Changes in the concentration of some rare earth elements in coal waste

• Autorzy: Nowak J. , Kokowska-Pawłowska M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2017-0037

Warianty tytułu

PL

Zmiany koncentracji wybranych pierwiastków ziem rzadkich (REEs) w odpadach węglowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Coal waste is formed during coal mining and processing operations. That waste comprises mainly sedimentary rocks that occur in roofs and floors of underground workings and in partings in coal seams. It contains numerous trace elements, including rare earth elements (REEs). Hypergenic processes that take place in coal waste piles may lead to endogenous fires. Thermal transformations of waste have an effect on changes in its phase and chemical composition, including the concentration of trace elements. The paper presents changes in the content of selected rare earth elements (Sc, Y, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu) in wastes of varying degree of thermal transformation. The results of REE content determination in lump samples were subjected to statistical analysis and coefficients of correlation between the studied rare earth elements and the main chemical constituents were determined. The primary carriers of REEs in coal waste are clay minerals. Phase transformations that take place at high temperatures (including dehydroxylation of clay minerals and formation of minerals characteristic of contact metamorphism) cause changes in the concentration of rare earth elements.

PL

Odpady powęglowe powstają w wyniku eksploatacji oraz przeróbki węgla kamiennego. Są to głównie skały osadowe występujące w stropach i spągach oraz przerostach pokładów węgla. Odpady te zawierają liczne pierwiastki śladowe, w tym pierwiastki ziem rzadkich (REEs). Procesy hipergeniczne zachodzące na zwałowiskach odpadów powęglowych mogą prowadzić do powstawania pożarów endogenicznych. Przeobrażenia termiczne odpadów wpływają na zmiany ich składu fazowego i chemicznego, w tym koncentracji pierwiastków śladowych. W artykule przedstawiono zmiany zawartości wybranych pierwiastków ziem rzadkich (Sc, Y, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu ) w odpadach o różnym stopniu termicznego przeobrażenia. Wyniki oznaczeń zawartości REEs w próbkach kawałkowych poddano analizie statystycznej i wyznaczono współczynniki korelacji pomiędzy badanymi pierwiastkami ziem rzadkich a głównymi składnikami chemicznymi. Pierwotnym nośnikiem REEs w odpadach powęglowych są minerały ilaste. Przeobrażenia fazowe zachodzące pod wpływem wysokiej temperatury (w tym dehydroksylacja minerałów ilastych i tworzenia się minerałów charakterystycznych dla metamorfizmu kontaktowego) powodują zmiany koncentracji pierwiastków ziem rzadkich.

Słowa kluczowe

EN

rare earth elements (REE); post-mining waste; coal wastes; thermal transformations

PL

pierwiastki ziem rzadkich (REEs); odpady górnicze; odpady powęglowe; przeobrażenia termiczne

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 62, no. 3
• Strony: 495--507
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., fot., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Nowak J.

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining and Geology, Institute of Applied Geology, 2 Akademicka Str., 44-100 Gliwice, Poland

autor

Kokowska-Pawłowska M.

• Silesian University of Technology, Faculty of Mining and Geology, Institute of Applied Geology, 2 Akademicka Str., 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Adamczyk Z., Białecka B., Całus-Moszko J., Komorek J., Lewandowska M., 2015. Rare earth elements of orzeskie beds of south-west part Upper Silesian Coal Basin (Poland). Arch. Min. Sci. 60, 14, 157-172.
• [2] Alonso E., Sherman A.M., Wallington T.J., Everson M.P., Field F.R., Roth R., Kirchain R.E., 2012. Evaluating Rare Earth Element Availability: A Case with Revolutionary Demand from Clean Technologies. Environ. Sci. Technol. 46 (6), 3406-3414.
• [3] Brik D., White J.C., 1991. Rare earth elements in bituminous coals and underclays of the Sydney basin, Nova Scotia – elements sites, distribution, mineralogy. International Journal of Coal Geology 19, 219-251.
• [4] Buda A., Jarynowski A., 2010. Life-time of correlations and its applications. vol. 1, Wydawnictwo Niezależne: 5-21, December 2010, ISBN 978-83-915272-9-0.
• [5] Całus-Moszko J., Białecka B., 2013. Analiza możliwości pozyskania pierwiastków ziem rzadkich z węgli kamiennych i popiołów lotnych z elektrowni. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 29, 1, 67-80.
• [6] Castor B., Hedrick J.B., 2006. Rare Earth Elements. Industrial Minerals and Rocks. Society for Mining Metallurgy and Explorations 769-792.
• [7] Çimen O., Koç Ş., Sari A., 2013. Rare earth element (REEs) geochemistry and genesis of oil shales around Dağhacilar Village. Göynük-Bolu, Turkey, 419-440.
• [8] Cohen J,. 1988. Statistical power analysis for the behavioral sciences (2nd ed.).
• [9] Dai S., Ren D., Chou C.L., Finkelman R.B., Seredin V.V., Zhou Y., 2012. Geochemistry of trace elements in Chines coals: A review of abundances, genetic types, impacts on human health, and industrial utilization. International Journal of Coal Geology 94, 3-21.
• [10] Ekskenazy G.M., 1999. Aspects of the geochemistry of rare earth elements in coal: an experimental approach. International Journal of Coal Geology 38, 285-295.
• [11] Hanak B., Kokowska-Pawłowska M., Nowak J., 2011. Pierwiastki śladowe w łupkach węglowych z pokładu 405. Kwartalnik Górnictwo i Geologia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 6, 4, 27-38.
• [12] Hanak B., Nowak J., 2010. Charakterystyka węgli ze zmienionych termicznie odpadów powęglowych KWK „Nowy Wirek”. Przegląd Górniczy 1-2, 106-110.
• [13] Haque N., Hughes A., Lim S., Vernon C., 2014. Rare Earth Elements: Overview of Mining, Mineralogy, Uses. Sustainability and Environmental Impact. Resources 3, 614-635.
• [14] Jonczy I., Nowak J., Porszke A., Strzałkowska E., 2012. Składniki fazowe wybranych mineralnych surowców odpadowych w obrazach mikroskopowych / Phase components of selected mineral waste materials in microscope images. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
• [15] Kato Y., Fujinaga K., Nakamura K., Takaya Y., Kitamura K., Ohta J., Toda R., Nakashima T., Iwamori H., 2011. Deep-sea mud in the Pacific Ocean as a potential resource for rare – earth elements. Nature Geoscience 4 (8), 535-539.
• [16] Ketris M.P., Yudovich Y.E., 2009. Estimations of Clarkes for Carbonaceous biolithes: World averages for trace element contents in black shales and coals. International Journal of Coal Geology 78 (2), 135-148.
• [17] Kokowska-Pawłowska M., Hanak B., Nowak J., 2013. Rare Earth Elements (REEs) in the rocks accompanying selected coal seams of the Mudstone and Sandstone Series of the Upper Silesian Coal Basin. 65nd Meeting of the International Committee for Coal and Organic Petrology (ICCP), Uniwersytet Śląski, Sosnowiec, Abstrakt, 99-100.
• [18] Lipiarski I., Muszyński M., 2001. Wtórne iłowce crandallitonośne ze zmienionych utworów środkowego namuru w KWK „Marcel“ w GZW. Geologia, Wydawnictwa AGH 27, 2-4, 315-327.
• [19] Mayfield D.B., Lewis A.S., 2013. Environmental review of coal ash as a resource for Rare Earth and strategic elements. World of Coal Ash (WOCA) Conference – April 22-25, 2013 in Lexington, KY.
• [20] Mółka M., 1999. Czy zwałowiska górnicze muszą się palić? Ekoprofit nr 9.
• [21] Nowak J., 2009. Charakterystyka mineralogiczno-petrograficzna i geochemiczno-ekologiczna termicznie przeobrażonych odpadów na zwałowisku KWK „Nowy Wirek”. Rozprawa doktorska, Gliwice.
• [22] Nowak J., 2011. Wpływ stopnia przeobrażeń termicznych odpadów powęglowych na ługowanie substancji do środowiska. Kwartalnik Górnictwo i Geologia, Zeszyt 4, Tom 6, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 59-70.
• [23] Nowak J., Kokowska-Pawłowska M., 2013. Pierwiastki śladowe w syderytach ilastych z pokładów 405 i 408. Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Documenta Geonica, 1, Ostrava, 109-113.
• [24] Nowak J., 2013. Rare Earth Elements (REEs) in the overburnt mining waste material. 65nd Meeting of the International Committee for Coal and Organic Petrology (ICCP), Uniwersytet Śląski, Sosnowiec, Abstrakt, 96-98.
• [25] Nowak J., 2014. Wpływ stopnia termicznego przeobrażenia odpadów powęglowych na ich skład mineralny i petrograficzny. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 30, 1, 143-160.
• [26] Panigrahi D., Sinha D.S., Singh G.N., 2013. A study into occurrence of fire in opencast workings over developed coal pillars and evolving control parameters for its safe extraction. Arch. Min. Sci. 58, 4, 1145-1162.
• [27] Polański A., Smulikowski K., 1969. Geochemia. Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa.
• [28] Polański A., 1988. Geochemia i surowce mineralne. Wydawnictwa Geologiczne.
• [29] Trenczek S., 2008. Poziom potencjalnego samozagrzewania węgla w świetle badań. Arch. Min. Sci. 53, 2.
• [30] Ward C.R., Spears D.A., Booth C.A., Staton I., Gurba L.W., 1999. Mineral matter and trace elements in coals of the Gunnedah basin, new South Wales, Australia. International Journal of Coal Geology 40, 281-308.
• [31] Xu C., Zhang H., Huang Z.L., Liu C.Q., Qi L., Li W.B., Guan T., 2004. Genesis of the carbonatite-syenite complex and REE depo sit AT Maoniuping, Sichuan Province, China. Evidence from Pb isotope geochemistry. Geochemical Journal 31 (1), 67-76.
• [32] Yang M., Liu G.J., Sun R.Y., Chou C.L., Zheng L.G., 2012. Characterization of intrusive rocks and REE geochemistry of coals from the Zhuji Coal Mine, Huainan Coalfield, Anhui, China. International Journal of Coal Geology 94, 283-295.
• [33] Założenia… 1980. Założenia Techniczno Ekonomiczne gaszenia, rekultywacji i zagospodarowania zwałowiska Nr 4 KWK Nowy Wirek. Poltegor Centralny Ośrodek Badawczo-Projektowy Górnictwa Odkrywkowego.
• [34] Zheng L., Liu G., Chou Ch. L., Qi C., Zhang Y., 2007. Geochemistry of rare earth elements in Permian coals from the Huaibei Coalfield, China. Journal of Asian Earth Sciences 31, 167-176.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017)