풍화니켈 (Nickel Laterite) 처리공정에는 어떤것이있나?

[Minera]

Nickel Laterite Processing

Jakarta Indonesia. June 24, 2010

김모세. CTO

(celtianica@hotmail.com)

Preface

nickel laterite ore를 처리하는 공정은 Ferronickel smelting (FeNi), Blast / Electric furnace (Pig iron), Caron process (Reductive roast), AMAX process (HPAL & AL), High pressure acid leach (HPAL), Atmospheric leaching (AL), Sulphation atmospheric leach (SAL), Heap leaching (HL)등이 있다.

이들은 각각의 장단점을 가지고 끊임없이 발전, 개선되어 왔고 일부 방식은 금속학적 문제점, 혹은 운용 유지 보수 원가에서 문제점을 노출시킴으로 말미암아 상업 plant 건조 project에서 영원히 사라졌다.

위에 언급한 방식들 외에도 최근에는 특정 bacteria를 이용한 nickel 회수에 관한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있는 실정인데, 이는 보다 간편하고 경제적이며 더 높은 수율로 저품위의 nickel을 포함하는 layer로부터 고품위의 nickel을 포함하는 layer까지 고르게 nickel을 회수하려는 목적에서 이루어지고 있다.

기존에 가동을 한 전력이 있거나 현재 가동중이거나 혹은 미래에 가동될 상업 plant 가운데 가장 많이 사용된 공정은 Pyrometallurgy 공정과 HPAL, Atmospheric Leach Process, 그리고 Heap Leach인데 Pyrometallurgy 공정을 제외한 나머지는 다량의 산을 사용하여 목표광종을 회수하는 방식이고, 이들 가운데 가장 최근에 개발되어 발전을 거듭하고 있는 공정은 Heap Leach이다.

Process	Iron Chemistry
HPAL	Fe2(SO4)3 + 3H2O Fe2O3 + 3H2SO4
Atmospheric Leach	Fe2(SO4)3 + Na2SO4 NaFe3(SO4)2(OH)6 + 2H2SO4
Heap Leach	Fe2(SO4)3 + 3CaO 2FeO(OH) + 3CaSO4

본 Technical feasibility study에서는, 1920년대 이후에 가장 많이 운영되고 있는 상업 plant들의 공정들에 관하여 고찰하고 광대역에 걸쳐 저품위의 nickel과 cobalt를 포함한 연유로 생산이 어렵다고 알려진 nickel laterite ore의 효율적인 처리 공정에 관하여 고찰할 것이다.

1. Introduction of Nickel

역사 -

nickel은 iron, cobalt, gadolinium과 함께 4대 ferromagnetic 원소중 하나로써, 3500 BC때부터 그 존재가 발견되었고(1) 1700 BC때 중국인들은 백동 (白銅, baitung)이라 불렀는데 이들은 영국으로 수출되기도 하였다(2). 해당 물질은 1751년 Axel Fredrik Cronstedt에 의해 최초로 원소로 분리, 분류되었다.

성질 -

nickel의 Curie temperature는 355 °C로써 해당 온도를 상회하면 자성을 잃어버린다(3). 주기율표에서는 10-4-d group으로 28번 원소에 해당하며 atomic weight는 58.6934(2) g·mol−1이고 녹는점은 1453 °C, 끓는점은 2732 °C이다. fusion 열량은 17.48 kJ·mol−1이고 vaporization 열량은 377.5 kJ·mol−1이며 Electronegativity는 Pauling scale 기준으로 1.91이다.

철과 마찬가지로 단조(鍛造) 및 단접(鍛接)이 가능하고 전성·연성이 풍부하며, 연마가공도 가능하다. 강한 자성(磁性)을 지니고 있으나, 철보다는 약해 electro- magnetizing시에 철과 분리된다. 전기전도도는 구리의 14.9 %이며, 공기 및 습기에 대해 철보다도 안정하여 잘 산화되지 않으며, 또한 alkali에도 잘 침식되지 않는다. 묽은 질산에는 쉽게 녹지만, 진한 질산에는 부동 상태로 되어 침식되지 않고 염소등과는 격렬하게 반응한다.

Nickel compounds -

oxidation state로써의 nickel은 +2이며, 그외 Ni0, Ni+, Ni3+, Ni4+가 존재한다(4).

a. Nickel(0)

Ludwig Mond에 의해 발견된 Tetracarbonylnickel (Ni(CO)4)로써 촉매제로 사용된다.

b. Nickel(II)

Nickel(II) compound로는 sulfide, sulfate, carbonate, hydroxide, carboxylates, 및 halides등이 있으며 이중 Nickel(II) sulfate는 electroplating nickel로 쓰인다.

c. Nickel(III)

Nickel(III) oxide는 nickel-cadmium, nickel-iron, nickel hydrogen, and nickel-metal hydride 및 Li-ion 충전지의 cathode를 제작하는데 사용된다(5).

포함광물 (Mineralogy) -

대부분의 nickel은 지구 핵에서 액체 상태로 존재하며, bulk 상태의 nickel은 nickeliferous limonite: (Fe, Ni)O(OH), garnierite (hydrous nickel silicate): (Ni, Mg)3Si2O5(OH)등 ultramafic 화성암 환경의 laterite에 존재하거나 magmatic sulfide deposits 상에서 pentlandite: (Ni, Fe)9S8에 존재한다.

이들은 각각 다른 이름으로 불리는데 전자를 풍화 nickel (lateric nickel), 후자를 황화 nickel (nickel sulfides)이라고 한다. 부존은 전자가 약 55%, 후자가 약 45%이나 생산에 있어서는 반대로 전자가 약 45%, 후자가 약 55%인데 그 이유는 채광의 편의성과 nickel의 품위에 기인한다.

포함환경 (Geology) -

stratigraphy와 geochemistry 측면에서 고찰하면 Precambrian 기로부터 Oligocene-Miocene기에 이르기까지 그 분포가 다양하다. 간혹, komatiitic- tholeiitic-hosted deposit에서 Archean granite–greenstone terrane 상으로 관찰되기도 하는데 이는 광대역에 걸친 primitive komatiitic magma나 tholeiitic magma에 의해 형성된 것이며, 이들의 경우 Indonesia 공화국의 Sulawesi island의 일부 지역과 같이 PGEs deposit을 형성하기도 한다.

Proterozoic orogenic belt에서는 sulfur를 포함한 tholeiitic mafic 내지는 ultramafic intrusion이 관찰되기도 하는데 특히, Archean–Proterozoic layered mafic–ultramafic intrusion에서는 PGE–Ni–Cu ± Cr의 형태로 nickel이 형성되기도 한다.

lateric nickel의 경우 limonite에서부터 시작하여 bedrock 기반에서 saprolitic serpentine과 smectite층에서 풍부한 품위를 보인다. 광물대 상층부의 경우 nontronite와 quartz 및 goethite가 섞인 iron cap / overburden 층에서는 Mesozoic sediments, Tertiary sediments, clastic sediment, Mesozoic marl, undifferentiated Mesozoic sediment등이 관찰되며 Massive limestone, bedded limestone등이 bedrock 기반에서 관찰된다.

해당 deposit들은, Mid ocean ridge basalt 및 Deep sea back-arc basin basalt의 연장선상에 존재하면서 Triassic, lower Jurassic, 혹은 Mid-Tertiary기의 collision 양상을 보이기도 하는데, 이들 가운데 상당수의 경우에서는 Neogene age의 subduction-type calc-alkaline rock들과 iron oxides가 뒤섞인 meta limonite layer등이 관찰된다.

Indonesia 공화국의 Sulawesi island에 부존하는 nickel 부존상은, 거의가 silicate sediment, Mesozoic sediment 및 Palaeogene carbonates와 함께 공존하는 nickel laterite로써, cretaceous abyssal limestone과 minor bedded chert가 관찰되며, ferricrete로 덮인 nickeliferous saprolite가 내재된 mineral aspect를 보이고 있다. 또한, 여러 현장에서 상당히 많은 양의 peridotit, harzburgit, dunit, olivine등이 함께 부존하는 경우가 많다.

nickel은 chromium, aluminium 및 titanium등과 같이 kamacite나 taenite와 같은 iron meteorites상에서 발견되기도 하며, 극소수의 경우를 제외하고는 거의가 다 ultrabasalt-ultramafic 지역에서 부존한다. 일반적으로 극렬한 magma 활동에서 벗어난 terrestrial rock에서는 부존하지 않는데 그 이유로는 iron metal이나 iron-nickel metal의 기원이 지구 중심의 핵이기 때문이다.

용도 -

기본적으로 -70m 이상의 지표에 가장 광범위하게 부존하는 lateric nickel deposit의 개념과 역사 및 상업적 고찰에 관하여는 Golightly (1973), Roorda and Hermans (1981), Burger (1996b)를 비롯하여 많은 논의가 있었고 특히 풍화 nickel (lateric nickel)이든 황화 nickel (nickel sulfides)이든, 양자 모두 합금으로써 전환시에 관찰되는 물성과 가능한 용도에 관하여는 근래에 이르기까지 많은 연구가 이루어지고 있다. 특히, 근래에 들어 광물처리 방식의 발달로 인해 고순도의 nickel 결과물이 광업지 내에서 생산되고 있고 도시광산 차원에서도 nickel, 혹은 nickel 합금 회수에 대한 연구가 끊임없이 이루어지고 있다.

nickel은 순수 nickel 보다 합금 제로써 더욱 향상된 물성을 띠는 성질을 가지고 있기 때문에 합금으로 전환시 더욱 다양한 용도를 가진다. 주요 용도별 점유율을 보면, nickel-copper alloys (14%), nickel silver (9%), malleable nickel, nickel clad, Inconel, superalloys (6%), nickel cast irons (3%), Nichrome과 같이 열전대-전기저항 alloys (3%), nickel brass와 bronzes (2%), 그 외기타 합금 3%이다 (6).

nickel은 stainless steel 제조에 가장 많이 사용된다. 비철 nickel 합금 중에서는 특히 양은(Cu-Ni-Zn합금)과 Al-Ni등이 많이 사용되며 표면 처리 공업에서도 많이 사용되고 있다. Ni 함량을 줄인 Fe-Ni 합금을 이용한 자석 재료 부분에서는 희토류 (REE) 자석으로 인하여 Ni의 사용량이 이전에 비하여 현저하게 적다.

또한 nickel foam이나 nickel mesh는 전기적으로 중요한 용도를 지니는데, alkaline 연료 전지의 gas diffusion electrodes로 사용된다 (7).

Ni-Fe 합금은 Ni강 또는 Ni-Cr강으로서 용도가 많으나, 그 조성에 따라서 여러 특성이 있고 주로 화폐제조나 합금촉매 내지는 전열기 재료에 이용한다. American nickel five-cent coin의 경우 75%의 구리와 25%의 nickel로 제조된다. Canada의 경우 1922년에서 1981년 사이에 주조된 mint 화폐에 대하여 99.9%의 nickel이 사용되었다 (8). 실용합금으로는 Invar , Super Invar, Elinvar , Plantinite, Nickelloy , Permalloy ,Perminvar등이 있다.

Ni-Cr 합금은 전기저항이 대단히 크다. 내열성이 크고, 고온에서 경도 및 강도의 저하가 적다. 또한 내식성이 크고, 산화도가 적다. Fe 및 Cu에 대한 열전 효과가 커서 주로 열전대선, 전기저항선, 내열용 nickel 계 합금, Bimetal, Sun-Platinum에 이용된다.

Ni-Si 합금은 Ni기에 Si, Cu를 함유한 합금으로 Hastelloy D의 상품명으로 제조되며 표준형과 연성형의 2종이 있다. Hastelloy D의 특징은 모든 농도의 황산에 견디는 성질, 즉 내식성이 좋으며 비등온도에서는 50% 농도까지 견딘다.

가격 -

2010년 현재는 nickel 거래에 관한 국제 시장 상황은 수급과 공급이 거의 평형을 이루는 상황이며 여느 산업광물과 같이 nickel 역시도 정치적, 지정학적 변화에 따른 생산 환경 변화 및 관련 산업에서 요청되는 수요 변동에 따라 가격변동이 이루어진다.

하지만, 각종 전자제품의 개발과 smart 전지류의 소비가 증가추세인데다가 nickel 광산의 특성상, 탐사가 완료되어 바로 생산이 가능한 광구는 한정되어 있고 광대역의 광구를 통해 규모의 경제를 이룩하여야만 채산성이 보장되는데, 획기적으로 경제적인 제련-정련 기술이 개발되지 않는 한, 이상의 조건들을 만족하는 광구 가동에는 최소 4년에서 최대 6년간의 준비기간과 최소 15억 USD에서 최대 45억 USD의 자금이 필요한 상황이므로 장래에는 가격상승이 불가피한 실정이다.

Estimated by	US$/Tonne Ni	US$/Lb Ni	Date
Bofa - ML	10,913	5.00	March 05, 2009
BMO	19,842	9.00	February 27, 2009
CIBC	12,125	5.50	April 01, 2009
Citi Bank	13,228	6.00	March 16, 2009
Credit Suisse	14,330	6.50	March 23, 2009
Deutsche	14,330	6.50	March 27, 2009
Goldman Sachs	16,931	7.70	March 17, 2009
HSBC	12,125	5.50	March 30, 2009
Macquarie	15,432	7.00	March 16, 2009
Morgan Stanley	15,432	7.00	March 09, 2009
Nomura-Lehman	13,228	6.00	March 11, 2009
TD Newcrest	13,228	6.00	March 12, 2009
Raymond James	18,739	8.50	March 03, 2009
RBC	18,254	8.30	March 24, 2009
UBS	15,432	7.00	March 20, 2009
Concensus/Median	14,330	6.50

(표 : Nickel가격)

	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013
Stainless Steel Production % change Austenitic Production % change Total Nickel in Stainless Steel % change Scrap in Stainless Steel % change Primary Nickel in Staineless % change Ni in Other Applications % change Total Primary Ni Cons % change	28544 -0.3 20805 -5.9 1590 -11.3 772 -12 824 -10.3 512 6.1 1335 -4.6	26294 -7.9 19299 -7.2 1501 -5.6 741 -4.1 766 526 2.9 1292 -3.2	26904 2.3 19953 3.4 1549 3.2 760 2.5 796 3.9 510 -3.0 1306 1.1	29575 9.9 21984 10.2 1702 9.9 811 6.7 898 12.9 533 4.4 1431 9.6	33365 12.8 24857 13.1 1922 12.9 894 10.3 1036 15.3 563 5.6 1598 11.7	35746 7.1 26790 7.8 2064 7.4 944 5.6 1128 8.9 585 4.0 1713 7.2	36503 2.1 27571 2.9 2107 2.1 939 -0.5 1175 4.2 606 3.6 1781 4

Source : CRU Analysis, INSG \

(표 : Nickel의 수요변동 2007년 ~ 2013년)

	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013
World Balance Western World Position WW Production Net Trade with Former EB Chg in Official Stocks Chg in Norilsk R'dam Stocks WW Consumption Western World Balance Stocks Stocks;Consumption Ratio(wks)	96.4 900.8 142.0 0.0 0.0 949.7 93.2 207.6 11.4	66.7 870.3 75.0 0.0 0.0 903.8 41.5 279.3 19.1	-4.2 854.7 40.3 0.0 0.0 899.2 -4.2 275.0 15.3	21.5 973.1 2.8 0.0 0.0 954.5 21.5 296.6 16.3	26.6 1107.6 -48.3 0.0 0.0 1032.7 26.6 323.2 16.3	-13.6 1162.7 -102.1 0.0 0.0 1074.2 -13.6 309.6 15.0	-20.9 1213.7 -159.5 0.0 0.0 1075.2 -20.9 288.7 14.0

Source : CRU Analysis 

(표 : Nickel의 수요-공급 균형 예측 2007년~2013년)

2. Nickel Processing

nickel 처리방법에는 크게 pyrometallurgical process와 hydrometallurgical process 두 가지가 있다.

pyrometallurgical process를 거친 결과물에는 소량의 Fe, Cu, Zn, Chromium, Tin, Manganese등이 섞여 있으며 이를 nickel matte라고 한다. pyrometallurgical process는 Drying, Calcining, Roasting, Smelting, Refining의 순서로 진행되는데 주요한 energy 소모형태는 열 energy이다.

건조공정은 120 °C에서 이루어지는데 rotary dryer, fluidized bed dryer, flash dryer중 한가지를 사용한다. Calcining 공정은 shaft furnace, rotary kiln, fluidized bed reactor등을 사용하여 이루어지는데 이는, ferric hydroxide와 같은 hydrate를 ferric oxide와 water vapor로, 또는 calcium carbonate를 calcium oxide나 carbon dioxide로, 혹은 iron carbonate를 iron oxide로 전환하는 공정이다. Roasting 공정은 reactor 내부에 공기중 산소와 sulfur dioxide gas 형태의 sulfide및 미세한 기름방울을 불어넣어 태우는 공정인데 이때 내부 온도는 약 350 °C에서 450 °C에 달한다. Smelting 공정은 coke나 charcoal을 사용해 제련물의 산소를 carbon dioxide로 날려 보내는 공정이다. Refining 공정은 열 energy를 통하여 불순물을 제거하는 최후 공정이다. 해당 공정은 전기로를 사용하여 이루어지므로 electrolytic process라고 한다. Roorda and Hermans에 의하면 2% 이하의 nickel, 25% 이상의 철을 포함하는 경우에 pyrometallurgical process를 적용시 유실율이 높음을 알 수 있다 (9).

hydrometallurgical process를 거친 결과물은 매우 고 순도의 제품이 산출된다. hydrometallurgical process는 leaching, solution concentration과 purification 및 metal recovery의 세단계로 구성된다.

1920년대에 개발된 Caron 공정은 1944년까지 상업화 되지 못했던 기술이었다 (10). 해당 공정은 nickel ore를 drying 공정과 milling 공정을 거쳐 121 °C / 1034 kPa이라는 저온-고압 상태에서(11) ammonia-ammonium carbonate solution을 통해 nickel carbonate로 전환하고, nickel carbonate가 precipitation 공정을 거치기 전에 solvent extraction을 사용하여 cobalt를 분리하고 이후에 calcine 공정을 더하여 nickel을 회수하는 방식이다. 단, 이 공정은 nickel laterite 내에 nickel의 품위가 1.5% 이상일 때만 적용 가능하다.

최근래에 개선된 Caron 공정은 Queensland Nickel Industry에서 사용중인 QNI 공정이다. 해당 공정에서는 solvent extraction 과정에 들어가는 ammoniacal solution에 reagent로 LIX84를 사용했는데 이후에 LIX87QN으로 대체하였다 (12). 

PAL (Pressure Acid Leach)는 일정 압력 하에서 산을 사용하여 침출되는 광물을 회수하는 방식이다. 최초의 상업적인 PAL 방식은 1959년도 Cuba의 Moa Bay project에서 시도되었다 (14).

PAL 공정은 Caron 공정에 비해 절반에서 3분의 1에 해당하는 운영원가만으로 동일한 양의 nickel과 cobalt를 회수하는 것이 가능했다 (15). 반면에 산을 이용하는 과정이 전체 공정의 대부분이어서 운영원가 중 가장 많은 비용을 산이 차치하게 되었고 Caron 공정에 비해 감압 조작이 한층 복잡해졌다.

황산으로 leaching 되는 nickel ore는 sulfur burning acid plant 내에서 255 °C / 4300 kPa의 조건하에 90분간 머무른다. 이렇게 생성된 slurry는 pH를 2.4에서 2.6으로 조정하기 위해 CCD (counter- current decantation) circuit로 주입된다. pH를 3.5에서 4.0으로 상향조정하면 Al, Cr, Fe등을 손쉽게 제거 할 수 있지만 그렇게 되면 nickel과 cobalt에서 예상치 못한 손실이 발생 할 수 있다 (16).

때문에 이후 감압과정을 거치는데 해당 slurry를 다시 90 °C / 105 kPa의 조건하에서 hydrogen sulfide를 사용한 sulfide precipitation 공정을 거치게 함으로 Al, Mn, Mg과 같은 금속류들과 불순물들이 제거 되도록 한다.

J-HPAL 또는 S-HPAL로 불리는 Sumitomo Corporation의 개량형 HPAL 방식은 lateric nickel광에서 transition layer 상부에 부존하는 저품위 limonite nickel ore를 처리하는데 있어 최초의 일련적인 상업 가동에 성공한 경우이다. 이는, 기존 HPAL 공정에서 autoclave를 대형화하고, 가열에 이용되는 증기 energy의 재이용 기술과 제련장치 제어에 관한 기술을 개선한 방식이다. 기존 HPAL 공정에서는 고온처리에 의한 열을 증기로 회수할 때, 증기 속에 혼입된 황산이 증기를 재활용하는 heater 부분을 부식시켜 잦은 고장을 일으키고 그래서 결국 가동률을 저하시킨다.

생산량 증대를 목적으로 설치된 autoclave의 수가 늘어날수록 열은 분산되고 부식 침하로 인한 heater의 meltdown 위험도 증가한다. 이러한 문제는 sulfide slurry를 담고 있는 autoclave에도 해당되는데 heater의 고장은 지속적으로 일정한 열을 공급하는데 차질을 빚게 되고 이는 pressure control failure를 야기한다. 즉, 열 공급에 불균형이 생기게 되면 autoclave 간에 압력불균형이 발생하고 일부 autoclave는 압력이 하강하나 또 다른 autoclave는 압력이 상승한다. 이 점은 autoclave 내의 제어와도 관계가 있는데 해당 고압용기나 heater가 산에 의한 부식으로 meltdown 현상을 일으키거나 pressure control failure로 인해 폭발하지 않도록 제어하는 것이 관건이다. Sumitomo Corporation은 열 energy재활용을 통해 그러한 고압용기내의 제어방법에 대한 기술적인 문제를 독자적으로 해결하였다.

Smitomo Corporation의 개량형 외에도 project마다 각각 다른 광물학적 차이를 고려하여 여러 가지 개량 형들이 개발, 설치되었다. Cawse 공정의 경우 1.0%의 nickel과 0.07%의 cobalt를 함유한 5280만 ton의 lateric nickel ore를 개발하기 위하여 개발되었다 (17).

해당공정은 coarse silica fraction (+212μm)를 감쇄시키고 입력 nickel과 cobalt의 품위를 30%에서 50%까지 증가시키는 것이었다 (18). 이후 slurry는 250 °C의 온도와 3800 kPa의 압력 하에 75분에서 105분간 머무른다. 이때, limestone slurry의 산도는 pH3.5로 고정하고 여기에 공기를 더하여 iron oxide(II)를 iron(III)으로 전환한다. hydroxide precipitation 이후, slurry는 CCD circuit를 통한 세척과 분리공정에 들어가기 전, iron 제거를 위해 pH6.0의 조건하에 머무르게 된다.

Bulong 공정의 경우에는 1.14%의 nickel과 0.09%의 cobalt를 함유한 4100만 ton의 lateric nickel ore를 개발하기 위하여 개발되었는데 (20) lateric nickel ore에 대하여 intermediate precipitation과 re-leach 과정을 생략한 상태에서 직접적인 solvent extraction 공정을 가한다.

solvent extraction으로 leaching된 slurry는 250 °C의 온도와 4000 kPa의 압력 하에 75분간 머물렀다가 7단계의 CCD circuit를 통해 단계적으로 중화된다. 이후 slurry는 cobalt solvent extraction과정으로 입력되는데 이때 Cyanex 272와 Shellsol 2046이 diluent로 사용된다. test operation에는 tributyl phosphate가 사용되었으나 (21), 이후 실제 운영되는 plant에서는 사용되지 않았다.

pH5.5의 산도에서 cobalt circuit를 통해 Cobalt가 분리되고 그 외 Cu, Zn, Mn, Al, Fe등의 불순물들은 제거된다. 이후, sulphide와 산소를 사용한 precipitation 공정을 통해 cobalt는 회수된다. 한편, nickel solvent extraction circuit에서는 Versatic 10을 사용하여 nickel을 회수한다.

Sherritt-Gordon 공정은 Canada Manitoba에 위치한 Sherridon and Lynn Lake 광산에서 현 Sherritt International의 전신인 Sherritt Gordon Mines Ltd의 Dr. Frank Forward가 Cu와 Ni 회수를 위해 시행한 연구로부터 개발되었다. 가장 최근에 적용된 예는 Madagascar의 Ambatovy project이다.

해당 공정은, 먼저 nickel ore를 thickener에서 농축하고 autoclave에 투입하여 sulphuric acid leaching을 거친다. 이후 slurry는 counter-current decantation (CCD) 구간에서 세척되고 nickel과 cobalt solution으로부터 대량의 Fe가 제거된다. limestone이 첨가된 acid neutralization 공정을 통하여 용액의 산도는 감소되고 tailings neutralization에서는 limestone과 lime이 첨가되어 Cu, Zn, Mn, Al, Fe이 제거된다.

Hydrogen sulfide를 통한 leach 이후 ammonia를 통한 re-leach가 이루어지는데 oxyhydrolysis를 위해 autoclave 내에 산소를 불어넣고 고압-고온의 조건에서 99% 이상의 순도를 가진 nickel powder를 회수한다. 계속된 공정에서는 온도와 압력을 낮추어 mixed sulfide와 ammonium sulfate ((NH4)2SO4)로 이루어진 fluid에 precipitation 공정을 가한다. ammonia는 potassium과 jarosite (KFe3+3 (OH) 6(SO4)2) 형태로 된 Fe을 제거하기 위하여 투입된다.

이후에 진행되는 oxidation 공정을 위해 ammonia와 산소가 추가로 투입되는데, autoclave 내에서 해당 solution에 nickel(II) sulfate-ammonium sulfate hexa- hydrate ((NiSO4)•((NH4)2SO4)•6H2O)를 회수하기 위하여 sulfuric acid을 가한다. 추가로 sulfuric acid가 투입되고 hydrogen gas를 불어넣어 99.6% 순도의 cobalt powder를 회수한다.

Heap Leach 공정은 보다 경제적으로 lateric nickel ore를 처리하기 위해 1990년대 초에 National Technical University of Athens (NTUA)의 Lina Agatzini-Leonardou 교수에 의해 개발되었다. 이후 1990년대 중반과 후반에 이르기까지 해당 대학교를 통하여 많은 연구와 presentation이 있었고 이후 2000년대에 들어서 France의 LARCO사와 함께 산학협동으로 Greece에 demonstration heap leach plant를 건조하였다. 

이후 Yuanjiang (Yunnan Tin Group, PR China), Caldağ (European Nickel, Turkey), Murrin Murrin (Minara, Austrailia), Cerro Matoso (Colombia), Rucina's Acoje (GME, Philippines), Nornico (Nickel Ore, Austrailia), Niquel do Piaui (Vale, Brazil)등의 project에서 사용되고 있다. 이들 가운데 NTUA는 pilot plant project, Rucina's Acoje, Nornico는 초기 개발 project들이고, Yuanjiang, Caldağ, Murrin Murrin, Cerro Matoso, Niquel do Piaui는 demonstration plant이며, Caldağ은 완전한 상업용 plant이다 (23).

Caldağ project는 Turkey에 최초로 해외투자자본이 직접적으로 투입되 개발이 진행되는 project로써, European Nickel PLC가 1.13%의 품위를 지닌 375,160t의 nickel laterite에서 14년간 연 20,000 ton의 nickel과 1,000t의 cobalt를 mixed hydroxide product (MHP)로부터 생산할것을 목표로 4억 2800만 USD를 들여 건조된 최초의 상업용 heap leach project이다.

nickel 회수를 위해 요구되는 leach solution은, plant에서 회수되는 iron oxide residues나 magnesium sulfate, 혹은 calcium sulfate등으로 구성되는 leached ore residue (ripidos라고 불린다)를 통한 Cu나 Mg 회수의 경우보다 한층 복잡하다.

최종 product는 nickel hydroxide precipitates (NHP)와 mixed metal hydroxide precipitates (MHP)인데 이들로부터 conventional smelting을 통해 metallic nickel이 회수된다. 회수순서는 cobalt > nickel > magnesium silicate minerals > iron oxides 순이다.

heap leach phases는 neutralisation, primary leaching, secondary leaching의 세단계로 진행되는데 이들 가운데 primary leaching stage는 우선적으로 처리 가능한 품위의 nickel을 급속하게 leach 시키는 공정이다. 해당공정에서 nickel과 cobalt, manganese등은 80% 수준까지 회수된다.

결론

nickel laterite ore는 전통적으로 광구 내에서 무시하거나 방치하기에는 그 대역폭이 너무나 넓고 광범위한 지역에 산재되어 있는 경향을 보임에 따라 pyrometallurgical process를 넘어서는 그 어떤 공정이 필요하였고 이러한 수요는 acid를 사용한 leach process의 개발을 촉진하였다.

많은 종류의 leach process가 있지만 기존에 사용되어 상용성과 경제성이 이미 입증되었거나 현재 사용중, 혹은 장차 사용될 계획에 있는 공정들은 HPAL (개량형 포함)과  Heap / Atmospheric Leach Process이다.

이상의 고찰을 통하여 다음의 결론이 도출된다:

1. transition을 기점으로 저품위의 nickel laterite ore에 대하여는 건조비와 운영비가 저렴한 Heap Leach Process를 적용하고 고품위의 nickel laterite ore에 대하여는 pyrometallurgical process를 적용하는 방법.

2. 모든 nickel laterite ore에 대하여 HPAL (개량형 포함)을 적용하는 방법.

3. 모든 nickel laterite ore에 대하여 Sheritt-Gordon Process를 적용하는 방법.

단, 1번의 경우에 Heap Leach Process를 적용시, 아직은 European Nickel PLC의 Caldağ Project처럼 연 30,000t 이하의 plant에서만 적용 가능하므로 이 부분에 대하여는 추가로 연구가 필요한 시점이며, 만약, 해당 공정의 plant를 건조시에는 최초 개발자인 National Technical University of Athens (NTUA)의 Lina Agatzini-Leonardou 교수 및 France의 LARCO사와 함께 project를 진행해야 할것이다.

2번과 3번의 경우는, 이미 오랫동안 검증된 공정이므로 더 이상의 기술적 문제는 없지만, 거대한 project financing 능력을 요구하는 상용 plant 건조 비용과 생산과정에서 온도와 압력을 적기에 통제하는 기술적 어려움이 언제나 뒤따른다.

결론적으로, 신생회사나 project financing 능력이 15억 USD를 상회하지 못하는 회사의 경우는 1번 공정이 가장 좋은 선택 방법이며, 그 이외의 경우에는 자유로이 개발 공정을 설계할 수 있다.

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