Geochemistry of CO₂ in Steel Slag Leach Beds

Abstract

Performance data was previously collected from steel slag leach beds (SLBs) being used to treat AMD in southeastern Ohio. During initial analysis of the SLB performance, it was postulated that CO₂ geochemistry significantly affected the performance through precipitation of carbonate minerals in the flow paths of the SLB. To verify this postulation, we conducted a further investigation of the CO₂ geochemistry in the SLBs, including extended geochemical analyses and additional X-ray diffractometer analyses. Since the primary geochemical reaction of CO₂ in SLBs is mineral carbonation with calcium, a simple model was used to calculate the Ca dissolution potentials in the SLBs. The molar values for Ca dissolution potential were then used along with each SLB’s influent chemical concentrations in PHREEQC geochemical analyses to verify effluent concentrations and calcite precipitation. Results showed good agreement between the modeled effluent concentrations and the actual data, indicating that this approach can be used to estimate calcite precipitation within SLB systems.

Zusammenfassung

Im Südosten Ohios werden zur Behandlung von sauren Grubenwässern Festbettreaktoren aus Stahlschlacke (SLBs) verwendet. Aus den Festbettreaktoren wurden zuvor Analysedaten gesammelt. Auf Grund der ersten Analysen des SLB-Verfahrens wurde davon ausgegangen, dass die CO2-Geochemie das Verfahren signifikant durch Karbonatfällung beeinflusst. Wir führten weitere Untersuchungen zur CO2-Geochemie in SLBs durch, um diese Annahme zu überprüfen. Diese Untersuchungen beinhalteten erweiterte geochemische Analysen und Röntgendiffraktometeranalysen (XRD). Da die Karbonatisierung mit Calcium die wesentliche geochemische Reaktion des CO2 in SLBs ist, wurde ein einfaches Modell zur Berechnung des Ca-Löslichkeitspotentials in den SLBs angewendet. Die molaren Werte des Ca-Löslichkeitspotentials wurden zusammen mit den chemischen Konzentrationen im Zulauf der SLBs in PHREEQC verwendet, um die Konzentration im Ablauf sowie die Calcitfällung zu prüfen. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den modellierten und den gemessenen Konzentrationen im Ablauf. Dies zeigt, dass diese Vorgehensweise genutzt werden kann, um die Calcitfällung in SLBs abzuschätzen.

Resumen

Se colectaron datos de comportamiento de lechos de lixiviación de escorias de acero (SLBs) que estaban siendo usadas para tratar AMD en el sudeste de Ohio. En un análisis inicial se propuso que la geoquímica de CO2 afectó significativamente el comportamiento a través de la precipitación de carbonato en los pasos del flujo de SLB. Para verificar esta hipótesis, se realizó una investigación posterior sobre la geoquímica del CO2 en los SLBs, incluyendo análisis geoquímicos extendidos y análisis de difracción de rayos X (XRD). Debido a que la reacción geoquímica primaria del CO2 en los SLBs es carbonatación con Ca, se desarrolló un modelo simple para calcular la potencial disolución de Ca en los SLBs. Los valores molares para la disolución de Ca fueron luego usados para cada concentración del influente dentro de los análisis geoquímicos PHREEQC para verificar las concentraciones del efluente y la precipitación de calcita. Los resultados mostraron buen acuerdo entre los datos reales y los predichos por el modelo, indicando que esta aproximación puede ser usada para estimar la precipitación de calcita dentro de los sistemas SLB.

抽象

本文收集了大量钢渣滤床(SLBs)行为特征的资料以指导俄亥俄东南地区酸性矿山废水(AMD)处理技术研究。在分析钢渣滤床(SLBs)地球化学行为特征的时候,通常假定二氧化碳(CO2)控制着钢渣滤床(SLBs)中水流通道内的碳酸盐矿物沉淀。为证明该假设,进一步试验研究了二氧化碳(CO2)在钢渣滤床(SLBs)中的地球化学特征,试验包括补充地球化学分析和X射线分析等。由于二氧化碳(CO2)在钢渣滤床(SLBs)中的主要地球化学反应是钙(Ca)的碳酸盐化,采用一种简便模型计算钙(Ca)在钢渣滤床(SLBs)的溶解势。钙(Ca)溶解势的摩尔值与每个钢渣滤床(SLBs)注入液的浓度一起用于PHREEQC模型计算,以验证SLB流出液体浓度和钙(Ca)沉淀数量。结果证明,模拟的SLB出流液浓度和实际观测值吻合较好,该方法能够用以评价SLB钙(Ca)沉淀特征。