납석광물(Al2Si4O10(OH)2)은 알루미나, 실리카 등으로 조성된 비금속광물로 국내 매장량이 풍부하고 매장상태가 양호하여 산업원료소재로서 가치가 높다. 비금속광물 중 전라남도 A 광산에서 생산되는 납석은 세계 납석가격의 표준이 될 정도로 높은 품질을 보유하고 있으나, 분체기술력의 부족으로 원료만 수출하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 납석 세라믹 분리막 지지체 표면에 알루미나 코팅액을 사용하여 0.3μm의 기공크기를 가진 세라믹 분리막을 개발하였다. 또한, 혐기성 분리막 생물반응조 운전을 통해 세라믹 분리막의 여과 성능을 평가하였으며, 바이오 메탄가스 발생량 측정과 체류시간 변화에 따른 슬러지의 물리화학적 특성변화 조사를 통해 분리막 파울링의 원인을 규명하고자 하였다.

새롭게 제조된 납석기반 세라믹 멤브레인의 기본성능을 관찰하였다. 실규모 하수처리 membrane bioreactor (MBR) 미생물 고농도 현탁액을(MLSS : 약 6 g/L) 처리하는 납석기반 멤브레인 파울링 현상을 서로 다른 공기 폭기량과 막 간격에 대해 관찰하였다. 공극크기가 약 1.0 μm인 비코팅 납석기반 세라믹 멤브레인 지지체의 순수투과도의 경우 약 1100 L/m2⋅hr⋅bar로 측정되었으나 알루미나로 코팅된 납석기반 세라믹 멤브레인은 공극크기의 감소로(0.3 μm) 순수 투과도는 두 배가량 감소하였다. 실규모 MBR 미생물 현탁액을 적용한 침지식 여과실험에서 납석 기반 세라믹 멤브레인 지지체의 경 우 투과플럭스 20 LMH에서 공기폭기량을 증가시켰을 때 파울링은 감소하였다. 그러나 공기폭기가 파울링에 미치는 영향은 막간 간격에 상당히 의존하였다. 일정한 공기폭기 유량에서 막간간격의 증가는 파울링을 감소시켰으나 막간 간격을 3.5에서 5.4 cm로 증가시켰을 때 파울링 속도는 오히려 증가하였다. 알루미나 용액으로 표면코팅된 납석기반 지지체의 경우 유사한 결과가 관찰되었으나 파울링 속도는 코팅층이 없는 지지체에 비해 상대적으로 낮았다. 표면코팅에 상관없이 납석기반 지지체 와 멤브레인의 경우 거의 완벽한 SS 제거효율을 나타내었다. 또한 납석 지지체 알루미나 표면코팅은 PEG (분자량 8,000 kDa)을 적용하였을 시 멤브레인의 유기물 배제율을 향상시켰다.

A low thermal expansion ceramic, cordierite (2MgO·2Al2O3·5SiO2), was synthesized using pyrophyllite. Pyrophyllite usually consists of SiO2 and Al2O3, which are the main components of cordierite. MgCO3 and Al(OH)3 were added in various amounts to pyrophyllite and fired for synthesis and sintering. α-cordierite crystallized from 1000 oC with mixing of 20 wt% MgCO3 and 1.7 wt% Al(OH)3, and un-reacted cristobalite was also detected with the cordierite. As the temperature was increased to 1400 oC, the cordierite yield was gradually increased. Powder compacts of the synthesized cordierite were sintered between 1250 oC ~ 1400 oC; the sintered samples showed a low thermal expansion coefficient of 2.1 × 10−6/ oC and typical sintering behavior. It is anticipated that it will be possible to synthesize cordierite ceramics on a mass production scale using the mineral pyrophyllite.

본 연구는 세라믹 압출법을 이용하여 납석기반 세라믹 반응매질을 제조하였다. 납석의 광물학적 특성은 XRD, XRF, DSC-TGA 및 제타전위분석을 실시하였으며, 납석기반의 세라믹 반응매질은 다양한 소성온도범위(500~1,300 ℃)에서 수행하였다. 소성온도가 증가할수록 반응매질의 강도는 증가 하였으나, 비표면적은 감소된다. 온도변화에 따른 납석의 무게손실과 구조변화를 XRD, DSC-TGA 및 SEM 분석을 통해 확인하였으며, 엽납석은 소성온도 1,000 ℃에서 pyrophyllite dehydroxylate로 전이되며, 1,300 ℃에서 뮬라이트와 크리스토발라이트로 상변화가 발생된다. 본 연구를 통해 납석은 투수성반응벽체 적용을 위한 반응매질로서 세라믹 지지체 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

엽납석광석에 Fe-성분이 불순물로 작용하여 엽납석의 최종 산업제품의 품위를 저하시키고 있다. 엽납석광석에 존재하는 불순물을 광물-화학적으로 확인하고 마이크로웨이브와 자력선별을 이용하여 Fe 함량을 건식방법으로 감소시키고자 하였다. 광학현미경, XRD, XRF, SEM/EDS 및 EPMA 분석을 통하여 엽납석에 황철석과 적철석이 포함되어 있는 것을 확인하였다. 엽납석에 포함된 자형의 황철석은 열수용액에 의하여 형성되고, 용해 공동 구조는 황철석이 산성수에 의하여 부분적으로 용해되어 형성되는 것으로 사료된다. 그리고 퇴적 기원 구조를 보이는 동심원 구조의 적철석은 산성수에 포함되어 있는 Fe3+가 침전되어 형성된 것으로 사료된다. 마이크로웨이브 가열과 자력선별 실험을 수행한 결과 Fe 제거율은 성산광산이 96%, 완도광산이 93%로 나타났다. 마이크로웨이브 가열과 자력선별은 저 품위 엽납석을 품위 향상시킬 수 있는 친환경적 방법이라 사료된다.

밀양납석광상의 지표시료와 시추시료의 광물조성과 화학조성 분석결과를 통하여 열수변질양상과 형성 환경을 연구하였다. 밀양납석광상의 열수변질대는 광물조합을 근거로 주로 엽납석-딕카이트(석영) 광물조합을 가지며 납석광체에 해당하는 강이질변질대와 견운모-석영-딕카이트를 주로 수반하는 필릭변질대 및 녹니석-석영이 주된 광물조합으로 수반되는 프로필라이트변질대 등 세 가지로 구분된다. 지표 및 시추시료의 수평적⋅수직적 변질양상 및 지화학적 특성을 통하여 연구지역 내 납석광체는 수차례의 열수변질작용을 통하여 형성되었으며, 현재 채광이 이루어지고 있는 지표광체로부터 남쪽-남동쪽 심부에 이르기까지 대규모로 연장되어 있을 것으로 여겨진다. 납석광체의 광물조합 및 엽납석의 다구조형(2M) 등을 통하여 밀양납석광상의 형성온도는 약 300-350℃ 내외일 것으로 추측된다.

저 품위 엽납석 광석에 포함된 불순물 Fe를 제거하기 위하여 입도크기, 황산농도, 황산암모늄농도, 과산화수소농도 그리고 온도변화에 따른 제거 효율에 대하여 연구하였다. 저 품위 엽납석 광석에서 자형의 입방체 황철석이 포함된 것을 반사현미경으로 관찰할 수 있었으며, X-선 회절분석결과 주 구성광물은 석영과 딕카이트였다. 실험 결과 Fe 용출율이 최대로 나타나는 입도 -325 mesh에서, 황산농도는 2.0 M에서, 황산암모늄 농도는 10.0 g/l, 과산화수소 농도 3.0 M 그리고 최적의 용출 온도는 70℃에서였다. 용해 동역학 분석에서, Fe 용해는 황철석 표면에서 일어나며 화학적 반응에 통제되는 것으로 그리고 0.066/R, [H2SO4]1.156, [(NH4)2SO4]0.745, [H2O2]0.428 에 비례하는 것으로 나타났다.

강원도 삼척시 석개재에서 산출되는 직운산층 셰일의 운모류 광물(일라이트)에 대한 EPMA 연구를 수행하였다. 정량분석으로 계산된 운모류 광물의 평균 화학식은 (K1.17Na0.04Ca0.01)(Al2.80Mg1.17Fe0.78)(Si6.34Al1.66)O20(OH)4로, 소위 일라이트에 해당되는 화학조성을 보인다. 낮은 층간 양이온 값과 팔면체 자리의 높은 Mg, Fe값으로 보아 일라이트는 백운모, 파이로필라이트 및 녹니석의 혼합상으로 판단된다. 이 연구에서 분석된 일라이트에 해당되는 화학식을 각각의 구성광물로 분리하였고, 그 분리 방법을 새로이 고안하여 제시하였다. 일라이트의 화학식으로부터 K(Na, Ca 포함)를 기준으로 백운모의 함량을, Mg+Fe로부터 녹니석의 함량을 추산하고 나머지를 파이로필라이트로 간주하였다. 파이로필라이트는 이상화학식을, 녹니석은 평균 분석값을 사용하여 일라이트의 분석값에서 빼면, 나머지는 백운모의 화학식이 되는데 이는 원칙적으로 백운모의 이상화학식이 된다. 이 연구에서 분석한 운모류 광물의 평균 분석값을 이 방법으로 분리하면 백운모 61%, 녹니석 27.3%, 파이로필라이트 11.7%로 되며, 여기에서 계산된 백운모의 화학식은 (K,Na,Ca)2.00Al3.69(Si6.75Al1.25)O20(OH)4이다. 이 백운모의 화학식은 대체로 낮은 Al값을 보이나 암석의 낮은 Al 함량과 녹니석 화학조성의 불확실성을 감안할 때 대체로 합리적인 것으로 간주되며, 이는 또한 이 연구에서 제시한 분리 방법이 합당하다는 것을 뒷받침한다.

강원도 태백지역에 분포하는 만항층 셰일의 운모류 층상규산염광물입자에 대한 EPMA 및 TEM 연구를 수행하였다. EPMA 분석에 의한 만항층 셰일 내 운모류 층상규산염광물의 평균 화학식은 K1.35(Fe0.18Mg0.03Al3.86)(Si6.55Al1.45)O20(OH)4이며, 이는 백운모의 이상화학식과 비교하면 층간 양이온인 K의 함량이 낮아서 일라이트에 가까운 조성을 갖는다. X-선 회절 분석에 의하면 만항층 셰일에서 파이로필라이트가 흔히 백운모와 함께 산출된다. TEM 격자상 관찰에 의하여 10a의 백운모와 9.3a의 파이로필라이트 층들이 단일 층 수준에서의 층간 혼합 및 층 내 혼합 현상이 동시에 관찰되었다. EPMA 분석에서 K 함량이 백운모에 비해 낮게 분석된 원인은 이처럼 입자 내에서 백운모와 파이로필 라이트가 밀접하게 공존하기 때문으로 판단된다.

전남지역에서 산출되는 납석은 좁은 의미의 납석(pyrophyllite)뿐 아니라, 고령토, 백운모, 석영 등을 포함하는 저급으로서 상업적으로 도석으로 분류되는 비금속광석류까지 포함한다. 납석광체와 주변 암층에 대한 광물학적 연구를 통하여 비슷한 시기에 분출된 유사한 화산변질물도 지질조건에 따라 납석이 생성되거나, 혹은 고령토로도 될 수 있음을 확인하였다. 납석광상에서는 또 다른 부성분 광물로 다이어스포에 비해 강옥이 흔히 산출되며, 다이어스포는 고령토를 소량으로 포함하는 납석광상에서 좀더 흔하여 강옥으로 가는 중간산물로 추정된다. 납석광상과 달리, 고령토광상에서는 강옥과 다이어스포가 확인되지 않으나, 고령토광체의 상단부에서는 심화점토화작용에 의한 명반석(alunite)의 산출이 흔한 편이다. 연구 지역에서 최하부에 위치한 광체를 포함하는 응회암층은 최상단부에 저색 응회암을 협재하며, 상부로 가면서 규화대층, 담백색 미세 응회암층 및 암설 응회암층 등이 확인되며, 이들 각 암층의 광물조성은 뚜렷한 차이를 나타낸다. 즉, 지질시대가 젊어짐에 따라 납석/고령토함량이 감소하거나 거의 확인되지 않기도 하며, 백운모는 다소 증가하고, 사장석류와 석영은 상대적으로 양은 풍부하나 원래 암석에 포함된 것들이다. 전남지역의 납석/고령토광체는 대체적으로 층리가 뚜렷하여 연장 확인에 어려움이 없기도 하지만, 괴상으로 나타나는 지역에서의 효과적 탐사를 위해서는 암상과 연장성이 확실히 구분되는 지층(건충; key bed)의 선정이 필요하다. 납석/고령토광체의 상부에 오는 규화대층과 저색 응회암층은 야외조사에서 건층으로 이용될 수 있는 특징이 확실하다.

진해지역에 위치하는 납석광상에 대하여, 광산 지질조사를 통해 산출상태를 파악하고, X-선회절분석, X-선형광분석, 전자현미분석, ICP분석 등을 통하여 변질광물의 광물학적 특성을 조사하였다. 그 결과, 이 납석광상에는 일라이트, 딕카이트, 엽납석, 다이어스포어, 녹니석, 황철석, 침철석 등의 다양한 광물들이 산출되었다. 이들 구성광물의 조합을 검토한 결과, A: 석영, B: 석영+ 일라이트, C: 석영 + 일라이트 + 딕카이트, D: 엽납석 + 일라이트 + 딕카이트 + 다이어스포어의 4개 광물조합으로 주로 구분되었다. 이들 광물조합의 산출상태로 보아 규화대, 일라이트변질대, 카올린변질대, 엽납석변질대로 구분할 수 있는 것으로 나타났다. 이 규화대의 대부분은 약 90% 이상의 높은 SiO2 함량을 보이고 작은 입자의 석영들로만 거의 구성되어 있는 특징을 보였다. 엽납석은 2M형의 폴리타이프에 해당되는 것으로 나타났다. 이 광상의 모암은 유문암질암, 안산암질 응회암 및 화산 각력암 등의 화산암이며, 모암의 차이에 따라 변질대 분포양상이 다소 다르게 나타났다. 이런 화산암이 수소이온 및 실리카의 활동도가 높은 산성열수용액에 의해 변질작용을 받아 납석광상이 형성되었으며, 그중에서 엽납석변질대가 가장 고온의 환경에서 생성된 것으로 사료된다.

최근 서브미크론 영역의 초미분쇄는 세라믹, 전자재료 등 새로운 기능성 물질의 개발과 더불어 매우 중요하게 인식되고 있다. 특히, 초미립자에 대한 수요증가에 따라 분쇄기로서 교반볼밀의 중요성도 증가하고 있다. 본 연구에서는 1 mm의 볼을 사용하고 700 rpm의 회전속도로 조작한 교반볼밀을 이용하여 방해석, 납석, 활석 등의 무기분말을 시료로 분쇄실험을 행하였다. 무기분말의 분쇄 시, 분쇄 특성의 정량적인 규명을 위하여, 입자의 크기 및 그 분포특성의 분석을 통해 분쇄산물의 입도분포를 얻음과 동시에 중위경의 변화를 관찰하였다. 방해석의 경우 원시료의 중위경이 6.49μm에서 0.47μm로, 납석의 경우 3.91μm에서 1.14μm까지 입자크기가 크게 작아졌으나, 활석의 경우 10.30μm에서 6.67μm까지만 작아져서 많은 변화를 보이지 않았다. 또한, 분쇄산물의 여러 가지 측정 결과를 토대로 분쇄조작 시 분쇄산물의 특성이 분쇄조건에 따라 분쇄속도에 미치는 영향을 알고자 하였다. 같은 실험 조작 조건에서 선택함수를 관찰한 결과, 방해석과 납석은 비슷한 분쇄거동을 보이는 것을 알 수 있었으나, 본 실험범위 내에서 활석의 분쇄거동은 크게 변화하지 않는 것이 관찰되었다.

주구성 양이온이 Si와 Al인 딕카이트와 엽납석에 대하여 적외선분광분석(FTIR)을 실시하였다. 원적외선(Far-IR)영역과 중간적외선(Mid-IR)영역을 이용하였으며, 특히 200 cm-1 / 이하의 Far-IR영역에서 처음으로 딕카이트의 흡수선들을 제시하였다. 딕카이트의 경우 일부 시료에서 소량의 카올리나이트나 나크라이트 층이 소량으로 협재되어 있다. 카올리나이트의 결정도를 나타내는 Hinckley지수는 딕카이트의 결정도와는 관련성이 적게 나타났다. 엽납석의 경우, 수산기와 관련된 신축진동흡수띠(3673~3676 cm-1 )는 약간 이상적인 구조에서 벗어나 있는데, 아마도 미량의 철에 의한 영향이나, 삼사형과 단사형이 섞여 있기 때문인 것으로 보인다.

Environmental problems caused by certain geologic conditions include pollution of soil by heavy metal, acidization of soils, acid mine drainage, ground-water pollution, and natural radioactivity, as well as geological hazards such as landslide and subsidence. The acid mine drainage contains large amount of heavy metals and, therefore, cause serious pollution onto the nearby drainage systems and soils. In spite of this prospective environmental danger, few studies have been done on the acid mine drainage derived from non-metallic ore deposits such as pyrophyllite(Napseok) deposits. The sulfide-bearing pyrophyllite ores, alteration zones, and mine tailings of pyrophyllite deposits produce acid mine drainage by the oxidation of weathering. Compared to the fresh host rocks, the ores and altered rocks of pyrophyllite deposits produce acidic solution which contain higher amount of heavy metals because of their lower buffering capacity to acid solution. The pHs of mine water and nearby stream water of pyrophyllite deposits are 2.1∼3.7, which are strongly acidic and much lower than that (6.2∼7.2) of upstream water and than that (6.8∼7.6) of the stream water derived from the non-mineralized area. This study reveals that this acid mine drainage can affect the downstream area which is 8km far from the pyrophyllite deposits, even though the drainage is diluted with abundant non-contaminated river water. This suggests that not only acid mine drainage but also the sulfide-bearing sediments originated from the pyrophyllite deposits move downstream and form acidic water through continuous oxidation reaction. The heavy metals such as Pb, Zn, Cu, Cd, Ni, Mn and Fe are enriched in the mine water of low pH, and their contents decrease as the pH of mine water increases because of the influx of fresh stream water. Soils of the pyrophyllite deposits are characterized by high contents of heavy metals. The stream sediments containing the yellowish brown precipitates formed by neutralization of acid mine drainage occur in all parts of the stream derived from the pyrophyllite deposits, and the sediments also contain high amounts of heavy metals. In summary, the acid mine drainage of the pyrophyllite deposits is located in the upstream part of Hoidong water reservoir in Pusan contains large amounts of heavy metals and flows into the Hoidong water reservoir without any purification process. To protect the water of Hoidong reservoir, the acid mine drainage should be treated with a proper purification process.