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

CHAPTER 4 
 
CHARACTERIZATION AND pH-
DEPENDENT LEACHING 
BEHAVIOUR OF HISTORICAL 
AND MODERN COPPER SLAGS 
This chapter has been published as:  
Potysz  A.,  Kierczak  J.,  Fuchs  Y.,  Grybos  M.,  Guibaud  G.,  Lens  P.N.L.  & 
van  Hullebusch  E.D.  (2016):  Characterization  and  pH-dependent  leaching 
behaviour  of  historical  and  modern  copper  slags. Journal  of  Geochemical 
Exploration 160, 1-15. 

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
97 
 
ABSTRACT 
A  geochemical  approach  combining  chemical  and  mineralogical  studies  together  with  pH-
dependent  leaching  experiments  was  applied  to  carry  out  an  environmental  risk  assessment 
analysis  of  copper  metallurgical  slags.  Two  groups  of  Cu-metallurgical  slags  were 
investigated: historical (HS) and modern slags including shaft furnace slag (SFS), granulated 
slag  (GS)  and  lead  slag  (LS)  representing  various  smelting  technologies.  The  metallic 
elements  composition  (Cu,  Zn  and  Pb)  of  the  slags,  especially  their  distribution  in  mineral 
phases  as  well  as  their  leachability  at  different  pH  conditions  were  determined.  The  slags 
display different  chemical  (e.g.,  Cu;  HS: 5657 mg/kg;  SFS:  2687 mg/kg;  GS: 11425 mg/kg, 
LS:  10915  mg/kg)  and  phase  composition,  with  various  impurities  of  metallic  elements  in 
different  quantities.  Consequently,  these  materials  show  different  leachability  of  metallic 
compounds  when  exposed  to  various  pH  conditions  (2-13).  HS  and  SFS  slags  are  mainly 
composed of synthetic analogues of silicates such as fayalite (HS) and diopside (SFS) as well 
as minor sulfides. GS is an amorphous material composed of glass containing copper droplets, 
whereas  LS  is  an  exceptional  slag  type  corresponding  to  a  matte  and  characterized  by  a 
volumetrically  major  sulfides  and  a  minor  fayalite  content.  pH-dependent  leaching 
experiments  revealed  that  high  concentrations  of  Cu,  Zn  and  Pb  may  be  released  during 
leaching.  Aggressive  acidic  conditions  (pH  2)  were  found  to  be  the  least  stable  for  the 
analysed materials, e.g., Cu: up to 5873 mg/kg for GS; Zn: up to 8919 mg/kg for LS, Pb: up to 
17186  mg/kg  for  LS.  Alkaline  pH  (12-13),  being  generally  less  aggressive  for  slags  than 
acidic conditions, also showed that significant amounts of metals may be mobilized (e.g., Cu: 
up  to  114  mg/kg  for  HS;  Zn:  up  to  243  mg/kg  for  LS;  Pb:  up  to  5539  mg/kg  for  LS).  pH 
conditions  close  to  neutral  (7-8)  and  those  with  slightly  alkaline  pH  (10.5)  appear  to  be  the 
most stable for the analysed materials.  
 
Keywords:  copper  slags,  primary  phases,  metal  distribution,  pH-dependent  leaching 
behaviour (Cu, Zn,
 Pb) 

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
98