Ageing behaviour of steel slags in landfill liners

Steel slags are by-products of the steelmaking process. To avoid unnecessary disposal, e.g. into landfill, their chemical and physical properties should be exploited to support alternative uses. Steel slags can be recycled within the steel plant or used as construction material in roads, hydraulic engineering and different types of barriers, including landfill covers. A landfill cover consists of several layers, including a liner with low water and gas permeability in order to reduce methane and leachate emissions. Several studies have demonstrated that steel slags have good potential to fulfil such an application. However, there are questions regarding the stability of the slag minerals over long periods of time. A landfill cover must function well for many decades and centuries. In order to predict the long-term stability of steel slags as a landfill liner, laboratory experiments have been performed to study the effects of accelerated ageing of steel slag under controlled conditions. The factors investigated in the storage atmosphere were carbon dioxide content, relative humidity and temperature. The influence of leachate contact and ageing time were also assessed.This thesis reports the study of electric arc furnace slags and ladle slag from the production of high-alloyed tool steel after accelerated ageing for periods of three months and ten months. Mineralogy and leaching were studied using two different leaching tests, thermal analysis, acid-neutralization capacity assays and X-ray diffraction. For the ageing periods considered, the exposure of the slags to an atmosphere enriched with carbon dioxide had the greatest impact on leaching. In general, calcium, aluminium, sulphur and sodium leached from the slag matrix to the greatest extent while other metals such as chromium, nickel, lead and zinc were found at very low levels in the leachate. The leaching of calcium and aluminium reduced with increasing carbon dioxide level. Thermal analysis revealed the decomposition of carbonates. Weight and enthalpy changes were evaluated between 100 and 1000 °C. The buffer capacity of the steel slags, represented by the acid neutralization capacity (ANC 4.5) was not reduced after 10 months of ageing. However, the division of the titration into two steps revealed a shift of buffering zones for more highly aged samples, probably due to the formation of carbonates. The mineralogy of the investigated steel slags was complex with a large variety of mineral phases, principally calcium silicates, monticellite, periclase and a spinel phase. Other possible phases were gehlenite, merwinite, akermanite and iron. The existence of different solid solution is likely among the slag phases and can cause shifting of peaks in the X-ray diffractogram. Also, calcite was identified. Short-term carbonation has not shown significant impact on mineralogy despite of calcite formation. The results of the study contribute to a better understanding of the chemical and mineral stability of electric arc furnace slag and ladle slag in the environment of a landfill liner. The consequences of slag ageing include reduced leaching rates for certain elements. To predict the long-term behaviour of aged slag, the results of this study should be combined with data from two other sources - an ongoing ageing experiment that includes mechanical tests and a full scale field test at the Hagfors landfill. Additional analytical methods that can better characterise the mineralogy, for example scanning electron microscopy (SEM) and energydispersive X-ray spectroscopy (EDX), should also be applied to better quantify the mineralogical phases and to determine which trace elements are most abundant in specific minerals.Stålslagg är en restprodukt som kommer från ståltillverkningen. Den har kemiska och fysikaliska egenskaper som bör utnyttjas och som gör den lämplig för återanvändning, samtidigt som onödig deponering kan undvikas. Stålslagg kan återanvändas inom ståltillverkningen eller så kan den användas som konstruktionsmaterial i väg- och vattenbyggnadskonstruktioner eller i olika typer av barriärkonstruktioner som till exempel deponisluttäckningar. En deponisluttäckning består av flera skikt där tätskiktet ska ha en låg vatten- och gaspermeabilitet för att minska metan- och lakvattenutsläpp. Flera studier visar att stålslagg uppfyller dessa egenskaper och har potential att kunna användas i deponitäckning. Men det finns fortfarande oklarheter angående slaggmineralernas stabilitet över en längre tid. En deponitäcknings funktion förväntas vara stabil i många tiotals eller hundratals år. För att kunna förutsäga det långsiktiga beteendet för stålslagg i ett tätskikt genomfördes ett laboratorieexperiment vars syfte var att studera effekterna av accelererad åldring under kontrollerade förhållanden. De faktorer som studerades var koldioxidhalten, relativa luftfuktigheten, temperaturen, kontakten med lakvatten samt åldringstiden. I denna avhandling presenteras undersökningen av ljusbågsugnsslagg och skänkslagg, från framställning av höglegerat verktygsstål, efter tre respektive tio månaders accelererad åldring. Mineralogin och lakningsegenskaperna studerades genom två typer av laktester, termiska analyser, analys av syraneutraliserande kapacitet samt röntgendiffraktion. För de studerade åldringstiderna var det exponeringen av stålslaggen för en koldioxidrik atmosfär som hade den största inverkan på lakningsegenskaperna. Kalcium, aluminium, svavel och natrium var de ämnen som uppvisade den högsta utlakningen från slaggen medan metaller som krom, nickel, bly och zink endast fanns i väldigt låga koncentrationer i lakvattnet. Utlakningen av kalcium och aluminium minskade med en ökande halt av koldioxid. Termiska analyser visade på en nedbrytning av karbonater. Vikt- och entalpiförändringar mellan 100 och 1000°C utvärderades. Stålslaggens buffertkapacitet, representerad av den syraneutraliserande kapaciteten (ANC pH 4,5), reducerades inte efter tio månaders åldrande. Däremot visade uppdelningen av titreringen i två steg på en förskjutning av buffertområdena för de prover som åldrats tio månader, förmodligen på grund av karbonatbildning. Mineralogin för de undersökta stålslaggerna var komplex med en stor variation av mineralfaser, främst kalciumsilikater, monticellit, periklas och en spinellfas. Andra möjliga mineralfaser var gehlenit, merwinit, åkermanit och järn. Förekomsten av olika fastfaslösningar i stålslaggsmineralerna är sannolik vilket kan orsaka förskjutningar av topparna i diffraktogrammen. Kalcit identifierades också. Karbonatisering under en kort tid visade sig inte ha någon signifikant inverkan på mineralogin, förutom en viss kalcitbildning. Resultaten från studien bidrar till en bättre förståelse av stabiliteten för ljusbågsugns- och skänkslagg i den miljö som finns i ett tätskikt. Åldringen av slaggen resulterade i en reducerad utlakning av vissa element. För att kunna förutsäga det långsiktiga beteendet för åldrad slagg bör resultaten från den här studien kombineras med data från ett pågående åldringsförsök som inkluderar mekaniska tester samt ett fullskaligt fältförsök på Hagfors deponi. Analysmetoder som mer detaljerat kan karaktärisera mineralogin, till exempel svepelektronmikroskopi (SEM) och energidispersiv röntgenspektroskopi (EDX), bör också användas för att bättre kunna kvantifiera mineralfaserna och bestämma vilka spårelement som är vanligast i specifika mineraler.Godkänd; 2009; 20090320 (sildie); LICENTIATSEMINARIUM Ämnesområde: Avfallsteknik Examinator: Professor Anders Lagerkvist, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 24 april 2009 kl 14.15 Plats: F 664f, Luleå tekniska universite