Universität zu Köln

Spanka, Marina (2018). Minimizing the release of Chromium, Molybdenum, Vanadium, and Fluoride from Steelwork Slags. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Steelwork slags (SWS) are important by-products of the iron and steel manufacturing. About 87% of SWS are used in qualified fields of application: e.g., for internal use, as construction and building materials, as fertilizer or for metallurgical processes; but the remaining 13% of SWS still have to be deposited in landfills. For use as construction and building material, SWS have to fulfill stringent technical and environmental requirements, which are continuously evolving. In consequence higher amounts of SWS might have to be landfilled in the future. The overall aim of this research project was to improve the leaching behavior of environmentally relevant parameters, i.e., chromium, molybdenum, vanadium and fluoride from SWS and to enhance the knowledge about the release of these parameters from SWS, to ensure the use of SWS as a construction product. Two different approaches were investigated: accelerated carbonization of SWS (project I) and immobilization with additives (project II). In project I the influence of natural and accelerated carbonation on the leaching behavior of SWS was investigated. From the obtained results the outdoor exposed SWS show a distinct increase in Si and V leaching and a decrease of Ca leaching, with lower pH, due to carbonation. The other investigated elements (Al, Cr, Mo, and F−) react differently to carbonation depending on the mineral binding. However, the achieved results show that the German LAGA emplacement category can be improved from Z 2 (restricted appli-cations with defined safeguarding measures) to Z 1 (restricted open applications) due to carbonation. The immobilization of trace elements and fluoride with appropriate additives was investigated in project II. Seven mineral additives were tested for their efficiency to immobilize Cr, Mo, V, and F− in SWS eluates, which were obtained from four different SWS. It was possible to identify two suitable additives: iron oxide hydroxide (a commercial available product) and water work sludge (classified as waste). Both additives show a significant immobilization of the above mentioned parameters. To verify these results, long term studies with these two additives and four SWS were done under practical conditions. The relation of mineralogy and related leaching behavior, i.e., the availability of environmentally relevant elements was also investigated, which is quite lacking in the literature. This issue was investigated with a four-fraction-based sequential extraction procedure in combination with X-ray diffraction. The results showed that Cr and Mo primarily occurred in F4, representing rather immobile elements under natural conditions, which were strongly bound into/onto Fe-minerals (srebrodolskite, magnetite, hematite or wustite). In contrast, V was more mobile with proportional higher findings in F2 and F3, and the X-ray diffraction results reveal that V was not solely bound into Ca-minerals (larnite, hatrurite, kirschsteinite and calcite), but also to Fe-minerals. The results indicated that the total content of elements after digestion is a poor indicator of the availability of elements, and did not correspond to the leaching of elements from basic oxygen furnace slags.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Stahlwerksschlacken (SWS) sind ein wichtiges Nebenprodukt der Eisen- und Stahlproduktion. Etwa 87% der SWS werden in hochwertigen Anwendungen eingesetzt, unter anderem intern in den Stahlwerken, als Bauprodukt, als Düngemittel oder für metallurgische Prozesse. Die restlichen 13% SWS müssen jedoch deponiert werden. Für den Einsatz als Bauprodukt müssen SWS strenge technische und umwelttechnische Anforderungen mit stetig steigenden Anforderungen erfüllen. Die Folge ist, dass in Zukunft eine größere Menge an SWS deponiert werden müsste. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die Auslaugung der umweltrelevanten Parameter Chrom, Molybdän, Vanadium und Fluorid aus SWS zu verringern. Dazu wurden zwei verschieden Ansätze untersucht: Karbonatisierung von SWS (Projekt I) und Immobilisierung mit Additiven (Projekt II). In Projekt I wurde der Einfluss der natürlichen und der beschleunigten Karbonatisierung auf das Auslaugverhalten von SWS untersucht. Die Ergebnisse der karbonatisierten SWS zeigen einen deutlichen Anstieg der Si und der V Konzentrationen in den Eluaten und eine Abnahme von Ca sowie niedrigere pH-Werte. Die weiteren untersuchen Elemente (Al, Cr, Mo und F−) reagieren unterschiedlich auf die Karbonatisierung, abhängig von der mineralischen Bindung. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass sich die deutschen LAGA Kategorien von Z 2 (eingeschränkte Anwendung mit definierten Schutzmaßnahmen) zu Z 1 (eingeschränkte, offene Anwendung) durch die Karbonatisierung verbessern lässt. Die Immobilisierung von Spurenelementen und Fluorid mit geeigneten Additiven wurde in Projekt II untersucht. Sieben mineralische Additive wurden auf ihre Wirksamkeit zur Immobilisierung von Cr, Mo, V und F− in SWS-Eluaten getestet, welche aus vier SWS gewonnen wurden. Es konnten zwei geeignete Additive identifziert werden: Eisenoxidhydroxid (ein käufliches Produkt) und Wasserwerksschlamm (klassifiziert als Abfall). Beide zeigten eine signifikante Immobilisierung der oben genannten Parameter. Um diese Ergebnisse zu unterstützen wurden Langzeittests mit diesen zwei Additiven und zwei SWS unter praxisnahen Bedingungen durchgeführt. Des Weiteren wurde der Zusammenhang von Mineralogie und dem Auslaugverhalten, also der Verfügbarkeit von umweltrelevanten Parametern, untersucht, da hierzu in der Literatur kaum Informationen vorliegen. Diese Frage wurde mittels einer sequentiellen Fraktonierung basierend auf vier-Schritten (Fraktionen) in Kombination mit Röntgenbeugung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Cr und Mo hauptsächlich in F4 auftraten und somit unter natürlichen Bedinugngen weitgehend immobil sind, da sie stark an/in Fe-Mineralen (Srebrodolskit, Magnetit, Hematit oder Wüstit) gebunden sind. In Gegensatz dazu war V deutlich mobiler mit propotional höheren Wiederfindungsraten in F2 und F3, die Röntgenbeugungsergebnisse zeigen, dass V nicht nur in Ca-Mineralen (Larnit, Hatrurit, Kirschsteinit und Calcit) sondern auch in Fe-Mineralen gebunden vorliegt. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die Gesamtmenge im Vollaufschluss ein schlechter Indikator für die Verfügbarkeit von Elementen ist und nicht der Auslaugung von Parametern aus LD-Schlacken entspricht. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Spanka, Marina marina_spanka@web.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-85836
Date:	March 2018
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Geographisches Institut
Subjects:	Natural sciences and mathematics Chemistry and allied sciences Earth sciences Geography and travel
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language carbonation, leaching, sorption, steelwork slags, trace elements English
Date of oral exam:	16 May 2018
Referee:	Name Academic Title Mansfeldt, Tim Prof. Dr. Bareth, Georg Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8583