서 론

텅스텐은 전기전도도와 열전도도가 우수하고 내식성이 강하며 열팽창률이 낮은 대표적인 고융점 금속으로 지구상에 널리 분포되어 있으나, 부존량은 많지 않은 희유금속 중 하나이다. 우리나라는 과거 강원도 상동광산, 경상북도 거성광산 등에서 텅스텐을 생산하였으나, 중국의 값싼 텅스텐이 세계 시장을 선점하면서 가격 급락에 따른 채산성 악화로 1980년대 후반에 모든 생산을 중단한 상태이며, 현재는 텅스텐광을 전량 수입에 의존하고 있다. 따라서 텅스텐광의 채산성 향상 및 국내 잠재자원 활용을 위한 선광관련 분야의 새로운 기술개발이 필요하다.

텅스텐광은 자연 상태에서 항상 산화물로 산출되며, 텅스텐을 함유한 광물이 약 20여 종으로 보고되어 있다. 그러나 경제적으로 개발가치가 있는 텅스텐광은 망간중석(Hubnerite, MnWO₄), 철망간중석(Wolframite, (Fe,Mn)WO₄), 철중석(Ferberite, FeWO₃) 그리고 회중석(Scheelite, CaWO₄) 등 4종이나(KORES, 2017), 이 중 회중석이 가장 경제성이 있는 광물로 알려져 있다. 이러한 회중석은 비중이 5.9~6.1로 맥석광물들보다 크기 때문에 비중선별로도 처리가 이루어지고 있으나, 취성(brittleness)이 커 파‧분쇄과정에서 미립자의 발생이 많아 회수율이 낮기 때문에, 부유선별법이 많이 이용되고 있다(Jeon, et al., 2014).

일반적으로 회중석-규산염 광물 계통의 회중석광 부유선별은 pH 조절제로 탄산나트륨(Sodium carbonate, Na₂CO₃), 맥석억제제로 규산나트륨(Sodium silicate, Na₂SiO₃) 그리고 포수제로 올레인산(C₁₇H₃₃COOH)을 사용하며, pH 조절제-억제제-포수제-기포제 순으로 시약첨가를 하여 비교적 양호한 회중석 정광의 회수가 가능하다(Hicyilmaz et al., 1993). 그러나 회중석 부유선별의 문제점은 회중석을 비롯하여 방해석(calcite), 인회석(apatite), 형석(fluorite) 등과 같이 Ca 이온을 함유한 광물들이 원광에 혼재되어 있을 경우, 품위 향상에 한계가 있다는 것이다. 즉, 이러한 광물들은 모두 Ca 이온을 함유하고 있어 회중석과 물리화학적 표면특성이 매우 유사하여, 회중석의 선택적 회수를 어렵게 하여 정광의 품위와 회수율을 떨어뜨린다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 선행연구로 다양한 억제제 및 포수제를 개발한 기초 및 응용연구와 정선과정에서 광액의 온도를 90°C로 높여 부유선별을 수행하는 기술들이 개발되었다. 그러나 낮은 품위와 회수율, 복잡한 공정 그리고 높은 처리비용으로 널리 사용되고 있지 않다(Glembotskii et al., 1972; Hicyilmaz et al., 1993; Lii Yongxin and Li Changgen, 1983; Ranney, 1980).

따라서 본 연구에서는 국내에 부존되어 있는 울진 동보광산 회중석광을 대상으로 회중석-규산염 계통 광물에 대표적으로 사용되는 pH조절제(Na₂CO₃)와 억제제(Na₂SiO₃), 포수제(Oleic acid) 및 기포제를 사용하여, 기존보다 회중석의 품위와 회수율을 개선할 수 있는 새로운 부유선별 최적 공정을 개발하고자 하였다.

시료 및 실험방법

본 연구에 사용된 시료는 경상북도 울진군에 위치한 동보광산에서 채취한 것으로, Table 1은 원광에 대한 화학조성을 규명하기 위한 ICP-AES 및 XRF 분석결과를 나타낸 것이다. 원광의 WO₃ 함량이 0.75%이며, SiO₂와 Al₂O₃가 각각 74.43%와 8.29%, Fe₂O₃와 CaO가 각각 8.15%와 3.14%로 나타나 맥석광물 대부분이 규산염광물과 일부 철 산화광물로 구성되어 있음을 알 수 있다. Fig. 1은 화학분석 결과에서 확인된 각 구성 원소의 근원광물들을 규명하기 위한 XRD 분석결과를 나타낸 것이다. 텅스텐의 주 구성광물이 회중석(Scheelite, CaWO₄)임을 확인하였으며, 주요 맥석광물로는 석영(Quartz), 조장석(Albite), 흑운모(Biotite), 그리고 녹니석(Chlorite)과 같은 규산염 광물로 확인되었다.

Fig. 1.

XRD analysis of the head sample.

Fig. 2는 회중석광 부유선별을 위한 실험공정도를 나타낸 것으로, 먼저 원광석을 조크러셔와 콘크러셔 그리고 로드밀을 이용하여 200 mesh 이하로 파쇄하였다. 이때, 층상구조를 갖고 있어 분쇄가 쉽지 않은 원광석 내 흑운모의 일부는 체가름을 통해 1차적으로 제거하였다. 부유선별 실험은 실험실용 Denver sub-A형의 부유선별기를 사용하였으며, 제조된 시료는 부유선별기의 셀에 넣고 광액농도 35%wt.에서 1,500 rpm으로 교반하며 부유선별을 수행하였다. 회중석광 부유선별에 앞서 품위에 영향을 미치는 황화광물의 제거를 위해 황화광 부유선별 실험을 먼저 수행하였다. 이때 사용된 시약은 포수제로 KEX(Potassium ethyl xanthate), 기포제로 MIBC(Methyl isobutyl carbinol)를 사용하였으며, 시약의 조건시간은 포수제 5분, 기포제 1분을 각각 부여하였다.

Fig. 2.

그림제목

황화물이 제거되고 남은 광액을 대상으로 pH 조절제로 탄산나트륨, 억제제로 규산나트륨, 포수제로 올레인산(Oleic acid) 그리고 기포제로 Lankropol K-8300을 순서대로 첨가하여 회중석을 회수하였다. 이때 부유선별 시약 순서만큼 조건시간이 중요한데, 조건시간은 pH 조절제와 억제제는 각각 5분씩 그리고 포수제와 기포제 첨가는 각각 1분씩 부여하였다. 1차 부유선별(조선부선)에서 회수된 조선정광은 여전히 품위가 낮기 때문에 이들로부터 맥석 광물들을 제거하기 위해 2회의 정선부선을 수행하였으며, 이때 정광으로의 맥석 광물들의 혼입을 줄이기 위해 교반속도를 1,200 rpm으로 낮추어, 최종 회중석 정광을 회수하였다.

실험결과 및 고찰

일반적으로 회중석-규산염 광물계통의 회중석광의 부유선별에서 탄산나트륨과 규산나트륨의 첨가량은 각각 250~1,500 g/t(Thomas, 1976)와 200~1,500 g/t(KIGAM, 1973)이 일반적이다. 이러한 회중석-규산염 계통 광물의 일반적인 시약 첨가량 조건을 본 연구시료에 적용시켜 먼저 부유선별 결과를 확인하였다. 이는 기존의 회중석광 부유선별과 본 연구에서 개발하고자 하는 회중석광 부유선별 결과를 비교하여, 개발하고자 하는 부유선별 기술의 우수성을 입증하기 위함이다.

Table 2는 기존의 회중석광 부유선별을 위한 시약의 종류와 첨가량을 나타낸 것이며, Table 3은 이와 같은 실험조건에서 얻은 회중석광 부유선별 실험결과를 나타낸 것이다. 실험결과 텅스텐의 회수율은 88.7%WO₃로 높지만 품위는 30.1%WO₃로 매우 낮아, 회중석-규산염 계통광물은 일반적인 시약 첨가량 조건에서는 품위 향상에 한계가 있음을 확인 하였다. Fig. 3은 기존 회중석광 부유선별법에서 회수된 최종 정광의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다. 정광중에는 방해석과 인회석 그리고 형석과 같이 회중석과 물리화학적 표면 특성이 같은 Ca 이온 함유광물이 다량 수반되어, 품위 향상에 한계가 있음을 알 수 있다.

Fig. 3.

Mineralogical analysis of scheelite concentrate product.

억제제 첨가

방해석, 인회석, 형석과 같이 회중석과 물리화학적 표면특성이 같은 Ca 이온을 함유한 광물들을 회중석과 분리하고, 품위를 높이기 위하여 억제제로 사용된 규산나트륨의 첨가량을 회중석-규산염 계통 광물의 일반적인 첨가량(200~1,500 g/t)보다 많이 첨가하여 정광의 품위변화 특성을 관찰하였다.

Fig. 4는 규산나트륨 첨가량에 따른 회중석 정광의 품위와 회수율의 변화를 관찰하기 위하여, 억제제의 첨가량을 1,000 g/t에서 4,000 g/t까지 변화하며 실험한 결과를 나타낸 것이다. 실험방법은 pH 조절제(Na₂CO₃) 300 g/t – 억제제(Na₂SiO₃) - 포수제(Oleic acid) 150 g/t - 기포제(Lankropol K-8300) 25 g/t 순으로 시약을 첨가하였다. 규산나트륨 첨가량 변화실험 결과, 규산나트륨 첨가량이 증가할수록 회중석 정광 품위 또한 증가하는 경향을 보였으며, 회수율은 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 탄산나트륨 300 g/t, 규산나트륨 4,000 g/t에서 회중석 정광의 품위와 회수율은 각각 72.9%WO₃, 6.73%를 확인하였다. 이는 억제제로 사용된 규산나트륨의 첨가량이 증가함에 따라 규산염광물이 보다 강하게 친수화 되어 이들의 부유가 억제되므로 품위는 향상되는 것으로 판단된다(Bulatovic, 2007). 억제제로 사용된 규산나트륨은 수용액에서 식 (1), (2), (3)과 같이 이온화 될 수 있다.

Na₂SiO₃ + 2H₂O → H₂SiO₃ + 2NaOH     (1)

H₂SiO₃ → H⁺ + HSiO₃^-     (2)

HSiO₃^- → H⁺ + SiO₃^2-     (3)

Ca²⁺ + HSiO₃^- → (HSiO₃)2Ca     (4)

이때 발생되는 H₂SiO_3, SiO₃^2-, HSiO₃^- 중에서 HSiO₃^- 이온이 주로 광액 중에서 광물 입자의 표면에 발생한 금속 이온과 반응하여, 그 광물의 친수화를 우선 도모하는 것으로 잘 알려져 있다(Lee, 1980). 규산나트륨이 과량 첨가되게 되면, 광액 중 발생되는 HSiO₃^- 이온의 과량생성으로 인하여 다른 맥석광물뿐만 아니라 회중석을 비롯한 Ca 이온 함유광물까지 식 (4)와 같이 금속염을 형성하여 입자 표면을 친수성화 시키므로 회수율이 크게 감소하는 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Effect of dosage of sodium silicate on WO₃ grade and recovery at fixed sodium carbonate 300 g/t.

pH 조절제 첨가량

본 연구는 pH 조절제로 사용된 탄산나트륨의 첨가량이 회중석의 회수율 미치는 영향을 관찰하기 위하여, 탄산나트륨을 1,000 g/t에서 4,000 g/g까지 변화하며 실험하였다. 앞서 억제제의 과량첨가량 조건의 결과를 바탕으로 억제제인 규산나트륨을 과량첨가 시킨 상태(4,000 g/t)에서 탄산나트륨의 첨가량을 회중석-규산염 계통 광물의 일반적인 첨가량(250~1,500 g/t)보다 많은 1,000, 2,000, 3,000, 4,000 g/t으로 과량첨가를 시켜 보았다. 실험 조건은 pH조절제(Na₂CO₃)-억제제(Na₂SiO₃) 4,000 g/t-포수제(Oleic acid) 150 g/t-기포제(Lankropol K-8300) 25 g/t 순으로 시약을 첨가하였다.

탄산나트륨 첨가량 변화 실험 결과, 탄산나트륨이 증가함에 따라 회중석의 회수율 또한 증가하는 것을 알 수 있었으며, 회중석 정광의 품위는 1,000, 2,000, 3,000 g/t까지는 79.1%WO₃, 72.1%WO₃, 74.6%WO₃로 비슷한 경향을 보이다 3,000 g/t을 기점으로 이보다 첨가량이 증가하면(4,000 g/t) 회중석 정광의 품위가 46.2%WO₃로 오히려 감소하는 경향을 확인 할 수 있었다. 이는 탄산나트륨이 과량첨가 되더라도 규산나트륨은 규산염 맥석 광물뿐만 아니라 Ca 이온 함유광물들까지 억제효과를 강하게 유지하는 것을 알 수 있는데, 회중석의 경우에는 탄산나트륨이 과량 첨가되면 규산나트륨의 억제효과를 받지 않고 포수제에 의한 소수성 표면 특성을 유지하는 것으로 판단되어 회수율이 크게 상승하는 것으로 보인다. 또한 아직까지 학문적으로 명확하게 규명되지는 않았지만 탄산나트륨이 회중석을 활성화 시키고 기포의 안정성을 부여한다는 선행연구가 있다(Botelho Sousa and Machado, 2012).따라서 Fig. 5에서 나타난 바와 같이 탄산나트륨 3,000 g/t, 규산나트륨 4,000 g/t의 조건에서 품위와 회수율이 각각 74.6%WO₃, 73%의 회중석 최종 정광을 회수하였다.

Fig. 5.

Effect of dosage of sodium carbonate on WO₃ grade and recovery at fixed sodium silicate 4,000 g/t.

억제제 및 pH 조절제 적정 첨가량

억제제와 pH조절제의 적정첨가량을 확인하기 위하여 pH조절제로 사용된 탄산나트륨의 과량 첨가조건(3,000 g/t)에서 억제제인 규산나트륨의 첨가량 변화에 따른 회중석 정광의 품위와 회수율을 확인하였다. Fig. 6은 탄산나트륨의 과량 첨가조건에서 규산나트륨 첨가량의 변화가 회중석 부유선별에 미치는 영향을 관찰하기 위한 실험결과는 나타낸 것이다. 탄산나트륨을 3,000 g/t으로 과량첨가 시킨 상태에서 규산나트륨의 첨가량을 1,000 g/t에서 5,000 g/t까지 과량으로 첨가하여 보았다. 실험 조건은 pH조절제(Na₂CO₃) 3,000 g/t – 억제제(Na₂SiO₃) - 포수제(Oleic acid) 150 g/t - 기포제(Lankropol K-8300) 25 g/t 순으로 시약을 첨가하였다.

Fig. 6.

Effect of dosage of sodium silicate on WO₃ grade and recovery at fixed sodium carbonate 3,000 g/t.

실험결과, 규산나트륨의 첨가량이 증가함에 따라 회중석 회수율은 점점 감소하는 경향을 보이다 4,000 g/t을 기점으로, 이보다 첨가량이 증가하면 더 이상의 뚜렷한 회수율 감소가 없음을 알 수 있었으며, 회중석 정광의 품위는 규산나트륨이 증가함에 따라 품위 또한 증가하는 경향을 보이다 4,000 g/t을 기점으로 이보다 첨가량이 증가하면 미미하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 회중석 품위와 회수율을 고려하여 탄산나트륨 3,000 g/t, 규산나트륨 4,000 g/t이 최적조건임을 알 수 있다.따라서 Fig. 6에서 나타난 바와 같이 회중석 품위와 회수율이 각각 74.6%WO₃, 73%로 탄산나트륨 3,000 g/t, 규산나트륨 4,000 g/t이 본 연구의 시료를 대상으로 실시한 회중석 부유선별의 적정첨가량으로 판단하였으며, 억제제와 pH조절제의 과량첨가 조건에서 억제제로 사용된 규산나트륨은 회중석 정광의 품위 향상에, pH조절제로 사용된 탄산나트륨은 회중석 정광의 회수율 향상에 중요한 변수로 작용한다는 것을 알 수 있다.

시약첨가 순서

Fig. 7은 과량첨가 조건에서 시약 첨가순서 변화에 따른 회중석 부유선별 특성을 관찰하기 위한 실험 결과를 나타낸 것이다. 시약 반응시간은 (A)의 경우, pH조절제와 억제제를 순서대로 첨가하여 10분, 포수제 1분, 기포제 1분을 부여하였으며, (B)의 경우, 억제제와 pH 조절제를 순서대로 첨가하여 10분, 포수제 1분, 기포제 1분을 부여하였다. 시약 첨가 순서 변화 실험결과 (A)의 경우, pH조절제-억제제-포수제-기포제의 순서로 첨가한 경우로 본 연구에서 실시한 과량첨가에 따른 공정이며, 가장 높은 부선효과를 보이고 있다. 반면, (B)의 경우 탄산나트륨 보다 규산나트륨을 먼저 넣은 경우, 즉 억제제-pH조절제-포수제-기포제의 순서로 첨가한 경우로 회중석 정광의 품위와 회수율이 각각 0.83%WO₃, 1.58%로 매우 저조한 것을 알 수 있다. 이는 과량 첨가된 규산나트륨이 광액 중 발생시킨 HSiO₃^- 이온의 과량 생성 영향으로 광물들의 표면에 먼저 강력하게 작용하므로 2차적으로 첨가된 탄산나트륨의 영향을 광물들이 전혀 받지 못하는 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Effect of adding sequence of reagents on WO₃ grade and recovery (excess charge). (A) pH regulator-depressant-collector-frother (B) depressant-pH regulator-collector-frother

Fig. 8은 과량첨가 조건이 아닌 회중석-규산염 계통 광물의 일반적인 첨가량 조건에서 시약첨가 순서 변화에 따른 회중석 부유선별 특성을 관찰하기 위한 실험 결과를 나타낸 것이다. 시약 반응 시간은 (A)의 경우, pH조절제와 억제제를 순서대로 첨가하여 10분, 포수제 1분, 기포제 1분을 부여하였으며, (B)의 경우, 억제제와 pH조절제를 순서대로 첨가하여 10분, 포수제 1분, 기포제 1분을 부여하였다.

Fig. 8.

Effect of adding sequence of reagents on WO3 grade and recovery (general dosage of scheelite-silicate mineral type). (A) pH regulator-depressant-collector-frother (B) depressant-pH regulator-collector-frother

시약 첨가 순서 실험결과, (A)의 경우, pH조절제-억제제-포수제-기포제의 순서로 첨가한 경우로 회중석 정광의 회수율은 88.9%로 양호하게 나타났으나, 회중석 정광의 품위는 30.1%WO₃로 저조한 것을 알 수 있다. 반면 (B)의 경우, 억제제-pH조절제-포수제-기포제의 순서로 첨가한 경우로 (A)의 경우에 비해 회중석 정광의 품위가 오히려 상승하는 결과를 확인할 수 있었으나 여전히 46%WO₃로 저조함을 알 수 있다. 따라서 회중석-규산염 계통 광물의 일반적인 첨가량 조건에서는 pH조절제와 억제제의 첨가 순서가 변하더라도 회중석 정광 회수에는 큰 영향을 미치지 못하는 것을 알 수 있으나, 앞서 본 과량첨가 조건에서는 시약 첨가 순서의 변화가 회중석 정광의 품위와 회수율 향상에 크게 영향을 주는 것을 알 수 있다. 따라서 pH조절제-억제제-포수제-기포제 순서를 최적조건을 판단하였다.

Fig. 9는 본 연구의 공정인 회중석 부유선별 실험에서 회수한 산물 중 광미, 중광1, 최종 정광의 XRD 정성 분석결과를 타나낸 것이며, Table 4는 XRD 정량 분석결과를 나타낸 것이다. 광미의 경우 규산염 광물의 피크만 나타나며, 그 중 조장석이 가장 높은 비율을 차지하고 있었다. 반면, 회중석의 피크는 나타나지 않아 회중석의 선별효율이 좋은 것을 알 수 있다. 중광1의 경우는 회중석의 피크가 미미하게 나타나며, 여전히 많은 규산염 맥석광물들의 피크가 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 광미에서는 관찰할 수 없었던 Ca 이온 함유광물인 인회석(Apatite)의 피크가 나타난 것을 확인할 수 있었으며, XRD 정량 분석결과를 통해서 광미보다 조장석, 흑운모의 비율이 감소 된 것을 확인할 수 있다. 최종 회중석 정광의 경우, 원광에 많이 존재하던 규산염 맥석광물인 조장석, 석영, 녹니석 등의 피크는 사라진 것으로 보아 규산염광물들의 억제 및 제거가 효과적으로 이루어졌다고 판단된다. 비록 소량이지만 원광의 XRD 분석에서는 확인할 수 없었던 Ca 이온 함유광물인 인회석, 형석이 최종정광에 존재함을 확인할 수 있었다. 또한 회중석-규산염 계통 광물의 일반적인 첨가량 조건에서의 회중석 정광에 비해 과량첨가를 통한 회중석 정광은 석영을 비롯하여 방해석이 관찰되지 않았으며, XRD 정량 분석 결과 회중석 85.3%, 인회석 9.6%, 형석 5.1%로 Ca 이온 함유광물의 함량이 낮은 것을 알 수 있다.

Fig. 9.

XRD analysis of products (A) final scheelite concentrate, (B) middling1, (C) tailing.

결 론

본 연구에서는 경북 울진 동보광산 중석광을 대상으로 부유선별 특성연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 본 실험에 사용한 원광석의 중석 품위는 약 0.75%WO₃ 정도이며, 주로 규산(SiO₂) 성분이 높고 그밖에 알루미나(Al₂O₃), 철(Fe₂O₃), 칼슘(CaO) 및 인(P₂O₅) 성분이 수반된다. 광물감정 결과, 중석의 광석광물은 회중석(CaWO₄)이었으며, 주요 맥석광물은 석영, 조장석, 흑운모, 녹니석과 같은 규산염광물로 구성되어 있었다. 또한 원광 XRD분석에서는 확인이 되지 않았으나, 회수된 중석 농축산물의 XRD 분석결과를 통해 회중석과 물리화학적 표면 특성이 같은 방해석, 인회석, 형석과 같은 Ca 이온 함유광물이 원광에 혼재되어 있는 것으로 확인되었다.

2. 회중석-규산염 계통 광물의 일반적인 첨가량 조건인 탄산나트륨 300 g/t, 규산나트륨 1,000 g/t을 적용한 결과, 회중석과 물리화학적 표면 특성이 같은 Ca 이온 함유광물이 정광에 수반되어 품위와 회수율이 각각 약 30.1%WO₃, 88.7%정도로 품위향상에 한계가 있음을 확인하였다.

3. pH조절제인 탄산나트륨과 억제제인 규산나트륨의 과량첨가를 통하여 탄산나트륨 3,000 g/t, 규산나트륨 4,000 g/t, 포수제(Oleic acid) 150 g/t, 기포제(Lankropol K-8300) 25 g/t 조건에서 회중석 정광의 품위와 회수율이 각각 약 74.6%WO₃, 73%정도인 정광을 회수 하였다.

4. 시약 첨가 순서 변화 실험 결과, 회중석-규산염 계통 광물의 일반적인 시약 첨가량 조건에서는 pH조절제와 억제제의 첨가 순서가 변하더라고 회중석 정광 회수에 영향을 미치지 못하는 것을 확인할 수 있었으나, 과량첨가 조건에서는 시약첨가 순서의 변화가 선별효율에 중요한 요인으로 작용한다는 것을 알 수 있었다.

5. 본 연구에서 억제제로 사용된 규산나트륨의 과량첨가에 따른 단점으로는 부유선별 공정 후, 회수된 산물의 침전 및 여과가 어렵다는 것과 부유선별 과정 중 부선기 내부 벽에 미립자들이 부착되어 원활한 부유선별을 방해하는 고화 현상 등을 들 수 있다. 추후 이러한 문제점이 보안된다면, 앞으로 Ca 이온 함유광물들로부터 회중석의 선택적 회수가 가능한 부유선별법으로 제시 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 회중석 부유선별 과정에서 배출되는 광미(Tailing) 및 중광산물(Middling)을 대상으로 청소부선(Scavenging)을 실시하면 최종 회중석의 정광 회수율은 더욱 향상될 것으로 판단된다.