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

2.3.3.2  Secondary phases: formation, metal sequestration and solubility 
Weathering  processes  lead  to  the  formation  of  secondary  phases  such  as  oxides, 
(oxy)hydroxides,  sulfates,  carbonates,  phosphates,  arsenates,  chlorides  and  simultaneous 
sequestration of metallic elements by co-precipitation or adsorption processes (Parsons et al., 
2001; Lottermoser, 2002; Piatak et al., 2003; Ettler, 2003; Piatak et al., 2004; Sparks, 2005a, 
2005b; Navarro et al., 2008; Piatak & Seal, 2010; Brown Jr. & Calas, 2011; Jamieson, 2011; 
Bolan  et  al.,  2014).  For  example,  compounds  such  as  iron  and  manganese  (oxy)hydroxides 
are found to be good metal scavengers (Ettler et al., 2004; Sparks, 2005b; 2005a; Ettler et al., 
2005; Brown Jr. & Calas, 2011; Bolan et al., 2014). The precipitation of these phases occurs 
during  oxidation  of  Fe(II)  and  Mn(II)  ions.  Furthermore,  the  presence  of  anions  (e.g.  SO
4
2-
, 
CO
3
2-
, OH
- 
and PO
4
3-
) favours precipitation of secondary phases when high concentrations of 
metallic  elements  occur  nearby  (Bolan  et  al.,  2014).  During  the  weathering  of  slags,  the 
released copper is often sequestered by the precipitation of carbonates (malachite and azurite), 
sulfates  (langite,  chalcanthite  and  brochantite),  copper  oxides,  chlorides  (atacamite)  or 
arsenates (conichalcite) (Parsons et  al., 2001; Lottermoser, 2002; Sāez et al., 2003; Piatak et 
al.,  2004;  Kierczak  et  al.,  2013).  Lead  is  principally  immobilized  by  the  carbonates  (e.g. 
cerussite), but also by sulfates (e.g. anglesite) (Gee et al., 1997;  Lottermoser, 2002; Ettler et 
al.,  2003).  It  was  reported  that  cerussite  plays  a  significant  role  in  the  regulation  of  metal 
concentrations,  especially  under  neutral  and  alkaline  conditions  (Gee  et  al.,  1997; 
Lottermoser, 2002; Ettler et al., 2003; Jamieson, 2011). Anglesite formation under acidic and 
neutral  conditions  depends  on  the  SO
4
2-
  required  at  a  high  concentration  (Gee  et  al.,  1997; 
Lottermoser, 2002; Ettler et al., 2003; Jamieson, 2011). Sulfates precipitation may also result 
from the oxidation of primary sulphides, e.g. pyrite or pyrrhotite (Lottermoser, 2010; Tyszka 
et al., 2014).  

---

CHAPTER 2: COPPER METALLURGICLA SLAGS- CURRENT KNOWLEDGE AND FATE:  
A REVIEW
 
 
29 
 
The pathway of slag weathering resulting  in  metal  mobilization and formation of secondary 
phases  is  presented  in  Figure  2.2.  Salt  formation  is  intensely  governed  by  evaporation,  thus 
increasing  the  concentration  of  ions  (anions  and  cations)  and  consequently  leading  to 
saturation  and  salt  precipitation  (Lottermoser,  2002).  Sulfates  may  undergo  further 
hydratation forming hydrated sulfates.  In strongly oxygenated conditions, hydroxyl salts can 
also be formed, e.g. langite, malachite and azurite. 
Sometimes  secondary  phases  do  not  behave  as  stable  as  it  would  be  expected  (e.g.  undergo 
easy  erosion  or  dissolution).  Therefore,  the  solubility  of  secondary  phases  is  an  important 
factor governing the fate of metals. If secondary phases do not undergo dissolution easily (e.g. 
Fe/Al-hydroxysulfates,  sulfates,  and  carbonates),  then  binding  of  metallic  elements  within 
them  is  considered  as  the  process  impeding  metal  mobility.  However,  in  the  case  that 
secondary  phases  are  susceptible  to  erosion  and  dissolution  in  water  (e.g.  hydrous  metal 
sulfates),  then  metal  immobilization  may  be  inefficient  resulting  in  the  further  liberation  of 
cations into the environment (Lottermoser, 2002; Lottermoser, 2010; Piatak et al., 2015). The 
solubility  of  secondary  phases  is  highly  variable  and  depends  on  the  pH,  Eh  and  solution 
chemistry.  For instance,  Fe/Mn oxides dissolution  is  faster under acidic conditions  or in  the 
presence of reductants (Sparks, 2005a). 
The  precipitation  of  secondary  phases  contributes  to  the  passivation  effect,  limiting  further 
accessibility to  the slag surface, therefore the formation  of these phases  is  considered as  the 
factor  reducing  metal  mobility  (Kucha  et  al.,  1996;  Ettler  et  al.,  2009).  Secondary  phases 
reflect the reactivity of the slag material and constitute an evidence of the weathering process 
(Piatak et al., 2003; Piatak et al., 2004; Piatak & Seal, 2010). Therefore, identification of these 
phases  is  an  important  step  in  risk  assessment  of  waste  materials  (Ettler  et  al.,  2001; 
Lottermoser, 2010).