일라이트 광물의 정제 및 미립화 기술
김상배 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부, 책임연구원

1. 머리말
일라이트는 외관상 백운모와 유사한 점토광물로서 탈취, 흡착, 항균성 등 기능성을 가지는 천연소재로 알려져 있다. 근래 들어 국내외에서 대기, 수질오염방지, 유기 휘발성 물질 등의 흡착 제거가 가능한 친환경성 well-being 소재 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
이러한 분야의 성능이 우수한 친환경성 소재로 알려진 일라이트 광물의 가공기술이 체계적으로 개발되지 않아서 국내에 부존된 일라이트 광물의 활용에 제약을 받고 있는 실정이다.
특히, 가공되지 않은 광석은 모래 또는 철분을 함유하고 있는 불순광물이 함유되어 있으며, 화장품 및 기능성 섬유와 같이 미세한 입자를 원하는 분야의 원료로 사용에 많은 제약이 있었다.
이러한 문제점을 해결하고자 일라이트의 광물학적 특성, 불순물 제거 기술, 미세분말 생산 공정 개발 및 상용화 시설 설치 등을 수행하고 본보에는 그 결과 중 일부를 소개하고자 한다.

2. 광물학적 특성
일라이트는 퇴적암이나 열수변질암에 흔한 광물로서 카올린광물, 스멕타이트와 더불어 매우 중요한 위치를 차지해 왔다.
‘일라이트’라는 명칭은 Grim 등(1937)이 일리노이州 이질암에서 흔히 산출되는 점토입자 크기의 운모를 일라이트로 명명한데서 그 유래를 찾을 수 있다. 미국점토광물학회 등에서 다양하게 일라이트에 대한 정의를 제시하였으나 1984년 Srodon과 Eberl은 ‘4㎛ 이하 입자크기로서 비팽창성, 이 팔면체이면서 알루미늄이 풍부한 운모같은 광물’을 일라이트로 정의하였는데, 이는 광물분류의 목적에는 적합하지 않다는 지적도 있으나 현재 가장 일반적으로 통용되고 있다. 일라이트 광물의 분포지로는 캐나다 퀘백주, 미국 일리노이주, 펜실베니아주, 중국 사천성, 호주 등이 있으며 이들 지역의 매장량은 소량이다. 반면 수백 톤이 맥상으로 대량 매장된 곳은 한국의 충북 영동지역이 유일하다.
일라이트의 일반적인 화학조성은 K0.8-0.9(Al, Fe, Mg)2(Si, Al)4O10(OH)2이다. 일라이트는 백운모에 비하여 Si4+, Mg2+ 및 H2O가 풍부하나 사면체자리의 Al3+과 층간 K+의 함량이 낮다.
일라이트에는 층간에는 K+가 가장 우세하며, Ca2+, Mg2+, NH4+ 등이 소량으로 들어간다.(그림 1 참조) 일라이트의 결정도는 다양하며, 입자의 물리적 상태도 일정하지 않아 물리화학적인 특징을 일률적으로 적용하든지 규정하기에는 많은 무리가 따르므로 시험자마다 각 상황에 따라 직접 물성값을 측정하는 것이 바람직하다.
일반적으로 일라이트의 표면적은 80-150m2/g이다. 참고로 백운모의 표면적은 60-100m2/g 이다. 광물표면 전하가 0이 되는 pH(point of zero charge)인 pzc는 9.6이고, 백운모의 경우 pzc는 6.6이다.
일라이트는 백운모보다 훨씬 높은 pH에서 표면전하가 (-)를 띠게 되면서 흡착이 활성화된다. 풍화에 대한 저항도의 경우 일라이트 구조에서는 K+가 H+에 대하여 선택성을 가지므로 풍화환경에서 일라이트가 백운모보다 훨씬 안정한 것으로 알려져 있다. 

3. 불순물 제거 실험
실험에 사용된 일라이트 광물은 충북 영동지역에 위치한 용궁 일라이트 광산에서 채취한 시료를 대상으로 하였다. 원광을 구성하고 있는 주요광물은 일라이트와 석영이었으며, 육안으로 구별은 어려울 정도로 소량이었으나 황철석과 섬아연석, 황동석 등 불순광물이 소량 수반되었음을 현미경 관찰을 통하여 알 수 있었다. 화학성분의 품위는 74.57%SiO2, 16.30%Al2O3, 1.57%Fe2O3, 4.33%K2O, 0.55%Na2O, 2.37%Ig.loss로 확인되었다. 입자 크기별 특성은 입자가 가늘어질수록 Al2O3, K2O, Ig.loss 품위는 높아지고 SiO2 함량은 낮아졌으며, Fe2O3의 함량은 굵은 입자가 다소 낮았으나, 입도에 관계없이 비교적 균일하게 나타났다.
본 연구에서는 경제성을 고려한 상용화 공정 개발을 위하여 건식 선택적 분쇄 및 분급에 의하여 불순광물은 분리 제거하고자 하였다. 일라이트와 불순광물의 분리를 위하여 함마밀과 유사한 형태의 충격식 분쇄기를 사용하였다. 충격식 분쇄기의 분쇄매체 선속도에 따라 미세한 분말의 생성율의 변화가 나타났으며, 분쇄실험 결과 중 분쇄매체의 선속도를 57.6m/sec.로 조절하여 분쇄 후 평균입도 9㎛를 기준으로 분급하면 SiO2 70.13%, Al2O3 19.40%, Fe2O3 1.62%, K2O 5.20%, Ig.loss 2.77%인 정제산물을 76.16wt.% 정도 생산이 가능하였다. 정제된 산물에 대한 X-선 회절분석 및 전자주사현미경 분석결과 일라이트 함량이 원광석에 비하여 40%정도 많이 농축되어 건식 방법에 의하여 일라이트의 정제가 가능함을 알 수 있었다.  

4. 미립 분말 생산 시설
일라이트 분말의 새로운 용도로 판단되는 화장품, 플라스틱, 농약, 기능성 섬유 및 통기성 필름 등의 제품에 요구되는 분말의 최대 입자 크기는 43㎛ 이하부터 10㎛ 크기 이하까지 다양한 것으로 알려져 있다. 볼밀과 진동밀 그리고 제트밀 등을 사용한 분쇄실험 결과, 10㎛ 크기 이하의 분말을 생산하는 장치로는 제트밀이 적합한 것으로 나타났다.
따라서 레이몬드밀과 제트밀을 병용하는 미립자 제조 공정을 개발하여 (주)용궁 일라이트에 기술 이전, 상용화 시설을 완료하였다. 상용화 시설은 43㎛ 크기 이하의 미립자를 생산 시설로는 레이몬드밀을, 이보다 미립의 분말 생산을 위한 시설은 제트 밀을 사용하고자 한다(그림 2 참조). 제트밀은 초기 투자비가 많이 소요되고, 에너지 효율이 비교적 낮은 것으로 알려져 있지만  소량 다품종이 요구되고, 비교적 고가의 원료 분쇄에는 적용이 가능할 것으로 판단된다. 상용화 시설은 최대 입자 크기 10㎛ 크기 이하의 미립자 생산이 가능함을 확인하였으며, 수요자의 요구에 따라 다양한 크기의 분말 생산이 가능하여 소량 다품종의 원료 생산이 요구되는 일라이트의 분쇄에 효과적으로 이용이 가능할 것으로 판단된다.

5. 일라이트 분말의 특성
그림 3에 나타낸 20㎛ 크기 이하의 일라이트 초미립자를 이용하여 ‘Sick house 증후군’의 원인물질로 알려진 포름알데히드와 톨루엔 그리고 암모니아 가스 제거능력을 평가하였다. 시험방법은 시험용기(10리터, Tedlar bag)에 시료 20g을 넣고 오염물질인 포름알데히드 가스를 주입하여 초기 농도가 약 20ppmv가 되도록 조절하고 초기, 30분, 1시간, 2시간, 4시간, 6시간 경과한 후의 포름알데히드 농도를 검지관(No. 91)으로 측정하였다.
시료는 황색, 백색 일라이트 두 종류를 사용하였으며 이 때 측정실 내부온도는 23±0.5℃, 습도는 52±0.5%가 되도록 유지하였다. 실험 결과 황색 일라이트 초미분체를 사용하면 포름알데히드의 경우 초기농도 20ppmv에서 6시간 후 7ppmv로(그림 4), 톨루엔의 경우 초기농도 20ppmv에서 6시간 후 15ppmv로(그림 5) 적어짐을 알 수 있었다. 한편 백색 일라이트 초미분체를 사용하면 포름알데히드의 경우 초기농도 20ppmv에서 6시간 후 12ppmv로, 톨루엔의 경우 초기농도 20ppmv에서 6시간 후 17ppmv로 감소됨을 알 수 있었다. 
포름알데히드와 톨루엔 제거능력 평가와 유사한 방법으로 암모니아 가스의 탈취 실험도 수행하여 그림 6에 나타내고 있는데, 황색, 백색 두 종류 모두 우수한 암모니아 탈취 성능을 보여주고 있다. 가스 주입 후 30분 이내에 약 80%의 암모니아 가스가 제거됨을 알 수 있다.

6. 맺는말
운모와 유사한 판상의 일라이트 광물은 환경친화적인 소재로 알려져 있다. 그러나 일라이트 이외의 석영 등 불순광물의 혼입과 미립자 생산기술 등 가공기술이 개발되지 않아 토양개량제 등 저가의 용도로 활용되고 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 일라이트와 불순광물의 입자 크기 등의 산출상태와 비중, 경도 등을 이용하는 건식 분쇄, 분급에 의한 일라이트의 품위향상이 가능함을 확인하였다.
또한 일라이트의 새로운 용도 개발을 위하여 가장 굵은 입자의 크기를 43㎛~10㎛ 크기 이하의 미세한 분말 생산이 가능한 공정을 개발, 상용화 시설을 완료하고 본격적인 제품 생산을 위한 준비 중에 있다. 제조된 시제품을 대상으로 특성 분석 결과, 일라이트 분말은 포름알데히드, 톨루에, 암모니아 가스 흡착력이 우수한 것으로 확인되어 향후 용도 다양화 및 부가가치 향상에 획기적인 계기가 될 것으로 판단된다.
특히, 품위향상 및 미립화 기술은 일라이트 이외에 운모 등 점토광물의 품위향상 및 미립 분말 제조에 직접적으로 응용이 가능하여 향후 비금속 광물의 품위향상 및 미립화 시설 설치에 커다란 기여가 기대된다.

그림 1. 일라이트의 구조
그림 2. 레이몬드 밀(좌)과 제트 밀(우)로 구성된 상용화 시설 전경
그림 3. 일라이트 분말 형상
그림 4. 포름알데히드의 농도변화
그림 5. 톨루엔의 농도변화
그림 6. 암모니아 가스의 농도변화

김상배
전북대학교 자원공학과 졸업, 공학박사
한국지질자원연구원 자원활용소재연구부, 책임연구원
현재 한국에너지기술연구원 신공정연구센터 선임연구원

< 본 사이트에는 일부 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>