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

4.1  INTRODUCTION 
The continuous demand of society for different metal related products causes rapid expansion 
of  the  global  industry.  Unfortunately,  any  kind  of  industrial  activity  is  associated  with  the 
generation of by-products,  which are  a matter of  rising  concern. Waste materials,  especially 
those  containing  metallic  elements  are  potential  sources  of  environmental  pollution  and  can 
cause  ecological  disturbances  when  disposed  or  managed  improperly.  Therefore,  an 
improvement of storage practices and development of alternative treatment methods is a great 
challenge in waste management for the years ahead.  
One  of  the  processes  inherently  linked  to  the  generation  of  wastes  containing  metals  is 
pyrometallurgy.  Copper  production  constitutes  an  important  part  of  the  global  market. 
However,  its  significance  turns  back  to  early  human  civilization,  when  copper  utility  began 
(Themelis,  1994;  Hong  et  al.,  1996;  Radetzki,  2009).  Both  historical  and  modern 
metallurgical  processes  have  generated  large  quantities  of  by-products  such  as  ashes,  off-
gasses and slags, which are important metal-carriers generated by this processing.  
Pyrometallurgy  of  copper  is  generally  accomplished  by  smelting  and  fire/electro  refining 
which  yield  copper  with  a  high  grade  of  purity.  However,  some  metal  quantities  are  lost 
during  processing  and  remain  in  the  slags.  Therefore,  concentrations  of  metallic  elements 
within  the  slags  reflect  processing  losses  (Fernández-Caliani  et  al.,  2012).  Additionally, 
specific  pyrometallurgical  technologies  include  variable  approaches  to  the  process,  applying 
different  initial  input  products  (ores),  additives  (e.g.,  siliceous),  smelting  temperatures  and 
different  types  of  furnaces  (e.g.,  reverberatory,  blast,  flash,  shaft,  electric  and  anode) 
(Davenport et al., 2002; Moskalyk & Anfantazi, 2003). As a result, slags issued from different 
pyrometallurgical  processes  may  display  various  chemical  and  phase  compositions. 
Moreover, considering developments of pyrometallurgy, historical smelting technologies and 
their efficiency undoubtedly differ from those applied for present-day smelting. Hence, both 
the  concentration  of  metals  remaining  in  the  waste  materials  as  well  as  phase  composition 
itself  may  vary  for  historical  and  modern  slags.  Therefore,  geochemical  comparison  of  old 
wastes with those currently generated is particularly interesting. 
Slags  are  well  recognized  to  be  a  potential  source  of  metallic  pollution  of  the  biosphere. 
Synthetic  analogues  of  natural  mineral  phases  are  the  most  important  compounds  of  slags. 
When exposed to environmental conditions, they undergo weathering that often results in the 
mobilization  of  the  contained  metals.  Release  of  these  compounds  into  the  environment 
causes their vertical and horizontal distribution, and consequently has
 
enormous effects on the 
environment, disturbing its quality and stability. 
 For  this  reason,  storage  of  modern  industrial  wastes  is  either  done  according  to  strict 
standards  or  these  wastes  may  be  reused  for  example  as  additives  to  building/construction 
materials (Ettler et al., 2001; Ettler et al., 2003; Shi et al., 2008; Ettler et al., 2009; Piatak & 

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
99 
 
Seal, 2010; Harish et al., 2011; Chen et al., 2012). Additionally, metal recovery is a promising 
future direction of slag reuse that would abate their toxicity and improve waste recycling. In 
contrast, old industrial sites often dumped these materials in the slag heap or sometimes even 
abandoned them in the places not destined for this purpose. Moreover, at that time it was not 
known  that  slags  weathering  may  release  metallic  contaminants
 
into  the  surrounding 
environment.  As  a  consequence,  there  are
 
many  industrial  sites  where  discarded  slags  have 
been  contributing  to  contamination  of  local  areas  (Gee  et  al.,  1997;  Manz  &  Castro,  1997; 
Sobanska et al., 2000; Lottermoser, 2002; Ettler et al., 2003; Ettler et al., 2004; Piatak et al., 
2004;  Reuter  et  al.,  2004;  Ettler  et  al.,  2009;  Vítková  et  al.,  2010;  Piatak  &  Seal,  2010; 
Kierczak et al., 2009; Kierczak et al., 2013; Piatak et al., 2014). 
The  behaviour  of  slags  under  different  environmental  scenarios  should  be  taken  into 
consideration  prior  to  judging  their  hazardousness.  Leaching  tests  are  useful  tools  for 
evaluation  of  waste  material  upon  exposure  to  different  conditions  (Piatak  et  al.,  2014).  For 
example, analysis of the release of inorganic contaminants as a function of pH appears to be 
important  for  environmental  risk  assessment.  Therefore,  determination  of  slag  behaviour 
should be done in a wide pH range, from extremely acidic up to strongly alkaline, considering 
intermediate pH values as well. 
The  main  objective
 
of  this  paper  is  a  geochemical  comparison  of  two  groups  of  Cu-slags: 
historical  and  modern  ones  each  representing  various  smelting  technologies  and  originating 
from  different  time  periods  of  pyrometallurgical  activities.  During  the  characterization  step 
that included chemical and phase composition of the slags, relevant attention was given to the 
abundance  and  distribution  of  metallic  elements.  Additionally,  we  attempted
 
to  answer  the 
question of how these slag materials behave under various pH conditions. Therefore, leaching 
tests  intended  to  examine  leachability  of  Cu,  Zn  and  Pb  as  a  function  of  pH  (2-13)  were 
performed in order to establish the potential stability of slags at a given range of conditions.