A Study on Simultaneous Bioleaching of Copper and Manganese from Boleo Low-Grade Copper Oxide Ore Using Sulfur-Oxidizing Bacterium Acidithiobacillus thiooxidans

황산화균 Acidithiobacillus thiooxidans를 이용한 Boleo 저품위 산화동광 내 구리 및 망간의 동시추출 연구

유지용¹⁾· 한협조¹⁾· 이종운¹⁾*

A Study on Simultaneous Bioleaching of Copper and Manganese from Boleo Low-Grade Copper Oxide Ore Using Sulfur-Oxidizing Bacterium Acidithiobacillus thiooxidans

Ji-Yong Yu, Hyeop-Jo Han and Jong-Un Lee

*

(Received 13 September 2016; Final version Received 12 October 2016; Accepted 21 October 2016)

Abstract : Simultaneous bioleaching of Cu and Mn from Boleo low-grade Cu oxide ore was investigated using a sulfur-oxidizing bacterium Acidithiobacillus thiooxidans. The amounts of Cu and Mn were 2~3% in the ore as phosphates, silicates, and oxides. A. thiooxidans leached Cu with less amount of Mn in fresh culture medium.

Increase of inoculated bacterial cells or addition of yeast extract to the culture medium increased the amounts of Cu and Mn extracted from the ore. Extracted Mn existed dominantly as colloidal suspensions rather than dissolved phase. When bacterial culture incubated for one month was applied to the ore with medium, the lowest pH appeared and the extraction efficiency of dissolved Cu and Mn was significantly enhanced. Such enhancement was attributed to bacterial metabolism instead of chemical composition of culture medium itself. The results indicated that bioleaching may be efficiently applied to lixiviate Cu and Mn simultaneously from Boleo Cu oxide ore.

Key words : Bioleaching, Boleo, Copper oxide ore, Copper, Manganese

요 약 : 황산화균인 Acidithiobacillus thiooxidans를 이용한 미생물학적 용출법을 적용시켜 Boleo 저품위 산화동 광 내 구리와 망간의 동시추출이 가능한지 확인하였다. 산화동광 내 구리와 망간은 각 2~3% 존재하며 광물 형태는 주로 인산염, 규산염, 산화광물 형태였다. 신선한 배양액 내에서 A. thiooxidans는 산화동광에서 구리를 용출시켰으나 망간 용출량은 낮았다. 투입하는 미생물 수를 증가시키거나 효모추출물을 첨가한 결과 구리와 망간 용출량이 다소 증가하였으며 효모추출물 첨가 시 높은 효율을 보였다. 용출된 망간은 용존 상태보다 콜로이 드 상태로 존재하였다. A. thiooxidans를 한 달간 배양한 배양액을 산화동광에 적용한 결과 가장 낮은 pH를 보였 으며 구리뿐만 아니라 용존 상태 망간의 용출효율도 대폭 증가하였다. 이 효율 증진은 배양액의 화학적 조성보다 배양액 내 A. thiooxidans의 대사작용에 기인하였다. 이러한 결과는 Boleo의 저품위 산화동광으로부터 구리 및 망간을 동시 추출하는 데 있어 미생물학적 용출법이 적용 가능함을 나타내는 것이다.

주요어 : 미생물학적 용출, Boleo, 산화동광, 구리, 망간

1) 전남대학교 에너지자원공학과

*Corresponding Author( 이종운) E-mail; [email protected]

Address; Department of Energy and Resources Engineering, Chonnam National University, Gwangju, Korea

서 론

국내 산업계에서 필요로 하는 원자재 중 금속광물 자원 은 전적으로 해외 수입에 의존하고 있다. 최근 국제 금속가 격 상승으로 인한 수급 불안정에 의해 광물자원의 안정적 공급이 중요하게 인식되고 있으며, 특히 철강, 조선, 자동차

업종 등의 자원다소비형 산업의 지속적 발전을 위해 광물 자원의 안정적 확보가 필수적이다(Choi et al., 2008).

동광은 크게 자연동, 황화동광, 산화동광의 3가지로 분류 된다. 황화동광의 경우 화학적･미생물학적 침출법을 이용 해 구리를 추출하는 것은 매우 어렵고 경제성이 떨어진다.

이는 반응 과정에서 황화동광 표면에 아직 그 원인이 명확 하지 않은 “부동태(passivation)”가 형성되어 침출을 방해하 기 때문인데(Crundwell, 2013; Hackl et al., 1995; Holmes and Crundwell, 2013; Khoshkhoo et al., 2014), 이를 보완 하기 위해 다양한 침출제 사용, 고온고압에서의 산소 산화, 전기화학적 방법 등이 제안되고 있다(Arena et al., 2016;

연구논문

Lara et al., 2013; Qin et al., 2013; Sandström et al., 2005).

산화동광의 경우 황화동광이 자연산화하거나 풍화된 후 이 차생성물로써 형성된 것으로 황화동광에 비해 산에 쉽게 반응하며 비교적 용이하게 제련할 수 있다. 최근 중국 Tuwu 동광산에서 저품위 산화동광을 대상으로 황산을 이 용한 파일럿 플랜트 규모의 적치침출(heap leaching) 시험 결과 85.8%의 회수율을 얻은 바 있다(Liu et al., 2016).

구리는 다른 유용금속과 같이 산출되는 경우가 많으며, 이 연구의 대상 광산인 멕시코의 Boleo 동광산의 경우 망간 이 높은 함량으로 동반 산출된다(Han, 2016). 습식제련 시 널리 사용되는 황산은 구리의 용출에 매우 효과적이나 주 요 산화망간 광물인 연망간석(pyrolusite; MnO

) 과는 직접 적으로 반응하지 않는다(Anand et al., 1988; Sun et al., 2013; 식 (1)).

MnO

+ H

SO

→ MnSO

+ H

O + 1/2O

ΔG

= 0.01 kcal/mol (1) 따라서 산화동광으로부터 구리와 망간을 회수할 때, 우 선 황산을 가해 구리를 회수한 뒤 다시 환원제를 투입하여 망간을 회수하는 과정을 거치는 공정 설비가 필요하다 (Han, 2016; Park, 2016). 망간 회수 시, 900°C에 이르는 고 온에서 배소, 환원하는 기존의 방법은 설비가 복잡하고 많 은 분진을 발생하며 투자․운전비가 높은 단점이 있어 (Paixdo et al., 1995), 최근에는 강산과 Fe

, 이산화황, 과 산화수소, 톱밥, 포도당 및 옥살산 등 유기물 등의 환원제를 이용하는 화학적 환원법이 널리 연구되고 있다(Zhang and Cheng, 2007; Feng et al., 2016). 이 중에서도 저렴할 뿐만 아니라 반응성이 좋은 Fe

를 생성하는 황철석을 투입하는 방법이 많이 연구되었다(Bafghi et al., 2008). 그러나 이 방 법의 단점은 고온(100~200°C)과 높은 산소압(2~10 기압) 이 요구되어 높은 운전비용과 설비가 필요하다는 것이다.

따라서 이에 대한 대안으로 상온에서 운영할 수 있어 에너 지 소모량이 적고 설비가 간단한 미생물학적 방법이 최근 각광받고 있다. 이 때 종속영양균(heterotroph; Lee et al., 2001; Mehta et al., 2010) 및 독립영양균(autotroph;

Johnson, 2013; Dan et al., 2016)이 모두 이용될 수 있으며, 각각의 단점은 상대적으로 높은 비용 및 긴 반응시간을 들 수 있다(Dan et al., 2016).

이 연구에서는 독립영양균 중 특히 황화물의 습식제련 분 야에서 그간 널리 이용되어져 온 황산화균(sulfur-oxidizing bacterium; Rohwerder et al., 2003)인 Acidithiobacillus thiooxidans를 이용하여 Boleo 저품위 산화동광에서 구리 및 망간을 추출하였다. A. thiooxidans는 화학무기독립영 양균(chemolithoautotroph)으로서 탄소원으로 유기물이

아닌 공기 중의 이산화탄소를 이용하고 성장에 필요한 에 너지는 순수 황(elemental sulfur)을 산화시키며 얻는다(식 (2)). 이 과정에서 발생되는 황산에 의해 pH 1~1.5 이하의 강산성 환경을 조성하며 또한 이 pH 조건에서 가장 활발한 생장속도를 보인다.

2S + 3O

+ 2H

O → 2H

SO

(2) 황산화균을 이용한 미생물학적 용출법에서는 황의 산화 반응에 의해 금속이온들의 환원반응이 일어나게 된다. 미 생물에 의한 황의 산화작용과 망간의 환원작용 반응식은 식 (3), (4) 와 같으며(Lovley, 1991; Vavra and Frederick, 1952), 이 반응에서 황은 A. thiooxidans의 에너지원과 동시에 망 간의 환원제로서 역할한다. 이 과정이 저품위 산화동광 제 련에 적용되면 구리 추출 후 망간 환원의 두 단계를 거쳐야 하는 기존의 화학적 습식제련 과정을 간소화하여 두 금속 의 동시 추출을 가능하게 할 수 있을 것이다.

S

+ 6Mn(III) + 4H

O → HSO

+ 6Mn(II) + 7H

(3)

S

+ 3Mn(IV) + 4H

O → HSO

+ 3Mn(II) + 7H

(4)

이 연구에서는 산화동광 시료의 지구화학적･광물학적 특성을 조사하고, 용출효율을 증진시키기 위하여 원심분 리를 통하여 농집된 미생물 투입 및 효모추출물(yeast extract) 첨가의 효과(Brierley and Brierley, 1973; Konish et al., 1998; Norris and Barr, 1985)를 시험하였으며, 신선 한 배양액과 한 달간 배양한 배양액 내에서의 미생물학적 용출효율을 비교하였다. 이를 통하여 구리와 망간이 함유 된 Boleo 저품위 산화동광으로부터 A. thiooxidans를 이용 한 미생물학적 용출법의 적용 가능성을 확인하고, 황산화 균을 이용하여 구리와 망간을 동시에 용출함으로써 기존 화학적 용출법의 복잡한 공정을 단순화하며 환경친화적인 기술로 발전시키기 위한 자료를 제공하고자 하였다.

연구방법

저품위 산화동광의 지구화학적･광물학적 분석 저품위 산화동광은 멕시코 Boleo 광산에서 채취한 시료 로써 파분쇄 공정을 거친 후 분말형태인 것을 전남대학교 자원처리 및 리싸이클링 연구실로부터 제공받았다. 시료 는 상온에서 자연건조 후 다시 파분쇄를 거쳐 표준체(80 mesh) 를 사용하여 체거름을 하였다. 이하 모든 실험은

<0.18 mm 입도로 수행하였다.

시료의 화학조성을 파악하기 위해 광석 시료를 10 μm입

도로 분쇄한 후 전남대학교 공동실험실습관에서 XRF(Axios Minerals) 분석을 실시하였다. 또한 PTFE 시험관에 시료 0.25 g 을 정량한 뒤 HF 2.5 mL, HNO

1 mL, HClO

0.5 mL 를 혼합하여 100°C에서 3시간, 140°C에서 5시간 동안 반 응시켜 완전분해한 후 제조된 용액에 대하여 전남대학교 에너지자원공학과의 ICP-OES(Spectro Genesis)를 이용 하여 구리, 망간 및 금속원소들을 분석하였다. 시료의 광물 학적 특성을 파악하기 위해 전남대학교 공동실험실습관의 HR-XRD(X’Pert Pro) 분석을 수행하였다. XRD 분석은 구 리와 망간광물의 농집을 위하여 분산제를 이용해 점토와 실트를 제거한 후 분석을 실시하였다.

미생물 배양

이 실험에 사용된 황산화균(A. thiooxidans)은 ATCC (American Type Culture Collection) 에서 분양받았다(ATCC 8085). 배양액은 medium 125에 에너지원인 황을 첨가하 여 배양하였으며 그 조성은 다음과 같다.

① medium 125: (NH

)

SO

0.2 g, MgSO

․7H

O 0.5 g, CaCl

0.25 g, KH

PO

0.5 g, FeSO

․ 7H

O 5 mg, 증류수 1,000 mL

② elemental sulfur 1% (w/v)

미생물 계대배양은 1.0 g의 순수 황을 250 mL 삼각플라 스크에 넣은 후 고압멸균기(autoclave)에서 100°C, 30분의 조건으로 총 3회 멸균하였고, medium 125 배양액은 0.2 μm 필터로 여과한 후 사용하였다. 황이 첨가된 삼각플라스크 에 medium 125 배양액 100 mL를 넣고, 30°C, 100 rpm에 서 28일간 배양한 황산화균 10 mL을 접종하여 배양하였다.

배양조건은 30°C, 100 rpm의 호기성 진탕(shaking) 환경에 서 배양하였으며, 미생물의 활성도는 pH(Thermo Scientific) 를 측정하여 판단하였다.

미생물학적 용출실험

산화동광은 2 g 정량하여 삼각플라스크에 담아 121°C, 15 분의 조건에서 멸균한 후 순수 황 2 g을 첨가하여 100°C, 30 분의 조건에서 총 3회 멸균하였다.

우선 용출효율이 가장 좋은 고액비(solid/liquid ratio)를 결정하기 위한 실험을 수행하였다. 500 mL 삼각플라스크 에 medium 125 180 mL, 28일 배양한 A. thiooxidans 20 mL, 멸균 황 2 g에 산화동광을 1, 3, 5% (w/v) 조건으로 투 입한 후 30°C, 150 rpm 조건에서 미생물학적 용출을 진행 하였다. 미생물의 대사작용 활성화 여부는 pH 측정을 통해 확인하였다. 초기 pH는 2.0으로 조정하였으며 모든 실험은 중복실험(duplicate)으로 진행하였다.

미생물학적 용출 ‘기본실험’으로서 산화동광 및 황이 있 는 플라스크에 신선한 medium 125 180 mL와 28일간 배양 한 A. thiooxidans 배양액 20 mL를 투입한 후 30°C, 150 rpm 조건에서 약 6주간 배양하였다. 주기적으로 시료를 채 취하여 pH와 산화환원전위를 측정하고 0.2 μm 필터를 통 과한 용액을 대상으로 용존 구리 및 망간, 황산이온(sulfate, SO

) 을 정량하였다. 화학적 비교시료(control)는 산화동 광과 황을 넣은 ① 0.05 M 황산 200 mL와 ② medium 125 200 mL 에 황산으로 pH를 조절한 것을 사용하여 결과를 비 교하였다.

용출효율을 증진시키기 위하여 미생물 균체수를 농집하 여 투입한 후 효율을 비교하였다. 미생물 농집을 위하여 28 일간 배양한 A. thiooxidans 배양액을 2°C, 10,000 rpm, 30 분의 조건으로 원심분리하였다. 이후 상등액을 제거하고 미생물만 회수하여 신선한 배양액 200 mL, 산화동광, 황을 첨가하였다. 이 과정을 통하여 기본실험에서 투입된 미생 물보다 약 10배 많은 수의 미생물을 투입하는 효과를 기대 하였다.

미생물학적 용출에 미치는 효모추출물의 영향을 확인하 고자 기본실험과 동일한 조건에 기존 문헌에서 사용한 0.03 g/L 의 효모추출물을 첨가하였다(Park and Kim, 2010).

28 일간 배양한 A. thiooxidans 배양액 200 mL, 멸균 황 2 g 에 산화동광 2 g을 투입한 후 미생물학적 용출법을 적용하 였다. 위 기본실험과의 차이점은, 이 실험에서는 28일간 배 양한 medium 125 200 mL를 그대로 용출에 사용하고 기본 실험에서는 미생물 배양액 20 mL를 신선한 medium 125 180 mL 에 접종하였다는 것이다. 이러한 장치를 통해 황산 화 대사작용에 보다 순응(acclimation)된 대량의 미생물을 사용한 경우의 용출효율을 파악할 수 있으리라 기대하였 다. 한편 이 실험에서 나타난 효과가 A. thiooxidans의 미생 물학적 특성에 의한 것인지 또는 배양액 자체의 미생물 생 장과정에서 발생되는 부산물질의 화학적 특성(Hocheng et al., 2014)에 있는지의 여부를 파악하기 위하여, 원심분리 를 통하여 미생물은 제거하고 상등액(supernatant) 만을 적 용한 실험도 수행하였다. 이를 위하여 A. thiooxidans를 28 일간 배양한 배양액을 2°C, 10,000 rpm, 30분의 조건으로 원심분리 후 다시 0.2 μm 필터로 여과한 상등액 200 mL에 멸균 황 2 g, 산화동광 2 g을 투입하였다.

초기 pH는 1.3~2.0으로 조정하였으며 30°C, 150 rpm 조 건에서 총 6주 동안 배양하며 일정한 시간 간격으로 용액을 채취하여 pH, 산화환원전위 및 용존 구리, 망간, 황산이온함 량을 측정하였다. 구리와 망간은 ICP-OES, 황산이온은 IC(Metrohm 883 Basic IC plus) 를 이용하여 측정하였다.

모든 실험은 중복실험을 실시하였다.

한편 반응이 끝난 산화동광 잔류물을 회수하여 HF-HNO

-

Table 1. Concentrations of elements in the studied copper oxide ore sample by XRF and ICP-OES

Elements Concentrations

by XRF(%) Elements Concentration by ICP-OES(mg/kg)

SiO

54.9~55.3 As 153

Al

O

14.2~14.3 Cu 2.2%~3.1%

Fe

O

11.0~11.2 Co 752

MgO 4.37~4.40 Fe 6.5%

CaO 3.31~3.42 Mn 2.5%~2.7%

CuO 2.93~3.06 Zn 5,487

Na

O 2.21~2.23 Mo 21

MnO 2.03~2.08 Cr 88

K

O 1.55~1.62 Cd 25

Cl 0.57~0.60 Sb 42

TiO

0.58~0.59 W 180

ZnO 0.43~0.44 Ni 149

P

O

0.33~0.34 Pb 205

SO

0.29~0.30 BaO 0.25~0.26

F 0.15~0.17

SrO 0.11

Co

O

0.08 PbO 0.02~0.05

Cr

O

0.02 Fig. 1. Result of XRD analysis for the studied copper oxide ore.

HClO

혼합산을 이용하여 완전분해한 후 구리와 망간 함 량을 구하였으며 이를 통해 반응 전과 후의 용출효율을 확 인하였다. 또한 용액 내 존재하는 구리와 망간의 함량을 이 용하여 용출효율을 계산하였으며, 이를 잔류물을 통하여 구한 위의 용출효율과 비교하였다.

결과 및 토의

저품위 산화동광의 지구화학적･광물학적 분석 실험 대상인 Boleo 산화동광에 대한 XRF 분석 결과, SiO

(54.9~55.3%), Al

O

(14.2~14.3%), Fe

O

(11.0~11.2%), MgO(4.37~4.40%), CaO(3.31~3.42%), Na

O(2.21~2.23%), K

O(1.55~1.62%) 등이 주성분으로 존재하며 CuO(2.93~3.06%), MnO(2.03~2.08%) 역시 다량 함유되어 있었다(Table 1).

SO

는 0.29~0.3% 존재하여 이 시료는 저품위 산화동광임 을 확인할 수 있었다. HF-HNO

-HClO

혼합산을 이용한 완전분해 후 ICP-OES 분석 결과, 구리는 2.2~3.1%, 망간 은 2.5~2.7% 함량으로 존재하였으며, 이외 철 6.5%, 아연 5,487 mg/kg, 코발트 752 mg/kg, 텅스텐 180 mg/kg 등이 존재하였다(Table 1).

분산제를 이용해 점토와 실트를 제거한 후, Boleo 광상에 대한 기존 보고에 언급된 광물들을 참조하여(Salas, 2011)

XRD 분석을 수행하였다. 분석 결과, 구리는 pseudomalachite [Cu

(PO

)

(OH)

], boleite[KAg

Pb

Cu

Cl

(OH)

], cualsite [HAl

CuFO

Si

] 등 인산염 및 규산염광물로 주로 존재하였고, 망간은 규산염광물인 anorthite[Al

Ca

Mn

Na

O

Si

] 또 는 산화광물인 crednerite(CuMn

O

) 로 존재하는 것으로 나타났다(Fig. 1).

미생물학적 용출실험

우선 저품위 산화동광에 대해 미생물학적 용출법의 적용 가 능성과 고액비에 따른 최적조건을 찾기 위해 1, 3, 5%(w/v)의 고액비로 용출실험을 수행하였다. 초기 pH는 2.0으로 조정 하였다. pH 측정 결과, 1, 3, 5% 모두 2주까지 산화동광의 완충작용(buffering)에 의해 pH가 증가하는 경향을 보였 다. 산화동광을 3% 및 5% 투입한 실험군에서는 시간이 경 과하며 pH가 지속적으로 증가하여 4주 경과 후 각각 4.95, 5.49 까지 증가하였다. 반면, 1% 투입한 실험군에서는 2주 경과시 pH 3.31을 보인 이후로 감소하기 시작하여 4주 후 에는 pH 1.81까지 감소하였다(결과 미기재). 이는 1%의 고 액비 조건에서 용액 내 A. thiooxidans에 대한 산소 및 CO

공급이 원활하고, 산화동광에서 용출된 금속 함량이 낮아 그 독성이 3% 및 5% 시료에 비해 상대적으로 적기 때문에 미생물의 대사작용이 더욱 활발하기 때문인 것으로 보인 다. 따라서 후속 실험의 고액비는 1%로 하여 진행하였다.

A. thiooxidans에 의한 저품위 산화동광 내 구리와 망간 의 동시용출 가능성을 확인하기 위하여 미생물 시료와 화 학적 비교시료에 대하여 용출실험을 수행하였다. 비교시 료는 A. thiooxidans를 접종하지 않은 medium 125와 0.05 M 황산으로 구성하였다. 시간에 따른 pH와 산화환원전위 변화를 측정한 결과, 반응 초기 3일까지는 시료의 완충효과 에 의해 pH가 급격히 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 2(a)).

pH 는 medium 125 > A. thiooxidans > 황산의 순을 나타냈

으며 이러한 경향은 6주까지 지속되었다. 황산은 실험 기간

(a) pH (b) Redox potential

Fig. 2. Variations in pH and redox potential over time in the experiments using medium 125, sulfuric acid, and A. thiooxidans.

(a) Cu (b) Mn

Fig. 3. Variations in Cu and Mn concentrations over time in the experiments using medium 125, sulfuric acid, and A. thiooxidans.

동안 가장 낮은 pH를 보였으나 시간이 경과하며 완만하고 지속적으로 증가하였다. 이는 수소이온이 추가적으로 공 급되지 않는 조건에서 산화동광의 용해에 계속 소모되고 있기 때문으로, 시간이 연장될수록 pH는 계속 증가할 것이 다. 반면 A. thiooxidans를 접종한 실험군에서는 4주 후부 터 pH가 감소하는 경향을 보였으며 이는 미생물의 대사작 용에 의해 지속적으로 황산이 생성되었기 때문이다. 산화 환원전위는 황산과 미생물 실험군에서 큰 차이를 보이지 않았으며, medium 125 시료에서 가장 낮은 값을 보였다 (Fig. 2(b)).

저품위 산화동광으로부터 구리와 망간을 동시에 용출시 키기 위해 A. thiooxidans를 이용하여 용출 실험을 수행하 였다. 실험 결과, pH가 가장 낮았던 황산 비교시료에서 가 장 높은 금속 용출량을 보여 6주 경과 후 구리 212 mg/L, 망 간 13 mg/L가 용출되었다(Fig. 3). 황산에 비하여 pH가 높 았던 A. thiooxidans 실험군의 경우 6주 경과 후 구리 145 mg/L, 망간 8 mg/L의 용출량을 보였다. Medium 125만 주 입한 비교시료에서는 구리와 망간의 용출이 거의 발생하지 않았다. 6주 경과 후 구리와 망간 중복시료의 오차 범위를 감안하면 A. thiooxidans를 접종하였을 때 황산 사용 시와 근접한 용출효율을 나타내었으며, 반응기간을 연장하면 더 높은 효율을 나타낼 것으로 기대된다. 그러나 공정상 중

요한 요소인 운전 기간을 감안하면 미생물 용출법이 황산을 사용한 화학적 용출법에 비하여 결코 우수한 대안이라고 할 수 없다. 또한 망간 용출량이 적어 구리와 망간의 동시 추출 이라는 측면에서도 실효를 거두기 어려운 것으로 보인다.

시간에 따른 황산이온 함량 변화를 살펴보면, 화학적 비 교시료 두 개는 6주간에 걸친 반응 기간 동안 거의 일정하 게 유지되는 반면, A. thiooxidans를 접종한 경우에는 미생 물의 황산화 대사작용 결과 황산이온의 함량이 점진적으로 증가함을 알 수 있었다(Fig. 4).

미생물학적 용출효율을 증진시키기 위하여 배양 후 원심 분리를 통한 농집 미생물, 효모추출물, 28일 배양 미생물을 각각 투입하여 황산과의 효율을 비교하였다. 28일간 배양 한 A. thiooxidans 배양액을 산화동광 용출에 적용한 것은 황산화 대사과정에 오랜 기간 순응한 대량의 미생물을 배 양액 그대로 투입한 경우의 효과를 파악하기 위한 것이었 다. 원심분리를 통하여 농집한 미생물은 이 방법과 동일한 세균수를 가지나 새로 신선한 배양액을 공급하였다는 차이 가 있다.

최근 기존의 철 또는 황산화균 배양액에 석영, 은 등 다양

한 물질을 첨가하여 미생물학적 용출효율을 증진시키는 연

구가 수행되고 있다(Abdollahi et al., 2015; Dong et al.,

2013). 이 실험에서는 효모추출물을 첨가하는 방법을 시험

Fig. 4. Variation in sulfate concentration over time in the experiments using medium 125, sulfuric acid, and A. thiooxidans.

(a) pH (b) Redox potential

Fig. 5. Variations in pH and redox potential over time in the experiments using sulfuric acid, concentrated cells, yeast extract, and 28-day incubated A. thiooxidans. CC: concentrated cells.

하였다. A. thiooxidans 등의 호산성 화학무기독립영양균 에 유기물이 공급되면 미생물의 대사작용을 저해한다는 보 고가 있으나(Fang and Zhou, 2006; Gu and Wong, 2004), 효모추출물을 투입하였을 경우 금속 용출효율이 증가하였 다는 연구 결과도 있어(Brierley and Brierley, 1973; Konish et al., 1998; Norris and Barr, 1985) 이의 가능성을 시험하 고자 하였다.

pH 변화를 살펴보면, 초기 모든 실험군에서 산화동광의 완충작용으로 pH가 증가하는 경향을 나타내었으나 3일 경 과하며 28일 배양 미생물에서 먼저 pH가 감소하기 시작하 여 6주 경과 후 실험군 중 가장 낮은 pH 1.2를 나타내었다 (Fig. 5(a)). 황산은 지속적으로 pH가 증가한 반면, 2주 및 4 주 경과 후 각각 효모추출물 실험군과 원심분리로 균체수 를 농집시킨 실험군에서 pH가 감소하기 시작하여 6주 경과 후에는 모두 황산에 비하여 낮거나 유사한 pH를 나타내었 다. 따라서 미생물을 접종한 실험군의 반응 기간을 연장하 면 미생물의 지속적 성장과 대사작용에 의하여 더욱 낮은 pH 를 나타낼 것으로 예상된다.

28 일간 배양한 A. thiooxidans는 단기간 내에 가장 낮은 pH 를 유도하였으며 이는 사전에 황산화 대사작용에 충분

히 순응시킨 농집 미생물이 미생물학적 용출법의 단점인 긴 반응시간을 단축시킬 수 있으며 황산 처리에 비해서도 용출효율을 대폭 증진시킬 수 있는 가능성을 제시한다. 또 한 유기물질이 호산성 독립영양균의 대사작용을 저해한다 는 보고가 있으나 이 실험의 경우 효모추출물의 첨가는 A.

thiooxidans의 활성도를 높이는 것으로 나타났으며, 미생 물 균체수를 농집시킨 경우에 비해서도 낮은 pH를 보였다.

산화환원전위는 시간에 따라 큰 변화를 나타내지 않았으며 6 주 경과 후 28일간 배양한 A. thiooxidans > 효모추출물 = 황산 > 원심분리 농집균의 순을 보였다(Fig. 5(b)).

구리의 경우, 모든 실험군에서 초기 낮은 pH에 의한 구리 의 용출반응이 일어났으며 2주 경과시 28일간 배양한 A.

thiooxidans > 황산 > 원심분리 농집균 > 효모추출물 순으 로 높은 용출량을 보였다(Fig. 6(a)). 그러나 6주 경과 후에 는, 중복시료 간 오차를 제외하면, 미생물을 접종한 실험군 에서 높은 용출효율을 보여 28일간 배양한 A. thiooxidans 341 mg/L, 효모추출물 303 mg/L, 원심분리 농집균 245 mg/L, 황산 212 mg/L의 구리를 용출하였다. 이는 미생물 접종 실험군에서 나타나는 지속적인 pH 감소와 밀접한 관 계가 있는 것으로 보이며, 보다 장기간에 걸친 반응에서 추 가적인 수소이온 생성이 없는 황산과 비교하였을 때 더욱 향상된 구리 용출효율을 기대할 수 있다. 한편 미생물을 농 집하여 투입한 다른 실험군과 달리 소량의 미생물을 접종 한 후 효모추출물을 추가한 실험군에서 나타난 높은 구리 용출은 특기할 만한 것이다. 효모추출물 첨가가 독립영양 균인 A. thiooxidans의 황산화 대사작용을 증진하는 것으 로 나타났으나, 이는 이 실험에서 사용한 균주의 특이성에 의한 것일 수도 있으며 추가 연구가 필요한 사항이다.

가장 높은 구리 용출량을 보인 28일간 배양한 A. thiooxidans

의 효과는 망간 용출에서도 나타났다. 황산을 비롯한 다른

실험군에서는 반응 초기부터 반응이 종료되는 시점까지 망

간이 거의 용출되지 않은 반면, 28일간 배양한 A. thiooxidans

(a) Cu (b) Mn

Fig. 6. Variation in Cu and Mn concentrations over time in the experiments using sulfuric acid, concentrated cells, yeast extract, and 28-day incubated A. thiooxidans. CC: concentrated cells.

Fig. 7. Variation in sulfate concentrations over time in the experiments using sulfuric acid, concentrated cells, yeast extract, and 28-day incubated A. thiooxidans. CC: concentrated cells.

를 접종한 실험군에서는 6주 경과 후 123 mg/L의 망간이 용출되어 다른 실험군과 비교하였을 때 월등히 높은 용출 효율을 보였다(Fig. 3(b)). 이는 28일간 황산화 대사작용에 순응한 농집된 A. thiooxidans가 황산화를 통한 망간환원 을 단기간에 유도하였기 때문으로 판단된다. 실험군 중 28 일간 배양한 A. thiooxidans 접종 방법이 짧은 시간 내에 구 리와 망간의 동시추출을 가능하게 할 기술 개발에 가장 효 과적으로 적용될 수 있을 것으로 보인다.

28 일간 배양한 A. thiooxidans의 대사작용 결과는 황산 이온 분석 결과에서도 볼 수 있었는데, 다른 실험군에서 황산 이온의 변화는 거의 없는 반면, 28일간 배양한 A. thiooxidans 실험군에서는 황산이온 생성이 시간에 따라 점차 증가하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 7). 이는 28일간 배양한 A.

thiooxidans가 다른 실험군의 미생물보다 생장 및 대사작 용이 활발하게 진행되고 있는 것을 의미한다.

28 일간 배양한 A. thiooxidans를 배양액 그대로 적용한 경우 다른 실험군에 비하여 구리 및 망간의 높은 용출효율 을 확인할 수 있었다. 이러한 높은 추출효율이 미생물에 의 한 것인지 또는 배양액의 화학적 특성에 의한 것인지의 여

부를 파악하기 위하여 상등액만을 회수하여 용출실험을 수 행하였다.

상등액 pH의 경우 미생물 투입 실험군보다는 높으나 황 산에 비하여 낮게 나타났으며 산화환원전위는 황산과 유사 한 경향을 보였다(Fig. 8(a),(b)). 구리의 경우 상등액 시료 에서는 1주 경과 후부터 용출량이 거의 일정하게 유지되어 6 주 경과 시 175 mg/L의 구리 용출량을 나타내었고, 망간 의 경우 황산에 비하여 근소하게 높은 용출량을 나타내었 지만 미생물 접종 실험군에 비하면 모두 월등히 낮은 용출 효율을 보였다(Fig. 8(c),(d)). 황산이온의 경우 1주 경과 후 약 2,600 mg/L의 일정한 값을 유지하였다(Fig. 8(e)).

Hocheng et al. (2014)은 A. thiooxidans 상등액 만을 이 용하여 철강슬래그로부터 유용 금속을 효과적으로 용출한 바 있으나, 이 연구에서는 미생물이 직접 접종된 경우 월등 히 좋은 구리 용출효과를 나타내었다. 이는 상등액 및 비교 시료의 경우 소모된 황산을 다시 생성할 수 있는 메커니즘 이 없는 반면, 미생물을 접종한 경우 대사작용에 의하여 지 속적으로 황산이 생성되기 때문으로 판단된다. 또한, 아직 논란의 여지가 있으나, 호산성 철 및 황산화균이 고체 매질 에 직접 부착하여 금속 용출을 촉진한다는 주장도 있으므 로(Rohwerder et al., 2003; Park et al., 2010), 이 실험에서 박테리아가 산화동광 표면에 직접 부착하여 금속 용출을 촉진하였기 때문에 상등액 만을 이용한 경우에 비해서 한 층 향상된 용출효율을 유도하였을 가능성도 있다.

약 6주 경과 후 용존 상태로 존재하는 구리와 망간의 함량 을 이용하여 용출효율을 계산하였다. 구리의 용출효율을 순서대로 기술하면, 28일간 배양한 A. thiooxidans 91.2% >

효모추출물 80.8% > 원심분리 농집균 65.6% > 황산 56.5% >

배양 상등액 46.6% > 기본실험 38.8% > medium 125 1.0%

순이었다. 망간의 용출효율은 28일간 배양한 A. thiooxidans

40.2% > 효모추출물 9.7% > 배양 상등액 6.8% > 원심분리

농집균 4.5% > 황산 4.1% > 기본실험 2.8% > medium 125

(a) pH (b) Redox potential

(c) Cu (d) Mn

(e) Sulfate

Fig. 8. Variation in pH and redox potential and Cu, Mn, and sulfate concentrations over time in the experiments using sulfuric acid and 28-day incubated A. thiooxidans and its supernatant.

0.5% 순이었다.

용존 상태의 금속 함량으로부터 구한 위의 용출효율과 반응 후 남아 있는 잔류물 내의 금속 함량으로부터 계산한 용출효율을 상호 비교하였다. 이때 진행된 실험 중 용출효 율이 가장 높았던 실험군, 즉 28일간 배양한 A. thiooxidans 배양액 200 mL를 이용한 실험과 효모추출물을 첨가한 실 험의 잔류물을 회수하여 HF-HNO

-HClO

혼합산을 이용 하여 완전분해한 후 함량을 구하였다.

분석 결과, 잔류물 내 구리 용출효율은 28일간 배양한 A.

thiooxidans 87.0%, 효모추출물 실험군 84.5%로 나타났으 며 이 값들은 용존 함량으로부터 구한 값(각각 91.2% 및 80.8%) 과 큰 차이가 없어 반응 후 대부분의 구리는 용존 상

태로 존재하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 9). 반면 망간 용

출효율은 28일간 배양한 A. thiooxidans 83.3%, 효모추출

물 실험군 83.6%로 나타나 용존 상태의 망간 함량으로부터

구한 용출효율(각각 40.2% 및 9.7%)보다 매우 높았다. 이

처럼 광석으로부터 용출된 망간 용출량과 반응액 내 용존

망간의 양이 큰 차이를 나타내는 것은 용출된 Mn

가 용액

내에서 산화되어 MnO

, Mn

O

, Mn

O

등의 콜로이드 형

태로 존재하기 때문으로 생각된다. 비록 용존 형태가 아닌

콜로이드 형태로 부유하지만 산화동광으로부터 추출되어

용액 내에 존재하는 상태이므로 반응 후 액상만 회수하여

추가 공정을 거치면 기존의 화학적 방법보다 경제적으로

유용한 형태의 망간을 회수할 수 있을 것이다.

Fig. 9. Leaching efficiency of Cu and Mn according to the concentrations in residue and dissolved concentrations after bioleaching treatment. B-: 28-day incubated A. thiooxidans and Y-: yeast extract.

결 론

Boleo 광산의 산화동광은 높은 함량의 구리와 망간을 함 유하고 있다. 기존의 화학적 습식제련을 이용하면 황산을 이용한 구리 침출을 수행한 후 환원제를 이용한 망간의 환 원성 용해의 두 단계를 거쳐야 한다. 이 연구에서는 황산화 균인 A. thiooxidans를 이용하여 Boleo 저품위 산화동광 내 구리와 망간을 동시에 추출할 수 있는지의 여부를 파악하 고자 하였다. 이를 위해 저품위 산화동광의 지구화학적･광 물학적 특성을 확인하고, A. thiooxidans에 의한 구리 및 망 간의 동시추출 가능성과 용출효율 증진 방법을 시험하였다.

지구화학적･광물학적 특성 조사 결과, 시료 내 구리와 망 간은 약 2~3% 존재하였으며 황은 0.3% 존재하여 저품위 산화동광임을 확인할 수 있었고, 구리와 망간의 광물형태 는 주로 인산염, 규산염, 산화광물 형태로 존재하였다.

신선한 배양액 180 mL에 미생물 20 mL를 접종하여 산화 동광에 가한 결과 황산을 이용한 비교시료에 비하여 높은 pH 와 낮은 구리 용출량을 보였으며 망간은 두 경우에서 모 두 매우 낮은 함량만이 용출되어, 황산을 이용한 용출방법 보다 효과적이지 않았다.

미생물학적 용출효율 증진실험에서는 효모추출물을 첨 가하는 방법이 미생물의 활성도를 높이고 황산 처리 방법 에 비하여 구리 용출효율을 증진시킬 수 있는 것으로 나타 났다. 원심분리하여 농집한 A. thiooxidans를 투입한 경우 황산보다 다소 높은 구리 용출 효과를 보였다. 그러나 이 두 방법에 의하면 구리와 망간의 동시 추출 결과를 얻을 수 없 었다. 반면, 28일간 배양한 A. thiooxidans를 배양액 그대로 용출에 사용하는 경우에 구리는 물론 망간의 용출효율이 월등히 높게 나타났다. 이는 황산화 대사작용에 순응한 농

집된 A. thiooxidans가 에너지원인 황의 산화를 활발히 수 행하며 동시에 망간의 환원을 유도하여 용존상태로 용출시 켰기 때문으로 보인다.

효모추출물 및 28일 배양한 A. thiooxidans를 적용할 경 우 용존 망간의 용출효율은 구리에 비해 낮게 나타났으나, 반응 후 산화동광 잔류물 분석 결과 망간이 용존상태보다 콜로이드 형태로 존재하는 것으로 나타났다. 이러한 콜로 이드 형태까지 감안하면 산화동광으로부터의 망간 용출효 율은 구리와 매우 유사한 정도이다. 추가 연구를 통하여 Boleo 광산의 저품위 산화동광에 미생물학적 용출효율을 더욱 증진시킨다면 보다 간단한 공정에 의하여 구리와 망 간을 동시에 추출함으로써 환경친화적이고 경제적인 자원 공급을 유도할 수 있을 것으로 기대한다.

사 사

이 논문은 2016년도 전남대학교 연구년교수연구비 지원 에 의하여 수행되었다.

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2014년 전남대학교 공과대학 지구시스템 공학전공 공학사

2016년 전남대학교 대학원 에너지자원공 학과 공학석사

현재 전남대학교 미생물지구화학연구실 연구원 (E-mail; [email protected])

이 종 운

현재 전남대학교 에너지자원공학과 교수 (本 學會誌 第52券 第1号 參照)

한 협 조

현재 전남대학교 에너지자원공학과 박사과정 (本 學會誌 第52券 第5号 參照)

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