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

4.4.3.1  Mineralogy  
The historical slags are mainly composed of crystalline phases indicated by XRD analysis. A 
well-specified phase implied from the XRD patterns is fayalite (Figure 4.2 A), being the most 
abundant  phase  composing  this  material,  which  was  also  confirmed  by  microscopic 
observations.  This  slag type also  comprises silicate  glass as well as  volumetrically minor or 
trace sulfide compounds. Optical microscopic analyses allowed to observe that fayalite occurs 
as elongated skeletal laths or dendritic crystals surrounded by opaque glass. Fayalite crystals 
reach lengths from very fine sizes (2 µm) even up to 800 µm (Figures  4.3 A1 and 4.3 A2). 
Sulfide  inclusions  (bornite,  pyrrhotite  and  occasionally  chalcopyrite  with  compositions 
differing  from  stoichiometry)  commonly  occur  between  and  on  the  edge  of  the  fayalite 
crystals as well as are dispersed within the glassy matrix. Sulfides are present in the form of 
irregular prills with a fine-grained size smaller than 2 µm and sometimes even up to 700 µm 
(Figures 4.3 A1 and 4.3 A2).  

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
108 
 
The  shaft  furnace  slag  representing  the  first  type  of  the  modern  slag  group  investigated  is 
mainly composed of pyroxene (diopside) and two types of silicate glass: interstitial glass and 
surface  glass  (Figure  4.2  B).  Minor  and  trace  phases  identified  in  this  type  of  slag  are 
represented  by  sulfides  such  as:  bornite,  sphalerite  and  chalcopyrite.  Skeletal  euhedral  and 
subhedral crystals of pyroxene are embedded within interstitial glass (Figures 4.3 B1 and 4.3 
B2). Their length ranges from below 20 µm up to 400 µm. They do not show any preferred 
orientation. Sulfides occur either as rounded blebs or irregular shaped inclusions dispersed in 
a glassy matrix. They range in size between 20 - 100 µm in diameter and are sometimes even 
smaller than 2 µm. 
The  first  observation  drawing  from  optical  microscopy  analysis  of  granulated  slag  is  the 
vitreous  texture  of  this  material.  It  is  mainly  composed  of  silicate  amorphous  glass  likely 
resulting  from  quick  water-quenching  of  the  melt.  This  material  is  almost  devoid  of  any 
crystalline phases. However, hercynite crystals having a size not exceeding 10 µm were rarely 
observed (Figure 4.3 C1). The compound implied by the XRD diffraction pattern is metallic 
copper  (Figure  4.2  C).  These  thin  metallic  droplets  were  commonly  observed  and  widely 
dispersed  within  amorphous  glass  (Figure  4.3  C1).  Metallic  droplets  occur  as  very  fine  or 
coarse-sized droplets reaching the size from smaller than 2 µm up to 30 µm (Figure 4.3 C2). 
Lead  slag  issued  from  the  process  intended  to  lead  recovery  represents  a  mineralogically 
different slag type. Contrary to previously described slag types, LS mainly comprises sulfides, 
whereas  silicates  and  glass  constitute  volumetrically  minor  components  thus  this  material 
corresponds  to  a  mixture  of  matte  with  subordinate  amounts  of  silicate  slag.  However,  the 
term "lead slag" is used for descriptive purposes of this material. Sulfides occur in the form of 
approximately  rounded,  sometimes  slightly  irregular  shaped  inclusions  between  fayalite  and 
the  glassy  matrix  (Figure  4.3  D1)  and  more  often  as  gathered  groups  (Figure  4.3  D2). 
Sphalerite is  the most commonly  observed sulfide occurring as  volumetrically major sulfide 
component  confirmed  by  XRD  analysis  (Figure  4.2  D).  Furthermore,  other  sulfides  such  as 
bornite, chalcopyrite and pyrrhotite were also identified. They reach a size from smaller than 
2  µm  up  to  200  µm.  Fayalite  being  the  minor  constituent  occurs  in  the  form  of  elongated 
crystals usually presenting a preferred orientation of parallel growth and having a length up to 
1800 µm (Figure 4.3 D2).  
 

---

CHAPTER 4: CHARACTERIZATION AND pH-DEPENDENT LEACHING BEHAVIOUR OF HISTORICAL AND 
MODERN COPPER SLAGS
 
 
109