키질쿰 지역 난처리 황화물 광석의 고주파 플라스마 화학 합성과 귀금속 추출
서론 및 문제 제기
중앙 키질쿰 지역의 난처리 금-비소 광석을 전통적인 야금법(생물 산화, 오토클레이브 산화)으로 처리하는 데에는 막대한 에너지 소비와 심각한 환경적 위험이 따른다. 황비철석(FeAsS) 속의 금은 주로 결정 격자 내부에 갇힌 미세 분산(“보이지 않는”) 동형 치환 상태로 존재한다.
본 연구의 목적은 무산소의 동위원소 개질 매질 속에서 표적화된 공진 고주파 작용을 통해 황화물 기질을 분해하고 캡슐화된 금속을 추출하는, 원리적으로 새로운 물리화학적 방법을 평가하는 것이었다.
[추가됨] 앞서 저자는 난처리 광석의 공진 고주파 해리 방법을 발표한 바 있다. 「고주파 전자기파의 공진 작용에 의한 초난처리 황화물-금-비소 광석 및 정광의 광물 성분 해리와 금 노출 방법」(「우즈베키스탄 광업 회보」, №2(89), 2022, 85–91쪽). 본 연구는 이 방법을 발전시킨 것으로, 추가로 확인된 효과, 곧 합성된 금의 이상 동위원소 조성에 대해 보고한다.
실험 방법 및 재료
연구 대상으로는 콕파타스 및 다우기즈타우 광상에서 채취한 난처리 황비철석 시료(총 27개의 개별 광석 시료를 조사)를 사용했다. 각 시료의 조사 시간은 1시간에서 3시간이었다.
실험 장치의 구성
- 반응 구역 광물 시료는 밀폐된 무산소 셀 내부, 액상이 담긴 용기 바로 위에 놓였다.
- 매질의 동위원소 개질제 액상은 자연 수역의 물을 태양 에너지로 2–3일간 제어 증발시키는 과정에서 동위원소의 동역학적 분리를 통해 얻은 중수(중수소) 응축액으로 이루어졌다.
- 장 발생원과 방사체 전자기 작용은 고주파 발생기에 연결된 특수한 HF 대역 구리 관형 안테나를 통해 가해졌다.
실험 절차: HF EMF 시스템에 전원을 공급하면 발진 회로가 급격한 파동 공진 상태로 유도되었다. 강한 표피 효과와 높은 표면 전류 밀도로 인해 구리 안테나의 온도는 구리의 녹는점(1085°C)을 넘어섰다. 동시에 아래에 놓인 중수소화 액체가 격렬하게 증발했다. 달아오른 안테나 표면에 도달한 중수소 증기는 이온화되어 비평형 고주파 플라스마의 조밀한 불꽃을 형성했으며, 이것이 공정의 촉매 역할을 했다.
결과 및 고찰
거시적 변화와 시금 분석
중수소 고주파 플라스마의 작용으로 황비철석 결정 구조의 열적 파괴와 전기역학적 파괴가 모두 일어났다. 유리된(또는 새로 합성된) 금속의 이온은 전자기력에 의해 장의 기울기가 최대인 구역으로 이동하여, 녹아내리는 구리관 표면에 석출되었다. 구리 안테나 표면에서는 깊은 열확산으로 인해 뚜렷한 “도금” 효과가 육안으로 관찰되었다. 녹은 안테나 부분은 CNIL 연구소로 보내졌다. 표준 시금 분석(회취법)은 구리 합금 내 원소 상태 금의 존재를 명확히 확인했다.
핵물리학적 검증과 동위원소 스펙트럼
기질 효과를 배제하기 위해 구리 안테나 부분은 27개 시료 전부와 함께 자라프샨의 감마 방사화 분석 중앙연구소(CL GAA)로 보내졌다. 모든 시료는 선형 전자 가속기에서 나온 전자가 내화성(텅스텐) 표적에 충돌할 때 발생하는 고에너지 제동복사 감마선의 강한 선속에 조사되었다. 자동화된 분광 분석 장비는 핵이성체 Au-197m(반감기 7.7초)에 해당하는 409 keV의 뚜렷한 피크를 기록했으며, 이는 안정 핵종 Au-197의 존재를 확인해 준다. 그러나 안정상 외에도 분광기는 금의 이상 동위원소 계열인 Au-196, Au-198, Au-199와 함께, 이와 상관된 은(Ag)과 우라늄(U)의 선도 식별했다.
물리적 해석과 지구물리학적 결론
단수명 동위원소 Au-198과 Au-199의 검출은 실험 과정에서 금 원자핵이 자유 중성자의 조밀한 선속에 노출되었음을 입증한다. 이 동위원소 스펙트럼이 형성되는 동역학은 “구리–황비철석” 상경계의 비평형 중수소 고주파 플라스마 내부에서 직접 저에너지 핵 과정(핵변환 또는 동위원소 교환)이 진행되었음을 보여 준다.
지구물리학적 가설
이 실험실 모델링에서 얻은 경험적 자료는 지구 암석권에서 일어나는 대규모 내인성 과정을 해석하는 데 외삽될 수 있다. 키질쿰 광상의 지하 구조는 사실상 천연 파동 반응로로 기능한다. 심부 단층대를 따라 일어나는 지각 변동은 국지적인 초고압, 지진 발생 전류, 압전장을 만들어 내며, 이는 지층의 미소 부피를 순간적으로 1000°C 이상으로 가열하여 반도체성 황화물(FeAsS)을 플라스마 상태로 전환시킬 수 있다. 자연적으로 중수소가 풍부한 심부 유체가 존재하면, 금과 수반 원소들의 내인성 핵합성(“탄생”)이라는 연속적인 과정이 시작된다. 이는 광상 형성에 관한 고전적인 천체기원론적 모델을 근본적으로 재검토할 것을 요구한다.
[추가됨] 이 절에 제시된 지구물리학적 가설은 독립적인 심사를 거치지 않았으며, 앞서 「우즈베키스탄 광업 회보」에 발표된 광석의 공진 고주파 해리 방법과 달리 추가 검증이 필요하다.