Rougher flotation of copper flotation tailings from southern Peru: Fe upgrading, metallurgical balance and batch flotation kinetics

남부 페루의 구리 공장에서 나온 거대하고 먼지 쌓인 찌꺼기 더미를 상상해 보세요. 이것은 단순한 쓰레기가 아닙니다. 공장이 암석에서 좋은 구리를 이미 모두 뽑아낸 뒤 남겨진 미세한 모래와 진흙인 '광미(tailings)'입니다. 오랫동안 사람들은 이 더미가 거의 쓸모없다고 생각했지만, 케니 살라사르(Kenny Salazar)라는 호기심 많은 연구원은 이렇게 궁금해했습니다. 만약 우리가 이 폐기물 속에서 가치 있는 무언가를 낚아 올릴 수 있다면 어떨까?

구체적으로, 그는 이 안에 숨겨진 철을 뽑아낼 수 있는지 알고 싶었습니다.

거대한 발굴: 진흙 웅덩이에서의 낚시

살라사르는 실험실에 공장의 거대한 기계를 축소해 놓은 모델을 설치했습니다. 그는 이 남은 진흙 한 국자(거친 모래 크기이며, 중간 입자 크기는 약 101 마이크로미터)를 가져와 거품이 이는 탱크에 넣었습니다. 그는 물의 산성도를 바꾸기 위해 화려한 화학 물질을 추가하지 않았고, 그저 자연스러운 pH인 6.5에서 6.8 사이의 상태로 그대로 두었습니다.

그는 '소듐 이소프로필 잔세이트(sodium isopropyl xanthate)'라는 특수한 '낚시 미끼'와 'MIBC'라는 거품 형성제를 사용했습니다. 이 화학 물질을 철 입자를 끈적하게 만드는 자석이라 생각하고, 거품을 그물을 생각하면 됩니다. 거품이 떠오를 때, 이 거품들은 끈적한 철을 붙잡아 위로 끌어올려 거품이 일어나는 '정광(concentrate)' 더미를 만들었습니다.

결과: 함정이 있는 보물 찾기

실험은 성공적이었지만, 반전이 있었습니다. 살라사르는 **50.77 ± 0.68 wt.%**의 철을 함유한 거품 더미를 뽑아내는 데 성공했습니다. 이는 시작할 때의 더미가 **24.79 wt.%**의 철만을 가지고 있었던 것에 비하면 엄청난 상승입니다. 그는 샘플에 존재하는 전체 철의 약 **58.33 ± 1.76%**를 잡아냈으며, 이때 차지하는 총 무게는 **33.80 ± 0.62%**였습니다.

이것은 섞여 있는 돌더미 속에서 금화가 든 주머니를 찾는 것과 같지만, 여기에는 함정이 있습니다. 본 논문은 이것이 "황철석(pyrite, 바보의 금)" 구조 작전이 아님을 명시적으로 배제하고 있습니다.

왜일까요? 시작할 때의 더미는 단순히 황철석만이 아니었기 때문입니다. 그것은 철 황화물, 철 산화물, 규산염, 그리고 탄산염이 뒤섞인 복잡한 혼합물이었습니다. X선 장비는 철이 다양한 변장을 하고 숨어 있다는 것을 보여주었습니다. 연구진은 최종 더-미의 황 함량을 테스트하거나 현미경으로 광물을 관찰할 방법이 없었기 때문에, 자신들이 "나쁜" 황을 뽑아낸 것인지 아니면 그냥 "좋은" 철을 뽑아낸 것인지 확신할 수 없습니다. 그래서 그들은 이를 "황철석 정광"이 아닌 "철이 풍부한 조정광(Fe-rich rougher concentrate)"(철이 풍부한 더미)이라고 부릅니다. 그들은 황의 환경 문제를 해결했다고 주장하지 않기 위해 매우 주의를 기울였는데, 왜냐하면 황을 측정하지 않았기 때문입니다.

시간과의 싸움: 키네틱 게임

이 "낚시"가 얼마나 빨리 진행되는지 보기 위해, 살라사르는 경주를 진행했습니다. 그는 9분 동안 매 분마다 거품을 수집했습니다.

• 1분째: 첫 번째 스쿱은 **50.34 ± 0.85 wt.%**의 철을 함유하여 매우 풍부했지만, 전체 철의 **8.83 ± 0.14%**만을 잡아냈습니다.
• 9분째: 끝날 때쯤 더미는 커졌지만, 더 느리고 순도가 낮은 입자들로 인해 "희석"되었습니다. 철의 함량은 **38.39 ± 0.14 wt.%**로 떨어졌지만, 잡힌 전체 철의 양은 **41.76 ± 0.82%**로 늘어났습니다.

이것은 아이스크림을 푸는 것과 같습니다. 첫 번째 스쿱은 가장 풍부하고 완벽한 맛입니다. 계속해서 퍼내다 보면 더 많은 전체 아이스크림을 얻게 되지만, 통 바닥에 있는 더 부드럽고 덜 맛있는 부분들이 섞이기 시작합니다.

수학 퍼즐: 어떤 공식이 승리할 것인가?

살라사르는 만약 이 과정을 영원히 계속한다면 얼마나 많은 철을 잡을 수 있을지 예측하기 위해 세 가지 수학 공식(고전 1차 모델, 쌍곡선 모델, 그리고 클림펠 모델)을 사용했습니다.

• 세 공식 모두 데이터와 거의 완벽하게 일치했는데, 이는 마치 같은 목적지로 향하는 세 개의 서로 다른 지도와 같습니다.
• 고전 1차(Classical First-order) 모델은 계속 진행한다면 결국 철의 **54.11 ± 1.19%**를 잡을 수 있을 것이라고 제안했습니다.
• 쌍곡선(Hyperbolic) 모델은 더 낙관적이어서, **83.12 ± 1.94%**를 예상했습니다.
• 클림펠(Klimpel) 모델은 **66.98 ± 1.50%**를 추측했습니다.

논문은 이 수치들이 단지 수학적 곡선의 형태에 기반한 추측일 뿐이라고 언급합니다. 실험은 9분 동안만 진행되었고 약 42%의 철만을 포집했기 때문에, 최종 한계치가 얼마인지는 아무도 알 수 없습니다. 논문은 "최종 회수율"은 어떤 수학 도구를 사용하느냐에 전적으로 달려 있으므로, 이 숫자들을 확정된 사실로 취급해서는 안 된다고 주장합니다.

결론

이 연구는 페루의 구리 광미에서 철 함량을 안정적으로 높여, 폐기물 더미를 더 가치 있는 철 제품으로 바꿀 수 있음을 증명합니다. 하지만 논문은 매우 분명하게 밝히고 있습니다: 이것은 위험한 황을 제거했거나 환경을 구했다는 증거가 아닙니다. 최종 더미의 황 함량과 특정 광물을 테스트하지 않고서는, "나쁜" 물질이 남겨졌는지 아니면 철과 함께 딸려 왔는지 알 수 없습니다.

따라서 철 낚시는 성공적이었지만, 환경 정화 이야기는 아직 쓰이지 않은 상태로 남아 있습니다. 연구진은 철을 잡는 방법에 대한 견고한 기준을 세웠지만, 다음 단계는 정말로 황이 사라졌는지 확인하기 위한 탐정 작업이 필요합니다.