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1 LGE - Laboratoire Géomatériaux et Environnement

Abstract : Problem statement: Copper pyrometallurgical slags are inevitable waste by-products of Cu smelting operations. These waste are considered to be important due to their production volume and high residual metal content that are inefficiently recovered during industrial process. Due to the lack of sustainable practices in the past, tremendous volumes of Cu-slags have been disposed in many industrial districts, regardless of the weathering and associated environmental risk. Consequently, there are many areas where slags have been proven to be a source of metallic pollution for the surrounding environment. At the present time, the outstanding contradiction between the sustainable development and environmental pollution encourages to undertake the action regarding this aspect. For this reason, slags are currently being used as supplementary materials for civil engineering purposes e.g. cement and concrete additives, road bed filling materials, hydraulic construction materials rather than disposed. Additionally, modern-day management strategies require slags to be thoroughly evaluated with respect to their environmental stability prior undertaking any reuse action. Main objectives were to evaluate environmental stability of Cu-metallurgical slags resulting from different periods of industrial activities and different smelting technologies. Those included: historical crystalline slag HS as well as modern: shaft furnace slag SFS, granulated slag GS and lead slag LS. Different approaches undertaken in this PhD work considered: i chemical and mineral phase compositions of slags, ii leaching susceptibility of slags under exposure to different pH-stat conditions, iii slags weathering under exposure to organic acids commonly found in soil environment, iv bacterially Pseudomonas aeruginosa mediated weathering of slags and v future application of studied slags for metal recovery by implementing the bioleaching method. Crucial results: The results of the pH-dependent leaching tests showed a higher metal release in strong acidic conditions pH 2 and 4, whereas leachability at alkaline conditions pH 10.5 revealed a lower importance for all the slags analyzed. The study considering soil weathering scenario demonstrated that Cu-slags are susceptible to dissolution in the presence of artificial root exudates ARE, humic HA and fulvic acids FA, whereby ARE were found to have stronger contribution than HA and FA. According to data collected, the different behavior of individual slags is strictly related to their characteristics chemical and phase composition reflecting various susceptibilities to dissolution under the investigated conditions. The study considering bio-weathering scenario revealed that Pseudomonas aeruginosa considerably enhances the release of major Si and Fe and metallic Cu, Zn, Pb elements compared to the effects of abiotic factors, regardless of the slags chemistry and structure. Furthermore, a high gain up to 90% of metals Cu, Zn, Fe could be credited to bioleaching with Acidithiobacillus thiooxidans under laboratory conditions. General conclusions: The environmental stability of slags depends on both, their bulk chemistry and mineralogy. However, mineral phases harbouring the metals are the key players in metal leachability intensity. For, this reason consideration of individual slags behaviour is important for preventing environmental contamination and should be regarded as priority branch of sustainable slag management. Optimization of operating parameters for bioleaching following development of industrial scale technology is an incentive scheme for future management of Cu-metallurgical slags

Résumé : Les principaux objectifs étaient d-évaluer la stabilité de l-environnement des scories métallurgiques de Cu résultant de différentes périodes d-activités industrielles et de différentes technologies de fusion. Parmi les scories étudiées, on retrouve: les scories historiques cristallines SH ainsi que modernes: les scories de four vertical SFS, les scories granulées GS et les scories de plomb LS. Les différentes approches adoptées dans ce travail de thèse ont tenu compte de: i la composition chimique et la phase minérale des scories, ii la sensibilité à la lixiviation des scories sous l’exposition à différentes conditions de pH en mode statique, iii l’altération des scories sous exposition aux acides organiques couramment trouvés dans l-environnement du sol, iv la bio-altération des scories par les bactéries Pseudomonas aeruginosa et v l’application future de la récupération des métaux provenant des scories étudiées en mettant en œuvre la méthode de lixiviation biologique. Résultats cruciaux: Les résultats des tests de lixiviation dépendant du pH ont montré une libération de métal plus élevée dans des conditions fortement acides pH 2 et 4, alors que la lixiviation dans des conditions alcalines pH 10.5 était moins importante pour toutes les scories analysées. L-effet de l’altération par le sol a été démontré, la dissolution des scories est notamment sensible à la présence d-exsudats racinaires artificiels ARE, d’acides humiques HA et d’acides fulviques FA, la contribution des ARE étant la plus forte. Selon les données recueillies, la dissolution relative des scories est strictement liée à leurs caractéristiques composition chimique et minéralogique en fonction des différentes conditions étudiées. L-étude concernant l’effet de l’altération biologique a révélé que Pseudomonas aeruginosa améliore considérablement la libération des éléments majeurs Si et Fe et métalliques Cu, Zn, Pb par rapport aux effets des facteurs abiotiques, indépendamment de la chimie et de la structure des scories. En outre, une récupération élevée jusqu-à 90% des métaux Cu, Zn, Fe pourrait être obtenue grâce à la lixiviation avec Acidithiobacillus thiooxidans dans des conditions de laboratoire. Conclusions générales : La stabilité des scories dans l-environnement dépend à la fois des caractéristiques chimiques et de la minéralogie. Cependant, les phases minérales hébergeant les métaux sont les facteurs les plus déterminants concernant l-intensité de la lixiviation des métaux. Pour cette raison, l-examen individuel du comportement des scories est important pour empêcher la contamination de l-environnement et devrait être considéré comme une priorité pour la gestion durable des scories. L’optimisation des paramètres de fonctionnement pour le biolessivage et le développement de la technologie à l-échelle industrielle pourrait permettre une bien meilleure gestion voir l’exploitation des scories métallurgiques de Cu

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Keywords : Metallurgical wastes slags Microbe-Metal interactions Microbial weathering Mineral dissolution Phase alteration Biorecovery of metals

Mots-clés : Biolixiviation Déchets métalliques Minéralogie





Autor: Anna Potysz -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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