점토광물을 이용한 ET및 NT산업용 고기능성 소재 제조기술 개발 /조성백

편집부
등록 2009-03-14 14:44:42
수정 2015-05-12 22:14:23

NT·ET 산업용 점토 원료처리 시스템 개발

조건준 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 책임연구원
전호석 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 책임연구원
조성백 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 책임연구원
이수정 한국지질자원연구원 자원활용소재연구부 선임연구원

서론
점토광물은 전 세계적으로 19,690백만 톤이, 국내에는 73,474천 톤이 부존된 것으로 알려져 있으며 도자기, 내화물, 제지, 고무, 페인트용 충전제 등 각종 산업 원료로 이용되어 왔다. 최근, 산업발전과 함께 나노 및 환경산업 등에 서는 고품위 및 초미립의 점토광물 원료를 필요로 하게 되었다. 특히 점토광물의 품위, 입자크기와 입도분포, 백색도, 분산성, 흡유량, 마모성, 가소성 등에서 요구되는 특성들이 엄격해 지고 있으므로 이에 맞는 원료 생산 기술의 개발이 필요하다. 국내외의 점토광물은 풍화작용과 열수작용에 의해 생성되며, 생성조건에 따라 조암광물이 다양하고 불순물 함량이 많은 특성을 가지고 있어 나노 및 환경산업에 사용하기 위한 점토광물 소재를 개발하기 위해서는 광종별 원광 특성에 따른 적정 처리조건의 확립이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 국내 점토광물의 활용을 위해 ET 및 NT 산업용 고기능성 소재 제조용 원료를 생산하기 위한 정제기술, 미분체 제조 및 처리공정을 개발함으로써 국내 부존 점토광물 자원의 활용도 제고 및 부가가치 향상을 위한 기술을 개발하고자 하였다.

선택분쇄 및 분급을 이용한 점토광물의 건식정제기술
보통 점토광물의 정제 미분체는 로드밀 등으로 파분쇄 후, 볼밀 등으로 미분쇄하여 침강을 통한 수비법을 이용하거나 공기분급을 통해 제조하는 것이 일반적이나 수비법에서는 물을 사용하여야 하기 때문에 미립화된 정제산물을 탈수, 건조 등 공정이 복잡한 단점이 있다. 이에 비해서 공정이 비교적 간단하고 경제적인 분쇄와 분급기술을 이용한 건식정제기술이 점토광물의 정제에 이용되고 있다.
점토광물 속에 존재하는 불순광물들은 대부분이 장석이나 석영과 같이 경질인 광물이 대부분이다. 점토광물로부터 불순물을 분리하기 위하여 파분쇄 조작에 의해 단체분리 시키는 경우, 대부분은 그림 1의 아래 부분에 해당되는 것과 같이 구성광물의 특성을 고려하지 않은 무차별 파분쇄에 의해 경질의 석영 및 장석류도 미분화되어 미립의 점토광물과 혼재하게 된다. 이러한 경우 다음 조작인 정밀분급을 수행한다 하더라도 점토광물과 불순광물의 비중이나 크기의 차이가 크게 나지 않아 최종적으로 회수하고자 하는 정광중에도 미립화된 경질광물이 혼재하게 되어 정광의 품위를 낮추는 경향이 있다.
그러나 그림 1의 윗부분에 해당되는 것처럼 구성광물 중 경질인 장석이나 석영 등은 미립화하지 않고 연질인 점토광물만을 선택적으로 파분쇄하여 미립화시킨 후 정밀분급을 수행하면 미립화된 점토광물과 미립화되지 않은 경질불순광물과의 크기 차이가 현저해 져서 서로 분리선별하기 쉬워지게 된다. 경남 하동지방에 부존되어 있는 백색 C급(이하 WC) 고령토 시료를 선택적 파분쇄 및 분급기술을 이용하여 점토광물을 분리선별하면 그림 2에 나타낸 것처럼 미립의 정광 속에는 대부분의 점토광물이 농축되고, 조립인 경질불순광물에는 주로 석영과 장석이 농축되는 것을 볼 수 있다.
한편, 견운모(Sericite)는 도자기나 내화물의 혼입재, 화장품용도 등으로 다양하게 쓰이고 있으며, 백색 또는 회백색의 진주광택을 가지고 있다. 저품위의 견운모를 대상으로 선택적 파분쇄 및 분급기술을 이용하여 세라믹소재로 적합한 R2O(K2O+Na2O)품위향상에 미치는 영향을 조사한 결과를 아래에 나타내었다.
볼밀 또는 임팩트 밀을 이용하여 원광을 선택적 파분쇄 한 후, 볼밀의 분쇄시간에 따른 분쇄산물과, 임팩트 밀의 선속도에 따른 분쇄산물을 입도별 R2O품위를 비교해 본 결과 그림 3에서 나타난 것과 같이 분급산물 모두 입도가 작아질수록 R2O의 품위는 높은 것을 확인할 수 있었다. 그러나 두 분쇄산물의 평균입도가 3㎛로 같을 때 임팩트 밀의 분쇄산물의 R2O품위는 10.5%였고, 볼밀의 분쇄산물의 R2O품위는 9.9%였다. 즉 임팩트 밀의 R2O품위 정제율이 볼밀에 비해 높다는 것을 알 수 있었다.
그림 4는 볼밀과 임팩트 밀로 분쇄한 평균입도(D50=10㎛)가 동일한 산물의 X-선회절분석 결과를 나타낸 것이다. 볼밀로 분쇄한 산물의 석영에 의한 회절피크는 임팩트 밀의 분쇄 산물에 비해 뚜렷하게 나타났다.
이와는 반대로 임팩트 밀로 분쇄한 산물의 견운모에 의한 회절 피크는 볼 밀로 분쇄한 산물에 의한 견운모 회절 피크가 더 뚜렷하게 나타났다. 이러한 특성은 단체분리공정 중 석영과 견운모의 분쇄가 일어나면서 볼 밀로 분쇄한 경우는 광물의 경도에 관계없이 일정한 입도 이하로 견운모와 동시에 석영의 분쇄가 일어나게 되어 R2O 정제효율이 낮아지기 때문인 것으로 생각되었다.
반면 임팩트밀은 선속도를 증가하면서 피분쇄물에 가해지는 외력 역시 증가되어 필요에 따라 분쇄매체의 선속도 조절을 통하여 불순광물인 경질인 석영의 분쇄는 줄이고 연질인 견운모를 분쇄하여 R2O정제효율을 조절이 가능하기 때문이다. 따라서 원광으로부터 견운모 건식정제에 필수적인 선택분쇄에 효과적인 분쇄기기는 일반적으로 가장 많이 쓰이는 볼밀이 아닌 임팩트밀임을 알 수 있었다.

요소기술의 병용에 의한 일라이트의 정제
일반적으로 점토광물의 습식선별에 의한 정제는 수비, 자력선별, 산처리 및 부유선별 등에 의해 행해진다. 습식방법은 앞에서도 언급한 바와 같이 선별조작 후에 여과, 건조, 해쇄 등의 추가적인 공정도입으로 경제적인 부담이 더해지지만 건식에 비해 정제효율이 뛰어나다는 장점을 가지고 있어 고부가가치의 점토광물 미분체를 얻기 위해 적용될 수 있는 정제방법이다.
우리나라의 충북 영동군에 주로 부존되어 있는 일라이트 광물은 음이온방출 특성, 이온흡착특성 등을 이용하여 최근 입욕제, 기능성 화장품, 수처리제, 사료용 첨가제 등의 다양한 웰빙용 소재로 사용되고 있다. 이 지역에서 산출되는 일라이트에는 석영과 같은 경질광물 이외에도 철화합물이 산화물 및 유화물의 다양한 형태로 존재하여 한 가지 선별방법만을 이용해서는 이들 불순광물들을 제거하기 어렵다. 따라서 일라이트에 함유되어 있는 불순광물의 특성에 따라 적합한 요소 정제기술을 병합하여 고품위의 일라이트 미분체를 제조하고자 하였다.
먼저 점토의 미세 입자를 각 입자별로 분급하는 방법으로써 입자의 비중 차를 이용하여 물을 매체로 분급하는 수비를 이용하여 정제하면 그림 5의 결과에 나타낸 것처럼 수비에 의해서는 철분의 제거가 쉽게 이루어지지 않음을 볼 수 있었다. X-선회절분석한 결과로부터 float산물에는 일라이트 입자가 주로 모이고 sink 산물에는 조장석(albite) 등의 경질광물이 섞여 있음을 알 수 있으며, sink 산물에 조장석 이외에도 황철석 등이 혼재하고 있어서 Fe2O3의 함량이 약간 높아지는 원인으로 생각되었다.
일라이트에 함유된 함철 불순광물로는 갈철석 등 산화철은 물론이고, 일부 백운모 등에도 철분이 치환되어 자력선별에 의하여 쉽게 제거가 가능할 것으로 기대되어 광물의 서로 다른 자성차이를 이용하여 분리하는 선별법인 자력선별법으로 갈철석을 포함한 산화철 계통의 불순광물을 제거하고자 하였다. 자력선별시 인가전류가 작은 경우는 능철석(siderite)나 침철석(goethite)과 같은 강자성 산물이 주로 회수되고 있으나, 인가 전류의 세기가 클수록 일라이트의 X-선 회절 피크가 증대되고 상대적으로 능철석이나 침철석과 같은 강자성 산물의 회절 피크 강도가 작아지고 있음을 알 수 있었다.
따라서 인가전류의 강도가 크면 함철광물을 함유하고 있는 일라이트도 자성산물로 함께 회수되게 된다는 것을 알 수 있었으며 최종적으로 얻어진 정광은 주로 일라이트와 석영으로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 메디아로서 볼과 메쉬를 각각 사용하여 자력선별 실험한 결과, 메디아로서는 메쉬 보다는 볼을 사용하는 것이 탈철효과가 큰 것을 알 수 있었지만 Fe2O3 함량을 1 wt% 이하로 낮추기는 매우 어려우며 이는 불순함철광물로 황철석(Pyrite, FeS2)이 혼재되어 있기 때문이었다. 황철석은 자력선별로는 제거가 어렵기 때문에 부유선별법을 이용하여 황철석을 제거하여 0.3wt% 이하의 Fe2O3 함량을 가지는 일라이트를 회수하고자 하였다. 황철석 제거를 위한 부유선별 실험에 영향을 미치는 인자인 포집제 종류 및 첨가량, 기포제 첨가량, 수소이온 농도, 광액농도, 원료의 입도 등을 변화시켜 가며 부유선별을 실험한 결과, 최적의 조건에서 실험하여도 Fe2O3의 함량을 0.69%이하로 낮출 수 없었다. 이는 영동지역의 일라이트의 광물학적 특성상, 앞에서도 언급한 바와 같이 Fe2O3의 근원이 되는 광물들이 황철석 이외에도 미립의 견운모 사이에 존재하는 철화합물의 존재에 기인하는 것으로 사료된다.
따라서 최종적으로 일라이트 시료를 Fe2O3의 함량을 0.3wt% 이하가 되도록 정제하기 위해서는 둘 또는 그 이상의 요소기술을 병용하는 것이 바람직할 것으로 사료되었으며 부유선별을 행하여 황철석을 제거한 시료를 대상으로 다시 자력선별을 수행하여, AP407을 포집제로 이용하여 부유선별을 수행한 후 자력선별을 수행하면 정광의 Fe2O3 품위를 0.24%까지 낮출 수 있지만 경제성을 감안한 회수율을 고려하여 Fe2O3 품위 0.28%인 일라이트 정광을 74.63% 회수할 수 있게 되었다.

맺는 말
국내 광산에서 생산되는 고령토, 일라이트 및 견운모 등의 점토광물을 정제하여 부가가치를 향상시키기 위하여 점토광물에 혼입된 석영, 장석, 철분, 이산화티탄, 산화칼슘 등의 불순물을 제거하기 위한 기술을 개발하였다. 백색도, 가소성 및 수축율 등을 향상시켜 고급 도자기 원료 등과 같은 기능성 원료로 사용 가능성을 검토하기 위하여 먼저 원료광물의 물리 화학적 특성분석을 통한 불순광물의 종류 및 존재상태 분석이 중요하며, 이러한 기초특성평가를 바탕으로 하여 불순물과 점토광물과의 단체분리를 위한 해쇄실험, 불순물과 점토광물과의 분리를 위한 건식 분급에 의한 정제실험 결과, 국내 원광석의 특성을 고려하여 볼 때 채광→파쇄→건조→분쇄→공기분급 등, 공정이 단순하여 처리비가 저렴한 건식·정제기술을 중심으로 한 기술개발 및 산업화가 타당할 것으로 사료되지만 불순광물의 종류에 따라서는 부득이 부유선별과 같은 습식공정의 도입과 여러 가지 단위기술의 복합화를 통해서 최종 목적을 이루어 나가야 될 것으로 사료된다.

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그림 1. 선택적 파분쇄 및 분급을 이용한 정제기술의 개념도

그림 2. 선택적 파분쇄 및 분급을 이용하여 정제한 정광(좌)과 경질조립광물(우)의
X-선회절패턴 및 주사전자현미경 사진

그림 3. 분쇄매체에 따른 분쇄산물의 입도변화

그림 4. 분쇄매체에 따른 분쇄산물의 X-선회절 분석 결과

그림 5. 수비법에 의해 정제된 산물의 Fe2O3 함량 변화 및 X-선회절 패턴