Mineral and chemical composition of blast furnace and steelmaking slags and products of their experimental transformations

Żużle, zarówno wielkopiecowe jak i konwertorowe, są produktem ubocznym procesów metalurgicznych. Zbudowane są z faz wysokotemperaturowych, które mogą być reaktywne przez długi okres czasu i podlegać przemianom fazowym. Mogą stanowić zagrożenie dla człowieka ze względu na zmiany ich własności technologicznych (np. niszczenie betonowych konstrukcji zbudowanych z wykorzystaniem kruszyw żużlowych). Żużle mogą zawierać pewne ilości szkodliwych pierwiastków, które pod wpływem naturalnych procesów mogą zostać uwolnione do środowiska, co z kolei może spowodować zanieczyszczenie gleb oraz wód powierzchniowych i głębinowych. Tematem pracy jest charakterystyka składu mineralnego i chemicznego żużli wielkopiecowych i konwertorowych oraz produktów ich eksperymentalnych przemian, a także przeprowadzenie dyskusji na temat ich trwałości w naturalnym środowisku, ich potencjalnego negatywnego oddziaływania na środowisko oraz możliwości wykorzystania żużli w procesie mineralnej karbonatyzacji, w celu potencjalnego zastosowania tego materiału w wychwytywaniu i przechowywaniu CO2 w związku z negatywnym wpływem zwiększonej emisji CO2 na środowisko. Celem pracy było przeprowadzenie badań eksperymentalnych mających na celu symulację procesów długoterminowych w różnych warunkach fizyczno-chemicznych mogących zachodzić w środowisku naturalnym, np. opisanie nowo powstałych faz mineralnych, ich szczegółowa charakterystyka chemiczna, a także opis zachowania wybranych pierwiastków (np. metali ciężkich). Uzyskane wyniki pozwoliły stwierdzić, że żużle wielkopiecowe są bardziej odporne na transformacje mineralne i chemiczne w porównaniu z żużlami konwertorowymi. Składniki występujące w żużlach konwertorowych podlegają reakcjom stosunkowo łatwo. Mało odporne wydają się być przede wszystkim te minerały, które zawierają głównie żelazo i glin oraz niższe w stosunku do nich zawartości krzemu i wapnia, np. srebrodolskit. Dodatkowo żużle konwertorowe wykazują znacznie większą reaktywność hydrauliczną w stosunku do żużli wielkopiecowych, w wyniku której tlenek wapnia ulega hydratacji tworząc portlandyt. Z procesem tym związany jest wzrost objętości, a co za tym idzie spadek własności technicznych żużli. Pierwiastki toksyczne (As, Cd, Co, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, Cr, V oraz inne) w żużlach są najczęściej rozproszone w minerałach krzemianowych. Ich bezwzględne koncentracje są niskie, bliskie granic wykrywalności bądź poniżej tych granic. Wydawać się może, że jeśli zostaną uwolnione do środowiska w wyniku naturalnych procesów takich jak wietrzenie, nie spowodują zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Gdy weźmiemy pod uwagę względne spadki koncentracji poszczególnych pierwiastków (sięgające nawet 99%) oraz odniesiemy je do potencjalnej skali procesu (tzn. uwzględnimy masę żużli rocznie składowanych na hałdach, bądź wykorzystywanych w przemyśle) ich negatywny wpływ na środowisko może być znaczący. Wyniki eksperymentów pozwoliły także na stwierdzenie, że żużle, głównie te z procesu produkcji stali, mogą być użytecznym materiałem wykorzystywanym w procesie wychwytywania i składowania CO2 (CCS). Składniki żużli mogą ulec rozpuszczeniu w wodzie i zostać trwale związane w formie węglanów pod wpływem działania dwutlenku węgla zawartego w powietrzu. W przypadku żużli wielkopiecowych potrzebny jest dłuższy czas, aby doprowadzić do rozpuszczania składników mineralnych i uwolnienia kationów, które mogą uczestniczyć w krystalizacji węglanów.Blast furnace and steelmaking slags are co-products of metallurgical processes. They are composed of high-temperature phases, which may be reactive over a long period of time and subjected to phase transformations. Slag can pose a threat to people due to changes in their technological properties (e.g. destruction of concrete constructions containing slag aggregate). In addition, slags may contain certain amounts of harmful elements (As, Cd, Co, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, Cr, V and others), which under the influence of naturally occurred processes, can be release to environment, and in turn cause pollution of soil, surface water and groundwater. The topic of the study was to characterize the chemical and mineral composition of blast furnace and steelmaking slags, and products of their experimental transformations, as well as to discuss their resistance in natural environment, their potentially negative environmental impact and their possible application in a process of mineral carbonation, in order to the potential use of slags in CO2 capture and storage (CCS), due to the negative influence of increasing emissions of CO2. The aim of this study was to simulate experimentally long-term processes in different physical and chemical conditions, which may occur in the environment (to describe the new formed mineral phases, their detailed chemical characteristics, as well as to give a description of the behavior of some elements (e.g. heavy metals). The results of experiments indicate that the blast furnace slag is more resistant to mineral and chemical transformations. Mineral components found in steelmaking slags are relatively more reactive. Minerals composed mainly of iron and aluminum and containing lower amount of silicon and calcium (e.g. srebrodolskite) are less resistant in comparison with e.g. larnite. Moreover, steelmaking slag exhibit higher hydraulic reactivity than blast furnace slag. During hydration of calcium oxides portlandite appeared. Decrease in technical properties related to this process, is a result of the volume increase. Toxic elements (As, Cd, Co, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, Cr, V, and others) in slags are mostly dispersed in silicate minerals. Their absolute concentrations are low, close to the detection limits or below those limits. This may support an opinion that the release of these elements to environment as a result of weathering processes cannot cause environmental pollution. However if we take into account the relative decrease of the particular elements (up to 99%), and refer them to the scale of processes (i.e. tonnage of slag dumped on heaps or used in industry), their negative impact on the environment seems to be significant. Results of experiments also allow us to conclude that slag, especially those from the steel production process can be a useful material in CO2 capture and storage procedures. Components of slag can be dissolved in water and bonded in stable carbonates under the influence of carbon dioxide from ambient air. In case of blast furnace slag more time is needed for dissolution of minerals and release of cations, which are essential for carbonate crystallization