Mineral carbona tion of CO2 in flotation tailings of copper-nickel ores from the Talnakh Concentrator: an experimental and thermodynamic assessment

Olga L. Gaskova; Olga S. Shvartseva; Sergei E. Vagner; Ramil Sh. Batraliev

Vol 281 Iss. 2

Pages:

160-174

Download volume:

RUS ENG

Article

Geotechnical Engineering and Engineering Geology

Mineral carbona tion of CO2 in flotation tailings of copper-nickel ores from the Talnakh Concentrator: an experimental and thermodynamic assessment

Authors:

Olga L. Gaskova¹

Olga S. Shvartseva²

Sergei E. Vagner³

Ramil Sh. Batraliev⁴

About authors

1 — Ph.D., Dr.Sci. ведущий научный сотрудник Институт геологии и минералогии имени В.С.Соболева СО РАН ▪ Orcid ▪ ResearcherID
2 — Ph.D. старший научный сотрудник нститут геологии и минералогии имени В.С.Соболева СО РАН ▪ Orcid
3 — руководитель проектов Департамента технологических инноваций ПАО «ГМК «Норильский никель» ▪ Orcid
4 — директор Департамента инноваций Заполярный филиал ПАО «ГМК «Норильский никель» ▪ Orcid

Date submitted:

2026-04-06

Date accepted:

2026-09-29

Online publication date:

2026-10-30

Date published:

2026-10-30

Abstract

Хвосты обогащения медно-никелевых руд, содержащие Ca-, Mg- и Fe-силикаты, представляют интерес как потенциальный материал для минеральной карбонизации CO₂. Цель работы – оценить потенциал использования пустой породы хвостохранилища Талнахской обогатительной фабрики ПАО «ГМК «Норильский никель» для связывания углекислого газа в форме карбонатных фаз и определить факторы, контролирующие эффективность этого процесса. Исследование выполнено с применением комплекса минералого-геохимических методов (сканирующая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, ИК-спектроскопия, ICP-MS, определение неорганического углерода), лабораторного эксперимента по насыщению породы CO₂ при 25 °C и давлении 1 бар в течение 7 сут и термодинамического моделирования равновесий методом минимизации свободной энергии Гиббса (пакет программ HCh). Установлено, что хвосты, наряду с высоким содержанием сульфидов, прежде всего пирротина FenSn_{+ 1}, содержат пироксены, включая диопсид CaMgSi₂O₆, плагиоклазы ряда NaAlSi₃O₈–CaAl₂Si₂O₈, серпентин Mg₃Si₂O₅(OH)₄ и амфиболы, представленные Ca-, Mg- и Fe-силикатами, способными участвовать в реакциях карбонизации. В эксперименте зафиксирован прирост суммарной карбонатной фазы на 1,92 мас.% преимущественно за счет доломита, без дополнительной активации материала. В модельных расчетах наиболее существенное влияние на выход карбонатов оказало парциальное давление CO₂; повышение температуры в интервале 25-100 °C, напротив, снизило содержание карбонатных фаз вследствие перераспределения Ca и Mg в силикатные минералы. Показано, что вторичное силикатообразование конкурирует с карбонатообразованием за двухвалентные катионы, ограничивая реальный потенциал процесса. Хвосты могут рассматриваться как вторичный минеральный ресурс для связывания CO₂, однако практическая реализация требует дальнейшей оценки кинетических ограничений и долговременной устойчивости новообразованных минеральных фаз.

Область исследования:

Geotechnical Engineering and Engineering Geology

Funding:

Работа выполнена по Государственному заданию ИГМ СО РАН (FWZN-2026-0007).

References

Oelkers E.H., Gislason S.R., Matter J. Mineral Carbonation of CO2 // Elements. 2008. Vol. 4. № 5. P. 333-337. DOI: 10.2113/gselements.4.5.333
Power I.M., Dipple G.M., Bradshaw P.M.D., Harrison A.L. Prospects for CO2 mineralization and enhanced weathering of ultramafic mine tailings from the Baptiste nickel deposit in British Columbia, Canada // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2020. Vol. 94. № 102895. DOI: 10.1016/j.ijggc.2019.102895
Li J., Hitch M., Power I.M., Yueyi Pan. Integrated Mineral Carbonation of Ultramafic Mine Deposits–A Review // Minerals. 2018. Vol. 8. Iss. 4. № 147. DOI: 10.3390/min8040147
Xiagyang Lu, Liang Xu, Xiaochun Li et al. In-situ mineral carbonation of ultramafic tailings for carbon dioxide removal: A critical review // Process Safety and Environmental Protection. 2025. Vol. 204. № 108046. DOI: 10.1016/j.psep.2025.108046
Snæbjörnsdóttir S.Ó., Sigfússon B., Marieni C. et al. Carbon dioxide storage through mineral carbonation // Nature Reviews Earth & Environment. 2020. Vol. 1. Iss. 2. P. 90-102. DOI: 10.1038/s43017-019-0011-8
Fei Wang, Dreisinger D., Jarvis M., Hitchins T. Kinetics and mechanism of mineral carbonation of olivine for CO2 sequestration // Minerals Engineering. 2019. Vol. 131. P. 185-197. DOI: 10.1016/j.mineng.2018.11.024
Sanna A., Uibu M., Caramanna G. et al. A review of mineral carbonation technologies to sequester CO2 // Chemical Society Reviews. 2014. Vol. 43. Iss. 23. P. 8049-8080. DOI: 10.1039/c4cs00035h
Cuéllar-Franca R.M., Azapagic A. Carbon capture, storage and utilisation technologies: A critical analysis and comparison of their life cycle environmental impacts // Journal of CO2 Utilization. 2015. Vol. 9. P. 82-102. DOI: 10.1016/j.jcou.2014.12.001
Xiao Lin, Yingshuang Zhang, Hongwen Liu et al. Carbon dioxide sequestration by industrial wastes through mineral carbonation: Current status and perspectives // Journal of Cleaner Production. 2024. Vol. 434. № 140258. DOI: 10.1016/j.jclepro.2023.140258
Wilson S., Harrison A.L., Dipple G.M. et al. Offsetting of CO2 emissions by air capture in mine tailings at the Mount Keith Nickel Mine, Western Australia: Rates, controls and prospects for carbon neutral mining // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2014. Vol. 25. P. 121-140. DOI: 10.1016/j.ijggc.2014.04.002
Zarandi A.E., Larachi F., Beaudoin G. et al. Ambient mineral carbonation of different lithologies of mafic to ultramafic mining wastes/tailings – A comparative study // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2017. Vol. 63. P. 392-400. DOI: 10.1016/j.ijggc.2017.06.016
Xiaolin Zhang, Long-Fei Gou, Liang Tang et al. Transition of CO2 from Emissions to Sequestration During Chemical Weathering of Ultramafic and Mafic Mine Tailings // Minerals. 2025. Vol. 15. Iss. 1. № 68. DOI: 10.3390/min15010068
Ahmed A., Abu Hassan Z.F. Critical review of methods, mechanisms, and feedstocks in mineral carbonation for enhanced carbon neutrality: From waste to climate solution // Science of the Total Environment. 2025. Vol. 980. № 179544. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2025.179544
Stokreef S., Sadri F., Stokreef A., Ghahreman A. Mineral carbonation of ultramafic tailings: A review of reaction mechanisms and kinetics, industry case studies, and modelling // Cleaner Engineering and Technology. 2022. Vol. 8. № 100491. DOI: 10.1016/j.clet.2022.100491
Xueya Lu, Carroll K.J., Turvey C.C., Dipple G.M. Rate and capacity of cation release from ultramafic mine tailings for carbon capture and storage // Applied Geochemistry. 2022. Vol. 140. № 105285. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2022.105285
Lindsay M.B.J., Moncur M.C., Bain J.G. et al. Geochemical and mineralogical aspects of sulfide mine tailings // Applied Geochemistry. 2015. Vol. 57. P. 157-177. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2015.01.009
Бодуэн А.Я., Петров Г.В., Мардарь И.И., Иванов Б.С. Извлечение благородных и цветных металлов из техногенного сырья Норильского промышленного региона: практика и исследования // Успехи современного естествознания. 2013. № 3. С. 143-145.
Шваров Ю.В. HCh: новые возможности термодинамического моделирования геохимических систем, предоставляемые Windows // Геохимия. 2008. № 8. С. 898-903.
Oskierski H.C., Dlugogorski B.Z., Jacobsen G. Sequestration of atmospheric CO2 in chrysotile mine tailings of the Woodsreef Asbestos Mine, Australia: Quantitative mineralogy, isotopic fingerprinting and carbonation rates // Chemical Geology. 2013. Vol. 358. P. 156-169. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2013.09.001
Gras A., Beaudoin G., Molson J. et al. Isotopic evidence of passive mineral carbonation in mine wastes from the Dumont Nickel Project (Abitibi, Quebec) // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2017. Vol. 60. P. 10-23. DOI: 10.1016/j.ijggc.2017.03.002
Campione M., Corti M., D’Alessio D. et al. Microwave-driven carbonation of brucite // Journal of CO2 Utilization. 2024. Vol. 80. № 102700. DOI: 10.1016/j.jcou.2024.102700
Zarandi A.E., Larachi F., Beaudoin G. et al. Multivariate study of the dynamics of CO2 reaction with brucite-rich ultramafic mine tailings // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2016. Vol. 52. P. 110-119. DOI: 10.1016/j.ijggc.2016.06.022
Kularatne K., Sissmann O., Guyot F., Martinez I. Mineral carbonation of New Caledonian ultramafic mine slag: Effect of glass and secondary silicates on the carbonation yield // Chemical Geology. 2023. Vol. 618. № 121282. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2022.121282
Kumar A., Shrivastava J.P. Secondary Silicates as a Barrier to Carbon Capture and Storage in Deccan Basalt // Acta Geologica Sinica (English Edition). 2020. Vol. 94. Iss. 3. P. 861-876. DOI: 10.1111/1755-6724.14291
Molahid V.L.M., Kusin F.M., Syed Hasan S.N.M. et al. CO2 Sequestration through Mineral Carbonation: Effect of Different Parameters on Carbonation of Fe-Rich Mine Waste Materials // Processes. 2022. Vol. 10. Iss. 2. № 432. DOI: 10.3390/pr10020432
Hamilton J.L., Wilson S., Morgan B. et al. Fate of transition metals during passive carbonation of ultramafic mine tailings via air capture with potential for metal resource recovery // International Journal of Greenhouse Gas Control. 2018. Vol. 71. P. 155-167. DOI: 10.1016/j.ijggc.2018.02.008
Snæbjörnsdóttir S.Ó., Gislason S.R., Galeczka I.M., Oelkers E.H. Reaction path modelling of in-situ mineralisation of CO2 at the CarbFix site at Hellisheidi, SW-Iceland // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2018. Vol. 220. P. 348-366. DOI: 10.1016/j.gca.2017.09.053
Matter J.M., Stute M., Snæbjörnsdóttir S.Ó. et al. Rapid carbon mineralization for permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions // Science. 2016. Vol. 352. № 6291. P. 1312-1314. DOI: 10.1126/science.aad8132
Bychkov A.Yu., Bénézeth P., Pokrovsky O.S. et al. Experimental determination of calcite solubility and the stability of aqueous Ca- and Na-carbonate and –bicarbonate complexes at 100-160 C and 1-50 bar pCO2 using in situ pH measurements // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2020. Vol. 290. P. 352-365. DOI: 10.1016/j.gca.2020.09.004
Kumar A., Shrivastava J.P., Pathak V. Mineral carbonation reactions under water-saturated, hydrothermal-like conditions and numerical simulations of CO2 sequestration in tholeiitic basalt of the Eastern Deccan Volcanic Province, India // Applied Geochemistry. 2017. Vol. 84. P. 87-104. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2017.05.021
Lasaga A.C., Soler J.M., Ganor J. et al. Chemical weathering rate laws and global geochemical cycles // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1994. Vol. 58. Iss. 10. P. 2361-2386. DOI: 10.1016/0016-7037(94)90016-7
Bowell R.J., Evans J., Declercq J. et al. Environmental Geochemistry of Sulfide-Bearing Iron Oxide Deposits in Scandinavia: Importance of Gangue Minerals and Sulfide Crystallinity in the Delay of Acid Generation // Minerals. 2026. Vol. 16. Iss. 2. № 171. DOI: 10.3390/min16020171
Paulo C., Power I.M., Zeyen N. et al. Geochemical modeling of CO2 sequestration in ultramafic mine wastes from Australia, Canada, and South Africa: Implications for carbon accounting and monitoring // Applied Geochemistry. 2023. Vol. 152. № 105630. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2023.105630
Embile Jr. R.F., Walder I.F., Mahoney J.J. Multicomponent reactive transport modeling of effluent chemistry using locally obtained mineral dissolution rates of forsterite and pyrrhotite from a mine tailings deposit // Advances in Water Resources. 2019. Vol. 128. P. 87-96. DOI: 10.1016/j.advwatres.2019.04.008
Power I.M., Paulo C., Long H. et al. Carbonation, Cementation, and Stabilization of Ultramafic Mine Tailings // Environmental Science & Technology. 2021. Vol. 55. Iss. 14. P. 10056-10066. DOI: 10.1021/acs.est.1c01570
Khandoozi S., Hazlett R., Fustic M. A critical review of CO2 mineral trapping in sedimentary reservoirs – from theory to application: Pertinent parameters, acceleration methods and evaluation workflow // Earth-Science Reviews. 2023. Vol. 244. № 104515. DOI: 10.1016/j.earscirev.2023.104515

Mineral carbona tion of CO2 in flotation tailings of copper-nickel ores from the Talnakh Concentrator: an experimental and thermodynamic assessment

Abstract

References

Similar articles