미생물에 의한 함철광석의 물성 및 강도 변화 특성에 관한 연구

Abstract

본 연구는 제2연화광산의 자류철석, 동원리소스 관인광산의 티탄철석, 그리고 한덕철광 신예미광산의 자철석을 대상으로 미생물에 의한 이들 함철광석의 물성 변화 특성을 살펴보기 위한 것으로서 최적의 성장조건에서 배양한 미생물이 자류철석의 물성 변화에 미치는 영향을 분석하고 다른 함철광석에 적용 가능성을 평가하였다. 그 결과를 바탕으로 티탄철석과 자철석의 배양기간에 따른 무기적 및 생물학적 산화작용에 대한 실내실험을 수행하여 이들의 관계를 정량적으로 비교분석하였다. 시험에 이용된 함철광석들의 초기 물성값은 자류철석의 경우 초기 흡수율 범위는 0.125 ∼ 0.238%, 평균은 0.19%이며, 종파속도는 3676.5 ∼ 4386.0 m/s, 평균은 약 3980 m/s로 나타났다. 티탄철석의 경우 초기 흡수율 범위는 0.029 ∼ 0.085%, 평균은 0.05 이며, 종파속도는 1515.2 ∼ 2057.6 m/s, 평균은 약 1919 m/s를 보였다. 그리고 자철석의 초기 흡수율 범위는 0.099 ∼ 0.153%, 평균은 0.12%이며, 종파속도는 1400.0 ∼ 1506.0 m/s, 평균은 약 1466 m/s였다. 하지만, 흡수율에 있어서 자류철석의 물성값의 편차가 큰 반면 티탄철석과 자철석은 거의 비슷한 편차를 보였으며, 종파속도에 있어서는 자류철석과 티탄철석은 큰 편차를 보였으며, 자철석은 상대적으로 작았다. 자류철석의 pH는 Specimen-U에서 1.43 ∼ 2.07, Specimen-S에서 1.10 ∼ 1.73이다. 흡수율은 Specimen-U의 경우 미생물 산화시험 전 초기에는 0.157 ∼ 0.238%, 미생물 산화시험 이후에 측정된 값은 0.202 ∼ 0.417%이며, Specimen-S의 경우 미생물 산화시험 전 시험의 초기 흡수율은 0.125 ∼ 0.228%, 미생물 산화시험 이후에는 0.182 ∼ 0.375%이다. 종파속도는 Specimen-U의 경우 미생물 산화시험 전 초기에서 3816.8 ∼ 4386.0 m/s, 미생물 산화시험 이후에 측정된 값은 1725.3 ∼ 4201.7 m/s이고, Specimen-S의 경우 미생물 산화시험 전 초기에서 3876.5 ∼ 4032.3 m/s, 미생물 산화시험 이후에 측정된 값은 1372.3 ∼ 3937.0 m/s이다. 일축압축강도는 미생물 배양기간이 진행될수록 현저한 강도 저하를 보였다. 티탄철석의 pH는 무기적 산화시험에서 3.82 ∼ 4.26, 생물학적 산화시험에서 2.20 ∼ 2.57의 범위이다. 흡수율은 무기적 산화시험을 위한 미생물 산화시험 전 초기에는 0.029 ∼ 0.085%, 미생물 산화시험 이후 각 단계별로 측정된 값은 0.033 ∼ 0.090%이다. 생물학적 산화시험을 위한 미생물 산화시험 전 시험의 초기 흡수율은 0.033 ∼ 0.068%이며, 미생물 산화시험 이후에는 0.045 ∼ 0.097%로 미생물 산화시험 전 보다 이후가 더 큰 흡수율을 보인다. 종파속도는 무기적 산화시험의 경우 미생물 산화시험 전 초기 종파속도는 1515.2 ∼ 2057.6 m/s, 미생물 산화시험 이후에는 1503.2 ∼ 2057.6 m/s이다. 생물학적 산화시험에서 미생물 산화시험 전 초기 종파속도는 1515.2 ∼ 3040.8 m/s, 미생물 산화시험 이후에는 1563.2 ∼ 2057.6 m/s이다. 티탄철석에 있어서 미생물의 유무와 배양기간 따른 종파속도에 대한 결과는 무기적 산화에 비해 생물학적 산화시험에 의한 종파속도가 상대적으로 큰 감소를 보여, 미생물에 의한 생물학적 산화작용이 무기적 산화작용보다 종파속도에 더 큰 영향을 미쳤을 것으로 사료된다. 미생물 배양기간에 따른 일축압축강도 결과에 의하면, 무기적 및 생물학적 산화작용 두 조건 모두에서 뚜렷한 일축압축강도 감소 양상을 보였지만, 일축압축강도 영향에 무기적 산화작용보다는 생물학적 산화작용이 더 크게 작용했음을 알 수 있다. 자철석의 pH는 무기적 산화시험에서 4.02 ∼ 5.16, 생물학적 산화시험에서 1.50 ∼ 1.90이다. Eh는 무기적 산화시험에서 174.9 ∼ 111.9 mV로 배양기간 동안 지속적으로 감소하는 경향을 보이고, 생물학적 산화시험에 의한 Eh는 285.2 ∼ 319.3 mV이다. 흡수율은 미생물 산화시험 전 시험편의 초기 흡수율은 0.099 ∼ 0.125%, 미생물 산화시험 이후 각 단계별로 측정된 흡수율은 0.074 ∼ 0.101%이다. 생물학적 산화시험을 수행한 미생물 산화시험 전 시험편의 초기 흡수율은 0.124 ∼ 0.153%, 미생물 산화시험 이후에는 0.125 ∼ 0.367%로 큰 차이를 보인다. 종파속도는 무기적 산화시험을 수행한 미생물 산화시험 전 초기 종파속도는 1453.5 ∼ 1492.5 m/s, 미생물 산화시험 이후에는 1344.1 ∼ 1470.5 m/s이다. 생물학적 산화시험에서 미생물 산화시험 전 초기 종파속도는 1428.6 ∼ 1497.0 m/s, 미생물 산화시험 이후에는 1210.3 ∼ 1451.6 m/s이다. 자철석은 무기적 및 생물학적 산화작용에 의한 영향을 크게 받지 않지만, 무기적 산화시험에 비해 생물학적 산화시험에 의한 흡수율이 더 큰 증가를 보였다. 결과적으로 자철석에 있어서 무기적 산화에 비해 생물학적 산화시험에 의한 종파속도가 상대적으로 큰 감소를 보이며, 미생물에 의한 생물학적 산화작용이 무기적 산화작용보다 종파속도에 더 큰 영향을 미쳤음을 의미한다. 미생물 배양기간에 따른 일축압축강도 결과에 의하면, 무기적 및 생물학적 산화작용 두 조건 모두에서 뚜렷한 일축압축강도 감소 양상을 보이지만, 일축압축강도 영향에 무기적 산화작용보다는 생물학적 산화작용이 더 크게 작용했음을 알 수 있다. 결론적으로 자류철석, 티탄철석, 자철석의 풍화작용에 있어서 미생물이 매우 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 하지만, 생물학적 풍화에 대한 풍화지표를 산정하기 위해서는 자류철석, 티탄철석, 자철석뿐만 아니라 더욱 다양한 함철광석을 이용한 연구가 수행되어야할 것으로 사료된다. 또한 각 단계별로 가능한 많은 자료를 확보하여 대상 시료에 대한 물성 편차를 최소화하여 그 신뢰도를 높이는 정량적인 연구가 필요하다고 사료된다.|Weathering is generally classified with physical, chemical and biological weatherings and one of the important factors depending on the physical properties of rocks. The physical weathering is related to rock fracturing due to temperature change, water and crystallization of salts. The chemical weathering is related to color change of rock, alteration of rock-forming minerals and chemical resolution due to chemical composition-air, rain and infiltration water in rocks. The biological weathering is related to oxidation due to microorganism and alteration of minerals due to a lichen. In general, weathering occurs in combination rather than independently. If weathering occurs to rocks, the strength of weathered rocks will be weakened. After all, the rocks are broken. Therefore, it is very important to understand the mechanism of weathering in rocks. Studies of rock weathering are usually focused on the relation between mechanical and geological properties. In present, many studies have been performed with physical and chemical weathering mainly, not common in biological weathering. The purpose of this study is to examine weathering characteristics of pyrrhotite, ilmenite, and magnetite by microorganism throughout various laboratory tests such as slaking durability, absorption, P-wave velocity (Vp), uniaxial compressive strength (UCS). For this purpose, firstly initial values of ferruginous minerals was measured, and also pH and Eh were measured according to culture period. Secondly, the laboratory tests were carried out. Then, differences obtained from the results were compared and analyzed. Finally, physical properties of pyrrhotite, ilmenite, and magnetite by microorganism were quantitatively analyzed. By the initial values of above three ferruginous minerals, the measured absorption was distributed the range from 0.125% to 0.238% in pyrrhotie, 0.029% to 0.085% in ilmenite, and 0.099% to 0.153% in magnetite. In addition, the measured Vp was distributed in the range from 3676.5 m/s to 4386.0 m/s in pyrrhotite, 1515.2 m/s to 2057.6 m/s in ilmenite, and 1400.0 m/s to 1506.0 m/s in magnetite. In the case of pyrrhotite, the measured pH of Specimen-U during 90 days was distributed in the range from 1.43 to 2.07, on the other hand, one of Specimen-S showed the range from 1.10 to 1.73, respectively. The absorption of Specimen-U was distributed in the range from 0.157% to 0.238% before culture, and 0.202% to 0.417% after culture. On the other hand, one of Specimen-S showed the range from 0.125% to 0.228% before culture, and 0.182% to 0.375% after culture. The measured Vp of Specimen-U was distributed in the range from 3816.8 to 386.0 m/s before culture, and 1725.3 to 4201.7 m/s after culture, and one of Specimen-S in the range from 3876.5 to 4032.3 m/s before culture, and 1372.3 to 3937.0 m/s after culture. The UCS was dominantly decreased with increasing culture period. In the case of ilmenite, the measured pH of abiotic oxidation test during 45 days was distributed in the range from 3.82 to 4.26, on the other hand, while the measured pH of bio-oxidation test showed the range from 2.20 to 2.57. The absorption of abiotic oxidation test according to microorganism and culture period was distributed in the range from 0.029 to 0.085% before culture, and 0.033 to 0.090% after culture. The absorption of bio-oxidation test was distributed in the range from 0.033 to 0.068% before culture, and 0.045 to 0.097% after culture. The measured Vp of abiotic oxidation was distributed in the range from 1515.2 to 2057.6 m/s before culture, and 1503.2 to 2057.6 m/s after culture, and the measured Vp of bio-oxidation in the range from 1515.2 to 3040.8 m/s before culture, and 1563.2 to 2057.6 m/s after culture. The UCS was decreased with increasing culture period in both specimens for abiotic oxidation test and for bio-oxidation test, however, their differences are more larger bio-oxidation test than abiotic oxidation test. In the case of magnetite, the measured pH of abiotic oxidation test during 45 days was distributed in the range from 4.02 to 5.16, on the other hand, while the measured pH of bio-oxidation test showed the range from 1.50 to 1.90. The measured Eh of abiotic oxidation test and bio-oxidation test were distributed in the range from 174.9 to 111.9 mV, and from 285.2 to 319.3 mV, respectively. The absorption of abiotic oxidation test according to microorganism and culture period was distributed in the range from 0.099 to 0.125% before culture, and 0.074 to 0.101% after culture. The absorption of bio-oxidation test was distributed in the range from 0.124 to 0.153% before culture, and 0.125 to 0.367% after culture. The measured Vp of abiotic oxidation was distributed in the range from 1453.5 to 1492.5 m/s before culture, and 1344.1 to 1470.5 m/s after culture, and the measured Vp of bio-oxidation in the range from 1428.6 to 1497.0 m/s before culture, and 1210.3 to 1451.6 m/s after culture. The UCS was decreased with increasing culture period in all cases, however, the difference by bio-oxidation test is more larger than that by abiotic oxidation test. As a result, the differences by bio-oxidation test showed higher than that by abiotic oxidation test. It implies that variation of physical properties on ferruginous minerals such as pyrrhotite, ilmenite, and magnetite is highly dependent on microorganism.