University of Oulu

Valorization of mining wastes in alkali-activated materials

Saved in:
Author: Niu, He1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering, Fibre and Particle Engineering (FPE)
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526233444
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-08-12
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 19 August 2022, at 12 noon
Tutor: Professor Mirja Illikainen
Associate Professor Päivö Kinnunen
Reviewer: Professor Lianyang Zhang
Professor João A. Labrincha
Opponent: Professor Kostas Komnitsas
Description:

Abstract

The mining industry can generate wastes from excavation and mineral processing, namely waste rock, and mine tailings, which poses potential environmental ricks worldwide. The European Union mining industries have discarded their waste residues for more than 100 years. It is estimated that almost 65% of the waste produced in the EU is mineral waste. Large amounts of waste rock and tailings are stored in stockpiles and tailing impoundments without further exploration. Small portions of these wastes are utilized as fillers or backfills with cement pastes. The challenge lies in how to valorize those underutilized side streams, turning mining waste issues into a secondary raw materials opportunity. Alkali-activated materials are alternative cementitious materials with a lower carbon footprint than traditional Portland cement. The typical raw precursor, calcined kaolin (metakaolin), is rich in aluminosilicates, generating a three-dimensional framework under alkali conditions. Mining wastes, that contain aluminosilicate minerals are potential precursors for alkali activation. In contrast to calcined kaolin, mining wastes containing aluminosilicate-bearing minerals can be chemically inert and cannot be directly used as precursors. This requires enhanced chemical reactivity or mixing with other reactive raw materials.

The aim of this work was to investigate the potential of using mining wastes as secondary raw materials for alkali activation and valorizing waste rock and mine tailings in alkali-activated materials. It focuses on enhancing the chemical reactivity of mining wastes via a potentially greener approach (mechanochemical activation) compared to the calcination. Mechanochemical activation was implemented on both mine tailings and waste rock. Further, mine tailings are incorporated with metakaolin and blast furnace slag to produce alkali-activated tailing co-binders. The role of tailings in final alkali-activated materials was also investigated using diverse characterization methods.

The phlogopite and carbonate-bear phosphate mine tailings and muscovite-bearing sulfidic waste rock were subjected to mechanochemical activation, and they generated amorphous phases, which yielded a higher alkaline dissolution. The sole mine tailings or waste rock-based alkali-activated materials were successfully synthesized. Incorporation of mine tailings in alkali-activated co-binders, such as metakaolin and blast furnace slag, can significantly affect the hydration process, alkali activation, and physical performance. The role of tailings in alkali-activated materials is complicated, especially after mechanochemical activation. The amorphous part of phosphate mine tailings participates in alkali activation, forming C-(N)-A-S-H and other zeolites. Although sulfidic mine tailings contain only crystalline substances, they considerably alter the hydration and porosity of the final products.

see all

Tiivistelmä

Kaivosteollisuuden louhinta- ja mineraalinkäsittelyprosessit tuottavat valtavia määriä jätettä, pääasiassa sivukiveä ja rikastushiekkaa. Euroopan unionin kaivosteollisuus on tuottanut näitä jätteitä jo yli 100 vuoden ajan, ja EU:ssa tuotetusta jätteestä lähes 65 %:n on arvioitu olevan mineraalijätettä. Sivukivet ja rikastushiekka varastoidaan pääasiassa läjittämällä ne rikastushiekka-altaisiin, ja vain pieni osa jätteistä hyödynnetään esimerkiksi täyteaineena sementtipastassa. Nämä alihyödynnetyt sivuvirrat voisivat kuitenkin toimia uusioraaka-aineena neitseellisten luonnonvarojen sijaan, mikä vähentäisi läjitykseen päätyvän jätteen määrää.

Alkaliaktivoidut materiaalit ovat vaihtoehtoisia sementtimäisiä materiaaleja, joilla on perinteistä portlandsementtiä pienempi hiilijalanjälki. Tyypillinen lähtöaine on kalsinoitu kaoliini (metakaoliini), joka sisältää runsaasti alumiinisilikaatteja, jotka reagoivat alkalisissa olosuhteissa lujittuvaksi materiaaliksi. Alumiinisilikaattimineraaleja sisältävät kaivosjätteet ovat potentiaalisia raaka-aineita alkaliaktivointiin. Toisin kuin kalsinoitu kaoliini, alumiinisilikaattia sisältävät kaivosjätteet ovat tyypillisesti kemiallisesti inerttejä, eikä niiden käyttö suoraan alkaliaktivoitujen materiaalien lähtöaineena ole mahdollista. Sen sijaan ne vaativat kemiallisen reaktiivisuuden parantamista tai sekoittamista muiden reaktiivisten raaka-aineiden kanssa.

Tämän työn tavoitteena oli tutkia mahdollisuuksia hyödyntää kaivosjätettä alkaliaktivoinnin lähtöaineena sekä kaivosjätteen hyödyntämistä alkaliaktivoiduissa materiaaleissa. Työ keskittyy kaivosjätteiden kemiallisen reaktiivisuuden parantamiseen mekanokemiallisella aktivoinnilla. Mekanokemiallista aktivointia sovellettiin sekä kaivoksen rikastusjätteeseen että sivukiveen. Lisäksi kaivoksen rikastushiekkaan yhdistettiin metakaoliinia ja masuunikuonaa, ja seoksesta valmistettiin alkaliaktivoituja materiaaleja. Rikastushiekan roolia lopullisissa alkaliaktivoiduissa materiaaleissa tutkittiin erilaisilla karakterisointimenetelmillä.

Flogopiittia ja karbonaatteja sisältävää fosfaattirikastushiekkaa sekä muskoviittia sisältävää sulfidista sivukiveä aktivoitiin mekanokemiallisesti. Näin muodostui amorfista faasia, joka on lähtöainetta reaktiivisempi alkalisissa olosuhteissa. Käsitellyistä rikastushiekasta ja sivukivestä valmistettiin onnistuneesti alkaliaktivoituja materiaaleja. Kaivosjätteiden yhdistäminen muiden lähtöaineiden, kuten metakaoliinin ja masuunikuonan, paransi alkali aktivoidun materiaalin ominaisuuksia. Rikastushiekan rooli alkaliaktivoiduissa materiaaleissa on monimutkainen erityisesti mekanokemiallisen aktivoinnin jälkeen. Fosfaattisen rikastushiekan amorfinen osa voi osallistua alkaliaktivointiint muodostaen C-(N)-A-S-H:ta ja zeoliittirakenteita. Vaikka sulfidiset rikastusjätteet sisältävät vain kiteistä ainetta, myös se vaikuttaa alkaliaktivointireaktioihin ja lopputuotteen ominaisuuksiin.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Niu, H., Kinnunen, P., Sreenivasan, H., Adesanya, E., & Illikainen, M. (2020). Structural collapse in phlogopite mica-rich mine tailings induced by mechanochemical treatment and implications to alkali activation potential. Minerals Engineering, 151, 106331. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2020.106331

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Niu, H., Adrianto, L. R., Escobar, A. G., Zhukov, V., Perumal, P., Kauppi, J., Kinnunen, P., & Illikainen, M. (2021). Potential of mechanochemically activated sulfidic mining waste rock for alkali activation. Journal of Sustainable Metallurgy, 7(4), 1575–1588. https://doi.org/10.1007/s40831-021-00466-9

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Niu, H., Abdulkareem, M., Sreenivasan, H., Kantola, A. M., Havukainen, J., Horttanainen, M., Telkki, V.-V., Kinnunen, P., & Illikainen, M. (2020). Recycling mica and carbonate-rich mine tailings in alkali-activated composites: A synergy with metakaolin. Minerals Engineering, 157, 106535. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2020.106535

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Niu, H., Helser, J., Corfe, I. J., Kuva, J., Butcher, A. R., Cappuyns, V., Kinnunen, P., & Illikainen, M. (2022). Incorporation of bioleached sulfidic mine tailings in one-part alkali-activated blast furnace slag mortar. Construction and Building Materials, 333, 127195. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127195

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3344-4
ISBN Print: 978-952-62-3343-7
Issue: 832
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 216 Materials engineering
Subjects:
Funding: The work is funded by the European Union’s H2020 Marie Skłodowska-Curie Actions Initial Training Network-SULTAN Grant Agreement No. 812580, and “Novel synthesis methods for porous ceramics from mine tailings” under Academy of Finland (No. 292526).
EU Grant Number: (812580) SULTAN - European Training Network for the remediation and reprocessing of sulfidic mining waste sites
Academy of Finland Grant Number: 292526
Detailed Information: 292526 (Academy of Finland Funding decision)