저품위 우라늄 광석의 생물학적 용출 및 제련 미생물의 금속 내성에 관한 연구

Abstract

According as the demand for metal resources increases, high-grade ores were exhausted and most of mineral resources were dependent on import. For that reason, technology that can recover metals from low-grade ore is required. But recovery from the low-grade ore using conventional metal refining method is noneconomic. Therfore bacterial leaching process that can leach the precious metals economically and environment-friendly has attracted attention. In this study, bioleaching of uranium from the black schists in the basin of Ogchen was characterized using Thiobacillus ferrooxidans or Thiobacillus thiooxidans. We studied the effects of extract solution and pulp density of ores on microbial activity. Moreover we investigated the optimum operating conditions for maximum uranium leaching efficiency. As the results, no inhibition was found the iron and sulfur oxidation activity of T. ferrooxidans and T. thiooxidans, respectively, in the extract solution of the black schists. Activities of two microorganisms were not effectet by 300g/L and less pulp density. Although the uranium leaching efficiency could not be improved by the inoculation of T. thiooxidans (leaching efficiency: 13.8%), most of uranium from the black schists could be leached by the inoculaion of T. ferrooxidans (leaching efficiency: 83.0%). The maximum uranium leaching efficiency from the black schists by T. ferrooxidans was obtained at Fe^2+ concentration of over 5g/L and incubation temperatu re of 30℃. It was not effected by initial pH and particle size. When T. thiooxidans was inoculated, the maximum uranium leaching efficiency was obtained at S^0 concentration of 10g/L, initial pH of 4.0, incubation temperature of 30℃ and particle size of 600㎛. In two cases, leaching efficiency was the maximum at the maximum agitation speed and no addition of mineral salts. During uranium leaching from the black schists, Zn, Cu. Cd, Ni, and Pb were simultaneously leached. The activity of microorganism is an important factor to determine the efficiency in the bacterial leaching process of precious metals from low-grade ore. The metal-leaching microorganisms must have a tolerance within the concentration levels of leached metals. So we investigated the tolerance levels of T. ferrooxidans on the single and mixed metal ions of Zn^2+, Cu^2+, Ni^2+ and Cd^2+. We also proposed new simulation model could evaluate the inhibition of the mixed metal ions. The iron oxidation rate of T. ferrooxidans was decreased approximately 50% in the medium supplemented with 60g-Zn^2+/L. No iron oxidation activity was observerd when 9g-Cu^2+/L were added to the medium. When 12g/L of Ni^2+ and Cd^2+ were supplemented into the growth medium for T. ferrooxidans, the iron oxidation rate was not significantly inhibited. When the metal ion was supplemented into the medium with the other metal ions, the synergy inhibition on the iron oxidation activity of T. ferrooxidans was remarkably increased. Because tha t various metals are simultaneously leached out in bacterial leaching processes, the reduced non-competitive inhibition model was newly developed to evaluate the inhibition effect of mixed metals simultaneously. The deduced model is available to evaluate the inhibition effects of leached metals at identical basis. As these results, T. ferrooxidans was a distinguished minging microorganism that could leach the uranium from the low-grade black schists in the basin of Ogchen. And the proposed reduced non-competitive inhibition model can be widely used in actual bacterial leaching process to estimate the activity of microorganism against metal toxicity.;금속자원의 수요가 증가함에 따라 국내 고품위광이 고갈되고 대부분의 광물 자원은 수입에 의존하게 되었다. 이에 현재 개발되지 않고 있는 국내 저품위광으로부터 금속 자원을 회수하는 기술이 요구되고 있다. 그러나 기존의 금속 제련법을 이용하여 저품위 광석으로부터 금속을 회수하는 것은 경제성이 떨어지므로, 보다 경제적이고 환경친화적인 생물용출법이 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 옥천 지역을 중심으로 분포되어 있는 우라늄 함량이 낮은 저품위 광석인 흑색 점판암으로부터 T. ferrooxidans와 T. thiooxidans의 두 균주를 이용하여 우라늄의 용출에 대한 연구를 수행하였다. 광석 추출액이 각 균주의 활성에 미치는 영향에 대해 연구하였으며, 광석의 첨가 농도의 영향도 조사하였다. 특히, 우라늄 용출의 최적 조업 조건을 도출하고자 균주 접종 농도, 기질 및 무기염 첨가 농도, 초기 배지의 pH와 조업 온도, 교반 속도 및 광석 입자 크기별 우라늄 용출 효율을 조사하였다. 연구 결과, 흑색 점판암의 용출액은 T. ferrooxidans의 철산화 활성과 T. thiooxidans의 황산화 활성을 저해하지 않았으며, 광석 농도가 300g/L 이하일 때는 균주의 활성에 영향을 주지 않았다. T. ferrooxidans를 접종원으로 사용한 경우, 흑색 점판암으로부터 83.0%의 우라늄을 용출할 수 있었으나, T. thiooxidans를 접종한 경우에는 우라늄 용출 효율이 13.8%로 낮았다. T. ferrooxidans를 이용한 우라늄 용출은 균주의 접종 농도가 600nm에서의 흡광도 0.05 이상, 기질로 공급되는 Fe^2+의 첨가량이 5g/L 이상일 때 높은 효율이 관찰되었다. 그러나 배지의 초기 pH와 광석 입자의 크기에는 크게 영향을 받지 않았다. T. thiooxidans를 이용한 경우 역시 우라늄 용출에 있어 초기 균주의 접종량은 600nm에서의 흡광도 0.05면 충분하였다. 또한, 기질 S^0가 10g/L 첨가되고 배지의 초기 pH가 4.0일 때, 광석의 입자 크기가 600㎛ 이하로 가장 작을 때 최대 용출효율을 보였다. 두 균주 모두 30℃에서, 그리고 교반 속도가 최대일때 용출 효율이 가장 높았으며, 기질 이외의 기타 무기염 첨가는 불필요하였다. 우라늄 용출 과정에서 우라늄 이외의 Zn, Cu, Cd, Ni, Pb등의 금속도 함께 용출되었다. 생물 용출 공정에 있어 그 효율을 좌우하는 인자로는 여러 가지가 있으나 특히, 제련 미생물의 활성이 가장 중요하다. 그러나 광석으로부터 용출된 금속이 수용상에 고농도로 축적될 경우, 미생물의 활성이 저해될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 생물 용출 공정과 함께 제련 미생물 T. ferrooxidans를 이용하여 이 균주가 활성을 나타낼 수 있는 임계 금속의 농도를 조사하였다. 또한 용출된 혼합 금속의 영향을 단일 기준에 적용하여 평가할 수 있는 모델을 도출하였다. 60g/L의 농도로 Zn^2+를 단독 첨가한 경우에 T. ferrooxidans의 철산화 속도는 금속이 첨가되지 않은 경우에 비해 50% 감소하였으며, 9g/L의 Cu^2+ 첨가시는 철산화 활성이 완전히 저해되었다. 그러나, Ni^2+과 Cd^2+은 12g/L의 고농도에서도 균주의 활성에 전혀 영향을 주지 않았다. T. ferrooxidans의 활성은 금속 이온을 혼합하여 첨가한 경우, 첨가 농도가 증가할수록 더 크게 저해되었으며, 단독 금속 첨가에 비해 더 큰 독성이 관찰되었다. 이러한 혼합 금속에 대한 균주의 활성 정도를 조사하기 위하여 환산 비경쟁적 저해 모델을 도출하였다. 이는 여러 금속을 동일 기준에 적용하여 평가하는데 타당하였으며, 기준 물질인 Cu^2+로 환산한 혼합 금속 농도가 0.14mol/L까지 적용 가능함을 보였다. 이상의 결과로부터, 저품위광인 옥천계 흑색 점판암으로부터 우라늄을 용출하는데 있어 특히 T. ferrooxidans는 우수한 제련 미생물임을 알 수 있었다. 또한 생물학적 용출 공정에서의 혼합 용출 금속에 대해 제련 균주의 활성을 살피는데 제안된 환산 비경쟁적 저해 모델을 활용할 수 있을 것으로 판단된다.