광물자원개발과 환경 2

(1)

전 효 택 교수 서울대학교 공과대학 에너지자원공학과 E-mail: chon@snu.ac.kr

목 차 목 차

서 론 1

광물자원개발과 환경 2

4 결론

에너지자원개발과 환경 3

서론 – 지구자원이란?

지구자원이란?

천연자원 중 생물자원을 제외한 모든 자원의 총칭

총칭

광물자원 에너지자원

지구자원

서론 – 자원전쟁 서론 – 자원전쟁 한정된 자원과 인류의 미래, 그리고 환경

새로운 자원개발과 환경문제 대책이 시급 새로운 자원개발과 환경문제 대책이 시급

자원전쟁의 최전선– 뉴욕 상품거래소

자원전쟁

(천연자원을 둘러싸고 벌어지는 새로운 냉전의 시대, 세미나리움총서 017)

(2)

광물자원 개발과 환경 광물자원 개발과 환경

광물자원이란 ? 천연 암석이나 광물 또는 그것이 반가공된 것

금속광물과 비금속광물 자원으로 구분

광물자원

금속

알칼리금속 (Alkali)-K, Na

알칼리토금속 (Alkaline earth)-Be, Mg

전이금속 (Transition element) 철

비금 속

비철금속

베이스메탈 (Base metal) –Cu, Pb, Zn

희유금속 (Rare metal) – Sn, Mo 귀금속 (Precious metal) – Au, Ag

광물자원 개발과 환경 여러가지 광물자원

Gold Diamond Ullmannite NiSbS

Torbernite Copper Uraninite http://www.mindat.org

Cu(UO

₂

)

₂

(PO

₄

)

₂

·12H

₂

O

UO

₂

http://www.unitednuclear.com

광물자원 개발과 환경 광물자원 개발과 환경

1 광물자원은 광물자원은 재생 재생 불가능함 불가능함 광물자원의 특성 광물자원의 특성

2 3 4

특정광물자원은

특정광물자원은 일부 일부 지역 지역 혹은 혹은 국가에 국가에 편중 편중

생산량

생산량 증가에 증가에 따른 따른 환경오염 환경오염 발생 발생 생산량이

생산량이 증가한다고 증가한다고 생산비가 생산비가 감소하지 감소하지 않음 않음

5 ^개발대상 ^{개발대상 광종이} ^{광종이 경제성} ^{경제성 및} ^{및 회수기술에} ^{회수기술에 따라} ^{따라 변화} ^변화 6 대규모의 대규모의 초기투자 초기투자 후 후 자본 자본 회수기간이 회수기간이 오래 오래 걸림 걸림

광물자원의 분포 광물자원의 분포

(출처: USGS, 2007)

(3)

광물자원의 분포 광물자원의 분포

몇 가지 금속광물자원의 국가별 매장량이 세계의 확보광량에서 차지하는 비율

금 백금 니켈 코발트

(한국자원정보서비스(KOMIS) 자료; USGS, 2006)

금속광물 가격 변동

금속 광물 가격 변화

60,000.00

10 000 00 20,000.00 30,000.00 40,000.00 50,000.00

,

US $/ 톤 니켈

구리 주석 납

0.00 10,000.00

200 2년 1 월 200 2년 5 월 200 2년 9 월 200 3년 1 월 200 3년 5 월 200 3년 9 월 200 4년 1 월 200 4년 5 월 200 4년 9 월 200 5년 1 월 200 5년 5 월 200 5년 9 월 200 6년 1 월 200 6년 5 월 200 6년 9 월 200 7년 1 월 200 7년 5 월

한국자원정보서비스(KOMIS) 자료

광물자원 개발과 환경 우리나라의 현실

금속광의 경우 매장량이 절대적으로 부족

- 금속광 가채년수(매장량/국내수요량)는 0.48 - 2.45년 (※ 금. 은, 동, 연, 아연, 철)

비금속광의 매장 절대량은 풍부하나, 고품위광의 매장량은 빈약 - 석회석, 규석, 납석, 장석 등 100년 이상의 가채년수 - 환경규제지역, 수송불가능 지역 등 개발 불가능

자원이 상당량

- 고품위 고령토, 장석, 규석 등은 다량 수입 광물자원의 수입의존도 확대

- 금속광물자원의 경우 99% 이상을 수입 의존

구분 1995 2000 2005

금속 99.1 99.5 99.3

비금속 25.2 27.9 29.7

합계 81.1 80.7 86.7

(출처: KORES, 2008) (출처: KORES, 2008) 국내 광물자원 수입의존도 변화 추이 (%, 경상가격 기준 산정)

광물자원 개발과 환경 광물자원개발 절차

2. 광물탐사 광물탐사

1. 1. 유용광물의 유용광물의 농집 농집

3. 3. 채광 채광 광물자원개발

광물자원개발

5. 5. 환경문제 환경문제

4. 4. 광물처리 광물처리

(4)

광상(鑛床, Ore Deposit)

지각의 국부에 유용광물이 천연적으로 집합

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집 (1)

하여 채굴의 대상이 되는 곳

광화작용(鑛化作用, Mineralization)

유용금속들의 지각평균함량은 매우 낮아 농집되어야 채광 경제성이 있으며, 이 농집작용을 광화작용이라고 함

광석(鑛石, Ore)

광화 작용을 거쳐 금속 및 비금속이 광물의 집합체를 이룬 것

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집 (2)

마그마 기원 광상 (Magmatic Deposit) 마그마 기원 광상 (Magmatic Deposit)

마그마의90% 정도의 결정화가 진행 될 때까지의 마그마의 주고결 단계에서 형성된광상

1) 페그마타이트 (Pegmatite) 광상

2) 층상관입암체 (L d I i ) 2) 층상관입암체 (Layered Intrusion)

3) 킴벌라이트 (Kimberlite) : 다이아몬드

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집(3)

퇴적광상 (Sedimentary Deposit) 퇴적광상 (Sedimentary Deposit)

퇴적물의 농집에 의해 생성된 광상

1. 퇴적작용에 의한 광상의 형성

적절한 공급물질이 용해되어 퇴적분지로 운반된 후 침전되거나 유

용물질 자체가 퇴적되어 형성

2. 풍화작용에 의한 광상의 형성 – 기계적 풍화, 화학적 풍화 3. 증발작용에 의한 광상의 형성

B d d I F i B d d I F i Banded Iron Formation Banded Iron Formation

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집(4)

변성광상 (Metamorphic Deposit) 변성광상 (Metamorphic Deposit)

변성작용에 수반된 조암광물의

재결정화작용 및 재배열에 의하여 형성되는 광상으로,

대표적인 예

재결정화작용 및 재배열에 의하여 형성되는 광상으로, 온도, 압력, 시간과 용액의 종류가 유용광물 형성에 중요한 요인으로 작용

석면 (Asbestos)

(5)

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집(5)

열수광상 (Hydrothermal Deposit) 열수광상 (Hydrothermal Deposit)

-열수에 의하여 형성되는 광상 (Au Ag Cu Pb Zn) (Au, Ag, Cu, Pb, Zn)

열수 : 초생수, 순환수, 함수광물로부터 방출된 물 혹은 이들의 혼합물로서

뜨거운 물을총칭하는 용어

마그마 챔버 (magma chamber) 주변의 열수의 생성

다양한 경로의 열수광상 모식도

광물자원 개발과 환경 2. 광물탐사(1)

예비조사 및 지질조사

지구화학탐사

물리탐사

원격탐사

검층

예비조사 및 탐사

19 19

COMPANY POLICY tradition, size exploration

i li ti fi i

POLITICAL FACTORS taxation, fiscal and resource

policies of governments

광체를 찾기 위한 탐사 전략 수립 과정 (Govett, 1983)

specialization; refining and marketing facilities ECONOMIC ANALYSIS

OF COMMODITY MARKETS

GEOGRAPHICAL FACTORS transportation, labour, energy markets, working conditions

GEOLOGICAL FACTORS favourability for particular

minerals ECONOMIC ANALYSIS

20 20 OTHER OPTIONS purchase of mine, prospect, etc.

MINERAL EXPLORATION COMMODITY SELECTIONAND

(6)

SELECTION OF REGION

SELECTION OF DISTRICT acquisition of

regional scale geological data

> 5,000 km²

500 – 5,000 km² reconnaissance

exploration

MINERAL EXPLORATION

SELECTION OF TARGETS

5 – 50 km²

< 5 km² SELECTION OF AREA

follow-up exploration exploration

detailed exploration

IDENTIFICATION OF TARGET exploration

IDENTIFICATION OF MINERAL OCCURRENCE assessment

drilling

IDENTIFICATION OF MINERAL DEPOSIT IDENTIFICATION OF

ORE DEPOSIT

Possible reversion of commodity targets Stop work due to unfavourable results

drilling

development work

Stages of an exploration project (Modified from Eimon 1988)

C SCALE

Feasibility Study Key decision node

Rate of expenditure

PENDITURE –LOGARITHMIC

Regional Selection

Area Selection

Prefeasibility

Study Mine

production initiation HIGH RISK

DECREASING RISK

22 22 Conceptual

planning Detailed planning

Reconn- aissance exploration

Target appraisal

Exploration drilling Assessment

drilling Mine develop. Mining

Decommiss- ioning and rehabilitation Literature

review Literature

review Field visit

Remote sensing, regional geochem, airborne geophysics

Geochem, ground geophysics,

mapping, surveying

Pilot metallurgical

studies Test mining

and metallurgical

studies Production

shaft, decline or overburden removal

ACTIVITYEXP

Selection of region

Acquisition of regional scale geological data

Region > 5,000 km

²

문헌조사 및 예비조사

지질도 및 광역지구화학도 조사

기존 광산개발 자료 조사

GIS를 활용한 자료 통합

Field visit

23 23

지질조사 및 시료 채취

항공기, 헬리콥터, 원격탐사영상, GPS 장비 등 활용

지질도 및 광역지구화학도 조사

영국의 구리(Cu) 광역지구화학도

(Webb et al., 1978)

24 24

이상대(Anomaly)

한국자원정보서비스(KOMIS) 자료

(7)

기존 광산개발 자료 조사

보고서 및 논문 참고 광산개발 지도

25

한국자원정보서비스(KOMIS) 자료

25

Selection of district

Reconnaissance exploration

District : 500 – 5,000 km

²

(서울시의 면적 : 605.40 km

²

)

적용 가능한 탐사 방법

원격탐사

지구물리탐사

지구화학탐사

26 26

지구물리탐사

항공탐사

지하 암염돔 모델링 물리탐사

27

Ore deposit

a) 자력탐사

b) 중력탐사

c) 전자탐사

d) 초저주파탐사 역산

(Moon et al., 2006)

지구화학탐사

암석지구화학 탐사

암석의 화학조성(일반적으로 미량원소)을 측정하여 광화작용과 공간적으로 관련된 원소들의 분포 패턴을 탐지

공간적으로 관련된 원소들의 분포 패턴을 탐지

28 28

(Craig et al., 1996)

(전효택 외, 1993)

(8)

지구화학탐사

토양지구화학 탐사

금속이 풍부한 모재가 있는 곳 에서 간단한 풍화작용에 의한 에서 간단한 풍화작용에 의한 흔적의 양상은 매장된 광석에 대해 매우 직접적이고 명백한 지구화학적 지침을 제시

Geochemical differences between the clay-sized (<0.002mm) and silt and clay-sized (<0.063mm)

29 29

fractions reflect mineral partitioning (Shilts, 1993, 1995).

http://gsc.nrcan.gc.ca

(Quebec, Canada)

St di t

수계지구화학 탐사

물, 퇴적물 시료 채취

지구화학탐사

- Professor H.E. Hawkes (1976) - 하나의 퇴적물 시료가

광범위한 지역을 대표함

Stream sediments dilution formula

30 30

A

^a

Me

^a

= A

^m

Me

^m

+ (A

^a

– A

^m

) Me

^b

지구화학탐사

31 31

지구화학탐사

식물지구화학 탐사

생지구화학적 방법 ( i h i l

소련 아르메니아 공화국Okhchi River에서 식물회 및 토양 중의Mo 함량

(Biogeochemical prospecting)

식물의 기관에 함유된 원 소함량을 이용

지구식물학적 방법

Cu-Mo 광화작용의 영향을 받은

32 32

(Geobotanical prospecting)

식물상 및 형태 등을 육안 으로 관찰하여 탐사에 적 용

Papaver commutatum의 꽃잎

a. 정상적인 꽃잎 b. 변형된 꽃잎 c. 꽃부리의 상호관계

a b

c (전효택 외, 1993)

(9)

Selection of area

Follow-up exploration

Area : 5 – 50 km

²

적용 가능한 탐사 방법

원격탐사

지구물리탐사

지구화학탐사

33 33

원격탐사 자료를 활용한 암종 구분

(Utah, USA)

Selection of targets

Detailed exploration

Target : < 5 km

²

적용 가능한 탐사 방법

원격탐사

지구물리탐사

지구화학탐사

+

34

중력 이상대가 주 광체(+)와 일치 +

+

Portuguese pyrite belt (Data from Leca, 1990)

Identification of target

Exploration drilling

탐사자료를 바탕으로 광체의 실재 여부와 연장부 파악을 위해 수행

넓은 간격으로 시추

Kirkland lake

35

미국Ontario주 Kirkland lake에서의 kimberlite 탐사35 (McClenaghan et al., 1996)

Identification of mineral occurrence

Assessment drilling

광체의 두께, 심도별 품위를 측정하고 광체의 넓이(맥폭)을 추정하여 광물의 매장량 계산

광물의 매장량 계산

UDR 5000 (drilling rig) on it t T i Hill i

36 36

site at Turquoise Hill, in Mongolia.

http://www.ivanhoe-mines.com

(10)

광물자원량의 분류

매장량과 관련된 용어

확정광량(Measured resources) 지질조사가 완료되어 두 단면 이 상에서 시추조사를 하여 확인된 광 체만을 대상으로 계산된 광량

추정광량(Indicated resources) 광체의 한 단면만을 확인하거나 확인된 구간으로부터 더 넓은 범위 로 계산된 광량

예상광량(I f d )

(Kesler, S.E., 1994)

37 37

예상광량(Inferred resources) 지질학적 광량이라고도 하는데 지 질조사 결과로서 확인된 광체로부 터 지질학적 조건만으로 부존이 예 상되는 구간을 대상으로 계산한 광 량

(전용원 외, 1997)

토양지구화학 탐사 사례

연구지역 지도 및 지질도 아프리카 말리 지역에서의 금광 탐사(Chon, 1997)

연구지역 주변 사진 및 시료채취 과정

Reconnaissance survey : 37 traverse lines (259 km in total length)

2 597 개의 토양 시료 채취

2,597 개의 토양 시료 채취

(11)

Au As

Detailed survey : 26 traverse lines (53 km in total length) 2,146 개의 토양 시료 채취

개미집(Termitaria) 시료 채취

Detailed survey 과정에서

총 80개의 개미집 시료를 채취

(12)

채광 (Mining)

광물자원 개발과 환경 3. 채광

목적하는 광물을 지표, 지하, 해저에서 채굴하여 최종산물이 경제성을 갖는 상품이 되도록 하는 작

업

채광조건의 3 요소

(Brian Knapp, BSc, PhD The earth resources, 2001)

광량 광량

경비 경비 품위

품위

““채광작업은 채광작업은 이윤을

이윤을 추구하는 추구하는 작업이다 작업이다..””

““채광작업은 채광작업은 이윤을

이윤을 추구하는 추구하는 작업이다 작업이다..””

광물자원 개발과 환경 4. 광물자원처리

채광이 끝난 광석을 경제성 있는 정광이 되게 하는 작업과정

(출처: KORES, 2008) (출처: KORES, 2008)

광물자원 개발과 환경 5. 환경문제(1)

자연환경의 훼손

산성광산배수의 발생

중금속오염

지반침하

비산되는 작은 입자들에 의한 공기오염 등

식물계 조성을 통한 오염지역의 환경복원

광물자원 개발과 환경 5. 환경문제(2)

광물자원 개발과 환경

5. 환경문제(2)

(13)

산성광산배수 (Acid Mine Drainage, AMD)

광산의 개발로 인한 폐석더미로부터 유출되는 산성수 광산으로부터 산 생성물과 독성물질이 토양, 호수, 강으

로

유입되어 수서생물의 수와 종류에 영향을 미치며 지하수계를 오염시킴

광물자원 개발과 환경 5. 환경문제(3)

지하수계를 오염시킴

산성광산배수의 생성

1. 산화-환원 반응 및 산의 생성

-> 광체나 탄층 내에 있던 황화물이 산소를 포함하 는 대기 및 산소를 포함하는 물과 접촉하게 되면

서 용해 및 산화가 일어남

2. 황철석의 산화

광물자원 개발과 환경 5. 환경문제(4)

중금속 오염

폐금속 광산 지역의 폐금속 광산 지역의 중금속 노출

Pollution Index (P.I.) (Chon et al., 1995) P.I. =

P.I. =

Tolerable level (Permissible level) : approximate concentration of the elements in subsurface soil above which crops produced are considered as unsafe for human or animal health

unsafe for human or animal health

P.I. > 1 : metal concentrations in soil are above the tolerable level P.I. < 1 : average level of metals in soil is below the tolerable level

Total

Total 906 906 Au Ag

Au Ag 487 487

Metal Mines in Korea (MOCIE, 1999)

Abandoned metal mines : 894 mines (98.7%) Au, Ag

Au, Ag 487 487

Cu, Pb, Zn

Cu, Pb, Zn 369 369 Fe

Fe 10 10

W

W 21 21

Mo

Mo 55

Mn

Mn 22

Working metal mines : 12 mines

Bi

Bi 22

Ni

Ni 66

Sn

Sn 33

Co

Co 11

(14)

Location of the Study Mines

127

^o

129

^o

z

z z

Geodo Cu-Fe

z z Dongjung Au-Ag

Seoul

Dongil Au-Ag Okdong Cu-Pb-Zn

Songcheon Au-Ag

Dokok Au-Ag Hwacheon Au-Ag z z

z

z z Kubong Au-Ag z

Shiheung Cu-Pb-Zn

Sambo Pb-Zn-

Barite

Shinyemi Pb-Zn-Fe 38

^o

36

^o

0 100km

36 Shiheung Cu-Pb-Zn mine

Shiheung Cu-Pb-Zn mine

(15)

1995 1996

1997 1998

Sambo Pb-Zn-barite mine

Sambo Pb-Zn-barite

mine

(16)

In summer In fall

Kubong Au-Ag mine

(17)

in Sediments < 10 in Rice stalks 10 – 20

> 20 mg/kg

< 1.0 1.0 – 5.0

> 5.0 mg/kg

Tailings Tailings

in Paddy soils < 1.0 in Rice grains

1.0 – 2.0

> 2.0 mg/kg

< 0.1 0.1 – 1.0

> 1.0 mg/kg

Stream Stream

in Paddy soils

in Sediments < 100

100 – 1000

> 1000 mg/kg

< 20 20 – 100

> 100 mg/kg

in Rice stalks

in Stream and shallow wells < 10

10 – 50

> 50 μg/kg

< 3.0 3.0 – 6.0

> 6.0 mg/kg

Stream Stream

in Paddy soils < 0.5

0.5 – 1.0

> 1.0 Tailings

in Rice stalks

in Rice grains

< 1.0 1.0 – 2.0

> 2.0

< 1.0 1.0 – 2.0

> 2.0 P.I. = [As/20 + Cd/3 + Cu/100 + Pb/100 + Zn/300] / 5

P.I. = [As/0.15 + Cd/0.091 + Cu/4.5 + Pb/0.8 + Zn/21.5] / 5 Tailings

Tailings Stream

Stream

P.I. = [As/1.7 + Cd/0.2 + Cu/30 + Pb/10 + Zn/150] / 5 Stream

(18)

광물자원 개발과 환경 5. 환경문제(5)

지반침하 (Ground Subsidence)

광산개발로 형성된 지하갱도 및 채굴적붕괴로 철도, 도로, 가옥 등의 구조물이 파괴됨

ex) Ohio의 지반침하

인체위해성 평가

Human risk assessment around some abandoned metal mine sites some abandoned metal mine sites

Risk Assessment Modeling

Interaction Interaction

Construction of a conceptual model for the exposure pathways

Principal exposure factors

Body weight : 60 kg Life expectancy : 76.5 year Soil ingestion : 50 mg/day Rice intake : 374 g/day Water consumption : 2.0 L/day Working period : 210 days/year Chemical analytical data Input data for Korean farmer

Interaction Principal exposure factors Interaction

Exposure assessment Toxicity assessment

Exposure pathway - Soil, Groundwater, Food Estimate contaminant intake

Dose-response assessment - Collection of quantitative

toxicity information

Interaction Interaction Risk characterization

Estimation of toxic risk Estimation of cancer risk

Exposure Pathway

2 1

1. Aqueous effluents entering surface and groundwater systems 2. Contaminated dust entering surface water bodies

3. Contaminated surface and groundwater used for irrigation and drinking

4 Di l f t i t d ti l t

Multiple pathways of exposure

1

6

3 4 5

2

4. Disposal of contaminated particulate matter onto agricultural soils 5. Soil ingestion (through bad hygiene) 6. Plant uptake from soils 7. Ingestion of contaminated plants 7

7 6

(19)

• Average Daily Dose (ADD)

Exposure Assessment – Exposure intake

y C = Concentration of contaminant in the environmental sample (e.g. water, soil, air in mg/L, mg/kg, mg/m

³

, etc.)

C ¯ IR ¯ ED ¯ RAF ¯ EF

ADD [mg/(kg·day)] =

BW ¯ AT ¯ 365

y IR = Ingestion rate per unit time (L/day, mg/day) y RAF = Relative absorption factor (unitless) y EF = Exposure frequency (days/year) y ED = Exposure duration (years) y BW = Body weight of the receptor (kg) y AT = Averaging time (years)

Location of Study Mines

127

^o

129

^o

z

z z z

Dongjung (DJ) Au-Ag

Seoul

Dongil (DI) Au-Ag Okdong (OD)

Cu-Pb-Zn

Songcheon (SC) Au-Ag

Dokok (DK) Au-Ag Hwacheon (HC) Au-Ag z z

38

^o

36

^o

0 100km

36

^o

Site Description for Study Mines

Mine

Type of ore

deposits Major metals Main geology Sulfide minerals Woking

period Production Chalcopyrite

Dongil (DI)

Hydro- thermal vein type

Au, Ag, Cu, Pb, Zn Sedimentary rocks

Chalcopyrite, Galena, Pyrite,

Sphalerite, Arsenopyrite

1975 - 1992 –

Okdong (OD) Cu, Pb, Zn

Sedimentary rocks (Shale, Sandstone)

Chalcopyrite, Galena, Sphalerite, Pyrite

1936 - 1988 –

Songcheon (SC) Au, Ag Metamorphic

rocks

Arsenopyrite, Sphalerite, Galena

1962 - 1977 Au : 208kg, Ag : 1606kg Sedimentary Galena,

S h l it A 105 t

Dongjung (DJ) Au, Ag, Pb, Zn

Sedimentary rocks

& Biotite granite

Sphalerite, Pyrite, Arsenopyrite

1933 - 1976 Au ore : 105 ton (1975 – 1976)

Dokok (DK) Au, Ag, Cu

Sedimentary rocks

& Quartz porphyry

Chalcopyrite, Sphalerite,

Galena, Pyrite 1936 - 1989 Cu ore : 2000 ton

Hwacheon (HC) Au, Ag, Pb, Zn Sedimentary

rocks Arsenopyrite,

Galena, Pyrite 1933 - 1977 Au ore : 123 ton (1976 - 1977)

Mine Waste Materials

Dongil mine

Stream

Okdong mine

Tailing piles (1

^st

) Tailing piles

Stream

Tailing piles (2

^nd

)

(20)

Dongjung mine

Mine Waste Materials

Tailing piles

Songcheon mine

Tailing piles

Mine adit Tailing piles

1m

Waste rocks

T ili il

Dogok mine Hwacheon mine

Mine Waste Materials

Tailing piles

Paddy fields

Tailing piles

Heavy Metal Contamination (SC)

Agricultural Soils (mg/kg)

Red pepper (mg/kg) leaves grains

As 24080

Cd 8

Cu 130

Pb 3830

Tailings (mg/kg)

As 230.0

Cd 1.9

Cu 121.0

Pb 160.0

Zn 164.0

È Ä

As 2.26 0.39 Cd 0.48 0.06 Cu 4.10 5.50 Pb 1.81 0.13 Zn 110.00 23.00

Stream water used for Ê

Human Intake

Zn 2410 Ê

As 0.246

Cd 0.168

Cu 0.003

Pb 0.001

Zn 3.899

drinking water (mg/L)

Ä

Pollution Index for soils (SC)

S3

N

S9300m300m3503504400500450ZnN200m s200m 300m300m350350400400500500450450Cd300m300m350350400500450CdS9200m 300m300m350350400400500500450450200m PbN

S9300m300m350350400400500450ZnN200m s200m 300m300m350350400400500500450450Cd300m300m35035040400500450CdS9200m 300m300m350350400400500500450450200m PbN

300m 300m 350

350400 400

500 500450

450

S7 S8

S9

200m 200m

1 As Cd Cu Pb Zn P.I. = ( + + + + )

5 20 3 100 100 300

(21)

Metal Concentrations in Tailings and Soils

Mine Sample type As Cd Cu Pb Zn

T ili 8720 5 9 3610 5850 630

Tailings 8720 5.9 3610 5850 630

Agricultural soils 36 2.3 124 33 75

Tailings 72 53.6 910 1590 5720

Agricultural soils 14 3.5 57 44 104

Tailings 24080 8.2 130 3830 2410

Agricultural soils 230 1.9 121 160 164

Tailings 3620 12.2 144 5140 3060

Agricultural soils 95 3 9 30 381 517 Dongjung

(DJ) Dongil

(DI) Okdong

(OD) Songcheon

(SC)

Agricultural soils 95 3.9 30 381 517

Tailings 220 90.2 3050 9470 14500

Agricultural soils 8 3.0 37 47 137

Tailings 72 12.4 34 580 1300

Agricultural soils 19 3.8 28 234 255 ( )

Dokok (DK) Hwacheon

(HC)

unit : mg/kg

Metal Concentrations in Plants and Waters

Sample type Mine As Cd Cu Pb Zn

Dongil 0.10 0.36 7.3 0.46 39.8

Okdong 0.24 0.12 3.4 0.20 21.2

Hwacheon 0.23 0.16 2.2 0.08 28.3

Dongil 0.035 0.006 0.007 0.016 0.022

Okdong 0.038 0.006 0.029 0.058 0.098

Songcheon* 0.246 0.168 0.003 0.001 3.899

Rice grain (mg/kg)

Groundwater used for

Dongjung 0.009 0.002 0.030 0.041 0.215

Dokok 0.001 0.054 0.005 0.001 0.317

Hwacheon 0.007 n.d. 0.011 0.007 0.047

drinking water (mg/L)

* Songcheon mine area : Stream water is used for drinking water

Results of ADD for As, Cd and Zn

unit : mg/kg-day

Pathway Mine As Cd Zn

Dongil 5.18 x 10^-6 1.32 x 10^-6 2.16 x 10^-5 Okdong 2.01 x 10^-6 2.01 x 10^-6 2.99 x 10^-5 Songcheon 3.31 x 10^-5 1.09 x 10^-6 4.72 x 10^-5 Dongjung 1.37 x 10^-5 2.24 x 10^-6 1.49 x 10^-4 Dokok 1.15 x 10^-6 1.73 x 10^-6 3.94 x 10^-5 Hwacheon 2.88 x 10^-6 2.19 x 10^-6 7.34 x 10^-5 Dongil 1.12 x 10^-3 1.92 x 10^-4 7.03 x 10^-4 Okdong 1.21 x 10^-3 1.92 x 10^-4 3.13 x 10^-3 Songcheon 7 86 x 10^-3 5 37 x 10^-3 1 25 x 10^-1 Soil

pathway

Gro nd ater Songcheon 7.86 x 10 5.37 x 10 1.25 x 10 Dongjung 2.88 x 10^-4 6.39 x 10^-5 6.87 x 10^-3

Dokok 3.20 x 10^-5 1.73 x 10^-3 1.02 x 10^-2 Hwacheon 2.24 x 10^-4 n.d. 1.50 x 10^-3 Dongil 6.03 x 10^-4 2.17 x 10^-3 2.40 x 10^-1 Okdong 1.45 x 10^-3 7.24 x 10^-4 1.28 x 10^-1 Hwacheon 1.39 x 10^-3 9.65 x 10^-4 1.71 x 10^-1 Groundwater

pathway

Rice grain pathway

Toxic (Noncancer) Risk

: Is expressed in terms of Hazard Quotient (HQ) for a single substance or Hazard Index (HI) for multiple substances or exposure pathways

Risk Characterization - Estimate of toxic risk

intake or exposure ADD Hazard Quotient (HQ) = =

reference dose RfD

Hazard Index (HI) = ADD

₁

/RfD

₁

+ ADD

₂

/RfD

₂

+ · · · + ADD

_i

/RfD

_i

= ∑ HQs

¿

Results of hazard indices for As, Cd and Zn

Mine HI for As HI for Cd HI for Zn HI

Dongil 5.76 2.56 0.80 9.1

Okdong 8.88 1.11 0.44 10.4

Songcheon 26.32 10.74 0.42 37.5

Dongjung 1.00 0.13 0.02 1.2

Dokok 0.11 3.45 0.03 3.6

Hwacheon 5.38 0.97 0.57 6.9

(22)

Cancer Risk

Is the probability of an individual developing any type of cancer from lifetime exposure to carcinogenic hazards

Risk Characterization - Estimate of cancer risk

lifetime exposure to carcinogenic hazards

Cancer risk = average daily dose × slope factor

(from exposure assessment) (from IRIS)

= ADD × SF

¿

Results of cancer risk for As

Mine Soil pathway Groundwater pathway Rice grain pathway

Dongil 3.1 x 10^-6 6.6 x 10^-4 3.6 x 10^-4

Okdong 1.2 x 10^-6 7.2 x 10^-4 8.5 x 10^-4

Songcheon 2.0 x 10^-5 4.6 x 10^-3 -

Dongjung 8.0 x 10^-6 1.7 x 10^-4 -

Dokok 6.8 x 10^-7 1.9 x 10^-5 -

Hwacheon 1.6 x 10^-6 1.3 x 10^-4 8.2 x 10^-4

Bioremediation Bioremediation

Introduction Introduction

• Clean up methods using natural microbes (such as bacteria, plant, fungi, etc.)

• Degrade hazardous organic contaminants g g

• Convert hazardous inorganic contaminants to less toxic compounds of safe levels

• Apply to soils, subsurface materials, water, sludges, and residues

Disadvantages Affecting factors Advantages

Length of bioremediation Long monitoring time Not all pollutants Toxicity of byproducts

Water, temp., pH, O2

C, N, P, nutrients The amount of microbes Activity of microorganism Toxic materials

Low cost

Natural process

Minimal exposure to the contaminant

Minimum amount of space and equipment

Metal-microbe interactions Metal-microbe interactions

Biosorption Bioleaching

e.g. Heterotrophic leaching Insoluble

t l Organic

+ id

Microbial Cell

M

²⁺

M

²⁺

M

²⁺

metal acid

Soluble metal chelate

+

Metal (oxidized soluble)

MO

22+

MO

Enzyme-catalysed

transformations Biomineralization

HPO

42-

+ M

²⁺

→ MHPO

4

H

₂

S + M

²⁺

→ MS

e.g. Bioreduction Metal (reduced insoluble)

MO

2

(23)

Case history: biosorption of heavy metals in soils (Kim and Chon, 2008) Case history: biosorption of heavy metals in

soils (Kim and Chon, 2008)

Electrostatic complexation between

Metal removal by biosorption

metal ions (positive charge) and bacterial cell wall (negative charge)

carboxyl (COO

^-

)

^Zn

phosphoryl (PO

₄^3-

)

2+

Pb²⁺

Cu²⁺

hydroxyl (OH

^-

) amine (NH

₄⁺

)

Cd²⁺ Ni²⁺

• Phylogenetic tree

Isolated bacteria were identified by 16s ribosomal DNA sequencing

Indigenous bacterium tolerant to high Pb and Cd

Identification of bacteria Identification of bacteria

Bacteria; Firmicutes; Bacilli; Bacillales; Bacillaceae;

Bacillus; Bacillus cereus group; Bacillus thuringiensis Bacillus carboniphilus JCM9731

Bacillus sporothermodurans M215 Bacillus shackletonii LMG 18435

Bacillus aeolius 41 Bacillus marisflavi TF11

Bacillus aquimaris TF12 Bacillus vietnamensis 151

Bacillus muralis LMG 20238 B ill i i i IFO15566

95 85

79 45 39 52

54

Bacillus niacini IFO15566 Bacillus siralis 171544 Bacillus flexus IFO15715 SPb-1

Bacillus thuringiensis NCIMB 9134 Bacillus thuringiensis ATCC10792

Bacillus weihenstephanensis DSM11821 Bacillus mycoides ATCC6462 Bacillus mycoides 6462

Bacillus halmapalus DSM 8723 Bacillus luciferensis LMG 18422

96 44 91 90 100

97 90

52 62

Batch-type experiments Batch-type experiments

Effects of bacteria concentration

90 95

% )

⁸⁰

90

% )

70 75 80 85 90

Bio s o rp tio n r a te ( %

0.5g/L 1g/L

2g/L 10

20 30 40 50 60 70

B ios orpt io n ra te ( %

0.1g/L 0.5g/L 1g/L 2g/L 3g/L

65

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

4g/L

0 10

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Pb Cd

에너지 문제 에너지 문제

“향후 50년간의 인류의 10가지 문제”

- Richard E. Smalley

(1996년 노벨 화학상 수상자)

-

1 Energy 1. Energy

2. Water 3. Food 4. Environment 5. Poverty 6. Terrorism & War 7. Disease 8. Education 9. Democracy 10. Population

We know we have to do this : Revolutionize Energy

(Cheap, Clean and Massive Energy System)

(24)

전세계 및 국내 에너지 소비 현황(2003년)

1차 에너지 최종에너지

세계 OECD 한국 세계 OECD 한국

(단위 : %)

에너지 문제 에너지 문제

석유 34.4 40.7 52.0 석유 42.6 52.7 58.6

석탄 24.4 20.5 22.2 석탄 7.4 3.4 13.8

가스 21.2 22.0 11.2 가스 16.4 19.9 9.4

원자력 6.5 10.7 15.1 전력 16.1 19.4 15.4

수력 2.2 2.0 0.8

연소가능한 재생가능&

폐기물

14.0 3.2

폐기물 2.8

연소가능한 재생가능&

폐기물

10.8 3.3 1.5

재생가능 3.5 1.4

재생가능 0.5 0.8

계 100 100 100 계 100 100 100

(IEA, 2005)

에너지자원 개발과 환경 에너지자원 개발과 환경

에너지자원 에너지자원

비재생 에너지 자원 : 화석연료 (석탄, 석유, 천연가스) 환경문제 발생과 관련

재생 에너지 자원 : 태양열, 지열, 조력, 풍력

청정 에너지 → 연구 개발이 시급함 청정 에너지 연구 개발이 시급함

석탄이 만들어지는 과정

1 에너지자원 개발과 환경 1. 석탄

에너지자원 개발과 환경 1. 석탄

1

3

2

석탄의 분포현황

에너지문제 (1) 초고유가 및 화석연료 고갈 에너지문제 (1) 초고유가 및 화석연료 고갈

한정된 화석에너지 석유 : 41년

천연가스 : 67년 화석연료

부 존 량

[자료 : BP]

US DOE EIA (2007) : 2030년 180$/bbl 예측

석탄 : 192년 부 존 량

주요 에너지원인 석유가격 급상승

Oil Production Peak BRICs 국가의 수요 급증

BRICs란? 2000년대를 전후해 빠른 경제성장을 거듭하고 있는 브라질·러시아·인도·중국 등 신흥경제 4국을 일컫는 경제용어

(25)

에너지문제 (2) 온실가스에 의한 기후변화 에너지문제 (2) 온실가스에 의한 기후변화

5 817

(단위 : Mt of CO2) ₁₀₀ 80 60 총 배출량 및 증가율 총 배출량 및 증가율

CO₂배출 증가율(%)

5,817 (21.4%)

5,060 (18.6%)

1,544 (5.7%)

1 214 1 147

60 40 20 0 -20 -40

캐나다 (11.4) 미국(2) 호주(16)

러시아 (-22.5)

독일 (-15.5)

한국 (82.4)

일본 (11.1) 영국

(-4.9)

연간총배출량

미국 중국 러시아 일본 영국 한국

1,214 (4.5%)

530

(2.0%) 449

(1.7%)

[참고] 6위:독일 (813), 7위: 캐나다(549), 9위: 이탈리아(454) [자료 : IEA, Key World Energy Statistics 2007 (2005년 통계자료 기준)]

인도

1,147 (4.2%)

에너지문제 해결을 위한 국제사회 노력 에너지문제 해결을 위한 국제사회 노력

한국: 교토의정서 비준( ’02.10) 한국: 교토의정서 비준( ’02.10) (’92.6)

(’92.6) (’97.12)(’97.12)(’97.12)(’97.12)

브라질 리우 환경회의(’92) 브라질 리우 환경회의(’92)

기후변화협약 기후변화협약

채택 채택 기후변화협약 기후변화협약

채택 채택

교토의정서 교토의정서 채택 채택 교토의정서 교토의정서 채택 채택

미국 미국 교토의정서 교토의정서 미국 미국 교토의정서 교토의정서 (’01.3) (’01.3) (’01.3) (’01.3) (’05.2)

(’05.2) (’05.2) (’05.2)

(’05.11) (’05.11) (’05.11)

(’05.11) (’05.7)(’05.7)(’05.7)(’05.7) 브라질 리우 환경회의( 92)

브라질 리우 환경회의( 92) 대한민국: 협약 비준 (’93) 대한민국: 협약 비준 (’93)

교토의정서 교토의정서 발효 발효 교토의정서 교토의정서 발효 발효

Post Post--교토체제교토체제

논의 논의 Post Post--교토체제교토체제

논의 논의

APP APP 출범출범 (Asia Pacific (Asia Pacific Partnership) Partnership)

APP APP 출범출범 (Asia Pacific (Asia Pacific Partnership) Partnership) 교토의정서 교토의정서

비준 비준 거부거부 교토의정서 교토의정서

비준 비준 거부거부

COP 13 COP 13차차 발리 발리 로드맵로드맵

(’07.12) (’07.12) COP 13 COP 13차차 발리 발리 로드맵로드맵

(’07.12) (’07.12)

발리 로드맵 : 국가(선진국, 개도국)별 감축공약 수립 및 정책추진 합의(2050년 대비 50%)

(★ 한국 2013년 감축 의무화 예상) 교토의정서 : 현재 153개국 비준 동의

- 1차 의무이행대상국 38개국 - ’90년 배출량 대비 평균 5.2% 감축 의무

APP : 아태지역 7개국(미국, 한국, 일본, 중국, 인도, 호주, 캐나다) 참여

기후변화 대응을 위한 에너지환경 기술개발계획

미 국

Climate Change Technology Program (CCTP)

에너지문제 해결의 노력 에너지문제 해결의 노력

FP-7 : 지속성장을 위한 지식기반경제구축 기술개발계획

E U

FP-7과 SET Plan

Innovation 2025 : 에너지문제 해결을 위한 과학 기술개발계획

Innovation 2025과 Cool Earth Program

일 본 일 본

SET Plan : 전략적 에너지 기술개발계획(’07.11)

일 본 일 본

에너지효율향상, 신재생에너지, 온실가스처리, 전력산업, 자원 기술개발계획

국가에너지자원기술개발기본계획(’06~’15)

한 국 한 국

Cool Earth Program : 에너지혁신 기술개발계획(’08.3)

에너지기술 분류 에너지기술 분류

에너지 효율향샹

온실가스 처리

신재생

에너지 전력

• 산 업 • 온실가스 • 재생에너지 • 원자력

• 건 물

• 수 송

• 전 기

처리

• 청정연료

• 수소에너지

• 연료전지

• 전력계통

• 화력발전

• 전력IT

(26)

광물자원개발과 환경 2

전 효 택 교수 서울대학교 공과대학 에너지자원공학과 E-mail: chon@snu.ac.kr

목 차 목 차

서 론 1

광물자원개발과 환경 2

4 결론

에너지자원개발과 환경 3

서론 – 지구자원이란?

서론 – 지구자원이란?

지구자원이란?

천연자원 중 생물자원을 제외한 모든 자원의 총칭

총칭

광물자원 에너지자원

지구자원

서론 – 자원전쟁 서론 – 자원전쟁 한정된 자원과 인류의 미래, 그리고 환경

새로운 자원개발과 환경문제 대책이 시급 새로운 자원개발과 환경문제 대책이 시급

광물자원 개발과 환경 광물자원 개발과 환경

광물자원이란 ? 천연 암석이나 광물 또는 그것이 반가공된 것

금속광물과 비금속광물 자원으로 구분

광물자원

광물자원 개발과 환경 여러가지 광물자원

Gold Diamond Ullmannite NiSbS

Torbernite Copper Uraninite http://www.mindat.org

Cu(UO

)

(PO

)

·12H

O

UO

http://www.unitednuclear.com

광물자원 개발과 환경 광물자원 개발과 환경

1 광물자원은 광물자원은 재생 재생 불가능함 불가능함 광물자원의 특성 광물자원의 특성

2

3 4

특정광물자원은

특정광물자원은 일부 일부 지역 지역 혹은 혹은 국가에 국가에 편중 편중

생산량

생산량 증가에 증가에 따른 따른 환경오염 환경오염 발생 발생 생산량이

생산량이 증가한다고 증가한다고 생산비가 생산비가 감소하지 감소하지 않음 않음

5 개발대상 개발대상 광종이 광종이 경제성 경제성 및 및 회수기술에 회수기술에 따라 따라 변화 변화 6 대규모의 대규모의 초기투자 초기투자 후 후 자본 자본 회수기간이 회수기간이 오래 오래 걸림 걸림

광물자원의 분포 광물자원의 분포

광물자원의 분포 광물자원의 분포

금 백금 니켈 코발트

(한국자원정보서비스(KOMIS) 자료; USGS, 2006)

금속광물 가격 변동

금속 광물 가격 변화

60,000.00

10 000 00 20,000.00 30,000.00 40,000.00 50,000.00

,

US $/ 톤 니켈

구리 주석 납

0.00 10,000.00

200 2년 1 월 200 2년 5 월 200 2년 9 월 200 3년 1 월 200 3년 5 월 200 3년 9 월 200 4년 1 월 200 4년 5 월 200 4년 9 월 200 5년 1 월 200 5년 5 월 200 5년 9 월 200 6년 1 월 200 6년 5 월 200 6년 9 월 200 7년 1 월 200 7년 5 월

한국자원정보서비스(KOMIS) 자료

광물자원 개발과 환경 우리나라의 현실

광물자원 개발과 환경 우리나라의 현실

광물자원 개발과 환경 광물자원개발 절차

광물자원 개발과 환경 광물자원개발 절차

2. 광물탐사 광물탐사

1.

1. 유용광물의 유용광물의 농집 농집

3.

3. 채광 채광 광물자원개발

광물자원개발

5.

5. 환경문제 환경문제

4.

4. 광물처리 광물처리

광상(鑛床, Ore Deposit)

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집 (1)

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집 (1)

광화작용(鑛化作用, Mineralization)

광석(鑛石, Ore)

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집 (2)

광물자원 개발과 환경 1. 유용광물의 농집 (2)

마그마 기원 광상 (Magmatic Deposit) 마그마 기원 광상 (Magmatic Deposit)

1) 페그마타이트 (Pegmatite) 광상

2) 층상관입암체 (L d I i ) 2) 층상관입암체 (Layered Intrusion)

3) 킴벌라이트 (Kimberlite) : 다이아몬드

5 ^개발대상 ^{개발대상 광종이} ^{광종이 경제성} ^{경제성 및} ^{및 회수기술에} ^{회수기술에 따라} ^{따라 변화} ^변화 6 대규모의 대규모의 초기투자 초기투자 후 후 자본 자본 회수기간이 회수기간이 오래 오래 걸림 걸림