건 하에서 플록을 성장시켜, 침전, 용출, 체분리, 부유선별 등을 통해 분리하게 된다. 광미의 desliming 후속 공정인 부유선별 공정과의 연계성 등을 고려하였을 때 선택적 응집 공정을 접목하여 전체 공정을 효율적으로 설계 가능할 것이다.
결 론
Mt. Weld 광산 광석의 광상학적, 광물학적 특성과 선광 공정을 고찰하고 초미립으로 이루어진 희토류 광미로부터 희토류 광물을 회수할 수 있는 잠재적 가능성을 모색하고자 하였다. Mt. Weld 광산은 세계 최고 품위의 희토류 광상으로 구성되어 있으며 현재 희토류 생산 광상인 CLD는 경희토류로 구성된 반면 Duncan 광상은 희토류 함량은 낮지만 중희토류를 함유하고 있다. 주요 희토류 광석광물은 모나자이트와 플로렌사이트, 세리아나이트이다. 현재 운영되고 있는 선광 플랜트는 파·분쇄, 슬라임 제거, 부유선별 및 여과단계를 거치며 최종적으로 REO 40%인 정광을 회수율 약 70%로 생산하고 있다. 고품위 희토류 광미이나 미립자로 되어 있고 희토류 광물의 단체분리도가 불량하며 불순물인 침철석을 효과적으로 선별, 제거해야 하는 점이 해결되어야 할 난제이다. 이를 해결하기 위해 침철석을 선택적으로 환원시켜 선별적으로 제거하는 방법, 마이크로파 가열 효과를 활용하여 선택적 마광, 단체분리도 증가 및 화학적 침출률 개선, 선택적 응집의 적용 가능성을 평가해볼 필요가 있다. 모든 공정의 단계에서 광물의 종류와 함량, 입자의 크기와 조직, 단체분리도, 불순물의 종류와 함량 등을 정량적으로 평가하고 변수를 최적화시키는 노력이 기울여져야 할 것이다.
