Mineralogie důlních odpadů a strategie remediace

Transkript

1 Mineralogie důlních odpadů a strategie remediace

2 Acid rock drainage V přírodě vzniká i bez lidského zásahu gossany, zářezy řečišť v sulfidy bohatých horninách Častěji vzniká v důsledku lidské činnosti - povrchová těžba v sulfidy bohatých horninách (černé břidlice, sulfidické rudy, hnědé uhlí aj.) -zářezy komunikací v takovýchto horninách

3 Přírodní ARD

4

5

6 Faktory způsobující vznik ARD Umožnění přístupu kyslíku a vody k zrnům sulfidů Zvětšení měrného povrchu

7 Faktory způsobující vznik ARD Příznivý poměr hlavních komponent: Kyselost produkující fáze > kyselost konzumující fáze V aridním prostředí mohou být kyselost produkující fáze primárním zdrojem jako je oxidace sulfidů, a sekundárními zdroji, jako je rozpouštění sulfátů

8 Oxidační reakce sulfidů železa a síranů produkující kyselost Reakce 1 a) FeS 2 +7/2O 2 + H 2 O = Fe 2+ +2SO H + b) 2FeS 2 +7O 2 + 2H 2 O = 2FeSO 4 +2H 2 SO 4 Reakce 2 a) Fe 2+ + H 2 O + O 2 = Fe(OH) 3 + 2H + b) 2FeSO 4 +H 2 SO 4 +1/2O 2 = Fe 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O Reakce 3 Fe /4O 2 +H+ = Fe /4H 2 O Reakce 4 FeS 2 +14Fe H 2 O = 15Fe 2+ +2SO H + Stádium 1 Reakce 1: probíhá abioticky a/nebo bakteriální oxidací (Reakce b) častěji při bakteriální oxidaci) Reakce 2: probíhá abioticky, s klesajícím ph se zpomaluje (Reakce b) častěji při bakteriální oxidaci) Celková charakteristika: ph okolo 4.5 nebo vyšší, vysoká koncentrace sulfátů, nízká koncentrace Fe, nízké ph

9 Stádium 2 Reakce 1: probíhá probíhá abioticky a bakteriální oxidací (Reakce b) častěji při bakteriální oxidaci) Reakce 2: probíhá rychlostí určovanou primárně aktivitou baktérií jako je T. ferrooxidans Celková charakteristika: ph okolo , vysoká koncentrace sulfátů, Fe a nízké ph. Nízký poměr Fe 3+ /Fe 2+ Stádium 3 Reakce 3: probíhá rychlostí určovanou aktivitou T.ferrooxidans Reakce 4: probíhá rychlostí určovanou rychlostí Reakce 3 ph obvykle pod 2.5, vysoká koncentrace sulfátů, celkového Fe a nízké ph. Vysoký poměr Fe 3+ /Fe 2+

10 Existence galvanické koroze byla potvrzena četnými experimentálními studiemi (Thornber, 1975a; 1983; Bailey & Peters, 1976; McKibben & Barnes, 1986). Kromě toho ionty vodíku jsou uvolňovány v procesu hydrolýzy kovů; tento jev je nejvýraznější, když tímto kationtem je železo díky další oxidaci Fe2+ na Fe3+ a hydrolýze vedoucí ke vzniku Fe(OH)3. Je třeba poznamenat, že ne všechny sulfidy při oxidaci produkují kyselost (Thornber, 1992). Sulfidy typu M2S jako např. chalkosín Cu2S ve skutečnosti při oxidaci spotřebovávají H+. Rychlost oxidace sulfidů může být řízena rychlostí s jakou je kyslík dodáván a redukován na rozhraní katoda roztok. Oddělení katodické kyslík spotřebující, alkálie produkující reakce od anodické, oxidující, kyselost produkující reakce má rozhodující vliv na mineralogii vznikající asociace. Čím větší je vzdálenost mezi katodou a anodou, tím větší je vodivá oblast a v důsledku toho tím větší je rozsah oxidace sulfidů. Anodické reakce mohou probíhat uvnitř hlubokou uvnitř trhlin a podél hranic zrn, kam mohou roztoky pronikat aniž by musely obsahovat rozpuštěný kyslík (Lowson, 1982; Thornber, 1975a,b; 1992).

11 SEKUNDÁRNÍ ZDROJE KYSELOSTI Při zvětrávání mohou sulfidy uvolňovat celý kyselinotvorný potenciál, produkující řadu hydroxidů a oxidů jako např. goethit. Nebo mohou uvolňovat jen část celkové acidity a uložit část kyselosti do sekundárních solí, které jsou stabilní pouze v oxidačním kyselém prostředí, např. tvorbou jarositu: 3FeS 2 + 9/2O /2H 2 O + K + = KFe 3+ 3 (SO 4 ) 2.(OH) 6 + 4SO H + Na každý mol oxidovaného pyritu je uvolněna pouze jedna třetina síranu a vodíku. Zbytek je uložen jako nehydrolyzované, částečně oxidované sírany železa. Ne všechny tyto sírany při rozpouštění uvolňují vodík a sírany, avšak všechny uvolňují síranový ion. Tyto minerály jsou velmi rozpustné a mohou tedy představovat pohotový zdroj kyselých síranových vod při svém rozpouštění a hydrolýze.

12 Rozpouštění jarositu: KFe 3+ 3 (SO 4 ) 2.(OH) 6 + 3/2O 2 = 3FeO.OH + K+ + 2SO H + + 3/2H 2 O Následná oxidace iontů Fe2+ a hydrolýza trojmocného železa při ph > 2 představuje dodatečný zdroj kyselosti. Tyto minerály jsou tudíž důležité jak coby propady, tak coby zdroje kyselosti, sulfátů a možná i iontů kovů při precipitaci a rychlém uvolňování při vystavení se vlhkosti (Nordstrom, 1982; Fillipek et al., 1988; Cravotta, 1991, 1994).

13 Použití magnetického průzkumu při predikci ARD v superskupině Meguma, Nova Scotia (Kanada) Skupina Halifax ze superskupiny Meguma v provincii Nova Scotia obsahuje sulfidy bohaté metasedimentární horniny, které způsobují vznik ARD, když jsou mechanicky narušeny a vystaveny oxidačním podmínkám. Vznikající kyselé povrchové vody představují vážný problém již od počátku 60. let a objevily se při budování mezinárodního letiště v Halifaxu. Následkem toho dochází k úhynu ryb a degradaci kvality vody a vodního prostředí v tocích, do kterých tyto kyselé vody vtékají.

14 Zářez silnice na halifaxské letiště

15 Geologická situace

16 Mapa magnetické susceptibility: fialové odstíny odpovídají horninám bohatým na monoklinický pyrhotin

17 Radiometrická mapa okolí letiště: pozice granitoidních těles

18 Jiné příklady ARD v Kanadě Fe sraženiny v pankejtu silnice poblíž Petpeswick Lake ARD z lomu poblíž Mount Uniacke - ph okolo 2.7