Chemical Treatment of Highly Toxic Acid Mine Drainage at A Gold Mining Site in Southwestern Siberia, Russia

The critical environmental situation in the region of southwestern Siberia (Komsomolsk settlement, Kemerovo region) is the result of the intentional displacement of mine tailings with high sulfide concentrations. During storage, ponds of acidic water with incredibly high arsenic (up to 4 g/L) and metals formed on the tailings. The application of chemical methods to treat these extremely toxic waters is implemented: milk of lime Ca(OH)2, sodium sulfide Na2S, and sodium hydroxide NaOH. Field experiments were carried out by sequential adding pre-weighed reagents to the solutions with control of the physicochemical parameters and element concentrations for each solution/reagent ratio. In the experiment with Ca(OH)2, the pH increased to neutral values most slowly, which is contrary to the results from the experiment with NaOH. When neutralizing solutions with NaOH, arsenic-containing phases are formed most actively, arsenate chalcophyllite Cu18Al2(AsO4)4(SO4)3(OH)24·36H2O, a hydrated iron arsenate scorodite, kaatialaite FeAs3O9·8H2O and Mg(H2AsO4)2. A common specificity of the neutralization processes is the rapid precipitation of Fe hydroxides and gypsum, then the reverse release of pollutants under alkaline conditions. The chemistry of the processes is described using thermodynamic modeling. The main species of arsenic in the solutions are iron-arsenate complexes; at the end of the experiments with Ca(OH)2, Na2S, and NaOH, the main species of arsenic is CaAsO4−, the most toxic acid H3AsO3 and AsO43−, respectively. It is recommended that full-scale experiments should use NaOH in the first stages and then Ca(OH)2 for the subsequent neutralization

Geochemical modeling of heavy metals behavior in technogenic systems

Relevance. Improving the quality of forecasting pollutant migration requires understanding and reflection in models of hydrochemical processes, which determine the behavior of elements in a complex multicomponent, multiphase environment, their interaction with other components. In most cases, mine drainage is a complex mixture of substances experiencing mineral phase transitions with subsequent dissolution/sedimentation, which requires the use of numerical hydrogeochemical modeling. The aim of the research is a quantitative description of hydrogeochemical processes in interaction of neutral and slightly alkaline mine waters with a river. The methods of investigation included the analysis of water samples for general chemical (potentiometric and titrimetric methods) and elemental (ISP-AES) composition and calculation modeling of chemical forms of elements in solution and saturation indexes of mineral phases using the WATEQ4f program. The results of the study showed that, despite neutral and slightly alkaline pH values of mine drainages, heavy metals and sulfates can reach extreme values, and their mobile forms of migration can pose a real threat to aquatic ecosystems and landscapes. The main chemical forms of Zn, which is the main pollutant, are sulfate and aquatic complexes. After entering the river, zinc is mainly represented by aqua-ions and carbonate complexes. Iron at all sampling sites is represented exclusively by hydroxide complexes. Calculations of saturation indices relative to minerals have revealed that the streams are supersaturated with respect to Fe(OH)3 ferrithydrite, FeOOH goethite, BaSO4 barite, which are stable both in the mixing zone and in the river. Zinc, as the predominant pollutant, forms its own mineral phase, which in composition corresponds to willemite Zn2[SiO4]

Transfer of chemical elements in vapor-gas streams at the dehydration of secondary sulfates

The elemental composition of vapor-gas streams obtained during heating of secondary hydrous sulfates are presented. Samples of abundant sulfate intergrowth were collected at the Belovo waste heaps and heated at 60ºC in experiments to collect condensates of the releasing vapor-gas streams. A wide spectrum of major and trace elements was determined in the condensate. Chemical elements can be absorbed by the water vapor and migrate with this phase during the dehydration of hydrous sulfates. To determine the mechanisms of migration and the sources of elements in vapor-gas streams, a study of the features of certain hydrous sulphates (antlerite, goslarite, starkeyite, gunningite, siderotile, sideronatrite) by stepwise heating up to 60ºC was conducted. Alteration in the phase composition is controlled by powder X-ray diffractometry. It was determined, that antlerite and starkeite remain stable throughout the temperature range. The beginning of the separation of structural water in goslarite and siderotile occurs at 40°C. Goslarite and sideronatrite at 40°C lost water molecules and transformed to gunningite and Na-jarosite, correspondingly. Structure of siderotile was loosened. The modes of occurrence of the chemical elements in sulfates and pore solution determine the concentrations of elements in the condensates

Hydrochemical Anomalies in the Vicinity of the Abandoned Molybdenum Ores Processing Tailings in a Permafrost Region (Shahtama, Transbaikal Region)

The mobility of chemical elements during the transition from molybdenum ore processing waste to aqueous solutions and the hydrochemical anomalies of a number of elements in surface and underground waters in the vicinity of an abandoned tailings dump were investigated. It is shown that alkaline and alkaline earth metals have high mobility—the main rock-forming components (sodium, lithium, magnesium, strontium), which are released into solution due to leaching from the minerals of the host rocks, as well as metals with zinc, cadmium, manganese, and nickel, which are released into solution due to the dissolution of ore sulfides. Elements with high mobility include Sb, Co, Cu, Be, Se, and Tl. Medium mobility has As, an element of the first hazard class, as well as Mo, Fe, and Pb. Hydrochemical anomalies of cadmium, arsenic, molybdenum, and lead have been determined. The nature of the arsenic and molybdenum anomalies is most likely related to the regional background, while the source of cadmium and lead is most likely the waste studied. The main chemical forms of the presence of elements in the solution of ponds on the surface of tailings ponds are free-ion and sulfate complexes. For example, in the samples of the Shakhtama River and groundwater, we found carbonate, bicarbonate, and hydroxide complexes. The information obtained should be taken into account when planning measures for the purification of surface and groundwater from metals. Additional studies should consider using groundwater in the vicinity of the tailings for drinking water supply

Geochemical modeling of heavy metals behavior in technogenic systems

Актуальность. Повышение качества прогнозов миграции загрязняющих веществ требует понимания и отражения в моделях гидрохимических процессов, определяющих поведение элементов в сложной мультикомпонентной, многофазной среде, их взаимодействия с другими компонентами. В большинстве случаев рудничный дренаж является сложной смесью веществ, испытывающих минеральные фазовые переходы с последующим растворением/осаждением, что требует применения численного гидрогеохимического моделирования. Цель работы: количественное описание гидрогеохимических процессов при взаимодействии нейтральных и слабощелочных рудничных вод с рекой. Методы исследования включали в себя анализ водных проб на общий химический (потенциометрические и титриметрические методы) и элементный (ИСП-АЭС) состав и расчетное моделирование химических форм нахождения элементов в растворе и индексов насыщения минеральных фаз при помощи программы WATEQ4f. Результаты исследования показали, что, несмотря на нейтральные и слабощелочные значения pH дренирующих рудничных потоков, содержание тяжелых металлов и сульфатов в них может достигать экстремальных значений, а их подвижные формы миграции могут представлять реальную угрозу для водных экосистем и ландшафтов. Основные химические формы нахождения Zn, являющегося главным загрязнителем, - это его сульфатные и акватированные комплексы. После впадения в реку цинк представлен преимущественно аква-ионами и карбонатными комплексами. Железо на всех участках опробования представлено исключительно гидроксидными комплексами. Расчеты индексов насыщения относительно минералов выявили, что ручьи пересыщены по отношению к ферригидриту Fe(OH)3, гетиту FeOOH, бариту BaSO4, которые устойчивы как в зоне смешения, так и в реке. Цинк, как преобладающий загрязнитель, образует собственную минеральную фазу, по составу отвечающую виллемиту Zn2[SiO4].Relevance. Improving the quality of forecasting pollutant migration requires understanding and reflection in models of hydrochemical processes, which determine the behavior of elements in a complex multicomponent, multiphase environment, their interaction with other components. In most cases, mine drainage is a complex mixture of substances experiencing mineral phase transitions with subsequent dissolution/sedimentation, which requires the use of numerical hydrogeochemical modeling. The aim of the research is a quantitative description of hydrogeochemical processes in interaction of neutral and slightly alkaline mine waters with a river. The methods of investigation included the analysis of water samples for general chemical (potentiometric and titrimetric methods) and elemental (ISP-AES) composition and calculation modeling of chemical forms of elements in solution and saturation indexes of mineral phases using the WATEQ4f program. The results of the study showed that, despite neutral and slightly alkaline pH values of mine drainages, heavy metals and sulfates can reach extreme values, and their mobile forms of migration can pose a real threat to aquatic ecosystems and landscapes. The main chemical forms of Zn, which is the main pollutant, are sulfate and aquatic complexes. After entering the river, zinc is mainly represented by aqua-ions and carbonate complexes. Iron at all sampling sites is represented exclusively by hydroxide complexes. Calculations of saturation indices relative to minerals have revealed that the streams are supersaturated with respect to Fe(OH)3 ferrithydrite, FeOOH goethite, BaSO4 barite, which are stable both in the mixing zone and in the river. Zinc, as the predominant pollutant, forms its own mineral phase, which in composition corresponds to willemite Zn2[SiO4]

Geochemical modeling of heavy metals behavior in technogenic systems

Актуальность. Повышение качества прогнозов миграции загрязняющих веществ требует понимания и отражения в моделях гидрохимических процессов, определяющих поведение элементов в сложной мультикомпонентной, многофазной среде, их взаимодействия с другими компонентами. В большинстве случаев рудничный дренаж является сложной смесью веществ, испытывающих минеральные фазовые переходы с последующим растворением/осаждением, что требует применения численного гидрогеохимического моделирования. Цель работы: количественное описание гидрогеохимических процессов при взаимодействии нейтральных и слабощелочных рудничных вод с рекой. Методы исследования включали в себя анализ водных проб на общий химический (потенциометрические и титриметрические методы) и элементный (ИСП-АЭС) состав и расчетное моделирование химических форм нахождения элементов в растворе и индексов насыщения минеральных фаз при помощи программы WATEQ4f. Результаты исследования показали, что, несмотря на нейтральные и слабощелочные значения pH дренирующих рудничных потоков, содержание тяжелых металлов и сульфатов в них может достигать экстремальных значений, а их подвижные формы миграции могут представлять реальную угрозу для водных экосистем и ландшафтов. Основные химические формы нахождения Zn, являющегося главным загрязнителем, - это его сульфатные и акватированные комплексы. После впадения в реку цинк представлен преимущественно аква-ионами и карбонатными комплексами. Железо на всех участках опробования представлено исключительно гидроксидными комплексами. Расчеты индексов насыщения относительно минералов выявили, что ручьи пересыщены по отношению к ферригидриту Fe(OH)3, гетиту FeOOH, бариту BaSO4, которые устойчивы как в зоне смешения, так и в реке. Цинк, как преобладающий загрязнитель, образует собственную минеральную фазу, по составу отвечающую виллемиту Zn2[SiO4].Relevance. Improving the quality of forecasting pollutant migration requires understanding and reflection in models of hydrochemical processes, which determine the behavior of elements in a complex multicomponent, multiphase environment, their interaction with other components. In most cases, mine drainage is a complex mixture of substances experiencing mineral phase transitions with subsequent dissolution/sedimentation, which requires the use of numerical hydrogeochemical modeling. The aim of the research is a quantitative description of hydrogeochemical processes in interaction of neutral and slightly alkaline mine waters with a river. The methods of investigation included the analysis of water samples for general chemical (potentiometric and titrimetric methods) and elemental (ISP-AES) composition and calculation modeling of chemical forms of elements in solution and saturation indexes of mineral phases using the WATEQ4f program. The results of the study showed that, despite neutral and slightly alkaline pH values of mine drainages, heavy metals and sulfates can reach extreme values, and their mobile forms of migration can pose a real threat to aquatic ecosystems and landscapes. The main chemical forms of Zn, which is the main pollutant, are sulfate and aquatic complexes. After entering the river, zinc is mainly represented by aqua-ions and carbonate complexes. Iron at all sampling sites is represented exclusively by hydroxide complexes. Calculations of saturation indices relative to minerals have revealed that the streams are supersaturated with respect to Fe(OH)3 ferrithydrite, FeOOH goethite, BaSO4 barite, which are stable both in the mixing zone and in the river. Zinc, as the predominant pollutant, forms its own mineral phase, which in composition corresponds to willemite Zn2[SiO4]

Assessment of acid-base accounting of mine waste rocks and mobility of potentially toxic elements of the Razdolinsky ore field (Krasnoyarsk territory)

Актуальность работы продиктована выносом потенциально токсичных металлов и металлоидов в окружающую среду из отвальных пород и хвостохранилищ. Цель работы: создание комплексной методики прогнозной оценки состава дренажных потоков из отвальных пород, определение кислотопродуцирующего и кислотонейтрализующего потенциалов вещества с учётом минеральных форм - источников токсичных элементов в дренажных потоках на примере Раздолинского рудного узла. Методы. Химический состав отвальных пород и формирующихся стоков определяли методами РФА, ИСП-АЭС, потенциометрии и классической аналитической химии. Прогноз кислотности стоков осуществлялся расчётом кислотонейтрализующего и кислотопродуцирующего потенциалов. Для повышения достоверности оценки появления кислых стоков дополнительно был определен нейтрализующий потенциал вещества отвалов и хвостохранилищ по методу Собека. Пероксидный эксперимент был проведён для оценки состава стоков при окислении отвальных пород и разрушении минеральной матрицы. Результаты. Представлены результаты исследования потенциальной опасности стоков из складированных отвальных пород, образующихся при разработке золоторудных месторождений Раздолинского рудного узла. Оценка соотношения кислотопродуцирующего и кислотонейтрализующего потенциалов показала, что стоки из отвалов при взаимодействии сезонных потоков с веществом пород будут нейтральными-слабощелочными вследствие высокого содержания карбонатов и низкого количества сульфидов. В пероксидном эксперименте, моделирующем развитие процессов на отдалённую перспективу, среда большинства растворов также осталась нейтральной-субщелочной. Концентрации металлов в стоках будут на безопасном уровне - ниже ПДК рхн . Однако в воде стоков определены превышения над нормировочными показателями для анионогенных элементов: As, Sb, V, которые остаются подвижными как в кислой, так и в щелочной среде. По результатам исследований даны рекомендации для контроля токсичных элементов в стоках.Therelevance of the work is dictated by the need to remove potentially toxic metals and metalloids into the environment from dumps and tailings. The aim of the research is to develop an integrated method for predicting the composition of drainage flows from dump rocks, deter­ mining acid and neutralization potentials, taking into account mineral forms - sources of toxic elements in drainage flows for Razdolinsky ore field. Methods. Chemical composition of waste rocks and forming wastewaters was determined by X-ray diffraction, ICP-AES, potentiometry and classical analytical methods. Effluent acidity was predicted by calculating the acid and neutralization potentials. The neutralization potential of the substance of dumps and tailings was additionally determined according to the Sobek method to increase the reliability of assessment of acidic effluent occurrence. A peroxide experiment was carried out to assess the effluent composition at oxidation of dump rocks and destruction of mineral matrix. Results. This article presents the results of the potential danger assessment for mine waste rocks formed during the development of the Razdolinsky gold ore deposit. The calculation of the acid and neutralization potentials ratio showed that wastewater from dumps will be neutral or weakly alkaline during the interaction of seasonal flows with the rocks. The main reason is in high content of carbonates and low amounts of sulfides. The resulting solutions also remained neutral or subalkaline in a peroxide experiment that simulates the long-term processes. The concentrations of metals in the effluent will be at a safe level - below the MPC. However, concentrations of anionic elements As, Sb, and V in the effluent exceed the normalization indices, which indicates that they remain mobile in both acidic and alkaline conditions. The results of the study allowed us to make a recommendation to control the level of toxic elements in the effluents

Hydrochemical and gaseous anomalies on sulfide tailings (Salair, Kemerovo region)

Актуальность исследования связана с получением новых данных по процессам, происходящим в складированных сульфидных отходах, их трансформации под действием окислительных факторов, миграции токсичных компонентов в окружающую среду. Цель: определение вертикальной зональности по элементному составу и содержанию газов (сероуглерода и диметилсульфида) в хвостохранилище, а также установление гидрохимических аномалий в ближайшей реке в результате миграции потенциально токсичных элементов с водными потоками из отходов. Объект: заброшенное хвостохранилище Салаирского горно-обогатительного комбината - Талмовские Пески (г. Салаир, Кемеровская область), вмещающее отходы цианирования и флотации барит-полиметаллических руд. Методы. В полевых условиях проводилась термометрия, газовый анализ, электроразведка методом сопротивлений в режиме электротомографии. Отбор твердых и жидких проб выполнялся в соответствии с общепринятыми методиками. Лабораторное изучение химического состава проб проводилось методами кондуктометрии, потенциометрии, капиллярного электрофореза, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Результаты. Распределение общих концентраций элементов по вертикали определяется неоднородностью складированного материала отходов. На примере двух разрезов до глубины 1,2 м определено, что влажность вещества возрастает с глубиной, а температура, значения рН паст и водных вытяжек снижаются. С глубиной закономерно возрастает количество водорастворимых форм металлов за счет преобразования сульфидов в кислых условиях, а также вследствие поступления из верхних горизонтов. Газогенерация сероуглерода и диметилсульфида, напротив, возрастает к верхним слоям хвостохранилища, что, всего скорее, связано как с их накоплением, так и интенсивным преобразованием минеральной матрицы и активным функционированием биоты в верхних прогреваемых слоях с нейтральной реакцией среды. В результате активных взаимодействий вещества отходов с водой и газами в реке Малой Талмовой, в русле которой расположено хвостохранилище, формируются контрастные гидрохимические аномалии с высокими концентрациями металлов.The relevance of the research consists in obtaining data on the processes occurring in the sulfide mine waste, their transformation under the influence of oxidative factors, migration of toxic components into the environment. The main aim of the research is to determine the vertical zoning by elemental composition and content of gases (carbon disulfide and dimethyl sulfide) in the tailings, as well as to establish the hydrochemical anomalies in the nearest river as a result of migration of potentially toxic elements with water flows from the tailings. Object of the research is the abandoned tailings dump of the Salair mining and processing plant - Talmovskie Peski (Salair, Kemerovo region), containing wastes of cyanidation and flotation of barite-polymetallic ores. Methods. In the field, thermometry, gas analysis, electric exploration by the resistance method in the electrotomography mode were carried out. Solid and liquid sampling was carried out in accordance with generally accepted techniques. The laboratory study of the chemical composition was carried out by the methods of conductometry, potentiometry, capillary electrophoresis, and mass spectrometry with inductively coupled plasma. Results. The vertical distribution of the total element concentrations is determined by the heterogeneity of the stored tailings material. Using the example of two cross sections to a depth of 1,2 m, it was determined that the humidity of the substance increases with depth, and the temperature, pH pastes and aqueous extracts decrease. With depth, the amount of water-soluble species of metals increases due to the transformation of sulfides in acidic conditions, as well as due to the inflow from the upper horizons. The gas generation of carbon disulfide and dimethyl sulfide increases towards the upper layers of the tailings, which is due to the both transformation of minerals, and active functioning of biota in the upper heated layers with a neutral reaction of the medium. As a result of active tailings-water-gas interactions, contrasting hydrochemical anomalies with high metal concentrations are formed in the Malaya Talmovaya River, in the channel of which the tailing dump is located