Recovery of mining residues for eco-efficient mortar production

Abstract

Raw materials are essential for human well-being, although their production, consumption and end-oflife are causing increasing environmental burdens. The Panasqueira mine has been operating for more than one century, being the main threat to its activity and for the surrounding ecosystem the disposal of significant amounts of old mining residues that contain substances of environmental concern. On the other hand, tungsten, considered a critical raw material, can be recovered from Panasqueira mining resources. In the construction sector, cement is one of the main contributors for greenhouse gas emissions and is the main binder used in mortar and concrete production. Hence, a partial replacement of this binder by secondary mining resources may bring economic, social, technical and environmental benefits. Efficient technologies to remove and recover elements from environmental matrices may promote safe storage and reuse. The electrodialytic (ED) treatment has demonstrated successful results on the removal of inorganic and/or organic contaminants from a wide range of resources. Thus, to address the challenges in climate change and environmental degradation issues, in both mining and construction sectors, the present work aimed at assessing the feasibility of applying the ED technology to mining residues for (1) the recovery of critical raw materials and the hydrogen that is inherently produced; (2) the removal of harmful compounds; (3) the production of a suitable matrix for further reuse in cementitious construction materials, and (4) the minimization of environmental impacts in the materials life cycle. The main results of the work developed demonstrated that the reuse of mining residues can decrease the consumption of primary resources and promote improvements in the sustainability of the industries involved, without high investments. Through the ED treatment, tungsten could be recovered in 22%, while the removal of arsenic may achieve 63%. The hydrogen produced can be recovered with 74% of purity. The production of cement-based mortars, replacing cement by treated mining residues, revealed similar performances to conventional mortars. Although a higher cement substitution percentage (50% volume) have caused some deterioration in mechanical resistance, the mortars produced demonstrated compatibility with current applications, as bedding mortars and fired brick masonry walls. The life cycle analysis also proved that the mortars produced allow impact mitigation in several environmental categories, namely in global warming potential, supporting the circular economy of sustainable construction products.

As matérias-primas são fundamentais para o bem-estar humano, embora a sua exploração, consumo e fim de vida causem crescentes problemas ambientais. As minas da Panasqueira encontram-se em funcionamento há mais de um século, correspondendo a deposição de grandes quantidades de resíduos mineiros antigos, que contêm substâncias de preocupação ambiental, uma ameaça à sua atividade e ao ecossistema envolvente. Por outro lado, o tungsténio, considerado como matéria-prima essencial, pode ser recuperado dos recursos mineiros da Panasqueira. No setor da construção, o cimento é um dos principais responsáveis pelas emissões de gases com efeito de estufa, e o principal ligante utilizado na produção de argamassas e betões. Neste caso, a substituição parcial deste ligante por recursos mineiros secundários pode trazer benefícios económicos, sociais, técnicos e ambientais. Tecnologias eficientes para remover e recuperar elementos de matrizes ambientais podem promover um armazenamento e reutilização seguros. O tratamento eletrodialítico (ED) tem demonstrado resultados promissores na remoção de contaminantes inorgânicos e/ou orgânicos de uma ampla gama de recursos. Assim, para enfrentar os desafios das alterações climáticas e as questões de degradação ambiental no setor mineiro e da construção, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a viabilidade da aplicação da tecnologia ED a resíduos de minas para (1) recuperação de matérias-primas essenciais e do hidrogénio que é inerentemente produzido; (2) remoção de compostos perigosos; (3) produção de uma matriz adequada para posterior reutilização em materiais de construção cimentícios e (4) minimização dos impactes ambientais no ciclo de vida dos materiais. Os principais resultados do trabalho desenvolvido demonstraram que a reutilização de resíduos de minas pode diminuir o consumo de recursos primários e promover melhorias na sustentabilidade das indústrias envolvidas, sem investimentos elevados. Através do tratamento ED, o tungsténio pode ser recuperado em 22%, enquanto a remoção de arsénio pode atingir os 63%. O hidrogénio produzido pode ser recuperado com 74% de pureza. A produção de argamassas com a substituição parcial do cimento por resíduos de minas tratados revelou desempenhos semelhantes às argamassas convencionais. Embora uma maior percentagem de substituição de cimento (50% volume) tenha provocado algum deterioramento nas resistências mecânicas, as argamassas produzidas demonstraram compatibilidade com aplicações atuais, como argamassas de assentamento e paredes de alvenaria de tijolo. A análise de ciclo de vida provou ainda que as argamassas produzidas permitem mitigar impactes em diversas categorias ambientais, nomeadamente no potencial de aquecimento global, apoiando a economia circular de produtos de construção sustentáveis.