금침출 - 시안 침출(cyanide leaching)과 금의 흡착

금 침출법을 설명하는 글 "CIP와 CIL"에서도 언급하였듯, 금의 침출에서는 시안화물(cyanide, -CN) 용액이 가장 많이 쓰이는 용액입니다. 시안은 독성이 없는 탄소(C)와 질소(N)가 결합하여 금을 녹일 수 있을 정도의 아주 강한 독성을 가지는 물질로 변합니다. 독성이 강한 청산가리(KCN)도 시안화물 중 하나입니다. 다른 공정에 비하여 시안은 다루기 어렵고 매우 위험하지만, 경제적으로 이를 대체하는 방법(cyanide-free gold recovery)은 거의 상용화되지 않았습니다.

 

시안으로 금을 침출(gold cyanidation)하는 방법은 청화법(靑化法) 혹은 맥아더-포레스트 공정법(MacArthur-Forrest process)이라고도 불립니다. 대표적으로 NaCN(sodium cyanide)을 사용하는 방법이 있습니다.

 

 

이후, 시안 침출액은 활성탄을 이용하여 금을 흡착하는 과정을 거쳐 회수합니다.

 

금흡착: Au adsorption on activated carbon

 

시안 침출 용액에 포함된 금시안화이온(aurocyanide, au(CN)^2-)를 활성탄(activated carbon)에 흡착시켜 회수시키는 방법은 현재까지도 상업적으로 이용되는 방법입니다. 이는, 활성탄과 같이 탄소물질은 금시안화이온 착물에 대한 친화도가 매우 높기 때문입니다. 금 뿐만 아니라, 일부 다른 금속 착물은 활성탄에 형성되어 있는 다양한 크기의 세공(micropore, mesopore, etc..)에 그림과 같이 흡착됩니다. 아래는 일반적으로 알려져있는 활성탄의 금속-시안화 착물에 대한 친화도를 나타낸 것입니다. 

 

Zn(CN)₄^2- < Cu(CN)₃²⁻ < Ag(CN)₂⁻ < Hg(CN)₂ < Au(CN)₂⁻

 

Adsorption of aurocyainide on activated carbon (클릭시 확대 가능)

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금흡착 친화도와 금속 흡착 메커니즘

 

앞서 본것과 같이, 금시안화 착물이 다른 금속 착물에 비하여 높은 친화도를 나타내는데는 다양한 이유*가 있습니다. 아래는 친화도와 흡착에 대한 메커니즘을 일부 설명해놓은 것입니다.

*일부 명확하지 않은 추측 또한 포함되어 있습니다.

(1) Strong adsorption energy

 

(2) Hydration

 

수화력(hydration level)이 증가할수록 착물의 지름이 커지고, 커진 착물은 활성탄의 세공에 흡착되기 어렵습니다. 금시안화 착물은 낮은 수화력을 가지며, 이러한 특정은 금시안화물의 선택적 흡착에 도움이 됩니다. 실험을 통해 알려진 시안화 착물에 대한 수화수는 아래와 같습니다(낮을수록 흡착력이 높으며 논문에 따라 측정에 일부 차이가 있음).

 

Hg(CN)₂ < Au(CN)₂⁻ < Ag(CN)₂⁻ < Cu(CN)₂⁻ < Hg(CN)₃⁻ < Cu(CN)₃²⁻ < Hg(CN)₄²⁻ < Zn(CN)₄²⁻

 

위와 같은 순서로 수화도 차이를 보이는 것은 착물의 리간드 수, 원소의 극성 등과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다.

 

(3) Aurophilicity

 

금 착물간의 강한 상호작용은 금 착물간의 거리를 줄여주며, 수소결합 정도의 세기를 가집니다. 이러한 결합 현상은 친금성(aurophilicity)으로 알려져있습니다. 친금성은 금시안화 착물끼리 구조를 만드는데 영향을 미칩니다. 이는, 활성탄에 클러스터(cluster) 처럼 높은 밀도로 금이 흡착될 수 있도록 도와줍니다.

 

(4) Diffusion

 

금시안화 착물의 흡착은 위의 요인 말고도, 활성탄에 형성되어 있는 구멍(pore)의 크기, 길이, 비틀림(tortuosity) 등에 따라 달라집니다. 또한, 초기의 흡착속도는 매우 빠르겠지만, 흡착이 진행됨에 따라 느려집니다. 흡착은 확산이 접근하기 쉬운 곳에서 먼저 진행되며, 따라서 세공(micropores)보단 대공(macropores)과 중공(mesopores)에서 먼저 발생합니다. 큰 공극들에서 먼저 다 로딩(loading)이 완료된 후에는 금시안화 착물의 확산 속도는 매우 느려집니다. 

 

공정에서 흡착된 금은 고온/고압의 환경에서 탈거되어 회수됩니다.

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시안침출의 대체 공정

 

시안을 사용하는 것은 환경적으로 우려되며, 이에 따라 대체 시약을 사용하는 공정들이 개발되고 있습니다. 해당 내용은 아래의 글에서 확인하실 수 있습니다.

 

- Glycine leaching (GlyCat™ & GlyLeach™)

- Thiosulfate leaching