За правилно разумевање формирања киселе дренаже рудника, биогеохемијске интеракције
и секвенце у овим процесима морају се разумети. Ово поглавље је преузето из Долда [4]
ради погодности читаоца, а више детаља о овом питању може се наћи у овом поглављу
књиге отвореног приступа бесплатно. Проблем оксидације сулфида и повезаног стварања
киселе дренаже рудника, или уопштеније одводње киселих стена, као и процеси растварања
и таложења метала и минерала, били су главни фокус истраживања током последњег 50
године [5–9].
Примарни минералошки састав има снажан утицај на процесе оксидације. Ово је добро
илустровано [10–12], показујући да брзине реакције показују значајне разлике у зависности
од тога који сулфиди се оксидују помоћу Fe(III) и потенцијалне превлаке Fe(III) хидроксида. Експерименти кинетичког типа временских утицаја указују на важност састава
елемената у траговима у стабилности појединачних сулфида. Тамо где су различити
сулфиди у контакту један са другим, вероватно ће доћи до електрохемијских процеса који
утичу на реактивност сулфида [13]. Већина рудника је окружена гомилама, депонијама или
залихама који садрже уситњени материјал или отпад из процеса бенефакције (Слика 1А),
који су познати као јаловина, депоније отпадних стена, залихе или депоније или јастучићи
за испирање (овде спадају и површински коп окружен депонијама). Депоније отпадних
стена углавном садрже материјал са ниским садржајем руде, који се копа, али није млевен.
Ови материјали и даље могу да садрже велике концентрације сулфидних минерала, који
могу бити подвргнути оксидацији, стварајући главни извор контаминације металима и
киселинама [14]. У следећем одељку фокус је на сулфидним минералима који производе
киселине, углавном користећи пирит као пример. Најчешћи сулфидни минерал је пирит
(FeS2). Оксидација пирита се одвија у неколико корака укључујући формирање
метастабилних секундарних производа у зависности од геохемијских услова. Може се
сматрати да се оксидација пирита одвија у три главна корака:
(1) оксидација сумпора (једначина (1));
(2) оксидација обојеног гвожђа (једначина (2)) и
(3) хидролиза и преципитација комплекса гвожђа и минерала (једначина (4)).
Кинетика сваке реакције је различита и зависи од услова који преовлађују у јаловини:
FeS2 + 7/2O2 + H2O → Fe2+ + 2SO42− + 2H+ (1)
Fe2+ + 1/4O2 + H+ → Fe3+ + 1/2H2O (2)
Брзине реакција су снажно повећане микробном активношћу (e.g., Acidithiobacillus spp. or
Leptospirillum spp.):
FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O → 15Fe2+ + 2SO42− + 16H+ (3)
Једначина (1) описује почетни корак оксидације пирита у присуству атмосферског
кисеоника. Оксидација Fe2+ у Fe3+ се снажно убрзава при условима ниског рН
микробиолошком активношћу (једначина (2)), стварајући Fe3+ гвожђе као примарни
оксидант пирита (једначина (3)) [7,19,20].
У абиотичким условима, брзина оксидације пирита помоћу Fe3+ се контролише брзином
оксидације Fe2+, која се брзо смањује са смањењем рН. Испод рН вредности 3 оксидација
пирита помоћу Fe3+ је 10-100 пута бржа него кисеоником [21]. Више од 50 година познато
је да микроорганизми Acidithiobacillus ferrooxidans и Leptospirillum ferrooxidans добијају
енергију оксидацијом Fe2+ у Fe3+ из сулфида катализом ове реакције [22] и то може повећати
брзину реакције (2) до фактора од око 100 у односу на абиотску оксидацију [23]. Новији
резултати показују да је сложена микробна заједница одговорна за оксидацију сулфида
[19,24–27]. Независно од рН вредности воде, могуће је формирање нано-окружења на
површинама сулфидних материјала од стране бактерија које утичу на брзину поменут
оксидације Fe2+/Fe3+( Acidithiobacillus spp.).
Нордстром и Соутхам [28] су изјавили да почетни корак оксидације пирита не захтева
детаљан секвенце различитих геохемијских реакција које доминирају у различитим пХ
опсегима. Ацидитиобациллус спп. формира нано-окружење, које расте на површинама
сулфидних минерала [29]. Ова нано-окружења могу развити танке слојеве киселе воде који
не утичу на укупни пХ хемије воде. Са прогресивном оксидацијом, нано-окружење се може
променити у микроокружење [30]. Докази киселог микроокружења у присуству скоро
неутралног пХ за масу воде могу се закључити из присуства јарозита (овај минерал се
формира при пХ око 2) у одређеним хоризонтима земљишта где је тренутни пХ воде
неутралан [31]. Баркер ет ал. [32] посматрано микробно
колонизација биотита и измерен пХ у микросрединама у окружењу живих микроколонија.
пХ раствора се смањио са скоро неутралног на површини минерала на пХ 3–4 око микроколонија које живе у ограниченим просторима на унутрашњим колонизованим равнима
цепања.
Када рудничка вода, богата гвожђем и гвожђем, доспе на површину, она ће у потпуности
оксидисати и хидролизовати, што ће резултирати таложењем
ерихидрит (Фх), швертманит (Сх), гетит (Гт) или јарозит (Јт) у зависности од пХ-Ех услова
и доступности кључних елемената као што су калијум и сулфат (Слика 2). Ови секундарни
минерали попут јарозита, швертманита и ферихидрита су
мета-стабилан и може се трансформисати у гетит [17]. Хидролиза и преципитација
хидроксида гвожђа (и у мањем степену, јарозита) ће произвести већину киселине у овом
процесу. Ако је пХ мањи од око 2, производи хидролизе гвожђа као што је Фе(ОХ)3 нису
стабилни и Фе3+ остаје у раствору: .
Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3(s) + 3H+ (4)
Имајте на уму да нето реакција потпуне оксидације пирита, хидролизе Фе3+ и таложења
гвожђе хидроксида (збир реакција (1), (2) и (4) производи четири мола Х+ по молу пирита
(у случају Фе(ОХ) )3 формирање, види Реакцију (5), односно, оксидација пирита је
најефикаснији произвођач киселине међу уобичајеним сулфидним минералима (нето
реакција (5)).Ипак, важно је имати на уму да хидролиза Фе(ОХ) 3 је главни произвођач
киселине (3/4 мола Х+ по молу пирита).
FeS2 + 15/4O2 + 7 /2H2O → Fe(OH)3 + 2SO4 2− + 4H+ (5)
Процес оксидације пирита се односи на све сулфидне минерале који су једном били
изложени оксидационим условима (нпр. халкопирит, борнит, молибденит, арсенопирит,
енаргит, галена и сфалерит између осталих). У овом процесу се ослобађају различите
количине протона [4], а метали и други штетни елементи или једињења се ослобађају у
животну средину.