국내에도 리튬을 채굴할 수 있는 울진등 6곳에 리튬광산들이 발견돼 정부 연구기관이 올해 내로 매장량을 파악하기로 했다. 리튬은 전기차 등에 쓰이는 배터리의 주 소재로 미래 핵심 광물 중 하나로 떠올랐다. 오늘은 희토류인 리튬에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
| 목 차 |
| 1. 리튬 (Lithium) (1). 산출 정보 2. 리튬개발 및 처리 (1). 채 광 (2) 제 련 1) 광석 제련 2) 함수(鹹水)에서의 회수법 3) 금속리튬 제조 방법 3. 국가별 리튬 생산량 4. 울진 왕피리 리튬 광산 |
1. 리튬 (Lithium)
리튬(Li)은 주기율표상에서 가장 가벼운 금속으로, 지각 중 리튬의 평균 함량은 30ppm 정도이고 해수의 경우 0.18ppm 정도임. 리튬은 주로 페그마타이트 광상에 수반되어 산출되는데, 리튬 염류 (Lithium brine)와 리튬 함유 광물의 전기분해를 통해서 얻어짐. 리튬 광물 중에서 스포듀민(spodumene), 레피도 라이트(lepidolite) 앰블리고나이트(amblygonite)앰블리고 나이트(amblygonite)가 상업적으로 중요시되고 있음. 전기분해에 의한 금속 리튬 제조 때 사용되는 탄산리튬(lithium carbonate)이나 염화리튬(LiCl)은 중요한 중간 산물임 21세기 들어서며 22차 전지 원료로 각광을 받고 있으며 세계 생산량의 약 70%는 안데스산맥에 위치한 함수호(Salt Lake)에서 나옴. 알루미늄 전해 시 리튬 화합물을 첨가하면 전류의 흐름을 더 쉽게 하는 성질이 있어 알루미늄 업계에서 많이 쓰며, 그 외에 요업, 에어컨, 합성고무 제조 등에도 많이 사용됨. 탄산리튬이 가장 많이 사용되기 때문에 통상적으로 탄산리튬으로 환산해서 수급 통계를 표시함. 2차전지 시장의 확대로 연간 4% 이상의 수요 확대가 전망되는 등 향후 관심을 받는 품목임
※ 페그마타이트 광상
마그마가 식어감에 따라 조암광물들이 정출 되면 마그마의 잔액(정출 되지( 못한 규산분과 수분, 휘발성성분(CO2, SO2, B, F)과 희유원소(Nb, Ta, Be, V, Li))이 남게 되는데 이런 휘발성이 큰 잔액이 주위의 암석을 뚫고 들어가서 만든 광상, 이들은 유동성이 크므로 석영, 장석, 운모의 큰 결정을 정출 시키고 그 속에 희유원소 광물을 포함한 맥을 형성함. 페그마타이트 광상은 약 500~600°C에서 형성하며 주로 희유원소를 많이 함유하고 있다.
(1). 산출 정보
상업성이 있는 리튬(Lithium, Li)은 주로 페그마타이트(pegmatite) 광상이나 기성광상(Pneumatolytic deposit) 및 천연의 해수나 온천수 중에서 산출됨
2. 리튬개발 및 처리
(1). 채 광
1) 대부분의 리튬(Lithium, Li)은 페그마타이트(pegmatite) 광상에서 스포듀민(spodumene, LiAlSi2O62), 레피도라이트레피도 라이트(lepidolite, K(Li, Al) 3(Si, Al) 4 O10(OH, F) 2) 앰블리고 나이트(amblygonite, (Li,Na)Al(PO4)(F,OH))등의 광물 광석을 얻거나, 리튬을 포함하고 있는 해수 용액을 증발하여 얻고 있음
(2) 제 련
1) 광석 제련
● 현재로는 황산법이 주류를 이루며, 석회법은 과거 Foote Mineral사에서 사용하였으나지금은 황산법으로 전환함
● 황산법은 스포듀민을 황산과 반응시켜 황산리튬으로 만든 후 소다회를 넣어 탄산리튬(lithium carbonate)으로 회수하는 것이며, 석회법은 스포듀민 내지는 레피도라이트를 석회에서 배소(Roasting)시켜 리튬을 수산화리튬(lithium hydroxide)으로 회수하는 것임
● 다른 리튬화합물의 출발 원료로서는 탄산리튬이 이용되는 경우가 많고 자체 수요도 수산화리튬보다 많으므로 석회법보다도 황산법이 편리함
● 미국의 황산법을 이용한 탄산리튬 제조공정은 1956년도에 개발되었지만 현재에도그 원리는 변화되지 않고 계속 계승되고 있음.
● 미국 Lithium Corp.에서는 화학공장 근처에 있는 광맥을 노천 채굴하여 부유선광을 시행하고 석영질, 운모질을 제거하여 Li2O 1.5% 품위의 광석을 5-6%로 높임
● 광석분(powder)은 화학공장으로 운반되어 사일로(Silo)에 저장된다. 다음으로 회전로에서 1,100℃로 가열한 후 냉각 킬른(Kilin)을 지나 배출됨. 이 공정에서 스포듀민은 α형에서 β형으로 변화됨. α형은 황산에 의해 분해되는 것이 적으나 β형은 쉽게 황산리튬으로 변환됨. 또한 β형은 α형보다도 부서지기 쉬워 볼밀(Ball Mill)로 미분쇄시키기가 용이함
● 스포듀민 대신으로 페타라이트(petalite. LiAlSi4O10)를 쓰면 1,100℃에서페타라이트가 β스포듀민과 Free Silica로 변화함Li2O․Al2O3․8SiO2 ⇒ Li2O․Al2O3․4SiO2 + 4SiO2
● β-스포듀민의 미분에 황산을 이론양보다 약간 많이 혼합하고 황산배소로에서 약 250℃로 가열하면 β-스포듀민 중의 Li2O만이 황산리튬으로 변화함 Li2O․Al2O3․4SiO2 + H2SO4 → Li2SO4 + Al2O3․4SiO2 + H2O↑
● 소광(燒鑛)을 물과 섞어 황산리튬용액으로 수침출한 후 과잉의 황산은 석회로 중화시켜 생긴 석고는 알루미나, 실리카와 같이 여과 제거함. 이를 정액(淨液)한 후 소다회의 포화용액과 반응시키면 탄산리튬이 침전됨Li2SO4 + Na2CO3 → Li2CO3↓ + Na2SO4
2) 함수(鹹水)에서의 회수법
● 소금물 중의 리튬은 통상 염화리튬(LiCl)의 형태로 함유된 것으로 보고 있음. Silver Peak(미국 Nevada주)에서는 본래의 소금물의 리튬 함유량 평균이 300ppm으로 태양열을 이용해 증발 못(Pond)에서 0.6%(20배)로 농축시킴. 증발 도중에 암염과 NaCl과 KCl의 복합물이 정출됨. 다음에 석회를 첨가해 마그네슘이수산화물로 침전되면 최종적으로 소다회를 넣어 리튬을 탄산리튬으로 회수함
● Great Salt Lake(미국 Utah주)의 리튬 평균 농도는 18ppm으로 경제적으로 회수하기에 낮은 품위이지만, 칠레의 Atacama 염호에서는 리튬의 평균 함유량이 1,570ppm이나 됨
3) 금속리튬 제조 방법
● 금속리튬은 통상 용융염 전해법으로 만듦. 용융로의 조성은 염화리튬과 염화칼륨을 같은 몰비(Mole Fraction)로 하고 음극은 철제통, 양극을 흑연으로 하여 약 400℃에서 1개의 조당 6-6.5볼트의 전압을 가함. 양극에서는 염소가스가 발생하여 금속리튬은 비중차가 크기 때문에 소립자로 표면에 부상함. 이들 입자를 한군데로 모아 용융 금속리튬이 회수될 수 있도록 전해로가 설계됨 (2LiCl → 2Li + Cl2))
● 용융 금속리튬은 정기적으로 전해조에서 꺼내어 주괴(ingot)로 만드는데금속리튬은 공기 중의 질소와 반응하여 질화물을 형성하기 때문에 공기를 차단하고 형틀에 넣는 것이 중요함
● 이외에 진공환원법으로도 금속리튬을 만들 수 있음. 탄산리튬과 탄산칼슘을 혼합 성형시켜 브리켓으로 만들고 이를 가열해 탄산염을 산화물로 변환시키고 여기에 분쇄된 Fe-Si 분말을 혼합시켜 다시 브리켓으로 성형시킴. 이것을 진공 가열로에 넣고 1,100℃로 가열하면 금속 리튬은 환원 증류되어 노(爐)의 저온부에 응착
3. 국가별 리튬 생산량
( 단위 : 톤 )
| 국 가 | 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021* |
| 아르헨티나 | 5,700 | 6,400 | 6,300 | 5,900 | 6,200 |
| 호주 | 40,000 | 58,800 | 45,000 | 39,700 | 55,000 |
| 브라질 | 200 | 300 | 2,400 | 1,420 | 1,500 |
| 칠레 | 14,200 | 17,000 | 19,300 | 21,500 | 26,000 |
| 중국 | 6,800 | 7,100 | 10,800 | 13,300 | 14,000 |
| 포르투갈 | 800 | 800 | 900 | 348 | 900 |
| 짐바브웨 | 800 | 1,600 | 1,200 | 417 | 1,200 |
| 기타 | - | 2,900 | 200 | - | - |
| 합 계 | 69,000 | 95,000 | 86,000 | 82,500 | 100,000 |
4. 울진 왕피리 리튬 광산
리튬은 가벼운 금속으로 알려져 있으며, 희귀한 성질에 더하여 전기화학 반응성 때문에 세라믹, 유리 알루미늄, 윤활제, 산업, 약품 등 다양한 용도로 우리 실생활에서 사용되고 있다. 왕피리에 분포하는 리튬광산은 1945-1963년에 고품위 리튬광석이 채굴되었으며, 2010년부터 보암광산에 의해 채광이 재개되어 몇 년간 리튬광석을 채굴하다가 현재는 가행 이 중단된 상태이다. 단층을 따라 페그마타이트가 관입하였고 잔류열수광액이 이후에 주입되면서 광화작 용을 일으켰으며, 주로 천매암질 암석과 석회암 접촉부에서 리튬광석이 부화되어 산출되며 리튬광물은 리튬운모가 주를 이룬다고 보고하였다. 리튬광상을 알비타이트-그라이젠형 광상으로 기술하였으며, 리튬광석은 석석과 함께 산출되는 특징으로 S-형 화강암류에 의한 그라이젠화 작용 산물인 것으로 보고하였다.
※ 현재 한국공항 울진석회석(남수산) 광산은 소유주가 변경 되었습니다. ?
오늘은 리튬테마주 지질연 울진 등 6곳에 리튬 광산 리튬 강국 될 수 있어에 대해 살펴보았습니다. 오늘도 포스팅이 도움이 되셨다면 공감 부탁드립니다. 감사합니다.
댓글