Hexavalent chromium mobility in a high amorphous phase Chromite Ore Processing Residue (COPR) in the perspective of a chromium remediation treatment

Étude de la mobilité du chrome hexavalent dans la perspective d’une dépollution des charrées de chrome à forte teneur en phases amorphes

¹ Université de Lille, CNRS, Université Littoral Côte d’Opale, UMR 8187, LOG, Laboratoire d’Océanologie et de Géosciences, 59000 Lille, France
² Université de Lille, CNRS, Centrale Lille, ENSCL, Université Artois, UMR 8181, Unité de Catalyse et Chimie du Solide, 59000 Lille, France
³ CEREMA – Centre d’études et d’expertise sur les risques, l’environnement, la mobilité et l’aménagement, Direction territoriale Nord-Picardie, 59019 Lille, France
⁴ DIR-Nord – Direction interdépartementale des routes Nord, Service des politiques et techniques, Cellule Ingénierie entretien chaussées dépendances, 59019 Lille, France

^* Corresponding authors: annette.hofmann@univ-lille.fr; arnaud.sh@live.fr

Received: 23 February 2021
Accepted: 3 June 2022

Abstract

The mineralogical and chemical composition of chromite ore processing residue (COPR) from a site in the north of France (Lille) was investigated. The mineralogical composition was obtained by X-ray diffraction and Rietveld analysis. Geochemical characteristics were established based on elemental analysis, acid leaching, sequential extraction and a chemical equilibrium experiment. Remarkably, this COPR material is composed of 65% silica-rich amorphous phases. Another noticeable result is the presence of about 11% of quartz. Content in toxic Cr(VI) is about 4.9 g/kg, occurring in the solution phase or fixed in unstable crystalline cement phases. Literature data on most studied COPR materials allowed establishing a classification of the materials into (1) high calcium/low silica, (2) intermediate and (3) low calcium/high silica categories. This calcium–silica relation is indicative of the quality of the original ore and the geochemical changes having occurred in a COPR deposit over time, compared with fresh COPR produced from pure ore, and possibly the post-deposit admixture of other waste materials. The Lille material belongs to the third category. The high silica content has influenced the phase associations and their stabilities and favours Cr(VI) mobility. Extraction of leachable Cr(VI) from COPR induces formation of a new chemical equilibrium in the material with a recharge in mobile chromium due to dissolution of cement phases. However, the rate of equilibration is very slow. Four hundred days were needed for the high amorphous phase material in this study. Extraction of leachable Cr(VI) is not a suitable remediation method because it will not allow to withdraw the solid bound Cr(VI) from the material in a single treatment.

Résumé

Cette étude porte sur la caractérisation minéralogique et géochimique des charrées de chrome issues d’un site pollué de la région lilloise dans le nord de la France. La composition minéralogique a été obtenue par diffraction des rayons X et par modélisation Rietveld. La composition géochimique a été déterminée par analyse multi-élémentaire des éléments majeurs et traces du solide, par expérience de dissolution acide, extraction séquentielle et étude de la cinétique de réaction du système charrées de chrome-eau. Une particularité des charrées de chrome étudiées est la très forte teneur en phases minérales cimentaires silicatées amorphes qui s’élève à 65 %. De plus, 11 % des phases minérales cristallisées du matériau sont constituées par le quartz. La teneur en chrome VI est évaluée à 4,9 g/kg, répartie entre la fraction lixiviable et les phases minérales cimentaires cristallisées. Une compilation des données de la bibliographie des charrées de chrome à travers le monde a conduit à une classification des matériaux en trois classes : (1) les charrées de chrome à haute teneur en calcium et basse teneur en silicium, (2) les charrées de chrome à teneur intermédiaire en calcium et en silicium et (3) les charrées de chrome à basse teneur en calcium et haute teneur en silicium. La relation entre le calcium et le silicium est indicatrice de la qualité du minerai de chromite et des modifications géochimiques subies par les charrées lors de l’altération des dépôts. Les charrées de chrome étudiées font partie de la troisième catégorie. La forte teneur en silicium s’exprime à travers une association spécifique des phases minérales dans le matériau et elle semble favoriser la mobilité du Cr(VI). D’autre part, le matériau montre un très lent retour à un état chimique stationnaire après une déstabilisation. Ainsi, un essai d’extraction de fraction lixiviable a induit une dissolution des phases ciments porteuses de Cr(VI) mais environs 400 jours étaient nécessaires pour rétablir un état stable du matériau. À ce stade, les concentrations en Cr(VI) dans l’eau porale étaient revenues à leur niveau initial. L’extraction de la fraction lixiviable du chrome VI n’est pas une solution recommandée de dépollution des charrées de chrome car nécessitant des opérations multiples d’extraction.