Cation Exchange Capacities, Swelling, and Solubility of Clay Minerals in Acidic Solutions : A Literature Review

A literature review is made on the physical and chemical characteristics of clay minerals in acidic solutions from the mineralogical and hydrometallurgical viewpoints. Some of the important characteristics of clays are their ability to cation exchange, swelling, and incongruent dissolution in acidic solutions. Various clay minerals can take up metallic ions from solution via cation exchange mechanism. Generally, cation exchange capacity increases in the following order : kaolinite, halloysite, illite, vermiculite, and montmorillonite. In acidic solutions, the cation uptake such as copper by clay minerals is strongly inhibited by hydrogen and aluminum ions and thus is not economically significant factor for recovery of metals such as uranium and copper. In acidic solutions, the cation uptake is substial. Swelling is minimal at lower pH, possibly due to lattice collapse. Swelling may be controllable with montmorillonite type clays by exchanging interlayer sodium with lithium and/or hydroxylated aluminum species. The effect of add on clay minerals are : 1. Division of aggregates into smaller plates with increase in surface area and porosity. 2. Clay-acid reactions occur in the following order: (i) $H^+$ replacement of interlayer cations, (ii) removal of octahedral cations, such as Al, Fe, and Mg, and (iii) removal of tetrahedral Al ions. Acid attack initiates, around the edges of the clay particles and continued inward, leaving hydrated silica gel residue around the edges. 3. Reaction rates of (ii) and (iii) are pseudo-1st order and proportional to acid concentration. Rate doubles for every temperature increment of $10^{\circ}C$. Implications in in-situ leaching of copper or uranium with acid are : 1. Over the life span of the operation for a year or more, clays attacked by acid will leave silica gel. If such gel covers the surface of valuable mineral surfaces being leached, recovery could be substantially delayed. 2. For a copper deposit containing 0.5% each of clay minerals and recoverable copper, the added cost due to clay-acid reaction is about 1.5c/lb of copper (or 0.93 lbs of $H_2SO_4/1b$ of copper). This acid consumption by clay may be a factor for economic evaluation of in-situ leaching of an oxide copper deposit.

본문은 광물학 및 습식야금법의 관점에서, 산성용액내의 점토 광물의 물리적 특성과 화학적 특성을 문헌에 의해 검토한 것이다. 점토광물의 몇가지 중요한 특성은 이들이 산성용액내에서 양이온을 교환하고 흡수팽창하며, 이질광물로 분해(incongruent dissolution)하는 능력을 갖는다는 것이다. 여러 점토광물들은 양이온 교환과정으로 금속 이온들을 용액으로부터 흡착할 수 있다. 일반적으로 이들의 양이온 교환능력은 다음 순서로 증가된다. 즉, kaolinite, halloysite, illite, vermiculite, montmorillonite 산성용액내에서는 점토광물들에 의하여 동과 같은 양이온 흡착은 수소와 알미늄에 의해 크게 방해를 받으므로, 우라늄 및 동 등의 금속을 회수하는데는 점토광물이 중용한 요소가 되지 않는다. 그러나, 염기성용액에서는 양이온 흡착(uptake)이 중요하다. 흡수 팽창성은 낮은 pH에서 최소가 된다. 이는 격자 파괴에 기인할 가능성이 많다. 흡수 팽창은 montmorillonite형 점토에서 조절이 되는데 그것은 내부층의 Na 이온이 리튬 과/또는 수산화된 알미늄 이온과 교환을 하기 때문이다. 점토광물에 대한 산의 효과는 다음과 같다. i) 면적 및 다공성이 증가됨에 따라 보다 작은 판상의 집합체로 분리됨 ii) 점토-산 반응은 다음 순서로 일어난다. (ㄱ) 내부층 양이온들의 $H^+$ 치환 (ㄴ) Al, Fe, Mg 등의 팔면체 양이온의 이동. (ㄷ) 사면체 Al 이온들의 이동. 산의 공격반응(attack)은 점토 입자의 가장자리에서부터 시작되어 내부로 계속되며, 수화된 규소겔을 가장 자리에 남긴다. iii) (ㄴ)과 (ㄷ)의 반응속도는 위-일급($pseudo-1^{st}$ order)이며, 이는 산의 농도에 비례한다. 그리고 그 속도는 온도 매 $10^{\circ}C$ 증가에 따라 배가된다. 산에 의한 동이나 우라늄을 제자리에서 용해시키는 경우 고찰할 문제는 다음과 같다. i) 1년 혹은 그 이상의 오랜 작용으로 산의 반응을 받은 점토광물은 규소겔을 남길 것이다. 그런데 이 겔이 용해(leaching)작용을 받고 있는 유용 광물 표면을 덮게 되면 용해에 의한 회수 속도는 실질적으로 감소된다. ii) 0.5% 점토광물과 동을 함유하는 회수 가능한 동광상에 대해 점토-산 반응에 사용될 값의 상승은 동 1파운드당 1.5c이다. (혹은 구리 1파운드당 $H_2SO_4$ 0.93Ibs) 점토광물에 의한 이러한 산의 소모량이 산화동광상에서 동을 추출하는데 경제적 평가의 한 요소가 될 것이다.