The role of limestone and dolomite tailings’ particle size in retention of heavy metals from liquid waste

Purpose. The study aims at investigating the role of particle size of mineral tailings derived from limestone, limestone marble, dolomite and dolomitic marble in heavy metal adsorption, in both batch and fixed bed conditions, so as to estimate whether grinding and/or sieving is necessary for their utilization. Methods. Fractions of different particle size have been studied. Adsorption has been examined in batch conditions from solutions of 5 mg/l Cd, 5 mg/l Pb, 100 mg/l Cu, 100 mg/l Zn, and their mixed solution simulating electroplating wastewater, and also in fixed bed conditions. Findings. Total Cd and Cu adsorption is achieved on all the mineral fractions, whereas Pb and Zn show a difference up to 20% depending on particle size. Referring to the mixed solution, Cd and Zn adsorption is lower, whereas no significant differences in Cu and Pb adsorption are observed. Adsorption capacity rises up to 0.03 mg/g Cd, 0.60 mg/g Cu, 0.03 mg/g Pb, 0.60 mg/g Zn. In fixed bed conditions, metal adsorption greater than 93% is achieved. Furthermore, leaching not exceeding 4% indicates a good metal retention. Finally, Taguchi method has proven that the particle size effect is not so strong compared to other parameters, including solution concentration and time. Originality. The particle size of mineral tailings has not yet been investigated as a parameter affecting heavy metal adsorption. Furthermore, heavy metal adsorption has been examined from separate metal solutions and not from a mixed one. The present study aims at contributing to these two research fields. Practical implications. Τhe differences in adsorption between mineral tailings’ fractions with different particle size are not as high as to make grinding of minerals necessary.Мета. Дослідження впливу розмірів частинок у хвостах збагачення вапняку, вапняного мармуру, доломіту та доломітового мармуру на процес адсорбції важких металів у нерухомому шарі для оцінки доцільності технології подрібнення й/або просіювання в подальшому використанні металів. Методика. Для виконання досліджень зразки вапняку та доломіту доставлені компанією, що займається виробництвом і продажем готових бетонів, а також кар’єрами у Греції. Хімічний і мінералогічний склад зразків був визначений рентгенівської флуоресценцією (XRF, ARL ADVANT XP), рентгенівської дифракцією (XRD, Siemens D-500) та атомно-абсорбційною спектрометрією (AAS, VARIAN AA240FS). Для дослідження механізму адсорбції були виміряні наступні параметри: рН відповідно до ISO 6588, пористість і питома площа поверхні за допомогою N2-адсорбції (NOVA-2200, версія 6.11) та катіонообмінна ємність (CEC) відповідно до EPA 9081 на основі змішування зразка з надлишком розчину ацетату натрію, в результаті якого потім визначались додані катіони натрію для матричних катіонів. Для сорбційних експериментів були використані окремі розчини, які містять 5 мг/л Cd, 5 мг/л Pb, 100 мг/л Cu, 100 мг/л Zn, отримані з аналітичних стандартних розчинів Fluka. Після сорбційних досліджень зібрані сорбенти були піддані дослідженням вилуговування. Результати. У процесі досліджень була досягнута повна адсорбція Cd і Cu з усіх мінеральних фракцій, проте до 20% адсорбції Pb і Zn визначалася розмірами частинок. Встановлено, що величина адсорбції Cd і Zn нижче у змішаному розчині, але при цьому даний показник для Cu і Pb залишається без змін. Поглинаюча здатність зростає до 0.03 мг/г Cd, 0.60 мг/г Cu, 0.03 мг/г Pb, 0.60 мг/г Zn. В умовах нерухомого шару досягається до 93% адсорбції металів. Більше того, витік, що не перевищує 4%, свідчить про ефективність вилучення металів. Доведено за методом Тагучі, що вплив розмірів частинок не є настільки значним, щоб не враховувати роль інших параметрів, таких як концентрація розчину і час. Вилуговування іонів металів (Cd, Cu, Pb, Zn), що зберігаються на всіх мінералах після адсорбції в періодичних умовах, не перевищує 4% та вказує на те, що вони досить зберігаються на поверхні мінералів. Це є важливим результатом для подальшого використання мінералів у якості субстратів на полігонах. Наукова новизна. Вперше розміри частинок у хвостах збагачення мінералів розглянуті як параметр, який впливає на процес адсорбції важких металів, при цьому даний процес вивчений також щодо окремих розчинів металів, а не тільки їх суміші. Практична значимість. Виявленні відмінності у показниках адсорбції для фракцій частинок різного розміру не такі значущі, щоб обумовлювати необхідність їх подрібнення в технологічному процесі.Цель. Исследование влияния размеров частиц в хвостах обогащения известняка, известкового мрамора, доломита и доломитового мрамора на процесс адсорбции тяжелых металлов в неподвижном слое для оценки целесообразности технологии измельчения и/или просеивания в дальнейшем использования металлов. Методика. Для выполнения исследований образцы известняка и доломита доставлены компанией, занимающейся производством и продажей готовых бетонов, а также карьерами в Греции. Химический и минералогический состав образцов был определен рентгеновской флуоресценцией (XRF, ARL ADVANT XP), рентгеновской дифракцией (XRD, Siemens D-500) и атомно-абсорбционной спектрометрией (AAS, VARIAN AA240FS). Для исследования механизма адсорбции были измерены следующие параметры: рН в соответствии с ISO 6588, пористость и удельная площадь поверхности с помощью N2-адсорбции (NOVA-2200, версия 6.11) и катионообменная емкость (CEC) в соответствии с EPA 9081 на основе смешивания образца с избытком раствора ацетата натрия, в результате которого затем определялись добавленные катионы натрия для матричных катионов. Для сорбционных экспериментов были использованы отдельные растворы, содержащие 5 мг/л Cd, 5 мг/л Pb, 100 мг/л Cu, 100 мг/л Zn, полученные из аналитических стандартных растворов Fluka. После сорбционных исследований собранные сорбенты были подвергнуты исследованиям выщелачивания. Результаты. В процессе исследований была достигнута полная адсорбция Cd и Cu из всех минеральных фракций, однако до 20% адсорбции Pb и Zn определялась размерами частиц. Установлено, что величина адсорбции Cd и Zn ниже в смешанном растворе, но при этом данный показатель для Cu и Pb остается без изменений. Поглощающая способность возрастает до 0.03 мг/г Cd, 0.60 мг/г Cu, 0.03 мг/г Pb, 0.60 мг/г Zn. В усло-виях неподвижного слоя достигается до 93% адсорбции металлов. Более того, утечка, не превышающая 4%, свидетельствует об эффективности извлечения металлов. Доказано по методу Тагучи, что влияние размеров частиц не является настолько значительным, чтобы не учитывать роль других параметров, таких как концентрация раствора и время. Выщелачивание ионов металлов (Cd, Cu, Pb, Zn), сохраняющихся на всех минералах после адсорбции в периодических условиях, не превышает 4% и указывает на то, что они достаточно сохраняются на поверхности минералов. Это является важным результатом для дальнейшего использования минералов в качестве субстратов на полигонах. Научная новизна. Впервые размеры частиц в хвостах обогащения минералов рассмотрены как параметр, оказывающий влияние на процесс адсорбции тяжелых металлов, при этом данный процесс изучен также в отношении отдельных растворов металлов, а не только их смеси. Практическая значимость. Выявленные различия в показателях адсорбции для фракций частиц различного размера не столь значимы, чтобы обусловливать необходимость их измельчения в технологическом процессе.The present study did not originate under any of project and no funding was raised for research. However, we would like to thank especially Professor Angeliki Moutsatsou and the personal of the Laboratory of Inorganic and Analytical Chemistry of the Chemical Engineering School in the National Technical University of Athens for their various support during the experimental work required for the successful realization of the present study