Metal potential in copper smelting slags from Polkowice tailings dump – preliminary studies

• Autorzy: Zglinicki Karol , Szamałek Krzysztof , Czarnecka-Skwarek Anna , Żyłka Katarzyna

Identyfikatory

DOI

10.24425/gsm.2021.137569

Warianty tytułu

PL

Potencjał metali w żużlach pomiedziowych ze składowiska odpadów pohutniczych w Polkowicach – badania wstępne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In Poland, the mineral sector generates 110–130 million tons of wastes annually (in the last 20 years), and metal ore mining alone was responsible for 31.2 million tons of wastes in 2017. The slags deposited at the Polkowice were investigated. This waste may be a potential source of many valuable metals (Zn, Pb, Cu, Sb, Sn, Se). The tailings dump in Polkowice contains approximately 80,000 tons of slag. The material contains primary phases formed by pyrometallurgical processes and secondary phases, which are the result of transformation of primary components. The primary phases are represented by sulfides: sphalerite [ZnS]; wurtzite [(Zn,Fe)S]; pyrite [FeS₂]; sulfates: beaverite-(Zn) [Pb(Fe³⁺₂Zn)(SO₄)₂(OH)₆]; palmierite [(K,Na)₂Pb(SO₄)₂]; oxides and hydroxides: goethite [Fe³⁺O(OH)]; wüestite [FeO]; hematite [Fe₂O₃]; magnetite [Fe²+Fe³⁺₂O₄]; chromian spinel [Fe²+Cr³⁺₂O₄]; silicates: petedunnite [Ca(Zn,Mn²⁺,Mg,Fe²⁺)Si₂O₆]; quartz [SiO₂]; and microcline [KAlSi₃O₈]. Additionally, SEM -BSE observations revealed that oxidized native metals (Cu, Pb,As) and metal alloys and semi-metals appear. The slag consists mainly of SiO₂ (13.70–20.60 wt%), Fe₂O₃ (24.90–39.62 wt%) and subordinately of CaO (2.71–6.94 wt%) and MgO (1.34–4.68 wt%). High contents are formed by Zn (9.42–17.38 wt%), Pb (5.13–13.74 wt%) and Cu (1.29–2.88 wt%). The slag contains trace elements Mo (487.4–980.1 ppm), Ni (245.3–530.7 ppm), Sn (2380.0–4441.5 ppm), Sb (2462.8–4446.0 ppm), Se (168.0–293.0 ppm). High concentrations are formed by toxic elements, such as e.g. As (13 100–22 600 ppm) and Cd (190.5–893.1 ppm). It is estimated that the tailings dump has accumulated about 80,000 t of slag, which may contain about 10,000 t of Zn, about 6,700 t of Pb, and 1,500 t of Cu.

PL

Sektor mineralny wytwarza w Polsce około 110–130 mln odpadów rocznie (w ostatnich 20 latach), a górnictwo metali odpowiedzialne jest za wyprodukowanie 31,2 mln t odpadów w 2017 r. Odpady hutnicze powstałe w KGHM zawierają istotne ilości metali (Zn, Pb, Cu, Cr). Przedmiotem badań były hutnicze odpady pomiedziowe z hałdy w Polkowicach. Odpady te mogą być potencjalnym źródłem kilku metali (Zn, Pb, Cu, Sb, Sn, Se). Hałda w Polkowicach zawiera około 80 000 ton żużli pohutniczych. Badany materiał mieści fazy pierwotne powstałe w pirometalurgicznym procesie i fazy wtórne, które są rezultatem przemian faz pierwotnych. Fazy pierwotne reprezentowane są przez siarczki: sfaleryt [ZnS]; wurcyt [(Zn,Fe)S]; piryt [FeS₂]; siarczany: beaveryt-(Zn)[Pb(Fe³⁺₂Zn) (SO₄)₂(OH)₆]; palmieryt [(K,Na)₂Pb(SO₄)₂]; tlenki i wodorotlenki: goethyt [Fe³⁺O(OH)]; wüstyt [FeO]; hematyt [Fe₂O₃]; magnetyt [Fe²⁺Fe³⁺₂O₄]; spinel chromowy [Fe²⁺Cr³⁺₂O₄]; krzemiany: petedunnit [Ca(Zn,Mn²⁺,Mg,Fe²⁺)Si₂O6]; kwarc [SiO₂]; i mikroklin [KAlSi₃O₈]. Ponadto obserwacje SEM -BSE ujawniły obecność utlenionych metali rodzimych (Cu, Pb, As), stopów metali i półmetali. Żużle zawierają głównie SiO₂ (13,70–20,60% w ag.), Fe₂O₃ (24,90–39,62% wag.) i pobocznie CaO (2,71–6,94% wag.), MgO (1,34–4,68% wag.). Wysoka jest zawartość Zn (9,42–17,38% wag.), Pb (5,13–13,74% wag.) i Cu (1,29–2,88% wag.). Ponadto żużel zawiera pierwiastki śladowe Mo (487,4–980,1 ppm), Ni (245,3–530,7 ppm), Sn (2380,0–4441,5 ppm), Sb (2462,8–4446,0 ppm), Se (168,0–293,0 ppm). Zawartość pierwiastków toksycznych jest wysoka: As (13 100–22 600 ppm), Cd (190,5–893,1 ppm). Oszacowano, że hałda żużla o masie 80 000 t może zawierać około 10 000 t cynku, około 6700 t ołowiu i około 1500 t miedzi.

Słowa kluczowe

EN

copper melting slag; circular economy; secondary mineral resources

PL

żużel hutniczy pomiedziowy; gospodarka o obiegu zamkniętym; stara hałda; wtórne źródła mineralne

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2021
• Tom: T. 37, z. 2
• Strony: 27--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 55 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zglinicki Karol

• Polish Geological Institute – Polish Research Institute, Warszawa, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8463-3929

autor

Szamałek Krzysztof

• University of Warsaw, Warszawa, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7487-5243

autor

Czarnecka-Skwarek Anna

• University of Warsaw, Warszawa, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3393-5059

autor

Żyłka Katarzyna

• University of Warsaw; Polish Geological Institute – Polish Research Institute, Warszawa, Poland

Bibliografia

• [1] Balance... 2020 – Balance of Mineral Resources in Poland 2020. Eds. M. Szuflicki, A. Malon, M. Tymiński (Bilans zasobów złóż kopalin w Polsce według stanu na 31 XII 2019 r.). Warszawa: PIG-PIB (in Polish).
• [2] Butra et al. 2005 – Butra, J., Dąbski, J., Kijewski, P. and Markowski, J. 1997. Chronicle of Polish Copper (Kronika Polskiej Miedzi). Wrocław: Wyd. „Cuprum” (in Polish).
• [3] Cuesta-Lopez et al. 2016 – Cuesta-Lopez, S., Barros, R., Ulla-Maija, M., Willersinn, S. and Xiao Sheng, Y. 2016. Mapping the secondary resources in the EU (mine tailings, industrial waste). MSP-REF RAM, Horizon 2020 Programme, EC, pp. 35.
• [4] Domańska, W. ed. 2020. Environmental protection 2020 (Ochrona środowiska 2020). Warszawa: GUS, 190 pp. (in Polish).
• [5] de Rojas et al. 2008 – de Rojas, M.I.S., Rivera, J., Frías, M. and Marín, F. 2008. Use of recycled copper slag for blended cements. Journal of Chemical Technology & Biotechnology: International Research in Process, Environmental & Clean Technology 83(3), pp. 209–217.
• [6] European Commission 2018 – Communication from the Commission to the European Parliament, the European Council, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions. A Clean Planet for all A European strategic long-term vision for a prosperous, modern, competitive and climate neutral economy. COM/2018/773 final, 2018.
• [7] European Commission 2019 – Communication from the Commission to the European Parliament, the European Council, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions. The European Green Deal. COM/2019/640 final, 2019.
• [8] European Commission 2020 – Communication from the Commission to the European Parliament, the European Council, the Council, the European Economic and Social Committee and the Committee of the Regions. A new Circular Economy Action Plan For a cleaner and more competitive Europe. COM/2020/98 final, 2020.
• [9] Galos, K. 2019. Industrial waste as a source of raw materials in the context of Poland’s raw material needs (Odpady przemysłowe jako źródło surowców w kontekście potrzeb surowcowych Polski). Konferencja „Gospodarka o obiegu zamkniętym – racjonalne gospodarowanie zasobami. Racławice 2–3 lipca 2019 r. Kraków: MEERI PAS, pp. 11–12 (in Polish).
• [10] Global Resources Outlook 2019 – Natural Resources for the Future We Want – Oberle, B., Bringezu, S., Hatfield-Dodds, S., Hellweg, S., Schandl, H., Clement, J., and Cabernard, L., Che, N., Chen, D., Droz-Georget, H., Ekins, P., Fischer-Kowalski, M., Flörke, M., Frank, S., Froemelt , A., Geschke, A., Haupt , M., Havlik, P., Hüfner, R., Lenzen, M., Lieber, M., Liu, B., Lu, Y., Lutter, S., Mehr , J., Miatto, A., Newth, D., Oberschelp, C., Obersteiner, M., Pfister, S., Piccoli, E., Schaldach, R., Schüngel, J., Sonderegger, T., Sudheshwar, A., Tanikawa, H., van der Voet, E., Walker, C., West, J., Wang, Z. and Zhu, B. A Report of the International Resource Panel. United Nations Environment Programme. Nairobi, Kenya.
• [11] Goodenough et al. 2018 – Goodenough, K.M., Wall, F. and Merriman, D. 2018. The Rare Earth Elements: Demand, Global Resources, and Challenges for Resourcing Future Generations. Natural Resources Research 27, pp. 201–216. DOI: 10.1007/s11053-017-9336-5.
• [12] Gorai, B. and Jana, R.K. 2003. Characteristics and utilisation of copper slag – a review. Resources, Conservation and Recycling 39(4), pp. 299–313.
• [13] Grilli et al. 2017 – Grilli, M.L. Bellezze, T., Gamsjäger, E., Rinaldi, A., Novak, P., Balos, S., Piticescu, R.R. and Ruello, M.L. 2017.Solutions for critical raw materials under extreme conditions: A review. Materials 10, 285.
• [14] Jajszczok, W. 2020. The end of the mine is not the end of the world (Koniec kopalni to nie koniec świata). Przegląd Górniczy 76(9), pp. 51–55. (in Polish).
• [15] Jones, H. and Boger, D.V. 2012. Sustainability and Waste Management in the Resource Industries. Industrial & Engineering Chemistry Research 51(30), DOI: 10057-10065.10.1021/ie202963z.
• [16] Karczewska, A. and Kabała, C. 2010. The soils polluted with heavy metals and arsenic in Lower Silesia – the need and methods of reclamation (Gleby zanieczyszczone metalami ciężkimi i arsenem na Dolnym Śląsku – potrzeby i metody rekultywacji). Zeszyty Naukowe UP Wrocławskiego, Rolnictwo 96(576), pp. 59–80 (in Polish).
• [17] Kądziołka et al. 2019 – Kądziołka, K., Kierczak, J. and Pietranik, A. 2019. Mineralogical characteristics of metallic phases in copper slags from the Old Copper Basin, Poland (Charakterystyka mineralogiczna faz metalicznych z miedziowych żużli hutniczych Starego Zagłębia Miedziowego). Przegląd Geologiczny 67(3), pp. 164–166 (in Polish).
• [18] Kinnunen et al. 2021 – Kinnunen, P., Obenaus-Emler, R., Raatikainen, J., Guignot S., Guimerà, J., Ciroth, A. and Heiskanen, K. 2021. Review of closed water loops with ore sorting and tailings valorisation for a more sustainable mining industry. Journal of Cleaner Production 278, 123237, DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.123237.
• [19] Knop, M. and Urbańczyk, J. 2006. Environmental protection at the Głogów Copper Smelter – achievements and prospects (Ochrona środowiska w Hucie Miedzi Głogów – osiągnięcia i perspektywy). Rudy i Metale Nieżelazne 51(7), pp. 397–404 (in Polish).
• [20] Kotarska, I. 2012. Mining waste from copper industry in Poland – balance, management and environmental aspects (Odpady wydobywcze z górnictwa miedzi w Polsce – bilans, stan zagospodarowania i aspekty środowiskowe). Cuprum 4(65), pp. 45–63 (in Polish).
• [21] Kotarska, I. and Mizera, B. 2019. Mining waste in the circular economy (Odpady wydobywcze w gospodarce obiegu zamkniętego). Przegląd Górniczy 75(2), pp. 67–71 (in Polish).
• [22] Krukowski, M. 2020. Circular Economy in Zakłady Górniczo-Hutnicze „Bolesław” S.A. (Gospodarka o obiegu zamkniętym w Zakładach Górniczo-Hutniczych „Bolesław” S.A.). Czasopismo Techniczne KTT. Kwartalnik Krakowskiego Towarzystwa Technicznego 185(140), pp. 13–17 (in Polish).
• [23] Kua, H.W. 2013. The Consequences of Substituting Sand with Used Copper Slag in Construction: An Embodied Energy and Global Warming Potential Analysis using Life Cycle Approach and Different Allocation Methods. Journal of Industrial Ecology 17(6), pp. 869–879.
• [24] Lottermoser, B. 2010. Mine Wastes. Characterization, Treatment and Environmental Impacts. Publisher Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Edition Number 3, 400 pp.
• [25] Machowski et al. 2014 – Machowski, M., Łopatka, A., Tondera, M., Gambal, P., Kordiumow, R. and Kozieł, E. 2014. Development of railway embankment in Glogow Copper Smelter by use of innovative copper slag aggregate (Nasyp kolejowy na terenie Huty Miedzi Głogów, wykonany z innowacyjnego kruszywa pochodzenia pomiedziowego). Przegląd Górniczy 70(6), pp. 42–48 (in Polish).
• [26] Mikulski, S.Z. and Retman, W. 2020. Zinc and lead ores (Rudy cynku i ołowiu). [In]: Balance of prospective mineral resources in Poland as of December 31, 2018 (Bilans perspektywicznych zasobów kopalin Polski według stanu na 31.12.2018 r. Szamałek, K., Szuflicki, M. and Mizerski, W. eds. Warszawa: PIG-PIB, pp. 152–161 (in Polish).
• [27] Mohaddes Khorassani et al. 2020 – Mohaddes Khorassani, S., Siligardi, C., Mugoni, C., Pini, M., Cappucci, G.M. and Ferrari, A.M. 2020. Life cycle assessment of a ceramic glaze containing copper slags and its application on ceramic tile. International Journal of Applied Ceramic Technology 17(1), pp. 42–54.
• [28] Moskalyk, R.R. and Alfantazi, A.M. 2003. Review of copper pyrometallurgical practice: today and tomorrow. Minerals Engineering 16(10), pp. 893–919.
• [29] Murari et al. 2015 – Murari, K., Siddique, R. and Jain, K.K. 2015. Use of waste copper slag, a sustainable material. Journal of Material Cycles and Waste Management 17(1), pp. 13–26.
• [30] Muszer, A. 1996. Petrographic and mineralogical characteristics of metallurgical slags from Huta Miedzi Głogów (Charakterystyka petrograficzno-mineralogiczna żużli metalurgicznych z Huty Miedzi Głogów). Fizykochemiczne Problemy Mineralurgii 30(1), pp. 193–205 (in Polish).
• [31] Nickel, E. 1995. The definition of a mineral. Canadian Mineralogist 33, pp. 689–690.
• [32] [Online] www.acmelabs.com [Accessed: 2021-03-18].
• [33] [Online] www.eurogeosurveys.org [Accessed: 2021-03-18].
• [34] [Online] www.zghboleslaw.pl/pl/aktualnosci/projekty-dofinansowane/69-dotacje-na-innowacje [Accessed: 2021-03-18].
• [35] [Online] www.metraco.pl/produkty-i-uslugi/kruszywa/ [Accessed: 2021-03-18].
• [36] [Online] www.copperalliance.pl [Accessed: 2021-03-18].
• [37] [Online] www.mordorintelligence.com/industry-reports/zinc-chemical-market [Accessed: 2021-03-18].
• [38] [Online] www.lme.com [Accessed: 2021-03-18].
• [39] [Online] www.geoportal.gov.pl/ [Accessed: 2021-03-18].
• [40] Piwowońska, J. and Pietrzyk, S. 2018. Methods for the Disposal of Arsenic from Aqueous Solutions with Particular Emphasis on Copper Metallurgy – a L iterature Review (Metody unieszkodliwiania arsenu z roztworów wodnych – ze szczególnym uwzględnieniem metalurgii miedzi – przegląd literaturowy). Inżynieria Mineralna 19(1), pp. 299–313 (in Polish).
• [41] PN-EN 932-1:1999 – Tests of basic properties of aggregates - Sampling methods (Badania podstawowych właściwości kruszyw – Metody pobierania próbek) (in Polish).
• [42] Pouchou, J.L. and Pichoir, F. 1985. ”PAP” φ(ρZ) procedure for improved quantitative microanalysis. [In]: Microbeam Analysis. Armstrong, I.T. ed. San Francisco Press, pp. 104–106.
• [43] Regulation of the Minister of Climate of 2 January 2020 on the catalogue of waste (Rozporządzenie Ministra Klimatu 2020. Rozporządzenie Ministra Klimatu z dnia 2 stycznia 2020 r. w sprawie katalogu odpadów) (Dz.U. 2020 poz. 10.) (in Polish).
• [44] Rietveld, H. 1968. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. Journal of Applied Crystallography 2, pp. 65–71.
• [45] Roadmap for the Transformation towards a Closed-Loop Economy – GOZ (2019) (Mapa drogowa. Transformacja w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym – GOZ (2019)). Przyjęta uchwałą Rady Ministrów z dnia 10 września 2019 r. (in Polish).
• [46] SOR 2017 – Strategy for responsible development until 2020 (with a perspective until 2030). Resolution No. 8 of the Council of Ministers of February 14, 2017 on the adoption of the Strategy for Responsible Development until 2020 (with a perspective until 2030) (Strategia na rzecz odpowiedzialnego rozwoju do roku 2020 (z perspektywą do 2030 r.). Uchwała nr 8 Rady Ministrów z dnia 14 lutego 2017 r. w sprawie przyjęcia Strategii na rzecz Odpowiedzialnego Rozwoju do roku 2020 (z perspektywą do 2030 r.)) (in Polish).
• [47] Spalińska et al. 1996 – Spalińska, B., Stec, R. and Sztaba, K. 1996. The place and role of ore processing in the technological complex of KGHM Polska Miedź S.A. (Miejsce i rola przeróbki rudy w kompleksie technologicznym KGHM Polska Miedź S.A.). Lubin: „Cuprum” Sp. z o.o., pp. 637–648 (in Polish).
• [48] Sroga et al. 2018 – Sroga, C., Mikulski, S.Z., Bobiński, W. and Adamski, M. 2018. Old heaps in the Sudetes Mts. – a new geodatabase of the Polish Geological Institute (Stare hałdy w Sudetach – nowa geobaza Państwowego Instytutu Geologicznego). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 160, pp. 147–162. (in Polish).
• [49] Staszak et al. 2006 – Staszak, J., Garbacki, J. and Paradowski, J. 2006. Taking a chance – development plans of the Głogów Copper Smelter (Wykorzystać szansę – projekcja planów rozwojowych Huty Miedzi). Rudy i Metale Nieżelazne 51(7), pp. 388–392 (in Polish).
• [50] Śmieszek et al. 2002 – Śmieszek, Z., Wieniewski, A., Cichy, K., Kubacz, N., Łuszczkiewicz, A., Chmielewski, T., Speczik, S., Siewierski, S., Bas, W., Cieszkowski, H., Ziomek, M., Kowalska, M. and Konieczny, A. 2002. Development of a concept of ore enrichment technology with the use of chemical-flotation methods for the area of ZWR „Polkowice” IMN Report No. 5949/II/02 (Opracowanie koncepcji technologii wzbogacania rud z wykorzystaniem metod chemiczno-flotacyjnych dla rejonu ZWR „Polkowice” Sprawozdanie IMN Nr 5949/II/02). Gliwice: Instytut Metali Nieżelaznych (in Polish).
• [51] Śmieszek et al. 2017 – Śmieszek, Z., Czernecki, J., Sak, T. and Madej, P. 2017. Metallurgy of non-ferrous metals in Poland. Journal of Chemical Technology & Metallurgy 52(2), pp. 221–234.
• [52] Uberman, R. 2021. Mineral waste in the light of the provisions of the Act on waste, the Act on extracive waste, and the Geological and mining law. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 37(1), pp. 117–140. DOI: 10.24425/gsm.2021.136291.
• [53] Zglinicki et al. 2021 – Zglinicki, K., Uścinowicz, S., Łęczyński, L., Szamałek, K., Jegliński, W., Pączek, U., Bylina, P. and Banaś, M. 2021. Fe-Mn concretions from the Polish sector of the Baltic Sea – the state of knowledge and the need for research (Konkrecje Fe-Mn z polskiego sektora Morza Bałtyckiego – stan wiedzy i potrzeba badań). Przegląd Geologiczny 69(3), pp. 161–168 (in Polish).
• [54] Żylińska-Dusza et al. 1996 – Żylińska-Dusza, D., Jaworski, A., Lewiński, J. and Mizera, A. 1996. Ore processing and the natural environment (Przeróbka rud a środowisko przyrodnicze). Lubin: „Cuprum” Sp. z o.o., pp. 753–774 (in Polish).
• [55] Żyłka, K. 2021. The potential of metals in the metallurgical waste dump of KGHM in Polkowice and their economic importance (Potencjał metali w hałdzie odpadów pohutniczych KGHM w Polkowicach i ich znaczenie ekonomiczne). Master thesis. Warszawa: UW. [Online] https://apd.uw.edu.pl/ [Accessed: 2021-03-18] (in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).