Copper metallurgical slags: mineralogy, bio/weathering processes and metal bioleaching

 

---

xvii 
 
List of figures 
FIGURE  1.1  An  example  of  historical  disposal  site  (Rudawy  Janowickie  Mountains,  SW 
Poland) where slags are commonly found on the surface ground (A), in the soil profiles 
(B) and streams (C1 and C2). ........................................................................................... 3
 
FIGURE 2.1 Flowsheet of pyrometallurgical copper production from sulfidic ores. .............. 15
 
FIGURE 2.2 Schematic picture presenting the importance of secondary phases formation. .. 29
 
FIGURE 2.3 Flowsheet presenting slag weathering pathways in the environment. ................ 32
 
FIGURE 2.4 Flowsheet presenting bio-weathering reactions occuring in the environment.... 34
 
FIGURE 2.5 Bulk Cu content in slags studied and examples of leaching efficiencies. .......... 57
 
FIGURE 2.6 Bulk Cu content in slags studied and biological leaching yield. ........................ 65
 
FIGURE 3.1 Geographical location and geology of the study area. ........................................ 78
 
FIGURE 3.2 Schematic picture presenting historical Cu production. ..................................... 79
 
FIGURE 3.3 Historical dumping site (A: mining waste-rock dump in Miedzianka,  
B: historical slags found in study area). .......................................................................... 79
 
FIGURE 3.4 Flowchart presenting the process at which shaft furnace slag is generated. ....... 80
 
FIGURE 3.5 Flowchart presenting the process at which granulated slag is generated. .......... 81
 
FIGURE 3.6 Flowchart presenting the process at which lead slag is generated. ..................... 81
 
FIGURE 3.7 Modern slags (A1 and A2: shaft furnace slag, B: granulated slag, C: lead slag). .. 
 
 ............................................................................................................................. 82
 
FIGURE 3.8 Experimental approach for pH-dependent leaching carried out for each slag. ... 90
 
FIGURE 3.9 Schematic picture presenting organic acids leaching experiment carried out for 
each slag. ......................................................................................................................... 91
 
FIGURE  3.10  Schematic  picture  presenting  experimental  approach  for  bioweathering 
experiment. ..................................................................................................................... 92
 
FIGURE 3.11 Schematic picture presenting experimental design for bioleaching experiments. 
 
 ............................................................................................................................. 94
 
FIGURE 4.1 Macroscopic pictures presenting slags selected for this study. ........................ 104
 
FIGURE 4.2 X-RAY powder diffraction patterns of copper slags. ....................................... 109
 
FIGURE  4.3  Scanning  electron  microscope  images  of  the  phases  identified  in  the  copper 
slags.   ........................................................................................................................... 110
 
FIGURE  4.4  Variability  of  the  chemical  composition  (at.%)  of  main  sulfides  in  slags 
presented in the Cu-Fe-S isothermal section at 600°C. ................................................ 115
 
FIGURE 4.5 Diagrams presenting leaching of metals (Cu, Zn, Pb) versus pH (± 0.1). ........ 119
 
FIGURE 4.6 Diagrams presenting relative values of leached metals versus pH (± 0.1). ...... 120
 
FIGURE 4.7 Scanning electron microscope images presenting Pb-inclusions in bornite of SFS 
(a) and bornite encapsulated in fayalite crystals of LS (b). .......................................... 124
 
FIGURE 4.8 Estimated dissolution rates of fayalite and diopside as a function of pH. ........ 127
 

---

xviii 
 
FIGURE 5.1 Weathering scenarios that may occur at slag dumping sites. ........................... 138
 
FIGURE  5.2  The  release  of  Cu  under  slags  exposure  to  UPW  (A),  HA,  FA  (B)  and  
ARE (pH 2.9 and 4.4) (C). ............................................................................................ 143
 
FIGURE  5.3  The  release  of  Zn  under  slags  exposure  to  UPW  (A),  HA,  FA  (B)  and  
ARE (pH 2.9 and 4.4) (C). ............................................................................................ 144
 
FIGURE  5.4  The  release  of  Pb  under  slags  exposure  to  UPW  (A),  HA,  FA  (B)  and  
ARE (pH 2.9 and 4.4) (C). ............................................................................................ 145
 
FIGURE  5.5  Scanning  electron  microscopic  images  presenting  weathering  features  of  slags 
exposed to artificial root exudates solution for 960 h. .................................................. 149
 
FIGURE  5.6  Scanning  electron  microscope  images  presenting  weathering  features  of  slags 
exposed to humic acid solution for 960 h. .................................................................... 150
 
FIGURE 5.7 Bioweathering mechanisms. ............................................................................. 162
 
FIGURE 6.1 Evolution of Pseudomonas aeruginosa growth in the experiments supplemented 
with  crystalline  slag  (CS),  granulated  slag  (GS)  and  control  growth  without  slag 
supplementation. ........................................................................................................... 172
 
FIGURE  6.2  Evolution  of  pH  in  the  experiments  carried  out  with  crystalline  -  CS  (A)  and 
granulated - GS (B) slag. .............................................................................................. 173
 
FIGURE  6.3  Cumulative  leaching  of  Si  and  Fe  from  crystalline  (CS)  and  granulated  (GS) 
slags  during  112  days  of  experiments  with  ultrapure  water  (UPW),  growth  medium 
(GM) and biotic solution (GMB). ................................................................................. 174
 
FIGURE 6.4 Cumulative leaching of metallic elements (Cu, Zn, Pb) from crystalline (CS) and 
granulated  (GS)  slags  during  112  days  of  experiments  with  ultrapure  water  (UPW), 
growth medium (GM) and biotic solution (GMB). ...................................................... 175
 
FIGURE  6.5  Three-dimensional  spectra  presenting  the  fluorophores  of  metabolic  products 
excreted  by  Pseudomonas  aeruginosa  in  the  presence  of  GS  and  CS  after  14  and  28 
days of experiment. ....................................................................................................... 179
 
FIGURE 6.6 SEM images presenting weathering features of crystalline slag after exposure to 
ultrapure  water  (a),  growth  medium  (b)  and  growth  medium  with  Pseudomonas