Abstract Lime precipitation has been used for the treatment of mine water for decades; however, the impact of precipitation conditions is not adequately known. In this thesis, four aspects related to the removal of sulphate from mine water by lime precipitation are considered: the effect of magnesium on lime precipitation, the utilisation of by-products in lime precipitation, enhancement of lime precipitation, and utilisation of the precipitate. Sulphate removal in the presence of magnesium at the commonly used lime precipitation treatment pH of 9.6 was found unefficient as magnesium was keeping the sulphate soluble in the form of magnesium sulphate. At higher treatment pH of 11.5, magnesium that was naturally present in the mine water was shown to precipitate as magnesium hydroxide, which could serve as seed crystals for gypsum or co-precipitate sulphate thus enhancing sulphate removal. Quicklime manufacturing generates by-products that, currently, have few applications. The by-products examined in this study were successfully applied for mine water neutralization replacing commercial lime products. These by-products were found to remove sulphate equally well from the mine water. However, differences between by-products were observed in the consumption, and produced sludge quantities and qualities. An enhanced lime precipitation method is the precipitation as ettringite, which was used to reduce the sulphate content in mine water to less than the value set as the drinking water guideline in Finland. Furthermore, the formed precipitate was found to remove arsenate from the model solution. / Tiivistelmä Vaikka kalkkisaostusta on käytetty kaivosten vesienkäsittelyyn useiden vuosikymmenten ajan, tieto olosuhteiden vaikutuksesta käsittelyn tehokkuuteen sulfaatin poiston osalta on puutteellista. Tämä väitöskirja käsittelee sulfaatinpoistoa kaivosvesistä kalkkisaostuksen avulla neljällä eri osa-alueella: magnesiumin vaikutus kalkkisaostukseen, kalkinpolton sivutuotteiden hyödyntäminen kalkkisaostuksessa, kalkkisaostuksen tehostaminen ja muodostuvan saostuman hyödyntäminen. Magnesiumin todettiin kokeellisesti ja laskennallisesti haittaavan sulfaatin poistoa kaivosvedestä kalkkisaostuksessa yleisesti käytetyssä pH:ssa 9.6 pitämällä sulfaattia liukoisessa muodossa magnesiumsulfaattina. Korkeammassa pH:ssa 11.5 puolestaan kaivosveden luontaisesti sisältämän magnesiumin havaittiin kokeellisesti ja laskennallisesti saostuvan magnesiumhydroksidina, joka voi toimia siemenkiteinä kipsille tai kerasaostaa sulfaattia ja siten tehostaa sulfaatin poistoa. Kalkinpolton sivutuotteina muodostuu jakeita, joille ei tällä hetkellä ole juurikaan käyttökohteita. Tässä työssä käytettiin kalkinpolton sivutuotteita korvaamaan kaupallista kalkkia kaivosveden neutraloinnissa. Sivutuotteet poistivat sulfaattia yhtä tehokkaasti kuin kaupalliset kalkkituotteet. Sivutuotteiden välillä havaittiin eroja niiden kulutuksessa sekä muodostuvan lietteen määrässä ja laadussa. Saostuksella ettringiittinä, joka on tehostettu versio perinteisestä kalkkisaostuksesta, saavutettiin sulfaattipitoisuuden lasku alle Suomessa juomavedelle käytetyn suositusarvon. Lisäksi havaittiin muodostuneen ettringiittisaostuman olevan potentiaalinen materiaali arsenaatin poistoon vedestä.

Abstract Pollutant (such as metals and sulphate) contamination exists in the wastewaters of many industries, including mining operations, metal plating facilities, and tanneries. Adsorption is one of the most commonly used processes for the removal of pollutants from waters and wastewaters due to its high efficiency and simple operation. Activated carbon is the most frequently used adsorbent material, although its high cost inhibits its widespread use in wastewater treatment. Therefore, there is a need to develop other adsorbents from alternative inexpensive raw materials such as locally available industrial and mineral waste and by-products. The aim of this thesis was to study the possibility of using industrial waste materials such as carbon residue, metakaolin, blast-furnace slag and analcime as an inexpensive sorbent for iron, copper, nickel, arsenic, antimony and sulphate removal from aqueous solutions. To enhance their adsorption capacity, different chemical treatments (i.e. activation, modification, geopolymerisation) were performed. As a result, the level of removal of iron, copper and nickel by carbon residue and zinc chloride activated carbon residue was higher than that by the commercial activated carbon. Iron chloride modified carbon residue was the most effective sorbent material for sulphate removal when compared to the other studied chemically modified/activated carbon residues. Blast-furnace slag and metakaolin geopolymers as well as their raw materials, were examined for the simultaneous removal of nickel, arsenic and antimony from the spiked mine effluent. In the case of blast-furnace slag, geopolymerisation clearly increased the efficiency of nickel, arsenic and antimony removal to a beneficial level. The barium chloride modified blast-furnace-slag geopolymer was a very efficient sorbent material for sulphate removal and it could thus be a technically feasible sulphate sorbent for wastewater treatment (e.g. in the mining industry in applications in which very low sulphate levels are desired). Barium chloride modified acid washed analcime could also be a potential sorbent for sulphate removal. / Tiivistelmä Teollisuuden jätevedet kuten kaivosvedet ja metalliteollisuuden prosessien jätevedet voivat sisältää monenlaisia haitallisia ja jopa myrkyllisiä aineita kuten metalleja ja sulfaattia. Adsorptiota käytetään yleisesti esimerkiksi metallien ja orgaanisten yhdisteiden poistossa vesiliuoksista, koska se on tehokas ja yksinkertainen menetelmä. Aktiivihiili on yleisimmin käytetty adsorbenttimateriaali vedenpuhdituksessa, mutta sen hinta joissain tapauksissa rajoittaa sen käyttöä. Tämän vuoksi on tarvetta kehittää vaihtoehtoisia adsorbenttimateriaaleja edullisista raaka-aineista. Viime vuosien aikana on raportoitu mm. teollisuus- ja mineraalijätteistä, joita voidaan hyödyntää vesien ja jätevesien puhdistuksessa. Tämän työn tavoitteena oli hyödyntää teollisuudesta muodostuvia jätemateriaaleja (hiilijäännös, metakaoliini, masuunikuona ja analsiimi) raudan, kuparin, nikkelin, arseenin, antimonin tai sulfaatin poistossa malli- ja jätevesistä. Materiaaleja käsiteltiin erilaisilla kemikaaleilla (aktivointi, modifiointi tai geopolymerointi), jotta niiden adsorptiotehokkuudet paranisivivat poistettavia aineita kohtaan. Tulokset osoittivat, että raudan, kuparin ja nikkelin poisto oli sekä käsittelemättömällä että sinkkikloridilla aktivoidulla hiilijäännöksellä korkeampi kuin kaupallisella aktiivihiilellä. Arseenin, nikkelin ja antimonin poistoa kaivosvedestä tutkittiin masuunikuona- ja metakaoliinigeopolymeereillä, joista masuunikuonageopolymeeri osoittautui tehokkaimmaksi metallien poistajaksi. Bariumkloridilla modifioitu masuunikuonageopolymeeri puolestaan poisti erittäin tehokkaasti sulfaattia kaivoksen jätevedestä. Rautakloridilla modifioitu hiilijäännös ja happopesty bariumkloridilla modifioitu analsiimi osoittatuivat myös lupaavaksi materiaaliksi sulfaatin poistossa.