Påverkan av sterilisering av gruvsand : en mineralogisk och texturell undersökning

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Gruvavfall är ett av världens största miljöproblem om man räknar i ton. Detta orsakar bland annat metallförorenat vatten samt försurning av mark och vatten.

Gruvbrytning har förekommit i större skala sedan 1800-talet och den har medfört stora mängder avfall som tidigare deponerades på marken utan större hänsyn till miljön. De flesta malmer som bryts är sulfidmalmer och brytning av dessa medför avfall som till stor del består av sulfidmineralet pyrit (FeS2). Pyriten är mycket oxidations och vittringsbenägen när den utsätts för syre och vatten. Vittringen/oxidationen av pyrit medför att vittringsprodukter (sulfat, syror, järn och andra tungmetaller) transporteras med grundvattnet från deponierna ut till sjöar och andra vattendrag. Detta leder till försurning av stora områden.

Gängse metoder som tillämpas för att förhindra oxidationen och vittringen av pyrit i gruvavfallsdeponier har varit att täcka över dessa med vatten eller med vattenmättade jordlager. Detta begränsar, men utesluter inte helt oxidation av pyrit.

Det har nämligen framkommit ökande bevis för att järnoxiderande bakterier spelar en stor roll i oxidationen av pyrit i gruvavfallsdeponier. Det är framförallt bakterier av släktet Thiobacillus ferrooxidans som genom ett antal tillvägagångssätt kan accelerera oxidationen av pyrit i sådana miljöer som råder i en gruvavfallsdeponi. På grund av dessa bevis vore det intressant att försöka avlägsna bakterierna ur gruvavfallet och därefter kartlägga det nya, förhoppningsvis begränsade, oxidationsförloppet av pyrit.

För att avlägsna järnoxiderande bakterier ur gruvavfall krävs starka steriliseringsmetoder såsom autoklavering (ångkokning), värmebehandling och gammastrålning. I och med att så pass aggressiva steriliseringsmetoder används föreligger en uppenbar risk att gruvsandens kemiska, fysiska och mineralogiska egenskaper förändras.

I detta arbete beskrivs de olika steriliseringsmetoderna och därefter undersöks huruvida dessa leder till några mineralogiska förändringar hos gruvavfallet. Arbetet innehåller även en mineralogisk karaktärisering av gruvavfallet.

De metoder som används för de mineralogiska analyserna är röntgendiffraktion (XRD), Mössbauerspektroskopi, optisk mikroskopi, elektronmikroskopi och mätningar av den magnetiska susceptibiliteten. För Mössbauerspektroskopi, XRD och magnetiska mätningar ges även en metodikbeskrivning.

Inga mineralogiska förändringar kunde upptäckas med elektronmikroskopi eller med mätningar av den magnetiska susceptibiliteten. Erhållna Mössbauerparametrar indikerar dock att gammastrålning leder till små förändringar i pyritens mineralstruktur.

Huruvida sterilisering är praktiskt tillämpbart i full skala är en vidare och obesvarad fråga. Detta projekts mål är att kartlägga pyritens oxidationsförlopp och vittringsegenskaper efter sterilisering samt att undersöka steriliseringsmetodernas inverkan på gruvsanden. Resultatet från undersökningen belyser även bakteriers roll i oxidationen av sulfidmineral i gruvavfallsdeponier.

Abstract

Mine waste is the world’s largest environmental hazard, measured in tons. It causes acidification of soils and groundwater. Another hazard from mine waste deposits is the leakage of metals, which are transported to surrounding areas.

Large-scale mining has occurred since the 19th century and it has produced enormous amounts of mine waste, often deposited without any concern of the environment. From mine-waste deposits weathering products of pyrite (acid, sulphate and heavy metals) are transported with the groundwater to lakes and streams. The acid producing potential in these ground-water flows is high and causes acidification of large areas.

Prevalent methods used for the minimization of sulphide oxidation commonly require inundation of mine waste or installation of water-saturated covers. However, the complete inhibition of pyrite oxidation by flooding or covering is not possible due to the difficulty in totally excluding the supply of O2.

There is increasing evidence that iron-oxidation bacteria such as Thiobacillus ferrooxidans, under anaerobic conditions fix CO2 and use a variety of metabolic pathways for the acquisition of energy, including oxidation of ferrous iron, elemental sulphur and sulphide minerals.

Therefore, it would be interesting to sterilize the mine tailings to investigate the new oxidation course of the sulphide minerals. This requires harsh sterilization methods such as repeated heating, autoclaving or γ-radiation. In this case a good sterilization method would be one that exterminates all iron-oxidation bacteria without altering the chemical, physical and mineralogical properties of the sulphide minerals. The different sterilization methods are described in this study, which also contains a mineralogical characterization of the mine waste used in this study.

Whether the sterilization methods alter the mineralogical properties of pyrite is investigated with X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), magnetic susceptibility and Mössbauer spectroscopy. Short introductions to these methods are presented.

No alteration, due to the sterilization methods, could be detected with SEM or by measuring the magnetic susceptibility. However, obtained Mössbauer parameters indicate that γ-rays in some way change the mineralogical properties of pyrite. We know that by bombarding pyrite with high energy radioactive radiation, we induce defects in the surface structure. These defects lead to a change in coordination, from octahedral coordination to square pyramidal coordination. This change derives from the configuration change from low spin to intermediate spin. We will also have an increase of Fe3+. The configuration change and the increase of Fe3+ can be seen in the Mössbauer spectra as an increase of line width.

Abstract (Swedish)

Gruvavfall är världens största miljöproblem om man räknar i ton. Detta orsakar bland annat metallförorenat lakvatten samt försurning av mark och vatten.
Gruvbrytning har förekommit i större skala sedan 1800-talet vilket har medfört stora mängder av avfall som tidigare deponerades i naturen utan hänsyn till miljön. Från deponier med gruvavfall transporteras vittringsprodukter (sulfat, syror och tungmetaller) från
vittringen/oxidationen av sulfidmineralet pyrit med grundvattnet ut till sjöar och andra vattendrag. Den syraproducerande potentialen i dessa grundvattenflöden är mycket stor och leder till försurning av stora markområden.
Gängse metoder som används för att förhindra syretillförsel samt inläckage av regnvatten är att täcka över deponierna med vattenmättade jordlager. Detta begränsar, men förhindrar inte helt oxidation av pyrit.
Det har framkommit ökande bevis för att järnoxiderande bakterier har stor inverkan på oxidation av pyrit i gruvavfallsdeponier. Det vore på grund av detta intressant att försöka plocka bort dessa bakterier ur gruvavfallet och därefter kartlägga det nya, förhoppningsvis
begränsade, oxidationsförloppet av sulfidmineralen. För att avlägsna de järnoxiderande bakterierna krävs starka steriliseringsmetoder såsom autoklavering, värmebehandling eller bestrålning med högenergi-gammastrålning, etc. I och med att kraftiga steriliseringsmetoder
används så föreligger en risk för att gruvsandens kemiska, fysiska och mineralogiska egenskaper förändras.
I detta arbete beskrivs de olika steriliseringsmetoderna och därefter undersöks huruvida dessa leder till några förändringar hos de mineralogiska egenskaperna hos gruvavfallet.
Arbetet innehåller även en mineralogisk karaktärisering av gruvsanden.
De metoder som i detta arbete används för ovanstående undersökningar är
Mössbauerspektroskopi, röntgendiffraktion (XRD), optisk mikroskopi, elektronmikroskopi samt mätningar av den magnetiska susceptibiliteten. För Mössbauerspektroskopi, XRD och magnetiska mätningar ges även en metodikbeskrivning.

• author: Fuchs, Mathias
• supervisor: Embaie Ferrow
• organization: Department of Geology
• alternative title: Impact of sterilization on mine tailings : a mineralogical and textural study
• year: 2003
• type: H1 - Master's Degree (One Year)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: geologi, geografi, sterilisering, gruvsand, mineralogi, texturell undersökning
• publication/series: Examensarbeten i geologi vid Lunds universitet
• report number: 160
• language: Swedish
• id: 2342811
• date added to LUP: 2012-12-05 15:36:45
• date last changed: 2012-12-05 15:36:45