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황동석

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목차

1. 개요

황동석은 구리를 의미하는 그리스어 '칼코스'와 불을 치는 것을 의미하는 '피리테스'에서 유래된 이름의 광물로, 가장 중요한 구리 광석 중 하나이다. 화학 조성은 CuFeS₂이며, 미량의 금, 은, 주석, 아연 등을 포함한다. 정방정계 결정계에 속하며, 황철석, 금과 혼동되기 쉽지만 경도와 조흔색으로 구별한다. 열수광상, 스카른 광상, 반암동광상 등 다양한 환경에서 생성되며, 제련 또는 수금속 야금 공정을 통해 구리를 추출한다. 황동석 그룹에는 황동석, 에스케보나이트, 인듐동석, 갤라이트가 속한다.

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황동석
광물 정보
황동광
황동광
화학 및 결정 정보
이름황동광
분류황화 광물
화학식CuFeS2
IMA 기호Ccp
분자량183.54 g/mol
슈트룬츠 분류2.CB.10a
결정계정방정계
공간군I42d
단위 세포a = 5.289 Å, c = 10.423 Å; Z = 4
물리적 특성
색놋쇠 황색, 무지개 빛의 자줏빛 변색이 있을 수 있음.
결정형주로 사면체와 유사한 쐐기꼴, 흔히 괴상형, 때로는 포도상형.
쌍정관통 쌍정
쪼개짐{011}에서 불분명함
파단불규칙 또는 고르지 않음
굳기3.5–4
끈기부서지기 쉬움
광택금속 광택
광학적 성질불투명
조흔색녹색을 띤 검은색
비중4.1–4.3
용해도HNO3에 용해됨
투명도불투명
기타가열 시 자성을 띰
추가 정보
참고 문헌http://www.mindat.org/min-955.html
http://webmineral.com/data/Chalcopyrite.shtml
http://rruff.geo.arizona.edu/doclib/hom/chalcopyrite.pdf

2. 어원

황동석(chalcopyrite)이라는 이름은 구리를 의미하는 그리스어 chalkos|칼코스grc와 불을 의미하는 pyrites|피리테스grc에서 유래했다.[9] 역사적으로는 때때로 "황색 구리"라고 불리기도 했다.[10]

3. 화학적 성질

천연 황동석은 다른 황화 광물과의 고용체를 형성하지 않는다. 황동석은 섬아연석과 같은 결정 구조를 가지고 있지만, 구리에 대한 아연 치환은 제한적이다.

은, 금, 카드뮴, 코발트, 니켈, 납, 주석, 아연과 같은 미량 원소는 백만분율 수준에서 측정될 수 있으며, 구리와 철을 대체할 가능성이 있다.[14]

구리와 철, 황으로 구성되며, 화학 조성은 CuFeS₂로 나타낸다. 미량의 금, 은, 주석, 아연 등을 포함하며, 소량의 니켈이나 셀레늄을 포함하기도 한다.

질산에 녹으며, 불에 달구면 녹색의 염색 반응을 나타낸다. 산화되면 청색이나 공작석(말라카이트), 남동석(아주라이트)으로 변할 수 있다.[9]

4. 결정 구조

황동석은 정방정계 결정계에 속한다. 결정학적으로 황동석의 구조는 섬아연석(ZnS)의 구조와 밀접한 관련이 있다.[15] 단위세포는 두 배 크며, 인접한 세포에서 Zn2+ 이온을 대체하는 Cu+ 및 Fe3+ 이온의 번갈아 배열을 반영한다. 황철석 구조와는 달리 황동석은 이황화물 쌍이 아닌 단일 S2− 황화물 음이온을 갖는다. 또 다른 차이점은 철 양이온이 황철석과 같이 반자성 저스핀 Fe(II)가 아니라는 점이다.

결정 구조에서 각 금속 이온은 4개의 황 음이온에 사면체 배위된다. 각 황 음이온은 두 개의 구리 원자와 두 개의 철 원자에 결합되어 있다.[15]

5. 감별

황동석은 황철석, 금과 함께 황색을 띠며 금속 광택이 있어 혼동되기 쉽다. 이들을 구별하는 중요한 특성은 경도와 조흔색이다. 황동석은 황철석보다 훨씬 물러서 칼로 긁을 수 있지만, 황철석은 긁히지 않는다.[11] 반면 황동석은 순수한 구리로 긁을 수 있는 금보다는 단단하다.[12] 또한 금은 전성이 있으나 황동석은 취성을 가진다.[9] 황동석의 조흔색은 녹흑색, 황철석은 흑색, 금은 황색이다.[13]

황동석은 외관상 황철석과 유사하나, 황철석보다 황색이 강하고 조흔색으로 구별 가능하다.

6. 산출지

황동석은 구리 함량이 가장 높지는 않지만, 여러 지역에서 발견될 수 있어 가장 중요한 구리 광석이다.[16] 황동석 광석은 다양한 광석 형태로 산출된다.


  • '''열수 광상, 스카른 광상, 반암 동 광상''' 등에서 널리 산출된다.
  • 하천의 사력(모래와 자갈) 중에 상류의 광맥에서 씻겨 내려온 황동석이 퇴적되기도 하며, 종종 사금과 혼동된다.
  • '''주요 산출지'''
  • 미국 콜로라도주, 애리조나주, 캔자스주 트라이스테이트 광산 지역
  • 영국
  • 독일
  • 캐나다
  • 온타리오주 티민스(Timmins)의 포터 광산(Potter Mine): VMS 광상에서 채취한 구리-아연 광석 샘플에서 발견. 황동색 광물은 이 광산의 주요 광석 광물.[16]
  • 테마가미 녹색암대(Temagami Greenstone Belt) 남쪽 끝: 커퍼필즈 광산(Copperfields Mine)에서 고품위 구리 채굴.[16]
  • 스페인
  • 일본
  • 도치기현 아시오 동산
  • 에히메현 베시 광산 등에서 대규모 채굴
  • 아키타현 아라카와 광산의 "삼각형 황동석"은 세계적으로 유명
  • 중국
  • 오스트레일리아 남부 올림픽 댐(Olympic Dam, South Australia): 초대형 구리-금-우라늄 광상.[17]
  • '''기타 산출 형태'''
  • 화강암(granite)에서 섬록암(diorite)까지의 관입암(intrusive)과 관련된 불규칙한 맥(Vein (geology))과 산포(dissemination) 형태.[16]
  • 브로큰 힐(Broken Hill), 미국 코르디예라(American Cordillera) 및 안데스 산맥(Andes)의 포르피리 동광상(porphyry copper).[16]
  • 황철석 덩어리와 관련된 석탄층과 탄산염 퇴적암에 산포되어 발견.[17]

7. 생성 과정

황동석은 다양한 광석 생성 과정을 통해 많은 광석 함유 환경에서 발견된다.

황동석은 열수 순환 과정에서 구리가 침전되어 형성된 화산성 대규모 황화물 광상 및 퇴적성 열수 광상에서 발견된다.[9] 황동석은 이 환경에서 유체 수송을 통해 농축된다. 포르피리 동광상은 마그마의 상승 및 결정화 과정에서 화강암질 관입암체 내에서 구리가 농축되어 형성된다. 이 환경에서 황동석은 마그마계 내에서 농축되어 생성된다.

황동석은 황화물 포화 초염기성 용암 내의 불혼합성 황화물 용액에서 형성된 캄발다형 코마타이트 니켈 광상의 부성분 광물이다.[9] 이 환경에서 황동석은 황화물 용액이 불혼합성 규산염 용액으로부터 구리를 빼앗아 형성된다.

8. 구리 추출

황동석으로부터 구리를 추출하는 플래시 제련 공정.


황동석에서 구리를 추출하는 주요 방법에는 열역학적 제련법과 습식 제련법이 있다. 열역학적 제련법은 파쇄, 분쇄, 부유선광, 제련, 정련, 전해 정련 기술을 포함하며, 습식 제련법은 파쇄, 침출, 용매 추출 및 전해 채취 기술을 사용한다. 황동석의 경우, 가압 산화 침출이 실시된다.[19]

8. 1. 제련

황동석에서 구리를 추출하는 가장 중요한 방법은 제련이다. 제련은 일반적으로 고품위 광석을 사용하는 대규모 작업에 사용된다.[20] 황동석과 같은 Cu-Fe-S 광석은 수용액에 용해되기 어렵기 때문이다.[21] 이 방법을 사용한 추출 공정은 다음과 같다.

1. 광석에서 원하는 원소를 분리하여 농축물을 만드는 거품 부상법(froth flotation)2. 고농도 구리 황화물 매트(matte)를 만드는 매트 제련(matte smelting)3. 황화물 매트를 산화/전환(Oxidizing/converting)하여 불순물이 포함된 용융 구리를 얻는 전환(Converting)4. 화염 정련 및 전해 정련 기술을 사용하여 생성된 구리의 순도를 높임[21]

황동석 광석은 직접 제련되지 않는다. 광석이 주로 경제적 가치가 없는 물질 또는 폐석으로 구성되어 있으며 구리 농도가 낮기 때문이다. 폐기물의 풍부함으로 인해 광석을 가열하고 용융하는 데 많은 탄화수소 연료가 필요하다. 대안으로, 거품 부상법(froth flotation)이라는 기술을 사용하여 먼저 광석에서 구리를 분리한다. 시약을 사용하여 구리를 발수성으로 만들어 구리가 기포 위에 떠서 부상 세포에서 농축될 수 있도록 한다. 황동석 광석에 함유된 0.5~2%의 구리와는 대조적으로, 거품 부상법은 약 30%의 구리를 함유한 농축물(concentrate)을 생성한다.[21]

그런 다음 농축물은 매트 제련(matte smelting)이라는 공정을 거친다. 매트 제련은 1250°C 용광로에서 부상 농축물을 용융하여 약 45~75%의 구리를 함유한 새로운 농축물(매트)을 생성함으로써 황과 철을 산화시킨다.[22] 이 공정은 일반적으로 플래시 용광로에서 수행된다. 슬래그(slag) 물질의 구리 양을 줄이기 위해, 농축물과 슬래그 사이의 불혼화성을 촉진하기 위해 SiO2 용융제[22]를 추가하여 슬래그를 용융 상태로 유지한다. 부산물의 측면에서, 매트 제련 구리는 환경에 해로운 SO2 가스를 생성할 수 있으므로, 황산 형태로 포집된다. 반응식은 다음과 같다.[21]

  • 2CuFeS2 (s) +3.25O2(g) → Cu2S-0.5FeS(l) + 1.5FeO(s) + 2.5SO2(g)
  • 2FeO(s) + SiO2(s) → Fe2SiO4(l)[21]


전환(Converting) (metallurgy)은 황과 철을 더 제거하기 위해 매트를 다시 한번 산화시키는 것을 포함하지만, 생성물은 99%의 용융 구리이다.[21] 전환은 슬래그 형성 단계와 구리 형성 단계의 두 단계로 이루어진다. 슬래그 형성 단계에서 철과 황은 각각 1% 미만과 0.02% 미만으로 감소된다. 매트 제련에서 얻은 농축물을 전환기에 붓고 회전시켜 취관(tuyere)을 통해 슬래그에 산소를 공급한다. 반응식은 다음과 같다.

  • 2FeS(l)+3O2(g)+SiO2(s) -> Fe2SiO4(l) + 2SO2(g) + 열


구리 형성 단계에서 슬래그 단계에서 생성된 매트는 장입(전환기에 매트 투입), 취입(산소 추가 분사), 제거(블리스터 구리로 알려진 불순물이 포함된 용융 구리 회수) 공정을 거친다.[21] 반응식은 다음과 같다.

  • Cu2S(l) + O2(g) -> 2Cu(l) + SO2(g) + 열[21]


마지막으로, 블리스터 구리는 화염 정련, 전해 정련 또는 그 두 가지 모두를 통해 정련된다. 이 단계에서 구리는 고순도 음극(cathode)으로 정제된다.[21]

8. 2. 수금속 야금



구리 금속은 주로 열역학적 제련법과 습식 제련법을 사용하여 황동석 광석에서 추출된다. 습식 제련법에는 파쇄, 침출, 용매 추출 및 전해 채취 기술이 사용된다.[19] 특히 황동석의 경우, 가압 산화 침출이 실시된다.

황동석은 대부분의 구리 함유 광물과는 달리 불용성 광물로서 구리를 용액으로 방출하려면 높은 온도와 산화 조건이 필요하다.[23] 이는 철과 구리가 1:1로 존재하기 때문에 침출 속도가 느려지는 추출상의 어려움 때문이다.[24] 높은 온도와 압력은 용액 내에 풍부한 산소를 생성하여 황동석의 결정 격자를 분해하는 반응 속도를 가속화한다.[23] 황동석에 필요한 산화 조건과 고온을 이용하는 수금속 야금 공정은 '''압력 산화 침출'''로 알려져 있다. 산화 및 고온 조건 하에서 황동석의 전형적인 반응 계열은 다음과 같다.

i) 2CuFeS2 + 4Fe2(SO4)3 → 2Cu2++ 2SO42- + 10FeSO4+4S

ii) 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 → 2Fe2(SO4)3 +2H2O

iii) 2S + 3O2 +2H2O → 2H2SO4

(전체 반응) 4CuFeS2+ 17O2 + 4H2O → 4Cu2++ 2Fe2O3 + 4H2SO4[23]

압력 산화 침출은 저품위 황동석에 특히 유용하다. 이는 전광석을 처리하는 대신 부유 선광으로 얻은 정광을 처리할 수 있기 때문이다.[23] 또한, 다양한 광석에 대해 제련의 대안으로 사용될 수 있다.[23] 수금속 야금 공정이 제련(파이로메탈루지) 공정에 비해 구리 추출과 관련하여 가지는 다른 장점은 다음과 같다.

  • 제련 시설 설치 비용이 높다.
  • 고불순물 정광을 처리할 수 있다.
  • 현장에서 저품위 광상을 처리할 수 있기 때문에 회수율이 증가한다.
  • 운송비가 낮다(정광 운송이 필요 없다).
  • 전체적인 구리 생산 비용이 낮다.[23]


수금속 야금은 장점이 있지만, 상업적 환경에서는 여전히 어려움에 직면하고 있다.[24][23]

9. 황동석 그룹

이름화학식
황동석CuFeS₂
에스케보나이트CuFeSe₂
인듐동석CuInS₂
갤라이트CuGaS₂


참조

[1] 논문 IMA–CNMNC approved mineral symbols 2021
[2] 서적 Manual of Mineralogy Wiley 1985
[3] 서적 Dana’s system of mineralogy 1944
[4] 웹사이트 Chalcopyrite http://www.mindat.or[...] Mindat.org
[5] 웹사이트 Chalcopyrite data on Webmineral.com http://webmineral.co[...]
[6] 웹사이트 Chalcopyrite in the Handbook of Mineralogy http://rruff.geo.ari[...]
[7] 서적 Chapter 1 - Minerals and rocks https://www.scienced[...] Elsevier 2023-02-10
[8] 서적 Chapter 10 - Effect of The Electronic Structure on leaching of Sulphide Semiconductors https://www.scienced[...] Woodhead Publishing 2023-02-10
[9] 웹사이트 Chalcopyrite https://commonminera[...] 2024-12-10
[10] 서적 Bulletin https://books.google[...] U.S. Government Printing Office 1885
[11] 웹사이트 Mohs Hardness Test https://www.oakton.e[...] 2019-12-20
[12] 웹사이트 Earth's Minerals https://learnbps.bis[...] LearnBPS: Bismarck Public School's Blended Spaces 2019-12-20
[13] 웹사이트 Fool's gold and real gold – How to tell the difference https://geology.com/[...] 2019-12-20
[14] 논문 Chalcophile and platinum-group element (PGE) concentrations in the sulfide minerals from the McCreedy East deposit, Sudbury, Canada, and the origin of PGE in pyrite 2011
[15] 논문 A review of the structure, and fundamental mechanisms and kinetics of the leaching of chalcopyrite https://www.scienced[...] 2013-09-01
[16] 서적 More than Free Gold https://books.google[...] General Store Publishing House 2015-08-02
[17] 서적 Introduction to mineralogy and petrology https://www.worldcat[...] Elsevier 2014
[18] 논문 Liquid Copper and Iron Production from Chalcopyrite, in the Absence of Oxygen https://www.scienced[...] 2022-08-29
[19] 서적 Extractive Metallurgy of Copper https://www.worldcat[...] Elsevier 2011
[20] 백과사전 Pyrometallurgy https://www.scienced[...] Elsevier 2023-03-23
[21] 서적 Extractive Metallurgy of Copper https://www.worldcat[...] Elsevier 2011
[22] 논문 Performance Analysis of a Smelting Reactor for Copper Production Process http://dx.doi.org/10[...] 2008-10-09
[23] 서적 Extractive Metallurgy of Copper https://www.worldcat[...] Elsevier 2011
[24] 논문 Liquid Copper and Iron Production from Chalcopyrite, in the Absence of Oxygen https://www.scienced[...] 2022-08-29
[25] 서적 ROCK and GEM 岩石と宝石の大図鑑 誠文堂新光社 2007
[26] 서적 ROCK and GEM 岩石と宝石の大図鑑 誠文堂新光社 2007


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