Consolidation of mine tailings and immobilization of heavy metals through geopolymerization reactions

Abstract

IIn this work, mine tailings are consolidated through geopolymerization reactions to be of a satisfactory mechanical property and the toxic substances in mine tailings are immobilized. To approach the geopolymerization of mine tailings without calcination, the features of mine tailings were first simulated in the syntheses of metakaolin geopolymers, which were of high Si/Al ratios, high content of quartz sand and no calcination. Then, geothermal clay, which was of the intermediate reactivity between metakaolin and mine tailings in geopolymerization reactions, was studied in geopolymer formation. After that, mine tailings have been consolidated directly. Microstructures of the mine tailings-based geopolymers were studied and the immobilization forms of heavy metals were quantitatively calculated. In a typical experiment for studying the variables (e.g., Si/Al ratio) in geopolymer formation, aluminosilicates (metakaolin, geothermal clay or mine tailings) were activated by alkali solutions, then, the consolidated products were characterized for their mechanical property and microstructure. This data was used to illustrate how the variables affect the geopolymerization reactions. In a typical synthesis, raw aluminosilicates were mixed with alkali solution (e.g. NaOH and Na2SiO3). Then the mixture was poured into a cubic steel mold (50 mm×50 mm×50 mm) and vibrated on a vibration table for 3 min to liberate the air bubbles. After that, the mold was sealed for the curing process, in which it was first cured at 60 °C for 6 h and continued at room temperature for 7 days. The products were characterized by scanning electron microscopy (SEM), x-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for morphology and microstructures, and mechanical tester for compressive strength.

EEn el presente trabajo, desechos mineros son consolidados a través del proceso de reacciones de geopolimerización para ser de propiedades mecánicas satisfactorias mientras que las sustancias toxicas en los desechos mineros son inmovilizadas. Para tratar la geopolimerización de deshechos mineros sin calcinación, las características de los desechos mineros fueron simuladas primeramente en la síntesis de geopolímero de metacaolín con altas relaciones Si/Al, alto contenido de arena de cuarzo y sin calcinación. Después, arcilla geotérmica, la cual fue de reactividad intermedia entre el metacaolín y los desechos mineros en las reacciones de geopolimerización, fue estudiada en la formación del geopolímero. Posteriormente, los desechos mineros se consolidaron directamente. Microestructuras de los geopolímeros hechos de los desechos mineros fueron estudiados y las formas de inmovilización de metales pesados fueron calculadas cuantitativamente. Un experimento típico para estudiar las variables (e.g. relación Si/Al) en la formación de geopolimeros, aluminosilicatos (metacaolín, arcilla geotérmica o desechos mineros) fueron activados por medio de soluciones alcalinas, después, los productos consolidados fueron caracterizados para conocer sus propiedades mecánicas y microestructura. Esta información fue usada para ilustrar como las variables afectan las raciones de geopolimerización. En una síntesis típica, aluminosilicatos en bruto fueron mezclados con una solución alcalina (NaOH and Na2SiO3)). Después, la mezcla fue vertida dentro de un recipiente cubico de acero (50 mm×50 mm×50 mm) y sometida a vibración por 3 min para liberar las burbujas de aire. Posteriormente, el molde fue sellado para el proceso del curado y se inició el proceso de curado 60 oC por 6 h y después a temperatura ambiente por 7 días. Los geopolímeros fueron caracterizados por microscopía electrónica de barrido (MEB), difracción de rayos-x (DRX), espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier (EITF) y espectroscopia de fotoelectrones de rayos-x (EFRX) para morfología y microestructuras.