제련
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1. 개요
제련은 광석에서 금속을 추출하는 과정으로, 화학 반응을 통해 금속을 분리하는 것을 포함한다. 제련 방법에는 고온에서 녹여 금속을 분리하는 건식 제련, 약액을 사용하여 화학 반응을 일으키는 습식 제련, 그리고 배소, 환원, 융제 등의 과정이 있다. 제련은 고대부터 이루어졌으며, 구리, 청동, 철의 발견은 인류 사회에 큰 영향을 미쳤다. 현대에는 다양한 제련 기술이 개발되었으며, 일본은 다양한 금속 제련 산업을 운영하고 있다. 그러나 제련 과정은 폐수 및 슬래그 발생, 유해 금속 배출, 산성비 유발 등 환경과 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
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| 제련 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 열과 환원제를 사용하여 광석에서 금속을 추출하는 공정 |
| 관련 용어 | 용융 야금 |
| 상세 정보 | |
| 사용 재료 | 열 환원제 (예: 코크스, 숯, 석탄) |
| 용도 | 금속 추출 |
| 부산물 | 슬래그 기체 (예: 이산화탄소) |
| 과정 | 광석을 높은 온도로 가열 환원제를 사용하여 금속 산화물을 금속으로 환원 |
| 예시 | 철강 생산 구리 추출 납 제련 |
| 환경 영향 | 대기 오염 유발 가능성 슬래그 처리 문제 |
| 추가 정보 | |
| 역사 | 고대부터 사용된 기술 |
| 현대적 제련 | 대규모 산업 공정으로 발전 |
2. 제련의 방법
제련은 광석에서 금속을 추출하는 과정으로, 단순한 용융 이상의 화학 반응을 포함한다. 광석은 대부분 금속과 산소 (산화물), 황 (황화물), 또는 탄소와 산소의 결합 (탄산염)과 같은 다른 원소의 화합물 형태로 존재한다. 따라서 제련은 이러한 화합물로부터 금속을 분리하기 위해 적절한 환원제를 사용하여 화학 반응을 일으키는 과정이다.
선광 공정을 통해 암석에서 분리된 유용한 광물은 정광(concentrate)이라고 불리며, 이 정광으로부터 금속을 추출하는 것이 제련 공정이다.[44][45] 정광은 광산에서의 최종 산물로 여겨지며, 전 세계 각지의 제련소에서 금속 추출이 이루어진다.[44] 그러나 미국 남부, 칠레, 페루 등 건조 지대를 중심으로 SX-EW법이 발달하면서, 광산에서 제련을 수행하는 현지 제련법도 많이 시행되고 있다.[44]
제련 방법에는 크게 건식 제련과 습식 제련이 있으며, 그 외에도 환원 제련, 용융염 전해 등의 방법이 있다.
2. 1. 건식 제련
건식 제련은 고온의 로에서 원료 광석을 용융하여 목적하는 금속을 분리하는 방법이다.[46] 한 번에 대량 처리가 가능하지만, 정기적인 내열 설비 유지 보수가 필요하다.[46] 건식 제련에는 배소, 환원, 융제 등의 과정이 있다.비철금속 광석은 종종 황화물인데, 최근 몇 세기 동안 반사로가 용융되는 물질과 연료를 분리하여 유지하는 데 사용되었다. 반사로는 용융의 첫 번째 단계에 사용되었는데, 불순물 대부분을 포함하는 산화물 슬래그와 귀금속 황화물, 일부 불순물을 포함하는 황화물 매트의 두 액체를 형성한다. 이러한 "반사" 용광로는 오늘날 약 40m 길이, 3m 높이, 10m 너비이다. 연료는 한쪽 끝에서 연소되어 건조한 황화물 농축물(보통 부분 로스팅 후)을 녹이며, 용광로 지붕의 구멍을 통해 공급된다. 슬래그는 더 무거운 매트 위로 떠올라 제거되거나 재활용된다. 황화물 매트는 이후 전환로로 보내진다. 공정의 정확한 세부 사항은 광석 매장지의 광물학에 따라 용광로마다 다르다.
반사로는 구리가 거의 없는 슬래그를 생산했지만, 에너지 효율이 비교적 낮았고, 포집하기 어려운 저농도의 이산화 황을 배출했다. 새로운 세대의 구리 제련 기술이 이를 대체했다.[8] 더 최근의 용광로는 욕식 제련, 탑제팅 랜스 제련, 플래시 제련, 고로를 활용한다. 욕식 제련에는 노란다 용광로, 이산멜트 용광로, 테니엔테 반응기, 뷰니코프 제련소, SKS 기술 등이 있다. 탑제팅 랜스 제련에는 미쓰비시 제련 반응기가 포함된다. 플래시 제련은 세계 구리 제련소의 50% 이상을 차지한다. 키브세트, 오스멜트, 타마노, EAF 및 BF를 포함한 훨씬 더 많은 종류의 제련 공정이 있다.
2. 1. 1. 배소
배소는 황화물과 탄산염에서 불필요한 탄소나 황을 제거하여 산화물을 남기는 공정으로, 이 산화물은 직접 환원될 수 있다. 배소는 대개 산화 환경에서 수행된다. 몇 가지 예시는 다음과 같다.- 공작석은 흔한 구리 광석으로, 주로 탄산수산화구리(Cu₂ (CO₃)(OH)₂)이다.[2] 이 광물은 250°C에서 350°C 사이의 여러 단계에서 열분해를 거쳐 2CuO, CO₂, H₂O가 된다.[3] 이산화탄소와 물은 대기 중으로 배출되어 산화구리(II)를 남기며, 이는 다음 절인 "환원"에서 설명하는 바와 같이 구리로 직접 환원될 수 있다.
- 방연석은 납의 가장 흔한 광물로, 주로 황화납(PbS)이다. 황화물은 아황산염(PbSO₃)으로 산화되며, 이는 열적으로 분해되어 산화납과 이산화황 기체(PbO 및 SO₂)가 된다. 이산화황은 (앞의 예에서 이산화탄소와 같이) 배출되고, 산화납은 아래와 같이 환원된다.
2. 1. 2. 환원
환원은 제련의 최종 고온 단계로, 산화물이 원소 금속으로 변환되는 과정이다. 환원 환경(종종 불완전 연소로 생성된 일산화 탄소에 의해 제공되며, 공기가 부족한 용광로에서 발생)은 원료 금속에서 최종 산소 원자를 제거한다. 탄소원은 광석에서 산소를 제거하는 화학 반응 물질로 작용하여 정제된 금속 화학 원소를 생성한다. 탄소원은 두 단계로 산화된다. 먼저 탄소(C)가 공기 중의 산소(O2)와 연소하여 일산화 탄소(CO)를 생성한다. 둘째, 일산화 탄소는 광석(예: Fe2O3)과 반응하여 산소 원자 중 하나를 제거하고 이산화 탄소(CO2)를 방출한다. 일산화 탄소와의 연속적인 상호 작용 후, 광석 내의 모든 산소가 제거되어 원료 금속 원소(예: Fe)가 남게 된다.[4] 대부분의 광석은 불순물이 많으므로, 동반된 암석 맥석을 슬래그로 제거하기 위해 플럭스(예: 석회암 또는 백운석)을 사용하는 것이 종종 필요하다. 이 소성 반응은 이산화 탄소를 방출한다.필요한 온도는 절대 온도와 기초 금속의 용융점 모두에 따라 다르다. 예시는 다음과 같다.
- 산화철은 약 1250°C에서 금속 철이 되며, 이는 철의 용융점인 1538°C보다 거의 300도 ''낮다''.[5]
- 산화 수은은 약 550°C에서 기체 수은이 되며, 이는 수은의 용융점인 -38°C보다 거의 600도 ''높으며'', 수은의 ''끓는점''보다도 높다.[6]
2. 1. 3. 융제
융제는 제련 과정에서 광석에 첨가되는 물질로, 원하는 반응을 촉매하고 원치 않는 불순물이나 반응 생성물과 화학적으로 결합한다. 탄산 칼슘 또는 산화 칼슘은 생석회 형태로 자주 사용되며, 황, 인, 규소 불순물과 반응하여 슬래그 형태로 쉽게 분리하고 폐기할 수 있게 한다. 융제는 점도를 제어하고 원치 않는 산을 중화하는 역할도 할 수 있다.융제와 슬래그는 환원 단계가 완료된 후 정제된 금속 위에 용융된 덮개를 제공하여 산화되기 쉬운 뜨거운 상태에서도 산소와의 접촉을 막아준다. 이는 금속에 불순물이 형성되는 것을 방지한다.
2. 2. 습식 제련
금속이나 불순물을 약액으로 용해하고, 화학 반응을 이용하여 목적하는 금속을 추출하는 방법이다[46]。 안정적으로 지속적인 처리가 가능하지만, 약액의 비용이 든다[46]。2. 3. 기타 제련 방법
이 외에 환원 제련, 용융염 전해 등의 방법이 있다.3. 제련의 역사
제련은 인류 역사와 함께 발전해 왔으며, 금속의 발견과 제련 기술의 발전은 인류 문명의 진보에 큰 영향을 미쳤다.
3. 1. 고대
금은 자연 상태에서 자생 금속으로 규칙적으로 발견되는 7가지 금속 중 하나이다. 구리, 납, 은, 주석, 철, 수은은 주로 광물 형태로 존재하며, 자생 구리는 상업적으로 유의미한 양으로 가끔 발견된다. 이러한 광물들은 주로 금속의 탄산염, 황화물, 또는 산화물이며, 실리카나 알루미나와 같은 다른 성분과 혼합되어 있다. 공기 중에서 탄산염과 황화물 광물을 소성하면 산화물로 변환된다. 산화물은 차례로 제련되어 금속이 된다. 일산화 탄소는 제련을 위한 선호되는 환원제였으며, 이는 가열 과정에서 쉽게 생성되며, 기체 상태로 광석과 밀접하게 접촉한다.구세계에서 인류는 8000년도 더 전에 선사 시대에 금속을 제련하는 법을 배웠다. 처음에는 구리와 청동과 같은 "유용한" 금속의 발견과 사용, 그리고 몇 천 년 후에 철의 발견은 인간 사회에 큰 영향을 미쳤다. 그 영향이 매우 광범위했기 때문에 학자들은 전통적으로 고대 역사를 석기 시대, 청동기 시대, 그리고 철기 시대로 구분한다.
아메리카 대륙에서 페루의 중앙 안데스 산맥에 위치한 잉카 이전 문명은 16세기에 최초의 유럽인이 도착하기 최소 6세기 전에 구리와 은의 제련을 마스터했지만, 무기 제작에 사용할 철과 같은 금속의 제련은 결코 마스터하지 못했다.[9]
구리는 최초로 제련된 금속이었다.[10] 모닥불은 제련에 필요한 온도보다 약 200 °C 낮으므로, 일부에서는 구리의 최초 제련이 도자기 가마에서 이루어졌을 것이라고 추정한다.[11]
현재까지 발견된 구리 제련의 가장 오래된 증거는 기원전 5500년에서 기원전 5000년 사이에 제작된 것으로, 세르비아의 Pločnik과 Belovode에서 발견되었다.[12][13]
구리에 주석 및/또는 비소를 적절한 비율로 혼합하면 구리보다 훨씬 단단한 합금인 청동이 생성된다. 최초의 구리/비소 청동은 기원전 4200년 소아시아에서 제작되었다. 구리-주석 청동은 더 단단하고 내구성이 뛰어나며, 소아시아에서 기원전 3500년경에 개발되었다.[15]
주석과 구리는 유럽과 아시아의 넓은 지역에 걸쳐 있는 무역 네트워크를 구축하는 데 기여했으며 개인과 국가 간의 부의 분배에 큰 영향을 미쳤다.
주조된 납 구슬의 가장 초창기 사례는 아나톨리아(터키)의 Çatalhöyük 유적에서 발견되었으며, 기원전 6500년경으로 추정된다.[16] 그러나 최근 연구에 따르면, 이것은 납이 아니라 납을 함유하고 있지만 납과는 다른 광물인 백연석과 방연석이었다.[17]
납은 흔한 금속이지만, 고대 세계에서는 상대적으로 영향이 적었다. 다른 금속에 비해 밀도가 높기 때문에 투석기 발사체로 이상적이지만, 구조 요소나 무기로 사용하기에는 너무 무르다. 그러나 주조와 성형이 쉬웠기 때문에 고대 그리스와 고대 로마의 고전 시대의 노동자들은 파이프를 만들고 물을 저장하는 데 널리 사용했다. 또한 석조 건물에서 모르타르로도 사용했다.[19][20]
주석은 납보다 훨씬 덜 흔했고, 경도도 약간 높았으며, 그 자체로는 더욱 영향력이 적었다.
철 생산의 가장 초창기 증거는 카만-칼레회유크의 초기 히타이트 시대 층에서 발견된 적절한 양의 탄소 혼합물을 가진 소량의 철 조각으로, 기원전 2200년에서 2000년 사이로 추정된다.[21]
고고학자들은 고대 이집트에서 제3중간기와 제23왕조 (기원전 1100~750년경) 사이 어딘가에서 철기 제작의 흔적을 발견했다. 그러나 중요한 것은 (전근대) 시대에는 철광석 제련의 증거가 전혀 발견되지 않았다는 것이다. 또한, 복잡한 예열 원리를 바탕으로 약 2000년 전(약 1세기) 탄자니아 북서부에서 탄소강의 매우 초기적인 생산이 이루어졌다. 이러한 발견은 금속 공학의 역사에 중요하다.[23]
유럽과 아프리카의 대부분의 초기 과정은 블루머리에서 철광석을 제련하는 것을 포함했는데, 여기서 온도는 철이 녹지 않을 정도로 낮게 유지되었다. 이로 인해 철의 스펀지 덩어리인 블룸이 생성되었고, 이를 망치로 두드려 연철을 만들어야 했다. 현재까지 철의 블루머리 제련에 대한 가장 초기의 증거는 요르단의 텔 함메에서 발견되었으며, 방사성 탄소 연대 측정법으로 기원전 930년경으로 측정되었다.[24]
3. 2. 중세 및 근대
중세 시대부터 직접 환원 방식의 제련소는 간접적인 방식으로 대체되기 시작했다. 이 방식은 고로를 사용하여 선철을 생산했으며, 이후 단조 가능한 봉철을 만들기 위해 추가적인 공정을 거쳐야 했다. 두 번째 단계의 공정에는 정련로에서의 정련이 포함된다. 13세기 고중세 시대에 고로는 기원전 200년경 진나라 때부터 사용해 온 중국에서 도입되었다. 퍼들링 또한 산업 혁명기에 도입되었다.두 공정 모두 현재는 구식이 되었으며, 연철은 거의 생산되지 않는다. 대신, 연강은 베세머 용광로 또는 Corex 공법과 같은 제련 환원 공정을 포함한 다른 수단을 통해 생산된다.
4. 한국의 제련소
주어진 원본 소스에는 한국의 제련소가 아닌 일본의 제련소에 대한 정보만이 있기 때문에, '한국의 제련소' 섹션에 대한 내용을 작성하는 것은 불가능합니다. 따라서 이전의 출력과 동일하게, 해당 섹션에 대한 내용을 작성할 수 없다는 안내를 드립니다.
5. 환경 및 건강 영향
제련은 환경에 심각한 영향을 미친다. 폐수와 슬래그를 생성하고, 구리, 은, 철, 코발트, 셀레늄과 같은 유해 금속을 대기 중으로 배출한다.[25] 제련소는 이산화황 가스를 배출하여 산성비를 유발하고, 이는 토양과 물을 산성화시킨다.[26] 캐나다 플린 플론의 제련소는 20세기 북미에서 수은의 가장 큰 배출원 중 하나였다.[27][28] 제련소 배출량이 대폭 감소한 후에도, 풍경의 재방출은 여전히 주요 지역 수은 오염원이다. 호수는 재방출된 빗물과 토양으로부터의 금속 용출로 인해 수십 년 동안 제련소로부터 수은 오염을 받을 가능성이 높다.[27]
제련 산업 노동자들은 호흡기 질환을 겪는다고 보고되었다.[38]
5. 1. 환경 영향
제련은 폐수와 슬래그를 생성하고, 구리, 은, 철, 코발트, 셀레늄과 같은 유해 금속을 대기 중으로 배출하여 환경에 미치는 영향이 심각하다.[25] 제련소는 또한 이산화황 가스를 배출하여 산성비를 유발하며, 이는 토양과 물을 산성화시킨다.[26]캐나다 플린 플론의 제련소는 20세기 북미에서 수은의 가장 큰 배출원 중 하나였다.[27][28] 제련소 배출량이 대폭 감소한 후에도, 풍경의 재방출은 여전히 주요 지역 수은 오염원이다. 호수는 재방출된 빗물과 토양으로부터의 금속 용출 모두로 인해 수십 년 동안 제련소로부터 수은 오염을 받을 가능성이 높다.[27]
알루미늄 제련소에서 발생하는 대기 오염 물질에는 황산 카르보닐, 불화 수소, 다환 방향족 탄화수소, 납, 니켈, 망가니즈, 폴리염화 바이페닐, 수은 등이 있다.[29] 구리 제련소 배출물에는 비소, 베릴륨, 카드뮴, 크롬, 납, 망가니즈, 니켈이 포함된다.[30] 납 제련소는 일반적으로 비소, 안티몬, 카드뮴 및 다양한 납 화합물을 배출한다.[31][32][33]
철강 공장에서 배출되는 폐수 오염 물질에는 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 시안, 암모니아, 페놀 및 크레졸과 같은 가스화 생성물과 함께 다환 방향족 탄화수소 (PAH)로 알려진 더 복잡한 다양한 유기 화합물이 포함된다.[34] 처리 기술에는 폐수 재활용, 고체 제거를 위한 침전조, 정화조 및 여과 시스템, 오일 스키머 및 여과, 용해된 금속을 위한 화학적 침전 및 여과, 유기 오염 물질을 위한 탄소 흡착 및 생물학적 산화, 증발 등이 있다.[35]
다른 유형의 제련소에서 발생하는 오염 물질은 기저 금속 광석에 따라 다르다. 예를 들어 알루미늄 제련소는 일반적으로 알루미늄뿐만 아니라 플루오린, 벤조(a)피렌, 안티몬 및 니켈을 생성한다. 구리 제련소는 구리 외에 카드뮴, 납, 아연, 비소 및 니켈을 배출한다.[36] 납 제련소는 납 외에 안티몬, 석면, 카드뮴, 구리 및 아연을 배출할 수 있다.[37]
5. 2. 건강 영향
제련은 심각한 환경에 미치는 영향을 미치며, 폐수와 슬래그를 생성하고, 구리, 은, 철, 코발트, 셀레늄과 같은 유해 금속을 대기 중으로 배출한다.[25] 제련소는 이산화황 가스를 배출하여 산성비를 유발하고, 이는 토양과 물을 산성화시킨다.[26]캐나다 플린 플론의 제련소는 20세기 북미에서 수은의 가장 큰 배출원 중 하나였다.[27][28] 제련소 배출량이 대폭 감소한 후에도, 풍경의 재방출은 여전히 주요 지역 수은 오염원이다. 호수는 재방출된 빗물과 토양으로부터의 금속 용출 모두로 인해 수십 년 동안 제련소로부터 수은 오염을 받을 가능성이 높다.[27]
제련 산업에서 일하는 노동자들은 직업상 요구되는 육체적 과제를 수행하는 데 지장을 주는 호흡기 질환을 겪고 있다고 보고했다.[38]
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