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

TABLE 6.4 Relative values [%] of elements leached for slags exposure to  
different conditions after 112 days of incubation. 
 
Si 
 
Fe 
 
Cu 
 
Zn 
 
Pb 
 
 
[%] 
RDS 
[%] 
RDS 
[%] 
RDS 
[%] 
RDS 
[%] 
RDS 
Crystalline 
slag 
 
 
 
 
 
 
GMB  
0.29  (±0.02) 
0.08 
(±0.01) 
9.1 
(±0.6) 
3.8 
(±0.2) 
1.5 
(±0.1) 
GMB  
<0.22 µm 
0.25  (±0.01) 
0.07 
(±0.01) 
8.9 
(±0.6) 
1.8 
(±0.2) 
1.1 
(±0.1) 
GM 
0.20  (<<±0.01)  0.003  (<<±0.001)  5.5 
(±0.2) 
0.04  (<<±0.01)  0.30  (±0.03) 
UPW 
0.10  (±0.01) 
0.001  (<<±0.001)  2.8 
(±0.3) 
0.20  (<<±0.01)  0.3 
(±0.1) 
Granulated 
slag 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GMB  
0.41  (±0.03) 
0.38 
(±0.02) 
1.20  (±0.10)  1.6 
(±0.10) 
0.3 
(±0.02) 
GMB  
<0.22 µm 
0.33  (±0.02) 
0.33 
(±0.01) 
1.10  (±0.10)  0.4 
(±0.10) 
0.2 
(±0.01) 
GM 
0.20  (±0.01) 
0.02 
(<<±0.01) 
0.40  (±0.04)  0.1 
(<<±0.01)  0.1 
(<<±0.01) 
UPW 
0.09  (±0.01) 
0.002  (<<±0.001)  0.40  (±0.04)  0.1 
(±0.03) 
0.1 
(±0.02) 
GMB:  growth  medium  with  bacteria  digested,  GMB  <0.22  µm:  growth  medium  with  bacteria  filtered,  
GM: growth medium, UPW: ultrapure water) 
 

---

CHAPTER 6: BACTERIALLY MEDIATED WEATHERING OF CRYSTALLINE AND AMORPHOUS Cu-SLAGS
 
187 
 
Bornite  is  a  Cu-bearing  sulfide  mineral  known  to  undergo  dissolution  under  oxidative 
conditions  (Bartlet,  1992).  This  phase  present  in  CS  was  found  to  weather  under  abiotic 
conditions,  and  to  a  greater  extend  under  biotic  conditions  (Figures  6.6  A1-C2).  That 
observation  is  in  accordance  with  the  solution  chemistry  that  showed  some  amounts  of  Cu 
leached  out  into  UPW  and  even  greater  amounts  release  in  GM  (Figure  6.4).  The  enhanced 
biotic  effect  on  CS  weathering  is  reflected  in  both  the  solution  chemistry  and  the  physical 
weathering features (Figure 6.6). 
The evolution of Si and Fe concentrations in the solutions (Figure 6.3) are indicators of glass 
and  fayalite  dissolution.  The  solution  chemistry  coupled  with  SEM  results  explains 
experimental  weathering  events.  Si  release  observed  in  UPW  and  higher  amounts  in  GM 
correlate  with  glass  alteration  that  occurred  to  a  greater  degree  on  GM  grains  than  those 
immersed  in  UPW.  A  less  significant  release  of  Fe  than  Si  reflects  the  glass  composition, 
which contains Fe in a lower quantity (Chapter  4: Potysz et al., 2016). Both Si and Fe were 
found  in  higher  concentrations  in  biotic  experiments,  however  Fe  was  leached  more  readily 
than  Si.  Under  biotic  conditions, Pseudomonas  aeruginosa secreted  various  soluble  organic 
metabolites including siderophore-like, humic-like substances and aromatic amino-like acids 
(Figure 6.5 and Table 6.3). According to the literature, the siderophores  are strong chelators 
for  iron  and  other  dissolved  cations  (Kalinowski  et  al.,  2000;  Matlakowska  et  al.,  2012; 
Ahmed  and  Holmström,  2014).  Therefore,  enhanced  Fe  solubility  was  probably  due  to  the 
formation  of  aqueous  organic  complexes  with  dissolved  Fe  and  thermodynamic 
disequilibrium and/or adsorption of organic compounds onto mineral surfaces and weakening 
of chemical bounds of dissolving mineral
 structures. 
Additionally, a study concerning Fe-rich 
phyllosilicates  dissolution  by  two  heterotrophic  soil  bacteria  (Pseudomonas  sp.  and 
Bulkolderia  sp.)  indicated  that  abiotic  dissolution  of  minerals  proceeds  preferentially  on  the 
broken  bounds  or  on  the  charge-deficient  sites  located  on  the  mineral  surface,  whereas 
organic ligand promoted dissolution proceeds without any preferential surface sites (Grybos et 
al.,  2011).  A  higher  Fe  release  under  biotic  conditions  might  be  also  related  to  partial 
decomposition  of  fayalite  which  is  an  Fe-rich  phase  containing  Si  in  lower  quantity  
(Chapter  4:  Potysz  et  al.,  2016).  Moreover,  increased  release  of  Zn  and  Pb  in  biotic 
experiment  with  CS  also  confirms  this  interpretation  as  fayalite  carries  important  Zn 
substitutions  and  less  important  Pb  impurities  (Chapter  4:  Potysz  et  al.,  2016).  However, 
supply of those elements in biotic solution is certainly partially influenced by glass dissolution 
as proven by SEM analysis.  
Fayalite,  glass  and  bornite  are  Fe-bearing  phases  that  could  make  them  prone  to  bacterial 
attack for a double reason: firstly they could be recognized as potential metabolic source of Fe 
(Rogers  &  Bennett,  2004;  Ahmed  &  Holmsorm,  2015).  For  example,  Rogers  &  Bennet 
(2004)  demonstrated  that  silicate  glass  which  contained  micronutrients  (e.g.  Fe)  was 
weathered,  whereas  glass  lacking  desired  elements  remained  unweathered.  Likewise,  the 
study  of  Ahmed  &  Holmström  (2015)  revealed  a  selectivity  of  bacteria  with  respect  to 

---

CHAPTER 6: BACTERIALLY MEDIATED WEATHERING OF CRYSTALLINE AND AMORPHOUS Cu-SLAGS
 
188 
 
element  dissolution  from  minerals.  Elements  which  are  essential  for  growth  of 
microorganisms  (e.g.  Fe)  or  those  non-toxic  are  mobilized  in  higher  amounts  compared  to 
toxic ones (Ahmed & Holmström, 2015).  
The  trends  observed  in  the  solution  chemistry  (Figures  6.3  and  6.4)  combined  with  SEM 
analysis  (Figure  6.7)  also  provide  an  explanation  of  the  GS  weathering  pattern.  More 
important  Si  release  into  biotic  solutions  compared  to  abiotic  ones  is  congruent  with  SEM 
observations  that  demonstrated  a  greater  degree  of  weathering  on  grains  exposed  to  biotic 
conditions. A similar relationship applies to Cu content in solution that refers to Cu-droplets 
removal and its subsequent dissolution from glass. Furthermore, a higher release of Si and Fe 
from GS compared to CS implies a greater susceptibility of GS glass to dissolution that may 
be assigned to its composition. Glass of CS contains a higher Si content than GS (Chapter 4: 
Potysz et al., 2016), thereby a denser Si network, which may render this glass more resistant 
to  dissolution  (Kuo  et  al.,  2008).  That  would  also  explain  pH  variations  in  biotic  solutions 
(Figure  6.2).  Higher  pH  values  in  the  solution  supplemented  with  GS  results  from  glass 
hydrolysis  (Eq.  n°1  and  2)  and  proton  replacement  of  cations  (e.g.  Mg,  Fe,  Ca,  Na,  K) 
entrapped in  Si  network  (Yin  et  al.,  2014). A  gradual  drop of the solution pH with  CS may 
occur due to dissolution of sulfides (Eq. n°3) liberating protons and consequently decreasing 
the pH (Ettler et al., 2003):  
 
– Si – O – M 
(glass)
 + H
+ 
↔ – Si – OH 
(glass) 
+ M
+
(aq) 
 
Eq. n°1
 
Si – O – Si + H
2
O ↔ – Si – OH + – Si – OH  
 
Eq. n°2 
MeS
2
 + 7/2 O
2
 + H
2
O → Me
2+ 
+ 2 SO
4
2-
(aq)
 + 2 H
+  
 
Eq. n°3