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

2.3.1  Chemical and phase composition of copper slags 
The  bulk  chemical  composition  of  Cu-slags  varies  from  one  smelting  site  to  another  (Table 
1),  depending  on  the  type  of  smelted  ores,  fluxes  and  additives  applied  during  the 
pyrometallurgical  process  (Gbor  et  al.,  2000;  Lottermoser,  2002;  2005;  Harish  et  al.,  2011; 
Mateus et al., 2011). Copper slags are mainly composed of SiO
2 
with concentrations up to 70 
wt.%  (Sāez  et  al.,  2003;  Kierczak  &  Pietranik,  2011;  Kierczak  et  al.,  2013;  Rozendaal  & 
Horn,  2013;  Piatak  et  al.,  2015)
 
and  Fe
2
O
3 
up  to  64  wt.%  (Ettler  et  al.,  2009).  They  are 
characterized  by  minor  quantities  of  compounds  such  as  Al
2
O
3
  and  CaO.  Other  compounds 
such  as  MgO,  K
2
O  and  S  occur  in  much  lower  quantities.  Additionally,  they  are  often 
enriched  in  metallic  elements  such  as  copper,  lead  and  zinc,  reaching  concentrations  up  to 
28%, 18%, and 12%, respectively (Sāez et al., 2003; Ettler et al., 2009; Vítková et al., 2010). 
Other  metals  such  as  arsenic,  chromium  and  nickel  can  also  be  present,  but  in  much  lower 
quantities,  usually  not  exceeding  0.1%.  Enrichment  of  metals  in  metallurgical  slags  reflects 
the inefficiency of the metallurgical process. 
 
Variation in slag chemical composition is mainly related to the conditions of the technological 
process. A different silica content refers to the concentration of this compound in a primitive 
ore  as  well  as  the  quantity  of  the  silica  flux  that  was  added  during  the  smelting  process. 
Concentration of alkali compounds may also vary, reflecting its content in gangue minerals of 
ore (Manasse et al., 2001; Manasse & Mellini, 2002). The carbon and sulfur content may also 
differ. These compounds are often removed by high temperature roasting. It aims to eliminate 
these  compounds  through  the  conversion  to  CO
2
  and  SO
2
,  respectively.  However,  if  this 
processing stage is inefficient, then a high  sulfur (Manasse et al., 2001;  Manasse & Mellini, 
2002; Piatak & Seal, 2010) and carbon content may be observed in the chemical composition 
of  the  slag  material.  The  content  of  metals  includes  a  wide  range  of  concentrations  with 
respect to more or less efficient metallurgical processes. 
Comparing  the  bulk  metal  content  in  slags  resulting  from  different  time  periods  of  copper 
production (Table 2.1), surprisingly some ancient slags (e.g. São Domingos, Portugal) contain 
a  lower  content  of  metallic  elements  compared  to  those  resulting  from  contemporary 
processing.  As  Roman  wastes  have  been  disposed  over  a  long  period  of  time,  it  is  possible 
that  metal  concentrations  were  initially  higher,  while  weathering  processes  leached 
contaminants out into the environment. Such a scenario has been proposed by Alvarez-Valero 
et  al.  (2009)  who  compared  historical  and  modern  slags  from  ore  processing  of  the  same 
origin.  

---

CHAPTER 2: COPPER METALLURGICLA SLAGS- CURRENT KNOWLEDGE AND FATE:  
A REVIEW
 
 
18