University of Oulu

Sustainable mining in the Arctic environment : development of analytical methods for the determination of xanthates and application of the methods to environmental and process water samples

Saved in:
Author: Suvela, Ronja1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Chemistry, Sustainable Chemistry (SusChem)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526238425
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2023
Publish Date: 2023-10-27
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-Pohjola auditorium (L6), Linnanmaa, on 3 November 2023, at 12 noon
Tutor: Professor Paavo Perämäki
Professor Saija Luukkanen
Doctor Matti Niemelä
Reviewer: Professor Thomas C. Meisel
Associate Professor Belinda McFadzean
Opponent: Docent Heli Sirén
Description:

Abstract

The high demand for raw materials has increased interest in mining in the northern latitudes. However, mining and mineral processing may pose risks to the environment, which is especially vulnerable in the Arctic region. Xanthates are a group of chemicals used in mineral processing that have recently raised concern. They can be toxic to aquatic environments, even at low concentrations. The toxicity of xanthates is mostly related to their decomposition products, such as carbon disulfide. The amounts of xanthates that are at risk of being discharged into the environment are so low that few methods are capable of reliably determining these concentrations.

The first aim of this dissertation was to develop new, selective methods for the determination of low xanthate concentrations in process and environmental waters. The second aim was to study the effect of cold climates on the decomposition of xanthates. The studies were conducted at laboratory scale using artificial samples and samples collected from a mine site located in Finland.

In this study, two analysis methods were developed. Both methods were based on the determination of xanthate derivatives by high-performance liquid chromatography tandem mass spectrometry (HPLC-ICP-MS/MS). The sample preparation procedures developed were based on oxidation and the complex formation reactions of xanthates; the former was applied when the decomposition of xanthates was studied in artificial and real samples.

The results showed that the HPLC-ICP-MS/MS technique enables the selective determination of low xanthate concentrations. However, the complexity of the chemical reactions of xanthates required careful optimization of the sample preparation procedures to improve their reliability. Additionally, decomposition studies showed that low temperatures significantly decrease the decomposition rate of xanthates. This study presents a pioneering step to improve the analysis methods for the determination of xanthates. It also implies that cold climate conditions should be carefully considered when evaluating the effect of xanthates in the environment.

see all

Tiivistelmä

Tarve uusien raaka-aineiden louhintaan on lisännyt kiinnostusta pohjoisten alueiden kaivostoimintaan. Kaivostoiminta ja malmin rikastaminen kuitenkin aiheuttavat riskejä ympäristölle, ja pohjoiset ympäristöt ovat usein tavallista herkempiä ympäristöhaitoille. Ksantaatit ovat rikastusprosessissa tavallisesti käytettävä kemikaaliryhmä, joiden ympäristövaikutukset ovat nousseet keskusteluun viime vuosina. Ksantaatit ja erityisesti niiden hajoamistuotteet ovat vesieliöille myrkyllisiä jo alhaisissa pitoisuuksissa. Mahdolliset ympäristöön päätyvät ksantaattipitoisuudet ovat kuitenkin niin pieniä, että niiden luotettava määrittäminen nykyisillä analyysimenetelmillä on vaikeaa.

Väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli kehittää uusia, selektiivisiä analyysimenetelmiä alhaisten ksantaattipitoisuuksien määrittämiseksi prosessi- ja ympäristövesistä. Lisäksi tavoitteena oli tutkia arktisten ilmasto-olosuhteiden vaikutusta ksantaattien hajoamiseen. Tutkimukset on tehty laboratoriomittakaavassa käyttäen sekä synteettisiä että kaivosalueelta kerättyjä vesinäytteitä. Tutkimuksessa kehitettiin kaksi analyysimenetelmää, joissa ksantaattipitoisuudet määritetään esikäsittelyn jälkeen korkean erotuskyvyn nestekromatografi – induktiivisesti kytketty plasma tandem massaspektrometrisesti (HPLC-ICP-MS/MS). Määritystä varten ksantaatit esikäsiteltiin muodostamalla niiden johdannaisia joko hapettamalla tai kompleksoimalla. Näistä ensin mainittua hyödynnettiin, kun tutkittiin erityisesti lämpötilan vaikutusta ksantaattien hajoamiseen.

Tutkimuksen tuloksena todettiin, että HPLC-ICP-MS/MS tekniikkaa voidaan hyödyntää pienten ksantaattipitoisuuksien selektiivisessä määrityksessä. Havaittiin myös, että olosuhteet esikäsittelyn aikana on optimoitava huolellisesti, sillä ksantaattien monimutkaiset reaktiot vaikeuttavat luotettavien kvantitatiivisten menetelmien kehittämistä. Lisäksi todettiin, että alhaisissa lämpötiloissa ksantaattien hajoaminen hidastuu merkittävästi. Tämä väitöstutkimus on uusi avaus entistä luotettavampien ksantaattien analyysimenetelmien kehittämiseksi. Saadut tutkimustulokset myös viittaavat siihen, että arktisten olosuhteiden vaikutus ksantaattien hajoamiseen tulisi ottaa huomioon niiden ympäristövaikutuksia arvioitaessa.

see all

Osajulkaisut / Original papers

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

  1. Suvela, R., Niemelä, M., & Perämäki, P. (2022). Determination of ethyl xanthate in aqueous solution by high performance liquid chromatography–inductively coupled plasma–tandem mass spectrometry and spectrophotometry. Analytical Letters, 55(12), 1857–1871. https://doi.org/10.1080/00032719.2022.2031205

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Suvela, R., Genevrais, S., Niemelä, M., & Perämäki, P. (2022). The effect of experimental conditions on the formation of dixanthogen by triiodide oxidation in the determination of ethyl xanthate by HPLC–ICP-MS/MS. Analytical Sciences, 38(9), 1221–1231. https://doi.org/10.1007/s44211-022-00155-x

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Suvela, R., Niemelä, M., & Perämäki, P. (2023). Determination of xanthates as Cu(II) complexes by high‐performance liquid chromatography – Inductively coupled plasma tandem mass spectrometry. Journal of Separation Science, 46(16), 2300176. https://doi.org/10.1002/jssc.202300176

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Suvela, R., Niemelä, M., Perämäki, P., & Luukkanen, S. (2023). Decomposition of xanthates in arctic conditions: Evaluation of significant parameters in process and environmental water samples. Manuscript in preparation.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-952-62-3842-5
ISBN Print: 978-952-62-3841-8
Issue: 787
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 116 Chemical sciences
Subjects:
Funding: The financial support by the Technology and Natural Sciences Doctoral Program of the University of Oulu and Alfred Kordelin Foundation (Gust Kompa fund) which made this research possible is gratefully acknowledged.
Copyright information: © University of Oulu, 2023. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.