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ISSN : 1225-309X(Print)
ISSN : 2288-7172(Online)
Journal of the mineralogical society of korea Vol.28 No.3 pp.233-244
DOI : https://doi.org/10.9727/jmsk.2015.28.3.233

The Effect of Microwave Heating on the Mineralogical Phase Transformation of Pyrite and Fe Leaching

Don-Sang You1, Cheon-Young Park2*
1Dept. of Leaders in Industry-University Cooperation, Chosun University, Gwang-ju, Korea
2Dept. of Energy and Resource Engineering, Chosun University, Gwang-ju, Korea
Corresponding author : +82-62-230-7878, cybpark@chosun.ac.kr
June 10, 2015 September 9, 2015 September 11, 2015

Abstract

In order to study the phase transformation of pyrite and to determine the maximum Fe leaching factors, pyrite samples were an electric furnace and microwave oven and then ammonia leaching was carried out. The rim structure of hematite was observed in the sample exposed in an electric furnace, whereas a rim structure consisting of hematite and pyrrhotite were found in the microwave treated sample. Numerous interconnected cracks were only formed in the microwave treated sample due to the arcing effect, and these cracks were not found in the electric furnace treated sample. Under XRD analysis, pyrite and hematite were observed in the electric furnace treated sample, whereas pyrite, hematite and pyrrhotite were found in the microwave treated sample. The results of the pyrite sample leaching experiments showed that the Fe leaching was maximized with the particle size of -325 mesh, sulfuric acid of 2.0 M, ammonium sulfate of 1.0 M, and hydrogen peroxide of 1.0 M. The electric furnace and microwave treated samples were tested under the maximum leaching conditions, the Fe leaching rate was much greater in the microwave treated sample than in the electric furnace treated sample and the maximum Fe leaching time was also faster in the microwave treated sample than in the electric furnace treated sample. Accordingly, it is expected that the microwave heating can enhance (or improve) Fe leaching in industrial minerals as well as pyrite decomposition in
gold ores.


마이크로웨이브 가열이 황철석의 상변환과 Fe 용출에 미치는 효과

유 돈상1, 박 천영2*
1조선대학교 LINC사업단
2조선대학교 에너지⋅자원공학과

초록

전기로와 마이크로웨이브에 노출시킨 황철석 시료에 대하여 광물학적 상변화를 파악하고 Fe 최대 용출 인자들을 결정하고자 하였다. 전기로에 노출시킨 시료에서 적철석으로 구성된 가장자리 구 조가 나타난 반면에 마이크로웨이브에 노출시킨 시료는 적철석과 자류철석이 가장자리 구조로 나타 났다. 특히 마이크로웨이브에 노출시킨 시료는 결정 내부에 아크방전에 의하여 수많은 크랙들이 서로 연결되어 형성되었지만 전기로에 노출시킨 시료는 크랙이 형성되지 않았다. XRD 분석에서, 전기로에 노출시킨 시료는 황철석과 적철석이 나타났지만 마이크로웨이브에 노출시킨 시료는 황철석, 적철석 및 자류철석이 나타났다. 황철석 시료에 대하여 암모니아 용출실험을 수행하여 Fe 용출률이 최대로 나타나는 인자들은 -325 mesh 입도, 2.0 M의 황산, 1.5 M의 황산암모늄, 1.0 M의 과산화수소 농도에 서였다. 용출률이 최대로 나타나는 인자들을 전기로에 그리고 마이크로웨이브 노출 시료에 각각 적용 한 결과 전기로 보다 마이크로웨이브에 노출시킨 시료에서 Fe 용출률이 더 많이 그리고 더 빠른 시간 에 나타났다. 따라서 산업광물에 포함된 Fe 제거에 혹은 금을 함유하는 황철석 분해에 마이크로웨이 브 가열이 효과적일 것으로 사료된다.


    Chosun University

    서 론

    황철석은 금광석광물(gold-bearing ore mineral) 에서 흔히 산출되는 황화광물이다. 황철석이 고령 토, 엽납석, 활석에서 함께 산출되면 이들 산업광 물을 고온-가공-처리하는 과정에서 Fe가 산화-착색 되어 품위가 저하된다(Ubaldini et al., 1996). 하지 만 황철석이 함금석영맥(gold-bearing quartz vein) 에서 산출되는 경우 금을 함유-운반하는 중요한 황 화광물로 작용한다(Huang and Rowson, 2002). 특 히 금광석(gold ore)에서 황철석이 산출되는 경우, 대부분의 금은 황철석에서 비-가시성 금(invisible gold) 형태로 존재한다(Allan and Woodcock, 2001). 이 비-가시성 금은 황철석과 고용체(solid solution) 상태로 혹은 극미립자 상태로 존재하기 때문에 볼 밀(ball mill)과 같은 기존 방법으로 미분쇄하여 금 을 황철석으로부터 단체분리(liberation)하기 매우 어렵다(La Brooy et al., 1994). 그러므로 비-가시 성 금광석으로부터 금을 효과적으로 회수하기 위 해서는 소성(roasting), 미생물 산화(bio-oxidation) 혹은 마이크로웨이브 에너지(microwave energy)와 같은 방법으로 전처리한다(Dunn and Chamberlain, 1997). 산업광물의 품위향상을 위해서 산업광물로 부터 황철석을 효과적으로 제거하는 기술 그리고 비-가시성 금 광석으로부터 금을 효과적으로 회수 하기 위해서는 황철석을 효과적으로 분해하는 기 술이 필요하다. 특히 금광석에서, 비-가시성 금을 황철석으로부터 효과적으로 분리시킬 수 있는 방 법으로 소성 혹은 마이크로웨이브로 가열 방법이 활용되고 있다(Amankwah and Pickles, 2009).

    비-가시성 황철석이 마이크로웨이브 에너지에 의해 가열되면 자류철석(pyrrhotite)과 적철석(hematite) 으로 변환 된다(La Brooy, 1994). 이때 황철석의 S 가 SO2로 제거되기 때문에 다공성 재질로 변환되 어 공극률이 증가된다. 그러므로 액상의 금 용매제 가 이들 공극 사이를 용이하게 침투되므로 금용출 이 향상된다(Prasad et al., 1991; Amankwah et al., 2005).

    전기로와 같이 기존의 가열방법으로 황화광물을 가열하면, 즉 소성시키면 열전달이 광물 입자 표면에 서 내부로 진행된다. 그러므로 표면의 온도가 높고 내부의 온도가 낮은 온도구배(temperature gradient) 가 형성된다. 그와 동시에 광물 표면에 자류철석과 적철석으로 구성된 다공질 층이 형성된다(Hu et al., 2006). 따라서 이런 이유 때문에, 황철석 입자 는 가장자리 구조(rim structure)가 형성한다. 이 가 장자리 구조는 최외곽 층, 증간 층, 그리고 반응이 일어나지 않은 핵으로 구분된다. 최외곽 층은 치밀 한 자류철석 그리고 중간 층은 다공질 상의 적철석 으로 된다(Haque, 1999; Amankwah et al., 2005; Olubambi et al., 2007).

    그러나 황화광물을 마이크로웨이브로 가열시키면 열전달이 광물 입자 내부에서 표면으로 진행된다. 그러므로 내부 온도가 높고 외부 온도가 낮은 온도 구배(temperature gradient)가 형성된다(Pickles, 2009b). 황화광물을 마이크로웨이브에 노출시키면 마이크로웨이브를 잘 흡수하는 광물은 매우 빠르게 가열되고 반대로 마이크로웨이브를 투과시키는 맥 석광물(gangue mineral)은 가열되지 않는다. 이들 광물들이 서로 다른 비율로 가열되므로 광물 경계 면에서 혹은 광물 내부에서 미소파쇄대(microfracturing) 나 마이크로크랙(microcrack)이 발생한 다. 이로 인하여 광석 파쇄비 절감, 단체분리 증가 및 유용금속의 용출 효율이 증가되기 때문에 외국에 서는 마이크로웨이브를 황화광물에 적용하는 연구가 활발하게 진행되어 왔다(Jones et al., 2002; Uslu et al., 2003; Waters et al., 2007; Pickles, 2009a; Ma et al., 2010; Amankwah and Ofpri-Sarpong, 2011; Barani et al., 2011; Chen et al., 2012). 그러나 국 내의 경우, 마이크로웨이브 에너지를 황화광물에 적용한 연구는 Kim et al. (2013)Han et al. (2014)에 의해 진행되었을 뿐이다.

    따라서 본 연구 목적은 입방체 황철석을 전기로와 마이크로웨이브에 동일 조건으로 노출시켜 광물학 적 상변화를 비교분석하고자 하였다. 또한 이들 열 분해 산물에 대하여 암모니아 용출실험을 수행하 여 Fe 용출 특성을 고찰하고자 하였다.

    실험재료 및 분석방법

    시료

    황철석 시료는 전남 화순군 한천면 지하수 시추 공에서 채취하였다. 황철석 시료는 대부분 입방체 의 자형 결정이었다. 황철석 시료에 대하여 XRF 화학분석한 결과 Fe가 40.25% 그리고 S가 45.99% 로 나타났다. 황철석 시료는 미분쇄한 다음 -12 × 20 mesh 입도 그리고 +140 mesh에서 -325 mesh 범위의 입도로 습식 체분석(wet-sieving)하였다. 이 들 입도시료는 각각 전기로와 마이크로웨이브 가 열 시험에 시용하였다.

    전기로 및 마이크로웨이브 가열 실험

    습식 체 분석된 황철석 시료 6.0 g을 전기로 (F47950-26, USA)와 마이크로웨이브 오븐(Samsung RE-432-R, Korea, 60 Hz, 2450 MHz와 800 W)에 각각 넣고 동일한 온도(472, 640, 876℃)와 시간 (10, 30, 60분) 동안 각각 노출시켰다. 시료의 가열 온도는 K type의 thermocouple 온도계(K type, Yokogawa 2572)를 시료에 직접 삽입하여 측정하 였다. 가열된 -12 × 20 mesh 입도 시료에 대하여 연 마편을 제작하였으며, 연마편 표면에 남아있는 잔류물 을 초음파(ultrasonic cleaner, 화신테크, power sonic 510)로 철저히 제거하였다. 연마편에 대하여 광학현 미경(Nicon, ECLIPSE LV100DOL)과 SEM/EDS (electron scanning microscope, Japan, Hitachi, S4800) 분석을 수행하였다. XRD (X’Pert Pro MRD (MRD), PANalytical, Netherlands)분석은 40 kV, 30 mA, step size 0.03 (2θ), scan step time (s) 1.0000, Cu target Kα (1.54060 Å) 조건에서 분석하였다. 분 석 전에 Si 표준시료(NIST Silicon 640c)를 magazine에 올려서 56.102° (2 theta) 구간을 manual scan (range = 0.5 deg, step size = 0.01, time = 1 sec)하여 2 theta 값이 항상 56.102° (오차범위 ± 0.02)에 위치하도록 영점조정하였다. 가열된 +140 mesh에서 -325 mesh 범위의 입도 시료는 암모니 아 용출실험에 사용하였다.

    용출실험

    용출실험은 Table 1에서와 같은 용출용액 조성 (leaching condition)과 변수(variable factors)로 수 행하였으며, 용출용액은 0.5 M H2SO4, 1.0 M ammonium sulfate and 0.5 M hydrogen peroxide와 함께 증류수로 제조하였다. 용출실험이 진행되는 동 안 시간별로 용출용액 1.0 ml를 채취하여 Fe 함량 을 AAS (atomic absorption spectrophotometry, AAS, AA-7000, Shimadzu, Japan)으로 측정하였 다. Table 1에 언급한 조건들로 용출실험을 수행하 여 Fe가 최대로 용출되는 인자들, 즉 입도크기 효 과, 황산농도 효과, 황산암모늄 농도 효과 그리고 과산화수소 농도 효과 등을 차례로 결정하였다.

    실험 결과 및 고찰

    전기로와 마이크로웨이브 가열 효과

    가열온도에 의한 무게 감소

    -12 × 20 mesh 황철석 6.0 g을 마이크로웨이브 오븐과 전기로에서 다양한 시간으로 가열시험을 수행하였다. 그 결과 온도가 증가하면 시료의 무게 감소량이 증가하였다(Fig. 1). 이와 같은 결과는 소 성과 마이크로웨이브 가열에 의하여 황철석의 S가 SO2로 변환되어 제거되었기 때문이다(Huang and Rowson, 2002; Al-Harahsheh, 2004). 마이크로웨 이브와 전기로에서 일어난 시료의 무게 감소는 거 의 동일하게 나타났다.

    마이크로웨이브 가열에 의한 광물학적 상변환

    현미경 관찰과 XRD분석

    Fig. 2는 황철석 시료(-21 × 20 mesh)를 전기로 에서 다양한 시간 동안 노출시킨 반사편광 현미경 사진이다. 전형적인 자형의 입방체 황철석 시료들 이 관찰되었으며(Fig. 2a), 472℃에서 10분 동안 가열한 결과 황철석의 가장자리가 적철석으로 상 변환된 가장자리구조가 나타났다(Fig. 2b). Fig. 2c 에서는 가장자리 구조가 증가되어 나타나는데(Fig. 2c), 이는 가열시간이 30분으로 증가되었기 때문이 다. 이와 같이 황철석 표면이 가장자리 구조로 나 타나는 원인은 전기로의 열이 황철석의 표면에서 부터 중심으로 이동되기 때문이다. 따라서 표면부터 S가 SO2로 제거되어 적철석의 가장자리 구조가 형 성된 것이다(Music et al., 1992). Fig. 2b와 Fig. 2c 에서 나타나는 가장자리 구조는 Boyabat et al. (2003)이 제시한 열분해(thermal decomposition)에 의한 수축코어모델(shrinking core model)에 의한 결 과로 해석된다. 876℃에서 60분 동안 가열하자 황철 석 전체가 모두 적철석으로 변환되었다(Fig. 2d).

    -21 × 20 mesh 시료를 전기로에 10분, 30분 그 리고 60분 동안 노출시킨 후, 이 시료를 다시 -325 mesh로 미분쇄하여 XRD분석하였다(Fig. 3). 그 결과 전기로에 노출시키지 않은 시료(Fig. 3a)와 10분 동안 노출시킨 시료(Fig. 3b)에서 황철석에 해당되는 회절선들이 나타났다. Fig. 2b의 현미경 관찰에서 황철석 가장자리가 적철석으로 상변환되 었지만 XRD 분석에서 적철석에 해당되는 회절선 은 검출되지 않았다. 그러나 전기로에서 30분 동안 그리고 60분 동안 노출시킨 시료에서 각각 적철석 에 해당되는 회절선들이 나타났다(Fig. 3c, Fig. 3d). 황철석과 적철석의 회절선들이 30분 노출시킨 시료에서 동시에 나타나고 있다(Fig. 3c). 황철석과 적철석의 회절선이 동시에 나타나는 원인은 Fig. 2c의 현미경에서 보는 바와 같이 황철석이 부분적 으로 적철석으로 상변환되었기 때문이다. 이는 황 철석이 적철석으로 상변환되는 온도가 740℃이기 때문이다(Amankwah and Pickles, 2009). 전기로에 서 60분 동안 노출시킨 시료 모두에서 적철석에 해당되는 회절선이 나타났다(Fig. 3d). 60분 노출 시료에서 모두 적철석에 해당되는 회절선이 나타 나는 원인은 가열 온도가 876℃이어서, 황철석이 분해되는 온도 740℃를 초과하였기 때문이다.

    -21 × 20 mesh 시료를 마이크로웨이브에 시간 별로 노출시킨 후, 이를 편광반사현미경으로 관찰 하였다. 그 결과 마이크로웨이브에 노출되지 않은 시료는 전형적인 황철석의 입방체 결정이 관찰된 다(Fig. 4a). 마이크로웨이브에 10분 동안 노출시킨 시료에서 미세한 홀(hole)이 결정 내부에 형성된 것이 관찰되었다(Fig. 4b), 30분 노출시킨 시료에 서 가장자리 구조가 형성되었으며, 이 가장자리 구 조는 적철석과 자류철석으로 구성되어 되어있었다 (Fig. 4c). 가장자리 구조는 최외곽에 자류철석 층 이 그리고 안쪽에 다공질의 적철석 층이 그리고 안 쪽에는 상변환되지 않은 황철석 핵(core)으로 구성 되었다. 60분 동안 노출시킨 시료는 모두 적철석으 로 상변환되었으며, 적철석 내부에 발달된 크랙 (crack)들은 크게 확장되고 그리고 외부로 개방되 었다(Fig, 4d).

    -21 × 20 mesh 시료를 마이크로웨이브에 시간 별로 노출시킨 후 XRD 분석을 수행하였다. 마이 크로웨이브에 노출시키기지 않은 시료에서 전형적 인 황철석의 회절선들이 나타났다(Fig. 5a). 마이크 로웨이브에 10분(Fig. 5b), 30분(Fig. 5c) 동안 노 출시킨 시료에서도 황철석의 회절선들이 나타났다. Fig. 4c에서 보는 바와 같이 30분 노출시킨 시료 (Fig. 4c)에서 가장자리 구조로 적철석이 형성된 것을 현미경으로 확인하였지만, XRD 분석에서는 적철석의 회절선이 나타나지 않았다. 마이크로웨이 브에 60분 동안 노출시킨 시료에서 황철석, 적철 석, 자류철석의 회절선들이 동시에 나타났다(Fig. 5d). 이러한 이유는 마이크로웨이브 노출시료는 광 물을 내부에서 외부로 열이 이동되며, 전기로는 외 부에서 내부로 열이동이 일어나면서 내부에서 열 이동될 때 결정학적 결함이 있는 곳에서부터 열이 발생되기 때문에 원소황이 승화하지 못한 크랙주 변부에서 자류철석이 관찰될 수 있었다. 산업광물 에 불순물로 작용하는 황철석을 마이크로웨이브로 처리하면 자류철석이 생성될 것이고, 이를 자력선 별로 제거하면 산업광물의 품위를 간단하게 향상 시킬 수 있을 것이다(Znamenackova et al., 2005; Omran et al., 2014).

    마이크로웨이브에 30분 동안 노출시킨 시료에 서, 황철석 표면에 가장자리 구조가 그리고 황철석 결정 내부에서 무수히 많은 크랙(crack)들이 동시 에 형성되었다(Fig. 6a). 황철석 표면에 형성된 적 철석의 가장자리 구조는 열분해에 의한 수축코어 모델에 의한 결과로 해석된다(Boyabat et al., 2003). 그리고 황철석 결정 내부에 형성된 크랙들 은 아크방전 효과(arcing effect)에 의한 결과로 사 료된다(Haque, 1999; Waters et al., 2007). 실제로, 마이크로웨이브 노출 과정에서 황철석 표면에서 아크방전이 일어나면서 가스가 격렬하게 발생하는 것을 볼 수 있다. 이들 크랙들을 확대해 보면(Fig. 6b, Fig. 6c), 크랙 중심에서 좌우대칭으로 적철석 과 황철석으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있 다. 황철석 결정 내부에서 이와 같이 크랙들이 형 성되는 원인은 마이크로웨이브 가열이 황철석 시 료 내부에서 일어났기 때문이다(Olubambi et al., 2007). 즉, 전기로에 의한 가열은 열전달이 시료 외부 표면에서 시작되어 내부로 진행되지만, 마이 크로웨이브에 의한 열 발생이 시료 내부에서 시작 되고 그리고 이 열전달이 시료 내부에서 시작되어 외부로 진행되었기 때문이다(Pickles, 2009b). 따라 서 내부에서 발생한 열에 의하여 열응력(thermal stress)이 생성되고, 이로 인하여 크랙들이 형성된 것으로 사료된다.

    마이크로웨이브에 60분 동안 노출시킨 시료를 확대한 결과 황철석 표면에 적철석으로 구성된 가 장자리 구조가 형성되었다(Fig. 7a). 이 가장자리 구조는 미세한 직선의 다공상 기공들이 무수히 발 달되어 있으며, 이들 직선의 다공상 기공들은 모두 외부로 연결되었다. 그리고 가장자리 구조의 모서 리 부분은 양쪽으로 확장되면서 파열되어 나타난 다(Fig. 7b). 미세한 선상의 다공상 기공들이 외부 로 연결된 원인은 마이크로웨이브 가열에 의해서 황철석의 S가 가스 상태의 SO2로 변환되면서 외부 로 제거되었기 때문으로 생각된다. 그리고 모서리 부분이 확장-파열된 원인은 SO2 변환에 의하여 체 적팽창이 양쪽으로 일어났기 때문이다. 미세한 직 선의 다공상 기공들이 외부로 연결되었기 때문에 그리고 모서리 부분이 확장-파열되었기 때문에 시 안 혹은 비-시안 용매와 같은 용액들이 잘 침투할 수 있을 것이다. 따라서 가장자리 구조 안에 존재 하는 금과 같은 유용금속이 효과적으로 용출될 수 있을 것으로 예상된다.

    EDS분석 결과

    마이크로웨이브 가열에 의해 상변환 된 가장자 리 구조에 대하여 SEM-EDS 분석을 수행하였다. Fig. 8a는 Fig. 4c의 시료를 SEM으로 관찰한 것이 다. 그리고 Fig. 8b는 Fig. 8a를 확대한 것으로서 가장자리 구조에 대하여 EDS 분석을 수행하였다 (Table 2). 마이크로웨이브 가열에 의하여 황철석 이 가장자리 구조가 형성되었으며, 이 가장자리구 조는 매질이 치밀한 최외곽 부분, 다공질상의 중간 부분 그리고 황철석 핵(core)으로 구성되어 있다. Fig. 8b에서 가장자리 구조의 최외곽 부분, 즉 치 밀한 매질(matrix)로 구성된 부분은 자류철석(1 and 2 points in the Table 2)으로 그리고 다공질 매질로 구성된 중간 부분은 적철석(from 4 to 7 in the Table 2)으로 변환되었다. 핵 부분은 황철석 (from 8 to 10 points in the Table 2)으로 남아있 다. 특히 다공질상의 중간 부분에서 C와 O가 검출 되고 있다. C와 O가 검출되는 원인은 마이크로웨 이브 가열에 의하여 산화작용과 아크방전이 일어 났기 때문인 것으로 사료된다. Fig. 9a는 아크방전 이 일어난 황철석 결정의 내부(Fig. 6d)를 확대한 현미경사진이며, Fig. 9b는 Fig. 9a를 SEM으로 관 찰한 것이다. Fig. 9b은 황철석(11 and 12 points in the Table 2), 아크방전이 발생한 장소(13 and 14 points in the Table 3)와 적철석(from 15 to 18 points in the Table 2)으로 구성되어 있다. 특히 아크방전이 발생한 장소에서 C와 O가 검출되고 있다. C와 O가 검출되는 원인은 격렬한 아크방전 에 의하여 대기 중 산소와 탄소가 결합된 것으로 사료된다. Fig. 10은 황철석이 마이크로웨이브 가 열에 의하여 완전히 자류철석(19 and 20 point in the Table 2)과 적철석(21 and 22 points in the Table 3)으로 변환되었다.

    암모니아 용출실험

    최대 Fe 용출인자

    4가지 입도의 시료(전처리 하지 않은 시료) 1.0 g를 아용하여 Table 1에서와 같이 Fe 용출실험을 수행하였고, 그 결과를 Table 3에 정리하였다. 암 모니아 용액을 본 실험에 적용한 이유는 암모니아 가 Au는 물론 Zn, Cu, Ni 등과 같은 유용금속 용 출에 효과적으로 이용되고 있을 뿐만 아니라 산업 광물과 같은 비금속광석에서 품위향상을 위하여 Fe 제거에 효과적으로 이용되고 있기 때문이다. 특 히 암모니아는 시안(cyanide)이나 차아염소산나트 륨에 비하여 상대적으로 독성이 적어 환경적 영향 과 비용적 측면에서 저렴하기 때문이다(Beckstead and Miller, 1977; Das and Anand, 1995; Rao and Ray, 1998; Ghosh et al., 2002).

    60분 동안 용출실험을 수행한 결과, Fe 용출률은 +140 mesh에서 50%, 140 × 200 mesh에서 58%, 200 × 325 mesh에서 58%, 그리고 -325 mesh에서 64%로 나타났다(Table 3a). Fe 용출률이 -325 mesh에서 최대로 나타났기 때문에 다음 용출실험 은 -325 mesh로 수행하였다.

    -325 mesh 시료 1.0 g을 황산암모늄 0.5 M, 과 산화수소 0.5 M을 첨가하고, 황산 농도를 변화시 켜서 암모니아 용출실험을 수행하였다(Table 3b). 그 결과 황산 농도 0.5 M에서 Fe 용출률이 65%, 1.0 M에서 78%, 2.0 M에서 81% 그리고 3.0 M에 서 71%로 나타났다. Fe 용출률이 최대로 나타나는 황산 농도는 2.0 M에서였다. 따라서 다음 용출실 험은 황산 농도 2.0 M으로 수행하였다.

    -325 mesh 시료 1.0 g, 황산 농도 2.0 M, 과산 화수소 0.5 M을 첨가하고, 황산 암모늄 농도를 변 화시켜서 암모니아 용출실험을 수행하였다(Table 3c). 그 결과, 황산암모늄 농도가 0.5 M일 때 Fe 용출률이 79%, 1.0 M일 때 80%, 1.5 M일 때 85% 그리고 2.0 M일 때 82%로 나타났다. Fe 용 출률이 최대로 나타나는 황산암모늄 농도는 1.5 M 에서였다. 다음 용출실험은 황산암모늄 농도 1.5 M로 수행하였다.

    -325 mesh 시료 1.0 g, 황산 농도 2.0 M, 황산 암모늄 1.5 M을 첨가하고 과산화수소 농도를 변화 시켜서 용출실험을 수행하였다(Table 3d). 그 결과, 과산화수소 농도가 0.5 M일 때 Fe 용출률이 86%, 1.0 M일 때 95%, 2.0 M일 때 94% 그리고 3.0 M 일 때 93%로 나타났다. Fe 용출률이 최대로 나타 나는 과산화수소 농도는 1.0 M일 때였다. 다음 용 출실험은 과산화수소 농도 1.0 M으로 수행하였다 (Antonijevic et al., 1997).

    전기로 및 마이크로웨이브 노출 시료에 대한 암모니아 용출실험

    Fe가 최대로 용출되는 인자들을 이용하여, 즉 -325 mesh 시료 1.0 g, 황산 2.0 M, 황산암모늄 1.5 M, 과산화수소 1.0 M을 첨가하여, 용출용액을 제조하였다. 이 용출용액을 전기로와 마이크로웨이 브에 노출시킨 시료(-12 × 20 mesh)에 각각 적용 하여 Fe 용출실험을 수행하였다.

    전처리하지 않은 시료(non-treated sample), 전기 로에 10분 동안 노출시킨 시료 그리고 마이크로웨 이브에 10분 동안 노출시킨 시료(-12 × 20 mesh) 에 대하여 각각 용출실험을 수행하였다(Fig. 11). 60분 동안 용출실험을 수행한 결과, 전처리 하지 않은 시료에서 Fe 용출률이 95%, 10분 동안 전기 로에 노출시킨 시료에서 96% 그리고 10분 동안 마이크로웨이브에 노출시킨 시료에서 98%로 나타 났다. 전기로 보다 마이크로웨이브에 노출시킨 시 료에서 Fe가 더 많이 용출되었다. Fig. 2b와 Fig. 4b에서 보는 바와 같이, 전기로에 10분 동안 노출 시킨 시료는 이미 가장자리 구조로 적철석이 형성 되었지만(Fig. 2b) 마이크로웨이브에 노출시킨 시 료는 가장자리 구조로 적철석이 형성되지 않았다 (Fig. 4b). 그러나 Fe 용출이 전기로 보다 마이크로 웨이브 노출시료에서 더 많이 나타나는 것은, Pickles (2009b)가 제시한 바와 같이, 마이크로웨 이브 가열에 의해서 크랙들이 시료 내부에서 외부 로 연결되었기 때문인 것으로 사료된다. 실제로 전 기로 보다 마이크로웨이브에 10분 노출시킨 시료 에서 내부 홀(hole)이 더 많이 형성된 것을 현미경 관찰에서 확인하였다.

    30분 동안 전기로와 마이크로웨이브에 노출시킨 시료에 대하여 각각 암모니아 용출실험을 수행하 였다(Fig. 12). 그 결과, 전처리되지 않은 시료에서 Fe 용출률이 95%로 나타났다. 전기로와 마이크로 웨이브에 노출시킨 시료에서, 최대로 용출되는 Fe 용출률은 98%였다. 전기로에 노출시킨 시료는 용 출시간 30분만에 Fe가 98%로 나타난 반면에 마이 크로웨이브에 노출시킨 시료는 용출시간 15분만에 이미 Fe 용출률이 98%에 도달하였다. Fe 최대 용 출률(98%)에 도달하는 시간이 전기로 보다 마이크 로웨이브 노출 시료에서 더 빨랐다. 이와 같은 원 인은 암모니아 용액이 가장자리 구조를 통해서 혹 은 아크방전에 의해 형성된 황철석 내부의 크랙으 로 쉽게 침투할 수 있었기 때문으로 생각한다. XRD 분석의 Fig. 3c와 Fig. 5c에서 보는 바와 같 이 마이크로웨이브 보다 전기로 노출시료에서 더 많은 적철석의 회절선들이 형성되었다. Fig. 6과 Fig. 9에서 보는 바와 같이, 마이크로웨이브에 노출 시킨 시료는 황철석 결정 내부까지 크랙들이 서로 연결되었지만 전기로에 노출시킨 시료는 내부 크랙 들이 전혀 형성되지 않았다. 그러므로 암모니아 용 액은 가장자리 구조와 크랙들 사이로 용이하게 침투 할 수 있었을 것이다(Amankwah and Pickles, 2009). 전기로 보다 마이크로웨이브에 노출시킨 시료가 더 빨리 최대 Fe 용출률에 도달되었다. 이와 같은 결 과는 시료 내부에 형성된 크랙들이 외부와 연결된 정도에 따라 달라지는 것으로 사료된다(Olubambi et al., 2007; Amankwah and Ofpri- Sarpong, 2011).

    결 론

    전기로와 마이크로웨이브에 황철석 시료를 노출 시킨 결과 노출시간이 증가할수록 무게감소가 증 가하였다. 전기로에 노출시킨 시료는 적철석으로 구성된 가장자리 구조가 나타났지만, 마이크로웨이 브에 노출시킨 시료는 적철석과 자류철석으로 구 성된 가장자리 구조가 나타났다. 특히 마이크로웨 이브에 노출시킨 시료는 결정 내부에 아크방전에 의하여 수많은 크랙들이 서로 연결되어 형성되었 지만 전기로에 노출시킨 시료는 크랙이 형성되지 않았다. XRD분석에서, 전기로에 노출시킨 시료는 황철석과 적철석의 회절선이 나타났지만 마이크로 웨이브에 노출시킨 시료는 황철석, 적철석 및 자류 철석의 회절선들이 나타났다. 황철석 시료에 대하 여 암모니아 용출실험을 수행하여 Fe 용출률이 최 대로 나타나는 인자들은 -325 mesh 입도, 2.0 M의 황산, 1.5 M의 황산암모늄, 1.0 M의 과산화수소 농도에서였다. Fe 용출률이 최대로 나타나는 인자 들을 전기로에 그리고 마이크로웨이브 노출 시료 에 각각 적용한 결과 전기로 보다 마이크로웨이브 에 노출시킨 시료에서 Fe 용출률이 더 많이 그리 고 더 빠른 시간에 나타났다. 따라서 산업광물에 포함된 황철석 제거 혹은 금을 함유하는 황철석 분 해는 전기로 보다 마이크로웨이브가 더 효과적일 것으로 사료된다. Fig. 13

    Figure

    JMSK-28-233_F1.gif

    The weight loss vs temperature for pyrite sample (-12 × 20 mesh) in the microwave oven and electric furnace.

    JMSK-28-233_F2.gif

    Cross-polarized light of photomicrograph for the roasted pyrite samples in the electric furnace. exposure time; 0 min (a), 10 min (b), 30 min (c) and 60 min (d). The scale bar is 200 μm in length. Magnification; 50X. H; hematite, Py; pyrite.

    JMSK-28-233_F3.gif

    XRD patterns for the roasted pyrite samples in the electric furnace. exposure time; 0 min (a), 10 min (b), 30 min (c) and 60 min (d). H; hematite, Py; pyrite.

    JMSK-28-233_F4.gif

    Cross-polarized of photomicrograph for microwave-treated pyrite samples. exposure time ; 0 min (a), 10 min (b), 30 min (c) and 60 min (d). The scale bar is 200 μm in length. Magnification; 50X. H; hematite, Ph; pyrrhotite, Py; pyrite.

    JMSK-28-233_F5.gif

    XRD patterns for microwave-treated pyrite samples. exposure time; 0 min (a), 10 min (b), 30 min (c) and 60 min (d). H; hematite, Ph; pyrrhotite, Py; pyrite.

    JMSK-28-233_F6.gif

    Cross-polarized photomicrograph of the microwave-treated pyrite sample for 30 min, The scale bar is 200 μm in length. Magnification; 50× (a), 100× (b), 200× (c) and 500× (d). H; hematite, Py; pyrite.

    JMSK-28-233_F7.gif

    Plan-polarized light of photomicrograph for the microwave-treated pyrite samples for 60 min, The scale bar is 200 μm in length. Magnification; 50× (a), 100× (b). H; hematite, Py; pyrite.

    JMSK-28-233_F8.gif

    SEM image of the microwave-treated pyrite sample from Fig. 4c. The scale bar is 200 μm (a) and 100 μm (b) in length. Numbers are the positions of EDS analysis.

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    Cross-polarized photomicrograph (a) and SEM image (b) of the microwave-treated pyrite sample form Fig. 6. The scale bar is 200 μm (a) and 50 μm (b) in length. Numbers are the positions of EDS analysis.

    JMSK-28-233_F10.gif

    Cross-polarized photomicrograph (a) and SEM image (b) of the microwave-treated pyrite sample for 30 min. The scale bar is 200 μm (a) and 50 μm (b) in length. Numbers are points of EDS analysis.

    JMSK-28-233_F11.gif

    The Fe leaching rate vs time in the ammonia leaching test. ○; raw sample, ■; exposure time for 10 min at electric furnace, ▲; exposure time for 10 min at microwave oven.

    JMSK-28-233_F12.gif

    The Fe leaching rate vs time in the ammonia leaching test. ○; raw sample, ■; exposure time for 30 min at electric furnace, ▲; exposure time for 30 min at microwave oven.

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    The Fe leaching rate vs time in the ammonia leaching test. ○; raw sample, ■; exposure time for 60 min at electric furnace.

    Table

    The ammonia leaching conditions and variable factors and leaching rate

    The chemical composition of EDS analysis on the Fig. 8, 9, 10

    p.; points, el.; elements, at.%; atomic %

    The ammonia leaching conditions and variable factors and leaching rate

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