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

FIGURE 4.7 Scanning electron microscope images presenting Pb-inclusions in  
bornite of SFS (a) and bornite encapsulated in fayalite crystals of LS (b).  
(LS: lead slag, SFS: shaft furnace slag, Bn: bornite, Fa: fayalite) 

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
125 
 
4.5.3  Leaching behaviour 
A  common  trend  resulting  from  leaching  test  experiments  is  the  maximum  concentration  of 
leached  contaminants  under  strongly  acidic  conditions  (pH  2-4).  Subsequently,  a  significant 
decrease of metal leachability is observed towards the sample's natural pH and finally a slight 
increase  in  metal  concentrations  in  the  leachate  is  noticed  under  highly  alkaline  conditions 
(Figures  4.5  and  4.6).  Low  quantities  of  detected  metals  at  near  neutral  pH  may  be  due  to 
metal  precipitation  (e.g.,  as  oxy-hydroxides),  whereas  at  higher  pH  values  (>  10),  the 
solubility of these elements slightly increases. 
Considering  results  obtained from pH-dependent  leaching  experiments,  it may  be noted that 
the  mineralogy  and  bulk  chemistry  are  principal  factors  that  affect  the  preference  of  the 
metals that are leached. 
 
Comparing results of tests done for all studied slag types, it is
 
important to notice that slags 
show  a  different  leaching  susceptibility.  Analysing  the  relative  values  of  metals,  results 
indicate  that  GS  undergoes  efficient  leaching  at  strongly  acidic  conditions  for  all  metals 
analysed. As much as 51.4, 47.3 and 29.8% of Cu, Zn and Pb is leached out (Figure 4.6).  
The lead slag has a very high Pb leachability at extreme pH values (2 and 13), reaching values 
as high as 65.8 and 21.2%, respectively (Figure 4.5 C). The historical slag shows a maximum 
susceptibility  to  leaching  out  metals  (32.7%  of  Pb)  when  exposed  to  a  pH  of  2,  whereas 
important leachability of the SFS is observed at the pH range 2-4. 
 
Based on the results of pH-dependent leaching experiments, it can be concluded that slag are 
not completely inert materials, because their exposition to different pH conditions may lead to 
significant  metal  release.  Leachability  of  metals  is  especially  high  under  strongly  acidic 
conditions  and  much  more  important  compared  to  highly  alkaline  ones.  This  point  is 
significant for environmental considerations, but on the other hand such aggressive conditions 
(pH=2)  do  not  occur  abundantly  in  nature.  Low  pH  related  extreme  scenarios  may 
nevertheless occur on the dumping sites. Both, slags and waste rocks undergo weathering that 
may result in acid generation, especially when sulfides are being dissolved (Jamieson, 2011; 
Piatak et al., 2014). Subsequent exposure of wastes to acid leachate attack may facilitate their 
further weathering, leading to dispersal of the metal bearing leachate and bringing undesirable 
environmental consequences (Lottermoser, 2011). Alkali conditions are much more stable for 
slags.  The  granulated  slag  should  be  managed  with  a  special  caution  only  if  exposed  to 
strongly  acidic  conditions,  whereas  alkaline  conditions  should  also  be  avoided  in  order  to 
prevent Pb leaching from the SFS and LS. Our findings suggest that slags are stable materials 
in the sample natural pH and they have even better stability at slightly alkaline conditions (pH 

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
126 
 
10.5).  Thus  any  kind  of  management  ensuring  stable  pH  in  the  range  mentioned  above  is 
required to minimise metal release from the slags.  
The  granulated  slag  is  a  material  with  an  amorphous  structure  (Figure  4.2  C).  A  previous 
study revealed that the susceptibility of amorphous slags to be leached under exposure to acid 
leaching is lower compared to slags with a crystalline structure (Kuo et al., 2008). This is not 
congruent with our results, giving usually more important leaching from amorphous materials, 
especially at strong acidic conditions. Nevertheless, our result is in accordance with Maweja 
et  al.  (2010),  who  concluded  that  breaking  of  amorphous  silicate  structures  may  result  in 
stronger  metals  (Cu,  Zn,  Pb)  dissolution  when  exposed  to  nitric  acid  leaching.  On  the  other 
hand, the high content of metals in our leachate may also be due to the presence Cu-droplets 
which are the most important  Cu-carriers  responsible for ~38% of Cu in the GS.  Therefore, 
glass  dissolution  theoretically  did  not  have  to  appear.  Nevertheless,  easier  decomposition  of 
this  material  was  observed  during  leaching  experiments  and  particle  dissolution  was  easily 
visible  as  colloid  matter  suspended  in  the  leachate  proving  partial  decomposition  of  the 
material. Additionally, a high leaching of Zn and Pb which are mainly accommodated in glass 
(~99%) would suggest that not only Cu-droplets, but also glass releases metals to the solution. 
In other words, Cu-droplets carry less than 1.5% of the bulk content of Zn and Pb (Table 4.6), 
while  over  30%  of  these  metals  were  released  from  slags  (Figure  4.6),  hence  these  metals 
were partially liberated from glass as well. Glass dissolution should thus also be considered in 
case  of  the  HS  and  SFS  as  this  phase  is  an  important  metal  carrier  (up  to  ~56%)  in  these 
materials (Table 4.6). 
The high quantity of Zn leached from the LS may refer to dissolution of sphalerite identified 
as a major constituent of this type of slag, responsible in ~99.4% for the bulk content of Zn in 
this material. It is also confirmed by the relatively high Zn concentrations present in SFS also 
composed of sphalerite. Although, sphalerite occurs in much lower volumetric proportions in 
the SFS compared to the LS, it carries ~14% of bulk Zn content. Additionally, even a higher 
content of bulk Zn (16.6%) is accommodated in chalcopyrite in the SFS (Table 4.6) and could 
also  liberate  this  element.  Nevertheless,  the  bulk  chemistry  of  these  materials  seems  to  be 
important.  The  shaft  furnace  slag,  having  a  20  times  lower  Zn  content  than  LS,  shows  this 
relation for acidic leaching and gave an almost 20 times lower content of zinc in the leachate 
at pH of 2 and 15 times lower at pH 4. Lead slag having the highest bulk content of Pb easily 
releases this element to the leaching solution. High quantities of Pb released from the LS may 
be due to dissolution of the Pb phase which carries over 80% of bulk Pb, although it is present 
in  minor  volumetric  proportions.  Surprisingly,  the  LS  reveals  a  low  Cu  release  (maximal 
3.17%) and preferential release of other metallic compounds. That may be due to two reasons. 
Firstly,  sphalerite  dissolved  only  partially.  This  phase  carries  up  to  ~99%  of  Zn,  while  only 
11.7% was released. When we consider Cu (3% of the total Cu concentration is released) and 
compared  to  the  quantity  accommodated  in  sphalerite,  it  is  seen  that  approximately  9  times 
less Zn than sphalerite  carries is  released. A similar correlation  is  noticed for Cu. Secondly, 

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
127 
 
Cu-bearing  sulfides  are  also  encapsulated  in  a  fayalite  structure  that  could  imply  relatively 
good prevention of these phases against the leaching solution (Figure 4.7 B). 
Furthermore, an interesting observation implying from the diagram presenting leaching of Pb 
(Fig.  5  C)  is  the  great  leachability  of  Pb  from  the  SFS  under  alkaline  (12-13)  conditions, 
which is much higher compared to the HS. These materials mainly owe their bulk Pb content 
to glass and crystalline silicates (fayalite in the HS and diopside in the SFS). General rates of 
silicate  dissolution  (Figure  4.8)  show  that  they  drop  gradually  along  with  pH  for  fayalite, 
whereas  a steady state is  being achieved for diopside. That  indicates that Pb release may be 
related to diopside dissolution. Additionally, under extremely acidic conditions, a similar Pb 
liberation (SFS) is observed and fits the trend of diopside dissolution. Release of Cu and Zn 
from  the  HS  and  SFS  also  fits  the  theoretical  curves  of  silicates  dissolution.  However, 
liberation  of  these  elements  from  sulfides  and  glass  should  not  be  neglected  as  they  exhibit 
even  greater  susceptibility  to  release  metals  relative  to  crystalline  silicates  (Parsons  et  al., 
2001). Moreover, important quantities of Cu released from the HS (up to 30%) and the SFS 
(up  to  13%)  demonstrate  sulfide  dissolution  as  only  up  to  ~7%  of  the  bulk  Cu  is 
accommodated in silicate phases. In turn, Pb released from the SFS reached even 25%, while 
less than ~20% is accommodated in sulfides.