محیط زیست و توسعه فرابخشی
مجله علمی

تثبیت و جامدسازی باطله‌های تولیدی در فرآیند استحصال سرب به روش لیچ نمکی

نوع مقاله : مقاله علمی - پژوهشی

نویسندگان

روانبخش شیردم 1
عاطفه نظامی 2

1 گروه مهندسی محیط زیست و پایش آلاینده‌ها، پژوهشکده محیط زیست و توسعه پایدار، تهران، ایران

2 گروه مهندسی محیط زیست، دانشکده محیط زیست، کرج، ایران

https://doi.org/10.22034/envj.2024.458444.1380
چکیده
مقدمه: باطله لیچ نمکی، حاصل پایلوت استحصال سرب از فیلتر کیک‌های روی می‌باشد. نظر به این‌که فلزات سنگین در این باطله بیش از حد مجاز مربوطه می‌باشند، ضروری است تا پیش از احداث کارخانه استحصال سرب، روش مناسب از منظر فنی، اقتصادی و محیط زیستی برای مدیریت این باطله‌ها تبیین گردد. هدف از تحقیق حاضر، کاهش حلالیت عناصر فلزی در باطله لیچ نمکی به روش تثبیت و جامدسازی آ‌ن‌ها (S/S) با افزودنی‌های سیمان، میکروسیلیس و ماسه بوده است.
مواد و روش‌ها: ضمن اندازه‌گیری خصوصیات فیزیکی BLT، خصوصیات شیمیایی آن‌ها شامل فلزات سنگین باICP-OES  و اکسیدها با XRF اندازه‌گیری شدند. برای کاهش حلالیت فلزات سنگین به‌ویژه سرب، روش S/S باطله مذکور، در نظر گرفته شد. در همین راستا، برای ایجاد استحکام لازم برای باطله، 16 اختلاط از ترکیب باطله با افزودنی‌های سیمان (0-10%)، میکروسیلیس (0-5/1%) و ماسه (0-10%) با نرم‌افزار DX7 طراحی شدند. نمونه‌های مکعبی با نسبت آب به مواد پودری 4/0 (4/0 w/p=) ساخته شد. به منظور ارزیابی مقاومت فشاری نمونه‌های مکعبی (5×5×5 سانتیمتر) در سنین 7 و 28 روز آزمایش شدند. نمونه 7 روزه و 28 روزه Ni16 که دارای بیشترین مقاومت فشاری بودند، تحت آزمایش TCLP قرار گرفتند. سپس، کلیه فلزات سنگین، در عصاره TCLP توسط ICP-OES اندازه‌گیری شدند. همچنین، به منظور شناسایی کمی و کیفی کانی‌های باطله اولیه (شاهد) و باطله S/S شده، آزمایش XRD انجام شد.
نتایج: غلظت سرب در عصاره TCLP نمونه شاهد (ppm 11/6)، بیش از حد مجاز آن بوده است. لذا، کاهش حلالیت عناصر این باطله به روش S/S پیش از دفع الزامی می‌باشد. مقاومت فشاری اختلاط‌های 7 و 28 روزه به ترتیب، 2 تا 2/5 و 2 تا 9 مگاپاسکال بوده که عملاً بیش از حداقل مقاومت فشاری لازم (35/0 مگاپاسکال) بودند. غلظت تمامی فلزات سنگین در عصاره دو نمونه S/S شده N15 و N16 کمتر از حد مجاز آن‌ها بودند. لذا، روش S/S استفاده شده مطلوب ارزیابی می‌شود. شناسایی کانی‌های باطله S/S نشده و نمونه S/S شده (Ni16) نشان می‌دهد که متأثر از تثبیت و جامدسازی، کانی‌های جدید شامل Gypsum, C-S-H, Ettringite & Calcium Silicon در نمونه ظهور یافته‌اند. این کانی‌ها که حاصل مصرف میکروسیلیس و سیمان، واکنش‌های تلفیقی و محصولات هیدراتاسیون سیمان با باطله مورد مطالعه بوده است، می‌توانند عوامل افزایش مقاومت فشاری نمونه‌ها باشند.
بحث: ضمن تصریح اثر منفی ماسه بر مقاومت اختلاط‌ها، درصد سیمان و میکروسلیس رابطه مستقیم با مقاومت فشاری نمونه‌ها داشتند. به گونه‌ای که، شیب تغییرات مقاومت فشاری به ازای سیمان، برای نمونه‌های 28 روزه به مراتب بیشتر از این شیب برای نمونه‌های 7 روزه بوده است. یکی از عوامل کاهش مقاومت فشاری کوتاه مدت اختلاط‌ها می‌تواند وجود فلزات سنگین در باطله باشد. در واقع این فلزات باعث اختلال در واکنش هیدراتاسیون و جلوگیری از تشکیل مؤثر ژل سیلیکات می‌شوند. کانی بازنایت باعث افزایش مقاومت فشاری و متعاقباً ارتقاء سیستم S/S باطله‌ها می‌شود. کاهش قابل توجه بازنایت از 73.5% در طیف XRD نمونه شاهد به 3/6% در نمونه تثبیت یافته نشان از مصرف بازنایت در واکنش‌های S/S می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

تثبیت/جامدسازی
سیمان
میکروسیلیس
مقاومت فشاری
باطله لیچی نمکی

موضوعات

  1. Abbadi, A. and Mucsi, G., 2024, A Review on complex utilization of mine tailings: Recovery of rare earth elements and residue valorization. Journal of Environmental Chemical Engineering 12 (2024) 113118.
  2. Abdolahi, P., Yooshbashizadeh, H., Moradkhani, D. and Behnian, D., 2015, A Study on Cementation Process of Lead from Brine Leaching Solution by Aluminum Powder. Open Access Library Journal, 2: e990. http://dx.doi.org/10.4236/oalib.1100990
  3. Asadi, T., Azizi, A., Lee, J.C. and Jahani, M., 2017. Leaching of zinc from a leadzinc flotation tailing sample using ferric sulphate and sulfuric acid media. Journal of Environmental Chemical Engineering 5(5) 4769-4775.
  4. Asavapisita, S., Naksrichum, S. and Harnwajanawong, N., 2004, “Strength, leachability and Microstructure Characteristics of Cement-based Solidified Plating Sludge”. Cement and Concrete Research, VOL.35, PP. 1042-1049.
  5. Bahram, B. and Javad, M., 2011. Chloride leaching of lead and silver from refractory zinc plant residue. Research Journal of Chemistry and Environment, Vol, 15: p. 2.
  6. Barth, E., Percin, P., Arozarena, M., Zieleinswski, J., Dosani, M., Maxey, H., Hokanson, S., Pryately, C., Whipple, T., Kravitz, R., Cullinane, M., Jones, L. and Malone, P., 1998. Stabilization and Solidification of Hazardous Wastes. Noyes Data Corporation, New Jersey, USA.
  7. Batchelor, B., 2006, “Overview of Waste Stabilization with Cement”. Waste Management, 26 (7), 689-698.
  8. Bellassoued, K., Hamza, A., Pelt, J.V. and Elfeki, A.,  2013, Seasonal variation of Sarpa salpa fish toxicity, as related to phytoplankton consumption, accumulation of heavy metals, lipids peroxidation level in fish tissues and toxicity upon mice. Environmental Monitoring and Assessment, Vol. 185, P. 11371150.
  9. Department of Environment (Iran) 2014. Threshold limits of soil pollution and pollutants entering it for different soil uses and its guide. Water and Soil Environmental Protection and Management Office.
  10. Dolatabad, Y.A. and Tarqi, M.N., 2017. Applying Solid Residues of Copper Slag in Kerman Sarcheshme of Iran as Sand Replacement for Self-Compacting Concrete, Environmental Energy and Economic Research 1(3): 333-346, DOI 10.22097/eeer.2018.105539.1015.
  11. Du Jianmin, Liu Zheng, Sun Jing, Li Guanhua, Wu Xiaosuo, Li Guo, Lv Yajun, Wang Kejin, 2022. Enhancing concrete sulfate resistance by adding NaCl. Construction and Building Materials 322, 126370.
  12. Esmaeili, J. and Aslani, H., 2019. Use of copper mine tailing in concrete: strength characteristics and durability performance. J Mater Cycles Waste Manag 21, 729–741.
  13. Falah, M., Obenaus-Emler, R. and Kinnunen, P. and Illikainen, M., 2020, "Effects of activator properties and curing conditions on alkali-activation of low-alumina mine tailings. Waste and Biomass Valorization, vol. 11, no. 9, pp. 5027-5039.
  14. Farahmand, F., Moradkhani, D. and Safarzadeh, M.S., 2009, Brine leaching of lead-bearing zinc plant residues: Process optimization using orthogonal array design methodology. Hydrometallurgy, 95(3-4): p. 316-324.
  15. Ferna’ndez, I., Chacon, E. and Irabien, A., 2001. Influence of Lead, Zinc, Iron and Chromium Oxides on the Setting Time and Strength Development of Portland Cement. Cement and Concete Research, Vol.31, pp.1213-1219
  16. Gou, M., Zhou, L. and Then, W.N.Y., 2019, Utilization of tailings in cement and concrete: A review. Sci Eng Compos Mater 2019; 26:449–464.
  17. Gayana, B.C. and Chandar, K.R., 2018, Sustainable use of mine waste and tailings with suitable admixture as aggregates in concrete pavemen review. Advances in Concrete Construction 6(3) 221-243.
  18. Hamidvand, F., Rahmani, M.R., Shirdam, R. and Naeimi Joveini, M., 2020. Study of lead, nickel and zinc heavy metals concentration in muscle, liver, gill, and kidney of Caspian kutum (Rutilus frisii kutum) in Guilan and Mazandaran provinces. Journal of Environmental Sciences Studies, 5 (3), 2741-2747.
  19. Hills, C.D. and Pollard, S.J.T., 1997, Influence of interferences effect on the mechanical, microstructural and fixation characteristics of cement solid ifiedhazardous waste forms. J. Hazard. Mater. 52, 171–191.
  20. ISIRI NUMBER 3206, 1991, Concrete – Determination of Compressive Strength of Test Specimens, Institute of Standards and Industrial Research of Iran.
  21. Kiventera, J., Perumal, P., Yliniemi, J., Illikainen, M., 2020, Mine tailings as a raw material in alkali activation: a review. Int. J. Miner. Metall. Mater. 27 (8),1009–1020.
  22. Lin, H., Yin, Z. and Li, S., 2024. Optimization of Cementitious Material with Thermal-Activated Lead–Zinc Tailings Based on Response Surface Methodology. Materials, 17, 2926. https://doi.org/10.3390/ma17122926
  23. Lee, C.Y., Lee, H. and Lee, K.M., 2003. Strength and microstructural characteristics of chemically activated fly ash-cement systems. Cement Concrete. Res. 33.
  24. Lin, R., Park, K. and Wang, G., 2020. Increasing the early strength Hwangtoh–cement systems using bassanite. Journal of Building Engineering, V30, July 2020.
  25. Malvandi, H. and Hassanzadeh, N., 2019, Potential ecological risk assessment of heavy metal contamination in surface sediment of the Siahrood River, Mazandaran province. Iranian Journal of Research in Environmental Health, Vol. 5 (3), P. 217-229.
  26. Malviya, R. and Chaudhary, R., 2006. Factors Affecting Hazardous Waste Solidification/Stabilization. Journal of Hazardous Materials, January, B137.  267–276.
  27. Mihino, V., Catalan, L.J., Martin, F. and Bollinger, J.C., 2004, Compositional Changes in Cement-Stabilized Wate During Leach Tests Comparison of SEM/EDX Data with Predictions from Geochemical Speciation Modeling. Hournal of Colloid and Interface Science, 2004, 280(2), 465-477.
  28. Mohammed, T.U., Rahman, M.N., Mahmood, A.H. and Hasan, M.T., 2016 Utilization of Steel Slag in Concrete as Coarse Aggregate. In proceeding 4th International Conference on Sustainability of Construction Materials and Technologies (SCMT4), At Las Vegas, USA, Volume: Paper No. S184.
  29. Neville Adam, M., 1999, Properties of Concrete, Famili H., 1999, Road, Housing & Urban Development Research Center.
  30. Neville Adam, M. and Brooks, J.J., 2001. Concrete technology, Ramezanianpour A. and Shahnazari M., 2001, Sanat Gostar Publications.
  31. Padmapriya, R., Bupesh, V.K., Raja, V., Kumar, G. and Baalamurugan, J., 2015, Study on replacement of coarse aggregate by steel slag and fine aggregate by manufacturing sand in concrete. International Journal of ChemTech Research.
  32. Prahallada, M.C. and Shanthappa, B.C., 2014. International Journal of Advanced Research in Engineering and Applied Sciences. Vol. 3 | No. 3.
  33. Pujar, S.M. and Prakash, K.B., 2014. Effect of replacement of cement by red mud on the properties of concrete. International Journal of Scientific and Engineering Research, Vol. 5, Issue 9, pp.805-814.
  34. Qaidi Shaker, M.A., Tayeh, B.A., Zeyad, A.M., Azevedo, A.R.J., Ahmed, H.U. and Wael, E., 2022, Recycling of mine tailings for the geopolymers production: A systematic review. Case Studies in Construction Materials 16, e00933.
  35. Rafeipoor, A., et al., 2019. Concentration measurement of heavy metals mercury, lead and cadmium in fish muscle Tuna, Tap and tilapia in the city of Jiroft. Iranian Journal of Research in Environmental Health, Vol. 5 (1), P. 21-30. (In Farsi)
  36. Raj, S., Rai, A. and Havanagi, V., 2017. "Suitability of stabilized copper slag and fly ash mix for road construction". World Journal of Engineering, Vol. 15 No. 3, pp. 336-344.
  37. Ruşen, A., Sunkar, A.S. and Topkaya, Y.A. 2008. Zinc and lead extraction from Çinkur leach residues by using hydrometallurgical method. Hydrometallurgy, 93(1-2): p. 45-50.
  38. Santos, C.G.D., Carvalho, C.D.F., Silva, G.A.D. and Santos, C.G.D., 2015. Manganese ore tailing: Optimization of acid leaching conditions and recovery of soluble manganese. Journal of Environmental Management, 147, 314-320.
  39. Shirdam, R., Modarres-Tehrani, Z. and Dastgoshadeh, F., 2008, Microwave assisted digestion of soil, sludge and sediment for determination of heavy metals with ICP-OES and FAAS. Rasayan J. Chem., Volume 1, Pages 757-765.
  40. Shirdam, R., Amini, M. and Bakhshi, N., 2014. The Application of Sarcheshmeh and Khatounabad Copper Slag in Road Base and Subbase. In Proceeding 7th National Conference & Exhibition on Environmental Engineering, 7th December, University of Tehran, Tehran, Iran. https://www.civilica.com/Paper-CEE07-CEE07_088.html. (In Persian with English abstract).
  41. Shirdam, R., Amini, M. and Bakhshi, N., 2019a. Investigating the effects of copper slag and silicafume on durability, strength, and workability of concrete. Int. J. Environ. Res, 13(6).
  42. Shirdam, R., Nourigohar, A. and Mohamadi, S., 2019b. Stabilization of Filter Cake and its Leaching Behaviour: A Case Study with Cementitious and Soluble Phosphate Additives, Pollution, 5(3), 525-536.
  43. Shirdam, R., Shirka, A., Hassanoghli, S. and Bakhshi, N., 2020. Investigating the effects of red mud and GGBFS industrial waste on the compressive strength of high-strength green concrete. Environmental Sciences, Vol.17/ No.4 /winter 2020, P. 151-162.
  44. Shirdam, R., Sadeghi, B., Rezaei Rad, M., Bakhshi, N. and Mirzaei, H.A., 2021a. Reusing red mud waste and low-grade bauxite as raw materials for brick manufacturing by experimental design technique, Int. J. Environment and Waste Management, Vol. 27, No. 1, 2021.
  45. Shirdam, R., Emami, S. and Mohamadi, S., 2021b, Chemical Stabilization of Zinc Tailings Via Additives of Lime, Red Mud, Cement and GGBFS. Environment and Interdisciplinary Development, V.6, N. 74, P106-120. (In Persian with English abstract).
  46. Shirdam, R., 2022, Geotechnical Investigation of Tailings Disposal Site for Tailings Storage of zinc Processing Factory, Pollution, 8(1): 1-14.
  47. Spence, R. and Shi, C., 2004. “Stabilization and Solidification of Hazardou., Radioactive and Mixed Wastes”, CRC.
  48. Su, Z., Chen, Q., Zhang, Q. and Zhang, D., 2019. Recycling Lead–Zinc Tailings for Cemented Paste Backfill and Stabilisation of Excessive Metal. Minerals, 9, 710. https://doi.org/10.3390/min9110710
  49. Tran, H.B., 2021, Mechanical Properties of Coarse Aggregate Electric Arc Furnace Slag in Cement Concrete. Civil Engineering Journal, Vol. 7, No. 10. http://dx.doi.org/10.28991/cej-2021-03091755.
  50. U.S. Environmental Protection Agency 1982. (USEPA), SW872, Guide to disposal of chemically stabilized and solidified wastes.
  51. U.S. Environmental Protection Agency, 1989. Stabilization/Solidification of CERCLA and RCRA Wastes, Physical Tests, Chemical Testing Procedures, Technology Screening and Field Activities, EPA/625/6-89/022, May 1989.
  52. U.S. Environmental Protection Agency 1996. (USEPA), Method 3050B, Test methods for Acid Digestion of Sediments, Sludges and soils, USEPA.
  53. U.S. Environmental Protection Agency 1998. (USEPA), Method 1311, Toxicity Characteristics Leaching Procedure, SW-846: Test methods for evaluating solid waste, physical/chemical methods.
  54. U.S. Environmental Protection Agency 2005. (USEPA), EPA530-K-05-012 - Introduction of hazardous waste identification (40CFR parts 261).
  55. U.S. Environmental Protection Agency 2014. (USEPA), Method 6010D, inductively coupled plasma-Optical emission spectrometry (ICP-OES). Washington, DC: U.S. Environmental Protection Agency.
  56. U.S. Environmental Protection Agency, 2024. EPA, 40 CFR parts 261, 2024, Maximum Concentration of Contaminants for the Toxicity Characteristic.
  57. Wei, B., Zhang, Y.M. and Bao, S.X., 2017. Preparation of geopolymers from vanadium tailings by mechanical activation, Construction and Building Materials 145, 236-242.
  58. Yin, S.H., Wang, L.M. and Wu, A.X., 2018. Kabwe E., Chen X., Yan R.F., Copper recycles from sulfide tailings using combined leaching of ammonia solution and alkaline bacteria, Journal of Cleaner Production 189, 746-753.
  59. Zhao, J., Ni, K., Su, Y. and Shi, Y., 2021. An evaluation of iron ore tailings characteristics and iron ore tailings, Construction and Building Materials 286, 122968.
محیط زیست و توسعه فرابخشی
دوره 9، شماره 85
پاییز 1403
صفحه 43-63

صفحه اصلی

ارسال مقاله

تماس با ما