Basiskt masugnsslagg är en restprodukt från stålindustrin som kan tänkas bli använd för att neutralisera surt lakvatten från gruvor. I Sydafrika har försök utförts för att se slaggens inverkan på pH, alkalitet och på de olika metallerna i lakvattnet med sikte främst på efterbehandling av gruvområden.
Av: Jörgen Hanaeus
Basiskt masugnsslagg har i pilotskala provats för att neutralisera surt lakvatten från gruvområden, främst med tanke på efterbehandling med sluttäckning. Matjord lades ovanpå slaggen. Vattenkvaliteten förbättrades påtagligt redan det första dygnet och var tillfredsställande efter ca 10 dagars kontakttid.
I och med pH-höjningen fälldes flera metaller i lakvattnet som hydroxider vilket gav 88-100 % reduktion av dessa. Sulfatreduktionen var långsammare, men större än vad som förväntades av gipsjämvikten, varför adsorptionseffekter bedömdes troliga. Sulfatreduktionens förlopp modellerades matematiskt via två olika vägar, vilka gav jämförbara resultat jämfört med pilotexperimenten.
Masugnsslaggens sammansättning undersöktes noggrant och metallurlakning från denna slagg ansågs inte utgöra någon risk.
Bakgrund
Surt lakvatten från gruvor har identifierats som ett stort miljöproblem på global nivå. I Sydafrika är guldgruvorna (40 % av världsproduktionen) och kolgruvorna särskilt utsatta. Kortsiktiga lösningar av utryckningskaraktär för oönskat lakvatten finns, men de är dyra i anläggning och drift(t ex membranteknik) och när det kommer till sluttäckning i efterbehandlingen är enklare metoder önskvärda.
En sådan möjlighet är att låta lakvattnet neutraliseras genom att det (passivt) får strömma genom basisk masugnsslagg som är en restprodukt från ståltillverkning. I Sydafrika genereras ca 600 000 ton sådan slagg per år. En del återanvänds redan då dess hållfasthet och stabilitet ibland kan ersätta grus och stenmaterial i anläggningssammanhang. Viss volymreduktion sker dock genom hydratisering av kalcium- och magnesiumoxider vilket alltså stimulerat till användande för neutraliseringsändamål.
Försök
Surt lakvatten togs från gruvan Witwatersrand’s västra bassäng och höll: aciditet motsvarande 1 813 mg CaCO32+/L, 2 903 mg SO42-/L, 5<pH<6 och 243 mg Mg/L.
Masugnsslagg hämtades från en stor sydafrikansk stålindustri; höll en partikelstorlek av 3-14 mm och dominerades av CaO 38 %, Fe2O3 24 % och SiO2 16 %.
En 500 L-container fylldes till 0,3 m med slagg och täcktes med ett matjordsskikt, 0,2 m. Containern fylldes till 0,5 + 0,9 m med surt lakvatten som initiellt provtagits med resultat enligt ovan och som sedan provtogs på utvalda dagar med triplikatprov under tre månader.
Masugnsslaggen provtogs före och efter neutraliseringsmånaderna och analyserades map huvudmineralinnehåll samt spårämnen.
Resultat
Vid kontakt mellan lakvattnet och slaggen steg lakvattnets pH från 5,9 till 9,6. Metallerna fälldes ut som hydroxider. De metaller som inte helt följde mönstret var aluminium och kisel.
Aluminiumhydroxiden är amfoter till sin karaktär och kan gå i lösning vid höga pH medan upplösningen av kisel är den enda pH-oberoende reaktionen under neutraliseringen. Vid mycket höga pH, >10, kan dessa ämnen bidra med mer aciditet. Det inträffade inte i föreliggande fall då pH alltså var 9,6 som högst. Uppmätta aluminiumhalter, <0,03 mg Al/L, bekräftade detta. Kiselhalten steg däremot från <0,02 mg Si/L till 8,1 mg Si/L vilket var den enda svagheten med neutraliseringen som framkom i denna studie.
Efter 3 månaders kontakttid: aciditeten försvann till 100 %, Fe2+ till 94,1 %, SO42- till 73 %, Mg till 93,4 %, Mn till 99,8 %, Co till 98,3 %, Ni till 97,5 % och Zn till 88,2 %.
En stor del av avskiljningen inträffade de första 10 dygnen.
Jämfört med tidigare erfarenheter visade sig sulfatavskiljningen högre än förväntad. Baserat på experimentresultaten modellerades därför denna och utifrån två utgångspunkter. 1) utfällning av kalciumsulfat som en andra ordningens reaktion och 2) En icke-linjär regressionsanalys utgående från sulfathalterna. De hastighetskonstanter som erhölls med resp ansats var 1,56 L/mol,d och 1,53 L/mol, d och indikerade en trovärdig beskrivning av förloppet. Eftersom resultatet var bättre än löslighetsprodukten för kalciumsulfat (gips) antogs adsorptionseffekter för sulfatjonerna mot slaggen ha betydelse.
Slutsatser
Basiskt masugnsslagg visade sig ge goda avskiljningsresultat vid en passiv kontakt med surt gruvvatten. Aciditeten övergick till alkalitet och metallavskiljningen var god. Slaggmaterialet läckte heller inte ut metaller under processen. Kiseldynamiken bör dock undersökas vidare.
Tekniken är särskilt intressant för efterbehandling av gruvområden, då vattenflödet blir lägre än under drift. En möjlighet är att placera slaggen i en tät damm och leda dit lakvatten för att kunna få en lång reaktionstid. Efter färdig reaktion kan restmaterialet användas till att fylla gruvhål.
Behandling av gruvvatten borde kunna intressera VA-ingenjörer, då flera processer liknar de för kommunal avloppsvattenbehandling. Det rör sig alltid om mycket stora flöden.
Källa: Zvimba J.N.1), Siyakatshana, N.2) & Mathye, M.3) (2017) Passive neutralization of acid mine drainage using basic oxygen furnace slag as neutralization material: experimental and modelling. Water Science & Technology 75.5, 1014-1024.
Författarna från:
1) Water Use and Waste Management, Water Research Commission, WRC, P.Bag X03, Gezina 0001, South Africa.
2) Advanced Mathematical Modelling, Modelling and Digital Science, CSIR, P.O. Box 395, Pretoria 0001, South Africa.
3) Source Directed Scientific Measures, Natural Resources and Environment, CSIR, P.O. Box 395, Preoria 0001, South Africa.
Kontakt: Johnz@wrc.org.za
