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

TABLE 4.1 Chemical composition of copper slags.  
(HS: historical slag, SFS: shaft furnace slag, GS: granulated slag, LS: lead slag) 
 
 
HS 
SFS 
GS 
LS 
wt.% 
Major elements 
SiO
2
 
37.6 
44.87 
32.6 
4.18 
TiO
2
 
0.45 
0.70 
0.58 
0.06 
Al
2
O
3
 
7.46 
13.06 
10.05 
1.22 
Fe
2
O
3
 
50.7 
10.69 
16.42 
43.51 
MgO 
2.5 
6.31 
5.73 
1.24 
MnO 
0.17 
0.26 
0.24 
0.57 
CaO 
1.1 
17.6 
20.93 
1.48 
Na
2
O 
0.27 
1.54 
0.79 
1.48 
K
2
O 
1.58 
3.57 
3.02 
1.31 
S tot. 
0.67 
0.17 
<0.02 
22.02 
mg/kg 
Minor elements 
Ag 
4.4 
5.4 
21.5 
34.2 
As 
42.6 
58.2 
884 
3569 
Bi 
2.3 
0.1 
0.6 
14 
Cd 
0.5 
0.8 
4.55 
525.6 
Co 
402 
345.6 
963.8 
42.2 
Cu 
5657 
2687 
11425 
10915 
Hg 
<0.01 
<0.01 
<0.01 
0.32 
Mo 
11.4 
303.1 
693.8 
428.4 
Ni 
4.2 
15.8 
356.7 
221.9 
Pb 
111 
1559 
21135 
26125 
Se 
1.3 
4.25 
3.7 
214.2 
Sn 
94.3 
11 
22 
762 
Sb 
0.5 
9.1 
39.6 
122 
Tl 
<0.1 
0.05 
3.6 
41 
Zn 
3962 
3832 
7810 
76400 
LOI 
-4.7 
-0.6 
-1.1 
7.1 

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
107 
 
4.4.3  Mineralogy and phase composition of slags 
The  X-ray  powder  diffraction  patterns  presented  in  Figure  4.2  and  SEM-EDS  spectra  (data 
not shown) of the studied materials showed that slags are composed of various primary phases 
(Table 4.2). Deliberately, slag samples without any secondary phases were chosen for further 
study. For
 
modern slags, no
 
secondary phases could be observed. This is due to the fact that
 
fresh  samples  were  collected  from  the  process  meaning  they  have  not  been  exposed  to  any 
weathering  factors.  In  contrast,  historical  slags  have  been  dumped  for
 
a
 
long  period  of  time
 
and 
previously 
identified 
secondary 
phases 
(e.g., 
Fe-oxyhydroxides, 
langite 
Cu
4
(SO
4
)(OH)
6
·2H
2
O,  malachite:  Cu
2
CO
3
(OH)
2
)  present  within  them  have  been
 
described 
elsewhere
 
(Kierczak & Pietranik, 2011; Kierczak et al., 2013).  
On  the  basis  of  optical  microscopic  observations,  silicates  and  glass  constitute  the  major 
phases present in both historical and modern slags (excluding lead slag), whereas sulfides and 
intermetallic compounds (identified in granulated slag) are minor constituents. Silicate phases 
as  volumetrically  major  and  sulfides  as  minor  phases  are  in  accordance  with  the  analyses 
performed on any kind of previously studied copper metallurgical slags (Parsons et al., 2001; 
Manasse et al., 2001; Manasse & Mellini, 2002; Lottermoser, 2002; Sāez et al., 2003; Piatak 
et al., 2004; Ettler et al., 2009; Álvarez-Valero et al., 2009; Mateus et al., 2011; Vítková et al., 
2010; Kierczak & Pietranik, 2011; Kierczak et al., 2013). Exceptionally, lead slag represents a 
type  having  much  greater  volumetric  content  of  sulfides  compared  to  silicate  phases  clearly 
visible  during  microscopic  observation  and  also  confirmed  by  XRD  analysis  as  well  as 
chemical analyses showing low silica and high sulfur concentrations.